標(biāo)題: 復(fù)習(xí)robotik（機(jī)器人技術(shù)/機(jī)器人學(xué)） [打印本頁]
作者: wudawei    時(shí)間: 2014-12-31 02:19
標(biāo)題: 復(fù)習(xí)robotik（機(jī)器人技術(shù)/機(jī)器人學(xué)）
近日復(fù)習(xí)robotik（機(jī)器人技術(shù)/機(jī)器人學(xué)），以應(yīng)對考試。
剛才心血來潮，試圖整理了一下復(fù)習(xí)的內(nèi)容。

首先第一章，導(dǎo)論

Was ist Robotik?
Die Robotik befasst sich mit der Entwicklung und Steuerung von Robotern und umfasst Teilgebiete der Informatik (insbesondere der Künstlichen Intelligenz), der Elektrotechnik und des Maschinenbaus. Ziel der Robotik ist es, durch Programmierung ein gesteuertes Zusammenarbeiten der Roboter-Elektronik und Roboter-Mechanik herzustellen.
(aus Wikipedia)
什么是機(jī)器人學(xué)？
機(jī)器人學(xué)致力于機(jī)器人的發(fā)展和控制，并包括信息學(xué)（尤其是人工智能），電氣工程學(xué)和機(jī)械工程的子領(lǐng)域。機(jī)器人學(xué)的目標(biāo)是，通過編程建立機(jī)器人電子設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的可控合作。

那么，到底什么是機(jī)器人呢？
目前比較統(tǒng)一的說法是，機(jī)器人是可重復(fù)編程的，多功能的可操縱器。（reprogrammable multifunctional manipulator）

工業(yè)機(jī)器人的主要任務(wù)：
連接 （包括焊接，粘連等）
加工 （包括打磨，拋光，等）
涂層 （包括上漆等）
組裝

第二章 工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)造（Aufbau von Industrierobotern）
從第一章工業(yè)機(jī)器人的主要任務(wù)可以看出，機(jī)器人主要是通過對作業(yè)部/Endeffektor（如機(jī)器手）的運(yùn)動(dòng)控制來完成任務(wù)的。也就是說，核心的內(nèi)容就是如何實(shí)現(xiàn)對作業(yè)部運(yùn)動(dòng)的良好控制。
現(xiàn)在就說說工業(yè)機(jī)器人的主要構(gòu)件。
Roboterarm 機(jī)器手
Anbieten/Motoren  動(dòng)力機(jī)構(gòu) 通常也叫執(zhí)行部（Aktoren）
Sensoren 傳感器
Endeffektor 終端作業(yè)部
Steuerung  控制
Bedienpanel  控制面板
Anwendungsrechner mit Software 帶軟件的應(yīng)用計(jì)算機(jī)

要想機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來，就必須要有動(dòng)力。下面介紹Aktoren (Anbiete/ Motoren)部分。常用的動(dòng)力包括：
1，氣動(dòng) Pneumatischer Antrieb
優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)時(shí)間快 schnelle Reaktionszeit；便宜 kostenguenstig；組裝簡單 einfacher Aufbau
缺點(diǎn)：因?yàn)榭諝獾目蓧嚎s，定位不準(zhǔn)；太吵；沒法控制運(yùn)動(dòng)速度。
適合：快速工作循環(huán)和力量小的小機(jī)器人　　kleinere Roboter mit schnellen Arbeitszyklen und wenig Kraft
2，液壓 Hydraulisch Antrieb
優(yōu)點(diǎn)：力量極大；中等的速度。
缺點(diǎn)：額外的空間給液壓設(shè)備；吵鬧；污染風(fēng)險(xiǎn)；定位能力和反應(yīng)時(shí)間受到油的粘性的限制。
3，電動(dòng)
多用于伺服馬達(dá)（servomotoren）
優(yōu)點(diǎn)：緊湊 kompakt；旋轉(zhuǎn)角度和扭力矩的易控性；很高的定位能力。
缺點(diǎn)：非常小的力量 relativ wenig Kraft； 速度不快
適合：各種小機(jī)器人
4，壓電
非常緊湊，非常高定位能力，但是很小的移動(dòng)范圍。適合微型控制件。

而要將動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞到作業(yè)部，就需要傳動(dòng)裝置。接下來介紹機(jī)器手的傳動(dòng)裝置，關(guān)節(jié)（gelenk）。
最重要的四種關(guān)節(jié)：
1，Rotationsgelenk 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 類似肘部
2，Lineargelenk  線狀關(guān)節(jié) 只能沿關(guān)節(jié)方向伸縮，不能旋轉(zhuǎn)
3，Torsionsgelenk  扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
4，Revolvergelenk 左輪關(guān)節(jié)

