機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課件

1.1

機(jī)器人的定義

機(jī)器人概述機(jī)器人一詞的出現(xiàn)：1920年、捷克作家、

KarelCapek、《Rossum’sUniversalRobots》，“Robota”（奴隸）寫成了“Robot”。小說(shuō)在1924年和1927年的時(shí)候被紛紛傳到了日本、法國(guó)和歐洲國(guó)家，機(jī)器人這個(gè)名詞就向全世界鋪展開(kāi)來(lái)。故事情節(jié)：帶感情的機(jī)器人消滅了人類，一對(duì)男女機(jī)器人相愛(ài)，世界又起死回生。上世紀(jì)60年代，可實(shí)用機(jī)械的機(jī)器人被稱為工業(yè)機(jī)器人上世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，正越來(lái)越向智能化方向發(fā)展

因此，至今為止也沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的機(jī)器人的定義。機(jī)器人學(xué)是一門不斷發(fā)展的科學(xué)，對(duì)機(jī)器人的定義也隨其發(fā)展而變化。（2）日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)(JIRA)的定義：工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器”。（1）美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)(RIA)的定義：機(jī)器人是“一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手(manipulator)”。國(guó)際上，關(guān)于機(jī)器人的定義主要有以下幾種：（3）美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的定義：機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。（4）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義：“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”。（5）我國(guó)對(duì)機(jī)器人的定義。蔣新松院士曾建議把機(jī)器人定義為“一種擬人功能的機(jī)械電子裝置”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。參考各國(guó)的定義，對(duì)機(jī)器人給出以下定義：機(jī)器人是一種計(jì)算機(jī)控制的可以編程的自動(dòng)機(jī)械電子裝置，能感知環(huán)境，識(shí)別對(duì)象，理解指示命令，有記憶和學(xué)習(xí)功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進(jìn)化，能計(jì)劃其操作程序來(lái)完成任務(wù)。1.2機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用一、古代機(jī)器人

春秋后期，魯班曾制造過(guò)一只木鳥(niǎo)，能在空中飛行“三日不下”。機(jī)器馬車

西周時(shí)期，出現(xiàn)了能歌善舞的伶人，這是我國(guó)最早記載的機(jī)器人。

公元前2世紀(jì)，亞歷山大時(shí)代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人──自動(dòng)機(jī)?？梢宰约洪_(kāi)門，還可以借助蒸汽唱歌。

漢代大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀，而且發(fā)明了計(jì)里鼓車。每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。

后漢三國(guó)時(shí)期，蜀國(guó)丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”。用其運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭(zhēng)。寫字機(jī)器人

1738年，法國(guó)天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨。它會(huì)嘎嘎叫，會(huì)游泳和喝水，還會(huì)進(jìn)食和排泄。19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了科學(xué)幻想派和機(jī)械制作派。1886年《未來(lái)的夏娃》問(wèn)世。在機(jī)械實(shí)物制造方面，1893年摩爾制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動(dòng)雙腿沿圓周走動(dòng)。

1773年，自動(dòng)書(shū)寫玩偶、自動(dòng)演奏玩偶等被連續(xù)推出。現(xiàn)在保留下來(lái)的瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，還定期彈奏音樂(lè)供參觀者欣賞。1927年美國(guó)西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器人“電報(bào)箱”?？梢曰卮鹨恍﹩?wèn)題。二、現(xiàn)代機(jī)器人

1952年，第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的誕生，為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專利。主從機(jī)器人

1948年，美國(guó)原子能委員會(huì)的阿爾貢研究所開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。1962年美國(guó)AMF公司推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）。

VERSATRANUNIMATE1965年，MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺(jué)傳感器的、能識(shí)別與定位簡(jiǎn)單積木的機(jī)器人系統(tǒng)1970年在美國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺(tái)由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人1980年后，日本贏得了“機(jī)器人王國(guó)”的美稱

各種用途的機(jī)器人：水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等新的機(jī)器人名稱：“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”、機(jī)器人化機(jī)器德國(guó)排爆機(jī)器人相撲機(jī)器人無(wú)人駕駛振動(dòng)式壓路機(jī)機(jī)器魚(yú)“自由泳”“過(guò)龍門”在水中“戲球”自主地避開(kāi)障礙物機(jī)器魚(yú)我國(guó)研制的排爆機(jī)器人

70年代的萌芽期，80年代的開(kāi)發(fā)期和90年代的適用化期。

1972年開(kāi)始研制自己的工業(yè)機(jī)器人“七五”期間，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人1986年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）開(kāi)始實(shí)施上世紀(jì)90年代初期起，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展：

日本和美國(guó)在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行機(jī)器人的研究，與他們相比較，我國(guó)還存在較大的差距，因此需要更多的人加入到發(fā)展機(jī)器人的事業(yè)中來(lái)。3.按機(jī)器人的智能程度分（1）一般機(jī)器人：只具有一般編程能力和操作功能（2）智能機(jī)器人：具有不同程度的智能傳感型機(jī)器人

交互型機(jī)器人

自主型機(jī)器人理由之三：機(jī)器人做人做不了的事情。比如人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)，對(duì)原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人為什么要發(fā)展機(jī)器人?理由之二：機(jī)器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高溫的或危險(xiǎn)的環(huán)境，汽車生產(chǎn)線上的焊接工作機(jī)器人汽車焊接生產(chǎn)線理由之一：提高生產(chǎn)效率降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度。比如焊機(jī)器人提高生產(chǎn)效率，提高汽車焊接的質(zhì)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度

