机器人学复习提纲

1、参考教材：机器人技术基础高教版刘极峰第一章，绪论：1，机器人发展1920提出概念1950三原则1954第一个机械手方案的专利1959第一台工业机器人诞生20世纪80年代机器人普遍应用我国起步于20世纪70年代末2，机器人定义：美国机器人协会：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行种种任务，并具有编程能力的多功能机械手。工业机器人ISO：动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官的功能；通用性，工作种类多样性，程序灵活性；智能性；独立性。3，相关学科4，分类开发内容与应用：工业机器人；操纵型机器人（非工业应用）；智能机器人（加入大量传感器，有类人型和机器智能型）

2、发展程度：第一代：示教再现；第二代：反馈控制，感知环境；第三代：多种感知，可做复杂推理、判断、决策。性能指标：超大型107N大型106N中型105N小型1N超小型结构：关节型机器人和非关节型机器人坐标形式：直角坐标型；圆柱坐标型；球坐标型；关节坐标型控制方式：点位控制空间点到点；连续轨迹控制驱动方式：气力驱动式；液力驱动式；电力驱动式；新型驱动式（如静电、压电、人工肌肉、光驱动）工作时机座可动性：固定式；移动式5，机器人的组成：三部分：机械部分；传感部分；控制部分。六个子系统：驱动系统；机械系统；感知系统；控制系统；机器人-环境交互系统；人机交互系统6，机器人参数：自由度独立坐标轴运动的数目分

3、辨率编程分辨率和控制分辨率 编程分辨率程序中可设定的最小距离单位； 控制分辨率位置反馈回路能检查到的最小位移量。精度机械误差；控制算法误差；分辨率系统误差、重复定位精度工作范围/工作区域空气人手臂末端或腕部中心能达到的所有点集合。最大工作速度主自由度最大稳定速度或末端最大合成速度。承载能力机器人在工作范围内的任何位姿所能承受的最大质量。第二章：机器人本体结构1，基本结构：传动部件、机身及行走机构、臂部、腕部、手部。2，结构特点：一般可简化为各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系；开式连杆系的每一根连杆都具有独立驱动器；连杆驱动的瞬时过程在时域内变化非常复杂，和执行器反馈信号有关；容易发生振动。

4、3，材料选择高强度、弹性模量大、质量轻、阻尼大、经济性好。4，机身及臂部结构（1）典型结构：回转与升降机身；回转与俯仰机身（2）驱动力计算：垂直升降驱动力Pq：Pq=Fm+FgW；Fm为各支撑的摩擦力；Fg为启动时总惯性力；W为运动部件总重力。回转驱动力矩Mq：Mq=Mm+Mg；Mm为总摩擦力矩；Mg为各回转运动部件的总惯性力矩，Mg=J0t（3）不卡死条件：偏重力矩悬伸端最大行程且最大抓重时对机身回转轴的静力矩。偏重臂大小：L=GiLiGi，其中Gi为零部件和工件质量；Li为他们到机身回转轴距离。偏重力矩：M=WL平衡条件：FN1、FN2为支撑力，h高度的导套故：FN1h=WL；FN1=FN

5、2=LhW；自由下降条件：WFm1+Fm2=2FN1f=2LhWf h2fL（f为导套摩擦系数）（4）臂部典型机构：臂部伸缩机构；手臂俯仰运动机构；手臂回转与升降机构。（5）平衡方法：质量平衡法、弹簧平衡法、气动和液动平衡法。5，腕部及手部结构（1）腕部基本形式和特点驱动方式直接驱动、远程驱动转动方式滚转R（360）、弯转B（360）腕部自由度单、双、三（2）腕部典型结构单自由度回转运动手腕、双回转油缸驱动腕部、齿轮传动二自由度腕部、液压直驱动三自由度手腕、齿轮链轮传动三自由度手腕。（3）手部特点：可拆卸、末端执行器、通用性差、独立部件。（4）手部分类：用途手爪、工具（专用工具，如喷枪）； 夹

6、持原理机械手抓、磁力手抓、真空手爪； 手指或吸盘数目二指节及多指节，单关节及多关节，单吸盘及多吸盘； 智能化普通爪，智能爪。（5）典型结构：机械手爪驱动：气动（广泛应用）、液动、电动、电磁 爪钳：V型、平面 传动：平行连杆式手爪、齿轮齿条式手爪、拨杆杠杆式手爪、 滑槽式手爪、重力式手爪 磁力吸盘、真空吸盘（气流负压、挤气负压）、自适应吸盘、 异形吸盘图 1平行连杆式手爪图 2齿轮齿条式手爪图 3拨杆杠杆式手爪图 4滑槽式手爪图 5重力式手爪图 6磁力吸盘图 7真空吸盘图 8自适应吸盘和异形吸盘6，传动及行走机构（1）传动基本形式和特点关节：转动、移动；传动机构：齿轮传动（行星、谐波传动）、丝杠

