工业机器人期末考试复习资料

1、第一章1机器人的分类1 .按控制方式分：操作机器人 程序机器人 示教再现机器人数控机器人智能机器人2 .按机器人的应用领域分类：产业用机器人极限作业机器人服务型机器人3 .按机器人的关节链接布置形式分类：串联机器人并联机器人串联机器人的杆件和关节是采用串联方式进行的连接（开链式），并联机器人的杆件和关节是采用并联方式进行的连接（闭链式）。并联机器人的优点：并联机器人具有刚度高，精度高，响应速度快，结构简单的特点，其不足之处在于工作的空间小，控制复杂。4 .五种坐标形式的机器人直角坐标型机器人圆柱坐标型机器人球坐标型机器人关节坐标型机器人 SCARA坐标型机器人5 .工业机器人系统的组成1 .机

2、器人系统是由机器人和作业对象及环境共同构成，其中包括机器人 机械系统，驱动系统，控制系统，感知系统四大部分。（1）机械系统包括机身 臂部手腕末端操作器（手部）和行走机构组成（2）驱动系统主要指驱动机械系统动作的驱动装置。根据驱动源不同可分为电气压 液压 和气压驱动以及把他们结合起来应用的综合系统。控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人 的执行机构，使其完成规定的运动和功能。（4）感知系统由内部传感器和外部传感器组成，起作用是获取机器人内部和外部环境信息， 并把这些信息反馈给控制系统。2 .工业机器人的组要技术参数一般有自由度精度重复定位精度工作范围承载能力

3、及最大速度等。（大于6个自由度的称为10ng余自由度）P11承载能力指的是机器人在作业范围内的任何位姿（位置和姿态）上所能承受的最大质量。第二章1驱动方式：机器人常用的驱动方式主要有 液压 气压 电气驱动3种基本类型。2三种驱动的优点和缺点（P19）:3谐波齿轮（重点）p244臂部设计的基本要求：（1）手臂应具有足够的承载能力和刚度（2）导向性要好（3）重量和转动惯量要小（4）运动要平稳定位精度要高P36的题2 20要去理解5手部的分类根据用途手部可以分为手爪和工具两大类，手爪具有一定的通用性，工具用于进行某种作业。根据其夹持原理，手部又可为机械钳爪式和吸附式两大类，其中吸附式手部还可以分为磁

4、力吸附式和真空吸附式。吸附式手部结构即为吸盘，主要有磁力吸附式和真空吸附式。6行走机构机器人可以分为固定式和行走式两种行走机构按其运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。行走机构按其机构分为车轮式，步行式，履带式和其他方式。第三章计算题是课后16掌握3.1.1齐次坐标一、空间任意点的坐标表示 在选定的直角坐标系A中，空间任一点 P的位置可以用3 1的位置矢量AP表示，其左上标表示选定的坐标系 A,此时有 AP = PX PY PZT式中：PX、PY、PZ是点P在坐标系A中的三个位置坐标分量，如图 1.1所示。坐标轴的方向表示在图1.2中，i、j、k分别表示直角坐标系中X、,Y、Z坐标轴的单位矢

5、量，用齐次坐标表示之，则有图 1.2坐标轴的方向表示X = 1 0 0 0 TY = 0 1 0 0TZ = 0 0 1 0T由上述可知，若规定：4*1列阵a b c wT中第四个元素为零， 且满足a2 + b2 + c2 = 1,则a b c 0T中a、b、c的表示某轴的方向； 4*1列阵a b c wT中第四个元素不为零，则 a b c wT表示空间某点的位置。图1.2中所示的矢量u的方向用41列阵可表达为：u = a b c 0T (1.4)a - cosat, b - c = cosy图1.2中所示的矢量u的起点O为坐标原点，用4*1列阵可表达为： O=0 0 0 1T侬用齐次坐标表示

