机器人技术华中科技大学熊有伦复习提纲及部分题库详细解答

机器人技术复习提纲

一・简答题

1.机器人内部传感器及外部传感器的作用是什么，它们都包括哪

些?

答：内部传感器主要用于检测机器人自身状态；包括位移传感器角数

字编码器、角速度传感器；

外部传感器主要用于检测机器人所处的外部环境和对象状况等；

包括：力或力矩传感器触觉传感器、接近绝传感器、滑觉传感器、视

觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器。

2.机器人的速度及加速度测量都常用哪些传感器？

答：速度：测速发电机、增量式码盘；

加速度：压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器。

3.机器人的力觉传感器有哪几种,机器人中哪些方面会用到力觉传

感器？

答：种类：电阻应变片式、压电式、电容式、电感式、各种外力

式传感器。

有三方面：

1.装在关节驱动器上的力传感器。

2.装在末端执行器和机器人最终一个关节之间的力传

感器。

3.装在机器人手抓指关节上的力传感器。

4.机器人的视觉传感器常用哪些方法,图像如何获得和处理？

答：图像的获得：1.照明2.图像聚焦成像3.图形处理形成输出信

号。处理：1.图像的增加2.图像的平滑3.图像的数据编码和传输4.

边缘锐化5.图像的分割。

5.能否设想一下，一个高智能类人机器人大约会用到哪些传感器技

木？

答：位置传感器，速度传感器，触觉传感器，接近觉传感器•视

觉传感器，听觉传感器，嗅觉传感器，味觉传感器。

6.编码器有哪两种根本形式？各自特点是什么？

两种根本形式：增量式、肯定式

增量式：用来测量角位置和直线位置的变更，但不能干脆记录或

指示位置的实际值。在全部利用增量式编码器进展位置跟踪的系统

中•都必需在系统开场运行时进展复位。

肯定式：每个位置都对应着透光及不透光弧段的惟一确定组合•

这种确定组合有惟一的特征。通过这特征，在随意时刻都可以确定码

盘的准确位置。

7.简述直流电动机两种限制的根本原理

答：直流伺服电动机的限制方式主要有两种：一种是电枢电压限

制，即在定子磁场不变的状况下，通过限制施加在电枢绕组两端的电

压信号来限制电动机的转速和输出转矩，定子磁场保持不变，其电枢

电流可以到达额定值，相应的输出转矩也可以到达额定值，因此这种

方式又被称为恒转矩调速方式。

另一种是励磁磁场限制，即通过变更励磁电流的大小来变更定子

磁场强度，从而限制电动机的转速和输出转矩。由于电动机在额定运

行条件下磁场已接近饱和，因此只能通过减弱磁场的方法来变更电动

机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因此随着磁场的减弱，

电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变•所以这种方

式又被称为恒功率调速方式。

8.简述直流测速发电机的工作原理。

测速发电机(tachogenerator)是一种检测机械转速的电磁装置。

它能把机械转速变换成电压信号，其输出电压及输入的转速成正比关

系

直流测速发电机事实上是一种微型直流发电机。按励磁方式可分

为两种型式。1•电磁式表示符号如图3-2(a)所示。定子常为

二极•励磁绕组由外部直流电源供电,通电时产生磁场。目前，我国

消费的CD系列直流测速发电机为电磁式。2•永磁式表示符号如

图3-2(b)所示。定子磁板是由永久磁钢做成。由于没有励磁统组，

所以可省去励磁电源。具有构造简洁，运用便利等特点，近年来开展

较快。其缺点是永磁材料的价格较贵，受机械振动易发生程度不同的

退磁。为防止永磁式直流测速发电机的特性变坏，必需选用矫顽力较

高的永磁材料。目前，我国消费的CY系列直流测速发电机为永磁式。

(a)(b)图3-2直流测速发电机(a)电磁式；(b)永磁式永磁

式直流测速发电机按其应用场合不同•可分为一般速度型和低速型。

前者的工作转速一般在每分钟几千转以上，最高可达每分钟一万转以

拉格朗日函数L被定义为系统的动能K和位能P之全肺:一尸

12.工业机器人的工作范围：

工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的全部点的集合•

也叫工作区域。

13.工业机器人定义？

工业机器人的定义：一种用于挪动各种材料、零件、工具或者专

用装置的，可通过可编程序动作来执行各种任务的，并且具有各种编

程实力的多功能的机械手。

14.机器人传感器的作用和特点为何？

（1）机器人传感器的作用：机器人的通用计算机必需及传感器

连接起来，才能发挥全部作用。机器人传感器在机器人的限制中起了

特别重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知

觉功能和反响实力。

（2）特点：机器人感觉是把相关的特性或相关的物体特性转换

为执行某一种机器人功能所需的信息，这些物体特征包括几何的、光

学的、机械学的、声音的、材料的、电气的、磁性的、放射性的和化

学的，这些特征形成符号以表示系统，进而构成及给定工作任务有关

的世界状态学问。

传感器的分类

