機(jī)器人學(xué)考試

機(jī)器人學(xué)考試機(jī)器人學(xué)考試機(jī)器人學(xué)考試資料僅供參考文件編號：2022年4月機(jī)器人學(xué)考試版本號：A修改號：1頁次：1.0審核：批準(zhǔn):發(fā)布日期：第一章機(jī)器人的定義：工業(yè)機(jī)器人，一種用于移動各種材料、零件、工具或者專用裝置的、通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)的，具有一定的記憶存儲和感知能力的，并且具有各種編程能力的多功能機(jī)械手。機(jī)器人特征：1）機(jī)器人的動作機(jī)構(gòu)具有類似于人或其他生物某些器官（如肢體、感官等）的功能2）機(jī)器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活多變，是柔性加工的重要組成部分3）機(jī)器人具有不同程度的智能，如感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等4）機(jī)器人具有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴與人的干預(yù)機(jī)器人的分類：第一代機(jī)器人（可編程、示教的工業(yè)機(jī)器人）第二代機(jī)器人（具有一定的感知能力，低級智能機(jī)器人）第三代機(jī)器人（具有高度適應(yīng)性的自治機(jī)器人）按照開發(fā)內(nèi)容和目的區(qū)分，可分為以下三類機(jī)器人?工業(yè)機(jī)器人（IndustrialRobot）：如焊接、噴漆、裝配機(jī)器人。?操縱機(jī)器人（TeleoperatorRobot）：如主從手，遙控排險(xiǎn)、水下作業(yè)機(jī)器人。?智能機(jī)器人（IntelligentRobot）：如演奏、表演、下棋、探險(xiǎn)機(jī)器人。機(jī)器人結(jié)構(gòu)：1）執(zhí)行機(jī)構(gòu):機(jī)器人的足、腿、手、臂、腰及關(guān)節(jié)等，它是機(jī)器人運(yùn)動和完成某項(xiàng)任務(wù)所必不可少的組成部分。2）驅(qū)動和傳動裝置:用來有效地驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝置，通常采用液壓、電動和氣動，有直接驅(qū)動和間接驅(qū)動二種方式。3）傳感器:是機(jī)器人獲取環(huán)境信息的工具，如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、力覺、滑覺和接近覺傳感器等，它們的功能相當(dāng)于人的眼、耳、鼻、皮膚及筋骨。4）控制器:是機(jī)器人的核心，它負(fù)責(zé)對機(jī)器人的運(yùn)動和各種動作控制及對環(huán)境的識別。機(jī)器人工作原理：1）“示教再現(xiàn)”方式：通過“示教盒”或者人“手把手”兩種方式教機(jī)械手如何工作，控制器將示教過程記憶下來，然后機(jī)器人按照記憶周而復(fù)始的工作。2）“可編程控制”方式：工作人員事先根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)和運(yùn)動軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機(jī)器人的控制器，起動控制程序，機(jī)器人就按照程序所規(guī)定的動作一步一步地去完成，如果任務(wù)變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都是按照前兩種方式工作的。3）“遙控”方式：由人用有線或無線遙控器控制機(jī)器人在人難以到達(dá)或危險(xiǎn)的場所完成某項(xiàng)任務(wù)。4）“自主控制”方式：是機(jī)器人控制中最高級、最復(fù)雜的控制方式，它要求機(jī)器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有識別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。位置控制?點(diǎn)位控制－PTP（PointtoPoint）：只考慮起始點(diǎn)和目的點(diǎn)的位置，而不考慮兩點(diǎn)之間的移動路徑的控制方式，適用于上下料、點(diǎn)焊、搬運(yùn)等；?連續(xù)路徑控制－CP（ContinuousPath）：不但要求機(jī)器人以一定的精度到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，而且對其移動的軌跡形式有一定精度范圍的要求。第二章機(jī)器人的分類按機(jī)器人的控制方式分類：非伺服機(jī)器人、伺服控制機(jī)器人（點(diǎn)位伺服控制、連續(xù)軌跡伺服控制2）按機(jī)器人結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點(diǎn)方式分類：直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、極坐標(biāo)機(jī)器人、多關(guān)節(jié)機(jī)器人。