6、图13中所示的矢易八 伸的坐标方向( -90-M* . y-90*,y -60*(唠。”-40、/-90.图1.3 用不同方向角表示方向矢量重、V. E解 矢量 “立 co$6Z= 0, co 0,866, co等尸=0.S =0 0.8必 0,5 07矢量 不 cos。一 0.866, cos#一0, cosy0.55 0.866 0 0.5 01T矢量 w； cosa= 0.866r cosfi= 0.5 cos尸=0w = 0.866 0.5 0 0T例1/图1.5表示国连于连杆的坐标 索2：位于。居品,X% =2,% = 1,4=以在A*平面内，坐标系相对固定坐标 系 0有一个300

7、的扁转.试写出 表示连杆位费的坐标系网的 4 x 4知阵表达式.解出的方向列阵心/凝侬我可二= 0 866 0.500 0 000 0心的方向列阵TC侬助e$9b Of =卜企500 0.S66 0 000。Zb的方向列阵”【0000 0000 LOOO 0.坐标系精的林詈阵列尸已1 ”.则动坐标系B的4 -4矩阵表达式为.0 866-0 5000 0002.00 5000.8660 00010 OGOO 0001 0000 000U1图1； 扑理物体QEH手部例3J图L7表示手部？噌物体Q, 物体是边长为2个单位的正立方体， 写出莅达该手部位姿统阵表达式.解 因为物体Q形心与手部坐标系CCT

8、FZ的坐标原 点。相重合，则手部位置的4*1列阵为“P = l 1 1 1手部坐标系、轴的方向可用单位矢量来表示，.：（z = W ,尸=18/，9Qnx - cosa = 0 p nT = coy/f = - 1 t= cos7 = 0同理,手部坐标系/轴与轴的方向可分别用单位矢 量。和口来表示：十e；, % =。，%=%ft：鼻0,鼻0,气根据式1町可知，手部位姿可用矩阵表示为. 0-1011-r1-1001T - n o (i Pl =1J00-110001 二、坐标系与物体的平移变操点的平移的齐次变换公式(1 19)同样适用于坐标系、物体等的变换，第1 2 I节提到的算 子左、右乘规则

9、同样诲于平筋的芥次变换. .例L6图1M所示坐标系与物体的平符变费给出了下面三种情况：动坐标系.4相对 于固定坐标系的前、妨、4轴作(T,31)平移后到口动坐标系.4相对于自身坐标系 的.V、人Z轴分别作(-1，2, 2)平移后到I；物体Q相对于固定坐标系作(3 6, Q)平移 后到Q,已知：，-1 0 11-1-1110 0 In _0 0 0 0 20 T 1J0 0 1100 0 1_t1 1 1 1 J0-100写出坐标系4 1以及物体Q的矩阵表达式解动坐标率司的两个齐次坐标变换平核算子均为* loo -r 0 10 2 TnrnMAA Y. Z) =0 0 120 0 0 I01坐标

10、系层用医沿固定坐标意作平移笠换得来的.故#于左桑. (4的地阵表达1001Q0-f.0-11000I- 1- 0-110000&A Tiruist-l. 2 2)A -00I00-1100-1su0U000100VL”)坐标系是动系沿目身坐标系作平移变换得来的，故算子右乘. 4。的矩阵表达 式为-1oiTioo-f0010jo001 _ ,o -i o -r_ -1 0 0 20 C 1 10001 物体Q的齐次坐标变换邛/算子为.J”1 0 0寸0 10 6oTiajis(A.V,. SY, AZ)=n0 0 0 10 0 10故有00I 0 0 20 10 6Q

11、 =TiuuU 6 0)(? =0D100001I1 1 I 1 I 1-3 1I3J1旋转算子公式（必考）式中：RMZ*为表示齐次坐标变换时绕2轴的转动左玄龛越箱惨， 又称旋转算子,旋转算子左乘表示相对于固定坐标系进行变换.旋居茸子的内容为.飞 B -sd 0 04 0 0Rot(2)=001 000 0 1(1 J2X三、算子左、右乘规则若相对固定坐标系进行变换，则算子左乘；若相对动坐标系进行变换，则算子式中：失3自吊41曲卜同.*问理.可写出携工轴转劭的旋转算子和绕F鼬转动的旋转算子:1 0000拓00 党00 U01_C&0弹00100一喻0C00001R W=Rot(匕仍=阳.5图L