汽車裝配機(jī)器人本章小結(jié):機(jī)器人的外型不一定像人機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、人工智能、系統(tǒng)工程等多種學(xué)科于一體的綜合性很強(qiáng)的新技術(shù)2.1相關(guān)術(shù)語(yǔ)及性能指標(biāo)關(guān)節(jié)（Joint）：即運(yùn)動(dòng)副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)連桿（Link）：機(jī)器人手臂上被相鄰兩關(guān)節(jié)分開(kāi)的部分。自由度（Degreeoffreedom）：或者稱坐標(biāo)軸數(shù)，是指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。手指的開(kāi)、合，以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。剛度（Stiffness）：機(jī)身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的變形量（位移）之比來(lái)度量。定位精度（Positioningaccuracy）：指機(jī)器人末端參考點(diǎn)實(shí)際到達(dá)的位置與所需要到達(dá)的理想位置之間的差距。重復(fù)性（Repeatability）或重復(fù)精度：在相同的位置指令下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復(fù)度。oo工作空間（Workingspace）：機(jī)器人手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（不包括末端操作器）所能到達(dá)的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達(dá)的區(qū)域。注意：不同的書(shū)上，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的符號(hào)表示可能不一樣。（a）表示手指（末端執(zhí)行器）；（b）表示垂直、升降運(yùn)動(dòng)；（c）表示水平伸縮運(yùn)動(dòng)；（d）表示回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；（e）表示俯仰運(yùn)動(dòng)。2.2工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.2.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖直角坐標(biāo)式圓柱坐標(biāo)式球坐標(biāo)式關(guān)節(jié)坐標(biāo)式（a）直接驅(qū)動(dòng)型（b）平行連桿型（c）偏置型（d）平面型1234561234562.2.2工業(yè)機(jī)器人手部(手爪)結(jié)構(gòu)1.滑槽杠桿式手部2.齒輪齒條式手部3.滑塊杠桿式手部4.斜楔杠桿式5.移動(dòng)型連桿式手部6.齒輪齒條式手部7.內(nèi)漲斜塊式手部8.連桿杠桿式手部手指類型：電磁式吸盤氣吸式吸盤常見(jiàn)的另兩種手部:滾動(dòng)軸承座圈鋼板齒輪多孔鋼板雙吸頭吸盤多吸頭吸盤吸取瓦楞板雙吸頭吸盤雙吸頭架式吸盤多吸頭板式吸盤其它手部:2.2.3工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)腕部影響手部的姿態(tài)（方位）2.2.4工業(yè)機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)臂部確定手部的位置1.車輪型2.3移動(dòng)機(jī)器人兩輪型三輪型四輪型2.履帶式救援機(jī)器人3.步行式4.其它移動(dòng)方式軍用昆蟲(chóng)機(jī)器人爬纜索機(jī)器人水下6000米無(wú)纜自治機(jī)器人蛇形機(jī)器人本章小結(jié)：關(guān)節(jié)、連桿、定位精度、重復(fù)精度、自由度、剛度和工作空間手部結(jié)構(gòu)形式不一定像人手臂部和腕部共同確定手部（末端執(zhí)行器end-effector）的姿態(tài)（方位）臂部確定手部的位置

機(jī)器人靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)4.1

微分變換與雅可比矩陣4.1.1微分變換

為了補(bǔ)償機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿與目標(biāo)物體之間的誤差，以及解決兩個(gè)不同坐標(biāo)系之間的微位移關(guān)系問(wèn)題，需要討論機(jī)器人桿件在作微小運(yùn)動(dòng)時(shí)的位姿變化。一.變換的微分

假設(shè)一變換的元素是某個(gè)變量的函數(shù)，對(duì)該變換的微分就是該變換矩陣各元素對(duì)該變量的偏導(dǎo)數(shù)所組成的變換矩陣乘以該變量的微分。若它的元素是變量x的函數(shù)，則T的微分為:例如給定變換T為：二.微分運(yùn)動(dòng)所以得

設(shè)機(jī)器人某一桿件相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿為T，經(jīng)過(guò)微運(yùn)動(dòng)后該桿件相對(duì)基坐標(biāo)系的位姿變?yōu)門+dT，若這個(gè)微運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于基坐標(biāo)系（靜系）進(jìn)行的(右乘)，總可以用微小的平移和旋轉(zhuǎn)來(lái)表示，即根據(jù)齊次變換的相對(duì)性，若微運(yùn)動(dòng)是相對(duì)某個(gè)桿件坐標(biāo)系i（動(dòng)系）進(jìn)行的(左乘)，則T+dT可以表示為則相對(duì)基系有dT=Δ0T，相對(duì)i系有dT=TΔi

。這里Δ的下標(biāo)不同是由于微運(yùn)動(dòng)相對(duì)不同坐標(biāo)系進(jìn)行的。所以得令三.微分平移和微分旋轉(zhuǎn)由于微分旋轉(zhuǎn)θ→0，所以sinθ→dθ，cosθ→1，Versθ→0，將它們代入旋轉(zhuǎn)變換通式中得微分旋轉(zhuǎn)表達(dá)式:微分平移變換與一般平移變換一樣，其變換矩陣為:于是得四.微分旋轉(zhuǎn)的無(wú)序性當(dāng)θ→0時(shí)，有sinθ→dθ，cosθ→1．若令δx=dθx，δy=dθy，δz=dθz，則繞三個(gè)坐標(biāo)軸的微分旋轉(zhuǎn)矩陣分別為略去高階無(wú)窮小量?jī)烧呓Y(jié)果相同，可見(jiàn)這里左乘與右乘等效。同理可得結(jié)論：

微分旋轉(zhuǎn)其結(jié)果與轉(zhuǎn)動(dòng)次序無(wú)關(guān)，這是與有限轉(zhuǎn)動(dòng)（一般旋轉(zhuǎn)）的一個(gè)重要區(qū)別。若Rot（δx，δy，δz）和Rot（δx‘，δy’，δz‘）表示兩個(gè)不同的微分旋轉(zhuǎn)，則兩次連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果為：上式表明：任意兩個(gè)微分旋轉(zhuǎn)的結(jié)果為繞每個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的元素的代數(shù)和，即微分旋轉(zhuǎn)是可加的。kxdθ=δx，

kydθ=δy

，

kzdθ=δz所以有由等效轉(zhuǎn)軸和等效轉(zhuǎn)角與等效，有即將它們代入Δ得因此Δ可以看成由和兩個(gè)矢量組成，叫微分轉(zhuǎn)動(dòng)矢量，叫微分平移矢量。分別表示為

和合稱為微分運(yùn)動(dòng)矢量，可表示為解：例：已知一個(gè)坐標(biāo)系A(chǔ)，相對(duì)固定系的微分平移矢量，微分旋轉(zhuǎn)矢量，求微分變換dA。五.兩坐標(biāo)系之間的微分關(guān)系因?yàn)閷⑺鼈兇肭懊娴姆匠态F(xiàn)在討論i系和j系之間的微分關(guān)系。不失一般性，假定j系就是固定系（基系）0系。得其中上式簡(jiǎn)寫成對(duì)于任何三維矢量，其反對(duì)稱矩陣定義為：相應(yīng)地，任意兩坐標(biāo)系{A}和{B}之間廣義速度的坐標(biāo)變換為：例：知坐標(biāo)系A(chǔ)及相對(duì)于固定系的微分平移矢量，微分旋轉(zhuǎn)矢量，求A系中等價(jià)的微分平移矢量dA和微分旋轉(zhuǎn)矢量δA。解：因?yàn)橐阎?，可以根?jù)前面的公式求得dA和δA。也可根據(jù)與它一樣的另一組表達(dá)式（寫法不同）求解，即求得，代入為了驗(yàn)證這一結(jié)果，先求ΔA再得dA驗(yàn)證的結(jié)果是與上例dA=ΔA的計(jì)算結(jié)果完全一樣。4.1.2

