机器人复习资料

第一章阿西莫夫提出“机器人三原则”：1机器人不得伤害或由于故障而使人遭受不幸；2机器人应执行人们下达的命令，除非这些命令与第一原则相矛盾；3机器人应能保护自己的生存，只要这种保护行为不与第一第二原则相矛盾。世界上第一台机器人于1954年诞生于美国。我国于1972年开始研发工业机器人，分为3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。机器人技术是集机械工程学、计算机科学、控制工程、电子技术、传感器技术、人工智能、仿生学等学科为一体的综合技术。机器人波及的研究领域有：传感器技术、人工智能计算机科学、假肢技术、工业机器人技术、移动机械技术、生物功能。机器人的研究内容：空间机构学、机器人运动学、机器人静力学、机器人动力学、机器人控制技术、机器人传感器、机器人语言。机器人技术的发展趋势：工业机器人操作机构造的优化设计技术、机器人控制技术、多传感系统、机器人遥控及监控技术、虚拟机器人技术、多智能体控制技术、微型和微小机器人技术、软机器人技术、仿人和仿生技术。第二章机器人的构成：机械部分、一种或多种传感器、控制器、驱动源。机器人的分类： 控制方式—伺服控制机器人（点位伺服控制，持续轨迹伺服控制），非伺服控制机器人。 构造坐标系特点—直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、极坐标型机器人、多关节机器人。运动功能图形符号：机器人的重要技术参数：自由度：描述物体运动所需要的独立坐标数。工作空间：机器人手臂或手部安装点所能到达的所有空间区域。工作速度：机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动是角度。工作载荷：机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量。精度、反复精度和辨别率：用来定义机器人手部的定位能力。精度： 反复精度： 辨别率：机器人机械构造的构成：手部，手腕，臂部，机身。机器人机构的运动： 手臂的运动：垂直移动，径向移动，会转运动。 手腕的运动：手腕旋转，手腕弯曲，手腕侧摆。常用的机身构造有：升降回转型机身构造，俯仰型机身构造，直移型机身构造，类人机器人机身构造。臂部构造有：伸缩型臂部构造，转动伸缩型臂部构造，屈伸型臂部构造，其他专用的机械传动臂部构造。机身和臂部的配置型式：横梁式，立柱式，机座式，屈伸式。确定手部的作业方向所需的三个回转方向为：臂转，手转，腕摆。手部机构分为夹持类和吸附类。1、指端是手指上直接与工件接触的部位，它的构造形状取决于工件的形状。V形指合用于夹持圆柱形工件，特点是夹紧平稳可靠，夹持误差小。平面指一般用于夹持方形工件、板形或细小棒料。尖指一般用于夹持小型或柔性工件。薄指用于夹持位于狭窄工作场地的细小工件，以防止和周围障碍物相撞。长指用于夹持火热的工件，以防止热辐射对手部传动机构的影响。 2、吸附类分为气吸式和磁吸式。机器人的行走机构：车轮式行走机构、履带式行走机构、足式行走机构、步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构、蛇行式行走机构。机器人关节的驱动方式有：液压式、气动式和电动式。第三章运动学正问题： 对一给定的机器人，已知杆件几何参数和关节角矢量，求机器人末端执行器相对于参照坐标系的位置和姿态。运动学逆问题： 已知机器人杆件的几何参数，给定机器人末端执行器相对于参照坐标系的期望位置和姿态，机器人能否使其末端执行器到达这个预期的位姿？如能到达，那么机器人有几种不一样形态可满足同样的条件？位置矢量描述坐标系{B}的原点相对于{A}位置;

旋转矩阵描述坐标系{B}坐标轴的方位。当表达位置时

当表达方位时三个基本的旋转矩阵R(x,θ)=R(y,θ)=R(z,θ)=坐标旋转和坐标平移的复合变换方程例题1若从基坐标系({B})到手爪坐标系({E})的旋转变换矩阵为。（1）画出两坐标系的互相方位关系（不考虑{E}的原点位置）；（2）假如给出OE({E}系的原点）在{B}中的位置矢量为（1，2，2），画出两坐标系的相对位姿关系；（3）求a，b，c的值。

