机器人学(付京逊).pdf

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适合初学者,对机器人基础知识的详细介绍,包括运动学、动力学、运动规划等等。
www.plcworid.cn 卡氘式xy标 国柱恐坐拆 深形坐标 转坐长 图,2各种不同机器人手背时分类 制造机器人是为了用来代替操作人。最后,机器人便与其创造者为敌消火幣个人类。卡 佩克的戏剧直到今天还能代表民众对机器人持有时某些观点其中包括机器人象凡一样具有 智能和个性的感性认识。1939年纽约世界交易会上放映的德国1926年拍摄的机器人比影大 都》中的Bo步行机器人和它的狗Sprd以及在1977年拍摄的电影《星球大战》中的 c3Po机器人使这种看法进一步加深。现代工业机器人与在过去60年中文化交流工其所描绘 的相比,当然显得很原始。 今日工业机器人的最早研究町逛溯到第二次大战后不久。在4年代后期,橡树岭和阿尔 国家实验室就已开始实篮计划,谢制遥控式机械手,用于撩运放射性材料。这些系统是“主 从》型的,用于准确地“模仿”操作员手和臂的动作。主机被手由使用者进行导列做一连率动作, 而从机手尽可熊准确地模仿主机被手的动作,后来用机械糊合主从机械手的动作加入力的 反馈使操作员能够感觉到从机被手及其环境之间产生的力。50年代中期机饿手中的机械朝 合被电利液压装量所取代,如通用电气公可的“巧手人机器人和通用剁造厂的“怪物[型机 器人。 主从机被手岀现之后不久很快就开始砑究能自主、重复操作献更加复杂的系统。在50 年代中期乔治C.撼沃尔研制出了一套装置被他称之为“编程的关节式转送装置”。它是一一个 机被手,其操作可被编程(因湎也可改变),面且可按照程序指令所确定射动作步蘗顺序工作。 对这一原理德沃尔和约瑟夫.恩格尔伯格进行了更深入的研究,从而产生了由 Unimation 公司于1959年推出的第一台工业机器人。它的关健是计算机与机械手配合使用,从而成为 合可“示教而自动地完成各种任务的机器。与硬性自动机不同,当制造要求变更时,这些机器 人能以软低的成本重新进行编程和装备新工具来完成其它工作。 www.plcworld.cn 虽然编程机器人是一种新颖而有效的制造工具,到了60年代,利用传感器反馈大大增 强机器人乘性的趋势就已经很明显了。 60缸代早期,HA.厄恩斯特于1962年介绍了带有触觉传感器的计算机控制机械手的研 制情况。这种称为MH-1的装置能“憾觉”到块状材料,用此信息控制机被于,把块状材料堆 起来,无需操作员帮助这种工作是机器人在合理的非结构性环境中具有自适应特性的一例。 机械手系统是六自由度 ANL Modei-8型操作机,由一台TX-计算机过接口装置进行控 制,此研究项目后来成为MAC计划的一部分,在枳械手上又增烟了电视摄象机开始进行机 器感觉研究与此间时:汤姆威克和博奈也于1962年研制一种装有压力传感器的手爪样机 可检测物体,并向电机输入反饿信号,陪动·种或两种抓取方式。一旦手爪接触到物体,与物体 大小和质量成比例的信息就通过这些压力敏感元件传输到计算机1963年美国机被铸造公司 (AMF}描出了 VIRSATTRAN机器人商品,同年初,还研制了多种操作机手臂,如 Roehampton 型和 Edinburgh型手臂 在6年代后期麦卡锡1968年和紲在斯坦福人汇智能实验室的同事报告了有手、眼和 耳(即机械于、电枧极象机和拾音器)的十算机的开发情况。他们表演了一套能识别语音命令、 “看阻”散放在蘖面t的方块和按指令进行操作的系統。皮珀也在1968年研究了计算机控制 的机械手的运动学问题。在1971年卡愿和罗恩分彬了机械限位手臂开关式(最短时间)控制 的动力学和控制问题。 这时,其它国家(特别是甚本)也开始认识到f工业机器人的潜力。早在1968年,本川 崎重工业公司与 Unimation公討谈判购买了其机器人专利。1969年,机器人出现了不寻常的 新发屦通用电气公司为美国陆车研制了一种试验性步行车同年,研制挡了“波土顿”机械手, 次年义饼制出了“斯坦槁观械手。