雅可比矩陣兩空間之間速度的線性映射關(guān)系—雅可比矩陣（簡(jiǎn)稱雅可比）。它可以看成是從關(guān)節(jié)空間到操作空間運(yùn)動(dòng)速度的傳動(dòng)比，同時(shí)也可用來(lái)表示兩空間之間力的傳遞關(guān)系。vxvy存在怎樣的關(guān)系首先來(lái)看一個(gè)兩自由度的平面機(jī)械手，如圖3-17所示。圖3-17兩自由度平面機(jī)械手容易求得將其微分得寫成矩陣形式假設(shè)關(guān)節(jié)速度為，手爪速度為。簡(jiǎn)寫成：

dx=Jdθ。式中J就稱為機(jī)械手的雅可比（Jacobian）矩陣，它由函數(shù)x，y的偏微分組成，反映了關(guān)節(jié)微小位移dθ與手部（手爪）微小運(yùn)動(dòng)dx之間的關(guān)系。對(duì)dx=Jdθ兩邊同除以dt，得可以更一般的寫成。

因此機(jī)械手的雅可比矩陣定義為它的操作空間速度與關(guān)節(jié)空間速度的線性變換。（或v）稱為手爪在操作空間中的廣義速度，簡(jiǎn)稱操作速度，為關(guān)節(jié)速度。J若是6×n的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，它的第i行第j列的元素為：式中，x代表操作空間，q代表關(guān)節(jié)空間。若令J1，J2分別為上例中雅可比矩陣的第一列矢量和第二列矢量，即可以看出，雅可比矩陣的每一列表示其它關(guān)節(jié)不動(dòng)而某一關(guān)節(jié)以單位速度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的端點(diǎn)速度。由，可以看出，J陣的值隨手爪位置的不同而不同，即θ1和θ2的改變會(huì)導(dǎo)致J的變化。對(duì)于關(guān)節(jié)空間的某些形位，機(jī)械手的雅可比矩陣的秩減少，這些形位稱為操作臂（機(jī)械手）的奇異形位。上例機(jī)械手雅可比矩陣的行列式為：det(J)=l1l2s2當(dāng)θ2=0°或θ2=180°時(shí)，機(jī)械手的雅可比行列式為0，矩陣的秩為1，因此處于奇異狀態(tài)。在奇異形位時(shí)，機(jī)械手在操作空間的自由度將減少。只要知道機(jī)械手的雅可比J是滿秩的方陣，相應(yīng)的關(guān)節(jié)速度即可求出，即。上例平面2R機(jī)械手的逆雅可比于是得到與末端速度相應(yīng)的關(guān)節(jié)速度：顯然，當(dāng)θ2趨于0°（或180°）時(shí)，機(jī)械手接近奇異形位，相應(yīng)的關(guān)節(jié)速度將趨于無(wú)窮大。4.2

機(jī)器人的靜力學(xué)機(jī)器人與外界環(huán)境相互作用時(shí)，在接觸的地方要產(chǎn)生力和力矩，統(tǒng)稱為末端廣義（操作）力矢量。記為n個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力（或力矩）組成的n維矢量稱為關(guān)節(jié)力矢量y0x0存在怎樣的關(guān)系利用虛功原理，令各關(guān)節(jié)的虛位移為δqi，末端執(zhí)行器相應(yīng)的虛位移為D。根據(jù)虛位移原理，各關(guān)節(jié)所作的虛功之和與末端執(zhí)行器所作的虛功應(yīng)該相等，即簡(jiǎn)寫為:又因?yàn)?所以得到與之間的關(guān)系式中稱為機(jī)械手的力雅可比。它表示在靜態(tài)平衡狀態(tài)下，操作力向關(guān)節(jié)力映射的線性關(guān)系。若J是關(guān)節(jié)空間向操作空間的映射（微分運(yùn)動(dòng)矢量），則把操作空間的廣義力矢量映射到關(guān)節(jié)空間的關(guān)節(jié)力矢量。關(guān)節(jié)空間操作空間雅可比J力雅可比JT若已知?jiǎng)t有{T}{0}{0}{T}{B}{A}{A}{B}JTJ根據(jù)前面導(dǎo)出的兩坐標(biāo)系{A}和{B}之間廣義速度的坐標(biāo)變換關(guān)系，可以導(dǎo)出{A}和{B}之間廣義操作力的坐標(biāo)變換關(guān)系。解：由前面的推導(dǎo)知例:如圖3-18所示的平面2R機(jī)械手，手爪端點(diǎn)與外界接觸，手爪作用于外界環(huán)境的力為，若關(guān)節(jié)無(wú)摩擦力存在，求力的等效關(guān)節(jié)力矩。所以得：圖3-18關(guān)節(jié)力和操作力關(guān)系y0x0例：如圖所示的機(jī)械手夾扳手?jǐn)Q螺絲，在腕部（{Os}）裝有力/力矩傳感器，若已測(cè)出傳感器上的力和力矩，求這時(shí)作用在螺釘上的力和力矩。()解：根據(jù)圖示的相應(yīng)位姿關(guān)系得因此可得兩坐標(biāo)系的微分運(yùn)動(dòng)關(guān)系和靜力傳遞關(guān)系為：{S}{T}{S}{T}微分運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)：靜力傳遞關(guān)系時(shí)：4.3

機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)4.3.1

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平移作為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)分析根據(jù)牛頓第二定律和若把這一運(yùn)動(dòng)看成是桿長(zhǎng)為r，集中質(zhì)量在末端為m的桿件繞z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則得到加速度和力的關(guān)系式為式中，和N是繞z軸回轉(zhuǎn)的角加速度和轉(zhuǎn)矩。上式為質(zhì)點(diǎn)繞固定軸回轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程式。I相當(dāng)于平移運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量，稱為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

