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工业机器人运动控制(含源文件)

ADAMS环境下工业robot运动控制

和联合仿真

毕业设计(论文) 第I页

摘要

虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性,从而修改并得到最优设计方案的技术。

ADAMS软件是目前国际上应用最为广泛的虚拟样机分析软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。但针对复杂的robot机械系统，要想准确的控制其运动，仅依靠ADAMS软件自身也很难做到；MATLAB软是Mathworks公司开发的一种集计算、图形可视化和编辑功能于一体的优秀数学应用软件，具有强大的计算能力，能够建立复杂的控制模型准确控制复杂robot系统的运动；OpenGL（开放式图形库全称）是SGI公司开发的底层三维图形API，目前在图形开发领域已成为工业标准。使用OpenGL可以创建视觉质量接近射线跟踪程序的精致漂亮的3D图形。Visual C++ 6.0已经成为集编辑、编译。运行、调试为一体的功能强大的集成编程环境，在Windows编程中占有重要地位。OpenGL和Visual C++ 6.0有紧密接口，利用二者可以开发出优秀的视镜仿真系统。ADAMS、MATLAB和Visual C++ 6.0由于定位不同，都有各自的优势和缺点，但是三者之间又可以通过接口联合控制或者混合编程。本文分别利用ADAMS对三自由度robot的运动学和轨迹优化方案进行研究，利用Visual C++ 6.0、OpenGL 和从MATLAB里导出的控制模型的数据对三自由度robot进行了视景仿真的研究。论文首先通过建立坐标系和矩阵变换，对刚体的空间表示进行了阐述，然后采用通用的D-H法则，将robot关节角度参数化，推导出其正运动学方程和逆运动关节角，并计算出robot手部的初始坐标。其次采用ADAMS软件，详细介绍了robot 三维建模过程，包括整体框架构建，单个构件绘图和布尔运算等，并对robot关节点进行了参数化设计。最后从robot轨迹规划的基本原理和方法出发，比较分析了关节空间轨迹规划和直角坐标空间轨迹规划的差别，并采用三次多项式和五次多项式对robot进行了轨迹规划，利用ADAMS软件中内嵌的Step函数对运动轨迹进行了仿真分析。然后在Windows XP Professional的系统环境下，以Visuall C++6.0为开发工具，建立了三自由度机械手视景仿真系统模型，实现了仿真系统对MATLAB 控制模型导出数据的读取和利用。

关键词:运动学轨迹规划 ADAMS虚拟样机技术视景仿真纹理映射

Abstract

Virtual prototyping technology in the construction of the first physical prototype, designers use computer technology to build digital models of mechanical systems, simulation analysis and graphically display the various characteristics of the system in real engineering conditions to modify and get the most excellent design technology.

ADAMS software is currently the most widely used international virtual prototype analysis software, users can use the software is very easy to statics, kinematics and dynamics of the virtual mechanical systems. However, the complexity of the robot mechanical systems, in order to accurately control its movements, and only rely on ADAMS software is also very difficult to achieve; of MATLAB soft Mathworks company has developed a set of computing, graphical visualization and editing functions in one of the best mathematical applications, computing power, able to build complex control model to accurately control the movement of complex robot systems; OpenGL (Open Graphics Library Name), SGI, the development of the underlying 3D graphics API, currently in the field of graphical development has become the industrial criteria. Use OpenGL to create exquisite and beautiful 3D graphics, visual quality close to the ray-tracing program. Visual C + + 6.0 has become a set of editor, compiler. Run, debug, as one of the features a powerful integrated programming environment, plays an important role in Windows programming. OpenGL and Visual C + + 6.0 interface, using the two can develop excellent endoscopic simulation system. ADAMS, MATLAB and Visual C + + 6.0 due to different positioning has its own advantages and disadvantages, but among the joint interface control, or mixed programming. In this paper, using the ADAMS program of three degrees of freedom of the robot kinematics and trajectory optimization using the Visual C + + 6.0, OpenGL and data export control from the MATLAB model the three degrees of freedom robot visual simulation.

Firstly, through the establishment of the coordinate system and matrix transform space of the rigid body are described, and then use the DH rule, the robot joint angle parameters, deduced are kinematic equations and inverse kinematics, joint angles, and calculate the robot the initial coordinates of the hand. ADAMS software, followed by the detailed three-dimensional modeling of robot process, including the overall framework to build a single component mapping and Boolean operations, and the robot joint point of parametric design. Finally, the robot trajectory planning principles and methods, comparative analysis of the difference of the trajectory planning of the joint space and Cartesian coordinate space trajectory planning, and third order polynomial and quintic polynomial on robot trajectory planning, the use of the ADAMS software embedded in Step function of the trajectory of the simulation analysis. Then, in Windows XP Professional system environment, in to Visuall C + + 6.0 development tools, the establishment of a three degree of freedom robotic visual simulation system model, read and use the simulation system model to export data to MATLAB control.

Key words: kinematics, trajectory planning ADAMS virtual prototyping technology, visual simulation, texture mapping

第一章绪论 (1)

1.1工业robot的发展现状 (1)

1.2 虚拟样机技术简介 (2)

1.2.1 虚拟样机的定义和特点 (2)

1.2.2 研究现状和发展趋势 (2)

1.4 本文要研究的主要内容 (4)

第二章 robot运动学 (5)

2.1 空间点和坐标系的表示 (5)

2.1.1 空间点的向量表示 (5)

2.1.2坐标系在固定参考坐标系中的表示 (6)

2.2 坐标系的变换 (6)

2.2.1 齐次变换 (6)

2.2.2 坐标系相对于旋转坐标系的变换 (10)

2.2.3 变换矩阵的逆 (10)

2.3 robot的正逆运动学 (11)

2.3.1正运动学的D-H表示法 (12)

2.3.2逆运动学方程的求解 (15)

2.4 微分运动 (16)

第三章基于ADAMS的robot的虚拟样机分析 (18)

3.1 ADAMS概述 (18)

3.2 ADAMS中robot模型的建立 (18)

3.2.1 设置建模环境 (19)

3.2.2robot实体建模 (19)

3.2.3 robot模型的设置 (20)

3.3 轨迹规划仿真分析 (21)

3.3.1 轨迹规划方法的理论分析 (21)

3.3.2 轨迹规划仿真分析 (27)

第四章基于模型的视景仿真系统的设计与实现 (32)

4.1 OpenGL概述 (33)

4.1.1 OpenGL工作方式 (33)

4.1.2 OpenGL绘制过程 (34)

4.2 robot三维可视化框架建立 (35)

4.2.1 利用MFC建立单文档应用程序框架 (35)

4.2.2 设置OpenGL绘图环境 (37)

4.3 机械手三维模型的建立 (40)

4.3.1 导入机械手模型 (40)

4.3.2 在OpenGL中建立机械手的模型 (41)

4.4 建立仿真场景 (44)

5.4.1 纹理贴图的实现 (45)

4.4.2 设置光照 (48)

4.5 基于模型的视景仿真的实现 (51)

4.5.1 数据的读取 (52)

4.5.2 利用读取的数据控制机械手的运动 (55)

4.5.3 实现观察视角的交互式键盘控制 (60)

结论 (63)

致谢 (65)

附录 (66)

参考文献 (73)

实习报告 (74)

第一章绪论

1.1工业robot的发展现状

1961年，美国的Consolided Control Corp和AMF公司联合制造了第一台实用的示教再现型工业robot，迄今为止，世界上对工业robot的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、德国的robot产业已日趋成熟和完善。工业robot 由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。【1】它对稳定、提高产品质量，提高生产效率改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

采用工业robot，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业robot的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业robot得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，robot都已逐步取代了人工作业。如，2004年德国汽车制造业中每1万名工人中拥有工业robot的数量为1140台。【2】

在国外，工业robot技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业robot公司，它们包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Technology、American Robot、意大利COMAU，英国的AutoTech Robotics公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。