后者装有摄象机和计算机控鬧器。把这些机械手用作机器 人的操作机使一些重大的机器人研究工作开始了。对“斯坦福机械手所作的一项实验是根据 各种策略自动地堆放块状材料:在当时,对于自动机器人来说,这是一项排常复杂的作1974 年 Cincinnati Milacron公司裡出了笫一台计算杋控锵的工业机器人,定名为“ The Tomorrow To(明天的工具)或T3。它能举起重达95,36kg的物体,并能跟踪装配线上的各种移动物 体。 在70年代,大量的研究作都把重点放在使用外部传感器来改善机械手的操作。1973年 博尔斯和保罗在斯坦福使用视觉和力反馈,表演了与PDP-10计算机相由计算机控制的 斯坦福”机械手,用于装配自动水泵几乎同时,BM公司的威尔和格罗斯曼在1975年研制了 一个带有触党和力觉传感器的计算机控制的机械手,用干完成20个零件的打字机机械装配工 作。1974年,麻省理工学院人工钾能实验室的井上对力反馈的人工智能作了研究。在精密装配 作业中,用一种着陆导航搜索技术进行初始定位。内文斯等人于1874年在德雷珀实验室研究了 基于依从性的传感技术,这项研究发展为一种被动柔顺《称为间接中心柔顺RCC)装置,它与 杋械手最后一个关节的安装板柑连,用于紧配合装配。同年,贝杰获在喷气推进实验室为空问 开发计划用的扩展型“斯坦福机械手提供了一种基千计算机的力矩控制技术。从那以后相继 提了多种不同的用于机械手饲跟的控制方法 仅与前几年相比,今天我们巨把机器人技术视为一个非广阔的研究领域,它涉及到一 些学科间的研究和发展这些学科包括运动学、动力学规划系统控制传感技术瑞程语言和 机器智能。下面各节中,要简略介绍的这些专题,它们是木书的核心内容。 www.plcworld.cn 1.3机;人手臂运动学和动力学 机器人手臂运动学涉及到机器人手臂相对于固定參考坐标系运动几何学关系的分析研 究而与产生运动的力或力矩无关。这样,运动学就涉及到机器人空间位移作为时间函数的解 析说明,特别是机器人手臂末端执行器位置和姿态关节变量空间之同的关系。 机器人手臂运动学中有两个基本问题第个间题通常称为“正向运动学”问题第二个问 题通常称为“逆向运动学”问题于机器人手臂的独立变量是关节变量,但作啦通常是用参考 坐标系米描述的,所以常常碰到的是逆向运动学问懣。1955年,丹纳维特和哈顿贝格提出了 种采用矩阵代数的系统而广义的方法,来述机器人手臂杆件相对于定参考标系的空间 几何。这种方法使用4X4齐次变换矩阵来描述两个相邻的机械刚性杆件间的空间关系把正 向运动学问题简化为寻求等价的4×4并次变换矩阵此矩阵把于部坐杯系的空间位移与参考 坐标系迷系起米。上述矩阵还可用于推导手臂运动的动力学方程。一般来说,逆向运动学问题 可用几种方法求解。最常用的是矩阵代数、达代或几何方法。本书第二章将详细论述正向运动 学和逆向运动学问题 另一方而机器人手臂动力学涉及到机器人手臂运动方程的数学式。机械手运动的动力方 程是一组描述机械手动作特性的数学方程。这样的运动方程红对机器人手臂运动的计算机模 拟、合理控制方程的计算及运动设计和结构的评估都是有用的,臂的实际动力学模型可白已 知的物理定律(如牛顿和拉格朗日定律)求得这样就可根据连杆的特定的几何和惯性参数,得 出机减手各种关节运功的动力方程。然后可系统地应用拉格朗日—欧拉和牛顿-欧拉公式之类 的普通方法,推导出实际机器人手臂运动方程有关机器人手臂动力学将在太书第二章中详细 论述。 1.4操作机轨迹规划和运动控制 掌握了申联杆件操作机的运动学和动力学知识以后,人们就要伺服机械手的关背驱动器, 控制操作机跟踪期望的轨迹完成所需的作业。在使机器人手臂运动之前重要的是要知道机 器人手臂必经路线上是否有障碍物(即障碍物约束),以及手爪是否需要沿一条特定的路径(即 路径约束)运动。操作机的控制问题通常可分成两个相关的子问题即运琐《或轨迹)规刘子何 题和运动控制子问题。 操作机手部从足始点(位置科姿态)到终点运动的空闻曲线叫做路径轨迹规划(或轨迹规 划装置)利用多项式插补和〔或)過近期望的路径,生成一系列时基“控制设定点”用于控制机 械手从起点到达目标。