3 机器人运动学熊有伦机器人技术基础
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轮式移动机器人运动学基础,自由度计算
轮式移动机器人的运动学基础包括轮式移动机器人的运动学模型、运动学约束和运动学控制等方面。
其中,自由度计算是其中比较重要的一部分。
首先,轮式移动机器人的运动学模型可以分为非完整模型和完整模型。
其中,非完整模型指的是机器人的所有约束都不完整,例如,机器人在运动时可以在任
意方向上运动;而完整模型指的是机器人的所有运动都受到一定的限制,例如,机器人在运动时只能沿着特定的路径运动。
其次,轮式移动机器人的运动学约束还包括机器人的几何约束和运动约束。
其中,几何约束指的是机器人在运动时必须满足的形态约束,例如,机器人在运动时必须保持平稳;而运动约束指的是机器人在运动时必须满足的运动约束,例如,机器人在运动时必须按照预定的运动路径运动。
最后,轮式移动机器人的运动学控制包括轮式移动机器人的动力学控制和运动学控制。
其中,动力学控制指的是机器人在运动时要满足机器人的动力学约束,
例如,机器人在运动时必须保持平稳;而运动学控制指的是机器人在运动时要满足机器人的运动学约束,例如,机器人在运动时必须按照预定的运动路径运动。
综上所述,轮式移动机器人的运动学基础涉及到轮式移动机器人的运动学模型、运动学约束和运动学控制等方面,其中,自由度计算则是其中比较重要的一部分。
第三章机器人运动学机器人运动学是研究机器人如何在二维或三维空间中进行运动的学科。
它涉及到机器人的轨迹规划、运动控制和路径规划等重要内容。
本章将介绍机器人运动学的基本概念和常用模型,帮助读者全面了解机器人的运动规律和控制原理。
1. 机器人运动学的基本概念机器人运动学是研究机器人位置和姿态变化的学科,包括正运动学和逆运动学两个方面。
正运动学研究机器人的末端执行器的位置和姿态如何由关节变量确定;逆运动学则研究机器人如何通过末端执行器的位置和姿态来确定关节变量的值。
机器人的运动学建模一般采用DH(Denavit-Hartenberg)参数表示方法。
DH 参数是由Denavit和Hartenberg提出的一种机器人坐标系的选择和旋转轴的确定方法。
通过定义一系列关节坐标系,建立起机器人的坐标系链,并确定各个关节的旋转轴和约定的方向,可以方便地描述机器人的运动学特性。
2. 机器人正运动学机器人正运动学是研究机器人末端执行器位置和姿态如何由关节变量确定的问题。
在机器人的正运动学中,常用的方法有几何法和代数法。
2.1 几何法几何法是一种较为直观的方法,通过对机器人各个关节坐标系的位置和旋转进行推导,得到机器人末端执行器的位置和姿态。
几何法适用于无约束和无外力干扰的情况,可以简单快速地推导出机器人的正运动学方程。
2.2 代数法代数法是一种基于运动学链的代数运算的方法,通过DH参数建立起机器人的坐标系链,并通过矩阵运算推导出机器人的正运动学方程。
代数法在机器人正运动学的推导和计算过程中更具有普适性和灵活性。
3. 机器人逆运动学机器人逆运动学是研究机器人如何通过末端执行器的位置和姿态来确定关节变量的值的问题。
机器人逆运动学在机器人运动规划和路径控制中起到重要的作用。
机器人逆运动学的求解一般采用迭代方法,通过迭代计算来逼近解析解,实现对机器人关节变量的求解。
逆运动学的求解过程中可能会出现奇异点和多解的情况,需要通过约束条件和优化方法来处理。
机器人技术复习提纲一.简答题1.机器人内部传感器与外部传感器的作用是什么,它们都包括哪些?答:内部传感器主要用于检测机器人自身状态;包括位移传感器角数字编码器、角速度传感器;外部传感器主要用于检测机器人所处的外部环境和对象状况等;包括:力或力矩传感器触觉传感器、接近绝传感器、滑觉传感器、视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器。
2.机器人的速度与加速度测量都常用哪些传感器?答:速度:测速发电机、增量式码盘;加速度:压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器。
3.机器人的力觉传感器有哪几种,机器人中哪些方面会用到力觉传感器?答:种类:电阻应变片式、压电式、电容式、电感式、各种外力式传感器。
有三方面:1.装在关节驱动器上的力传感器。