驅(qū)動方式：a.液壓驅(qū)動優(yōu)點(diǎn)：1)液壓容易達(dá)到較高的壓力(常用液壓為2.5~6.3MPa)，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；2)液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度;3)液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動控制；4)液壓系統(tǒng)采用油作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。液壓傳動系統(tǒng)的不足：1)油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險(xiǎn)；2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價(jià)較高；3)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會引起故障。b.氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點(diǎn)：1)壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高速(1m/s)；2)利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣，不必添加動力設(shè)備；3)空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)；4)氣動元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低。不足：1)壓縮空氣常用壓力為0.4~0.6MPa，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對增大；2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難；3)壓縮空氣的除水問題是一個(gè)很重要的問題，處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。c.電動機(jī)驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動分為普通交流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動需要加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人。伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)輸出力矩相對小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。交、直流伺服電動機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動機(jī)則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。機(jī)器人的構(gòu)型直角坐標(biāo)型(3P)結(jié)構(gòu)、控制算法簡單，定位精度高；但工作空間較小，占地面積大，慣性大，靈活性差。2、圓柱坐標(biāo)型(R2P)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運(yùn)動直觀，其運(yùn)動耦合性較弱，控制也較簡單，運(yùn)動靈活性稍好。但自身占據(jù)空間也較大，但轉(zhuǎn)動慣量較大，定位精度相對較低。3、極坐標(biāo)型（也稱球面坐標(biāo)型）(2RP)有較大的作業(yè)空間，結(jié)構(gòu)緊湊較復(fù)雜，定位精度較低。4、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型(3R)對作業(yè)的適應(yīng)性好，工作空間大，工作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，通用性強(qiáng)，但坐標(biāo)計(jì)算和控制較復(fù)雜，難以達(dá)到高精度。5、平面關(guān)節(jié)型(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，簡稱SCARA)僅平面運(yùn)動有耦合性，控制較通用關(guān)節(jié)型簡單。運(yùn)動靈活性更好，速度快，定位精度高，鉛垂平面剛性好，適于裝配作業(yè)。