第四章论述了无障碍运动的各种轨迹规划方案,以及用机械手必经的空 间点序列和空间曲线描述期望的操作机运动的形式。 般来说,运动控制问包括:(1)求得操怍机的动力学模型:(2使用这些模型确定控制 规律或策咯,以达到期望的系统响应和性能。由于控制问趣的第一部分在第二章全面论第 五章就重点论述控制间题的第二部分根据控制分析的现点来看,机器人手臂的运动通常经过 两个不同的控制阶段。第一阶段是粗略运动控制,在这一过程中,手臂从初始位姿沿着规划好 的轨迹运动到所目标位婆附近。第二阶毀是褙确运动控制,在此过程中,手臂的末端执行器 使用来自传感器的反馈信息与物体动态地相互作用以便完成作业。 www.plcworld.cn 现在工业上用的控御机器人手臂的方法是把它的每个关节当作简单的关节伺服机构来处 理。由于忽略了整个手臂机构的运动形态,所以采用伺服机构不能适当地模拟出变化的动力学 阿题。受控系统的这种参数变化有时相当大足以使普通的反馈控制策略失效。其结果,降低 了伺服响应揀度和阻尼,限制了未端执行器的*度和速度,使它只适用于完戒精度有限的作 业。以这种方式控制的作机慢速运动时有不带要的振动。如果要在这方面或机器人手臂托 制的其它方面显著提高系统的性能就带要老虑更为有效的动力学模型更先进的控制方法和 采用专用的计算机绪构与并行处理技术,第五章着重于推导粗略运动的控制定律,介绍采用第 三章中论述的动力学模型有效地控衔操作机的策略。 1.5机器人传感技术 外部传感机构的使用使机器人能以柔性方式与其环境互相作用这与预编程序操作不同, 在编程操作中机器人被“示教”,通过一组编程操作完成重复性作业。尽管后者是当今工业机 器人最为主要的操作形式但是,使月传感技术,使机器人在应付环境时具有较高的智能确实 是机器领域中一项活妖的饼究积开发课题 机器人传感器的功能可分为两大类内部状态和外部状态。内部状态传感器负资检测诸如 手臂关节位置之类的变量。用来挖制机器人外部状态的传感器负費检测诸如距高接近程度 和接触程度之类的变量用于机器人的引导及物体的识别和处理本书从第六章至第八章论述 外部传感器。第六章的重点是距离接近觉触觉和力力矩传感技术。第七章和第八章详细论 述视觉传感器和相应技术尽管接近觉触觉和力党传感器在提高机器人性能方面具有重大 作用,但视觉被认为是机器人最重要的感觉能力机器人视党可定义为从三维环境的图余中提 取、显示和说明信息的过程这一过程题常也称为机器或计算机枧觉,基本上可分为大大部分 (1)感觉;(2)预处理;(3)分割;(4)播述;(5)炽别;(6)解释 可以根据实现此过程的复杂程度把它们造当地归并在一起。我们认为有三层处理低、中 和高层视觉。尽管在它们之间没有明确的界限但它们能提供一种有用的结构,用于区分构成 机器视觉系统的各种过程。在我们的论述中,我们将把感觉和预处理视为低层视觉功能。从图 象形成过程开始到各种校正,如降低噪普最后是基本图象特征的提取,如亮度的不连縷性 我们还要论述中层视觉宫是对低层视党处理所形成的图靠进行抽取、表征和标记的过程。可 以将机群视觉的上述大大部分中的分割、描迟和单个物体的识别视为中层视觉功能高层视党 指的是力图模仿认知行为的过程第七章的内容论述感党预处理及实现低层视觉功能所需的 原理和技术,高层视觉问题在第八章中论述。 1.6机器人編程语言 在把操作机当作一种通用裝配机器使用时,主要障碍是在用户和机器人系统之间缺少适 合而有效的通信方法使用户能指挥操作机完戒预定的作业。与机器人通信的方法有几种其 中三种主要的方法是:单词识别示教再现和高级编程语言 当的语音识别技术还相当简单通常与讲活人有关这种技术可以从有限词汇集中识别 组单词,但通常要求使用者在词之间暂停。尽管使用快速计算机和有效的处理算法现在已经 实时地识别家,但采用单词识别来描述任务是有限制的。另外,它需要很大的存储空间来贮存 www.plcworld.cn 语音数据矿且通常需要一段训练时问间用来建立语音织别样板。 示教再现方法是用引导机器人完成欲散动作的办法来“教会”它。