12、12所示单臂操作手的手腕也具有一个自由度.已知手部起始位姿图】11雨次瓶转变执若手臂绕！轴旋转+9/*则手部到达若手臂不动，仅手部绕手腕工轴 /隹L1J单臂线卷手手展与手的骋例1.4 已知坐标系中点 U的位置矢量U=7 3 2 1T ,将3 =RE(N JJIT90H Re ：, ，HTf 旋转口0% 则手部到达与写的手部坐 标系G】及61的矩阵表达式n艇 手臂绕定轴转动层相对固定理螺裁蕤勰转暖班:，舟帽Y轴旋转90,如图1.11所示, 求旋转变换后所得的点 Wo手却绕手腕轴靛转是相对动坐牛GjRot/ZO0)矩阵为(-lAfl.irI -I JAI)解 楔块从图至图L8划听前变掾都是相对于固

13、定坐标系QUN进行的，放各 生标突推算子应该秣次左乖.即复合变摭矩举.1.2.3复合变投月=11得 15 (4.0,1) KN ，9力=0 0 V J V 0 0U (I BQ*HQ = Ti 邢(4.0.0) RM17 -印中噂平移变换和旋转变挠可以组合在一个齐次变换中.梆为复合变换，如例L4中的点仃一若还要作4?T/+M的平移至E点，则只要左乘上平移变换算子，即 可得到最后万点的列阵表达.，E = Hl= Tiam(4,一工RN(F,91T)Rot(Z,90 )1朝L-如图LS所示的模块Q,在图I的0所示位置下描述它的音次跖 阵为.试求根铁经过辨固定坐悖系的2轴旋转-S冷，再沿工轴方向平婆

14、4后I如图L&W所示 扪齐次期阵表达式及其复鲁变换.能静.，-J.Q.2,IIri心”1AU)UAfl.lknMnAlYi(ft W的曲置图l N料块L)iW嘛转3的位V 的产注短阵表示+式中:为平礴加旋接的复合变疫矩阵.0I 00连杆参数：连杆长度连杆扭角 连杆距离 连杆转角。第五章机器人控制系统具有以下特点：（1）机器人控制系统本质上是一个非线性系统；（2）机器人控制系统是由多关节组成的一个多变控制系统，而且关节间具有耦合作用；（3）机器人控制系统是一个时变系统；机器人的位置控制可分为点位控制和连续控制。PID控制是自动化中广泛使用的一种反馈控制，其控制由比例单元（p）积分单元（i）和积分

15、单元（D）组成，利用信号的偏差值，偏差的积分值偏差的微分值的组合来构成操作量，操作两种包括了偏差信号的现在，过去，未来三方面的信息，所以是一种经典的控制方式。第六章1传感器定义传感器利用物体的物理化学变化，并将这些变化变换成电信号（电压，电流和频率）的装置传感器组成：敏感元件 转换元件和基本转换电路敏感元件的基本功能是将某种不容易测量的物理量转换为易测量的物理量。转换元件的功能是将敏感元件输出的物理量转换为电量，它与敏感元件构成传感器的主要部分。基本转换电路的功能是敏感元件产生的不易测量值的小信号进行变换，是传感器的信号输出符合具体工业系统的要求。机器人使用的传感器可分为内部传感器和外部传感器

