第 二 节 机 器 人 运 动 学
一、基本概念
转动关节
移动关节 连杆



工作空间 自由度 位姿 关节变量
第 二 节 机 器 人 运 动 学
刚体在空间中的位置描述
在直角坐标系A 中，空间任意一点 p的位置可用3x1列 向量(位置矢量)表 示：
A
P [ px
py
p z ]T
第 二 节 机 器 人 运 动 学
机器人的主体部分，由连杆、活动关节和其他构件构成。
三、机器人的分类
第 一 节 概 述
按照机器人的技术发展水平分类： 示教再现机器人
示教－>记忆－>再现
数控机器人
具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化。

智能机器人
具有发现问题并能自主解决问题的能力。
三、机器人的分类
第 一 节 概 述
用相邻两连杆之间的齐次变换矩阵A矩阵 来描述它们之间的位姿关系。 A1表示第一连杆相对基坐标的位姿， A2 表示第二连杆相对第一连杆位姿…… 则第二连杆对基坐标的位姿为 T2 A A2 1 手爪相对于基座的位姿:

T6 A1 A2 A3 A4 A5 A6
注意前后 顺序
第 二 节 机 器 人 运 动 学
概 述

四、机器人技术的进展
第 一 节 概 述
各种用于非制造业的机器人系统有了长足的进 展：

农业机器人在土地耕作、作物移栽、喷洒农药、作物 收获、果蔬采摘方面取得突破性进展； 水下机器人； 空间和太空机器人； 服务机器人成功低用于清洁、保安、医疗、家用、娱 乐等方面；

第 二 节 机 器 人 运 动 学
zA
P T P,
A B B
PB 0 1
第 二 节 机 器 人 运 动 学
二、多关节机器人的运动分析
机械手可以看成由一系列关节连接起来的连杆 组构成。
给每一个连杆在关节处设置一个连杆坐标系， 该连杆坐标系随关节运动而运动。
第 二 节 机 器 人 运 动 学
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、多关节机器人的运动分析
B R
A B
A
p B0

34


A 表示位置时， R B A 表示姿态时， p B ＝0
0
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齐次坐标变换

两刚体在空间中的位姿关系可通过齐次 坐标变换来建立：
P
yB
BP
yA
xB
AP
OB
AP BO
OA xA
A
zB
A BR A BT 0 A
并首次出现了“机器人学Robotics”的概念
1) 机器人不应伤害人类，而且不能忽视机 器人伤害人类； 2) 机器人应遵守人类的命令，与第一条违 背的命令除外； 3) 机器人应能保护自己，与第二条相抵触 者除外
什么是机器人学？
第 一 节 概 述
机器人学是人们设计和应用机器人的技 术和知识。 机器人系统不仅由机器人组成，还需要 其他装置和系统连同机器人一起来共同 完成必需的任务。 机器人学是一门交叉学科，它得益于机 械工程、电气与电子工程、计算机科学、 生物学以及其他许多学科。
第 四 节 机 器 人 控 制 系 统
二、机器人控制系统的组成特点
多轴伺服电机的控制则由以插卡形式插在计算 机总线（如 ISA总线和PCI总线）插槽上的运 动控制器实现。这种运动控制器的构成方案主 要有以下几种：

基于通用微处理器型 基于专用微控制器型 基于数字信号处理器型 多轴运动控制卡设计
装配、搬运、 弧焊、喷涂、 点焊等 垂直多关节
三、机器人的分类
第 一 节 概 述
按照机器人的用途分类： 工业机器人：
焊接、喷漆、码垛、装配、搬运

农业机器人：
耕种、施肥、喷药、嫁接、移载、收获、灌溉、养殖


探索机器人：
水下、太空、空间、危险环境
服务机器人：
清洁、护理、救援、娱乐、保安
其它机器人：医疗、福利、林业· 、渔业、建筑等

第 三 节 机 器 人 动 力 学
二、机器人的动态特性
动态特性是机器人设计与分析时必 须考虑的重要内容，通常用质量、惯性 矩、刚度、阻尼系数、固有频率和振动 模态等来描述。 减小质量和惯量； 提高结构刚度； 提高系统的固有频率； 增加阻尼。
第 四 节 机 器 人 控 制 系 统