自由度自由度是指描述物體運(yùn)動所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。機(jī)器人的自由度表示機(jī)器人動作靈活的尺度，一般以軸的直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示，手部的動作不包括在內(nèi)。機(jī)器人的自由度越多，就越能接近人手的動作機(jī)能，通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對機(jī)器人的整體要求就越高，這是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的一個(gè)矛盾。第三章機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)即是研究機(jī)器人手臂末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)變量空間之間的關(guān)系。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)從幾何或機(jī)構(gòu)的角度描述和研究機(jī)器人的運(yùn)動特性，而不考慮引起這些運(yùn)動的力或力矩的作用。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)有如下兩類基本問題：1）機(jī)器人運(yùn)動方程的表示問題，即正向運(yùn)動學(xué)：對一給定的機(jī)器人，已知連桿的幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，欲求機(jī)器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。2）機(jī)器人運(yùn)動方程的求解問題，即逆向運(yùn)動學(xué)：已知機(jī)器人連桿的幾何參數(shù)，給定機(jī)器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的期望位置和姿態(tài)（位姿），求機(jī)器人能夠達(dá)到預(yù)期位姿的關(guān)節(jié)變量。當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行工作任務(wù)時(shí)，其控制器根據(jù)加工軌跡指令規(guī)劃好位姿序列數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)運(yùn)用逆向運(yùn)動學(xué)算法計(jì)算出關(guān)節(jié)參數(shù)序列，并依此驅(qū)動機(jī)器人關(guān)節(jié)，使末端按照預(yù)定的位姿序列運(yùn)動。小結(jié):齊次變換可以用來描述空間坐標(biāo)系的位置與方向。如果坐標(biāo)系被固定在物體或機(jī)械手連桿上，那么該物體或機(jī)械手的位置與方向同樣很容易被描述。物體A相對于物體B的齊次變換可以求其逆，來獲得物體B相對于物體A的描述。變換可以表示為旋轉(zhuǎn)變換和/或平移變換的乘積。如果變換是從左到右，那么旋轉(zhuǎn)和/或平移是相對于當(dāng)前的坐標(biāo)系。如果變換是從右到左，那么旋轉(zhuǎn)和/或平移是相對于參考坐標(biāo)系進(jìn)行。齊次變換用正交分量來描述坐標(biāo)系，即用角度的正弦和余弦。這種描述可與旋轉(zhuǎn)聯(lián)系起來。在一般性旋轉(zhuǎn)的情況下，旋轉(zhuǎn)是繞任意向量旋轉(zhuǎn)θ角。連桿參數(shù)【Denavit-Hartenberg(D-H)參數(shù)】連桿參數(shù)：連桿長度ai-1：zi-1沿著xi-1到zi的距離；連桿扭轉(zhuǎn)角αi-1：zi-1繞xi-1到zi的轉(zhuǎn)角；關(guān)節(jié)參數(shù)：關(guān)節(jié)偏置di：xi-1沿著zi到xi的距離；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θi：xi-1繞zi到xi的轉(zhuǎn)角。關(guān)節(jié)空間：有n個(gè)自由度的工業(yè)機(jī)器人所有連桿的位置和姿態(tài)，可以用一組關(guān)節(jié)變量(di或θi)來描述。這組變量通常稱為關(guān)節(jié)矢量或關(guān)節(jié)坐標(biāo)，由這些矢量描述的空間稱為關(guān)節(jié)空間。?正向運(yùn)動學(xué)：關(guān)節(jié)空間→末端笛卡兒空間，單射?逆向運(yùn)動學(xué)：末端笛卡兒空間→關(guān)節(jié)空間，復(fù)射自由度機(jī)械手封閉解形式運(yùn)動學(xué)逆解存在的兩個(gè)充分條件：（滿足其中之一條件即可）1.任意相鄰三個(gè)關(guān)節(jié)軸線相交于一點(diǎn)。2.任意相鄰三個(gè)關(guān)節(jié)軸線相互平行?