一般用下述步聚实现 (1)用手慢速运动引导机器人完成全部装配作业,在适当的位置上记录机器人的关节角以 便再现动作;(2)编辑和再现示教动作;(3)如果示教动作正确,机器人则以适当速度运行重复 的动作。这种方法也称为引导法,它是当今工业机器人使用最普遍的方法 解决人一机通信问题更通用的方法是采用高级编程。机器人常用于弧焊、焊和喷漆作 业这些作业不需要机器人和环境之间相互作用,可方便地通过引导进行编猩然配,机器人用 于完成装陀作业时,般需要高级编程技术。这种做法是有板据的,因均操作机一般由计算机 控制而人与计算机进行通信的最有效的方法是通过高级编程语言。而且,采用程序描述装配 作业,使机器人遍过简单地执行适当的程序就可完成各种不同的工作这样就增加了机器人的 柔性和多用性。第九章将论述采用高级编程方法实现与机器人系统的有效通信。 1.7.机器智能 机器人的基本问题是通过规划动作来完成一些预定的任务。在机器人执行完成动作所需 的指令时,再对它进行控制。在此规划指的是代动作之前作业动作的决策。机器人的动作综 合冋趑可用解题系统来求解。这种解题系统在已知某些初始状态的情况下可实现一些规定的 目标。因此,规划就是对实现规定目标的一系列动作的表达。 对机器人问题的求解,已引出了许多有关人工智能解题系统的想法在阐述典型的机器人 问题时,我们采用装有传感器的机器人并且该机器人在某些易于理解的环境中能完成一些基 本动作。机器人的动作把一种环境状态(或形态变为另一种。例如在“积木世界”中,我们设想 环境是一些有标记的积木块放在桌而上或相互堆放在一起机器人装有视摄象机、可移动的 手臂和手爪,后者能抓起和移动积木块。在某些问题中,机器人是带有电视摄袭机的移动式车 辆。在有其它物体的环境中它能完成把物体从一个地方移到另一个地方之类的工作 在第十章中我们介绍了几种解题的基本方法及其在机器人规划中的应用论述的重点是 机器人问题的求解或规划。机器人的规划程序要从机器人的最初环境到最终环境中寻找一条 路径。路径包括被认为是系统原始的操作序列。在物理环境中智能问题的解决可能是相应的 物理行动序列的基础。机器人规划为机器人系统提供智能和解题能力,是非常有用的研究领 域为了机器人的实时应用我们仍然需要由高速专用计算机系统执行的功能强而有效的规划 算法。 下列一般性金考文献可代表机器人和有关领域主要研究课题的出版物。以下各章结尾列 出的参考文献为正文所论述的专题提供线索。本书结尾的参考书目包括了各章引用的全部参 考文敞,并按作者姓名的字母顺序排列 经发表机器人各个方而文章的主要杂志和会议录有:TEEE机器人和自动化》杂志国 际机器人研究》杂志《杋器人系统》杂志、 Robotica》、《IE系统、人和挖制论学报》、《人工智 能》、《EE模式分析和机器智能学报】《计算机图形学视觉图象处理》《国际工业机器人讨 论会会议录》《国际人工智能联合会会议录》《IEE国际机器人和自动化会议录》、《E自 7 www.plcworld.cn 动挖制学报》、机构学和机器理论》《摄影光学和仪器工程师协会会刊》美国机械师协会的 机械设计》杂志《应用机械学》杂志、《动力系统·测量·控》志以及《机构学传动·自 动设计》杂志。 本书的补充读物可从以下作者出版的书甘中查找:多德和多素尔1979、愿格尔伯杰 1980}保罗[1981]罗尔夫[98斯奈德[1985]李·风萨雷斯和付[1986杜[1985]以及 克雷格[1986。 www.plcworld.cn 第二章机器人运动学 札器人的操作机可用一个开环关节链来建糗,此链由数个刚体(杆件)用以驱动器驱动 或移动关节串连而成。链的一端固接在基座上,另一端是自由的,安装着工具末端执行 器),用以操织物体,或完城装配作业。关节的相对运动导致忏件的运动使手定位子所需的方 位上在很多极器入应用问题中,人们感兴趣的是操作机末端执行器相对于圆定参考坐标系的 空间描进 机器人运动学主要是把机器人相对于固定参考系的运动作为时间的函数进行分析研究, 而不考虑引起这些运动的力和力矩也就是要把机器人的空间位移解析地表示为时间的函数, 传别是要研充关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿态之间的关系。