在我国，工业robot的真正使用到现在已经接近20多年了，已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。2004年全年国产工业robot数量（主要指在国内生产和组装的）突破1400台，产值突破8亿元人民币。进口robot数量超过9000台，进口额达到2.6亿美元。国内各个工业robot厂家都呈现出产销两旺的局面。截至2004年底，我国工业robot市场已经突破30亿元人民币。【3】现阶段，我国工业robot正逐步发展成为一种有影响力的产业。

1.2 虚拟样机技术简介

1.2.1 虚拟样机的定义和特点

虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性,从而修改并得到最优设计方案的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将分散的零部件设计和分析技术集成在一起,提供一个全新研发机械产品的设计方法。它是一种计算机模型,它能够反映实际产品的特性,包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术,设计师可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性,并根据仿真结果精化和优化系统。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能,对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。它具有以下特点：

A 全新的研发模式

虚拟样机技术实现了系统性的产品优化,使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案,确定影响性能的敏感参数,并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征,从而获得最优工作性能。

B 研发成本低、周期短、产品质量高

通过计算机技术建立产品的数字化模型,可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验,不但减少了物理样机的数量,降低了成本,而且缩短了研发周期、提高了产品质量。

C 实现了动态联盟

广泛地采用动态联盟, 通过Internet共享和交流，临时缔结成的一种虚拟企业，适应了快速变化的全球市场,克服单个企业资源的局限性。

1.2.2 研究现状和发展趋势

虚拟样机技术在一些较发达国家,如美国、德国、日本等已得到广泛的应用,应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、到医学以及工程咨询等很多方面。

美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)研制的火星探测器“探路号”，就是JPL工程师利用虚拟样机技术仿真研究研发的。美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机,其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术,不但缩短了研发周期、降低了研发成本,而且确保了最终

产品一次接装成功。

我国从“九五”期间开始跟踪和研究虚拟样机的相关技术,主要研究集中在虚拟样机的概念、系统结构以及相关的支撑技术,应用多集中在一些高精尖领域。近年来,才尝试着将虚拟样机技术用于一般机械的开发研制。天津大学与河北工业大学采用虚拟样机技术联合开发了冲击式压实机,对其进行了仿真计算,得到各部件的运动规律曲线,验证了压实机各部件参数值的合理性。【4】

虚拟样机概念正向广度和深度发展,今后的虚拟样机技术将更加强调部件、技术、知识的重用,强调便于虚拟样机柔性协同的运行管理的组织重构,强调跨领域技术的沟通支持，重点在以下几个方面进行研究：

（1）基于虚拟样机的优化设计；

（2）以虚拟样机为中心的并行设计设计；

（3）分析和仿真工具的集成；

（4）虚拟样机系统的容错性研究。

1.3 视景仿真技术简介

1.3.1 视景仿真的定义和特点

视景仿真又称虚拟仿真虚拟现实仿真。它是21世纪最有前景的高科技技术之一，它是计算机技术，图形图象技术，光学技术，控制技术等多种高科技的结合，是延伸人类感觉器官的一门科学，通过对现实世界或者是人类想象的虚拟世界进行三维建模并实时驱动，通过头盔显示器或者三维投影技术显示出来。

视景仿真(Visual Simulation)是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。其作为计算机技术中最为前沿的应用领域之一，它已经广泛应用于虚拟现实、模拟驾驶、场景再现、城市规划及其它应用领域。计算机仿真又称全数字仿真，是根据相似原理，利用计算机来逼真模仿研究系统中的研究对象，将研究对象进行数学描述，建模编程，并且在计算机中运行实现．作为计算机仿真的组成部分，视景仿真采用计算机图形图像技术，根据仿真的目的．构造仿真对象的三维模型并再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果．目前，视景仿真技术在我国已广泛应用于各种研究领域：军事演练、城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、模拟训练以及交互式娱乐仿真等．视景仿真技术对作战装备的使用效果有很好的实时显示，给人以强烈的视觉上的冲击，对提高武器装备的性能、研制效率有着重要的作用

1.3.2 工业robot视景仿真系统研究的意义

由于robot价格昂贵,以及robot的作业空间需要较大而独立的试验场地等诸多原因,不可能达到每个需要学习robot的人都能亲自操作robot的要求。而可视化技术的出现,使得人们能够在三维图形世界中观察robot,并通过计算机交互式对robot进行示教仿真。基于VC++6.0的OpenGL上的工业robot的视景仿真系统可以提供一个真实的实验平台，在不接触实际robot及其工作环境的情况下，通过图形技术，提供一个和robot进行交互的虚拟环境。此系统充分利用OpenGL的实时交互性，模拟工业robot的示教/再现过程，可以在此系统上编辑工业robot的程序并动态模拟工业robot的运动过程，观察工业robot的运动结果，检验所编写工业robot程序的正确性。进行实物实验之前，可以先在仿真系统上进行模拟仿真，观察实验的运动过程以及运动结果，避免直接在现实中操作对工业robot及周围物体可能造成的伤害。另外，对于刚接触工业robot的操作员来说，此系统可以提供与现实工业robot几乎相同的操作步骤，在操作员真正操作工业robot之前，可以增加其操作的熟练程度，增加安全系数。

1.4 本文要研究的主要内容

为了简化研究，本文采用一个3自由度关节robot，分别通过ADAMS软件的建模和仿真，结合MATLAB的运算功能，进行了robot运动学分析和空间坐标的轨迹规划，实现运动轨迹的最优化。又在Windows XP环境下，利用Visual C++6.0和OpenGL完成了基于模型的视景仿真系统的设计与实现，具体工作如下：（1）进行运动学分析。按照通用的D-H法则，通过矩阵变换，得到了robot 的正运动学方程和初始坐标，推导出robot逆运动学的关节角度。

（2）在ADAMS/View中构造robot部件，运用约束库中的移动和旋转副对部件进行链接，添加驱动力，实现robot的运动，完成三维建模。

（3）对robot的运行轨迹进行多项式优化，利用ADAMS/View的仿真和后处理模块，绘制小臂末端处所取点的位置、速度、加速度、角速度和角加速度曲线，结合曲线进行三次多项式和五次多项式轨迹规划的仿真分析，并进行比较分析。

（4）利用Visual C++6.0和OpenGL导入并建立机械手模型，建立仿真场景，实现基于模型数据的运动仿真，并实现视角的交互式键盘控制。

第二章 robot 运动学

robot 运动学指研究robot 各个连杆相对运动的空间几何关系。在实际应用中，最为感兴趣的问题是robot 手部（即末端执行器）相对于参考坐标系的空间描述。robot 可以看成为一个开环的运动链，该链是由一组杆件相连而成，其一端固定在基座上，另一端固定在robot 手部上。两个杆件之间通过关节相连，关节由驱动器驱动，使杆件之间产生相对运动，从而使robot 手部达到期望的位置和姿态。

在robot 运动学的研究过程中，又可以分为两类基本问题，即robot 运动学的正问题与逆问题。其中，robot 运动学的正问题指在已知杆件几何结构参数和关节变量值的前提下，求解robot 手部相对于参考坐标系的位置与姿态的问题；robot 运动学的逆问题指根据robot 手部在笛卡尔坐标系中的位置与姿态求解robot 各关节的关节变量值的问题。【5】

2.1 空间点和坐标系的表示

2.1.1 空间点的向量表示

在直角坐标系中，可以用一个3×1的位置矢量来表示空间内任意一点的位置。对于直角坐标系中任意一点p 的位置可以用3×1的位置矢量P 表示为

x y z p p p ??

=??

????

P (2-1)

如图2-1所示， x p ，y p 和z p 分别表示点P 在当前坐标系中的三个坐标轴方向的分量。这里P 称为位置矢量，这

种表示法也可变化为如下形式：图2-1 空间点的位置表示

x y z p p p w ''

??=??

p (2-2)

加入一个比例因子w ，使得

,,y x z

x y z p p p p p p w w w

'''===

，'p 为p 的齐

次坐标。【

10】

2.1.2坐标系在固定参考坐标系中的表示

当一个坐标系位于另一个坐标系中时，如图2-2所示，通常用三个互相垂直的单位向量n 、o 、a 表示，这三个变量分别代表法线（normal ）、指向（orientation ）与接近（approach ）向量（如图2-2所示）。每一个单位向量都可以由它所在参考坐标系中的三个分量表示，这样，坐标系F 就可以表示为由四个向量组成的矩阵：

x x x y y y y z z

z n o a p n o a p n o a p ??