16、两大类。（1）内部传感器是用于测量机器人自身状态的参数（如手臂间的角度）的功能元件。（2）外部传感器用于测量与机器人作业有关的的外部信息，这些信息通常与机器人的目标识别，作业安全有关。传感器的性能指标：灵敏度线性度测量范围精度重复性分辨率响应时间抗干扰能力位置和位移传感器根据其工作原理和组成的不同多种形式，常见的有 电阻式位移传感器， 电容式位移传感器，编码式位移传感器，霍尔元件位移传感器磁栅式位移传感器电位器式位移传感器可以分成两大类：直线型电位器式位移传感器旋转型电位器式位移传感器2光电编码器根据测量原理编码器可分为接触式和非接触式两种，接触式编码器采用电刷输出， 以电刷接触到点区和绝缘区

17、分别表示代码的1和0,非接触处编码器的敏感元件是光敏元件和磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区表示代码1和0。根据测出的信号，编码器可分为绝对式和增量式两实验部分舵机的内部结构：一般来说，我们用的舵机有以下几个部分组成：直流电动机、减速器（减速齿轮组）、位置反馈电位计、控制电路板（比较器）。舵机的输入线共有三根，红色在中间，为电源正极线，黑色线是电源负极（地线）线，黄色或者白色线为信号线。其中电 源线为舵机提供 6V到7V左右电压的电源。2、PWMI号控制精度制定上面已经提到了八位单片机， 我们的舵机需要的是方波信号。 单片机的精度直接影响了 舵机的控制精度，这里就详细的说明一下。我们采

18、用的是 8位STC12C5410ADCPU ,其数据分 辨率为256,那么经过舵机极限 参数实验，得到应该将其划分为 250 份。那么0.5mS-2.5Ms 的宽度 为 2mS = 2000uS。2000uS + 250=8uS则：PWM勺控制精度为8us 我们可以以8uS为单位递增控制舵机转动与定位。舵机可以转动185度，那么 185 度+ 250=0.74 度，图4-4我们在这里做了一些名词上的定义。DIV是一个时间位置单位，一个 DIV等于8us,关系入公式：1 DIV = 8uS 250DIV=2mS实际寄存器内的数值为：（#01H） 01（#0FAH 250。共185度，分为250个

19、位置，每个位置叫1DIV。则：185+250 = 0.74 度 / DIVPWMK 电平函数：0.5mS + N x DIV 0uS NX DIV 2mS0.5mS 0.5Ms+NXDIV 2.5mS根据这些知识，我们就可以开始编程，并做一些初步的实验了，学会舵机控 制是研究机器人的一个比较技术手段，需要完全掌握。6根据动作需要将各端口输出通道按舵机目的位置的数值大小进行排序/ 函数原型：void sorting()/函数名称：排序子程序 (Sorting Subroutine)功能：对所有通道口的数值进行排序。参数：返回值：无/ void sorting()(uchar i=0,j=0,x=

20、0;定义循环变量为选择的输出通道提供低电平kouchu0=0xFE;/11111110kouchu1=0xFD;/11111101kouchu2=0xFB;/11111011kouchu3=0xF7;/11110111kouchu4=0xEF;/11101111kouchu5=0xDF;/11011111kouchu6=0xBF;/10111111kouchu7=0x7F;/01111111通过冒泡法排序，将舵机目的位置数值按从小到大的顺序排列起来for(i=0;i=6;i+)for(j=i+1;j=7;j+)if(paixu_nchaipaixu_nchaj)交换数据x=paixu_ncha

21、j;paixu_nchaj=paixu_nchai;paixu_nchai=x;x=kouchuj;kouchuj=kouchui;交换数据kouchui=x;7、将排好序的数值进行N差计算，得出每相邻的两个数值间的差值，用于累计 延时获得NX DIV动作要求高电平时长。/ 函数原型：void N_value()/函数名称：N差子程序(N poor Subroutine)功能：对临近数值做差，求出相对差值，用于延时。参数：返回值：无/ void N_value()uchar i;定义循环变量for(i=0;i=6;i+)paixu_nchai=paixu_nchai-paixu_nchai+1