2.装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器。
3.装在机器人手抓指关节上的力传感器。
4.机器人的视觉传感器常用哪些方法,图像如何获取和处理?答:图像的获取:1.照明2.图像聚焦成像3.图形处理形成输出信号。
处理:1.图像的增强2.图像的平滑3.图像的数据编码和传输4.边缘锐化5.图像的分割。
5.能否设想一下,一个高智能类人机器人大约会用到哪些传感器技术?答:位置传感器,速度传感器,触觉传感器,接近觉传感器,视觉传感器,听觉传感器,嗅觉传感器,味觉传感器。
6.编码器有哪两种基本形式?各自特点是什么?两种基本形式:增量式、绝对式增量式:用来测量角位置和直线位置的变化,但不能直接记录或指示位置的实际值。
在所有利用增量式编码器进行位置跟踪的系统中,都必须在系统开始运行时进行复位。
绝对式:每个位置都对应着透光与不透光弧段的惟一确定组合,这种确定组合有惟一的特征。
通过这特征,在任意时刻都可以确定码盘的精确位置。
7.简述直流电动机两种控制的基本原理答:直流伺服电动机的控制方式主要有两种:一种是电枢电压控制,即在定子磁场不变的情况下,通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩,定子磁场保持不变,其电枢电流可以达到额定值,相应的输出转矩也可以达到额定值,因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。
《机器人技术》课程教学大纲课程基本信息
2.课程性质:选填“选修/必修”
3.授课语言:选填“中文/双语/全英文或其他语种”
二、课程目标
1」美]约翰J.克雷格(John Craig)《机器人学导论(原书第4版)》机械工业出版社2.熊有伦等《机器人学:建模、控制与视觉》华中科技大学出版社
注:1.支撑毕业要求指标点:选填项。
需要进行专业认证,有毕业要求指标点可参照的课程必填,无明确毕业要求指标点可参照的可不填。
三、理论教学内容
注:
2.学生学习预期成果:描述学生在学完本节内容后应获得的知识、能力或素养水平(下同).教学方式:包括讲
授、讨论、案例、演示等,但不限于所列,根据课程实际需要列举
实践(实验或实习)教学।
五、课程评价
(一)考核内容、考核方式与课程目标对应关系注:1.课程目标在考核方式及占比:主要根据课程目标自行设计和制定多元化考核方式,表中所列仅为参考(红色数据可删除)。
但所列考核方式必须覆盖全体学生,可根据当学期具体教学情况酌情调整。
(二)考核方式评分标准1.课程作业评分标准
2.课程实验评分标准
3.期中/期末考试评分标准(笔试类评分标准可在大纲中按以下格式予以说明,也可在通过“试卷分析表”予以说明)。
0.1 简述工业机器人的定义,说明机器人的主要特征。
答:机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装置,通过可编程动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。
1.机器人的动作结构具有类似于人或其他生物体某些器官(肢体、感官等)的功能。
2.机器人具有通用性,工作种类多样,动作程序灵活易变。
3.机器人具有不同程度的智能性,如记忆、感知、推理、决策、学习等。
4.机器人具有独立性,完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。
0.2工业机器人与数控机床有什么区别?答:1.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链;2.工业机器人一般具有多关节,数控机床一般无关节且均为直角坐标系统;3.工业机器人是用于工业中各种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。
4.机器人灵活性好,数控机床灵活性差。
0.5简述下面几个术语的含义:自有度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。
答:自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目,不包括手爪(末端执行器)的开合自由度。
