机器人基础考试试题重点

1、1. （第一章）机器人的两个主要特征：（1）通用性：取决于其几何特性和机械能力。（决于 其结构特点和承载能力。）通用性指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的几何 实际能力。一般自由度越多,通用性越强。（2）适应性：是指对其坏境的自适应能力，即所 设计的机器人能够自我执行未经完成指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计 到的环境变化。主要指其对工作坏境变化具有记忆、感知、推理、决策、学习等适应能力. 因此其应该具有传感与测量环境变化的能力;分析任务和执行操作规划的能力;自动执行指 令能力。2. 机器人系统的组成：机械手、坏境、任务、控制器等四部分组成。机械手又称为操作机、 机械臂

2、或操作手，是具有传动装置的机械，它由臂、关节和末端执行器构成一般机械手具有六 个自由度其中，头三个自由度引导夹手装置至所需位置，而后三个自由度用来决定末端执行 器的方向。（2）坏境即指导机器人所处的周|韦|坏境.坏境不仅由几何条件（可达空间）所决定，而 且由环境和它所包含的每个事物的全部自然特性所决定的.（3）任务定义为坏境的两种状态 （初始状态和目标状态）间的差别.（4）控制器：机器人接收来自传感器的信号，对之进行数据处 理，并按照预存信息、机器人的状态及其环境情况等，产生出控制信号去驱动机器人的各个关 节。3机器人分类：（1）按机器手的几何机构分：a柱面坐标机器人（这种机器人的工作包迹（区

3、 间）形成一段圆柱面.eg： Verstran, 1R2P）； b球面坐标机器人（这种机器人的工作包迹形成 球面的一部分eg： Unmiate,2RlP） ;c关节式球面坐标机器人（3R）（这种机器人的工作包迹也 形成球面，且其关节都由转动关节所组成）： d平面关节式机器人（3R）； e直角坐标型（3P）；（2）按机器人的控制方式分：a非伺服机器人（按照预先编好的程序顺序进行工作，使用 终端限位开关，制动器，插销板和定序器来控制机器人机械手的运动）；b伺服控制机器人（通过反馈传感器取得反馈信号与来自给定装置的综合信号，用比较器加以比较后，得到误 差信号，经放人后用以激发机器人的驱动装置，进而带

4、动末端执行装置以一定规律运动，到 达规定的位置或速度等）（3）按机器人控制器的信息输入方式分：口本工业机器人协会 （JIRA）；美国机器人协会（RIA）：法国工业机器人协会（AFRI）锁采用的分类法。（4）按智 能程度分：a示教再现型机器人（通过手动或其它方式，先引导机器人动作，记录下工作程序, 机器人则自动重复进行作业）b数控型机器人（不必通过手动使机器人动作，通过数值、语 言等为机器人提供运动程序，能进行可编程伺服控制.）c感知型机器人（利用传感器获取的 信息控制机器人的动作机器人对环境有一定的适应性）d智能机器人（机器人具有感知和 理解外部坏境的能力，即使坏境发生变化，也能够成功的完成任

5、务）（5）按用途分：工业机 器人；服务机器人；娱乐机器人：仿人形机器人；农业机器人；海洋探测机器人：空间机器 人；军用机器人；特种机器人；微型机器人；微操作机器人4. 机器人技术的发展趋势：1.传感型智能机器人发展较快（超声波触觉传感器：静电电容式 距离传感器；基于光纤陀螺惯性测屋的三维运动传感器；视觉系统等,多传感器集成与融合 技术在智能机器人上获得应用。）：2.开发新型智能技术（虚拟现实技术；形状记忆合金； 多智能机器人系统）3.微型机器人的研究有所突破（微型驱动器是开发微型机器人的基础 和关键技术之一，比微型机器人还要小的超微型机器人，应用纳米技术,将用于医疗和军事侦 察目的.）4.应用

