機(jī)器人復(fù)習(xí)資料

第一章阿西莫夫提出“機(jī)器人三原則”：1機(jī)器人不得傷害或由于故障而使人遭受不幸；2機(jī)器人應(yīng)執(zhí)行人們下達(dá)的命令，除非這些命令與第一原則相矛盾；3機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己的生存，只要這種保護(hù)行為不與第一第二原則相矛盾。世界上第一臺(tái)機(jī)器人于1954年誕生于美國(guó)。我國(guó)于1972年開(kāi)始研發(fā)工業(yè)機(jī)器人，分為3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開(kāi)發(fā)期，90年代的實(shí)用化期。機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制工程、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等學(xué)科為一體的綜合技術(shù)。機(jī)器人涉及的研究領(lǐng)域有：傳感器技術(shù)、人工智能計(jì)算機(jī)科學(xué)、假肢技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、移動(dòng)機(jī)械技術(shù)、生物功效。機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容：空間機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人靜力學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人傳感器、機(jī)器人語(yǔ)言。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)、多傳感系統(tǒng)、機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、多智能體控制技術(shù)、微型和微小機(jī)器人技術(shù)、軟機(jī)器人技術(shù)、仿人和仿生技術(shù)。第二章機(jī)器人的構(gòu)成：機(jī)械部分、一種或多個(gè)傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)源。機(jī)器人的分類： 控制方式—伺服控制機(jī)器人（點(diǎn)位伺服控制，持續(xù)軌跡伺服控制），非伺服控制機(jī)器人。 構(gòu)造坐標(biāo)系特點(diǎn)—直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、極坐標(biāo)型機(jī)器人、多關(guān)節(jié)機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)功效圖形符號(hào)：機(jī)器人的重要技術(shù)參數(shù)：自由度：描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。工作空間：機(jī)器人手臂或手部安裝點(diǎn)所能達(dá)成的全部空間區(qū)域。工作速度：機(jī)器人在工作載荷條件下、勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)的距離或轉(zhuǎn)動(dòng)是角度。工作載荷：機(jī)器人在規(guī)定的性能范疇內(nèi)，機(jī)械接口處能承受的最大負(fù)載量。精度、重復(fù)精度和分辨率：用來(lái)定義機(jī)器人手部的定位能力。精度： 重復(fù)精度： 分辨率：機(jī)器人機(jī)械構(gòu)造的構(gòu)成：手部，手腕，臂部，機(jī)身。機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)： 手臂的運(yùn)動(dòng)：垂直移動(dòng)，徑向移動(dòng)，會(huì)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 手腕的運(yùn)動(dòng)：手腕旋轉(zhuǎn)，手腕彎曲，手腕側(cè)擺。慣用的機(jī)身構(gòu)造有：升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身構(gòu)造，俯仰型機(jī)身構(gòu)造，直移型機(jī)身構(gòu)造，類人機(jī)器人機(jī)身構(gòu)造。臂部構(gòu)造有：伸縮型臂部構(gòu)造，轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部構(gòu)造，屈伸型臂部構(gòu)造，其它專用的機(jī)械傳動(dòng)臂部構(gòu)造。機(jī)身和臂部的配備型式：橫梁式，立柱式，機(jī)座式，屈伸式。擬定手部的作業(yè)方向所需的三個(gè)回轉(zhuǎn)方向?yàn)椋罕坜D(zhuǎn)，手轉(zhuǎn)，腕擺。手部機(jī)構(gòu)分為夾持類和吸附類。1、指端是手指上直接與工件接觸的部位，它的構(gòu)造形狀取決于工件的形狀。V形指合用于夾持圓柱形工件，特點(diǎn)是夾緊平穩(wěn)可靠，夾持誤差小。平面指普通用于夾持方形工件、板形或細(xì)小棒料。尖指普通用于夾持小型或柔性工件。薄指用于夾持位于狹窄工作場(chǎng)地的細(xì)小工件，以避免和周邊障礙物相撞。長(zhǎng)指用于夾持火熱的工件，以避免熱輻射對(duì)手部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響。 2、吸附類分為氣吸式和磁吸式。機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)：車輪式行走機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)、足式行走機(jī)構(gòu)、步進(jìn)式行走機(jī)構(gòu)、蠕動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)、混合式行走機(jī)構(gòu)、蛇行式行走機(jī)構(gòu)。機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有：液壓式、氣動(dòng)式和電動(dòng)式。第三章運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題： 對(duì)一給定的機(jī)器人，已知桿件幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)角矢量，求機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題： 已知機(jī)器人桿件的幾何參數(shù)，給定機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的盼望位置和姿態(tài)，機(jī)器人能否使其末端執(zhí)行器達(dá)成這個(gè)預(yù)期的位姿？如能達(dá)成，那么機(jī)器人有幾個(gè)不同形態(tài)可滿足同樣的條件？位置矢量描述坐標(biāo)系{B}的原點(diǎn)相對(duì)于{A}位置;

旋轉(zhuǎn)矩陣描述坐標(biāo)系{B}坐標(biāo)軸的方位。當(dāng)表達(dá)位置時(shí)

當(dāng)表達(dá)方位時(shí)三個(gè)基本的旋轉(zhuǎn)矩陣R(x,θ)=R(y,θ)=R(z,θ)=坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)平移的復(fù)合變換方程例題1若從基坐標(biāo)系({B})到手爪坐標(biāo)系({E})的旋轉(zhuǎn)變換矩陣為。（1）畫(huà)出兩坐標(biāo)系的互相方位關(guān)系（不考慮{E}的原點(diǎn)位置）；（2）如果給出OE({E}系的原點(diǎn)）在{B}中的位置矢量為（1，2，2），畫(huà)出兩坐標(biāo)系的相對(duì)位姿關(guān)系；（3）求a，b，c的值。

