2022年机器人学考试.docx

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1、精品学习资源第一章1. 机器人的定义：工业机器人，一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置的、通过可编程序动作来执行各种任务的，具有肯定的记忆储备和感知才能的，并且具有各种编程才能的多功能机械手；机器人特点：1机器人的动作机构具有类似于人或其他生物某些器官如肢体、感官等的功能2机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序敏捷多变，是柔性加工的重要组成部分3机器人具有不同程度的智能，如感知、推理、决策、学习等4机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依靠与人的干预2. 机器人的分类：第一代机器人可编程、示教的工业机器人其次代机器人具有肯定的感知才能，低级智能机器人第三代机器人具有高度适

2、应性的自治机器人3. 依据开发内容和目的区分，可分为以下三类机器人. 工业机器人Industrial Robot：如焊接、喷漆、装配机器人；. 操纵机器人Teleoperator Robot：如主从手，遥控排险、水下作业机器人；. 智能机器人Intelligent Robot：如演奏、表演、下棋、探险机器人；4. 机器人结构：1执行机构 : 机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不行少的组成部分；2驱动和传动装置 : 用来有效地驱动执行机构的装置，通常采纳液压、 电动和气动， 有直接驱动和间接驱动二种方式；3传感器 : 是机器人猎取环境信息的工具，如视觉、 听觉、

3、嗅觉、 触觉、力觉、滑觉和接近觉传感器等， 它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨；4掌握器 : 是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作掌握及对环境的识别；5. 机器人工作原理：1“示教再现”方式：通过“示教盒”或者人“手把手”两种方式教机械手如何工作， 掌握器将示教过程记忆下来，然后机器人依据记忆周而复始的工作；2“可编程掌握”方式： 工作人员事先依据机器人的工作任务和运动轨迹编制掌握程序，然后将掌握程序输入给机器人的掌握器，起动掌握程序，机器人就依据程序所规定的动作一步一步地去完成，假如任务变更，只要修改或重新编写掌握程序，特别敏捷便利； 大多数工业机器人都是依据前两种方式工作

4、的；3“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器掌握机器人在人难以到达或危急的场所完成某项任务；4“自主掌握” 方式： 是机器人掌握中最高级、最复杂的掌握方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策才能，也就是要具有人的某些智能行为；6. 位置掌握. 点位掌握PTP Point to Point ：只考虑起始点和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的掌握方式，适用于上下料、点焊、搬运等；. 连续路径掌握CP Continuous Path ：不但要求机器人以肯定的精度到达目标点，而且对其移动的轨迹形式有肯定精度范畴的要求；其次章1. 机器人的分类1） 按机器人的掌握方式分类：非

5、伺服机器人、伺服掌握机器人点位伺服掌握、连续轨迹伺服掌握2按机器人结构坐标系特点方式分类：直角坐标机器人、圆柱坐标型机器人、极坐标机器人、多关节机器人；欢迎下载精品学习资源2. 驱动方式： a.液压驱动优点：1) 液压简洁到达较高的压力常用液压为 2.56.3MPa ，体积较小，可以获得较大的推力或转矩；2) 液压系统介质的可压缩性小，工作平稳牢靠，并可得到较高的位置精度;3) 液压传动中，力、速度和方向比较简洁实现自动掌握；4) 液压系统采纳油作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长；液压传动系统的不足：1) 油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温简洁引起燃烧爆炸

6、等危急；2) 液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；3) 需要相应的供油系统，特殊是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否就会引起故障；与液压驱动相比，气压驱动的特点：1) 压缩空气粘度小，简洁到达高速1m/s ；2) 利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备；3) 空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；4) 气动元件工作压力低，故制造要求比液压元件低；不足：1) 压缩空气常用压力为0.40.6MPa ，假设要获得较大的力，其结构就要相对增大；2) 空气压缩性大，工作平稳性差，速度掌握困难，要到达精确的位置掌握很困难；3) 压缩空气的除水问题是一个

7、很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵；此外，排气仍会造成噪声污染；电动机驱动分为一般沟通电动机驱动，交、直流伺服电动机和步进电动机驱动；一般交、直流电动机驱动需要加减速装置，输出力矩大，但掌握性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人；伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，掌握性能好，可实现速度和位置的精确掌握，适用于中小型机器人；交、直流伺服电动机一般用于闭环掌握系统，而步进电动机就主要用于开环掌握系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合；3. 机器人的构型1、 直角坐标型 3P结构、掌握算法简洁，定位精度高；但工作空间较小，占地面积大，惯性大，敏捷性差；2、圆柱坐标型R2P

