机器人技术华中科技大学熊有伦复习提纲及部分题库详细解答

1、机器人技术华中科技大学熊有伦复习提纲及部分题库详细解答机器人技术复习提纲一简答题机器人内部传感器与外部传感器的作用是什么，它们都包括哪些？答：内部传感器主要用于检测机器人自身状态；包括位移传感器角数字编码器、角速度传感器；外部传感器主要用于检测机器人所处的外部环境和对象状况等；包括：力或力矩传感器触觉传感器、接近绝传感器、滑觉传感器、视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器。机器人的速度与加速度测量都常用哪些传感器？答：速度：测速发电机、增量式码盘；加速度：压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器。机器人的力觉传感器有哪几种，机器人中哪些方面会用到力觉传感器？答：种类：电阻应变片式、压电式

2、、电容式、电感式、各种外力式传感器。有三方面：装在关节驱动器上的力传感器。装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器。装在机器人手抓指关节上的力传感器。机器人的视觉传感器常用哪些方法，图像如何获取和处理？答：图像的获取： 1. 照明 2. 图像聚焦成像 3. 图形处理形成输出信号。 处理：1. 图像的增强 2. 图像的平滑 3. 图像的数据编码和传输4. 边缘锐化 5. 图像的分割。能否设想一下，一个高智能类人机器人大约会用到哪些传感器技术？答：位置传感器，速度传感器，触觉传感器，接近觉传感器，视觉传感器，听觉传感器，嗅觉传感器，味觉传感器。编码器有哪两种基本形式？各自特点是什么？两种基

3、本形式：增量式、绝对式增量式：用来测量角位置和直线位置的变化，但不能直接记录或指示位置的实际值。在所有利用增量式编码器进行位置跟踪的系统中，都必须在系统开始运行时进行复位。绝对式：每个位置都对应着透光与不透光弧段的惟一确定组合，这种确定组合有惟一的特征。通过这特征，在任意时刻都可以确定码盘的精确位置。简述直流电动机两种控制的基本原理答：直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩，定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也可以达到额定值，因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。另

4、一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场的方法来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。简述直流测速发电机的工作原理。测速发电机 (tachogenerator) 是一种检测机械转速的电磁装置。它能把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系直流测速发电机实际上是一种微型直流发电机。按励磁方式可分为两种型式。 电磁式 表示符号如图 3-2 （ a）所示

5、。定子常为二极，励磁绕组由外部直流电源供电，通电时产生磁场。目前，我国生产的 CD系列直流测速发电机为电磁式。 2 永磁式 表示符号如图 3-2 （b）所示。定子磁极是由永久磁钢做成。由于没有励磁绕组，所以可省去励磁电源。具有结构简单，使用方便等特点，近年来发展较快。其缺点是永磁材料的价格较贵，受机械振动易发生程度不同的退磁。为防止永磁式直流测速发电机的特性变坏，必须选用矫顽力较高的永磁材料。目前，我国生产的 CY系列直流测速发电机为永磁式。 (a) (b)图 3-2 直流测速发电机 (a) 电磁式；(b) 永磁式 永磁式直流测速发电机按其应用场合不同，可分为普通速度型和低速型。前者的工作转速

6、一般在每分钟几千转以上，最高可达每分钟一万转以上；而后者一般在每分钟几百转以下，最低可达每分钟一转以下。由于低速测速发电机能和低速力矩电动机直接耦合，省去了中间笨重的齿轮传动装置，消除了由于齿轮间隙带来的误差，提高了系统的精度和刚度，因而在国防、科研和工业生产等各种精密自动化技术中得到了广泛应用。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= m1*p + m2(m1 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

7、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 .定义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 .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 .机器人动力学 : 研究机器人的运动特性与力的关系 . 有两类问题 :动力学正问题 : 已知机械手各关节的作用力或力矩 , 求各关节的位移、速度、加速度动力学逆问题 : 已知机械手各关节的位移、速度和加速度 , 求各关节的驱动力和力矩。拉格朗日函数

8、L 被定义为系统的动能K 和位能 P 之差 , 即 :LKP工业机器人的工作范围：工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。工业机器人定义？工业机器人的定义：一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置的，可通过可编程序动作来执行各种任务的，并且具有各种编程能力的多功能的机械手。机器人传感器的作用和特点为何？（1）机器人传感器的作用：机器人的通用计算机必须与传感器连接起来，才能发挥全部作用。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。（2）特点：机器人感觉是把相关的特性或相关的物体特性转换为执行某

