最新機器人學考試

1、第一章機器人的定義：工業(yè)機器人，一種用于移動各種材料、零件、工具或者專用裝置的、通過可編程序動作 來執(zhí)行各種任務(wù)的，具有一定的記憶存儲和感知能力的，并且具有各種編程能力的多功能機械手。機器人特征：1）機器人的動作機構(gòu)具有類似于人或其他生物某些器官（如肢體、感官等）的功能2）機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活多變，是柔性加工的重要組成部分3）機器人具有不同程度的智能，如感知、推理、決策、學習等4）機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴與人的干預(yù)機器人的分類：第一代機器人（可編程、示教的工業(yè)機器人）第二代機器人（具有一定的感知能力，低級智能機器人）第三代機器人（具有高度適

2、應(yīng)性的自治機器人）按照開發(fā)內(nèi)容和目的區(qū)分，可分為以下三類機器人-工業(yè)機器人（Industrial Robot）:如焊接、噴漆、裝配機器人。操縱機器人（Teleoperator Robot）:如主從手，遙控排險、水下作業(yè)機器人。-智能機器人（Intelligent Robot）:如演奏、表演、下棋、探險機器人。機器人結(jié)構(gòu)：1）執(zhí)行機構(gòu)：機器人的足、腿、手、臂、腰及關(guān)節(jié)等，它是機器人運動和完成某項任務(wù)所必不可少的 組成部分。2）驅(qū)動和傳動裝置：用來有效地驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的裝置，通常采用液壓、電動和氣動，有直接驅(qū)動和間 接驅(qū)動二種方式。3）傳感器：是機器人獲取環(huán)境信息的工具，如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、力

3、覺、滑覺和接近覺傳感器等，它們的功能相當于人的眼、耳、鼻、皮膚及筋骨?？刂破鳎菏菣C器人的核心，它負責對機器人的運動和各種動作控制及對環(huán)境的識別。機器人工作原理：)示教再現(xiàn)”方式：通過“示教盒”或者人“手把手”兩種方式教機械手如何工作，控制器將示教過程記憶下 來，然后機器人按照記憶周而復始的工作。了可編程控制”方式：工作人員事先根據(jù)機器人的工作任務(wù)和運動軌跡編制控制程序，然后將控制程序 輸入給機器人的控制器，起動控制程序，機器人就按照程序所規(guī)定的動作一步一步地去完成如果任務(wù) 變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。大多數(shù)工業(yè)機器人都是按照前兩種方式工作的。 3)“遙控”方式：由人用有線或

4、無線遙控器控制機器人在人難以到達或危險的場所完成某項任務(wù)。4陽主控制”方式：是機器人控制中最高級、最復雜的控制方式，它要求機器人在復雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán) 境中具有識別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。位置控制-點位控制-PTP ( Point to Point):只考慮起始點和目的點的位置，而不考慮兩點之間的移動路徑 的控制方式，適用于上下料、點焊、搬運等；-連續(xù)路徑控制-CP( Continuous Path):不但要求機器人以一定的精度到達目標點，而且對其移動 的軌跡形式有一定精度范圍的要求。第二章機器人的分類按機器人的控制方式分類：非伺服機器人、伺服控制機器人(點位伺服控制、連

5、續(xù)軌跡伺服控制按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類：直角坐標機器人、圓柱坐標型機器人、極坐標機器人、多關(guān)節(jié) 機器人。驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動優(yōu)點：1）液壓容易達到較高的壓力（常用液壓為2.56.3MPa），體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；2）液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度3）液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制；4）液壓系統(tǒng)采用油作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。液壓傳動系統(tǒng)的不足：1）油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險；2）液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價較高；3）需要相

6、應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點：1）壓縮空氣粘度小，容易達到高速（1m/s）；2）利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣，不必添加動力設(shè)備；3）空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)；4）氣動元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低。不足：1）壓縮空氣常用壓力為0.40.6MPa，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對增大；2）空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很困難；3）壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。此外，排 氣還會造成噪聲污染。電動機驅(qū)動電

7、動機驅(qū)動分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機和步進電動機驅(qū)動。普通交、直流電動機驅(qū)動需要加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機 器人。伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型 機器人。交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和 位置精度要求不高的場合。機器人的構(gòu)型1、直角坐標型(3P)結(jié)構(gòu)、控制算法簡單，定位精度高；但工作空間較小，占地面積大，慣性大，靈活性差。2、圓柱坐標型(R2P)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運動直觀，其運動耦合性較弱，控制也較簡單，運動靈活性稍好。但自身占據(jù)