。將它們代入前面的方程，得：令，則有：例：求圖所示的質(zhì)量為M，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的勻質(zhì)桿繞其一端回轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I。解：勻質(zhì)桿的微段dx的質(zhì)量用線密度ρ（=M/L）表示為dm=ρdx。該微段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為。因此，把dI在長(zhǎng)度方向上積分，可得該桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I為：例：試求上例中桿繞其重心回轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IC。解：先就桿的一半來(lái)求解，然后加倍即可。假定x為離桿中心的距離，則得到即平行軸定理：剛體對(duì)任一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等于剛體對(duì)過(guò)質(zhì)心且與該軸平行之軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加上剛體的質(zhì)量與此兩軸間距離平方的乘積。設(shè)剛體對(duì)過(guò)質(zhì)心C的Zc軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為IZC，對(duì)與Zc軸平行的Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為IZ，該兩軸間的距離為d，剛體的質(zhì)量為M，則4.3.2

Newton-Euler遞推動(dòng)力學(xué)方程如果將機(jī)械手的連桿看成剛體，它的質(zhì)心加速度、總質(zhì)量m與產(chǎn)生這一加速度的作用力f之間的關(guān)系滿足牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律:當(dāng)剛體繞過(guò)質(zhì)心的軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，角速度ω，角加速度，慣性張量與作用力矩n之間滿足歐拉方程：慣性張量令｛c｝是以剛體的質(zhì)心c為原點(diǎn)規(guī)定的一個(gè)坐標(biāo)系，相對(duì)于該坐標(biāo)系｛c｝，慣性張量定義為３×３的對(duì)稱矩陣：式中，對(duì)角線元素是剛體繞三坐標(biāo)軸x，y，z的質(zhì)量慣性矩，即Ixx，Iyy，Izz，其余元素為慣性積。

慣性張量表示剛體質(zhì)量分布的特征。其值與選取的參考坐標(biāo)系有關(guān)，若選取的坐標(biāo)系使慣性積都為零，相應(yīng)的質(zhì)量慣性矩為主慣性矩。例：如圖所示的1自由度機(jī)械手。假定繞關(guān)節(jié)軸z的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為IZ，z軸為垂直紙面的方向。解：式中，g是重力常數(shù)，把上面三式代入歐拉方程且只提取z軸分量得到：zmg4.3.3

Lagrange動(dòng)力學(xué)對(duì)于任何機(jī)械系統(tǒng)，拉格朗日函數(shù)L定義為系統(tǒng)總的動(dòng)能K與總的勢(shì)能P之差，即L=K-P。這里，L是拉格朗日算子；k是動(dòng)能；P是勢(shì)能。

或

利用Lagrange函數(shù)L，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程（稱為第二類Lagrange方程）為：表示動(dòng)能，表示勢(shì)能。例：平面RP機(jī)械手如圖所示，連桿1和連桿2的質(zhì)量分別為m1和m2，質(zhì)心的位置由l1和d2所規(guī)定，慣性張量為（z軸垂直紙面）：解：連桿1，2的動(dòng)能分別為：機(jī)械手總的動(dòng)能為連桿1，2的勢(shì)能分別為機(jī)械手總的位能（勢(shì)能）為計(jì)算各偏導(dǎo)數(shù)將以上結(jié)果代入Lagrange方程得附：就前面的1自由度機(jī)械手用Lagrange法求解如下：總勢(shì)能為代入Lagrange方程得，與前面的結(jié)果一致。這里I=IZ=IC+mL2C解：總動(dòng)能

（θ為廣義坐標(biāo)）zmg１.若1自由度機(jī)械手為勻質(zhì)連桿，質(zhì)量為m，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，結(jié)果會(huì)怎樣？２.若1自由度機(jī)械手為集中質(zhì)量連桿，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，集中質(zhì)量m在連桿末端L處，結(jié)果會(huì)怎樣？z

機(jī)器人的軌跡規(guī)劃5.1工業(yè)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃１.軌跡規(guī)劃的一般性問(wèn)題常見(jiàn)的機(jī)器人作業(yè)有兩種：這里所謂的軌跡是指操作臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度和加速度。點(diǎn)位作業(yè)（PTP=point-to-pointmotion）連續(xù)路徑作業(yè)（continuous-pathmotion），或者稱為輪廓運(yùn)動(dòng)（contourmotion）。操作臂最常用的軌跡規(guī)劃方法有兩種：軌跡規(guī)劃既可以在關(guān)節(jié)空間也可以在直角空間中進(jìn)行。

第一種是要求對(duì)于選定的軌跡結(jié)點(diǎn)（插值點(diǎn)）上的位姿、速度和加速度給出一組顯式約束（例如連續(xù)性和光滑程度等），軌跡規(guī)劃器從一類函數(shù)（例如n次多項(xiàng)式）選取參數(shù)化軌跡，對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行插值，并滿足約束條件。

第二種方法要求給出運(yùn)動(dòng)路徑的解析式。軌跡規(guī)劃方法一般是在機(jī)器人的初始位置和目標(biāo)位置之間用多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并產(chǎn)生一系列的控制點(diǎn)。a.三次多項(xiàng)式插值

關(guān)節(jié)空間法計(jì)算簡(jiǎn)單、容易。再者，不會(huì)發(fā)生機(jī)構(gòu)的奇異性問(wèn)題。2.關(guān)節(jié)軌跡的插值只給定機(jī)器人起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的關(guān)節(jié)角度。為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，軌跡函數(shù)至少需要四個(gè)約束條件。即————滿足起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)角度約束————滿足起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)速度約束（滿足關(guān)節(jié)速度的連續(xù)性要求）解上面四個(gè)方程得：注意：這組解只適用于關(guān)節(jié)起點(diǎn)、終點(diǎn)速度為零的運(yùn)動(dòng)情況。例：設(shè)只有一個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械手處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，=150，要在3s內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)到達(dá)終止位置：=750，并且在終止點(diǎn)的速度為零。解：將上式的已知條件代入以下四個(gè)方程得四個(gè)系數(shù)：因此得：b.過(guò)路徑點(diǎn)的三次多項(xiàng)式插值

方法是：把所有路徑點(diǎn)都看成是“起點(diǎn)”或“終點(diǎn)”，求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，得到相應(yīng)的關(guān)節(jié)矢量值。然后確定所要求的三次多項(xiàng)式插值函數(shù)，把路徑點(diǎn)平滑的連接起來(lái)。不同的是，這些“起點(diǎn)”和“終點(diǎn)”的關(guān)節(jié)速度不再是零。由上式確定的三次多項(xiàng)式描述了起始點(diǎn)和終止點(diǎn)具有任意給定位置和速度的運(yùn)動(dòng)軌跡。剩下的問(wèn)題就是如何確定路徑點(diǎn)上的關(guān)節(jié)速度，有以下三種方法：此時(shí)的速度約束條件變?yōu)椋和砜梢郧蟮么藭r(shí)的三次多項(xiàng)式系數(shù)：