9、一种机器人功能所需的信息，这些物体特征包括几何的、光学的、机械学的、声音的、材料的、电气的、磁性的、放射性的和化学的，这些特征形成符号以表示系统，进而构成与给定工作任务有关的世界状态知识。传感器的分类内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度等）的传感器。外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人的距离。相当于视觉旋转矩阵的几何意义是什么？旋转矩阵的几何意义：为了

10、研究机器人的运动和操作，往往不仅要表示空间某一点的位置，而且需要表示物体的方位，物体的方位可由某个固接于物体的坐标系表述。为了规定空间某物体B 的方位，设置一直角坐标系B与此刚体固接，而此时也有一个参考坐标系A，而为了表示B 相对于坐标系A 的方位就引入了旋转矩阵。可以表示固定于刚体上的坐标系 B 对参考坐标系的姿态矩阵。2)可作为坐标变换矩阵. 它使得坐标系 B 中的点的坐标B p变换成 AA中点p的坐标。可作为算子 , 将 B 中的矢量或物体变换到 A 中。简述下面几个术语的含义：自有度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端

11、执行器）的开合自由度。重复定位精度是关于精度的统计数据，指机器人重复到达某一确定位置准确的概率，是重复同一位置的范围，可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳定速度，也可以定义为手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。什么叫冗余自由度机器人？答：从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。机器人技术相关考题部分题库一.计算题已知坐标系 B 的初始位姿与 A 重合

12、, 首先 B 相对于 A 的 ZA 轴转 60, 再沿A 的 X 轴移动 10 单位, 并沿 A 的 Y 轴移动 4 单位. 求位置矢量A和旋PAAB0AR.设点 P 在B 坐标系中的位置为B求它在坐标系 A 中转矩阵 BP=5,9,0,的位置。Acos60sin 6000 )= sin 60cos600=R=R(Z, 60B00110APB0 =4013220AABAB310 *因此可得： PR* PPB0 =220015.29410=8.8340013220310221005109 + 4004.70612.830三 矢量 U=7i+3j+2k ，绕 Z 轴转 90 度后，再绕 Y 轴转

13、90 度。在上述基础上再平移（ 9，-6 ， 8），求最后得到的新的点矢量。解：绕 z 旋转 90 度得：010073100037V=010*=022000111绕 y 旋转 90 度得：001032010077W=000*=123000111再平移（9，-6 ，8） T 得：111t=1113.一坐标系 B 与参考系重合 , 现将其绕通过 q=1,2,3T的轴 f 0.707 0.707 0 T转 30, 求转动后的 B 。以f x f y0.707f z0.030.0o代入算式 , 有qx1 qy2qz 30.9330.0670.3541.130.0670.9330.3541.13Rot(

14、 k,30o )0.3540.3540.8660.040001五 坐标系 B 初始与 A 重合 , 让B 绕 ZB 旋转角 ; 然后再绕 XB转角 . 求把 BP变为 AP的旋转矩阵。AB RRot( x,)Rot( z,)(1分)100cs00cssc0(2分)0sc001cs0s cc cs（2分）s scsc3. 对于下列综合变换矩阵，如何求所缺的值？列出步骤，不要求答案。0 ? 50.707 ? ? 3F? 0 20001解：根据 R 的性质求解5.图所示为二自由度平面关节型机器人机械手，图中 L1=2L2，关节的转角范围是 0 1180,-90 2180 , 画出该机械手的工作范围（

15、画图时可以设 L2=3cm）。6.单连杆机器人的转动关节，从q = 5静止开始运动，要想在4 s 内使该关节平滑地运动到q =+80 的位置停止。试按下述要求确定运动轨迹：关节运动依三次多项式插值方式规划。关节运动按抛物线过渡的线性插值方式规划。解：（ 1）采用三次多项式插值函数规划其运动。已知05 , f 80 , t f 4s, 代入可得系数为 a05, a1 0, a2 15.94, a32.66运动轨迹：t515.94t 22.66t3t31.88t 7.98t 231.88 15.96t2）运动按抛物线过渡的线性插值方式规划：05 , f80 ,t f4s,根据题意，定出加速度的取值

16、范围：48521.25s216如果选42s2 ，算出过渡时间 ta1 ，442 24244285ta1 = 2242=0.594s计算过渡域终了时的关节位置a1 和关节速度1 ，得5( 1420.5942 )2.4a1 =211t a1(420.594s)s24.95s?010?0011 0 2齐次矩阵表示为 ? 0 0 1 ，利用齐次矩阵的性质求出矩阵中“？”符号的元素。x010解：设y001，根据齐次矩阵的性Aw001质，故 w=0.x010由于Ay001RP，因为Rz102010001正交矩阵，x 01x yzx21 xyxzRRTIy 00001 = xyy2yzz1 010 0 xz

