機器人控制理論與技術

機器人控制理論與技術第一頁，共67頁。從以下四題選做一題：1.寫一篇關于SLAM技術綜述報告。2.寫一篇關于規(guī)劃算法的綜述報告。3.寫一篇關于特征識別算法的綜述報告。4.寫一篇能夠完成某項任務的機器人設計方案。第二頁，共67頁。內容要求：查閱文獻，寫一篇關于SLAM技術發(fā)展綜述，從SLAM技術的發(fā)展歷程、工作原理、技術難點等方面對SLAM技術進行論述。不得抄襲?。?！格式要求：參照給定模板。頁數(shù)要求：至少6頁。第三頁，共67頁。內容要求：查閱文獻，寫一篇關于機器人規(guī)劃算法綜述，從幾種規(guī)劃算法，如RRT，A*，Dijkstra等入手，并進行相互比較。不得抄襲?。?！格式要求：參照給定模板。頁數(shù)要求：至少6頁。第四頁，共67頁。內容要求：查閱文獻，寫一篇關于特征識別算法的研究綜述，從算法原理、運算過程，算法適用問題等方面，對目前已有的幾種特征識別算法進行論述和比較。不得抄襲！??！格式要求：參照給定模板。頁數(shù)要求：至少6頁。第五頁，共67頁。內容要求：針對機器人在某一領域的應用，寫一份機器人設計方案，從機器人的功能、組成單元、機械結構、控制結構、執(zhí)行機構、電機選型等方面展開。不得抄襲！格式要求：參照給定模板。頁數(shù)要求：至少6頁。第六頁，共67頁。完成時間：6月20日前，課程論文與實驗報告一起，用word文件，作為郵件附件，發(fā)到課程論文文件命名規(guī)則：學號-姓名-課程論文.doc，如“9-王杰-課程論文.doc”實驗報告文件命名規(guī)則：學號-姓名-實驗報告.doc，如“9-王杰-實驗報告.doc”信件主題：學號-姓名-課程論文+實驗報告允許手寫！課程論文和實驗報告打印時請雙面打??！第七頁，共67頁。要求已知機器人的運動學模型/動力學模型機器人輪子與地面之間的接觸模型要求的運動控制目標

速度控制位姿控制滿足要求的控制律第八頁，共67頁。目標:機器人速度輪子轉動速度導航角及角速度幾何參數(shù)，比如長度、寬度等前向運動學模型：逆向運動學模型：

第九頁，共67頁。第十頁，共67頁。環(huán)境坐標系:機器人坐標系:機器人位置坐標:兩個坐標系之間的坐標變換：第十一頁，共67頁。第十二頁，共67頁。第十三頁，共67頁。第十四頁，共67頁。當Kx,Ky,Kθ

,α,

β,

均為正常數(shù)時,且α+β=1

當vd,ωd,dvd/dt,dωd/dt

有界根據(jù)第十五頁，共67頁。Kx=1,Ky=1,Kθ=1,α=0.5,β=0.5

第十六頁，共67頁。Kx=1,Ky=1,Kθ=1,α=0.5,β=0.5

第十七頁，共67頁。優(yōu)點：在粗糙地面上具有較高的自適應性和機動性有高度的技巧來操縱物體缺點：動力和機械的復雜性難于控制第十八頁，共67頁。腿的數(shù)量較少運動的復雜性較高行走腿一定會抬起穩(wěn)定性的丟失?腿的個數(shù)大于6行走時的靜態(tài)穩(wěn)定性

哺乳動物爬行動物昆蟲

2(or4)legs4legs6legs第十九頁，共67頁。

希臘神話里有這樣一個傳說，獅身人面獸斯芬克斯，盤據(jù)在忒拜城外，它有一個謎語，詢問每一個路過的人，謎面是：“早晨用四只腳走路，中午用兩只腳走路，傍晚用三只腳走路?！比绻慊卮鸩怀?，就會被它吃掉。它吃掉了很多人，直到英雄的少年俄狄浦斯給出謎底。第二十頁，共67頁。1DOF:毛毛蟲(4000muscles!)運動被限制在一個方向2DOF抬腿，向前擺動3DOF:最常見的一種4DOF:踝關節(jié)+移動能力-復雜性第二十一頁，共67頁。步態(tài)：

theparticularwayarobot(oraleggedanimal)moves,includingtheorderinwhichitliftsandlowersitslegsandplacesitsfeetontheground.[Mataric,2003]基本要素腿的數(shù)量穩(wěn)定性次序性速度有效性魯棒性步態(tài)的數(shù)目依賴于腿的數(shù)目:

N=(2k-1)!第二十二頁，共67頁。優(yōu)點：單點接觸地面質量較小不需要協(xié)調活力十足難點:保持平衡，穩(wěn)定性執(zhí)行機構設計步態(tài):抬起，放下第二十三頁，共67頁。步態(tài)：抬右腿放右腿抬左腿放左腿抬雙腿放雙腿平衡性：倒立擺系統(tǒng)第二十四頁，共67頁。自由度：38個身高：7kg高度：58cm五指手第二十五頁，共67頁。freefly!交互性前行奔跑靜止時靜態(tài)穩(wěn)定性行走時動態(tài)穩(wěn)定性第二十六頁，共67頁。第二十七頁，共67頁。第二十八頁，共67頁。足球機器狗特點力矩大可后向驅動重量輕第二十九頁，共67頁。東京理工學院重量:

19kg高度:0.25m自由度:4*3第三十頁，共67頁?！傲_步態(tài)”靜止 靜態(tài)穩(wěn)定性行走

靜態(tài)穩(wěn)定性昆蟲:

“最成功的運動生物”第三十一頁，共67頁。人類引導的六腿機器人最快速度:2.3m/s重量:3.2t高度:3m長度:5.2m自由度:6*3砍伐機器人第三十二頁，共67頁。最快速度:0.5m/s重量:6kg高度:0.3m長度:0.7m自由度:6*3功耗:10W第三十三頁，共67頁。自然界中存在不存在三條腿的生物？三條腿的機器人有沒有可能？目前有沒有三條腿的機器人？第三十四頁，共67頁。第二代STriDER的第一步第三十五頁，共67頁。仿生學：Biologicallymimicry模擬生物結構進行的機械結構、控制方法設計生物啟發(fā)：BiologicallyInspired受生物運動規(guī)律，智能活動規(guī)律啟發(fā)，進行的機械結構、控制方法的研究，所獲的結果是自然界中沒有的。第三十六頁，共67頁。沒有電機和電池，機器人能不能運動？第三十七頁，共67頁。PassiveWalking第三十八頁，共67頁。被動執(zhí)行機構利用勢能示例

自然:飛行松鼠機器人：步行機器人主動執(zhí)行機構外部能量轉化為運動TadMcGeer’s

passivewalkingrobot第三十九頁，共67頁。穩(wěn)定性簡化控制方法魯棒性從失敗中恢復穿越不同的地形提高前進速度節(jié)省能量第四十頁，共67頁。多個與地面之間的接觸點腿式>=4輪式>=3使得重心在支撐范圍內魯棒性增強，控制簡化運動速度較慢能量效率較低第四十一頁，共67頁。腿式高度的機動性高低不平的地面機械機構的復雜度動力學穩(wěn)定性重心的不斷變化輪式良好的機動性對地面的平整度要求較高靜態(tài)穩(wěn)定性較好第四十二頁，共67頁。它有特有的機械結構；具有一定的形態(tài)它有自身的大腦；控制機器人的程序能夠完成一定的動作；任何機器人都有一定的動作表現(xiàn)第四十三頁，共67頁。確定機器人的應用領域確定機器人的功能確定機器人的移動方式確定機器人的組成結構傳感器，操縱機構確定機器人的控制結構信息流圖，能量流圖確定機器人的機械結構機器人總裝與調試第四十四頁，共67頁。工業(yè)焊接機器人搬運機器人農(nóng)業(yè)采摘機器人收割機器人服務業(yè)清掃機器人護理機器人第四十五頁，共67頁。記憶的功能思考的功能定位與規(guī)劃控制的功能與環(huán)境交互的功能感知的功能移動的功能充電的功能第四十六頁，共67頁。機器人大腦——中央處理器與控制程序機器人感知——各種類型的傳感器機器人手腳——電機與操縱機構機器人骨架——機械框架機器人食物——電池與充電設備第四十七頁，共67頁。

東京理化研究院研制的一款用于護理的機器人

2004年開始研制，2007年實現(xiàn)了基本功能。 能夠感知環(huán)境的氣味、聲音、障礙物，跟蹤人臉位置 抱起病人等。第四十八頁，共67頁。移動的功能感知環(huán)境的功能抱起病人的功能控制的功能第四十九頁，共67頁。分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)視覺聽覺嗅覺語音底座觸覺

距離傳感器肘關節(jié)第五十頁，共67頁。在力傳感器表面覆蓋上柔軟的材料用于處理觸覺信息的集成電路第五十一頁，共67頁。特性

8×8（64點）個力傳感器檢測面積：大約1cm2

測量范圍：0～90kPa分辨率：0.41kPa掃描輸出五個部分第五十二頁，共67頁?！镯憫俣瓤斓谖迨?，共67頁。人臉跟蹤第五十四頁，共67頁。第五十五頁，共67頁?；诼曇舻亩ㄎ桓鶕?jù)聲音到達左右兩耳的時間間隔可以判斷出聲音的方向RLdθθmRLdθθm第五十六頁，共67頁。第五十七頁，共67頁。WaterUrine氣體傳感器CPU8.5cmUSBI/O可以辨別8種不同物質的氣味.

酒精甲醇時間（s）第五十八頁，共67頁。第五十九頁，共67頁。帶有19個自由度的結構觸覺傳感器肩關節(jié)類人結構

兩輪差動驅動柔軟的表面第六十頁，共67頁。直流電機35cmφ140φ120準雙曲面齒輪準雙曲面齒輪

第六十一頁，共67頁。雙電機同步驅動★體積小，力量大第六十二頁，共67頁。第六十三頁，共67頁。C-Chip第六十四頁，共67頁。視覺聽覺嗅覺大腦皮層規(guī)劃小腦運動控制觸覺肌肉麥克風嗅覺傳感器CCD攝像機No.1控制器(RT-Linux)上位機(Windows2000)

共享內存RI-MAN人共享內存‥‥‥No.2No.10電機控制芯片觸覺處理芯片No.1No.5‥‥層次化的分散網(wǎng)絡控制結構第六十五頁，共67頁。直流5V電源線開關機信號線直流24電源線處理芯片D驅動器M電機信號線H共享內存皮膚傳感器DDDDDDDD