内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度等）的传感

器。

外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，离物体的

间隔有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。

外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。

末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手上，检测

处理精致作业的感觉信息。相当于触觉。

环境传感器：用于识别物体和检测物体及机器人的间隔。

相当于视觉

15.旋转矩阵的几何意义是什么？

旋转矩阵的几何意义：为了探讨机器人的运动和操作•往往不仅

要表示空间某一点的位置，而且须要表示物体的方位，物体的方位可

由某个固接于物体的坐标系表述。为了规定空间某物体B的方位，设

置始终角坐标系｛B｝及此刚体固接，而此时也有一个参考坐标系｛A｝，

而为了表示B相对于坐标系A的方位就引入了旋转矩阵。

1）可以表示固定于刚体上的坐标系｛B｝对参考坐标系的姿态矩

阵。

2）可作为坐标变换矩阵.它使得坐标系｛B｝中的点的坐标变

换成｛A｝中点的坐标。

3）可作为算子，将｛B｝中的矢量或物体变换到｛A｝中。

16.简述下面几个术语的含义：自有度、重复定位精度、工作范围、

工作速度、承载实力。

自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执

行器）的开合自由度。

重复定位精度是关于精度的统计数据，指机器人重复到达某一确定位

置准确的概率，

是重复同一位置的范围，可以用各次不同位置平均值的偏向来表示。

工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的全部点的集合，

也叫工作区域。

工作速度一般指最大工作速度•可以是指自由度上最大的稳定速度•

也可以定义为

手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。

承载实力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质

量。

17.什么叫冗余自由度机器人？

答：从运动学的观点看,完成某一特定作业时具有多余自由度的机器

人称为冗余自由度机器人。

机器人技术相关考题局部题库

—.计算题

1.已知坐标系｛B｝的初始位姿及｛A｝重合，首先｛B｝相对于｛A｝的ZA轴转

60。,再沿｛A｝的XA轴挪动10单位，并沿｛A｝的YA轴挪动4单位.求

位置矢量APBO和旋转矩阵BAR.设点P在｛B｝坐标系中的位置为

Bp=[5,9,0],求它在坐标系｛A｝中的位置。

2-V3

cos60°-sin60°022

R=R(Z,60°)=sin60°cos60°0

~2

0010

1V3

-o

---

22-5io

1

V-5

因此可得：AP=BR^8P+AP=2-O94

l}0O2

0I00

2.三・矢量U=7i+3j+2k,绕Z轴转90度后,再绕Y轴转90度。

在上述根底上再平移（9，-6，8），求最终得到的新的点矢量。

解：绕z旋转90度得：

-10-3

007

0002

00

绕y旋转90度得：

00-32

00077

-100023

000

再平移(9，-6，8),得：

f=[().7070.707()1

3.一坐标系｛B｝及参考系重合，现将其绕通过q=[l,2,3]T的轴

转30。,求转动后的｛B｝。

以A=4=0.707工=0.0*30.0。代入算式，有

Qx=1务=2q:=3

4.五・坐标系｛B｝初始及｛A｝重合，让｛B｝绕ZB旋转e角;然后再绕XB

转牛角.求把BP变为AP的旋转矩阵。

3.对于下列综合变换矩阵，如何求所缺的值？列出步骤,不要求答

案。

解：根据R的性质求解

5.图所示为二自由度平面关节型机器人机械手，图中L1=2L2，关

节的转角范围是0°<01<180°,-90°4024180°,画出该机械

手的工作范围(画图时可以设L2=3cm)。

6.单连杆机器人的转动关节,从q=-5。静止开场运动，要想在4s

内使该关节平滑地运动到q=+80。的位置停顿。试按下述要求确

定运动轨迹：

(1)关节运动依三次多项式插值方式规划。

(2)关节运动按抛物线过渡的线性插值方式规划。

解：(1)采纳三次多项式插值函数规划其运动。已知

2=-5",%=8。°"/=4s,代入可得系数为%=-5吗=0,生=15.94必=一2.66

运动轨迹：

(2)运动按抛物线过渡的线性插值方式规划：

根据题意,定出加速度的取值范围：

假如选°=，算出过渡时间如，

4J42?x42-4x42x85

L=[22^42]=0.594s

计算过渡域终了时的关节位置%和关节速度",得

?0-10

?001

?-102

7.齐次矩阵表示为I?0°1

♦利用齐次矩阵的性质求出矩阵中

〃?〃符号的元素。

x0-10

01

解：，根据齐次矩阵的性质，故20.