在前文有提到，機(jī)器人學(xué)的一個(gè)核心的內(nèi)容就是如何實(shí)現(xiàn)對作業(yè)部運(yùn)動(dòng)的良好控制。而每個(gè)關(guān)節(jié)都是可以運(yùn)動(dòng)的，每個(gè)關(guān)節(jié)都有自己的傳動(dòng)自由度（Getriebefreiheitsgrade），用g來表示。而一個(gè)物體（機(jī)器手）相對于一個(gè)固定的坐標(biāo)系，其運(yùn)動(dòng)的自由度，用f來表示。在3D空間內(nèi)，一個(gè)物體的狀態(tài)包括：位置（Position, 3 unabhaengige Werte）和方向(Orientierung, 3 unabhaenigige Werte)。對于一個(gè)可以完全自由運(yùn)動(dòng)的物體而言，f=6。也就是說，用6個(gè)獨(dú)立的值就可以完整表述一個(gè)物體在空間中的狀態(tài)。即一個(gè)物體在空間的狀態(tài)對應(yīng)于一個(gè)六元組。有了完整精確的對狀態(tài)進(jìn)行描述的數(shù)學(xué)表示后，所有的運(yùn)動(dòng)控制都將建立在這個(gè)數(shù)學(xué)表示基礎(chǔ)上。

第三章 運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)（Grundlagen der Kinematik）
上一章提到了用6個(gè)獨(dú)立的值就可以完整表述一個(gè)物體在三維空間內(nèi)的狀態(tài)。在這一章則介紹到底如何得到這些值，以及如何用這些值反應(yīng)物體在空間的運(yùn)動(dòng)。
首先要建立三維空間的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系可以分為2種：BKS和OKS。BKS又叫Weltkoordinanten/Rastsystem，以一個(gè)固定的點(diǎn)為原點(diǎn)，XYZ三個(gè)坐標(biāo)軸也是固定的。描述的是物體在三維空間中的絕對位置。而OKS，則是以某個(gè)物體（坐標(biāo)物體）為坐標(biāo)原點(diǎn)，以該物體的方向?yàn)樽鴺?biāo)軸。描述的是物體在三維空間中相對坐標(biāo)物體的相對位置。

按右手法則約定坐標(biāo)軸和角度方向：拇指為X，食指為Y，中指為Z，右手手握方向?yàn)檎?/font>

由此可以得到某個(gè)物體在三維空間的狀態(tài)為（x,y,z,alfa1,alfa2,alfa3）

Roll-Pitch-Yaw 任何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都可以分解成為繞三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。也就是分解成為Roll-Pitch-Yaw。這三個(gè)旋轉(zhuǎn)可以分別用一個(gè)3X3的矩陣來表示。而旋轉(zhuǎn)的合成可以用3個(gè)矩陣的乘法來計(jì)算。不過需要注意的是，對于BKS而言，矩陣乘法是從右向左，就是說最后完成的旋轉(zhuǎn)在最左邊。而OKS正好相反，是從左向右。這就是“絕對”和“相對”的區(qū)別。

而一個(gè)物體的狀態(tài)同樣的可以用一個(gè)4X4的矩陣來表示。其中左上角的3X3表示方向，最后一列的頭三個(gè)數(shù)字表示的是空間位置（即，（a14,a24,a34）為（x,y,z））。很明顯，六元組的表示方法，描述簡單，但是不方便計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)，如方向的旋轉(zhuǎn)。而4X4矩陣的表示方法，信息有冗余，但是非常方便計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)。

下面考慮一個(gè)新的問題，如何一個(gè)物體繞給定軸旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)給定角度后的狀態(tài)。例如繞（0，0，2）這個(gè)向量旋轉(zhuǎn)60°。
對于這個(gè)問題，用4X4矩陣就非常方便計(jì)算。

再進(jìn)一步，如果一個(gè)復(fù)雜的有多個(gè)旋轉(zhuǎn)組成的操作又該如何計(jì)算呢？
這里又引入了一個(gè)和復(fù)數(shù)概念接近的四元數(shù)（quaternion）。利用四元數(shù)可以非常方便的計(jì)算剛體在三維空間的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。以繞V（1,0,0）旋轉(zhuǎn)θ為例，Q = (Cosθ/2, Sinθ/2(1,0,0)) = (Cosθ/2, Sinθ/2, 0, 0)。