???????

F （2-3）

图2-2 一个坐标系在另一个坐标系中的表示

式（2-3）中前三个列向量取w=0，表明该坐标系三个单位向量n 、o 、a 的方向。而第四个列向量中w=1，表示该坐标系相对于参考坐标系的位置。

2.2 坐标系的变换

坐标系的变换包括绕固定参考坐标系的变换和绕运动参考坐标系的变换。

2.2.1 齐次变换

空间中一个坐标系相对于固定的参考坐标系的运动称为齐次变换。齐次变换可以是平移运动，可以是旋转运动，也可以是平移与旋转的复合运动。

（1）纯平移齐次变换

如果一个坐标系（它可能表示的是一个物体）在空间运动中相对于固定参考坐标系的姿态不发生变化，即该坐标系的三个单位向量方向不变，只改变它的坐标原点位置，则称这种运动为平移运动。如图2-3所示，坐标系｛A ｝沿平移向量d 平

移到新的位置：

????x

z d d d d = (2-4)

其中,,x y z d d d 是平移向量d 相对于固定参考系三个坐标轴方向的分量。

【7

】

图2-3 坐标系的平移

平移后新的坐标系原点位置向量可以表示为原来坐标系的原点位置向量与位移向量d 的矢量和。若采用矩阵形式，新坐标系的矩阵表示可以通过将坐标系左乘变换矩阵。由于平移过程中方向向量保持不变，所以平移变换矩阵T 可以简单地表示为:

1000100010

1x y z d d T d ??

???????

(2-5) 可以看到，矩阵的前三列没有旋转运动（等同于单位矩阵），而最后一列表示平移运动，这个方程可以用符号表示如下：

(,,)new x y z old F Trans d d d F =? (2-6)

即

10001000100

100

1x x

x x x y y

y y y new

z z z

z x x x x x y y y y y z z

z z d n o a p d n o a p F d n o a p n o a p d n o a p d n o a p d ??

????

????=?????????????????

+??+??

=??

+??

????

(2-7)

（2）绕轴纯旋转齐次变换

为了简化旋转变换的推导，假设坐标系｛B ｝位于坐标系｛A ｝的原点。纯旋转就是｛B ｝坐标系在空间中运动中相对于固定参考坐标系｛A ｝的位置不发生变化，即只改变该坐标系三个单位向量的方向而不改变其原点位置。这样坐标系｛B ｝可以由坐标系｛A ｝经过旋转次变换后得到，由此可以推广到其他旋转情况。

设向量x, y, z 为坐标系｛A ｝的三个单位向量，空间任意一点p 的位置可以用向量p 表示。向量p 在坐标系｛A ｝中的表示为：

x x y y z z p =p i +p j +p k (2-8)

向量p 在坐标系｛B ｝中的表示为：

p αα=n n o o p i +p j +p k (2-9)

则向量

P 在坐标系｛A ｝中的投影分别为

....B x x x x x P i p i i i αα==n n o o i p +j p +k p (2-10)

....B y y y y y P i p i i i αα==n n o o i p +j p +k p (2-11)

....B z z z z z P i p i i i αα==n n o o i p +j p +k p (2-12)

写成齐次矩阵形式则为：

0...0...0 (0110)

001x n x o x x n y y n y o y o z z n z z o i i i i i i p p p i i i i i i p p p i i i i i i ααα??????

??=?

????????

??????????

????

(2-13) 0...0...0 (00)

1x n x o x A

y n y o y B

z n z z o i i i i i i i i i i i i R i i i i i i αα??

???

????

(2-14)

当坐标系｛B ｝只相对于坐标系｛A ｝单个轴转动时称为基本变换矩阵。如坐标系｛B ｝只绕坐标系｛A ｝的x 轴转动角度θ时，基本转动变换矩阵记为Rot(x,θ)，由式（2-14）可以计算得：

(,)0

Rot x C S S C θθ

θθ

θ???

=-?????? (2-15) 可以用同样的方法来分析坐标系｛B ｝绕坐标系｛A ｝的y 轴和z 轴旋转的情况，结果如下：

(,)01

00C S Rot y S C θθθθθ??

=????-??

(2-16) 0(,)00

01C S Rot z S C θθθθ

θ??-?

=??????

(2-17) （3）复合齐次变换

复合齐次变换是有由固定坐标系或当前运动坐标系的一系列沿轴平移和绕轴旋转变换所组成的，此时该固定坐标系在参考系中不仅原点位置发生变化，同时它的三个坐标轴单位向量的方向也发生变化。此时的变换顺序很重要，变换顺序不同，结果不同。

我们假设坐标系(n, o, a)相对于参考坐标系(x ,y ,z)依次进行了下列四个变

换：

● 绕z 轴旋转θ度 ● 绕z 轴平移d ● 绕x 轴平移a ● 绕x 轴旋转α度则复合齐次变换

xyz

noa T 可由下式求解：

(,)(,0,0)(0,0,)(,)

XYZ

no Rot x Trans a Trans d Rot z ααθ=???T

(2-18)

可见，齐次变换矩阵是由一组平移和旋转矩阵依次左乘获得，矩阵书写的顺序

和进行变换的顺序正好相反，而且变换的顺序不能更改，否则结果会随之改变。【6】

2.2.2 坐标系相对于旋转坐标系的变换

前面我们所讨论的所有变换都是相对于固定参考坐标系的。也就是说，所有平移和旋转都是相对于参考坐标系的轴来测量的。然而事实上，也有可能相对于运动坐标系或当前坐标系的轴的变换。例如，相对于运动坐标系（当前坐标系）的n 轴而不是参考坐标系的x 轴旋转θ度。为了计算当前坐标系中点的坐标相对于参考坐标系的变化，我们需要右乘变换矩阵而不是左乘。由于运动坐标系中的点或刚体的位置总是相对于运动坐标系测量的，所以必须右乘来表示该点或刚体的位置矩阵。

2.2.3 变换矩阵的逆

在分析robot 时，如果已知坐标系｛B ｝相对于坐标系｛A ｝的值

B T ，为了得

到｛A ｝相对于｛B ｝的描述

A T ,需要求这个矩阵的逆。一个直接求逆的方法就是将

4?4齐次变换求逆。同样，我们还可以通过变换的性质求逆。下面是关于x 轴简单旋转矩阵的求逆过程。旋转矩阵如下：

(,)0

Rot x C S S C θθ

θθ

θ???

=-?????? (2-19) 我们采用以下的步骤来计算旋转矩阵的逆： 1) 计算矩阵的行列式 2) 将矩阵转置

3) 将转置矩阵的每个元素用它的子行列式代替 4) 用转置后的矩阵除以行列式通过以上步骤我们得到：

0(,)0

Rot x C S S C θθ

θθ

θ????

=????-??