（1）根據(jù)工具坐標(biāo)系在直角坐標(biāo)空間中的瞬時(shí)線速度和角速度來(lái)確定每個(gè)路徑點(diǎn)的關(guān)節(jié)速度；該方法工作量大。（2）為了保證每個(gè)路徑點(diǎn)上的加速度連續(xù)，由控制系統(tǒng)按照此要求自動(dòng)地選擇路徑點(diǎn)的速度。（3）在直角坐標(biāo)空間或關(guān)節(jié)空間中采用某種適當(dāng)?shù)膯l(fā)式方法，由控制系統(tǒng)自動(dòng)地選擇路徑點(diǎn)的速度；對(duì)于方法（2），為了保證路徑點(diǎn)處的加速度連續(xù)，可以設(shè)法用兩條三次曲線在路徑點(diǎn)處按照一定的規(guī)則聯(lián)系起來(lái)，拼湊成所要求的軌跡。其約束條件是：聯(lián)接處不僅速度連續(xù)，而且加速度也要連續(xù)。對(duì)于方法（3），這里所說(shuō)的啟發(fā)式方法很簡(jiǎn)單，即假設(shè)用直線段把這些路徑點(diǎn)依次連接起來(lái)，如果相鄰線段的斜率在路徑點(diǎn)處改變符號(hào)，則把速度選定為零；如果相鄰線段不改變符號(hào)，則選擇路徑點(diǎn)兩側(cè)的線段斜率的平均值作為該點(diǎn)的速度。如果對(duì)于運(yùn)動(dòng)軌跡的要求更為嚴(yán)格，約束條件增多，那么三次多項(xiàng)式就不能滿足需要，必須用更高階的多項(xiàng)式對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的路徑段進(jìn)行插值。例如，對(duì)某段路徑的起點(diǎn)和終點(diǎn)都規(guī)定了關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度（有六個(gè)未知的系數(shù)），則要用一個(gè)五次多項(xiàng)式進(jìn)行插值。c、用拋物線過(guò)渡的線性插值單純線性插值將導(dǎo)致在結(jié)點(diǎn)處關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度不連續(xù)，加速度無(wú)限大。對(duì)于多解情況，如右圖所示。加速度的值越大，過(guò)渡長(zhǎng)度越短。解決辦法：在使用線性插值時(shí)，把每個(gè)結(jié)點(diǎn)的鄰域內(nèi)增加一段拋物線的“緩沖區(qū)段”，從而使整個(gè)軌跡上的位移和速度都連續(xù)。d、過(guò)路徑點(diǎn)的用拋物線過(guò)渡的線性插值如圖所示，某個(gè)關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中設(shè)有n個(gè)路徑點(diǎn)，其中三個(gè)相鄰的路徑點(diǎn)表示為j，k和l，每?jī)蓚€(gè)相鄰的路徑點(diǎn)之間都以線性函數(shù)相連，而所有的路徑點(diǎn)附近則有拋物線過(guò)渡。（同樣存在多解）

如果要求機(jī)器人通過(guò)某個(gè)結(jié)點(diǎn)，同時(shí)速度不為零，怎么辦？可以在此結(jié)點(diǎn)兩端規(guī)定兩個(gè)“偽結(jié)點(diǎn)”，令該結(jié)點(diǎn)在兩偽結(jié)點(diǎn)的連線上，并位于兩過(guò)渡域之間的線性域上。5.2移動(dòng)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的路徑規(guī)劃（一般指位置規(guī)劃）

a.基于模型和基于傳感器的路徑規(guī)劃基于模型的方法有：c-空間法、自由空間法、網(wǎng)格法、四叉樹(shù)法、矢量場(chǎng)流的幾何表示法等。相應(yīng)的搜索算法有A*、遺傳算法等。圖中A區(qū)域的位置碼(LocationCode:LC)為3031。BCD問(wèn)：圖中B，C，D區(qū)域的位置碼LC為?

b.全局路徑規(guī)劃（GlobalPathPlanning）和局部路徑規(guī)劃（LocalPathPlanning）

自主移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航問(wèn)題要解決的是：（1）“我現(xiàn)在何處？”；（2）“我要往何處去？”；（3）“要如何到該處去？”。局部路徑規(guī)劃主要解決（1）和（3）兩個(gè)問(wèn)題，即機(jī)器人定位和路徑跟蹤問(wèn)題；方法主要有：人工勢(shì)場(chǎng)法、模糊邏輯算法等。全局路徑規(guī)劃主要解決（2），即全局目標(biāo)分解為局部目標(biāo)，再由局部規(guī)劃實(shí)現(xiàn)局部目標(biāo)。主要有：可視圖法、環(huán)境分割法（自由空間法、柵格法）等；c.離線路徑規(guī)劃和在線路徑規(guī)劃離線路徑規(guī)劃是基于環(huán)境先驗(yàn)完全信息的路徑路徑規(guī)劃。完整的先驗(yàn)信息只能適用于靜態(tài)環(huán)境，這種情況下，路徑是離線規(guī)劃的；在線路徑規(guī)劃是基于傳感器信息的不確定環(huán)境的路徑規(guī)劃。在這種情況下，路徑必須是在線規(guī)劃的。2.機(jī)器人的動(dòng)作規(guī)劃一般來(lái)講，移動(dòng)機(jī)器人有三個(gè)自由度（X，Y，θ），機(jī)械手有6個(gè)自由度（3個(gè)位置自由度和3個(gè)姿態(tài)自由度）。因此，移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)作規(guī)劃不是在2個(gè)位置自由度（X，Y）構(gòu)成的2維空間，而是要搜索位置和姿態(tài)構(gòu)成的3維空間。如圖所示。機(jī)器人的控制6.1什么是控制

簡(jiǎn)單地說(shuō)，控制就是為了達(dá)到一定目的而實(shí)行的適當(dāng)操作。步驟：（1）記住期望水位值；（2）測(cè)量水池實(shí)際水位；（3）計(jì)算期望水位與實(shí)際水位的誤差；（4）根據(jù)誤差正確地調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門。優(yōu)點(diǎn)：控制的結(jié)果總是使實(shí)際水位的高度恒等于期望值?？刂葡到y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)框圖控制部分a.比例環(huán)節(jié)P彈簧的伸長(zhǎng)y與力f成比例，即y=k1f（k1=定值）像彈簧這樣的環(huán)節(jié)稱為比例環(huán)節(jié)。6.2