8、空間也較 大，但轉(zhuǎn)動慣量較大，定位精度相對較低。3、極坐標型(也稱球面坐標型)(2RP)有較大的作業(yè)空間，結(jié)構(gòu)緊湊較復雜，定位精度較低。4、關(guān)節(jié)坐標型(3R)對作業(yè)的適應(yīng)性好，工作空間大，工作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，通用性強，但坐標計算和控制較復雜，難以達 到高精度。5、平面關(guān)節(jié)型(Selective Compliance Assembly Robot Arm，簡稱 SCARA)僅平面運動有耦合性，控制較通用關(guān)節(jié)型簡單。運動靈活性更好，速度快，定位精度高，鉛垂平面剛性 好，適于裝配作業(yè)。自由度自由度是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。機器人的自由度表示機器人動作靈活的尺度，一般以軸 的直線移動、擺動或

9、旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示，手部的動作不包括在內(nèi)。機器人的自由度越多，就越能接近人手的動作機能，通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)越復雜，對 機器人的整體要求就越高，這是機器人設(shè)計中的一個矛盾。第三章機器人的運動學即是研究機器人手臂末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)變量空間之間的關(guān)系。機器人運動學從幾何或機構(gòu)的角度描述和研究機器人的運動特性，而不考慮引起這些運動的力或力矩的作用。機器人運動學有如下兩類基本問題：1）機器人運動方程的表示問題，即正向運動學：對一給定的機器人，已知連桿的幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)變量， 欲求機器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標系的位置和姿態(tài)。2）機器人運動方程的求解問題，即逆向運動學：已知機器人連

10、桿的幾何參數(shù)，給定機器人末端執(zhí)行器 相對于參考坐標系的期望位置和姿態(tài)（位姿），求機器人能夠達到預(yù)期位姿的關(guān)節(jié)變量。當機器人執(zhí)行工作任務(wù)時，其控制器根據(jù)加工軌跡指令規(guī)劃好位姿序列數(shù)據(jù)，實時運用逆向運動學算法 計算出關(guān)節(jié)參數(shù)序列，并依此驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)，使末端按照預(yù)定的位姿序列運動。小結(jié)：齊次變換可以用來描述空間坐標系的位置與方向。如果坐標系被固定在物體或機械手連桿上，那么該物體或機械手的位置與方向同樣很容易被描述。物體A相對于物體B的齊次變換可以求其逆，來獲得物體B相對于物體A的描述。變換可以表示為旋轉(zhuǎn)變換和/或平移變換的乘積。如果變換是從左到右，那么旋轉(zhuǎn)和/或平移是相對于當 前的坐標系。如果變換

11、是從右到左，那么旋轉(zhuǎn)和/或平移是相對于參考坐標系進行。齊次變換用正交分量來描述坐標系，即用角度的正弦和余弦。這種描述可與旋轉(zhuǎn)聯(lián)系起來。在一般性旋 轉(zhuǎn)的情況下，旋轉(zhuǎn)是繞任意向量旋轉(zhuǎn)。角。連桿參數(shù)【Denavit-Hartenberg(D-H)參數(shù)】連桿參數(shù)：連桿長度ai-1 : zi-1沿著xi-1到zi的距離；連桿扭轉(zhuǎn)角ai-1 : zi-1繞xi-1到zi的轉(zhuǎn)角；關(guān)節(jié)參數(shù)：關(guān)節(jié)偏置di : xi-1沿著zi到xi的距離；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角& : xi-1繞zi到xi的轉(zhuǎn)角。關(guān)節(jié)空間：有n個自由度的工業(yè)機器人所有連桿的位置和姿態(tài)，可以用一組關(guān)節(jié)變量(di或伊)來描述。 這組變量通常稱為關(guān)節(jié)矢量或關(guān)節(jié)坐標

12、，由這些矢量描述的空間稱為關(guān)節(jié)空間。正向運動學：關(guān)節(jié)空間T末端笛卡兒空間，單射-逆向運動學：末端笛卡兒空間T關(guān)節(jié)空間，復射自由度機械手封閉解形式運動學逆解存在的兩個充分條件：(滿足其中之一條件即可)任意相鄰三個關(guān)節(jié)軸線相交于一點。任意相鄰三個關(guān)節(jié)軸線相互平行?；靖拍畈僮鳈C的工作空間：機器人操作機正常運行時，末端執(zhí)行器坐標系的原點能在空間活動的最大范圍；或者說該原點可達點占有的體積空間。這一空間又稱可達空間或總工作空間，記作W(P)O靈活工作空間：在總工作空間內(nèi)，末端執(zhí)行器可以任意姿態(tài)達到的點所構(gòu)成的工作空間。記作Wp (P)o次工作空間：總工作空間中去掉靈活工作生間所余下的部分。記作Ws (