(2-20) 关于x 轴的旋转矩阵的逆与它的转置矩阵相同，即：

1(,)(,)

Rot x Rot x θθ-= (2-21) 2.3 robot 的正逆运动学

对于一个已知构型的robot ，当它的连杆长度和关节角度都已知时，计算robot 手的位姿就称为正运动学。也就是说，如果已知robot 所有的关节变量，用正运动学方程就能计算任一瞬间robot 的位置和姿态。如果要将robot 的手放到一个期望的位姿，就必须知道robot 所有关节的长度和角度。由robot 手的位姿来求关节和连杆变量的过程就称为robot 的逆运动学。对于正运动学，必须推导出一组特定方程，我们只要将已知的关节和连杆变量代入方程就能计算出robot 的位姿，然后再根据这些方程求解出逆运动学方程。

在空间中，要确定一个物体的几何状态需要确定其3个位移坐标（位置）和三个旋转坐标（姿态）。robot 手部的空间位置和姿态的表示可以借助一个固连在它上面的参考坐标系来表示，只要这个坐标系可以在基座的参考坐标系的空间中表示出来，那么该robot 手部相对于基座的位姿就是已知的了，可采用齐次坐标变换的方法完成这两个坐标系的坐标转化。

图2-3 robot 手的位置和姿态描述

robot 手部的位姿如图2-3所示，可由固接在robot 手部的坐标系｛B ｝来表示。该坐标系由其原点位置和三个单位矢量(n, o, a)唯一确定。坐标系｛A ｝表示固连在robot 基座上的固定参考坐标系。向量P 为坐标系｛B ｝原点在坐标系｛A ｝中的位置矢量。前面已经讨论过了一个坐标系在固定坐标系的表示故这里直接给出坐标系｛B ｝在坐标系｛A ｝中的位姿的表示：

Y Y Y Y =0

1n o a p n o a p n o a p X

X X X Z Z

Z ??

????????

F （2-22） 2.3.1正运动学的D-H 表示法

robot 建模采用的是Denavit 和Hartenberg 提出来的标准方法，我们简称为D-H 模型，该模型可用于任何复杂的robot 构型。

假设robot 由一系列的关节和连杆构成，这些关节包括滑动的和旋转的，连杆长度任意，确保在空间能构成任意想要的robot 模型。为了表示这个模型，我们需要为每个关节指定一个参考坐标系，然后再考虑从一个关节到下一个关节的变换。

假设一个robot 由任意多的连杆和关节以任意形式构成。如图2-4所示，任意三个顺序连接的关节和连杆，每个关节都可以平移或旋转。指定第一个关节为关节n ，第二个第三个关节分别为n+1和n+2,连杆n 位于关节n 和n+1之间，连杆n+1位于关节n+1和关节n+2之间，这些关节和连杆前后还有其他连杆和关节。

图2-4 关节-连杆组合的通用D-H 表示法

D-H 表示法建模的第一步是为每个关节指定本地参考坐标系，每个关节都必须指定x 轴和z 轴，由于D-H 法不用y 轴，一般不指定y 轴。具体步骤如下： ● 所有关节用z 轴表示，如果关节是旋转，z 轴位于按右手规则旋转的方向，如

果关节是滑动的，z 轴为沿直线运动的方向。关节n 处z 轴的下标记作n-1。对于旋转关节，绕z 轴的旋转（θ角）是关节变量，对于滑动关节，沿z 轴的连杆长度d 是关节变量。

● 如图2-4所示，通常关节不一定平行或相交，因此z 轴通常是斜线，但总有一

条公垂线，正交于任意两条斜线。通常在公垂线方向上定义本地参考坐标系的x 轴。例如n a 表示1n z -和n z 之间的公垂线，n x 的方向即沿n a 方向。 ● 如果两个关节的z 轴平行，那么它们之间就有无数条公垂线，我们可以挑选与

前一公垂线共线的公垂线，从而简化模型。

● 若两相邻的关节z 轴相交，则不存在公垂线，我们选择垂直于两轴平面的任意

直线，同样简化了模型。

在图2-4中，θ角表示绕z 轴的旋转，d 表示z 轴上两相邻公垂线之间的距离，

a 表示每一条公垂线的长度，α角表示相邻两z 轴的夹角。通常只有θ和d

是变量。

从一个参考坐标系变换到另一个参考坐标系（例如从n x -n z 到1n x +-1n z +），可

以通过以下四步标准运动实现：

全向移动机器人的运动控制

全向移动机器人的运动控制作者：Xiang Li, Andreas Zell 关键词：移动机器人和自主系统，系统辨识，执行器饱和，路径跟踪控制。摘要：本文主要关注全向移动机器人的运动控制问题。一种基于逆运动学的新的控制方法提出了输入输出线性化模型。对执行器饱和及驱动器动力学在机器人性能体现方面有重要影响，该控制法考虑到了以上两个方面并保证闭环控制系统的稳定性。这种控制算法常用于真实世界的中型组足球机器人全方位的性能体现。

1.介绍最近，全方位轮式机器人已在移动机器人应用方面受到关注，因为全方位机器人“有一个满流动的平面，这意味着他们在每一个瞬间都可以移动，并且在任何方向都没有任何调整”。不同于非完整的机器人，例如轮式机器人，在执行之前具有旋转任何所需的翻译速度，全方位机器人具有较高的机动性并被广泛应用在动态环境下的应用，例如在中型的一年一度的足球比赛。大多数移动机器人的运动控制方法是基于机器人的动态模型或机器人的运动学模型。动态模型直接描述力量施加于车轮和机器人运动之间的关系，以外加电压的每个轮作为输入、以机器人运动的线速度和角加速度作为输出。但动态变化所造成的变化的机器人惯性矩和机械组件的扰动使控制器设计变得较为复杂。假设没有打滑车轮发生时，传感器高精度和地面足够平坦，由于结构的简单，因而运动模型将被广泛应用于机器人的设计行为中。作为输入运动学模型是机器人车轮速度，输出机器人的线速度和角速度，机器人的执行器的动力都快足以忽略，这意味着所需的轮速度可以立即达到。然而，该驱动器的动态极限，甚至降低了机器人在真实的情况中的表现。另一个重要方面是机器人控制的实践：执行器饱和。因机器人轮子的指挥电机速度是有饱和的界限的，执行器饱和能影响到机器人的性能，甚至使机器人运动变得不稳定。本文提出了一个全方位的机器人的一种运动控制方法，这种控制方法是基于逆输入输出的线性的运动学模型。它需要不仅考虑到驱动器动力学的识别，但也需要考虑到执行器饱和控制器的设计，并保证闭环控制系统系统稳定性。本文其余的部分：在2节介绍了运动学模型的一个全方位的中型足球机器人；在3节介绍了路径跟踪与定位跟踪问题基于逆运动学模型的输入输出线性化的解决方法，其中包括执行器饱和分析；4部分介绍了动态识别器及其在控制性能方面的影响；最后的实验结果和结论讨论部分分别在5和6。

机器人运动学(培训教材)

第2章机器人位置运动学 2.1 引言本章将研究机器人正逆运动学。当已知所有的关节变量时，可用正运动学来确定机器人末端手的位姿。如果要使机器人末端手放在特定的点上并且具有特定的姿态，可用逆运动学来计算出每一关节变量的值。首先利用矩阵建立物体、位置、姿态以及运动的表示方法，然后研究直角坐标型、圆柱坐标型以及球坐标型等不同构型机器人的正逆运动学，最后利用Denavit-Hartenberg(D-H)表示法来推导机器人所有可能构型的正逆运动学方程。实际上，机器手型的机器人没有末端执行器，多数情况下，机器人上附有一个抓持器。根据实际应用，用户可为机器人附加不同的末端执行器。显然，末端执行器的大小和长度决定了机器人的末端位置，即如果末端执行器的长短不同，那么机器人的末端位置也不同。在这一章中，假设机器人的末端是一个平板面，如有必要可在其上附加末端执行器，以后便称该平板面为机器人的“手”或“端面”。如有必要，还可以将末端执行器的长度加到机器人的末端来确定末端执行器的位姿。 2.2 机器人机构机器手型的机器人具有多个自由度（DOF），并有三维开环链式机构。在具有单自由度的系统中，当变量设定为特定值时，机器人机构就完全确定了，所有其他变量也就随之而定。如图2.1所示的四杆机构，当曲柄转角设定为120°时，则连杆与摇杆的角度也就确定了。然而在一个多自由度机构中，必须独立设定所有的输入变量才能知道其余的参数。机器人就是这样的多自由度机构，必须知道每一关节变量才能知道机器人的手处在什么位置。