；靖拍畈僮鳈C(jī)的工作空間：機(jī)器人操作機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，末端執(zhí)行器坐標(biāo)系的原點(diǎn)能在空間活動的最大范圍；或者說該原點(diǎn)可達(dá)點(diǎn)占有的體積空間。這一空間又稱可達(dá)空間或總工作空間，記作W(P)。靈活工作空間：在總工作空間內(nèi)，末端執(zhí)行器可以任意姿態(tài)達(dá)到的點(diǎn)所構(gòu)成的工作空間。記作Wp(P)。次工作空間：總工作空間中去掉靈活工作生間所余下的部分。記作Ws(P)。W(p)=Wp(p)+Ws(p)第四章第三章討論機(jī)器人操作臂的位移關(guān)系，建立了操作臂的運(yùn)動學(xué)方程。研究了運(yùn)動學(xué)方程的反解、建立了操作空間與關(guān)節(jié)空間的映射關(guān)系。本章將在位移分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行速度分析。研究操作空間速度與關(guān)節(jié)空間速度之間的線性映射關(guān)系----雅可比矩陣。雅可比不僅用來表示操作空間與關(guān)節(jié)空間之間速度線性映射關(guān)系。同時(shí)也用來表示兩空間之間力的傳遞關(guān)系。微分旋轉(zhuǎn)其結(jié)果與轉(zhuǎn)動次序無關(guān)，這是與有限轉(zhuǎn)動（一般旋轉(zhuǎn)）的一個(gè)重要區(qū)別。任意兩個(gè)微分旋轉(zhuǎn)的結(jié)果為繞每個(gè)軸轉(zhuǎn)動的元素的代數(shù)和，即微分旋轉(zhuǎn)是可加的。雅可比矩陣：機(jī)械手的直角空間運(yùn)動速度與關(guān)節(jié)空間運(yùn)動速度之間的變換稱之為雅可比矩陣。關(guān)節(jié)空間向直角空間速度的傳動比。當(dāng)微分變換是由直角坐標(biāo)空間向關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間進(jìn)行時(shí)，上式等號右邊矩陣是逆雅可比矩陣。式中，JT(q)稱為操作臂的力雅可比，表示在靜平衡時(shí)，F(xiàn)向映射的線性關(guān)系?？梢钥闯觯毫ρ趴杀龋竭\(yùn)動雅可比的轉(zhuǎn)置，即操作臂的靜力傳遞關(guān)系與速度有關(guān)。奇異形位：對于關(guān)節(jié)空間的某些形位q，操作臂的雅克比矩陣的秩減少，這些形位稱為操作臂的奇異形位。當(dāng)機(jī)械手的雅克比行列式為0，矩陣的秩為1，因而處于奇異狀態(tài)。關(guān)節(jié)速度趨向于無窮大。從幾何上看，機(jī)械手完全伸直，或完全縮回時(shí)，機(jī)械手末端喪失了徑向自由度，僅能切向運(yùn)動。在奇異形位時(shí)，機(jī)械手在操作空間的自由度將減少。四種構(gòu)造操作臂雅克比的方法：對于平面機(jī)器人可以采用直接微分法求J，對于三維空間的機(jī)器人不適用，可得（x,y,z）T的顯示方程，J的前三行可以直接微分得到，但找不到（θx，θy，θz）的一般表達(dá)式，故常用構(gòu)造法求J矢量積法、微分變換方法：處理6自由度的操作臂速度遞推方法力和力矩遞推方法第五章靜力學(xué)和動力學(xué)分析，是機(jī)器人機(jī)械臂設(shè)計(jì)和動態(tài)性能分析的基礎(chǔ)。特別是動力學(xué)分析，它還是機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)、動態(tài)仿真的基礎(chǔ)。機(jī)器人靜力學(xué)研究機(jī)器人靜止或緩慢運(yùn)動時(shí)，作用在機(jī)器人上的力和力矩問題。特別是當(dāng)手端與環(huán)境接觸時(shí)，各關(guān)節(jié)力（矩）與接觸力的關(guān)系。機(jī)器人動力學(xué)研究機(jī)器人運(yùn)動與關(guān)節(jié)驅(qū)動力（矩）間的動態(tài)關(guān)系。描述這種動態(tài)關(guān)系的微分方程稱為動力學(xué)模型。由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其動力學(xué)模型也常常很復(fù)雜，因此很難實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器人動力學(xué)模型的實(shí)時(shí)控制。然而高質(zhì)量的控制應(yīng)當(dāng)基于被控對象的動態(tài)特性，因此，如何合理簡化機(jī)器人動力學(xué)模型，使其適合于實(shí)時(shí)控制的要求，一直是機(jī)器人動力學(xué)研究者追求的目標(biāo)。