PID（proportional，integral，derivative）控制

設(shè)流入的流量為x，活塞的移動(dòng)距離為y，S為活塞的截面積，t為時(shí)間。如果x是變化的，即為t的函數(shù)，則也就是說(shuō)，若以流入的流量x作為輸入，以移動(dòng)距離y作為輸出，則油缸是個(gè)積分環(huán)節(jié)。b.積分環(huán)節(jié)I當(dāng)流入的流量為一定值x0時(shí)，可以得出：y=x0t/S對(duì)質(zhì)量為M的物體施一水平力f，當(dāng)力為定值f0時(shí)，可以得出時(shí)間t后的速度v=f0t/M如果f是變化的，即為t的函數(shù)，則也就是說(shuō)，若以外力f作為輸入，以速度v作為輸出，則質(zhì)量M的物體也可以稱之為積分環(huán)節(jié)。c.微分環(huán)節(jié)D求得活塞的移動(dòng)距離y與作用于活塞的力f之間的關(guān)系：式中為緩沖器的粘性摩擦系數(shù)。也就是說(shuō)，若以距離y作為輸入，以力f作為輸出，則緩沖器可以稱為微分環(huán)節(jié)。下面我們來(lái)說(shuō)明一下在反饋控制中常用的PID控制。在PID控制的名稱中，P指proportional(比例），I指integral（積分），D指derivative（微分），這意味著可利用偏差，偏差的積分值，偏差的微分值來(lái)控制。機(jī)器人系統(tǒng)中更多的是高度非線性及強(qiáng)耦合系統(tǒng)的控制問(wèn)題。解決這些問(wèn)題的新技術(shù)有：最優(yōu)控制、解耦控制、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)滑模控制及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等。e.

PID控制

或PID控制的基本形式可用下圖表示。如果用e=(r-y)表示偏差，則PID控制變?yōu)椋菏街校琸P稱為比例增益；kI稱為積分增益；kD稱為微分增益。它們是影響控制規(guī)律特性的參數(shù)，統(tǒng)稱為反饋增益。而TI(=kP/kI)稱為積分時(shí)間，TD(=kD/kP)稱為微分時(shí)間，分別具有時(shí)間量綱。PID控制規(guī)律的傳遞函數(shù)可表示為:PID控制規(guī)律的離散形式為:式中，T為采樣周期；e(n)為第n次采樣的偏差值；e(n-1)為第n-1次采樣時(shí)的偏差值。PID控制器的三個(gè)參數(shù)有不同的控制作用。（3）微分控制規(guī)律能反映輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，相對(duì)比例控制規(guī)律而言具有預(yù)見(jiàn)性，增加了系統(tǒng)的阻尼程度，有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的跟蹤速度，但對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感。（1）P控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器。在控制系統(tǒng)中，增大kP可加快響應(yīng)速度，但過(guò)大容易出現(xiàn)振蕩；（2）積分控制器能消除或減弱穩(wěn)態(tài)偏差，但它的存在會(huì)使系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變長(zhǎng)，限制系統(tǒng)的快速性；

圖中為同一對(duì)象在各種不同的控制規(guī)律的作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線?？梢钥闯?，在比例作用的基礎(chǔ)上，加入微分作用可以減少過(guò)渡過(guò)程的最大偏差及控制時(shí)間；加入積分作用雖然能消除余差，但使過(guò)渡過(guò)程的最大偏差及控制時(shí)間增大。實(shí)際工程中PID控制仍應(yīng)用廣泛，其三個(gè)系數(shù)是通過(guò)調(diào)整和觀察實(shí)際性能來(lái)經(jīng)驗(yàn)地確定。6.3

位置、力及混合控制

位置控制慣性矩變化引起的驅(qū)動(dòng)力變化物體重時(shí)手臂的姿勢(shì)不同時(shí)有障礙物時(shí)路徑（運(yùn)動(dòng)軌跡）控制力控制機(jī)械手爪與外界接觸有兩種極端狀態(tài)：a.手爪位置的PID控制一種是手爪在空間中可以自由運(yùn)動(dòng)，這種屬于位置控制問(wèn)題；另一種是手爪與環(huán)境固接在一起，手爪完全不能自由改變位置，可在任意方向施加力和力矩，屬于力控制問(wèn)題。大多數(shù)是位置/力的混合控制問(wèn)題?；谥苯亲鴺?biāo)的PID控制坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與PIDPIDPIDc.順應(yīng)（柔順）控制

順應(yīng)控制（柔順控制）本質(zhì)上也是力與位置混合控制。分為兩類：被動(dòng)順應(yīng)控制和主動(dòng)順應(yīng)控制。被動(dòng)柔順控制手腕響應(yīng)速度快，但它的設(shè)計(jì)針對(duì)性強(qiáng)，通用性不強(qiáng)。主動(dòng)順應(yīng)控制使用靈活、通用性強(qiáng)，但對(duì)傳感器的要求較高。近年來(lái)又出現(xiàn)了主動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合的方法。附：數(shù)字控制系統(tǒng)（硬件）

機(jī)器人的感覺(jué)外界環(huán)境視覺(jué)１視覺(jué)２超聲波傳感器紅外接近覺(jué)立體視覺(jué)地標(biāo)識(shí)別障礙探測(cè)目標(biāo)物探測(cè)景物識(shí)別內(nèi)部傳感器融合力覺(jué)觸覺(jué)環(huán)境模型定位避障操作規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃任務(wù)規(guī)劃：執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制指令感覺(jué)功能視覺(jué)20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)，發(fā)展十分迅速，是機(jī)器人中最重要的傳感器之一。機(jī)器視覺(jué)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始首先處理積木世界，后來(lái)發(fā)展到處理室外的現(xiàn)實(shí)世界。20世紀(jì)70年代以后，實(shí)用性的視覺(jué)系統(tǒng)出現(xiàn)了。視覺(jué)一般包括三個(gè)過(guò)程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。相對(duì)而言，圖像理解技術(shù)還很落后。力覺(jué)

機(jī)器人力傳感器就安裝部位來(lái)講，可以分為關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。國(guó)際上對(duì)腕力傳感器的研究是從20世紀(jì)70年代開(kāi)始的，主要研究單位有美國(guó)的DRAPER實(shí)驗(yàn)室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、東京大學(xué)等單位。