图2.1 具有单自由度闭环的四杆机构如果机器人要在空间运动，那么机器人就需要具有三维的结构。虽然也可能有二维多自由度的机器人，但它们并不常见。机器人是开环机构，它与闭环机构不同（例如四杆机构），即使设定所有的关节变量，也不能确保机器人的手准确地处于给定的位置。这是因为如果关节或连杆有丝毫的偏差，该关节之后的所有关节的位置都会改变且没有反馈。例如，在图2.2所示的四杆机构中，如果连杆AB 偏移，它将影响2O B 杆。而在开环系统中（例如机器人），由于没有反馈，之后的所有构件都会发生偏移。于是，在开环系统中，必须不断测量所有关节和连杆的参数，或者监控系统的末端，以便知道机器的运动位置。通过比较如下的两个连杆机构的向量方程，可以表示出这种差别，该向量方程表示了不同连杆之间的关系。 1122O A AB OO O B +=+ （2.1） 11O A AB BC OC ++= （2.2）可见，如果连杆AB 偏移，连杆2O B 也会相应地移动，式（2.1）的两边随连杆的变化而改变。而另一方面，如果机器人的连杆AB 偏移，所有的后续连杆也会移动，除非1O C 有其他方法测量，否则这种变化是未知的。为了弥补开环机器人的这一缺陷，机器人手的位置可由类似摄像机的装置来进行不断测量，于是机器人需借助外部手段（比如辅助手臂或激光束）来构成闭环系统。或者按照常规做法，也可通过增加机器人连杆和关节强度来减少偏移，采用这种方法将导致机器人重量重、

机器人技术基础知识总结

坐标系ouvw 除绕坐标系oxyz的坐标轴旋转外，还可以绕它本身的坐标轴旋转。如果坐标系ouvw 绕坐标系oxyz 的坐标轴旋转，则可对旋转矩阵左乘相应的基本旋转矩阵；如果ouvw 绕本身的坐标轴旋转，则可对旋转矩阵右乘相应的基本旋转矩阵。 2目前机器人的运动学和动力学研究主要向下面所述的几个方面深人发展： 1.机器人的轨迹规划。 2.切实可行的设计和评价机器人的动力学方法。 3.适应机器人的实时计算，减少计算时间，提高计算效率。 4.解决控制系统的反馈、稳定等方面的问题。 5.随着机器人以高速、高精度发展，考虑构件弹性及振动影响的动力学研究。 6.改进和完善动力学建模方法。 3国内主要采用open GL软件实现机器人仿真 4运动学和动力学模型简化条件 (1) 假设机器人各杆件是刚性的；忽略各杆件的变形，都当作刚性构件来处理； (2) 各构件的摩擦忽略不计；目前，已经能够对一般结构的六自由度串联机器人进行逆运动学求解，但是要获得显式解，只有满足下列两个充分条件之一： a．3 个相邻关节轴交于一点。 b．3 个相邻关节轴平行。 5假定坐标系oxyz 是三维空间中的固定坐标系(在机器人运动学中为总体坐标系)，坐标系ouvw 固定在机器人杆件上并随杆件一起运动(此坐标系为附体坐标系) 6齐次坐标是用n+1 维坐标来描述n 维空间的位置 7在机器人杆件关节上建立坐标系有两种方法：一是把杆件坐标系建立在每个杆件的下关节处；二是把杆件坐标系建立在每个杆件的上关节处。 8 i 杆件的坐标系设置在i+1 号关节上，并固定i 关节，坐标系{i}与杆件i 无相对运动这种传递矩阵是把i 杆件的坐标系设置在i 号关节上，并固定i关节，坐标系{i}与杆件i 无相对运动

机器人运动控制器

TB04-2372.jtdc-1 机器人控制标准包机器人运动控制器我们在机器人控制上拥有丰富的经验。除了标量机器人和２维并行机构的机器人是做为选项。其他机械机构的机器人我们提供了特殊控制技术。链接型和并行机构的机器人可以像自动机械一样运行。■优点 ◆有效运用于内部研发能够短期内使自己研发的产品稳定动作。 ◆追求独特的技术能够用于研发特殊组装和动作的机器人，并投入生产现场。◆技术知识保密自己开发技术知识的保密 ◆应用于自动机械可以应用于加工机械以及装配机械之类的生产机械的操作和运转 ■机构变换 ◆直交系列机器人◆标量机器人◆２维并行机构机器人◆垂直多关节机器人◆６维并行机构机器人〈标准〉〈选项〉〈选项〉〈独特〉〈独特〉 ■正确的轮廓控制■按控制周期变换机构■正确的轨迹按控制周期执行机构变换，实现插补之间的接合部的圆滑轨迹控制。可应用于精密加工。 ■运行程序（技术语言?Ｇ语言）像去除加工毛刺及钻孔机械，使用输出ＣＡＭ的Ｇ语言文件来实现ＤＮＣ运行。 ■拥有丰富技能对应实际生产中的作业通过可选项，能够用于搬运，加工，熔接，去除毛刺，装配等生产机械的操作和运行。◆可选项机能例宏机能，多任务，扭矩指令（贴接?控制力度）ＤＮＣ运行触摸屏插补前的加减速Ｓ字加减速手动脉冲发动器，高精度制动开关（接触开关）接线?法线控制同频同步平行轴控制■触摸屏及专用ＰＣ软件 ■触摸屏例 ■专用ＰＣ画面例使用触摸屏或ＰＣ也可以操作。■动作机构计算的可２次开发我们的经验可以对应您的特殊需求。另外，你也可以自行开发动作机构变换软件。■应用于机器人控制的运动控制器◆ＳＬＭ４０００机器人规格单板独立单机工作４轴脉冲列输入３２输出３２ＲＳ２３２／ＵＳＢ ◆ＰＬＭＣ４０机器人规格ＰＬＣ动作４轴脉冲列输入１６输出１６ＲＳ２３２可使用通用ＰＬＣ扩展（梯形 ?ＩＯ? 模拟等） ◆ＰＬＭＣ－ＭⅡＥＸ机器人规格ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ－Ⅱ 标准４／９／１６轴最大３０轴可使用通用ＰＬＣ扩展（梯形?ＩＯ?模拟等） ◆多軸运动功率放大器机器人规格多轴伺服功放一体型最大７轴输入４２输出４２可节省配线节省成本 A B a1 a2a3Accurate contour Uncontrolled path by simple positioning Calculation at each sampling time

工业机器人的基本参数和性能指标

工业机器人的基本参数和性能指标表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。 (1)工作空间（Work space）工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小。理解机器人的工作空间时，要注意以下几点： 1)通常工业机器人说明书中表示的工作空间指的是手腕上机械接口坐标系的原点在空间能达到的范围，也即手腕端部法兰的中心点在空间所能到达的范围，而不是末端执行器端点所能达到的范围。因此，在设计和选用时，要注意安装末端执行器后，机器人实际所能达到的工作空间。 2)机器人说明书上提供的工作空间往往要小于运动学意义上的最大空间。这是因为在可达空间中，手臂位姿不同时有效负载、允许达到的最大速度和最大加速度都不一样，在臂杆最大位置允许的极限值通常要比其他位置的小些。此外，在机器人的最大可达空间边界上可能存在自由度退化的问题，此时的位姿称为奇异位形，而且在奇异位形周围相当大的范围内都会出现自由度进化现象，这部分工作空间在机器人工作时都不能被利用。 3)除了在工作守闻边缘，实际应用中的工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工作空间的内部也存在着臂端不能达到的区域，这就是常说的空洞或空腔。空腔是指在工作空间内臂端不能达到的完全封闭空间。而空洞是指在沿转轴周围全长上臂端都不能达到的空间。 (2)运动自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。自由物体在空间自六个自由度（三个转动自由度和三个移动自由度）。工业机器人往往是个开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，因此通常机器人的自由度数目就等于其关节数。机器人的自由度数目越多，功能就越强。日前工业机器人通常具有4—6个自由度。当机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，便出现了冗余自由度。冗余度的出现增加了机器人工作的灵活型，但也使控制变得更加复杂。工业机器人在运动方式上，总可以分为直线运动（简记为P）和旋转运动（简记为R）两种，应用简记符号P和R可以表示操作机运动自由度的特点，如RPRR表示机器人操作机具有四个自由度，从基座开始到臂端，关节运动的方式依次为旋转-直线-旋转-旋转。此外，工业机器人的运动自由度还有运动范围的限制。 (3)有效负载(Payload)有效负载是指机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。机器人在不同位姿时，允许的最大可搬运质量是不同的，因此机器人的额定可搬运质量是指其臂杆在工作空间中任意位姿时腕关节端部都能搬运的最大质量。