02

01

x0-10

001RP

由于A=y，因为R正交矩阵，

z-10201

000

X2+1=1x=0

比拟对角线元素,・.•V=1y=±1

z2+l=1z=0

此时可以用直角坐标三轴的互相关系确定取舍:

00-10

1001

（取正）A=

0-102

0001

符合右手关系，可以是解。取负则不对了“X

00-10

-1001

（取负）A二

0-102

0001

8.有一台如题1.13图所示的三自由度机械手的机构，各关节转角正

向均由箭头所示方向指定，请标出各连杆的D-H坐标系，然后求

各变换矩阵A，4，4。

解：D-H坐标系的建立

按D-H方法建立各连杆坐标系

参数和关节变量

9a

连杆ad

190口0乙+L]

200

3。300

1886年法国作家利尔亚当在他的小说《将来夏娃》中将外表像人的

机器起名为〃安德罗丁〃(android)，它由4局部组成：1，生命系

统；2,造型解质；3,人造肌肉；4,人造皮肤。

1920年捷克作家卡雷尔♦卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器

人》。在剧本中，设想了RUR机器人，卡佩克把捷克语〃Robota〃

写成了"Robot"。

为了防止机器人损害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了〃机

器人三原则〃：

1•机器人不应损害人类；

2，机器人应遵守人类的吩咐，及第一条违反的吩咐除外；

3•机器人应能爰护自己«及第一条相抵触者除外。

在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上•提出了两个有代表

性的定义。一是森政弘及合田周平提出的:〃机器人是一种具有挪动

性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7

个特征的柔性机器〃。

1987年国际标准化组织对工业机器人进展了定义:〃工业机器人是一

种具有自动限制的操作和挪动功能，能完成各种作业的可编程操作

机。〃

我国科学家对机器人的定义是：

❖〃机器人是一种自动化的机器•所不同的是这种机器具备

一些及人或动物相像的智能实力，如感知实力、规划实力、动

作实力和协同实力•是一种具有高度敏捷性的自动化机器〃。

1.1988年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：〃机器人学是指设计能

根据传感器信息实现预先规划任务的作业系统，并以此系统的运用方

法作为探讨对象〃。

2.公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人独创了最原始的机器人一

一自动机。

3.1800年前的汉代，大科学家张衡不仅独创了地动仪•而且独创了

指南车，计里鼓车。

4.后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮胜利地创立出了〃木牛流马〃。

5.1662年，日本的竹田近江利用钟表技术独创了自动机器玩偶;

6.1738年•法国天才技师杰克・戴・瓦克逊独创了一只机器鸭。

7.如今保存下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少

女玩偶,杰克・道罗斯制作于二百多年前•两只手的十个手指可以按

动风琴的琴键而弹奏音乐。

8.现代机器人的探讨始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动

化的开展,以及原子能的开发利用。

9.1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。

这就是所谓的示教再现机器人01959年第一台工业机器人（可编程、

圆坐标）在美国诞生•创始了机器人开展的新纪元。作为机器人产

品最早的好用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的

"VERSTRAN"（万能搬运）和UNIMATION公司推出的

"UNIMATE"。-商业化的工业机器人

10.1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。

11.1969年日本早稻田高校加藤一郎试验室研发出第一台以双脚走

路的机器人。加藤一郎长期致力于探讨仿人机器人，被誉为〃仿人机

器人之父〃。日本专家一向以研发仿人机器人和消遣机器人的技术见

长•后来更进一步•催生出本田公司的ASIMO（2002年）和索尼公

司的QRIO。

12.到了1980年•工业机器人才真正在日本普及­故称该年为〃机

器人元年〃。随后,工业机器人在日本得到了宏大开展,日本也因此

而赢得了〃机器人王国〃的美称。

13.80年头，将具有感觉、思索、决策和动作实力的机器人系统称为

智能机器人,这是一个概括的、含义广泛的概念。第三代机器人

14.2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba•它能

避开障碍，自动设/行进路途，还能在电量缺乏时，自动驶向充电座。

Roomba是世界上销量很大的一种家用机器人。

当前及信息技术的交互和交融又产生了〃软件机器人〃、〃网络机器人〃

的名称•这也说明了机器人所具有的创新活力。

按机器人的开发内容及应用分类：

—、工业机器人(industrialrobot)二、操纵型机器人(teleoperator

robot)

