第6章 机器人的关键技术

第六章 机器人运动学及动力学6.1 引论到现在为止我们对操作机的研究集中在仅考虑动力学上。

我们研究了静力位置、静力和速度，但我们从未考虑过产生运动所需的力。

本章中我们考虑操作机的运动方程式——由于促动器所施加的扭矩或作用在机械手上的外力所产生的操作机的运动之情况。

机构动力学是一个已经写出很多专著的领域。

的确，人们可以花费以年计的时间来研究这个领域。

显然，我们不可能包括它所应有的完整的内容。

但是，某种动力学问题的方程式似乎特别适合于操作机的应用。

特别是，那种能利用操作机的串联链性质的方法是我们研究的天然候选者。

有两个与操作机动力学有关的问题我们打算去解决。

向前的动力学问题是计算在施加一组关节扭矩时机构将怎样运动。

也就是，已知扭矩矢量τ，计算产生的操作机的运动Θ、Θ和Θ。

这个对操作机仿真有用，在逆运动学问题中，我们已知轨迹点Θ、Θ和Θ，我们欲求出所需要的关节扭矩矢量τ。

这种形式的动力学对操作机的控制问题有用。

6.2 刚体的加速度现在我们把对刚体运动的分析推广到加速度的情况。

在任一瞬时，线速度矢量和角速度矢量的导数分别称为线加速度和角加速度。

即BB Q Q BBQ Q 0V ()V ()d V V lim dt t t t t t∆→+∆-==∆ （6-1）和AA Q Q AAQ Q 0()()d lim dt t t t t t∆→Ω+∆-ΩΩ=Ω=∆ （6-2）正如速度的情况一样，当求导的参坐标架被理解为某个宇宙标架{}U 时我们将用下面的记号U A AORG V V = （6-3）和U A A ω=Ω （6-4）6.2.1 线加速度我们从描述当原点重合时从坐标架{}A 看到的矢量BQ 的速度AA B A A Q B Q B B V V BR R Q =+Ω⨯ （6-5）这个方程的左手边描述AQ 如何随时间而变化。

所以，因为原点是重合的，我们可以重写（6-5）为A AB A A B B Q B B d ()V dtB B R Q R R Q =+Ω⨯ （6-6） 这种形式的方程式当推导对应的加速度方程时特别有用。

智能技术操作指南第1章智能概述 (4)1.1 发展简史 (4)1.1.1 传统工业 (4)1.1.2 传感器与结合 (4)1.1.3 智能 (4)1.2 智能技术特点 (4)1.2.1 自主性 (4)1.2.2 学习能力 (4)1.2.3 感知能力 (5)1.2.4 适应性 (5)1.2.5 交互性 (5)1.3 智能的应用领域 (5)1.3.1 工业生产 (5)1.3.2 医疗保健 (5)1.3.3 服务业 (5)1.3.4 灾难救援 (5)1.3.5 军事应用 (5)1.3.6 教育与科研 (5)第2章硬件系统 (5)2.1 结构设计 (5)2.1.1 结构设计原则 (5)2.1.2 结构组成 (5)2.1.3 结构材料 (6)2.2 驱动系统 (6)2.2.1 驱动方式 (6)2.2.2 电机选型 (6)2.2.3 驱动器配置 (6)2.3 传感器与执行器 (6)2.3.1 传感器 (6)2.3.2 执行器 (6)2.3.3 传感器与执行器的集成 (6)第3章控制系统与编程 (6)3.1 控制系统概述 (6)3.1.1 控制系统基本原理 (7)3.1.2 控制系统结构 (7)3.1.3 智能控制应用 (7)3.2 编程语言及环境 (7)3.2.1 编程语言 (7)3.2.2 编程环境 (7)3.3 编程实例 (8)3.3.1 任务描述 (8)3.3.2 编程实现 (8)3.3.3 代码示例（以Python语言为例） (8)第4章人工智能基础 (9)4.1 机器学习 (9)4.1.1 监督学习 (9)4.1.2 无监督学习 (9)4.1.3 强化学习 (9)4.2 深度学习 (9)4.2.1 神经网络 (9)4.2.2 卷积神经网络 (9)4.2.3 循环神经网络 (9)4.3 自然语言处理 (9)4.3.1 词向量 (10)4.3.2 语法分析 (10)4.3.3 机器翻译 (10)4.3.4 问答系统 (10)第5章机器视觉 (10)5.1 视觉传感器 (10)5.1.1 视觉传感器概述 (10)5.1.2 摄像头选型与安装 (10)5.1.3 图像传感器技术 (10)5.2 图像处理与识别 (10)5.2.1 图像预处理 (10)5.2.2 特征提取与匹配 (10)5.2.3 目标识别与分类 (11)5.3 视觉导航与定位 (11)5.3.1 视觉导航原理 (11)5.3.2 视觉定位技术 (11)5.3.3 视觉导航与定位在智能中的应用 (11)第6章语音交互 (11)6.1 语音识别技术 (11)6.1.1 基本原理 (11)6.1.2 关键技术 (11)6.1.3 技术发展 (11)6.2 语音合成技术 (12)6.2.1 基本原理 (12)6.2.2 关键技术 (12)6.2.3 技术发展 (12)6.3 语音交互应用场景 (12)6.3.1 客户服务 (12)6.3.2 智能家居 (12)6.3.3 辅助驾驶 (12)6.3.4 医疗健康 (12)6.3.5 教育培训 (12)第7章路径规划与导航 (12)7.1 路径规划算法 (12)7.1.1 图搜索算法 (12)7.1.2 A算法 (13)7.1.3 RRT算法 (13)7.2 导航策略与实现 (13)7.2.1 全局导航策略 (13)7.2.2 局部导航策略 (13)7.2.3 导航系统实现 (13)7.3 避障与碰撞检测 (13)7.3.1 避障策略 (13)7.3.2 碰撞检测方法 (14)7.3.3 避障与碰撞检测实现 (14)第8章运动控制 (14)8.1 运动学建模 (14)8.1.1 运动学模型概述 (14)8.1.2 笛卡尔坐标系与关节坐标系 (14)8.1.3 运动学建模方法 (14)8.2 动力学建模 (14)8.2.1 动力学模型概述 (14)8.2.2 拉格朗日方程 (15)8.2.3 动力学建模方法 (15)8.3 运动控制策略 (15)8.3.1 运动控制策略概述 (15)8.3.2 位置控制 (15)8.3.3 速度控制 (15)8.3.4 力矩控制 (15)8.3.5 运动轨迹规划 (15)8.3.6 运动控制算法实现 (15)第9章协作与群体行为 (15)9.1 协作概述 (15)9.1.1 基本概念 (15)9.1.2 关键技术 (16)9.1.3 研究现状 (16)9.2 群体行为控制 (16)9.2.1 通信机制 (16)9.2.2 协同控制策略 (16)9.3 协作应用案例 (17)9.3.1 工业生产领域 (17)9.3.2 医疗辅助领域 (17)9.3.3 服务行业 (17)9.3.4 灾难救援领域 (17)第10章安全与伦理 (17)10.1 安全规范 (17)10.1.1 基本安全要求 (17)10.1.2 安全标准与认证 (17)10.1.3 安全风险评估 (17)10.2 安全防护技术 (18)10.2.1 硬件安全防护 (18)10.2.2 软件安全防护 (18)10.2.3 网络安全防护 (18)10.3 伦理与法律规范 (18)10.3.1 伦理原则 (18)10.3.2 法律规范 (18)10.3.3 隐私保护 (18)10.3.4 人机协作与责任划分 (18)第1章智能概述1.1 发展简史自20世纪以来，技术的发展经历了多个阶段。