AUV水下机器人运动控制系统设计方案(李思乐)

中国海洋大学工程学院机械电子工程研究生课程考核论文题目： AUV水下机器人运动控制系统研究报告课程名称：运动控制技术姓名：李思乐学号： 21100933077 院系：工程学院机电工程系专业：机械电子工程时间：2010-12-26 课程成绩：任课老师：谭俊哲

AUV水下机器人运动控制系统设计摘要：以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象，建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点，对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。以成功研制的无缆自治水下机器人(AUV) 为基础，对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析. 同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法。最后展示了它的运行实验结果。关键词：水下机器人；总体设计方案；运动控制系统；电机仿真 1 引言近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。其中，具有代表性的产品有：美国Video Ray 公司开发出的Scout、Explorer、Pro 等系列遥控式水下机器人，美国Seabotix公司研发的LBV-ROV 系列，英国AC-CESS 公司的AC-ROV系列。随着海洋开发、探测的需求越来越强，水下机器人成为全世界研究的热门课题。小型自治水下机器人具有低成本、小型化、操作灵活等特点成为近年来国内外研究的热点。自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,载体采用模块化设计思想, 可根据需要适当增减作业或传感器模块, 载体采用鱼雷状流线外形, 总长约2 m, 外径25 cm, 基本模块包括推进器模块、能源模块、电子舱模块、传感器模块以及GPS、无线电通讯模块, 基本传感器有姿态传感器、高度计、深度计和视觉传感器, 支持光纤通讯, 载体可外挂声学设备, 通过光纤系统进行遥控操作可实现其半自主作业, 也可在预编程指令下实现自主作业。系统基本模块组成设计如图1-1所示[1]。它具有开放式、模块化的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源。这种小型水下机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。在控制系统的设计过程中充分考虑了系统的稳定性和操纵性。控制器具有足够的鲁棒性来克服建模误差，以及水动力参数变化。图1-1 系统基本模块组成设计 2机器人物理模型 2.1 AUV 物理模型为了研究AUV 的运动规律，确定运行过程中AUV 的位置和姿态，需要建立AUV 的动力学模型。为了便于分析，建立适合于描述AUV 运动的两种参考坐标系，即固定坐标系Eξηζ 和运动坐标系Oxyz，如图2-1 所示：包含5 个推进器，分别是艉部的2 个主推进器、艉部的1 个垂向推进器和艏部的2 个垂向推进器。左右对称于纵中

机器人的运动控制

2.4 手臂的控制 2.4.1 运动控制对于机器人手臂的运动来说，人们通常关注末端的运动，而末端运动乃是由各个关节的运动合成实现的。因而必须考虑手臂末端的位置、姿态与各个关节位移之间的关系。此外，手臂运动，不仅仅涉及末端从某个位置向另外一个位置的移动，有时也希望它能沿着特定的空间路径进行移动。为此，不仅要考虑手臂末端的位置，而且还必须顾及它的速度和加速度。若再进一步从控制的观点来看，机器人手臂是一个复杂的多变量非线性系统，各关节之间存在耦合，为了完成高精度运动，必须对相互的影响进行补偿。 1.关节伺服和作业坐标伺服现在来研究n个自由度的手臂，设关节位移以n i个关节的位移，刚性臂的关节位移和末端位置、姿态之间的关系以下式给出：（1） m维末端向量，当它表示三维空间内的位置姿态时，m=6。如式（1）所示，对刚性臂来说，由于各关节的位移完全决定了手臂末端的位置姿态，故如欲控制手臂运动，只要控制各关节的运动即可。设刚性臂的运动方程式如下所示：（2）量为粘性摩擦系数矩阵；表示重力项的向量；机器人手臂的驱动装置是一个为了跟踪目标值对手臂当前运动状态进行反馈构成的伺服系统。无论何种伺服系统结构，控制装置的功能都是检测各关节的 1给出了控制系统的构成示意图。来自示教、数值数据或外传感器的信号等构成了作业指令，控制系统根据这些指令，在目标轨迹生成部分产生伺服系统需要的目标值。伺服系统的构成方法因目标值的选取方法的不同而异，大体上可以分为关节伺服和作业坐标伺服两种。当目标值为速度、加速度量纲时，分别称之为速度控制或加速度控制，关于这些将在本节2.和3.中加以叙述。

图1 刚性臂控制系统的构成 1）关节伺服控制讨论以各关节位移的形式给定手臂运动目标值的情况。令关节的目标值为12(,,,)T n d d d dn q q q q =∈?。图2给出了关节伺服的构成。若目标值是以关节位移的形式给出的，那么如图2所示，各个关节可以独立构成伺服系统，因此问题就变得十分简单。目标值d q 可以根据末端目标值d r 由式（1）的反函数，即逆运动学（inverse kinematics ）的计算得出 1()d r d q f r -= （3）图2 关节伺服构成举例如果是工业机器人经常采用的示教方法，那么示教者实际上都是一面看着手臂末端，一面进行示教的，所以不必进行式（3）的计算，d q 是直接给出的。如果想让手臂静止于某个点，只要对d q 取定值即可，当欲使手臂从某个点向另一个点逐渐移动，或者使之沿某一轨迹运动时，则必须按时间的变化使d q

智能机器人运动控制和目标跟踪

XXXX大学《智能机器人》结课论文移动机器人对运动目标的检测跟踪方法学院（系）：专业班级：学生学号：学生姓名：成绩：

目录摘要 (1) 0、引言 (1) 1、运动目标检测方法 (1) 1．1 运动目标图像HSI差值模型 (1) 1.2 运动目标的自适应分割与提取 (2) 2 运动目标的预测跟踪控制 (3) 2．1 运动目标的定位 (3) 2．2 运动目标的运动轨迹估计 (4) 2．3 移动机器人运动控制策略 (6) 3 结束语 (6) 参考文献 (7)

一种移动机器人对运动目标的检测跟踪方法摘要：从序列图像中有效地自动提取运动目标区域和跟踪运动目标是自主机器人运动控制的研究热点之一。给出了连续图像帧差分和二次帧差分改进的图像HIS 差分模型，采用自适应运动目标区域检测、自适应阴影部分分割和噪声消除算法，对无背景图像条件下自动提取运动目标区域。定义了一些运动目标的特征分析和计算，通过特征匹配识别所需跟踪目标的区域。采用 Kalrnan 预报器对运动目标状态的一步预测估计和两步增量式跟踪算法，能快速平滑地实现移动机器人对运动目标的跟踪驱动控制。实验结果表明该方法有效。关键词：改进的HIS 差分模型；Kahnan 滤波器；增量式跟踪控制策略。 0、引言运动目标检测和跟踪是机器人研究应用及智能视频监控中的重要关键技术，一直是备受关注的研究热点之一。在运动目标检测算法中常用方法有光流场法和图像差分法。由于光流场法的计算量大，不适合于实时性的要求。对背景图像的帧问差分法对环境变化有较强的适应性和运算简单方便的特点，但帧问差分不能提出完整的运动目标，且场景中会出现大量噪声，如光线的强弱、运动目标的阴影等。为此文中对移动机器人的运动目标检测和跟踪中的一些关键技术进行了研究，通过对传统帧间差分的改进，引入 HSI 差值模型、图像序列的连续差分运算、自适应分割算法、自适应阴影部分分割算法和图像形态学方法消除噪声斑点，在无背景图像条件下自动提取运动目标区域。采用 Kalman 滤波器对跟踪目标的运动轨迹进行预测，建立移动机器人跟踪运动目标的两步增量式跟踪控制策略，实现对目标的准确检测和平滑跟踪控制。实验结果表明该算法有效。 1、运动目标检测方法接近人跟对颜色感知的色调、饱和度和亮度属性 (H ，S ，I )模型更适合于图像识别处理。因此，文中引入改进型 HSI 帧差模型。 1．1 运动目标图像HSI 差值模型设移动机器人在某一位置采得的连续三帧图像序列 ()y x k ,f 1-，()y x f k ,，()y x f k ,1+