三、智能机器人(intelligentrobot)

按机器人的开展程度分类：

-、第一代机器人第一代机器人主要指只能以示教-再现方式工

作的工业机器人，称为示教-再现型。

二、第二代机器人第二代机器人带有一些可感知环境的装置，通

过反响限制,使机器人能在肯定程度上适应变更的环境。

三、第三代机器人第三代机器人是智能机器人，它具有多种感知功

能，可进展困难的逻辑推理、推断及决策，可在作业环境中独立行动;

它具有发觉问题且能自主地解决问题的实力。

我国的机器人专家从应用环境动身,将机器人分为两大类,即工

业机器人和特种机器人。

目前•国际上的机器人学者•从应用环境动身将机器人也分为两类：

制造环境下的工业机器人和非制造环境下的效劳及仿人型机器人，这

和我国的分类是一样的。没有机器人•人将变为机

器；有了机器人，人仍旧是主人。

美国〃索杰纳〃火星探测机器人

自主式的机器人小车，同时又可从地面对它进展遥控。它的重量

不超过11.5公斤，车的尺寸为630毫米x480毫米，有六个轮子.最大速

度为每秒0.4米.

1997年7月4日，美国航空航天局(NASA)放射的火星探路者号

宇宙飞船携带〃索杰纳〃火星车登上了火星。

2002年日本本田公司最新研制的新一代机器人及一名模特握手，这

种机器人拥有三项关键技术：〃调整姿态〃技术使之能象人一样自然

跑动「自行连续运动〃技术使之能自行变更目的地行走路途；〃加强

视觉和动力传感器〃技术使之在及人碰面时能顺畅地沟通。它的跑步

时速可达3公里，和人的慢跑速度差不多。

2.机器人机构

机器人本体主要包括：

(1)机身;(2)臂部；(3)腕部；⑷手部;(5)行走机构;(6)传

动部件。

工业机器人手臂由连杆和关节构成。工业机器人手臂的关节常为单自

由度主动运动副。

连杆(Link):机器人手臂上被相邻两关节分开的局部。

关节(Joint):即运动副•允许机器人手胃各零件之间发生相对运动

的机构。

机器人机构的自由度

是指机器人所具有日勺独立坐标轴运动的数目，不包括手爪的开合自由

度。称6个自由度的机器人为满自由度机器人；少于6个自由度的机

器人为欠自由度机器人；多于6个自由度的机器人为冗余自由度机器

人。

三、机器人机构的工作空间

1.机器人手臂正常运动时手腕部坐标系原点P能到达的空间的集合,

即由手腕参考点所拂过的空间，记作W(P),又称可达空间，或总工作空

间.

SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)^HA

3个旋转关节，其轴线互相平行，在平面内进展定位和定向。(平面式欠

节机器人)

2.2机身和臂部构造

2.2.1机器人机身构造的根本形式和特点

机身：机身是连接、支撑手臂及行走机构的部件。作用：安装臂部的

驱动装置或传动装置。

类型：固定式、行走式

2.2.2机器人臂部构造的根本形式和特点

手臂:手臂件是机器人的主要执行部件.作用:支撑腕部和手部，带动手

及腕在空间运动。

特点:构造类型多，受力困难.

2.3腕部和手部构造

腕部是臂部及手部的连接部件•起支承手部和变更手部姿态的作用。

目前，RRR型三自由度手腕应用较普遍。

机器人的手部作为末端执行器，是完成抓握工件或执行特定作业的重

要部件。

2.3.1机器人腕部构造的根本形式和特点

腕部是机器人的小臂及末端执行器(手部或称手爪)之间的连接部件•

其作用是利用自身的活动度确定手部的空间姿态。

从驱动方式看，手腕一般有两种形式，即远程驱动和干脆驱动。干脆

驱动是指驱动器安装在手腕运动关节的旁边干脆驱动关节运动。远程

驱动方式的驱动器安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连

杆、链条或其他传动机构间接驱动腕部关节运动。

按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为滚转和弯转两

种。

二、RRR型手腕

RRR型手腕简洁实现远间隔传动•RRR型手腕制造简洁•光滑条件

好，机械效率高，应用较为普遍。

2.3.2机器人手部构造的根本形式和特点

安装在机器人腕部末端干脆作用于对象的装置叫做末端执行器也可

运用手部(hand)这个术语来代替末端执行器，它是装在机器人手腕上

干脆抓握工件或执行作业的部件。人的手有两种定义：第一种定义是

医学上把包括上臂、手腕在内的整体叫做手；第二种定义是把手掌和

手指局部叫做手。

1•按用处分

1）手爪2）工具

三、手爪设计和选用的要求

手爪设计和选用时最主要的是满意功能上的要求，具体来说要围绕以

下几个方面进展调查•提出设计参数和要求。

1•被抓握的对象物2•物料馈送器或储存装置3•手爪和腕部匹配

4•环境条件。

四、手爪的典型构造

1•机械手爪2•磁力吸盘3•真空式吸盘

2.4行走机构

行走机构按其行走挪动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。

2.4.2履带式挪动机构

履带式挪动机构称为无限轨道方式.