7、传动（滑动、滚珠、静压）、传动带和传动链、绳传动和钢带传动、连杆和凸轮、流体传动；定位：电气开关、挡块、伺服定位；消隙：消隙齿轮、柔性齿轮、对称传动消隙、偏心机构、齿廓弹性覆层消隙（2）行走机构基本形式和特点固定轨迹、无固定轨迹工业要求：机器人能够从一台机器旁边移动到另一台机器旁边，或在一个需要焊接、喷涂或加工的物体周围移动、具有承载和避障功能。典型结构：三组轮子的轮系；四组轮子的轮系；两足步行式机器人、多足机器人、履带式、特殊式（吸盘、爬行等）。第三章：机器人运动学1，齐次坐标与位姿表示空间任意一点坐标：A：AP=PXPYPZT；齐次坐标：P=PXPYPZ 1T=abc wTw为比例因子，a

8、=wPx，b=wPy，c=wPz坐标轴单位矢量i、j、k，对应齐次坐标：X=100 0T，Y= 010 0T，Z= 001 0T规定：w=0则表示方向，w0则表示点位姿表示：动系和静系在机器人坐标系中，运动时相对于连杆不动的坐标系为静系（相当于力学中的整体坐标系）；跟随连杆运动的坐标系为动系（相当于局部坐标系）。动系位置和姿态的描述成为动系位姿表示，式对动系原点位置及各坐标轴方向的描述。举例1：连杆PQP=X0Y0Z0 1T，动系XYZ方向用齐次坐标表示：n=nxnYnZ0To=oxoYoZ0Ta=axaYaZ0T由此，连杆位姿表示为：d=noaP=nxoxnYoYaxX0aYY0nzoz00

9、azZ001举例2：手部手部中心点为原点OB，矢量P，关节轴为ZB轴（a），T=noaP=nxoxnYoYaxX0aYY0nzoz00azZ001举例3：目标物楔形块绕Z轴旋转-90，再沿着X轴方向平移4。8点描述Q=1-100-11-100-1；Q=44-11661-11661-2，齐次变换旋转；绕坐标轴A=Rot（Z，）ARot（Z，）=c-ssc1Rot（X，）=100c00-s00s00c001；Rot（Y，）=c001s000-s000c001绕一般轴kRot（k，）=kxkxvers+ckYkxvers-kzskxkYvers+kzskYkYvers+ckzkxvers+kYs0k

10、zkYvers-kxs0kxkzvers-kYskYkzvers+kxs00kzkzvers+c001vers=1-cos左右乘原则平移：A点在空间直角坐标系下平移变换为AXA=XA+X;YA=YA+Y;ZA=ZA+Z即：A=Trans（x，y，z）AXAYAZA1=1001 0X0Y0000 1Z01XAYAZA1该公式同样适用于坐标系变换和物体平移变换3，位姿分析（1）杆件坐标系的建立编号：从机座到末端执行器由低到高编号，Z轴方向与关节轴线平行；末端执行器坐标：原点为形心。Xn为手指平面的法向，Yn垂直于手指，Zn朝外指向目标。各坐标系方位确定： 一般法：坐标变换方程； DH法：（1）4个

11、参数2个描述连杆：ai连杆长度、i连杆扭角（Zi-1和Zi夹角）；2个描述相邻两杆关系：di连杆距离（沿着关节i轴线两公垂线距离Xi-1和Xi）、 i连杆夹角（垂直关节i轴线两公垂线夹角Zi-1和Xi-1） （2）对于转动关节：i为关节变量，其他三个不变； 对于平动关节：di为关节变量，其他三个不变。（2）连杆坐标系间的变换矩阵用Ann-1（或记作An）表示机器人连杆n坐标系的坐标变换成连杆n-1坐标系的坐标的齐次变换矩阵。对于n个关节机器人，后一个关节向钱一个关节的坐标齐次变换矩阵分别为：Ann-1，An-1n-2，A10，也就是An，An-1，A1。4，机器人正向运动六连杆机器人运动方程：