，解：（1）

（2）（3）a=0，b=1，c=0

例题2已知坐标系{B}初始位姿与{A}重叠，首先{B}相对{A}的zA轴转30°，再沿{A}的xA轴移动10个单位，并沿{A}的yA轴移动5个单位。求位置矢量和旋转矩阵。若,求。解：由坐标平移公式，可得由坐标旋转公式，可得由复合变换公式，可得

第四章正动力学问题：机器人各执行器的驱动力或力矩为已知，求解机器人关节变量在关节变量空间的轨迹或末端执行器在笛卡尔空间的轨迹。逆动力学问题：机器人在关节变量空间的轨迹已确定，或末端执行器在笛卡尔空间的轨迹已确定，求解机器人各执行器的驱动力或力矩。研究动力学的目的：为了对机器人的运动进行有效控制。常用措施有：牛顿—欧拉法、拉格朗日法、凯恩动力学法。运动学、静力学、动力学的关系：静力学：在静止状态下，机器人的手爪接触环境时，手爪力F与关节驱动力之间的关系。

动力学：在动态状况下，关节驱动力和关节位移，关节速度，关节加速度之间的关系。

运动学：关节位移、速度、加速度与手爪位移，速度，加速度之间的关系。拉格朗日方程式L=K-P，L是拉格朗日算子；k是动能；P是势能。运用Lagrange函数L，系统的动力学方程（称为第二类Lagrange方程）为：或表达动能，表达势能例题3求解单自由度机械手的运动方程式解：总动能（θ为广义坐标）总势能为

，代入Lagrange方程得。这里

第五章机器人控制系统的特点：机器人的控制与几种运动学及动力学亲密有关。有多种自由度。是一种计算机控制系统。描述机器人状态和运动的数学模型是一种非线性模型，参数总在变化。由于动作可由不一样方式和途径来完毕，因此存在“最优”的问题。机器人的控制方式：点位式、轨迹式、力（力矩）控制方式、智能控制方式。机器人控制的基本单元：电动机、减速器、驱动电路、运动特性检测传感器、控制系统的硬件、控制系统的软件。在控制构造上，大部分工业机器人都采用两级计算机控制。第一级肩负系统监控、作业管理和实时插补任务，第二级为各关节的伺服系统。数字信号处理（DSP）系统：数字信号处理器将原始模拟信号转换成数字信号后，再进行多种运算处理。具有适应数字信号处理算法基本算法的指令，有适应信号处理数据构造的寻址机构，能充足运用算法中的并行性。H桥驱动原理图S1,S2,S3,S4为开关器件或开关状态下的半导体功率器件，由逻辑信号转换电路的输出信号控制其通断。设S1,S4为A组，设S2,S3为B组，当A组导通而B组断开时，电流由左至右流经电动机，设为正转，相反当B组导通而A组断开时，电流由右至左流经电动机，即为反转，当A,B组同步断开时，电动机停转。逻辑信号转换电路的任务，正是根据方向控制信号的不一样，将PWM控制信号加到对应的开关器件控制端上。第六章第一代具有计算机视觉和触觉能力的工业机器人是由美国斯坦福研究所研制成功的。机器人传感器分为内部传感器和外部传感器。内部传感器是用来确定机器人在其自身坐标系内的姿态位置，外部传感器用于机器人自身相对其周围环境的定位。机器人内部传感器分为：位置传感器、角度传感器、姿态传感器。机器人外部传感器分为：触觉传感器、距离传感器（超声波距离传感器、靠近觉传感器）第七章机器人视觉系统的硬件构成：景物和距离传感器、视频信号数字化设备、视频信号迅速处理器、计算机及其外设、机器人或机械手及其控制器。机器人视觉系统的软件系统构成：计算机系统软件、机器人视觉信息处理算法、机器人控制软件。CCD：电荷耦合器件。视觉处理过程及措施预处理：去噪、灰度变换、锐化。第八章智能机器人应具有的机能：运动功能、感知机