幾種主要的機(jī)器人傳感器簡(jiǎn)介觸覺(jué)作為視覺(jué)的補(bǔ)充，觸覺(jué)能感知目標(biāo)物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。對(duì)它的研究從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，到20世紀(jì)90年代初已取得了大量的成果。接近覺(jué)研究它的目的是是使機(jī)器人在移動(dòng)或操作過(guò)程中獲知目標(biāo)（障礙）物的接近程度，移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)避障，操作機(jī)器人可避免手爪對(duì)目標(biāo)物由于接近速度過(guò)快造成的沖擊。7.1傳感器的分類根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。（1）位置傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測(cè)位置和角度的傳感器。a.內(nèi)部傳感器b.外部傳感器（2）角度傳感器具體有物體識(shí)別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺(jué)傳感器、距離傳感器、力覺(jué)傳感器，聽(tīng)覺(jué)傳感器等。用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。7.2機(jī)器人的觸覺(jué)一般認(rèn)為觸覺(jué)包括接觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)、力覺(jué)四種，狹義的觸覺(jué)按字面上來(lái)看是指前三種感知接觸的感覺(jué)。1.接觸覺(jué)傳感器

開(kāi)關(guān)式觸覺(jué)傳感器特點(diǎn)：外形尺寸十分大空間分辨率低利用陣列這一概念已開(kāi)發(fā)了許多重要的傳感器。壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器

碳?xì)郑–SA）靈敏度高，具有較強(qiáng)的耐過(guò)載能力。缺點(diǎn)是有遲滯，線性差。

導(dǎo)電橡膠的電阻也會(huì)隨壓力的變化而變化，因此也常用來(lái)作為觸覺(jué)傳感器的敏感材料。碳?xì)郑–SA）另外還有光學(xué)式觸覺(jué)傳感器、電容式陣列觸覺(jué)傳感器等。它利用一種具有壓電和熱釋電性的高分子材料研制而成。2.壓覺(jué)傳感器3.力覺(jué)傳感器力覺(jué)傳感器使用的主要元件是電阻應(yīng)變片。（3）裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。通常我們將機(jī)器人的力傳感器分為三類：（1）裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。（2）裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。SRI（StanfordResearchInstitute）研制的六維腕力傳感器，如圖所示。它由一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個(gè)窄長(zhǎng)的彈性梁，每個(gè)梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應(yīng)變梁的變形信號(hào)的輸出。SRI傳感器日本大和制衡株式會(huì)社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個(gè)應(yīng)變片（圖中以小方塊），組成8路全橋輸出。傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機(jī)器人的手臂和手爪，力沿與內(nèi)圈相切的三根梁進(jìn)行傳遞。每根梁上下、左右個(gè)貼一對(duì)應(yīng)變片，三根梁上共有6對(duì)應(yīng)變片，分別組成六組半橋，對(duì)這6組電橋信號(hào)進(jìn)行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。4.滑覺(jué)傳感器機(jī)械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。硬抓取（無(wú)感知時(shí)采用）：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟抓取（有滑覺(jué)傳感器時(shí)采用）：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)固抓取工件的最小值，以免損傷工件。采用壓覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)滑覺(jué)感知滾輪式滑覺(jué)傳感器它由一個(gè)金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個(gè)相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細(xì)，每次只能觸及一格。當(dāng)工件滑動(dòng)時(shí)，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在觸針上輸出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率反映了滑移速度，個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)滑移的距離。根據(jù)振動(dòng)原理制成的滑覺(jué)傳感器。鋼球指針與被抓物體接觸。若工件滑動(dòng)，則指針振動(dòng)，線圈輸出信號(hào)。7.3機(jī)器人的接近覺(jué)接近覺(jué)主要感知傳感器與對(duì)象物之間的接近程度。b）無(wú)鐵磁體時(shí)磁力線的形狀c）鐵磁體接近時(shí)磁力線的形狀另外還有接觸覺(jué)、滑覺(jué)和接近覺(jué)三種感覺(jué)組合為一體的傳感器。其它還有光學(xué)接近覺(jué)、超聲波接近覺(jué)傳感器等。霍爾效應(yīng)指的是金屬或半導(dǎo)體片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)?；魻杺鞲衅鲉为?dú)使用時(shí)，只能檢測(cè)有磁性物體。當(dāng)與用磁體聯(lián)合使用時(shí)，可以用來(lái)檢測(cè)所有的鐵磁物體。傳感器附近沒(méi)有鐵磁物體時(shí)，霍爾傳感器感受一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)；若有鐵磁物體時(shí)，由于磁力線被鐵磁物體旁路，傳感器感受到的磁場(chǎng)將減弱。7.4機(jī)器人的視覺(jué)有研究結(jié)果表明，視覺(jué)獲得的感知信息占人對(duì)外界感知信息的80%。人類視覺(jué)細(xì)胞數(shù)量的數(shù)量級(jí)大約為108，是聽(tīng)覺(jué)細(xì)胞的300多倍，是皮膚感覺(jué)細(xì)胞的100多倍。1.超聲波傳感器超聲波探測(cè)原理比較簡(jiǎn)單，一般是采用時(shí)差法。

ｄ=ｃΔt／2其中ｃ（Ｔ的函數(shù)）為超聲波波速，Ｔ為環(huán)境攝氏溫度。從廣義上講，我們也把它算成機(jī)器人視覺(jué)中的一種。超聲波傳感器主要用途：（1）實(shí)時(shí)地檢測(cè)自身所處空間的位置，用以進(jìn)行自定位；（2）實(shí)時(shí)地檢測(cè)障礙物，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；（3）檢測(cè)目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡(jiǎn)單形體的識(shí)別；（4）用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。MDARS-E型室外保安機(jī)器人多個(gè)超聲波傳感器組成線陣或面陣形成多傳感器2.CCD（電荷耦合器件：chargecoupleddevices）CCD（電荷耦合器件）的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)間隙很小的光敏電極陣列，即無(wú)數(shù)個(gè)CCD單元組成，也稱為像素點(diǎn)（如448×380）。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。