8、结构简洁紧凑，运动直观，其运动耦合性较弱，掌握也较简洁，运动敏捷性稍好；但自身占据空间也较大，但转动惯量较大，定位精度相对较低；3、极坐标型也称球面坐标型2RP有较大的作业空间，结构紧凑较复杂，定位精度较低；4、关节坐标型3R对作业的适应性好，工作空间大，工作敏捷，结构紧凑，通用性强，但坐标运算和掌握较复杂，难以到达高精度；5、平面关节型Selective Compliance Assembly Robot Arm， 简称 SCARA仅平面运动有耦合性，掌握较通用关节型简洁；运动敏捷性更好，速度快，定位精度高，铅垂平面刚性好，适于装配作业；欢迎下载精品学习资源4. 自由度自由度是指描述物体运动

9、所需要的独立坐标数；机器人的自由度表示机器人动作敏捷的尺度，一般以轴的直线移动、摇摆或旋转动作的数目来表示，手部的动作不包括在内；机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个冲突；第三章1. 机器人的运动学即是争论机器人手臂末端执行器位置和姿势与关节变量空间之间的关系；机器人运动学从几何或机构的角度描述和争论机器人的运动特性，而不考虑引起这些运动的力或力矩的作用；机器人运动学有如下两类基本问题：1机器人运动方程的表示问题，即正向运动学： 对一给定的机器人， 已知连杆的几何参数和关节变量， 欲求机器人末端

10、执行器相对于参考坐标系的位置和姿势；2机器人运动方程的求解问题，即逆向运动学：已知机器人连杆的几何参数，给定机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿势位姿，求机器人能够到达预期位姿的关节变量；2. 当机器人执行工作任务时，其掌握器依据加工轨迹指令规划好位姿序列数据，实时运用逆向运动学算法运算出关节参数序列，并依此驱动机器人关节，使末端依据预定的位姿序列运动；3. 小结 :齐次变换可以用来描述空间坐标系的位置与方向；假如坐标系被固定在物体或机械手连杆上，那么该物体或机械手的位置与方向同样很简洁被描述；物体 A 相对于物体 B 的齐次变换可以求其逆，来获得物体B 相对于物体 A 的描述；变换

11、可以表示为旋转变换和/ 或平移变换的乘积；假如变换是从左到右，那么旋转和/ 或平移是相对于当前的坐标系；假如变换是从右到左，那么旋转和/ 或平移是相对于参考坐标系进行；齐次变换用正交重量来描述坐标系，即用角度的正弦和余弦；这种描述可与旋转联系起来；在一般性旋转的情形下，旋转是绕任意向量旋转角；4. 连杆参数【 Denavit-HartenbergD-H参数】连杆参数：连杆长度ai-1 ： zi-1 沿着 xi-1到 zi 的距离；连杆扭转角 i-1 ： zi-1 绕 xi-1 到 zi 的转角； 关节参数：关节偏置di ：xi-1沿着 zi 到 xi 的距离；关节转角 i ： xi-1绕 zi

12、 到 xi 的转角；5. 关节空间：有 n 个自由度的工业机器人全部连杆的位置和姿势，可以用一组关节变量di 或i来描述；这组变量通常称为关节矢量或关节坐标，由这些矢量描述的空间称为关节空间；. 正向运动学：关节空间末端笛卡儿空间，单射. 逆向运动学：末端笛卡儿空间关节空间，复射6. 自由度机械手封闭解形式运动学逆解存在的两个充分条件：满意其中之一条件即可1. 任意相邻三个关节轴线相交于一点；2. 任意相邻三个关节轴线相互平行；7. 基本概念操作机的工作空间：机器人操作机正常运行时，末端执行器坐标系的原点能在空间活动的最大范畴；或者说该原点可达点占有的体积空间；这一空间又称可达空间或总工作空间