17、yz z2 1比较对角线元素，x211x0y21y1Zz2011z0此时可以用直角坐标三轴的相互关系决定取舍：X00010（取正）1001A10200001XH符合右手关系，可以是解。取负则不对了。YH0010（取负）A100101020001Y0ZHXH有一台如题 1.13 图所示的三自由度机械手的机构，各关节转角正向均由箭头所示方向指定，请标出各连杆的D-H坐标系，然后求各变换矩阵A1 ， A2 ，A3 。解： D-H 坐标系的建立按 D-H 方法建立各连杆坐标系参数和关节变量连杆123cos 1A1= sin 1 00ad10L1+ L220L3030L400sin 100cos 101

18、0L1 L2001cosA2 = sin0022sincos0020L3 cos 2cos20L3 sin 2A3 = sin10001033sincos0030L4 cos0 L4 sin1001331886 年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃中将外表像人的机器起名为“安德罗丁 ”android ），它由 4 部分组成 ：1，生命系统； 2，造型解质； 3，人造肌肉； 4，人造皮肤。1920 年捷克作家卡雷尔卡佩克 发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人 。在剧本中，构想了RUR机器人，卡佩克把捷克语“ Robota”写成了“Robot” 。为了防止机器人伤害人类， 科幻作家阿西莫夫于1940

19、年提出了“机器人三原则” ：1，机器人不应伤害人类；2，机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外 ;3，机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。在 1967 年日本召开的 第一届机器人学术会议上，提出了两个有代表性的定义。 一是森政弘与合田周平提出的： “机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等 7 个特征的柔性机器”。1987 年国际标准化组织 对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。 ”我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或动物相似的

20、智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。1988 年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划任务的作业系统， 并以此系统的使用方法作为研究对象”。公元前 2 世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人 自动机。3.1800 年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了 指南车 , 计里鼓车。后汉三国时期，蜀国丞相 诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”。5.1662 年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶；1738 年，法国 天才技师 杰克戴瓦克逊 发明了一只 机器鸭。现在保留下来的最早的机

21、器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶， 杰克道罗斯制作于二百多年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐。现代机器人的研究始于 20 世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展 ，以及原子能的开发利用。1954 年美国戴沃尔 最早提出了 工业机器人的概念，并申请了专利。 这就是所谓的 示教再现机器人 。1959 年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。作为机器人产品最早的实用机型 （示教再现） 是1962 年美国 AMF公司推出的“ VERSTRAN”（万能搬运）和 UNIMATION公司推出的“ UNIMATE”。商业化的工业机器人1970 年在

22、美国召开了第一届国际工业机器人学术会议 。11.1969 年 日本早稻田大学 加藤一郎 实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。 加藤一郎长期致力于研究仿人机器人， 被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长， 后来更进一步， 催生出本田公司的 ASIMO （2002 年）和索尼公司的 QRIO。到了 1980 年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“ 机器人元年 ”。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展， 日本也因此而赢得了“ 机器人王国 ”的美称。13.80 年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的机器人系统 称为智能机器人 ，这是一个概括的、含义广泛的

23、概念。 第三代机器人14.2002 年 丹麦 iRobot 公司推出了吸尘器机器人 Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。 Roomba 是世界上销量很大的一种家用机器人。当前与信息技术的交互和融合又产生了 “软件机器人 ”、“网络机器人 ”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。按机器人的开发内容与应用分类：一、工业机器人 (industrial robot)二、操纵型机器人 (teleoperator robot)三、智能机器人 (intelligent robot)按机器人的发展程度分类：一、第一代机器人 第一代机器人主要指只能以示教 -再现方

24、式工作的工业机器人， 称为示教 - 再现型。二、第二代机器人 第二代机器人带有一些可感知环境的装置， 通过反馈控制， 使机器人能在一定程度上适应变化的环境。三、第三代机器人 第三代机器人是智能机器人，它具有多种感知功能， 可进行复杂的逻辑推理、判断及决策，可在作业环境中独立行动；它具有发现问题且能自主地解决问题的能力。我国的机器人专家从应用环境出发， 将机器人分为两大类，即 工业机器人 和特种机器人 。目前，国际上的机器人学者， 从应用环境出发将机器人也分为两类： 制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人 ，这和我国的分类是一致的。 没有机器人，人将变为机器；有了机器人，人仍然