13、P)oW (p)= Wp(p)+ Ws(p)第四章第三章討論機器人操作臂的位移關(guān)系，建立了操作臂的運動學方程。研究了運動學方程的反解、建立 了操作空間與關(guān)節(jié)空間的映射關(guān)系。本章將在位移分析的基礎(chǔ)上，進行速度分析。研究麋作空間速度與關(guān)節(jié)空間速度之間的線性映射關(guān)系-雅可比矩陣雅可比不僅用來表示操作空間與關(guān)節(jié)空間之間速度線性映射關(guān)系。同時也用來表示兩空間之間力的傳 遞關(guān)系。微分旋轉(zhuǎn)其結(jié)果與轉(zhuǎn)動次序無關(guān)，這是與有限轉(zhuǎn)動（一般旋轉(zhuǎn)）的一個重要區(qū)別。任意兩個微分旋轉(zhuǎn)的結(jié)果為繞每個軸轉(zhuǎn)動的元素的代數(shù)和，即微分旋轉(zhuǎn)是可加的。雅可比矩陣：機械手的直角空間運動速度與關(guān)節(jié)空間運動速度之間的變換稱之為雅可比矩陣。關(guān)節(jié)

14、空 間向直角空間速度的傳動比。當微分變換是由直角坐標空間向關(guān)節(jié)坐標空間進行時，上式等號右邊矩陣是逆雅可比矩陣。式中，JT（q）稱為操作臂的力雅可比，表示在靜平衡時，F(xiàn)向 映射的線性關(guān)系。可以看出：力雅可比=運動雅可比的轉(zhuǎn)置，即操作臂的靜力傳遞關(guān)系與速度有關(guān)。奇異形位：對于關(guān)節(jié)空間的某些形位q，操作臂的雅克比矩陣的秩減少，這些形位稱為操作臂的奇異形位。當機械 手的雅克比行列式為0，矩陣的秩為1，因而處于奇異狀態(tài)。關(guān)節(jié)速度趨向于無窮大。從幾何上看，機 械手完全伸直，或完全縮回時，機械手末端喪失了徑向自由度，僅能切向運動。在奇異形位時，機械手 在操作空間的自由度將減少。四種構(gòu)造操作臂雅克比的方法：對

15、于平面機器人可以采用直接微分法求J，對于三維空間的機器人不適用，可得（x,y,z）T的顯示方程，J的前三行可以直接微分得到，但找不到（0 x，9y，9z）的一般表達式，故常用構(gòu)造法求j矢量積法、微分變換方法：處理6自由度的操作臂速度遞推方法力和力矩遞推方法第五章靜力學和動力學分析，是機器人機械臂設(shè)計和動態(tài)性能分析的基礎(chǔ)。特別是動力學分析，它還是機器人 控制器設(shè)計、動態(tài)仿真的基礎(chǔ)。機器人靜力學研究機器人靜止或緩慢運動時，作用在機器人上的力和力矩問題。特別是當手端與環(huán)境接 觸時，各關(guān)節(jié)力（矩）與接觸力的關(guān)系。機器人動力學研究機器人運動與關(guān)節(jié)驅(qū)動力（矩）間的動態(tài)關(guān)系。描述這種動態(tài)關(guān)系的微分方程稱為動

16、 力學模型。由于機器人結(jié)構(gòu)的復雜性，其動力學模型也常常很復雜，因此很難實現(xiàn)基于機器人動力學模 型的實時控制。然而高質(zhì)量的控制應(yīng)當基于被控對象的動態(tài)特性，因此，如何合理簡化機器人動力學模 型，使其適合于實時控制的要求，一直是機器人動力學研究者追求的目標。有兩類問題：動力學正問題：已知機械手各關(guān)節(jié)的作用力或力矩，求各關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度、運動軌跡；動力學逆問題：已知機械手的運動軌跡，即各關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度，求各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力和力矩。研究目的：1、合理地確定各驅(qū)動單元（以下稱關(guān)節(jié)）的電機功率。2、解決對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制問題（力控制。在機器人處于不同位置圖形（位形）時，各關(guān)節(jié)的有效慣量及耦合