13、，记作WP ；敏捷工作空间： 在总工作空间内， 末端执行器可以任意姿势到达的点所构成的工作空间；记作 Wp P ；次工作空间：总工作空间中去掉敏捷工作生间所余下的部分；记作Ws P ；W p= W p p+ W sp欢迎下载精品学习资源第四章第三章争论机器人操作臂的位移关系，建立了操作臂的运动学方程；争论了运动学方程的反解、建立了操作空间与关节空间的映射关系；本章将在位移分析的基础上，进行速度分析；争论操作空间速度与关节空间速度之间的线性映射关系-雅可比矩阵 ；雅可比不仅用来表示操作空间与关节空间之间速度线性映射关系；同时也用来表示两空间之间力的传递关系；1. 微分旋转其结果与转动次序无关，这

14、是与有限转动一般旋转的一个重要区分；2. 任意两个微分旋转的结果为绕每个轴转动的元素的代数和，即微分旋转是可加的；3. 雅可比矩阵：机械手的直角空间运动速度与关节空间运动速度之间的变换称之为雅可比矩阵；关节空间向直角空间速度的传动比；4. 当微分变换是由直角坐标空间向关节坐标空间进行时，上式等号右边矩阵是逆雅可比矩阵；5. 式中， JTq称为操作臂的力雅可比，表示在静平稳时，F 向映射的线性关系；可以看出： 力雅可比运动雅可比的转置，即操作臂的静力传递关系与速度有关；6. 奇特形位：对于关节空间的某些形位q，操作臂的雅克比矩阵的秩削减，这些形位称为操作臂的奇特形位；当机 械手的雅克比行列式为0

15、 ，矩阵的秩为1 ，因而处于奇特状态；关节速度趋向于无穷大；从几何上看， 机械手完全伸直，或完全缩回时，机械手末端丢失了径向自由度，仅能切向运动；在奇特形位时，机械手在操作空间的自由度将削减；四种构造操作臂雅克比的方法：对于平面机器人可以采纳直接微分法求J，对于三维空间的机器人不适用，可得x,y,z 的显示方T程， J的前三行可以直接微分得到，但找不到x，y，z的一般表达式，故常用构造法求J7.矢量积法、微分变换方法：处理6 自由度的操作臂速度递推方法力和力矩递推方法第五章1. 静力学和动力学分析，是机器人机械臂设计和动态性能分析的基础；特殊是动力学分析，它仍是机器人掌握器设计、动态仿真的基础

16、；机器人静力学争论机器人静止或缓慢运动时，作用在机器人上的力和力矩问题；特殊是当手端与环境接触时，各关节力矩与接触力的关系；机器人动力学争论机器人运动与关节驱动力矩间的动态关系；描述这种动态关系的微分方程称为动力学模型；由于机器人结构的复杂性，其动力学模型也经常很复杂，因此很难实现基于机器人动力学模型的实时掌握；然而高质量的掌握应当基于被控对象的动态特性，因此，如何合理简化机器人动力学模型，使其适合于实时掌握的要求，始终是机器人动力学争论者追求的目标；2. 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、运动轨迹； 动力学逆问题： 已知机械手的运动轨迹

17、，即各关节的位移、速度和加速度，求各关节的驱动力和力矩；3. 争论目的：1、合理地确定各驱动单元以下称关节的电机功率；2、解决对伺服驱动系统的掌握问题力掌握；在机器人处于不同位置图形位形时，各关节的有效惯量及耦合量都会发生变化时变的，因此， 加于各关节的驱动力也应是时变的，可由动力学方程给以确定；4. 该式说明关节空间和直角坐标空间广义力可以借助于雅可比矩阵J 进行变换；这种变换关系，也可推广到任两杆间固联直角坐标系中的广义力变换，这时应将关节空间与直角坐标空间的雅可比矩阵，换欢迎下载精品学习资源作直角坐标空间的雅可比矩阵；5. 动力学争论方法：1） 拉格朗日方程法：通过动、势能变化与广义力的

18、关系，建立机器人的动力学方程；运算量O欢迎下载精品学习资源4n ，经优化 On3，递推 On；欢迎下载精品学习资源2） 牛顿欧拉方程法：用构件质心的平动和相对质心的转动表示机器人构件的运动，利用动静法建立基于牛顿欧拉方程的动力学方程；运算量On；3） 高斯原理法 : 利用力学中的高斯最小约束原理,把机器人动力学问题化成极值问题求解；用以解决第3二类问题；运算量On ；4） 凯恩方程法：引入偏速度概念，应用矢量分析建立动力学方程；该方法在求构件的速度、加速度及关节驱动力时，只进行一次由基础到末杆的推导，即可求出关节驱动力，其间不必求关节的约 束力，具有完整的结构，也适用于闭链机器人；运算量On.