本章将讨论机器人 运动学的两个具有理论和实际意义的基本间题: 对一给定的操作机已兔杆件何参数和关节角矢量q()=(g1(t,g2(),…,%(t),其中n 是自出度数求操作机端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态 2已知操作机忏件的几何参数,给定操作机术端执行器相对参考坐标系的期望位置和姿态 〔位姿),操作机能否使其未端执行器达到这个预期的位姿?如舶达到,那么操作机有几种不 同形态可满足同样的条件? 第-个问题常称为运动学正问题(直接问趣)第二个问题常称为运动学逆问题(解臂形何 题)由于机器人手臂的独立变量是关节变量,而作业通常是在参考坐标系中说明的因此要较 频繁地用到运动学逆问题,表示两种间趣关系的简单方框图示于图21。 轩件数 运动举此问翻一末执什副的位螯 关榨角v…曾 杆件 运动学问断 关节角……q 图2.1运动学正间题和邀阿题 由于机器人各杆件可相对于参考坐标系转动和平移,末端执行器的空间总位移是由杆件 www.plcworld.cn 的角转动和直线平移形成的。Dav和 Hartenberg[1955]提出了一种通用的办法,以矩阵代 数来描述和表达操作机各杆件相对于定参考系的空间几何学关系。此方法用4×4齐次变 换矩阵描述相邻两刚性杆件的空间关系把运动学正间惠简化为寻求把手部坐标系”与参考 坐标系联系起来的4X4等价齐次变换矩阵。这种齐次变换矩阵在推导机器人运动的动力学 方程中也是很有用的 般*说运动学逆问题可用几种方法求解最常用的方法是矩阵代数法选代法或几何 法。对于有转动关节的简单操作机,将介绍一种基于杆件坐标系和操作机形态的几何法,用来 求得关节变量的封闭解。然后将介绍一种用4X4齐次变换矩阵的更为一般的方法,用以 求得一些简单操作机的关节变量解。 22运动学正问题 我们用先量和矩阵代数●来引出种描述和表达操作机各杆件相对于固定参考系位置的 通用方法。由于各杆件可相对于参考坐标系转动和平移,故应对每个杆件沿关节轴建立一个附 体坐标系。运动学正间题归纳为寻求联系附体坐标系和参考坐标系的变换矩阵。附体坐标系 相对于参考系的转动可用8×3触转矩阵来描述然后用并次坐标表达三维空间的位置矢量, 把旋转炬阵扩展为4×4齐次变换矩阵用以包括附体坐标系的平移。这种描述机器人空润几 何的刚性杆件矩阵表示法是由Dmⅵt和 Hartenberg首先使用射[1955]采用这种表示法的优 点是它在推导机器人运动学方程时具有通用性 2.2.1旋转矩阵 3×3转矩阵可定义为一个变换短阵,当它作用在三维欧几里德空间的某个位置失量上 时将把该矢量以转动坐标系OWW(附体坐标系)表示的坐标映射到参考坐标系OXYz中去 在图2.2中给出了两个右手直角坐标系:OXYZ坐标系(以Ox,F和Oz为坐标转)和Ow 坐标系(以C,0和O为坐标轴)两坐标系的原点在O点重合OXYz坐标系在三维空间是 固定的被当成参考系。OW坐标系相对于参考系OYz旋转。实际土,可把OW系看成是 附体坐标系也就是说它永久性地程彩在刚体(例如,一架飞机或操作机的一个杆件)上,并随 它一起运动。令(b)和(,)分别为沿OX系和CUW系坐标轴的单位矢量。空间某 点p可用相对于这两个坐标系的坐标分量来表示。为了便于讨论我们假定点p在W标 系中静止并固定。那么p可用它在WW系和OXYZ系中的坐标分量分别表示为 P==(%P})和pw=(P,PP2) 2.2-1) 这里和pm表示的是在不同坐标系中的同一空间点而在失量和矩阵的上标T表示转置运 算 我们要寻求一个3×3变换矩阵在Ow系转动后它将把p坐标分量变换到在OXYz 系中的坐标分量。即 (222) 注意点p实除上已屿OW坐标系一起转动过了。 ●矢量以小写的黑体字表示掩阵以大写体半奢示 10

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