(完整版)機(jī)器人基礎(chǔ)考試試題重點(diǎn)

1、1.（第一章）機(jī)器人的兩個(gè)主要特征：（1）通用性：取決于其幾何特性和機(jī)械能力。（決于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和承載能力。）通用性指的是某種執(zhí)行不同的功能和完成多樣的簡(jiǎn)單任務(wù)的幾何 實(shí)際能力。一般自由度越多，通用性越強(qiáng)。（2 ）適應(yīng)性：是指對(duì)其環(huán)境的自適應(yīng)能力，即所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠自我執(zhí)行未經(jīng)完成指定的任務(wù)，而不管任務(wù)執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預(yù)計(jì)到的環(huán)境變化。主要指其對(duì)工作環(huán)境變化具有記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等適應(yīng)能力因此其應(yīng)該具有傳感與測(cè)量環(huán)境變化的能力；分析任務(wù)和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力；自動(dòng)執(zhí)行指令能力。2機(jī)器人系統(tǒng)的組成：機(jī)械手、環(huán)境、任務(wù)、控制器等四部分組成。（1）機(jī)械手又稱為操作機(jī)、 機(jī)械臂或操作手，

2、是具有傳動(dòng)裝置的機(jī)械，它由臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器構(gòu)成一般機(jī)械手具有六 個(gè)自由度其中，頭三個(gè)自由度引導(dǎo)夾手裝置至所需位置，而后三個(gè)自由度用來決定末端執(zhí)行器的方向。（2）環(huán)境即指導(dǎo)機(jī)器人所處的周圍環(huán)境環(huán)境不僅由幾何條件（可達(dá)空間）所決定，而且由環(huán)境和它所包含的每個(gè)事物的全部自然特性所決定的.（3）任務(wù)定義為環(huán)境的兩種狀態(tài)（初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)）間的差別（4）控制器：機(jī)器人接收來自傳感器的信號(hào)，對(duì)之進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存信息、機(jī)器人的狀態(tài)及其環(huán)境情況等，產(chǎn)生出控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)。3. 機(jī)器人分類：（1）按機(jī)器手的幾何機(jī)構(gòu)分：a柱面坐標(biāo)機(jī)器人（這種機(jī)器人的工作包跡（區(qū)間）形成一段圓柱面eg：

3、 Verstran, 1R2P）; b球面坐標(biāo)機(jī)器人（這種機(jī)器人的工作包跡形成 球面的一部分 eg: Unimate，2R1P） ;c關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)機(jī)器人（3R）（這種機(jī)器人的工作包跡也 形成球面，且其關(guān)節(jié)都由轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)所組成） ； d平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人（3R） ； e直角坐標(biāo)型（3P）；（2）按機(jī)器人的控制方式分：a非伺服機(jī)器人（按照預(yù)先編好的程序順序進(jìn)行工作，使用終端限位開關(guān)，制動(dòng)器，插銷板和定序器來控制機(jī)器人機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)）；b伺服控制機(jī)器人（通過反饋傳感器取得反饋信號(hào)與來自給定裝置的綜合信號(hào)，用比較器加以比較后， 得到誤差信號(hào)，經(jīng)放大后用以激發(fā)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)而帶動(dòng)末端執(zhí)行裝置以一定規(guī)律

4、運(yùn)動(dòng)，到達(dá)規(guī)定的位置或速度等）（3 ）按機(jī)器人控制器的信息輸入方式分：日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）;美國機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）;法國工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（AFRI ）鎖采用的分類法。（4）按智 能程度分：a示教再現(xiàn)型機(jī)器人（通過手動(dòng)或其它方式，先引導(dǎo)機(jī)器人動(dòng)作，記錄下工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè) ）b數(shù)控型機(jī)器人（不必通過手動(dòng)使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)程序，能進(jìn)行可編程伺服控制）c感知型機(jī)器人（利用傳感器獲取的 信息控制機(jī)器人的動(dòng)作.機(jī)器人對(duì)環(huán)境有一定的適應(yīng)性 ）d智能機(jī)器人（機(jī)器人具有感知和 理解外部環(huán)境的能力，即使環(huán)境發(fā)生變化，也能夠成功的完成任務(wù)）（5）按用途分：工業(yè)

5、機(jī) 器人；服務(wù)機(jī)器人；娛樂機(jī)器人；仿人形機(jī)器人；農(nóng)業(yè)機(jī)器人；海洋探測(cè)機(jī)器人；空間機(jī)器 人；軍用機(jī)器人；特種機(jī)器人；微型機(jī)器人；微操作機(jī)器人4. 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) ：1傳感型智能機(jī)器人發(fā)展較快 （超聲波觸覺傳感器；靜電電容式 距離傳感器；基于光纖陀螺慣性測(cè)量的三維運(yùn)動(dòng)傳感器；視覺系統(tǒng)等，多傳感器集成與融合技術(shù)在智能機(jī)器人上獲得應(yīng)用。）；2.開發(fā)新型智能技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；形狀記憶合金；多智能機(jī)器人系統(tǒng)）3微型機(jī)器人的研究有所突破（微型驅(qū)動(dòng)器是開發(fā)微型機(jī)器人的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，比微型機(jī)器人還要小的超微型機(jī)器人，應(yīng)用納米技術(shù)，將用于醫(yī)療和軍事偵察目的）4.應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)擴(kuò)展5.行走