25、是主人。美国“索杰纳”火星探测机器人自主式的机器人小车， 同时又可从地面对它进行遥控。它的重量不超过 11.5 公斤 , 车的尺寸为 630 毫米 480 毫米 , 有六个轮子 . 最大速度为每秒 0.4 米.1997 年 7 月 4 日，美国航空航天局（ NASA）发射的火星探路者号宇宙飞船 携带“索杰纳 ”火星车登上了火星。2002 年日本本田公司最新研制的新一代机器人与一名模特握手。这种机器人拥有 三项关键技术：“调整姿势” 技术使之能象人一样自然跑动；“自行连续运动” 技术使之能自行变更目的地行走路线；“加强视觉和动力传感器” 技术使之在与人碰面时能顺畅地交流。它的跑步时速可达 3 公

26、里，和人的慢跑速度差不多。机器人机构机器人本体主要包括 :机身；(2) 臂部；(3) 腕部；(4) 手部；行走机构； (6) 传动部件。工业机器人手臂由连杆和关节构成。 工业机器人手臂的关节常为单自由度主动运动副。连杆（ Link ）：机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。关节（ Joint ）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。机器人机构的自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目 , 不包括手爪的开合自由度。 称 6 个自由度的机器人为满自由度 机器人；少于 6 个自由度的机器人为欠自由度 机器人；多于 6 个自由度的机器人为 冗余自由度 机器人。三、机器人机构的工作空

27、间1.机器人手臂正常运动时手腕部坐标系原点P能到达的空间的集合 , 即由手腕参考点所掠过的空间 , 记作 W(P), 又称可达空间 , 或总工作空间 .SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)机器人3 个旋转关节 , 其轴线相互平行 , 在平面内进行定位和定向。 ( 平面式关节机器人 )2.2机身和臂部结构机器人机身结构的基本形式和特点机身：机身是连接、支撑手臂及行走机构的部件。作用：安装臂部的驱动装置或传动装置。类型：固定式、行走式机器人臂部结构的基本形式和特点手臂 : 手臂件是机器人的主要执行部件 . 作用 : 支撑腕部和手部，带动手及腕

28、在空间运动。特点 : 结构类型多 , 受力复杂 .2.3腕部和手部结构腕部是臂部与手部的连接部件， 起支承手部和改变手部姿态的作用。 目前， RRR型三自由度手腕应用较普遍。机器人的手部作为末端执行器 , 是完成抓握工件或执行特定作业的重要部件。机器人腕部结构的基本形式和特点腕部是机器人的小臂与末端执行器( 手部或称手爪) 之间的连接部件，其作用是利用自身的活动度确定手部的空间姿态。从驱动方式看， 手腕一般有两种形式， 即远程驱动和直接驱动 。直接驱动是指驱动器安装在手腕运动关节的附近直接驱动关节运动。 远程驱动方式的驱动器安装在机器人的大臂、 基座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间

29、接驱动腕部关节运动。按转动特点的不同， 用于手腕关节的转动又可细分为滚转和弯转两种。二、 RRR型手腕RRR型手腕容易实现远距离传动 ，RRR型手腕制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为普遍。机器人手部结构的基本形式和特点安装在机器人腕部末端 , 直接作用于对象的装置叫做末端执行器 . 也可使用 手部 (hand) 这个术语来代替末端执行器， 它是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件 。人的手有两种定义：第一种定义是医学上把包括上臂、 手腕在内的整体叫做手；第二种定义是把手掌和手指部分叫做手。1按用途分手爪 2) 工具三、手爪设计和选用的要求手爪设计和选用时最主要的是 满足功能上的

30、要求，具体来说要围绕以下几个方面进行调查， 提出设计参数和要求。1被抓握的对象物 2物料馈送器或储存装置3手爪和腕部匹配4环境条件。四、手爪的典型结构1机械手爪2磁力吸盘 3 真空式吸盘2.4行走机构行走机构 按其行走移动轨迹 可分为 固定轨迹式和无固定轨迹式 。履带式移动机构履带式移动机构称为无限轨道方式.优点 : (1) 能登上较高的台阶； (2) 着地压强小 , 与地面的粘着力也较强 , 适合于在荒地上移动； (3) 能够原地旋转； (4) 重心低 , 稳定。机器人控制什么是控制 ? 简单地说， 控制就是为了达到一定目的而实行的适当操作。机器人控制系统的组成构成机器人控制系统的要素 主要

31、有：输入输出设备；计算机硬件系统及控制软件；驱动器；传感器系统。机器人的控制方式开环控制和闭环控制1、开环控制系统（ open loop controlsystem）如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制系统称为开环控制系统。 在开环控制系统中， 不需要对输出量进行测量， 也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。机器人的控制方式2、闭环控制系统（closed loop controlsystem）如果系统的输出量通过反馈环节回来作用于控制部分， 形成闭合环路， 则这样的系统称为闭环控制系统， 又称为反馈控制系统 （Feedback Control System ）。3、

