机器人复习资料.doc

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1、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。机器人涉及的研究领域有：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、

2、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：工业机器人操作机结构的优化设计技术、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。第二章机器人的组成：机械部分、一个或多个传感器、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，连续轨迹伺服控制），非伺服控制机器人。结构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：机器人的主要技术参数：1. 自由度：描述物体运动所需要的独立坐标数。2

3、. 工作空间：机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域。3. 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。4. 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。5. 精度、重复精度和分辨率：用来定义机器人手部的定位能力。精度：重复精度：分辨率：机器人机械结构的组成：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。常用的机身结构有：升降回转型机身结构，俯仰型机身结构，直移型机身结构，类人机器人机身结构。臂部结构有：伸缩型臂部结构，

4、转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传动臂部结构。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，它的结构形状取决于工件的形状。V形指适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，以避免和周围障碍物相撞。长指用于夹持炽热的工件，以避免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

5、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考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考坐标系的期望位置和姿态，机器人能否使其末端执行器达到这个预期的位姿？如能达到，那么机器人有几种不同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。当表示位置时当表示方位时三个基本的旋转矩阵R(x, )= R(y, )= R(z,

6、)= 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）画出两坐标系的相互方位关系（不考虑E的原点位置）；（2）如果给出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重合，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

7、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。常用方法有：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：在动态情况下，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

8、能。利用Lagrange函数L，系统的动力学方程（称为第二类Lagrange方程）为：或表示动能，表示势能例题3 求解单自由度机械手的运动方程式解：总动能（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：1. 机器人的控制与几个运动学及动力学密切相关。2. 有多个自由度。3. 是一个计算机控制系统。4. 描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，参数总在变化。5. 由于动作可由不同方式和路径来完成，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

9、、控制系统的硬件、控制系统的软件。在控制结构上，大部分工业机器人都采用两级计算机控制。第一级担负系统监控、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，再进行各种运算处理。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结构的寻址机构，能充分利用算法中的并行性。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

10、至左流经电动机，即为反转，当A,B组同时断开时，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同，将PWM控制信号加到相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本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、接近觉传感器）第七章机器人视觉系统的硬件组成：景物和距离传感器、视频信号数字化设备、视频信号快速处理器、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组成：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。视觉处理过程及方法预处理：去噪、灰度变换、锐化。第八章智能机器人应具备的机能：运动功能、感知机能、思维机能、人机通信机能。1971年，美籍华人付京孙正式提出智能控制这一概念。智能机器人的体系结构：第一层，坐标变换和伺服控制层；第二层，动力学计算层；第三层，基本运动层；第四层，单体任务层；第五层，成组任务层；第六层，总任务层。机器人的应用举例：工业机器人、军用机器人、水下机器人、空间机器人、服务机器人、农业机器人、仿人机器人。