6、機(jī)器人研究引起重視1（第二章）AAXb XbAyBAAAyB Zb Zb AA1； Xb yBAAAA小yBZbZbXb0 ；r12r13ARr21r22r23；AR1 ARt ar1旋轉(zhuǎn)矩陣，它是正交的100c0 scs02. R(x, )0csR(y, )01 0R(z, ) sc00scs0 c0013.平移坐標(biāo)變換：ApBpAPb0 ；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換：AP ARBP;AR Br 1art br ,都是正交矩陣，兩者互逆；復(fù)合坐標(biāo)變換：Ap AR BP APB0 ；齊次坐標(biāo)變換：A R A pAPTP,B01B0 ;齊次變換的復(fù)合變換定義為：XTCT ;，則依次左乘,稱為絕4.5定義1:如

7、果所有的變換都是相對(duì)于固定坐標(biāo)系中各坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)或平移對(duì)變換定義2:如果動(dòng)坐標(biāo)系相對(duì)于自身坐標(biāo)系的當(dāng)前坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)或平移，則齊次變換為依次右乘,稱為相對(duì)變換6.給出任一旋轉(zhuǎn)變換，能夠由上式求得進(jìn)行等效旋轉(zhuǎn)B角的轉(zhuǎn)軸已知旋轉(zhuǎn)變換R,令R=Rot（f,0 ),即有令 vers( ) 1 cos0i80oRot(f,)fxfxverscfy fxversfzSfz fxversfyS0fx fyversfzSfy fyverscfz fyversfxS0fx fzversfySfy fzversfxSfz fzversc00001(oz ay)2 (ax nz)2 血 ox)2fx (z ay)/2st

8、annxoyaz1fy(axn z) /2sfz(nyOx)/2snxOxaxPxnxnynzp n7.TnyOyaypy1；1OxOyOzp onzOzazPzaxayazp a000100018為什么要引進(jìn)齊次坐標(biāo)，它有什么優(yōu)點(diǎn)？機(jī)器人的坐標(biāo)變換主要包括平移和旋轉(zhuǎn)變換，平移是矩陣相加運(yùn)算，旋轉(zhuǎn)則是矩陣相乘，綜合起來可以表示為 p = m1*p + m2（m1旋轉(zhuǎn)矩陣,m2 為平移矩陣,p為原向量，p為變換后的向量）引入齊次坐標(biāo)的目的主要是合并矩陣運(yùn)算中的 乘法和加法，合并后可以表示為 p = M*p的形式即它提供了用矩陣運(yùn)算把二維、三維甚至高 維空間中的一個(gè)點(diǎn)集從一個(gè)坐標(biāo)系變換到另一個(gè)坐標(biāo)

9、系的有效方法（第三章）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方向：接近矢量a:夾持器進(jìn)入物體的方向;Z軸；方向矢量o:指尖互相指向；丫軸；法線矢量n: X軸 R翻轉(zhuǎn)B俯仰 偏轉(zhuǎn)nxaxPx1.T T6nyOyayPy ；n1;o1；a 1nzazPzno 0; na 0;o a000012歐拉角:繞Z軸轉(zhuǎn)$，再繞新Y軸轉(zhuǎn)0,繞最新Z軸轉(zhuǎn)”Euler(JJ)Rot( z,)Rt(y,)Rt(z,)cs0 0c0s0 cs00sc0 00100 sc00注意:坐標(biāo)變換是右乘即001 0s0c0 0010后面的變換乘在右邊（繞新軸轉(zhuǎn)，連乘）000 10001 00013用橫滾、俯仰和偏轉(zhuǎn)角表示運(yùn)動(dòng)姿態(tài)RPY:先繞x軸旋轉(zhuǎn)角2

10、 ,再繞y軸旋轉(zhuǎn)角0 ,最后繞z軸旋角巾.RPY(,:.)Rot( z,)Rot(y,)Rot(x,)cs00c0 s0 1000sc0001 00 0cs0 （左乘固定坐標(biāo)系）0010s0 c0 0sc0000100 01 00014用柱面坐標(biāo)表示末端運(yùn)動(dòng)姿態(tài)沿X平移r,繞Z軸轉(zhuǎn)a，沿Z軸平移乙（繞動(dòng)坐標(biāo)系，右乘）Cyl (z,r)Trans (0,0, z)Rot (z,)Trans (r ,0,0)1000cs0 0100r0100sc0 00100001z001 000100001000 10001cs0 ircsc0 irs001z0001由于上述繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，使末端執(zhí)行器的姿態(tài)出現(xiàn)