机器人技术基础期末考试复习(熊有伦主编)解析

第一章 1机器人组成系统的4大部分：机构部分、传感器组、控制部分、信息处理部分 2机器人学的主要研究内容：研究机器人的控制与被处理物体间的相互关系 3机器人的驱动方式：液压、气动、电动 4机器人行走机构的基本形式：足式、蛇形式、轮式、履带式 5机器人的定义：由各种外部传感器引导的、带有一个或多个末端执行器、通过可编程运动，在其工作空间内对真实物体进行操作的软件可控的机械装置 6机器人的分类：1工业机器人2极限环境作业机器人3医疗福利机器人 7操作臂工作空间形式：1直角坐标式机器人2圆柱坐标式机器人3球坐标式机器人 4 scara 机器人5关节式机器人 8机器人三原则第一条：机器人不得伤害人类. 第二条：机器人必须服从人类的命令，除非这条命令与第一条相矛盾。第三条：机器人必须保护自己，除非这种保护与以上两条相矛盾。第二章 1、什么是位姿：刚体参考点的位置和姿态 2、RPY 角与欧拉角的共同点：绕固定轴旋转的顺序与绕运动轴旋转的顺序相反并且旋转角度相同，能得到相同的变换矩阵，都是用三个变量描述。欧拉角为左乘RPY 角为右乘。 RPY 中绕x 旋转为偏转绕y 旋转为俯仰绕z 旋转为回转 3 、矩阵的左乘与右乘：左乘（变换从右向左）—指明运动相对于固定坐标系右乘（变换从左向右）—指明运动相对于运动坐标系 4、齐次变换 T A B ：表示同一点相对于不同坐标系{B}和{A}的变换，描述{B}相对于{A}的位姿 5、自由矢量：完全由他的维数、大小、方向，三要素所规定的矢量 6、线矢量：由维数、大小、方向、作用线，四要素所规定的矢量 7、齐次变换矩阵 ?? ????=1000 0B A A B A B P R T 8、其次坐标变换?? ??????????=???? ??11000 10P P R P B B A A B A R A B 为旋转矩阵0B A P 为{B}的原点相对{A}的位置矢量 9、旋转矩阵：绕x 轴??????????-a a a a cos sin 0sin cos 0001y 轴??????????-a a a a cos 0sin 010sin 0cos z 轴?? ?? ? ?????-1000cos sin 0sin cos a a a a 10、变换矩阵求逆：?? ? ? ??-=10 0B A T A B T A B B A P R R T 已知B 相对于A 的描述求A 相对于B 的描述

水下清洁机器人运动控制系统设计研究

? 117 ? ELECTRONICS WORLD? 技术交流本文主要结合相关的研究背景设计了一种水下清洁机器人，作为一种水下设备的清洁维护的机器人，保障水下设备的正常运行。文章首先在引言部分对本文的研究背景及意义进行阐述，然后重点提出了水下清洁机器人运动控制系统的总体设计方案，并对其运动模型进行设计和仿真。 1 引言海洋开发逐渐向特殊领域以及高深度领域转变，难度越来越大，人力开发已经完全不能够满足开发的需求，机器人开发已经成为了新趋势。本文主要在此背景下分析和研究水下清洁机器人的运动控制系统的设计。本文设计的水下清洁机器人主要是用于对水下的一些大型设备，例如海底搜救设备、勘测设备、取样设备等进行水下维护和修复等，能够在水下特殊环境中对海底设备进行维护和处理，能够较大程度上的促进海底开发技术的发展。 2 水下清洁机器人运动控制系统总体设计 2.1 水下清洁机器人运动控制流程本文设计的水下清洁机器人的控制系统主要由主机、控制算法、控制电路、指令转换、机器人载体、采样设备等组成，具体的控制流程为：主机控制算法进行水下机器人的动力分配，并结合指令转换算法进行整理转换，结合控制电路开启操控箱，下达操作指令，机器人载体接到命令驱动机器人进行采样，采集样本之后将样本信息传递到主机处理系统当中，进行处理。 2.2 模拟运动控制平台结构设计水下机器人的运动控制平台主要包括六个部分：步进电机、云台、安装板、推进器、U型板以及轴承等。其中云台主要实现的是2自由度的运动，包括水平和横向两个方向。本文模拟的控制平台主要实现的是3自由度的运动控制，除了上述2自由度之外，还包括前后摇摆自由度。由于多了一个自由度，因此需要对运动进行定位，该运动平台的定位主要由带套轴承和法兰轴组成固定左侧，由带套轴承和电机轴固定右侧，右侧的电机由法兰固定，由此就设计出了一个6自由度的模拟运动控制平台（边宇枢，高志慧，贠超，6自由度水下机器人动力学分析与运动控制：机械工程学报，2007）。 2.3 地面操控台结构设计地面操控台主要是对上述的模拟运动控制平台进行控制，地面操控台主要包括显示器、操纵杆、按钮以及指示灯等。其中操纵杆有2个，一个用来控制云台的摄像机，一个用来控制模拟运动平台，面板主要是结合人体舒适度进行设计，角度定为70°（裴文良，郭映言，陈金山，申龙，水下机器人的研发及其应用：制造业自动化，2018）。 3 水下机器人运动模型及仿真分析该部分主要对上述设计的水下机器人的运动模型以及仿真进行分析： 3.1 水下机器人的运动学建模为了便于我们对机器人参数和变量的统一管理，可以定义以下状态变量：其中，，即用η1和η2分别表示稳定系下水下机器人的位置向量和方向向量，用v1和v2分别表示动态系下水下机器人的线速度和角度，用τ1和τ2表示在动态系下作用于水下机器人的力和力矩向量。水下机器人的速度变量由稳定系转换成为动态系，从而通过动态控制器实现对运动的控制，同时要获得水下机器人的静态位置和姿态就必须要将水下机器人的速度变量由动态系转换成为稳定系，从而得到水下机器人的位置矢量。由此可知，在研究水下机器人状态时，需要分析和研究机器人速度变量的动态和静态的转变。 3.2 基于神经网络的轨迹控制器本文主要设计了基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，具体的控制流程如下：当机体接收到信号后，传递到控制器，再通过执行器作用于机体，做出相应的动作，机器人本身还具有抗干扰的功能。输出与控制器之间用RBF网络连接。（朱大奇，陈亮，刘乾，一种水下机器人传感器故障诊断与容错控制方法：控制与决策，2009） 3.3 水下机器人神经网络轨迹控制的仿真结合上述设计的基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，采用MATLAB进行仿真如下。该控制器设计的目的是实现对水下机器人运动状态的识别和跟踪，通过分析水下机器人的水下运动情况，结合轨迹参考实现了未知动力学的局部精确逼近和部分神经网络权值的收敛，从而奠定一定的学习控制器基础。结合神经网络的训练实验得到，在神经网络权值的训练过程中，一些神经网络的权值最终收敛，可以作为神经网络的常数权值存储。在自适应神经网络控制器的作用下，将被控系统未知动态分量的局部精确逼近。水下清洁机器人运动控制系统设计研究（下转第121页）

AUV水下机器人运动控制系统方案设计书(李思乐)

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作者：PanHongliang 仅供个人学习中国海洋大学工程学院机械电子工程研究生课程考核论文题目： AUV水下机器人运动控制系统研究报告

课程名称：运动控制技术姓名：李思乐学号： 21100933077 院系：工程学院机电工程系专业：机械电子工程时间：2010-12-26 课程成绩：任课老师：谭俊哲

(完整版)机器人技术基础(课后习题答案)