32、开环控制系统与闭环控制系统的比较开环控制： 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。闭环控制： 有反向的联系 , 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。机器人的控制系统一般都是闭环控制系统！机器人的控制方式分类直接示教法 2. 遥控示教法 3. 间接示教法 4. 离线示教法机器人手爪与外界接触有两种极端状态：一种是手爪在空间中可以自由运动， 这种属于位置控制问题；另一种是手爪与环境固接在一起， 手爪完全不能自由改变位置， 可在任意方向

33、施加力和力矩， 属于力控制问题。大多数是位置 / 力的混合控制问题。机器人的速度、加速度控制。3.3PID （proportional， integral，derivative）控制算法下面给大家介绍一下在反馈控制中常用的 PID 控制。在 PID 控制的名称中，P 指 proportional( 比例），I 指 integral （积分），D指 derivative （微分），这意味着可利用偏差的比例值、偏差的积分值、偏差的微分值来控制。 PID 控制器的三个参数有不同的控制作用：（1）P 控制器 实质上是一个 具有可调增益的放大器 。在控制系统中， 增大 kP 可加快响应速度，但过大容易出

34、现振荡 ；（2）积分控制器能消除或减弱稳态偏差 ，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长， 限制系统的快速性 ；（3）微分控制规律 能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性， 有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度 ，但对输入信号的噪声很敏感 。第 4 章 工业机器人轨迹规划与智能机器人自主导航. 轨迹规划概述 a) 、定义这里所谓的轨迹是指末端操作器或关节在运动过程中的位姿、速度和加速度。工业机器人的轨迹规划是指根据工业机器人作业任务的要求，对工业机器人末端操作器或者关节在工作过程中位姿变化的路径、 取向及其变化速度和加速度进行人为设定。常见的机器人作业

35、有两种：? 点位作业（ PTP=point-to-point motion）? 连续路径作业（ continuous-path motion ），或者称为轮廓运动（ contour motion ）。、轨迹规划既可以在关节空间也可以在直角空间中进行。在关节空间中进行轨迹规划是指将所有 关节变量表示为时间的函数，用这些 关节函数及其一阶、二阶导数 描述机器人预期的 运动；在直角坐标空间中进行轨迹规划是指将 手爪位姿、速度和加速度表示为时间的函数，而相应的 关节位置、速度和加速度由 手爪信息导出 。在规划机器人的运动时， 还需要弄清楚在其路径上是否存在障碍物， 这里主要讨论连续路径的无障碍轨迹规划

36、方法。 如果路径上存在障碍物， 则在轨迹规划时还要考虑避障问题。a.三次多项式插值f只给定机器人起始点和终止点的位姿。00t ft单个关节的不同轨迹曲线为了实现平稳运动， 轨迹函数至少需要四个约束条件。即 满足起点和终点的关节角度约束 满足 起点和终点的关节速度约束（满足关节速度的连续性要求）解上面四个方程得：注意：这组解只适用于关节起点、 终点速度为零的运动情况。例：设只有一个自由度的旋转关节机械手处于静止状态时，=150 ，要在 3s 内平稳运动到达终止位置： =750 ，并且在终止点的速度为零。解：将上式的已知条件代入以下四个方程得四个系数：a0=15, a1=0, a2=20, a3=

37、-4.44(t ) 1520t24.44t 3因此得：40t13.32t2(t)(t)4026.64t直角坐标空间的轨迹规划步骤： 给出机器人末端操作器的各个路径结点确定通过路径点的拟合函数，然后根据拟合函数插值计算路径点之间的中间插补点的位姿、 速度和加速度解变换方程，进行运动学反解， 求对应的各个关节的路径节点。直角坐标空间轨迹规划与关节空间轨迹规划的区别是什么？ 直角坐标空间轨迹规划是对机器人末端操作器进行轨迹规划， 而关节空间轨迹规划是对机器人各关节进行轨迹规划。 插补运算在哪个坐标空间进行？在进行直角坐标空间轨迹规划时，必须反复求解逆运动学方程， 根据机器人末端操作器的轨迹计算得到各

38、关节的轨迹。1智能机器人定位问题定位是智能机器人实现自主导航要解决的一个基本问题，它的目的是确定机器人在工作环境中的位置，根据定位过程的特性可以将定位分为相对定位和绝对定位。第五章机器人的感觉系统什么是传感器？定义：将被测非电量通过某种原理转换成电信号的装置。传感器能感受 规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出电信号。作用：将被测非电量转换成便于放大、记录的电量。传感器的组成 敏感元件 ( 或称预变换器，也统称弹性敏感元件)将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量 （例如应变或位移） ，然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量。 传感元件凡是能将感受到的非电量（如力、温度等）直