11、變化，若要執(zhí)行器姿態(tài)不變，則需將其繞執(zhí) 行器a軸反向旋轉(zhuǎn)（繞定坐標(biāo)系左乘）cs0rcc()s()00sc0rss()c()00Cyl(z, ,r)001z001000010001100rc010rs001z0001Sph(,r)Rot(乙)Rot(y, )Trans(0,0,r) Rot,)Rot(zA,)100rc s010rs s001rc0001由于上述兩個(gè)旋轉(zhuǎn)，執(zhí)行器姿態(tài)發(fā)生變化為保持姿態(tài)，執(zhí)行器要繞其自身5.用球面坐標(biāo)表示末端運(yùn)動(dòng)位置沿Z平移r,繞Y軸轉(zhuǎn)B,繞Z軸轉(zhuǎn)a (繞定坐標(biāo)系左乘)Sph(,r)Rot (乙)Rot(y,)Tra ns(0,0, r)cs00c0s01000sc

12、00010001000010s0c0001r000100010001c csc crcss ccs srsss0crc0001Y和Z軸反向旋轉(zhuǎn)表示機(jī)器人末端執(zhí)行器的最終位姿的齊次變換矩陣是由表示末端位置的矩陣和表示末端姿 態(tài)的矩陣組合最后的各種組合如下：(1) TCyl z, , rEuler,(2) TCyl 乙，rRPY,(3) TSph,rEuler ,(4) TSph,rRPY,6在連桿坐標(biāo)系方法一的基礎(chǔ)上建立3R機(jī)構(gòu)連桿變換矩陣:0連帚 10J0a20L=03000A Rot(z, i)Trans(O,O,dJTrans(ai,0,0)Rot(x, i)c 1s 10L1C 1c 2

13、s 20L2c 2s 1c 10L1s 11ts 2c 20L2s 22T001* 20001000 0 0 10 0 0 1L2C 12L1C 12L1S 1c is iC is iS iaics ic iC ic iS iais0s iC idi0001c 3s 3 00s 3c 30000 1 00 0 0 10T3 0T11T22T3 其位置L2S 17在連桿坐標(biāo)系方法二的基礎(chǔ)上建立3R機(jī)構(gòu)連桿變換矩陣:0Ti連桿i務(wù)-17100020Li030L0c 2 s 20LiA Rot(x, i JTransG,。,。)Rot(z, i)Trans(0,0, di)c isi0sic i 1

14、c ici 1s i 1sis i 1c isi 1c i 1000c 3s 30L2T3s 3c 3000010ai 1s i idi c i idi10 0 0 1L1c 1L2c 1L2s 1L1s 18對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)ARot(z, i)Trans(0,0,di )Trans(ai,0,0)Rot(x, Jc is iC is iS iais ic iC ic iS iaiS0s ic idi0001對(duì)棱柱關(guān)節(jié)AiRot(z, i)Trans(0,0,dJTrans(aj,0,0)Rot(x, Jc is iC is iS i0s ic iC iC iS i00s iC idi00019微分

15、平移和旋轉(zhuǎn)(微分變換):在基系中的描述Trans(dx,dy,dz)Rot(f,d ) ITT dT Trans(dx,dy,dz)Rot(f,d )T;dTTrans(dx,dy,dz)Rot(f ,d ) I, dT T在坐標(biāo)系T中描述:T dT TTrans(dx, dy,dz)Rot( f ,d )dTTTrans(dx, dy,dz)Rot(f ,d )I;TTrans(dx,dy,dz)Rot(f ,d ) I, dT Tt100dx1fzdfyd010000fzdfydd010dyfzd1fxd00100fzd0fxdd001dzfydfxd100010fydfxd0d20001

16、000100010000so:Trans(dx,dy,dz)Rot(f,d ) Iy fzdzbecause: fxdx fyd0zydx0TzTyTdxz0xdy ,TTz0TxTdyso:yx0dz ,TyTx0Tdz00000000微分平移和旋轉(zhuǎn)矢量d dxi dy j dzkxiy jzkTdTdxiTdyjTdzkTTxiTy j T zkTdx(pn)dnnpdTdy(po)doopdTdz(pa)daapdTTTxnyo,za微分變換法求解雅克比矩陣的步驟 :(1) 計(jì)算各相鄰連桿間的變換矩陣 : 0T1,1T2,，n 1Tn(2) 計(jì)算各連桿至末端連桿的變換矩陣 :1Tn， ，n 1Tn，nTn計(jì)算J(q)各列兀素，第i列由下式計(jì)算對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)移動(dòng)關(guān)節(jié)10.機(jī)器人雅克比矩陣：機(jī)械手的操作速度與關(guān)節(jié)速度間的線性變換p n znzT Jlip o z ,TJaioz(3 121)nz0T Jlioz ,TJai0 (3 122)p a z az11.已知坐標(biāo)系 B 中的雅克比矩陣 那么 ,在坐標(biāo)系 A 中的速度為 : 則,在坐標(biāo)系 A 中的雅克比矩陣為,即BBJ q qazAv: A: AJ qBARBARBJ.(第四章 )拉格朗日方法 :從能量觀點(diǎn)上建立起來的系統(tǒng)的動(dòng)能