重复定位精度是关于精度的统计数据,指机器人重复到达某一确定位置准确的概率,是重复同一位置的范围,可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。
工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合,也叫工作区域。
工作速度一般指最大工作速度,可以是指自由度上最大的稳定速度,也可以定义为手臂末端最大的合成速度(通常在技术参数中加以说明)。
承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
0.6什么叫冗余自由度机器人?答:从运动学的观点看,完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。
0.7题0.7图所示为二自由度平面关节型机器人机械手,图中L1=2L2,关节的转角范围是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,画出该机械手的工作范围(画图时可以设L2=3cm)。
1.1 点矢量v 为]00.3000.2000.10[T ,相对参考系作如下齐次坐标变换:A=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000.9000.1000.0000.00.3000.0866.0500.00.11000.0500.0866.0 写出变换后点矢量v 的表达式,并说明是什么性质的变换,写出旋转算子Rot 及平移算子Trans 。
《机器人学》课程教学大纲、课程基本信息二、课程目标(一)总体目标:机器人学是智能制造工程专业培养计划中一门高度交叉、前沿的重要专业必修课程,融合了运动学/动力学分析、机械学、控制理论与工程、计算机技术、人工智能等多学科内容的综合性新技术应用课程.通过该课程的学习,使学生了解并掌握机器人学相关的基本理论和方法,具有现代机器人系统设计、分析、应用等基本能力和以后从事相关科学研究和技术工作的能力。
本课程针对智能制造工程专业的特点,主要介绍机器人数学基础、工业机器人、服务机播人的基本机械结构设计、运动学与动力学分析,以及机器人传感器和控制技术等基础理论和技术基础知识,并以实际工程应用为背景,安排各类机器人实样参观、专题讲座、实验等内容。
通过本课程教学,不但使学生掌握机器人技术的基本理论知识,使学生对各类机器人技术和开发方法有所了解,同时通过课程设计等活动培养其在逻辑思维、科学研究和设计实践上的能力,从而培养学生综合运用机器人技术解决智能制造领域实际工程问题的能力。
(二)课程目标:课程目标1:学习并掌握现代机器人的基本理论及方法,具有应用机器人解决工程问题的创新意识和能力;(支撑毕业要求1)课程目标2:学习并掌握工业机器人、服务机器人的状态检测和控制技术,具有利用先进控制理论和方法进行机器人控制并完成具体工程应用的能力;(支撑毕业要求2)课程目标3:学习并掌握现代机器人的总体设计、技术设计和详细结构设计及控制系统设计等内容,具有根据实际工程问题设计相应机器人解决方案的能力:(支撑毕业要求3)课程目标4:评定方法包括课后作业(15%)、实验(20%)、项目研究(15%)和期末考试(50%)环节,总评成绩以百分计,满分100分,各考核环节所占分值比例和根据具体情况微调。
2.(三)评分标准通过机器人的实验,获得相关实验设计和实验技能的基本训练,具有应用相关实验方法解决实际工程问题的能力。
(支撑毕业要求5)(三)课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系三、教学内容第1章:绪论(3学时)通过本章内容的教学,使学生了解机器人学的起源与发展,讨论机器人学的定义,分析机器人的特点、结构与分类。
机器人的基础运动一、引言随着科技的不断发展,机器人技术在各个领域得到了广泛的应用。
机器人的运动是其最基本的功能之一,它决定了机器人的工作能力和灵活性。
本文将详细介绍机器人的基础运动,包括运动的定义、分类、原理和关键技术。
二、运动的定义在机器人技术中,运动是指机器人部件的位置、速度或加速度的变化。
这种变化可以是线性的,也可以是旋转的。
机器人的运动可以通过编程控制,也可以通过传感器反馈进行实时调整。
三、运动的分类机器人的运动可以分为两大类:直线运动和旋转运动。