17、量都會發(fā)生變化（時變的），因此， 加于各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力也應(yīng)是時變的，可由動力學方程給以確定。該式表明關(guān)節(jié)空間和直角坐標空間廣義力可以借助于雅可比矩陣J進行變換。這種變換關(guān)系，也可推 廣到任兩桿間固聯(lián)直角坐標系中的廣義力變換，這時應(yīng)將關(guān)節(jié)空間與直角坐標空間的雅可比矩陣，換作 直角坐標空間的雅可比矩陣。動力學研究方法：1）拉格朗日方程法：通過動、勢能變化與廣義力的關(guān)系，建立機器人的動力學方程。計算量O（ n4）, 經(jīng)優(yōu)化O(n3)，遞推O(n)。牛頓一歐拉方程法：用構(gòu)件質(zhì)心的平動和相對質(zhì)心的轉(zhuǎn)動表示機器人構(gòu)件的運動，利用動靜法建 立基于牛頓一歐拉方程的動力學方程。計算量O(n)。高斯原理法：利用力學

18、中的高斯最小約束原理，把機器人動力學問題化成極值問題求解。用以解決第 二類問題。計算量O(n3)。凱恩方程法：引入偏速度概念，應(yīng)用矢量分析建立動力學方程。該方法在求構(gòu)件的速度、加速度 及關(guān)節(jié)驅(qū)動力時，只進行一次由基礎(chǔ)到末桿的推導，即可求出關(guān)節(jié)驅(qū)動力，其間不必求關(guān)節(jié)的約束 力，具有完整的結(jié)構(gòu)，也適用于閉鏈機器人。計算量O(n!)。拉格朗日(Lagrangian)函數(shù)：L=K-P, K為動能，P為勢能動力學求解步驟：求取質(zhì)點的速度、求質(zhì)點的動能、求質(zhì)點的位能、構(gòu)造拉格朗日函數(shù)、推導動力學方 程動力學逆問題遞推算法：向外遞推計算各連桿的速度和加速度，由牛頓歐拉公式算出各連桿的慣性力和力矩；向內(nèi)遞推計

19、算各連桿相互作用的力和力矩，以及關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩。機械手動態(tài)特性：動態(tài)特性指：工作精度、重復能力、穩(wěn)定性、空間分辨率第六章軌跡規(guī)劃：機械手常用的兩種軌跡規(guī)劃方法：方法一：給出插值點上一組顯式約束。方法二：給出運動路徑的解析 式。軌跡規(guī)劃可在關(guān)節(jié)空間或直角空間中。規(guī)劃器的任務(wù)：解變換方程，運動學反解和插值運算。關(guān)節(jié)空間規(guī)劃方法：可保證關(guān)節(jié)路徑平穩(wěn)，有效避免奇異形位；計算簡單、容易；但手爪運動軌跡不直觀，不利避障。直角坐標空間規(guī)劃方法：有利于作業(yè)的描述，直觀、路徑準確；但需逆運動計算，計算量大，難以避免奇異形位，控制周期長。路徑點的關(guān)節(jié)速度的確定：根據(jù)工具坐標系在直角坐標空間中的瞬時線速度和角速度

20、確定在直角坐標空間或關(guān)節(jié)空間中采用適當?shù)膯l(fā)式方法，由控制系統(tǒng)自動選擇為保證每個路徑點的加速度連續(xù)，由控制系統(tǒng)按此要求自動選擇第七章機器人運動學描述機器人末端執(zhí)行器與各關(guān)節(jié)之間的運動微分。為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供運動特性分析方法，是動力學建模與位姿軌跡控制的基礎(chǔ)。機器人動力學建模是基于運動學模型和剛體動力學理論，建立驅(qū)動力和力矩與關(guān)節(jié)位移、速度和加速 度之間的聯(lián)系。模型為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供力學特性分析方法，為控制系統(tǒng)設(shè)計提供模型依據(jù)。機器人控制問題是基于機器人運動學和動力學模型，根據(jù)具體的性能指標設(shè)計其控制算法與系統(tǒng)，使 機器人能按要求正常工作的理論與技術(shù)方法。2.從動力學的角度，機器人具有以下特性：（1）非線性引起機器人非線性的因數(shù)很多，機構(gòu)構(gòu)型