优点：（1）能登上较高的台阶；（2）着地压强小,及地面的粘着力也较

强，合适于在荒t也上挪动；（3）可以原地旋转；（4）重心低，稳定。

3机器人限制

什么是限制？简洁地说，限制就是为了到达肯定目的而实行的适当操

作。

3.1.1机器人限制系统的组成

构成机器人限制系统的要素主要有：输入/输出设备；计算机硬件系

统及限制软件；驱动器"专感器系统。

3.1.3机器人的限制方式

开环限制和闭环限制

1、开环限制系统（openloopcontrolsystem）

假如系统的输出量及输入量间不存在反响的通道，这种限制系统

称为开环限制系统。在开环限制系统中，不须要对输出量进展测量，

也不须要将输出量反响到系统输入端及输入量进展比拟。

3.1.3机器人的限制方式

2、闭环限制系统(closedloopcontrolsystem)

假如系统的输出量通过反响环节回来作用于限制局部，形成闭合

环路，则这样的系统称为闭环限制系统，又称为反响限制系统

(FeedbackControlSystem)°

3、开环限制系统及闭环限制系统的比拟

开环限制：顺向作用，没有反向的联络•没有修正偏向实力，抗扰动

性较差。构造简洁、调整便利、本钱低。在精度要求不高或扰动影响

较小的状况下，这种限制方式还有肯定的好用价值。

闭环限制：有反向的联络，偏向限制，可以抑制内、外扰动对被限制

量产生的影响。精度高、构造困难，设计、分析费事。

机器人的限制系统一般都是闭环限制系统！

3.1.4机器人的限制方式分类

1.干脆示教法2.遥控示教法3.间接示教法4.离线示教法

机器人手爪及外界接触有两种极端状态：

一种是手爪在空间中可以自由运动,这种属于位置限制问题；

另一种是手爪及环境固接在一起，手爪完全不能自由变更位置，可在

随意方向施加力和力矩,属于力限制问题。大多数是位置/力的混合

限制问题。机器人的速度、加速度限制。

3.3PID(proportional*integral•derivative)限制算法

下面给大家介绍一下在反响限制中常用的PID限制。在PID限制的

名称中，P指proportional(比例)，I指integral(积分)，D指

derivative(微分)，这意味着可利用偏向的比例值、偏向的积分值、

偏向的微分值来限制。

PID限制器的三个参数有不同的限制作用：

(1)P限制器本质上是一个具有可调增益的放大器。在限制系统中，

增大奸可加快响应速度，但过大简洁出现振荡；

(2)积分限制器能消退或减弱稳态偏向，但它的存在会使系统到达

稳态的时间变长•限制系统的快速性；

(3)微分限制规律能反映输入信号的变更趋势，相比照例限制规律

而言具有预见性，有助于削减超调量.克制振荡.使系统趋于稳定，

加快系统的跟踪速度，但对输入信号的噪声很敏感。

第4章工业机器人轨迹规划及智能机器人自主导航

1.轨迹规划概述

a)、定义

这里所谓的轨迹是指末端操作器或关节在运动过程中的位姿、速度和

加速度。

工业机器人的轨迹规划是指根据工业机器人作业任务的要求,对工业

机器人末端操作器或者关节在工作过程中位姿变更的途径、取向及其

变更速度和加速度进展人为设定。

常见的机器人作业有两种：

•点位作业(PTP二point-to-pointmotion)

•连续途径作业(continuous-pathmotion)，或者称为轮廓运

动(contourmotion)°

c)、轨迹规划既可以在关节空间也可以在直角空间中进展。

在关节空间中进展轨迹规划是指将全部关节变量表示为时间的函数•

用这些今节函数及其一阶、二阶导数描绘机器人预期的运动；在直角

坐标空间中进展轨迹规划是指将手爪位姿、速度和加速度表示为时间

的函数•而相应的关节位置、速度和加速度由手爪信息导出。

在规划机器人的运动时,还须要弄清晰在其途径上是否存在障碍物，

这里主要探讨连续途径的无障碍轨迹规划方法。假如途径上存在障碍

物，则在轨迹规划时还要考虑避障问题。

a.三次多项式插值'__________

只给定机器人起始点和终止点的位姿。,

为了实现平稳运动，轨迹函数至少须要四个［匚」______.