第六章机器人操作臂动力学动力学研究的是物体的运动和受力之间的关系。

操作臂动力学有两个问题需要解决。

①动力学正问题：根据关节运动力矩或力，计算操作臂的运动（关节位移，速度和加速度）②动力学逆问题：已知轨迹运动对应的关节位移，速度和加速度，求出所需要的关节力矩或力。

机器人操作臂是个复杂的动力学系统，由多个连杆和多个关节组成，具有多个输入和多个输出，存在着错综复杂的耦合关系和严重的非线性。

因此，对于机器人动力学的研究，引起了十分广泛的重视。

所采用的方法很多，①有拉格朗日方法，②牛顿-欧拉方法，③高斯法，④凯恩方法，⑤旋量对偶数方法等等。

在此重点介绍牛顿-欧拉方法，它是基于运动坐标和达朗贝尔原理来建立相应的运动方程。

研究机器人动力学的目的是多方面的，动力学正问题与操作臂仿真有关，逆问题是为实时控制的需要，利用动力学模型，实现最优控制，以期达到良好的动态性能和最优指标。

机器人动力学模型主要用于机器人的设计和离线编程。

在设计中需根据连杆质量，运动学和动力学参数，传动机构特征和负载大小进行动态仿真，从而决定机器人的结构参数和传动方案，验算设计方案的合理性和可行性，以及结构优化程度。

在离线编程时，为了估计机器人高速运动引起的动载荷和路径偏差，要进行路径控制仿真和动态模型的仿真。

这些都必须以机器人动态模型为基础。

为了建立机器人动力学方程，在此首先讨论机器人运动的瞬时状态，对其进行速度分析和加速度分析，研究连杆的静力平衡，然后利用朗贝尔原理，将静力学平衡条件用于动力学。

§6-1连杆的速度和加速度点的速度表示一般要涉及到两个坐标系：要指明速度是相对于哪个坐标系的运动所造成的。

① 要指明在哪个坐标系中描述这一速度。

连杆I 相对于参考系{o 的速度用w i 和v i 表示; w i 是连杆坐标系{i}的角速度矢量，v i 是{i}的原点线速度矢量。

如果把两个向量在{i}中描述，即为iw i 和iv i。

为了描述刚体在不同坐标系中的运动，设有两坐标系：参考系{A}和运动坐标系{B}.{B}相对于{A}的位置矢量为0B A P ,旋转矩阵为R AB 。