6、领域向非制造业和服务业扩展5.行走机器人研究引起重视1（第二章）AxB-AxB=AyB-Ayb=azb-azb ',axb,AyB-AyB'Azb=azb'Axb = 0 ；九rn们；R= r21 r22 L ； «R_1=X |洌=1旋转矩阵，它是正交的66 忌j00 _cO0sOcO-sO0_2.R(x,0) =0c6-s0R(y, o)=010R(Z,0 =s0cO00s6C0-s00cO0013.平移坐标变换：ap=hp+apbo；旋转坐标变换：”pWrp：rYrtWr7',都是正交矩阵，两者互逆；复合坐标变换：“P=；R严P+“Pbo :齐次

7、坐标变换：4.齐次变换的复合变换定义为*T=；T：T ；5. 定义1:如果所有的变换都是相对于固定坐标系中各坐标轴旋转或平移，则依次左乘，称为绝 对变换.定义2:如果动坐标系相对于自身坐标系的当前坐标轴旋转或平移，则齐次变换为依次 右乘，称为相对变换.6. 给出任一旋转变换，能够由上式求得进行等效旋转0角的转轴.已知旋转变换R,令R=Rot（f, 0 ），即有令= 1-COS& 0<<9<180"RoKf,e)=fJyersO + cOfxfyvers0+f.sO fJyersO- fysOfyfxvers0-fzs6 fzfyers0 + fysO 0 f

8、JersO + cOf:fyyersO-fxsO 0fyfsersO 4- fxsO f. fyersO + cO 0 0 01nx0.yJPx九ny/L_pnIJy°yayPy:T =o、0-_pon:0,a.Pzaxaya._pa00010001辭丿jm"© + °>+a：Tfx=(o;-ay)/2s0 fy=ax-n;)/2s0 /：=(", 一 oj/2s6>&为什么要引进齐次坐标，它有什么优点?机器人的坐标变换主要包括平移和旋转变换，平移 是矩阵相加运算，旋转则是矩阵相乘，综合起来可以表示为p' = ml*

9、p +ni2（ml旋转矩阵,m2 为平移矩阵,p为原向量,p'为变换后的向量）.引入齐次坐标的目的主要是合并矩阵运算中的 乘法和加法，合并后可以表示为p' = M*p的形式.即它提供了用矩阵运算把二维、三维甚至高 维空间中的一个点集从一个坐标系变换到另一个坐标系的有效方法.（第三章）机械手的运动方向：接近矢量a:夹持器进入物体的方向;Z轴：方向矢量0：指尖 互相指向;Y轴；法线矢量11： X轴 R翻转B俯仰偏转n.4oyavPxn =1:()=.cl =117 = 7； =>>yr >Ozaz化n o = 0;d = 0;oa = 00001 _2欧拉角绕Z轴

10、转1），再绕新Y轴转0，绕最新Z轴转巾Eiilwg、O.i/) = RotQ、仍 Rol(y、0) RotQM )C0_$00o- cG0sO0_Cl/-si/0o'S(/>C(j)000100SI/c屮00注意:坐标变换是右乘即0010-sO0cO00010后面的变换乘在右边（绕000100010001新轴转，连乘）3用横滚.俯仰和偏转角表示运动姿态RPY:先绕x轴旋转角久再绕y轴旋转角撮后绕z轴旋角（!）.RPY&0）= Rot（z. /）Rot（y 0）Rot（x, i/）C07000 cO0sO01000S(/>C(/>0001000Cl/-si/0（

11、左乘固定坐标系）0010-sO0cO00si/Cl/0000100010001ca sa 0sa ca 00 0 1rsa4用柱面坐标表示末端运动姿态沿X平移几绕Z轴转沿z轴平移z.（绕动坐标系，右乘） Cyl（乙 Q, r） = Transifi.乙）Rotjz ayTransrfi）100o'sa0o-_100r0100saca000100001z00100010000100010001rca由于上述绕z轴的旋转/吏末端执行器的姿态出现变化，若要执行器姿态不变,则需将其绕执 行器a轴反向旋转.（绕定坐标系左乘）ca-sa0rcac(-a)00saca0rsaDD00cy/(z5a,