otft

今个关节的不同轨迹曲跳

I伙0）=备

（即7）=%起点和终点的关节角度约束

\，（0）=0起点和终点的关节速度约束

即）=0

3

%=不乌一稣）

%=稣。

%=0%=一百（%一吊）

解上面四个方程得：%

留意：这组解只适用于关节起点、终点速度为零的运动状况。

例：设只有一个自由度的旋转冬节机械手处于静止状态时•

=150，要在3s内平稳运动到达终止位置：=750，并

且在终止点的速度为零。

解：将上式的已知条件代入以下四个方程得四个系数：

a0=15zal=0za2=20,a3=-4.44

因此得丝）=15+2。产-4.44产

直角坐，"）=40・13.32/步骤：给出机器人末端操作器的各个途径结

6＞（/）=40-26.64/

点一确定通过途径点的拟合函数，然后根据拟合函数插值计算途径点

之间的中间插补点的位姿、速度和加速度-解变换方程，进展运动学

反解，求对应的各个关节的途径节点。

直角坐标空间轨迹规划及关节空间轨迹规划的区分是什么？直角坐

标空间轨迹规划是对机器人末端操作器进展轨迹规划，而关节空间轨

迹规划是对机器人各关节进展轨迹规划。插补运算在哪个坐标空间

进展？在进展直角坐标空间轨迹规划时，必需反复求解逆运动学方

程•根据机器人末端操作器的轨迹计算得到各关节的轨迹。

1•智能机器人定位问题

定位是智能机器人实现自主导航要解决的一个根本问题，它的目的是

确定机器人在工作环境中的位置，根据定位过程的特性可以将定位分

为相对定位和肯定定位。

第五章机器人的感觉系统

5.1.1什么是传感器？

♦定义：将被测非电量通过某种原理转换成电信号的装

置。

传感器能感受规定的被测量，并根据肯定规律转换成可用输

出电信号。

♦作用：将被测非电量转换成便于放大、记录的电量。

传感器的组成

①敏感元件（或称预变换器，也统称弹性敏感元件）

将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量（例如

应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量，

②传感元件

但凡能将感受到的非电量（如力、温度等）干脆变换为电量的器

件称为传感元件。如压电晶体、光电元件及热电偶等。传感元件是利

用各种物理效应或化学效应等原理制成的。

说明：

并不是全部的传感器都包括敏麻元件和传感元件

两局部•如合二为一的传感器：如固态压阻式压力传感器等。

5.1.2传感器的常用性能指标

1、灵敏度5；

2、量程

3、线性度

4、重复性

5•精度

6辨别率

5.2机器人传感器的分类及特性

根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。

a.内部传感器

用来检测机器人本身状态参数（如手臂间角度）的传感器。多为检测

位置、速度及加速度的传感器。

b.外部传感器

用来检测机器人所处环境（如离物体的间隔有多远等）及状况

（如抓取的物体是否滑落）的传减器。

具体有力觉传感器、接近觉传感器、触觉传感器、滑觉传感器、

视觉传感器及听觉传感器等。

5.2.1内部传感器

用来检测机器人本身状态参数（如手臂间角度）的传感器。多为

检测位置、速度及加速度的传感器。

机器人的位置或速度限制通常是在关节空间进展的，机器人限制系统

的根本单元是机器人单关节位置、速度限制，因此用于检测关节位置

或速度的传感器也成为机器人关节组件中的一个根本单元。

二、速度传感器

直流测速发电机的构造原理1—永久磁铁;2—

转子线圈；3—电同；4—整流子

5.2.2外部传感器

-、力觉传感器

工业机器人在进展装配、搬运、研磨等作业时须要对工作力或力矩进

展限制。

力觉传感器运用的主要元件是电阻应变片。

通常我们将机器人的力传感器分为三类：

（1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。用于限

制中的力反响。

（2）装在末端执行器和机器人最终一个关节之间的力传感器•称

为腕力传感器。

（3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器•称为指力

传感器。

二、接近觉传感器光纤式传感器

高银•华裔物理学家•生于中国上海，祖籍江苏金山（今上海市金山

区），拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份,目前加州山景城

两地居住。高银为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为〃光纤

之父〃、普世誉之为〃光纤通讯之父〃，曾任香港中文高校校长02009

年•及威拉德•博伊尔和乔治•埃尔伍德・史密斯共享诺贝尔物理学奖。

三、触觉传感器

触觉传感器在机器人中有以下几方面的作用：（1）感知操作手指及对

象物之间的作用力，使手指动作适当。（2）识别操作物的大小、形态、

质量及硬度等。（3）躲避危急，以防碰撞障碍物引起事故。

四、滑觉传感器

机械手一般采纳两种抓取方式：硬抓取和软抓取。硬抓取（无感

知时采纳）：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。软抓取（有

滑觉传感器时采纳）：末端执行器使夹紧力保持在能稳固抓取工件的

最小值，以免损伤工件。

五、机器人视觉传感器

视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的80%。

CCD（chargecoupleddevices•电荷耦合器件）

CCD（电荷耦合器件）的根本构造是一个间隙很小的光敏电极阵

列，即多数个CCD单元组成，也称为像素点（如448x380）。它可

以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。

优点：体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般只需

几十毫瓦就可以言动。

非特定人的语音识别系统

非特定人的语音识别系统大致可以分为语言识别系统，单词识别

系统•及数字音（0~9）识别系统。

非特定人的语音识别方法则须要对一组有代表性的人的语音进

展训练,找出同一词音的共性•这种训练往往是开放式的•能对系统

进展不断的修正。

5.3多传感器信息交融

多传感器信息交融技术是通过对这些传感器及其观测信息的合

理支配和运用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信息根据

某种准则进展组合，以获得被观测对象的一样性说明或描绘。

〃信息交融〃一词是20世纪70年头初由美国最早提出。

6.2机器人语言可以根据其作业描绘程度的程度分为动作级编程语

言、对象级编程语言和任务级编程语言三类。

6.2.1动作级编程语言

动作级语言是以机器人的运动作为描绘中心，通常由使手部从一个位

置到另一个位置的一系列吩咐组成。动作级语言的每一个吩咐（指令）

对应于一个动作。典型的动作级语言是VAL语言。例，可以定义机

器人的运动序列的根本语句形式为〃MOVETO（destination）^.