12、变换矩阵i-1T6=AiAi+1A6，末端相对与机座的变换阵（T6）0T6=A1A2A6。5，机器人逆向运动n自由度的操作臂运动方程为：nXoXnYoY aXPXaYPYnZoZ00 aZPZ01=A1A2A3A4A5A6左边为末端位姿，求右侧关节变量即为运动学逆解。特点：多解性和可解性。第四章，机器人动力学1，机器人雅可比机器人雅可比矩阵简称机器人雅可比，揭示了操作空间与关节空间的映射关系。机器人雅克比不仅表示操作空间与关节空间的速度映射关系，也表示二者的力传递关系。定义：将一个关节速度矢量q变换为手抓相对基坐标的广义速度矢量v的变换矩阵。二自由度：J=-l1s1-l2s12-l2s12l1

13、s1+l2c12l2c12n自由度：q为广义关节变量。X=X（q1qn）Y=Y（q1qn）Z=Z（q1qn）X=X（q1qn）Y=Y（q1qn）Z=Z（q1qn）J（q）=Xq1Xq2Yq1Yq2 XqnYqnZq1Zq2Xq1Xq2 ZqnXqnYq1Yq2Zq1Zq2 YqnZqn速度分析：机器人末端在操作空间中的广义速度v=X=J（q）q，其中q为关节在关节空间的关节速度。J（q）为确定关节空间速度与操作空间速度v之间关系的雅克比矩阵。二关节： V=VX VYT=-l1s1-l2s12-l2s12l1s1+l2c12l2c1212=-(l1s1+l2s12)1-l2s122(l1s1+l

14、2c12)1l2c122已知1=f1（t）；2=f2（t），可求手部在某一时刻的瞬时速度2，静力学定义变量：fi-1，i及ni-1，i表示i-1杆通过关节i作用在i关节的力和力矩；mig为连杆i的重量。i杆的静力平衡：fi-1，i+-fi，i+1+mig=0；ni-1，i+-ni，i+1+ri-1，i+ri，Cifi-1，i+ri，Ci-fi，i+1=0；其中ri，Ci为质心相对于坐标系i的位置矢量手部关节力：F=fn,n+1nn,n+1关节力（用广义力表示）：=12n虚功原理找二者关系：=JTF3,动力学（1）欧拉方程牛顿方程，研究构件质心的运动F=mac；欧拉方程，研究相对于构件质心的转动

15、M=CI+CI（为角加速度）（2）拉格朗日方程拉格朗日函数（Ek为总动能，Ep为总势能）：L=Ek-Ep；Fi第i坐标下的广义力或力矩：Fi=ddtEkqi-Ekqi+Epqi注意：qi为广义速度，qi为广义位移。（3）力学分析过程选定广义关节变量和广义力，系统动能和系统势能计算，拉格朗日方程，系统动力学方程第五章，轨迹规划1，概述（1）机器人轨迹泛指工业机器人在运动过程中的轨迹，及运动点的位移、速度、加速度。（2）生成或描述轨迹方法：示教再现；关节空间运动；空间直线运动；空间曲线运动。（3）涉及问题障碍约束有无路径约束有离线无碰撞路径规划+在线路径跟踪离线路径规划+在线路径跟踪无位置控制+在

16、线障碍探测和避障位置控制2，插补法和插值计算（1）点位控制PTP：只要求起、终点位姿、轨迹中间的少数关键点的几何限制、最大速度、加速度的限制。 连续轨迹控制CP：路径控制。（2）机器人轨迹控制过程图（3）直线插补直线长度：L=Xe-X02+Ye-Y02+Ze-Z02行程：d=vts各轴增量：X=(Xe-X0)/NY=Ye-Y0/NZ=Ze-Z0/N各插补点坐标值：Xi+1=Xi+iX；Yi+1=Yi+iY；Zi+1=Zi+iZi=0，1，N，N=L/d + 1。（4）平面圆弧插补设v为圆弧轨迹速度，ts为插补时间间隔。由P1P2P3确定R。总圆心角=1+2。1=2arcsin(X2-X1)2+(Y2-Y1)2、2=2arcsin(X3-X2)2+(Y3-Y2)2。角位移=tsv/R。总插补数：N=/ + 1。插补点坐标值Xi+1=Xicos-YisinYi+1=Yicos+Xisini+1=i+。（5）空间圆弧插补、定时定距插补、关节空间插补（三次多项式、过路径点三次多项式、高阶、抛物线）略。第六章机器人控制系统 略第七章 机器人语言与汇编1，概述常见编程方法：示教再现、离线编程、机器人语言编程。2，编程语言类型动作级（最低级，给出一系列的关节和