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）。

六足机器人运动控制系统设计与实现

硕士学位论文六足机器人运动控制系统设计与实现 DESIGN AND IMPLEMENTATION OF MOTION CONTROL SYSTEM OF HEXAPOD ROBOT 刘德高哈尔滨工业大学 2013年7月

国内图书分类号：TP302.8 学校代码：10213 国际图书分类号：681.5 密级：公开工学硕士学位论文六足机器人运动控制系统设计与实现硕士研究生：刘德高导师：吴翔虎教授申请学位：工学硕士学科：计算机科学与技术所在单位：计算机科学与技术学院答辩日期：2013年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学

Classified Index: TP302.8 U.D.C: 681.5 Dissertation for the Master Degree in Engineering DESIGN AND IMPLEMENTATION OF MOTION CONTROL SYSTEM OF HEXAPOD ROBOT Candidate：Liu Degao Supervisor：Prof.Wu Xianghu Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Computer Science and Technology Affiliation：School of Computer Science and Technology Date of Defence：July, 2013 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology

机器人控制技术论文概要

机器人技术论文机器人技术论文摘要为使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段。作为计算机系统中的关键技术, 计算机控制技术包括范围十分广泛,从机器人智能、任务描述到运动控制和伺服控制等技术。既包括实现控制所需的各种硬件系统, 又包括各种软件系统。最早的机器人采用顺序控制方式, 随着计算机的发展, 机器人采用计算机系统来综合实现机电装置的功能, 并采用示教再现的控制方式。随着信息技术和控制技术的发展, 以及机器人应用范围的扩大, 机器人控制技术正朝着智能化的方向发展, 出现了离线编程、任务级语言、多传感器信息融合、智能行为控制等新技术。多种技术的发展将促进智能机器人的实现。当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分:测量、比较和执行。测量关心的变量,与期望值相比较, 用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是,做出正确的测量和比较后,如何才能更好地纠正系统。 PID (比例 -积分 -微分控制器作为最早实用化的控制器已有 50多年历史,现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID 控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的控制器。它由于用途广泛、使用灵活,已有系列化产品,使用中只需设定三个参数(Kp , Ti 和 Td 即可。在很多情况下,并不一定需要全部三个单元,可以取其中的一到两个单元, 但比例控制单元是必不可少的。关键词:机器人,机器人控制, PID ,自动控制第 1章引言机器人控制的关键技术

关键技术包括: (1开放性模块化的控制系统体系结构:采用分布式 CPU 计算机结构, 分为机器人控制器 (RC, 运动控制器 (MC,光电隔离 I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器 (RC和编程示教盒通过串口 /CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字 I/O、传感器处理等功能,而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。 (2模块化层次化的控制器软件系统:软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统 Linux 上, 采用分层和模块化结构设计, 以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次:硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求, 对应不同层次的开发, 系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成, 这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。 (3机器人的故障诊断与安全维护技术:通过各种信息,对机器人故障进行诊断,并进行相应维护,是保证机器人安全性的关键技术。第 2章机器人 PID 控制 2.1 PID控制器的组成 PID 控制器由比例单元(P 、积分单元(I 和微分单元(D 组成。其输入 e (t与输出u (t的关系为u(t=Kp(e((t+1/TI∫ e(tdt+TD*de(t/dt 式中积分的上下限分别是 0和 t , 因此它的传递函数为:G(s=U(s/E(s=kp(1+1/(TI*s+TD*s; 其中 Kp 为比例系数; TI 为积分时间常数; TD 为微分时间常数。它由于用途广泛、使用灵活,已有系列化产品,使用中只需设定三个参数(Kp , Ti 和 Td 即可。在很多情况下,并不一定需要全部三个单元,可以取其中的一到两个单元, 但比例控制单元是必不可少的。

机器人基础考试试题重点(河南理工大学)资料

（二）简答题 1.智能机器人的所谓智能的表现形式是什么？答:推理判断、记忆 2.机器人分为几类？答:首先，机器人按应用分类可分为工业机器人、极限机器人、娱乐机器人。 1)工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检验机器人，主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中。 2)极限机器人主要是指用在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，包括建筑、农业机器人。 3)娱乐机器人包括弹奏机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等。也有根据环境而改变动作的机器人。其次，按照控制方式机器人可分为操作机器人、程序机器人、示教机器人、智能机器人和综合机器人。 3. 机器人由哪几部分组成？机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交换系统、人机交换系统和控制系统。 4. 什么是自由度？答:人们把构建相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度。 5. 机器人技术参数有哪些？各参数的意义是什么？答:机器人技术参数有:自由度、精度、工作范围、速度、承载能力 1）自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度。在三维空间里描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。但是，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，也可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。

2）精度：工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度（即重复度）。 3）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。 4）速度；速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。 5)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。承载能力不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括机器人末端操作器的质量。 6. 机器人手腕有几种？试述每种手腕结构。答：机器人的手臂按结构形式分可分为单臂式，双臂式及悬挂式按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的。如手臂的伸缩，升降及横向移动，有回转运动的如手臂的左右回转上下摆动有复合运动如直线运动和回转运动的组合。2直线运动的组合2回转运动的组合。手臂回转运动机构，实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片是回转缸，齿轮转动机构，链轮传动和连杆机构手臂俯仰运动机构，一般采用活塞油（气）缸与连杆机构联用来实现手臂复合运动机构，多数用于动作程度固定不变的专用机器人。 7. 机器人机座有几种？试述每种机座结构。答：机器人几座有固定式和行走时2种 1)固定式机器人的级左右直接接地地面基础上，也可以固定在机身上 2)移动式机器人有可分为轮车机器人，有3组轮子组成的轮系四轮机器人三角论系统，全方位移动机器人，2足步行式机器人，履带行走机器人 8. 试述机器人视觉的结构及工作原理答:机器人视觉由视觉传感器摄像机和光源控制计算器和图像处理机组成原理：由视觉传感器讲景物的光信号转换成电信号经过A/D转换成数字信号传递给图像处理器，同时光源控制器和32 摄像机控制器把把光线，距离颜色光源方向等等参数传递给图像处理器，图像处理器对图像数据做一些简单的处理将数据传递给计算机最后由计算器存储和处理。 9. 工业机器人控制方式有几种？

浅析运动控制和机器人系统的区别

浅析运动控制和机器人系统的区别尽管可能被用于实现同样的目标，但运动控制和机器人系统却以不同的方式进行着。那么，它们之间的区别究竟是什么呢? 在工业领域，自动化工厂是一个日益增长的趋势。为什么这并不难理解，因为这些应用有助于提高效率和生产效率。为了创建自动化工厂，工程师可以实现一个运动控制系统，或者引入一个机器人系统。这两种方法都可以用来完成相同的任务。然而，每种方法都有各自的独特设置、编程选项、动作灵活性和经济效益。运动系统和机器人的基础一个运动控制系统是一个简单的概念:启动并控制负载的移动来执行工作。它们具有精确的速度、位置和扭矩控制能力。使用运动控制的例子有：应用程序需要的产品定位，独立元素的同步，或者运动的快速启动和停止。这些系统通常由三个基本组成部分组成:控制器、驱动器(或放大器)和电机。控制器规划路径或轨迹计算，向驱动发送低电压的指令信号，并向电机施加必要的电压和电流，从而产生所需的运动。可编程的逻辑控制器(PLCs)提供了一种廉价的无噪声的运动控制方法。梯级逻辑编程一直是PLCs的主要内容，新模型以人机界面(HMI)面板为代表，这些面板是编程代码的可视化表示。PLCs可用于控制多种动作控制装置和机械的逻辑控制。在一个传统的基于PLC的运动控制系统中，高速脉冲输出卡被应用于PLCs中，用于为每个伺服器或步进驱动生成脉冲序列。驱动器接收脉冲，并且每一个脉冲都有一个预先设定的量。一个单独的信号用来确定传输的方向。这种方法被称为"步骤和方向"。这张图描述了一个传统的运动控制系统，包括一个伺服控制器，马达和传感器。运动控制词汇中常用的术语包括：速度:与时间有关的位置的变化率;一个由大小和方向组成的矢量。