机器人导论（第四版）学习笔记——第一章
机器人学导论（第四版）学习笔记——第一章
- 1. 概述
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- 1.1 背景
- 1.2 操作臂力学和控制
- 1.3 符号
1. 概述
1.1 背景
随着工业自动化的快速发展, 工业机器人数量呈现了显著的增长趋势。本书着重探讨了机械臂在力学原理及控制技术方面的相关内容。
1.2 操作臂力学和控制
操作臂力学和控制主要包括如下一些方面：
位置和姿态的描述： 方位与姿态是表征物体两个关键属性的重要指标。 在进行位置与姿态的描述之前，请先在一个局部坐标系（称为位姿）上进行建模，并将其相对于某个参考坐标系的位置与姿态进行表征。 无论选择哪一个作为基准基准基准基准基准基准基准基准基准基准基点基线基面基体基元基层次基阶层次结构层次单元层次网络层次关系层次体系层次结构层次系统层次模型层次分析法层次分解法层析法等都可能影响结果？
操作臂正运动学： 正运动学具体阐述了机械系统中物体的位置变化规律而不涉及作用力的影响。其主要研究对象包括位置、速度、加速度以及这些物理量的时间导数。其中具体阐述了机械系统的几何参数及其随时间的变化特征。连杆是机械臂的基本组成部分，在其两端通过相应的连接机构相互连接。其中可分为两种主要类型：转动型与平移型。转动型 joints对应于固定旋转角θ_j（j=1,2,…,n），而平移型 joints则对应于直线位移d_j（j=1,2,…,n）。
自由度： 自由度是指机构中独立位置的变量数量，并决定了机构内各部分的位置。
串联机械臂的关节数量通常等于其自由度的数量。
末端执行机构： 机械臂末端部上安装的设备用于固定工具坐标系。
工具坐标系与基坐标系之间的相对位置主要用来描述机械臂的姿态。
正运动学： 涉及工具坐标系姿态的静态几何问题是由关节空间向笛卡尔空间建立的唯一映射关系。
逆运动学： 基于工具坐标系的位置与姿态进行反向计算以获得关节角配置。这一过程将笛卡尔空间中的位置映射至关节空间，并在操作臂系统中具有重要意义。由于其高度非线性特征，在实际应用中通常没有解析解；可能会出现无解或存在多组解的情况；而有解的范围则定义了操作臂的工作空间边界。
研究内容包括：雅可比矩阵是从关节空间的速度到笛卡尔空间的速度的映射，在奇异性点时则不可逆；同时涉及静力学分析。
奇异点导致机构局部退化，表现为自由度减少。
动力学： 研究产生运动所需力。可用于仿真研究。
轨迹生成： 通过计算各个关节的运动函数来实现机械臂的轨迹规划。将目标点与路径点结合，并借助样条等技术手段可获得连续的运动曲线；进一步利用笛卡尔坐标系下的轨迹生成方法来获得各个关节的运动参数序列。
操作臂设计与传感器： 任务决定设计。一般分为通用机器人和专用机器人。
该位置控制系统（包含其中的控制算法与传感器组件）具备补偿系统参数变化所导致的误差能力，并能有效抑制外界干扰
力控制： 其与位置控制相互补充。例如，在玻璃擦窗机器人中可观察到这一现象：垂直于玻璃表面的方向实施法向运动控制（即力控制），而平行于玻璃平面的两个方向则实施位置（即平移）控制，则可实现混合运动模式。
机器人编程： 编程工具是用户与机器人之间交流的桥梁。在可编程性方面，机器人明显优于刚性自动化系统。操作点等于TCP等于工具中心点。
借助图形学算法，在无需机器人本体支持的情况下，无需停机操作即可完成编程。
1.3 符号
- 大写字幕变量表示矢量、矩阵；小写字母变量表示标量。
- 左下和左上标表示所在坐标系。例：^AP表示坐标系{A}中变量的位置矢量；^A_BR即为坐标系{A}和坐标系{B}相对关系的旋转矩阵。
- 右上标表示矩阵的逆或者转置。R^{-1}、R^{T}
- 右下标一般表示分量或者某个描述。如P_x和P_{desk}
- 三角函数可以简写。sin\theta_1 = s\theta_1 = s_1
在矢量的表示中采用列向量形式，在这种情况下，则意味着行向量通常需要用对应矢量的转置来表示。当进行矢量相加运算时，在不同坐标系之间的操作可能会涉及到相应的坐标变换计算。
四杆机器人最后一杆相对于基坐标的角速度可用如下公式计算：
^0\omega_4 = ^0\omega_1 + ^1\omega_2 + ^2\omega_3 + ^3\omega_4
式中包好了坐标换算计算。
[1]: John J. Craig, 贠超. 机器人学导论[M]. 机械工业出版社, 2006.