动作级编程分为欠节级编程和末端执行器级编程两种

6.2.2对象级编程语言

所谓对象即作业及作业物体本身。不须要描绘机器人手爪的运动,只

要由编程人员用程序的形式给出作业本身依次过程的描绘和环境模

型的描绘。

6.2.3任务级编程语言

任务级编程语言不须要描绘机器人对象物的中间状态过程，只须要根

据某种规则（任务的类型）描绘机器人对象物的初始状态和最终目的

状态，机器人语言系统即可利用已有的环境信息和学问库、数据库自

动进展推理、计算•从而自动生成机器人具体的动作、依次和数据。

6.3.1机器人编程语言系统的组成机器人语言包括语言本

身、运行语言的限制机、机器人、作业对象、四周环境和外围设备接

口等。

6.4常用的机器人编程语言

-、动作级编程语言

1、WAVE语言

美国斯坦福高校于1973年研制出世界上第一种机器人语言——

WAVE语言。

2、AL语言

在WAVE语言的根底上，1974年斯坦福高校人工智能试验室又开发

出一种新的语言，称为AL语言。AL语言设计的原始目的是用于具有

传感器信息反响的多台机器人或机械手的并行或协调限制编程。

3、VAL语言

美国的Unimation公司于1979年推出了VAL语言。

二、常用的对象级编程语言

美国IBM公司也始终致力于机器人语言的探讨，获得了不少成果。

1975年•IBM公司研制出ML语言•随后该公司又研制出另一种语

言—AUTOPASS语言。

20世纪80年头初，美国Automatix公司开发了RAIL语言，同

时，麦道公司研制了MCL语言，独立于机器人在计算机系统上实现

的一种编程方法——机器人离线编程方法

7.3一些工业机器人

六自由度工业机器人是运用最广泛的工业机器人，自由度越多机

器人的运动功能越强，但本钱越高。六自由度工业机器人在自动搬运、

装配、焊接、喷涂等工业现场中有广泛的应用。四自由度工业机器人

可用于搬运、点胶等简洁的应用场合。

1•示教再现式机器人

答：先由人驱动操作机，再以示教动作作业，将示教作业程序、

位置及其他信息存偌起来，然后让机器人重现这些动作。（5分）

2•机器人系统构造由哪几个局部组成

答：通常由四个互相作用的局部组成：机械手、环境、任务和限

制器。（5分）3•为了将,，八丁圆柱形的零件放在平板

上,机器人应具有几个自由度答：一共须要5个：

定位3个,放平稳2个。（5分）

下面的坐标系矩阵B挪动间隔

求点P=（2♦3♦4）T绕x轴旋转45度后相对于参考坐标系的坐

标。

写出齐次变换矩阵TAB•它表示相对固定坐标系｛A｝作以下变换：

（a）绕Z轴转90。；（b）再

绕X轴转-90。；「0_103]（C）最终做挪

动（3,7,9）,o017T

解：红=

0.2工业机器人-1009及数控机床有

0001

什么区分？L」

答：1.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链；

2.工业机器人一般具有多关节，数控机床一般无关节目均为直角

坐标系统；

3.工业机器人是用于工业中各种作业的自动化机器而数控机床应

用于冷加工。

4.机器人敏捷性好«数控机床敏捷性差。

0.7题0.7图所示为二自由度平面关节型机器人机械手•图中

L1=2L2，关节的转角范围是0°<01<180°r90°<02<180°

出该机械手的工作范围（画图时可以设L2=3cm）°

1.1点矢量V为［10.0020.0030.00］，，相对参考系作如下齐次坐标

变换：

-0.866-0.5000.00011.0-

0.5000.866().00()-3.0

A二

0.0000.0001.0009.0

0001

写出变换后点矢量V的表达式，并说明是什么性质的变换，写出旋转