，解：（1）

（2）（3）a=0，b=1，c=0

例題2已知坐標(biāo)系{B}初始位姿與{A}重疊，首先{B}相對(duì){A}的zA軸轉(zhuǎn)30°，再沿{A}的xA軸移動(dòng)10個(gè)單位，并沿{A}的yA軸移動(dòng)5個(gè)單位。求位置矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣。若,求。解：由坐標(biāo)平移公式，可得由坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式，可得由復(fù)合變換公式，可得

第四章正動(dòng)力學(xué)問(wèn)題：機(jī)器人各執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力或力矩為已知，求解機(jī)器人關(guān)節(jié)變量在關(guān)節(jié)變量空間的軌跡或末端執(zhí)行器在笛卡爾空間的軌跡。逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題：機(jī)器人在關(guān)節(jié)變量空間的軌跡已擬定，或末端執(zhí)行器在笛卡爾空間的軌跡已擬定，求解機(jī)器人各執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力或力矩。研究動(dòng)力學(xué)的目的：為了對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效控制。慣用辦法有：牛頓—?dú)W拉法、拉格朗日法、凱恩動(dòng)力學(xué)法。運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的關(guān)系：靜力學(xué)：在靜止?fàn)顟B(tài)下，機(jī)器人的手爪接觸環(huán)境時(shí)，手爪力F與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系。

動(dòng)力學(xué)：在動(dòng)態(tài)狀況下，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力和關(guān)節(jié)位移，關(guān)節(jié)速度，關(guān)節(jié)加速度之間的關(guān)系。

運(yùn)動(dòng)學(xué)：關(guān)節(jié)位移、速度、加速度與手爪位移，速度，加速度之間的關(guān)系。拉格朗日方程式L=K-P，L是拉格朗日算子；k是動(dòng)能；P是勢(shì)能。運(yùn)用Lagrange函數(shù)L，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程（稱為第二類Lagrange方程）為：或表達(dá)動(dòng)能，表達(dá)勢(shì)能例題3求解單自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程式解：總動(dòng)能（θ為廣義坐標(biāo)）總勢(shì)能為

，代入Lagrange方程得。這里

第五章機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：機(jī)器人的控制與幾個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)親密有關(guān)。有多個(gè)自由度。是一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一種非線性模型，參數(shù)總在變化。由于動(dòng)作可由不同方式和途徑來(lái)完畢，因此存在“最優(yōu)”的問(wèn)題。機(jī)器人的控制方式：點(diǎn)位式、軌跡式、力（力矩）控制方式、智能控制方式。機(jī)器人控制的基本單元：電動(dòng)機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)電路、運(yùn)動(dòng)特性檢測(cè)傳感器、控制系統(tǒng)的硬件、控制系統(tǒng)的軟件。在控制構(gòu)造上，大部分工業(yè)機(jī)器人都采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制。第一級(jí)肩負(fù)系統(tǒng)監(jiān)控、作業(yè)管理和實(shí)時(shí)插補(bǔ)任務(wù)，第二級(jí)為各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)解決（DSP）系統(tǒng)：數(shù)字信號(hào)解決器將原始模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，再進(jìn)行多個(gè)運(yùn)算解決。含有適應(yīng)數(shù)字信號(hào)解決算法基本算法的指令，有適應(yīng)信號(hào)解決數(shù)據(jù)構(gòu)造的尋址機(jī)構(gòu)，能充足運(yùn)用算法中的并行性。H橋驅(qū)動(dòng)原理圖S1,S2,S3,S4為開(kāi)關(guān)器件或開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的半導(dǎo)體功率器件，由邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的輸出信號(hào)控制其通斷。設(shè)S1,S4為A組，設(shè)S2,S3為B組，當(dāng)A組導(dǎo)通而B(niǎo)組斷開(kāi)時(shí)，電流由左至右流經(jīng)電動(dòng)機(jī)，設(shè)為正轉(zhuǎn)，相反當(dāng)B組導(dǎo)通而A組斷開(kāi)時(shí)，電流由右至左流經(jīng)電動(dòng)機(jī)，即為反轉(zhuǎn)，當(dāng)A,B組同時(shí)斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)，正是根據(jù)方向控制信號(hào)的不同，將PWM控制信號(hào)加到對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件控制端上。第六章第一代含有計(jì)算機(jī)視覺(jué)和觸覺(jué)能力的工業(yè)機(jī)器人是由美國(guó)斯坦福研究所研制成功的。機(jī)器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器是用來(lái)擬定機(jī)器人在其本身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置，外部傳感器用于機(jī)器人本身相對(duì)其周邊環(huán)境的定位。機(jī)器人內(nèi)部傳感器分為：位置傳感器、角度傳感器、姿態(tài)傳感器。機(jī)器人外部傳感器分為：觸覺(jué)傳感器、距離傳感器（超聲波距離傳感器、靠近覺(jué)傳感器）第七章機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成：景物和距離傳感器、視頻信號(hào)數(shù)字化設(shè)備、視頻信號(hào)快速解決器、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)、機(jī)器人或機(jī)械手及其控制器。機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)構(gòu)成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、機(jī)器人視覺(jué)信息解決算法、機(jī)器人控制軟件。CCD：電荷耦合器件。視覺(jué)解決過(guò)程及辦法預(yù)解決：去噪、灰度變換、銳化。第八章智能機(jī)器人應(yīng)含有的機(jī)能：運(yùn)動(dòng)功效、感知機(jī)能