1. 直线运动:直线运动是指机器人部件在一条直线上进行的运动。
常见的直线运动有向前/向后移动、向左/向右移动等。
2. 旋转运动:旋转运动是指机器人部件围绕一个固定点进行的运动。
常见的旋转运动有旋转角度的调整、旋转速度的控制等。
四、运动的原理机器人的运动主要依赖于电机的驱动。
电机通过电能转化为机械能,从而驱动机器人部件进行运动。
电机的转速和转矩可以通过控制器进行调整,从而实现对机器人运动的精确控制。
五、运动的关键技术1. 电机控制:电机是机器人运动的核心,其性能直接影响到机器人的运动性能。
电机控制技术主要包括电机的选择、电机驱动器的设计和电机控制系统的实现。
2. 运动规划:运动规划是确定机器人从一点移动到另一点的最佳路径的过程。
运动规划需要考虑机器人的动力学特性、环境约束和任务要求等因素。
3. 运动控制:运动控制是实现机器人精确运动的关键。
运动控制技术主要包括位置控制、速度控制和力控制等。
4. 传感器技术:传感器是获取机器人运动状态的重要工具。
常见的传感器有编码器、陀螺仪、加速度计等。
传感器的精度和稳定性直接影响到机器人运动的精度和稳定性。
六、总结机器人的基础运动是其工作和操作的基础,它决定了机器人的工作能力和灵活性。
通过对电机控制、运动规划、运动控制和传感器技术等关键技术的研究和应用,可以实现对机器人运动的精确控制,从而提高机器人的工作效率和操作精度。
《机器人技术基础》课程教学大纲一、课程名称(中英文)中文名称:机器人技术基础英文名称:Robotic Technology Foundation二、课程编码及性质课程编码:0801051课程性质:选修课三、学时与学分总学时:32学分:2.0四、先修课程机械原理、机械设计、材料加工工程、工业控制五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设,也可以供机械科学与工程专业和机电一体化专业学生选修。
六、课程教学目的(对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用)本课程是本专业的核心选修课程之一,其教学目的主要包括:1. 系统全面掌握机器人技术专业知识,具备应用这些知识分析、解决机器人应用中的系统集成及其自动化控制等复杂问题的能力;2. 掌握机器人概况、机器人学的数学基础、机器人运动学、机器人动力学、机器人控制原则与方法、机器人在材料成型加工中的应用以及人工智能,具备针对不同需求设计机器人集成制造/加工系统的能力;3. 理解不同机器人系统架构的特点与共性问题,掌握机器人路径规划与离线仿真分析方法,具备机器人集成系统的性能分析与评价能力;4. 了解机器人技术的发展前沿,掌握其在机械制造、材料成型、医疗、电子、航空航天与资源开发等行业的发展特点与动向,具备研发机器人制造/加工的基础与能力。
表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点:教学重点:1)机器人应用范围非常广泛,其形式与结构等也多种多样,本课程以介绍机器人系统结构、设计与控制为主体,以讲述机器人集成制造/加工系统为重点;2)在全面了解与掌握机器人系统种类及结构特点的基础上,重点学习机器人系统设计与控制技术、机器人路径规划、离线仿真以及集成系统设计与实现;3)课程将重点或详细介绍机器人在机械制造、材料加工工程、先进制造中的典型应用,而对较普遍应用的系统仅作简要介绍或自学。
4)重点学习的章节内容包括:第3章“机器人运动学与动力学”(4学时)、第4章“机器人的驱动与控制”(4学时)、第5章“机器人轨迹规划及离线仿真”(4学时)第6章“工业机器人应用”(8学时)第7章“机器人系统集成技术”(4学时)。
3.2 机器人逆运动学然后求θ2:将展开并整理得:同样再利用三角代换容易求得θ2的四种可能解:
k x 其中其他关节变量过程类似,
略。
3.2.5关节空间和操作空间机械手的末端位姿由n个关节变量所决定,这n个关节变量统称为n维关节矢量,所有关节矢量构成的空间称为关节空间。
末端手爪的位姿是在直角坐标空间中描述的,即用操作逆向运动学空间或作业定向空间来表示。
各驱动器的位置统称为驱动矢量。
所有驱动矢量构成的空间称为驱动空间。
驱动矢量关节矢量操作矢量构成构成驱动空间关节空间正向运动学操作空间构成。