優(yōu)點(diǎn)：體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、抗沖擊、耗電極少，一般只需幾十毫瓦就可以啟動(dòng)。（1）基本原理共256級(jí)灰度，從圖（a）到（f）分辨率依次為512×512，256×256，128×128，64×64，32×32，16×16。（2）圖像處理a)分辨率變化對(duì)圖像的影響從圖（a）到（f）分辨率依次為512×512，灰度級(jí)依次為256，64，16，8，4，2。b)灰度變化對(duì)圖像的影響從圖（a）到（f）依次為：256×256，128級(jí)灰度；181×181，64級(jí)灰度；128×128，32級(jí)灰度；90×90，16級(jí)灰度；64×64，8級(jí)灰度；45×45，4級(jí)灰度。c)分辨率和灰度同時(shí)變化對(duì)圖像的影響7.５機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)特定人的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的粗略框圖特定人語(yǔ)音識(shí)別方法是將事先指定的人的聲音中的每一個(gè)字音的特征矩陣存儲(chǔ)起來(lái)，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模板（或叫模板），然后再進(jìn)行匹配。它首先要記憶一個(gè)或幾個(gè)語(yǔ)音特征，而且被指定人講話的內(nèi)容也必須是事先規(guī)定好的有限的幾句話。特定人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)可以識(shí)別講話的人是否是事先指定的人，講的是哪一句話。非特定人的語(yǔ)音識(shí)別方法則需要對(duì)一組有代表性的人的語(yǔ)音進(jìn)行訓(xùn)練，找出同一詞音的共性，這種訓(xùn)練往往是開(kāi)放式的，能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷的修正。在系統(tǒng)工作時(shí)，將接收到的聲音信號(hào)用同樣的辦法求出它們的特征矩陣，再與標(biāo)準(zhǔn)模式相比較?？此c哪個(gè)模板相同或相近，從而識(shí)別該信號(hào)的含義。非特定人的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)大致可以分為語(yǔ)言識(shí)別系統(tǒng)，單詞識(shí)別系統(tǒng)，及數(shù)字音（0~9）識(shí)別系統(tǒng)。非特定人的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)7.６多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù)是通過(guò)對(duì)這些傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在時(shí)間和空間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲取被觀測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。多傳感器融合系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：（1）提供了冗余、互補(bǔ)信息。（2）信息分層的結(jié)構(gòu)特性。（3）實(shí)時(shí)性。（4）低代價(jià)性。多傳感與單傳感的比較：多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可更大程度獲取被探測(cè)目標(biāo)和環(huán)境的信息量。單傳感器信號(hào)處理或低層次的數(shù)據(jù)處理方式只是對(duì)人腦信息處理的一種低水平模仿。多傳感器融合常用的方法有：加權(quán)平均法、貝葉斯估計(jì)、卡爾曼濾波、DS證據(jù)推理、模糊邏輯、產(chǎn)生式規(guī)則、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。三種結(jié)構(gòu)形式：串聯(lián)、并聯(lián)和混合融合形式。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)這里所說(shuō)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)就是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置。執(zhí)行裝置就是按照電信號(hào)的指令，將來(lái)自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)等方式的機(jī)械能的裝置。按利用的能源來(lái)分類，主要可分為電動(dòng)執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣動(dòng)執(zhí)行裝置。新型執(zhí)行裝置：

壓電執(zhí)行裝置：利用在壓電陶瓷等材料上施加電壓而產(chǎn)生變形的壓電效應(yīng)。形狀記憶合金執(zhí)行裝置：利用鎳鈦合金等材料具有的形狀隨溫度變化，溫度恢復(fù)時(shí)形狀也恢復(fù)的形狀記憶性質(zhì)。8.1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（DCmotor）1.直流電機(jī)工作原理止口左手定則直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)換向器將直流轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交流，從而使電樞產(chǎn)生一個(gè)恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。T=BILr換向器電刷2.矩頻特性曲線：電流控制曲線和電壓控制曲線。3.直流電機(jī)的控制方式改變電壓或電流控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距。其中，KE為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，KF為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。PWM(PulseWidthModulation)控制是利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管開(kāi)關(guān)放大器的開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機(jī)的電樞兩端，通過(guò)對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速方便（可無(wú)級(jí)調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能好（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流?。\(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制。4.直流電機(jī)的特點(diǎn)書(shū)籍是進(jìn)步的階梯缺點(diǎn)：換相器需經(jīng)常維護(hù)，電刷極易磨損，必須經(jīng)常更換，噪音比交流電機(jī)大。8.2交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（ACmotor）1.工作原理ACservomotor止口2.矩頻特性曲線同步電機(jī)：定子是永磁體，所謂同步是指轉(zhuǎn)子速度與定子磁場(chǎng)速度相同。異步電機(jī)：轉(zhuǎn)子和定子上都有繞組，所謂異步是指轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子間存在速度差（不是角度差）。

同步電機(jī)的特點(diǎn)：體積小。用途：要求響應(yīng)速度快的中等速度以下的工業(yè)機(jī)器人；機(jī)床領(lǐng)域。伺服電機(jī)的精度由編碼器的精度決定。3.交流電機(jī)的特點(diǎn)

4.交流電機(jī)的控制方式改變定子繞組上的電壓或頻率，即電壓控制或頻率控制方式。特點(diǎn)：無(wú)電刷和換向器，無(wú)產(chǎn)生火花的危險(xiǎn)；比直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、價(jià)格高。異步電機(jī)的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子慣量很小，響應(yīng)速度很快。用途：中等功率以上的伺服系統(tǒng)。8.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（steppingmotor）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開(kāi)環(huán)位置控制系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：控制較容易，維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化。缺點(diǎn)：由于開(kāi)環(huán)控制，所以精度不高。

步進(jìn)電機(jī)有三種：永磁式PM（permanentmagnet）；反應(yīng)式（也稱可變磁阻式）VR（variablereluctance），在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式HB（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。簡(jiǎn)單說(shuō)：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。1.工作原理PM式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，在定子電磁鐵和轉(zhuǎn)子永磁體之間的排斥力和吸引力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，步距角一般為7.5o~90o。VR式步進(jìn)電機(jī)用齒輪狀的鐵心作轉(zhuǎn)子，定子是電磁鐵。在定子磁場(chǎng)中，轉(zhuǎn)子始終轉(zhuǎn)向磁阻最小的位置。步距角一般為0.9o~15o。HB式步進(jìn)電機(jī)是PM式和VR式的復(fù)合形式。在永磁體轉(zhuǎn)子和電磁鐵定子的表面上加工出許多軸向齒槽，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理與PM式相同，轉(zhuǎn)子和定子的形狀與VR式相似，步距角一般為0.9o~15o。

相數(shù)：產(chǎn)生不同N、S對(duì)磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。

2.相關(guān)術(shù)語(yǔ)

失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。

拍數(shù)