什么是机器人？
第 一 节 概 述
不同国家、不同学者给出的定义不同 ISO采用了美国的定义: A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised for the transport of materials, parts, tools or specialized systems, with varied and programmed movements, with the aim of carrying out varied tasks. 不同时期，机器人的内涵也不同

机器人的四大特征
第 一 节 概 述

仿生特征：模仿人的肢体动作 柔性特征：对作业具有广泛适应性 智能特征：具有对外界的感知能力
自动特征：自动完成作业任务
二、机器人的组成
第 一 节 概 述

机械手或移动车 末端执行器 驱动器

传感器 控制器和处理器 软件
“五官”，收集机器人内部状态的信息或用来与外部环 •操作系统：用来操作计算机 境进行通信。 连接在机械手最后一个关节上，用来执行任务。是由公 •机器人软件：根据机器人的运动方程计算每个关节的 司工程师或外面的顾问为某种用途而专门设计的。通常， “大脑”，计算机器人关节的运动，确定每个关节应移 必要动作，然后将这些信息传给控制器 其动作有机器人控制器直接控制。 动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并监督控制 •例行程序集合和应用程序：为了使用机器人外部设备 器和传感器。 “肌肉”，常见的驱动器有伺服电机、步进电机、气缸 或为了执行特定任务而开发 及液压缸等，还有一些新型驱动器。它们由控制器控制。 “小脑”，从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并 与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。
第七章
机器人
本章内容



概述 机器人运动学 机器人动力学 机器人控制系统 机器人应用的典型实例
一、机器人的由来
第 一 节 概 述
1920年捷克作家Karel Capek的剧本《 Rossam’s Universal Robots 》中，塑造了只会劳 动不会思维的机器人形象，捷克语中的Robota 意为“苦力”、 “劳役”，是一种人造劳动者。 英语Robot由此衍生而来。 该剧中，卡佩克提出了机器人的安全、感 知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引 发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是 一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。
机器人三原则与机器人学
第 一 节 概 述
Isaac Asimov 在《I’m Robot》中提出了 “机器人三原则” ：


A robot must not harm a human being or, through inaction, allow one to come harm. A robot must always obey human beings unless that is conflict with the first law. A robot protect itself from harm unless that is conflict with the first or second laws.
三、多关节机器人的速度分析
速度分析是研究机器人手部操作速度与 关节运动速度之间的关系。 设x为表示机械手末端位姿的广义位置矢 量，q为机械手得关节坐标矢量，则机械 手的运动学方程可以写成：x=x(q) x 上式两边对时间进行求导： J (q) q x 为末端在坐标空间得广义速度矢量； 为 q 关节速度矢量； J (q) 为雅克比矩阵。
用于重物的装卸和搬 运，例如Versatran 机器人
圆柱坐标型（R2P）
三、机器人的分类
第 一 节 概 述
结构紧凑，所 占空间较小。 极坐标、球坐标型（2RP）
三、机器人的分类
第 一 节 概 述
垂直方向上的 刚性好，适于 装配工作
水平多关节型
三、机器人的分类
第 一 节 概 述
动作范围宽；
结构刚度低； 精度较低；
A B
刚体在空间中的姿态描述
R xB
A

A
yB
A
zB

r11 r12 r13 r r r 21 22 23 r31 r32 r33
上述矩阵称为旋转矩阵
第 二 节 机 器 人 运 动 学
刚体在空间中的位姿描述

刚体位姿(即位置和 姿态),用刚体的方 位参考坐标的原点 位置矢量和旋转矩 阵表示，即

第 三 节 机 器 人 动 力 学
机器人动力学研究的是机器人手臂的关节 力矩和在关节力矩作用下的动态响应之间得关 系问题。 首先要建立机器人的动力学方程。 建立动力学方程的方法有两种：牛顿—— 欧拉方程法和拉格朗日方程法。
第 二 节 机 器 人 运 动 学
一、建立动力学方程的步骤
计算任一连杆上任一质点得速度； 计算各连杆的动能和机械臂的总动能； 计算各连杆的位能和机械臂的总位能； 建立机械臂系统的拉格朗日函数； 对拉格朗日函数求导，导出动力学方程。
机器人运动学要解决的问题