算子Rot及平移算子Trans。

".866-0.5000.00011.0]F10.00-一9.66一

0.5000.8660.000-3.020.0019.32

解：v=Av=—

0.0000.0001.00030.0039

0001

•

属于复合变换•

0.866-0.500'

0.50.86600

旋转算子Rot（Z，30口）二平移算子Trans(11.0

0010

0001

-10011.0'

010-3.0

-3.0，9.0)二

0019.0

0001

1.2有一旋转变换，先绕固定坐标系Z。轴转45口，再绕其X。轴转

30C，最终绕其Y。油转60口，试求该齐次坐标变换矩阵。

解:齐次坐标变换矩阵R=Rot(Y>60口)Rot(X-30D)Rot(Z解5口)

0.500.8660T10000.707-0.70700

010000.866-0.500.7070.70700

-0.86600.5000.50.86600010

01J|_O

000010001

0.660-0.0470.7500

0.6120.612-0.50

-0.436-0.4360.4330

0001

1.3坐标系｛B｝起初及固定坐标系｛0｝相重合，现坐标系｛B｝绕ZB旋

转30口，然后绕旋转后的动坐标系的XB轴旋转45口，试写出该坐标

系｛B｝的起始矩阵表达式和最终矩阵表达式。

1000

0100

解：起始矩阵：B=0=

0010

0001

0.866-0.35300

0.50.612-0.6120

最终矩阵:Bz=Rot(Z300)BRo《X45口)=

00.7070.7070

0001

1.4坐标系｛A｝及｛B｝在固定坐标系｛0｝中的矩阵表达式为

-1.0000.0000.0000.0

0.0000.866-0.50010.0

{A}=

0.0000.5000.866-20.0

0001

一0.866-0.5000.000-3.0-

0.4330.750-0.500-3.0

{B}=

0.2500.4330.8663.0

0001

画出它们在｛0｝坐标系中的位置和姿态；

A二Trans（0.0，10.0，-20.0）Rot（X，30口）O

B=Trans(-3.0•-3.0，3.0)Rot(X,300)Rot(Z*30D)O

1.5写出齐次变换阵，它表示坐标系｛B｝连续相对固定坐标系｛A｝

作以下变换:

(1)绕z,轴旋转90口。

(2)绕心轴旋转-90口。

(3)挪动［379了。

解：2H=Trans(3，7-9)Rot(X•-90D)Rot(Z•90口)

10030000-100I0030-I00

010700100000017I000

00190-10000100-1090010

000000000100010001

0-1o3

007

-1009

0001

1.6写出齐次变换矩阵"•它表示坐标系｛B｝连续相对自身运动坐

标系｛B｝作以下变换:

⑴挪动［37。

(2)绕XB轴旋转90口。・

⑶绕轴转-90口°.

沿二Trans(3•7•9)Rot(X-900)Rot(Z>900)=

1.7对于1.7图(a)所示的两个楔形物体，试用两个变换序列分别

表示两个楔形物体的变换过程，使最终的状态如题1.7图(b)所示。

（a）（b）

-i-i-iii-11-1-iii-i

0044009955

解：A二B=55

()00022oo0022

111111111111

A,=Trans（2，0，0）Rot（Z，90口）Rot（X，90口）Trans（0,-4，

0）

-1002-0-10o--100o--1000-

010010000010010-4

001000100--10000