39、接变换为电量的器件称为传感元件 。如压电晶体、光电元件及热电偶等。 传感元件是利用各种物理效应或化学效应等原理制成的。说明 :并不是所有的传感器都包括敏感元件和传感元件两部分，如合二为一的传感器： 如固态压阻式压力传感器等。传感器的常用性能指标1、灵敏度 S：2、量程3、线性度4、重复性5精度分辨率5.2机器人传感器的分类及特性根据检测对象 的不同可分为 内部传感器 和外部传感器。内部传感器用来检测机器人本身状态参数 （如手臂间角度）的传感器。多为检测位置、 速度及加速度的传感器。外部传感器用来检测机器人所处环境 （如离物体的距离有多远等） 及状况（如抓取的物体是否滑落） 的传感器。具体有力觉

40、传感器、 接近觉传感器、 触觉传感器、滑觉传感器、视觉传感器及听觉传感器等。内部传感器用来检测机器人本身状态参数 （如手臂间角度）的传感器。多为检测 位置、速度 及加速度的传感器。机器人的位置或速度控制通常是在关节空间进行的，机器人控制系统的基本单元是机器人单关节位置、速度控制，因此用于检测关节位置或速度的传感器也成为机器人关节组件中的一个基本单元。二、速度传感器1测速发电机直流测速发电机的结构原理1永久磁铁； 2转子线圈； 3电刷； 4整流子外部传感器一、力觉传感器工业机器人在进行装配、 搬运、研磨等作业时需要对工作力或力矩进行控制。力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片 。通常我们将机器人的

41、力传感器分为三类：1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。用于控制中的力反馈。2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为指力传感器。二、接近觉传感器 光纤式传感器高锟，华裔物理学家，生于中国 上海，祖籍江苏金山（今上海市金山区） ，拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份， 目前加州山景城两地居住。高锟为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为“ 光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”，曾任香港中文大学 校长。 2009 年，与威拉德博伊尔和乔治埃尔伍德史密斯共享 诺贝尔物理学奖 。三、触觉传感器触觉传感器在

42、机器人中有以下几方面的作用： (1) 感知操作手指与对象物之间的作用力， 使手指动作适当。 (2) 识别操作物的大小、形状、质量及硬度等。 (3) 躲避危险，以防碰撞障碍物引起事故。四、 滑觉传感器机械手一般采用两种抓取方式： 硬抓取和软抓取。 硬抓取 （无感知时采用） ：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。 软抓取（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳固抓取工件的最小值，以免损伤工件。五、 机器人视觉传感器视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的80%。CCD（charge coupled devices ，电荷耦合器件）CCD （电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电极

43、阵列，即无数个 CCD单元组成，也称为像素点（如 448380）。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。优点：体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般只需几十毫瓦就可以启动。非特定人的语音识别系统非特定人的语音识别系统大致可以分为 语言识别系统，单词识别系统，及数字音（ 09）识别系统。非特定人的语音识别方法则需要对 一组有代表性的人的语音进行训练 ，找出同一词音的 共性，这种训练往往是开放式的， 能对系统进行不断的修正。5.3多传感器信息融合多传感器信息融合技术是通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获取被观测

44、对象的一致性解释或描述。“信息融合”一词是 20 世纪 70 年代初由美国最早提出 。6.2 机器人语言可以按照其 作业描述水平的程度分为动作级编程语言、 对象级编程语言 和任务级编程语言 三类。动作级编程语言动作级语言是以机器人的运动作为描述中心， 通常由使手部从一个位置到另一个位置的一系列命令组成。动作级语言的每一个命令（指令）对应于一个动作。 典型的动作级语言是 VAL语言。例，可以定义机器人的运动序列的基本语句形式为” MOVE TO (destination) ”.动作级编程 分为关节级编程 和末端执行器级编程两种对象级编程语言所谓对象即作业及作业物体本身。 不需要描述机器人手爪的运

45、动， 只要由编程人员 用程序的形式给出作业本身顺序过程的描述和环境模型的描述。任务级编程语言任务级编程语言 不需要描述机器人对象物的中间状态过程，只需要按照某种规则（任务的类型）描述机器人对象物的初始状态和最终目标状态 ，机器人语言系统即可利用已有的环境信息和知识库、数据库自动进行推理、计算，从而自动生成机器人详细的动作、顺序和数据。机器人编程语言系统的组成 机 器人语言包括语言本身、 运行语言的控制机、 机器人、作业对象、周围环境和外围设备接口等。6.4常用的机器人编程语言一、动作级编程语言1、WAVE语言美国斯坦福大学于 1973 年研制出世界上第一种机器人语言 WAVE语言。2、AL 语