12、r)=001z001000010001'10 0rca0 1 0rsa0 0 1z0 0 015用球面坐标表示末端运动位置沿Z平移几绕Y轴转4绕Z轴转a (绕定坐标系左乘)Sph(a,p,r) = Rot(z)Rot(y.j3)Trans(Q.O. r)ca-sa0o' cP0S卩O'100o'saca00010001000010700c卩0001r000100010001cacp-sacacprcasfisac/3casas/3rsasp_$00C卩rep0001由于上述两个旋转，执行器姿态发生变化为保持姿态，执行器要绕其自身Y和Z轴反向旋转.Spha 队 r

13、) = Rog a)Roty. 0)7>ans(O,O, r)Rot(yA -p)Rot(zA -a)fc asp rsasp rep1表示机器人末端执行器的最终位姿的齐次变换矩阵是由表示末端位置的矩阵和表示末端姿 态的矩阵组合.最后的各种组合如下：(1) T =(2) T = C)，/(z,e)x/?PY(0,&,0)(3) T = Sph(a,/3, r)x Eulei(/f, &,0)(4) T = Sph(a,0,rbRPY0、80)连杆ia务410Li0q20l_20&230006.在连杆坐标系方法一的基础上建立3R机构连杆变换矩阵:Ai = 7?ofd

14、)77c7s(0QdJTrans(ai flfi)Rot(x9 a Jc® -sOcai sesa(sOi c6cai0 sai-cOsacai00 ,c s d 1 J 1 a as&i0厶c©cO.s&、0L2c02一 S&30o-sQc%0-厶昭工=S0ycO.0L2sO2远=cQ0000100010001000010001 00010 00厶 c(q + G)+厶0人=0刁迟2人其位置厶s(q + q)+7在连杆坐标系方法二的基础上建立3R机构连杆变换矩阵:A = Ro 心 Ot00)Rota q)T rans(0.0.cL)cqs0t0sq

15、ca-cqca-sas0(sacqsacah000g一 SQ0LJTS&3吆00F00100001%-叫-M1厶 c（q + ej+厶迅=。可迅2可其位詈厶$何+ 0）+厶08对旋转关节对棱柱关节一 sqca：ssotiS®c6icat- eqs%0sa,yd,0001 At = Rot(z. 6)Trans(0,0, d( )Trans(at ,0,Q)Rot(x,一 sQca,sOtsao'S0c0lcai-cOisai00satcq0001.Ai = Rot(z yrrans(Qfi9 di )Trans(ai flfi)Rot(x9 ai)9微分平移和旋转（微

16、分变换）：在基系中的描述:T + dT = Trans(dx ,dy,dz)Rot(f,d0)T; dT = Trans(dx .dy,dz)Rot(f,d0) -1 T A = Transactx,dy,dz)Rot(f,d6)-/, dT = AT在坐标系T中描述：T + dT = TTrans(dx,dy.d:)Rot(f.d0)dT = TTrans(dx, cly,cL)Rotf ,d6) -Z;7A = Trans(dx, dy, dz)Rotf. &) 一人 dT =T7A_100d：_ 1-fefydO01000 0-fef、ded010f:dO100100fzde0-

17、fM心001dz-fydO100010-fydO0d:0001000100010000so .、= Transdx, dy, djRotf .d0)-lbecause: fxd0 = 8X fyd 0 = Q f:d 0 = 8Z0一&0dv50 : A =y0d.0000微分平移和量旋转矢d = dxi + dj + d:k 8 = 8xi + 5、J + 8:k7 d/VdjVdJc W 8xiV <j+7 SJcTclx = S (pxn) + d n = n (5x p)+ d) 'dy = 5 (pxo) + d o = o (§x p)+ d) 'd： = 6 (pxa) + da = a(5x p)+d)T6X = n - J, 7& =0.® TS:=a10机器人雅克比矩阵：机械手的操作速度与关节速度间的线性变换微分变换法求解雅克比矩阵的步骤:(1)计算各相邻连杆间的变换矩阵:°7,乂，严7；(2) 计算各连杆至末端连杆的变换矩阵：广Z/7；(3-122) 0 _:R0/L7 A =(p xo,rj ='ato.(3-121)3“Clu "B对转动关节对移动关节(3) 计算J(q)各列元素，第I列由下式计算H已知坐标系B中的雅克比矩阵，即%那么