22、;/ N 差计算8、为舵机每一次动作提供间隔延时，用来控制其整体的动作速度/ 函数原型：sao_wei(uchar saowei)/函数名称：扫尾子程序功能：控制舵机转动的速度和加速度/影响：/入口参数：saowei,表示扫尾系数返回值：无/ void sao_wei(uchar saowei) uchar i;/定义循环变量for(i=0;isaowei;i+)delay_500us();调用延时 500us 函数任务一：如何让机器人摆头主函数调用范例:baitou(uchar cnt);动作函数详解:。注：减小舵机每void baitou(uchar cnt)(uchar i,j;for(

23、j=0;jcnt;j+)(for(i=0;i100;i+)/定义循环变量/同一动作整体执行 cnt次/循环次数设定为100次循环的增量可 以增加动作的流 畅度。(position1+; /PWM_16();sao_wei(15);控制1号舵机逆时针旋转，每次循环增量为1,身体右摆100/调用舵机输出子程序控制舵机运动/为机器人动作提供间隔延时7.5mS,控制机器人运动速度for(i=0;i200;i+)/循环次数设定为200(position1-; /PWM_16();sao_wei(30);控制1号舵机顺时针旋转，每次循环增量为1,身体左摆200/调用舵机输出子程序控制舵机运动/为机器人动作

24、提供间隔延时15mS,控制机器人运动速度for(i=0;i100;i+)/循环次数设定为100(position1+; /PWM_16();sao_wei(15);控制1号舵机逆时针旋转，每次循环增量为1,身体右摆100/调用舵机输出子程序控制舵机运动/为机器人动作提供间隔延时7.5mS,控制机器人运动速度任务二：如何让机器人鞠躬主函数调用范例：jugong(uchar step,uchar times)动作函数详解：void jugong(uchar step,uchar times)(uchar i,j;/定义循环义量for(i=0;itimes;i+)/设定鞠躬次数(for(j=0;js

25、tep;j+)/设定鞠躬幅度(position0+; /控制0号舵机逆时针旋转，每次循环增量为1,右腿position2-; /控制2号舵机顺时针旋转，每次循环增量为1,左腿PWM_16();sao_wei(20);for(j=0;jstep;j+)(position0-;/控制0号舵机顺时针旋转，每次循环增量为1,右腿position2+;/控制2号舵机逆时针旋转，每次循环增量为1,左腿PWM_16(); sao_wei(20); delay_500ms(); 注：PWM_16();”中的动作同时控制多部舵机时，虽然是依次进行设置，但是舵机是在得到“ 命令后同步开始执行动作的。任务三：如何让

26、机器人踢球主函数调用范例:动作函数详解:void tiqiu() uchar i;/左摆头/定义循环变量for(i=0;i100;i+) position1-;PWM_16();sao_wei(30);)/抬右脚for(i=0;i50;i+) position0+;PWM_16();sao_wei(10);)/落右脚for(i=0;i50;i+) position0-;PWM_16();sao_wei(10);)/身体复位for(i=0;i100;i+) position1+;PWM_16();sao_wei(30);任务四：如何让机器人左转、右转主函数调用范例:turn_l(3);/ 左转t

27、urn_r(3);/ 右转动作函数详解:void turn_l(uchar times)(uchar i,j;for(j=0;jtimes;j+)(/左摆身，重心左移 for(i=0;i40;i+) (position1-=2;PWM_16(); sao_wei(15);/抬右脚for(i=0;i10;i+)(position0+=2;PWM_16(); sao_wei(15);/重心中移 for(i=0;i100;i+) (position1+=1;PWM_16(); sao_wei(15);/磨擦转身for(i=0;i20;i+)(position0-=1;position1-;PWM_16();sao_wei(30);delay_500ms();1)左转(2)右转void turn_r(uchar times)(uchar i,j;for(j=0;jtimes；j+)(/右摆身，重心右移for(i=0;i40;i+)(position1+=2;PWM_16();sao_wei(15);/抬左脚for(i=0;i10;i+)(