46、言在 WAVE语言的基础上， 1974 年斯坦福大学人工智能实验室又开发出一种新的语言，称为 AL 语言。AL 语言设计的原始目的是用于 具有传感器信息反馈的多台机器人或机械手的并行或协调控制编程 。3、VAL语言美国的 Unimation 公司于 1979 年推出了 VAL语言。二、常用的对象级编程语言美国 IBM 公司也一直致力于机器人语言的研究，取得了不少成果。 1975 年， IBM 公司研制出 ML语言 ，随后该公司又研制出另一种语言 AUTOPASS语言 。世纪 80 年代初，美国 Automatix 公司开发了 RAIL 语言，同时， 麦道公司研制了 MCL语言，独立于机器人在计

47、算机系统上实现的一种编程方法 机器人离线编程方法7.3 一些工业机器人六自由度工业机器人 是使用最广泛的工业机器人，自由度越多机器人的运动功能越强， 但成本越高。六自由度工业机器人在自动搬运、 装配、焊接、喷涂等工业现场中有广泛的应用。四自由度工业机器人可用于搬运、 点胶等简单的应用场合。1示教再现式机器人答：先由人驱动操作机， 再以示教动作作业，将示教作业程序、 位置及其他信息存储起来， 然后让机器人重现这些动作。 （5 分）2机器人系统结构由哪几个部分组成答：通常由四个相互作用的部分组成：机械手、环境、任务和 控 制 器 。（ 5 分） 3为了将 圆柱形的零件放在平板上，机器人应具有几个自

48、由度 答：一共需要 5 个：定位 3 个，放平稳 2 个。（ 5 分）下面的坐标系矩阵B 移动距离求点 P=(2，3，4)T 绕 x 轴旋转 45 度后相对于参考坐标系的坐标。写出齐次变换矩阵 TAB，它表示相对固定坐标系 A作以下变换：a） 绕 Z 轴转 90o；（b）再绕 X 轴转 -90o；c）最后做移动（ 3，7，9）T0.2 工业机器人与数控机床有什么区别？答：1.23.4.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链；. 工业机器人一般具有多关节，数控机床一般无关节且均为直角坐标系统；工业机器人是用于工业中各种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。机器人灵活性好，数控机床灵活性

49、差。0.7 题 0.7 图所示为二自由度平面关节型机器人机械手，图中 L1=2L2，关节的转角范围是 01180,-90 2180, 画出该机械手的工作范围（画图时可以设L2=3cm）。1.1点矢量 v 为10.00 20.00 30.00 T ，相对参考系作如下齐次坐标变换：A=0.8660.5000.00011.00.5000.8660.0003.00.0000.0001.0009.00001写出变换后点矢量 v 的表达式，并说明是什么性质的变换，写出旋转算子 Rot 及平移算子 Trans。0.8660.5000.00011.010.009.66，0.5000.8660.0003.020

50、.00=19.32解： v=Av=0.0000.0001.0009.030.0039000111属于复合变换：0.8660.500旋转算子 Rot（Z ，）=0.50.866 00平移算子0010000110011.0Trans（11.0，-3.0，9.0）=0103.00019.000011.2 有一旋转变换，先绕固定坐标系Z0 轴转，再绕其 X 0 轴转，最后绕其 Y0 轴转，试求该齐次坐标变换矩阵。解：齐次坐标变换矩阵R=Rot(Y ，）Rot（X ，）Rot(Z，）0.500.866010000.7070.70700=010000.8660.500.7070.70700=0.86600

51、.5000.50.866000100001000100010.6600.0470.75000.6120.6120.500.4360.4360.433000011.3坐标系 B起初与固定坐标系 O 相重合，现坐标系 B绕 Z B 旋转，然后绕旋转后的动坐标系的 X B 轴旋转，试写出该坐标系 B的起始矩阵表达式和最后矩阵表达式。1000解：起始矩阵： B=O= 010000100001最后矩阵：B=Rot(Z ，） B Rot （ X ， ）0.8660.35300=0.50.6120.612000.7070.707000011.4坐标系 A 及 B在固定坐标系 O 中的矩阵表达式为A=B=1.