19、 ；6. 拉格朗日 Lagrangian 函数： L=K-P, K 为动能， P 为势能动力学求解步骤：求取质点的速度、求质点的动能、求质点的位能、构造拉格朗日函数、推导动力学方程7. 动力学逆问题递推算法：1向外递推运算各连杆的速度和加速度，由牛顿- 欧拉公式算出各连杆的惯性力和力矩；2向内递推运算各连杆相互作用的力和力矩，以及关节驱动力或力矩；8. 机械手动态特性：动态特性指：工作精度、重复才能、稳固性、空间辨论率第六章1. 轨迹规划：机械手常用的两种轨迹规划方法：方法一：给出插值点上一组显式约束；方法二：给出运动路径的解析式；轨迹规划可在关节空间或直角空间中；规划器的任务：解变换方程，运

20、动学反解和插值运算；2. 关节空间规划方法：可保证关节路径平稳，有效防止奇特形位；运算简洁、简洁；但手爪运动轨迹不直观，不利避障；直角坐标空间规划方法：有利于作业的描述，直观、路径精确；但需逆运动运算，运算量大，难以防止奇特形位，掌握周期长；3. 路径点的关节速度的确定：依据工具坐标系在直角坐标空间中的瞬时线速度和角速度确定在直角坐标空间或关节空间中采纳适当的启示式方法，由掌握系统自动挑选为保证每个路径点的加速度连续，由掌握系统按此要求自动挑选第七章1. 机器人运动学描述机器人末端执行器与各关节之间的运动微分；为结构设计供应运动特性分析方法， 是动力学建模与位姿轨迹掌握的基础；机器人动力学建模

21、是基于运动学模型和刚体动力学理论，建立驱动力和力矩与关节位移、速度和加速度之间的联系；模型为结构设计供应力学特性分析方法，为掌握系统设计供应模型依据；机器人掌握问题是基于机器人运动学和动力学模型，依据详细的性能指标设计其掌握算法与系统，使机器人能按要求正常工作的理论与技术方法；2. 从动力学的角度，机器人具有以下特性：1 非线性 引起机器人非线性的因数许多，机构构型、传动机构、驱动元件等都会引起系统的非线性；2 强耦合 各关节具有耦合作用，表现为某一个关节的运动，会对其他关节产生动力效应，使得每欢迎下载精品学习资源个关节都要承担其他关节运动所产生的扰动；3 时变 机器人系统是一个时变系统，动力

22、学参数随着关节运动位置的变化而变化；3. 掌握系统硬件一般包括3 个部分：1 感知部分 用来收集机器人的内部和外部信息，如位置、速度、加速度传感器可感受机器人本体状态，而视觉、触觉、力觉等传感器可感受机器人工作环境的外部状态；2 掌握装置 用来处理各种信息，完成掌握算法，产生必要的掌握指令，它包括电脑及相应的接口，通常为多CPU 层次式掌握模块结构；3 伺服驱动部分为了使机器人完成操作及移动功能，机器人各关节的驱动机视作业要求不同可为气动、液动、交直流电动等；4. 一般机器人掌握性能要求：1 在工作空间的可控性2 稳固性 收敛性衰减振荡、相对稳固性无超调3 动态响应性能保证机器人快速到达指定的位姿并保持平稳状态4 定位精度、重复定位精度、轨迹跟踪精度5. 仿人机器人对自动掌握系统的掌握的要求：1 多轴运动和谐掌握2 不要求高刚度，但要求高稳固型3 位置无超调，动态响应速度快4 要求掌握单元的处理器具有很高的处理速度5 要求结构紧凑6. 单关节的线性模型和掌握：当机器人在低速小负载运动，各关节动力学特性中的重力和关节间耦合可以忽视，惯量参数变化不大时，机器人可以采纳单关节位置伺服反馈掌握实现有效运动；7. 操作臂的多关节掌握：1） 基于前馈和反馈的运算力矩的掌握方法2） 线性多变量掌握方法3） 自适应掌握欢迎下载