今天先寫到這里，這個(gè)禮拜會(huì)陸續(xù)整理完成整個(gè)講座內(nèi)容。
順便補(bǔ)充一下，日本在之前定下機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略之后，國家投入大量的資源在機(jī)器人領(lǐng)域，將其作為戰(zhàn)略性的行業(yè)。在整個(gè)機(jī)器人研究領(lǐng)域，尤其是類人服務(wù)型機(jī)器人領(lǐng)域日本真的是非常的強(qiáng)大。無論是本田還是豐田又或是索尼都開發(fā)出世界領(lǐng)先的機(jī)器人。回頭看看我們，哎，年輕人寶貴的精力和創(chuàng)造力都只是為了換取一堆堆的鋼筋水泥。就算是國家投入資金發(fā)展高科技，換來的不是實(shí)在的技術(shù)，而是一堆創(chuàng)造性高度極低的“廢紙”。到頭來，估計(jì)還是得花錢向人買技術(shù)。悲哀！真是悲哀��！

上一次復(fù)習(xí)到第三章
這一次將復(fù)習(xí)第四到第六章，這三章是robotik的重點(diǎn)。

第四章 直接運(yùn)動(dòng)學(xué)（Direkte Kinematik）
一個(gè)物體在BKS里的狀態(tài)（Stellung）能夠被清楚的描述。
旋轉(zhuǎn)軸是已知的。
各肢體（Armglieder）可以利用轉(zhuǎn)換矩陣相互描述。
本章將介紹如何根據(jù)各關(guān)節(jié)的變量值確定終端作業(yè)部（Endeffektor）在BKS中的位置。
(Direkte Kinematik/ Vorw?0?1rtsrechnung liefert zu Gelenkwinkel die Endeffektorstellung.)

（我的思考：在機(jī)器人基座相對BKS位置和各關(guān)節(jié)變量已知的情況下如何計(jì)算終端作業(yè)部相對于BKS的位置？尤其是對于既有線性關(guān)節(jié)又有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的機(jī)器手來說，如果從基座開始，一個(gè)一個(gè)關(guān)節(jié)的位置按照六元組的模式計(jì)算的話會(huì)特別的麻煩。原因主要有對于不同的關(guān)節(jié)需要不同的計(jì)算公式等。而如果全部關(guān)節(jié)采用相對BKS的矩陣表示的話，又因?yàn)椴恢栏麝P(guān)節(jié)相對BKS的位置，而沒辦法由各關(guān)節(jié)變量直接得到。）

基本思路：
1，每個(gè)肢體都有各自的OKS。
2，對于每2個(gè)由關(guān)節(jié)相連接的肢體存在將各自所屬的坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換矩陣。
3，對于機(jī)器人基座（Roboterbasis）來說，存在一個(gè)相對于BKS的轉(zhuǎn)換矩陣。
4，對于終端作業(yè)部存在一個(gè)相對于最后一個(gè)肢體的轉(zhuǎn)換矩陣。
5，將經(jīng)由所有肢體的轉(zhuǎn)換矩陣鏈接起來就可以計(jì)算出終端作業(yè)部在BKS中的位置。

Denavit-Hartenberg-Regeln DH規(guī)則
根據(jù)ai, αi, di 和 θi四個(gè)變量得到變換矩陣。具體規(guī)則就不細(xì)說了�？傊巴扑惴ǎ╒orw?0?1rtsrechnung）提供了一個(gè)唯一的描述終端作業(yè)部相對于BKS的狀態(tài)的變換矩陣。DH規(guī)則使得用四變量描述變換矩陣成為可能。

第五章 逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)（inverse Kinematik/ Rückw?0?1rtsrechnung）
前一章是根據(jù)各關(guān)節(jié)的已知變量值求的終端作業(yè)部的狀態(tài)。而在機(jī)器人學(xué)的實(shí)際應(yīng)用中，通常需要根據(jù)終端作業(yè)部的狀態(tài)來計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)的變量值。例如，某個(gè)焊接機(jī)器手，要將終端作業(yè)部從當(dāng)前作業(yè)點(diǎn)移動(dòng)到下一作業(yè)點(diǎn)，就需要計(jì)算到達(dá)目標(biāo)作業(yè)點(diǎn)時(shí)，各個(gè)關(guān)節(jié)的變量值是多少。
Vorw?0?1rtsrechnung : Bestimmen der Lage des Endeffektor für gegebene Gelenkparameter.
Rückw?0?1rtsrechnung: Bestimmen der Gelenkparameter  für gegebene Endeffektorstellung (Position und Orientierung).
很明顯，對于傳動(dòng)自由度（Getriebsfreiheitgrad) 大于6的機(jī)器人來說，在工作區(qū)域內(nèi)，只要不處于邊界就都有多個(gè)逆推算法的解。


第六章 逐步逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)
已知：想要的狀態(tài)變化（beabsichtigte ?0?2nderung der Stellung）
求： 關(guān)節(jié)變量值的變化（erforderliche ?0?2nderung der Gelenkparameter）






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