52、0000.0000.0000.00.0000.8660.50010.00.0000.5000.86620.000010.8660.5000.0003.00.4330.7500.5003.00.2500.4330.8663.00001画出它们在 O 坐标系中的位置和姿势；A=Trans（0.0， 10.0，-20.0）Rot（X ， ）OB=Trans(-3.0，-3.0，3.0）Rot(X ，）Rot（Z ，）O1.5 写出齐次变换阵 BA H ，它表示坐标系 B连续相对固定坐标系 A作以下变换：（1）绕 ZA 轴旋转 。2）3）绕 XA轴旋转 - 。4）移动 3 7 9T。解： BA H =

53、Trans（3，7，9）Rot（X，-）Rot（Z ，）10031000010010030100=010700101000=00171000=0 0 1901000010010900100001000100010001000101030017100900011.6 写出齐次变换矩阵 BB H ，它表示坐标系 B 连续相对自身运动坐标系 B作以下变换：（1）移动 3 7 9T 。（2）绕 XB轴旋转。.（3）绕 ZB轴转 -。.BB H =Trans（3，7，9）Rot（X，）Rot（Z，）=100310000100010700101000=001901000010000100010001100

54、3010001030017100000170109001010090001000100011.7对于 1.7 图（ a）所示的两个楔形物体，试用两个变换序列分别表示两个楔形物体的变换过程，使最后的状态如题 1.7 图（ b)所示。(a)(b)111111111111解：A= 0 04400B=5 59955000022000022111111111111A=Trans(2，0，0）Rot（Z ，）Rot（X，）Trans（0，-4，0）A=100201001000100001001000001001040010001001000010000100010001000111111100121111

55、11004400=1000004400=00002201040000221111110001111111222200111111440044111111B=Rot（X ，）Rot（Y ，）Trans（0，-5，0）B=100000101000111111001001000105559955=01001000001000002200010001000111111100101000111111001010000105559955=1000010000100000220105000100011111110001111111000022559955=1111 110000220044001111111

56、111111.8 如题 1.8 图所示的二自由度平面机械手， 关节 1 为转动关节，关节变量为 1；关节 2 为移动关节， 关节变量为 d2。试：1）建立关节坐标系，并写出该机械手的运动方程式。2）按下列关节变量参数求出手部中心的位置值。01306090d2/m0.500.801.000.70解：建立如图所示的坐标系参数和关节变量连杆d10001200d20CA1SRot (Z , 1 )0011SC001100100d200Trans (d201000A2,0,0)01000010001机械手的运动方程式：cos1sin10d 2 cos 1T2A1A2sin001cos0010d2 sin

57、 11001当1=0，d2=0.5时：1000.50100手部中心位置值 B00000001当 =30，d =0.8 时120.8660.500.433手部中心位置值B0.50.86600.400000001当1=60，d2=1.0时0.50.86600.50.8660.500.866手部中心位置值 B00000001当1=90，d2=0.7时01001000.7手部中心位置值 B000000011.11 题 1.11 图所示为一个二自由度的机械手，两连杆长度均为 1m，试建立各杆件坐标系，求出 A1 ， A2 的变换矩阵。解：建立如图所示的坐标系参数和关节变量连 杆d1100122100A1

58、=Rot(Z,1)Trans(1,0,0)Rot(X,cos0o)= sin0011sincos00110cs0111A2=Rot(Z,-2)Trans(l,0,0)Rot(X,s 20s90o) c 20c0000002200011.13 有一台如题 1.13 图所示的三自由度机械手的机构，各关节转角正向均由箭头所示方向指定，请标出各连杆的 D-H 坐标系，然后求各变换矩阵 A1， A2， A3。解： D-H 坐标系的建立按 D-H 方法建立各连杆坐标系参数和关节变量连杆ad110L1+L2220L30330L40cosA1 =sin 00110sincos001010L1L21cosA2

59、= sin0022sincos0020L3 cos2cos20L3 sin2A3 = sin10001033sincos0030L4 cos330L4 sin310013.1何谓轨迹规划？简述轨迹规划的方法并说明其特点。答：机器人的轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点位移，速度和加速度。轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点， 将其经运动学反解映射到关节空间， 对关节空间中的相应点建立运动方程， 然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。1）示教 再现运动。这种运动由人手把手示教机器人，定时记录各关节变量， 得到沿路径运动时各关节的位

60、移时间函数 q(t)；再现时，按内存中记录的各点的值产生序列动作。2）关节空间运动。这种运动直接在关节空间里进行。由于动力学参数及其极限值直接在关节空间里描述，所以用这种方式求最短时间运动很方便。3）空间直线运动。这是一种直角空间里的运动，它便于描述空间操作，计算量小，适宜简单的作业。4）空间曲线运动。这是一种在描述空间中用明确的函数表达的运动。3.2 设一机器人具有 6 个转动关节，其关节运动均按三次多项式规划， 要求经过两个中间路径点后停在一个目标位置。 试问欲描述该机器人关节的运动，共需要多少个独立的三次多项式 ?要确定这些三次多项式，需要多少个系数 ?答：共需要 3 个独立的三次多项式