有兩類問題：動力學(xué)正問題：已知機(jī)械手各關(guān)節(jié)的作用力或力矩，求各關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度、運(yùn)動軌跡；動力學(xué)逆問題：已知機(jī)械手的運(yùn)動軌跡，即各關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度，求各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力和力矩。研究目的：1、合理地確定各驅(qū)動單元（以下稱關(guān)節(jié)）的電機(jī)功率。2、解決對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制問題（力控制）。在機(jī)器人處于不同位置圖形（位形）時(shí)，各關(guān)節(jié)的有效慣量及耦合量都會發(fā)生變化（時(shí)變的），因此，加于各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力也應(yīng)是時(shí)變的，可由動力學(xué)方程給以確定。該式表明關(guān)節(jié)空間和直角坐標(biāo)空間廣義力可以借助于雅可比矩陣J進(jìn)行變換。這種變換關(guān)系，也可推廣到任兩桿間固聯(lián)直角坐標(biāo)系中的廣義力變換，這時(shí)應(yīng)將關(guān)節(jié)空間與直角坐標(biāo)空間的雅可比矩陣，換作直角坐標(biāo)空間的雅可比矩陣。動力學(xué)研究方法：拉格朗日方程法：通過動、勢能變化與廣義力的關(guān)系，建立機(jī)器人的動力學(xué)方程。計(jì)算量O（n4），經(jīng)優(yōu)化O(n3)，遞推O(n)。牛頓—?dú)W拉方程法：用構(gòu)件質(zhì)心的平動和相對質(zhì)心的轉(zhuǎn)動表示機(jī)器人構(gòu)件的運(yùn)動，利用動靜法建立基于牛頓—?dú)W拉方程的動力學(xué)方程。計(jì)算量O(n)。高斯原理法:利用力學(xué)中的高斯最小約束原理,把機(jī)器人動力學(xué)問題化成極值問題求解。用以解決第二類問題。計(jì)算量O(n3)。凱恩方程法：引入偏速度概念，應(yīng)用矢量分析建立動力學(xué)方程。該方法在求構(gòu)件的速度、加速度及關(guān)節(jié)驅(qū)動力時(shí)，只進(jìn)行一次由基礎(chǔ)到末桿的推導(dǎo)，即可求出關(guān)節(jié)驅(qū)動力，其間不必求關(guān)節(jié)的約束力，具有完整的結(jié)構(gòu)，也適用于閉鏈機(jī)器人。計(jì)算量O(n!)。拉格朗日(Lagrangian)函數(shù)：L=K-P,K為動能，P為勢能動力學(xué)求解步驟：求取質(zhì)點(diǎn)的速度、求質(zhì)點(diǎn)的動能、求質(zhì)點(diǎn)的位能、構(gòu)造拉格朗日函數(shù)、推導(dǎo)動力學(xué)方程動力學(xué)逆問題遞推算法：1）向外遞推計(jì)算各連桿的速度和加速度，由牛頓-歐拉公式算出各連桿的慣性力和力矩；2）向內(nèi)遞推計(jì)算各連桿相互作用的力和力矩，以及關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩。機(jī)械手動態(tài)特性：動態(tài)特性指：工作精度、重復(fù)能力、穩(wěn)定性、空間分辨率第六章軌跡規(guī)劃：機(jī)械手常用的兩種軌跡規(guī)劃方法：方法一：給出插值點(diǎn)上一組顯式約束。方法二：給出運(yùn)動路徑的解析式。軌跡規(guī)劃可在關(guān)節(jié)空間或直角空間中。規(guī)劃器的任務(wù)：解變換方程，運(yùn)動學(xué)反解和插值運(yùn)算。關(guān)節(jié)空間規(guī)劃方法：可保證關(guān)節(jié)路徑平穩(wěn)，有效避免奇異形位；計(jì)算簡單、容易；但手爪運(yùn)動軌跡不直觀，不利避障。直角坐標(biāo)空間規(guī)劃方法：有利于作業(yè)的描述，直觀、路徑準(zhǔn)確；但需逆運(yùn)動計(jì)算，計(jì)算量大，難以避免奇異形位，控制周期長。路徑點(diǎn)的關(guān)節(jié)速度的確定：根據(jù)工具坐標(biāo)系在直角坐標(biāo)空間中的瞬時(shí)線速度和角速度確定在直角坐標(biāo)空間或關(guān)節(jié)空間中采用適當(dāng)?shù)膯l(fā)式方法，由控制系統(tǒng)自動選擇為保證每個(gè)路徑點(diǎn)的加速度連續(xù)，由控制系統(tǒng)按此要求自動選擇第七章機(jī)器人運(yùn)動學(xué)描述機(jī)器人末端執(zhí)行器與各關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動微分。為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供運(yùn)動特性分析方法，是動力學(xué)建模與位姿軌跡控制的基礎(chǔ)。機(jī)器人動力學(xué)建模是基于運(yùn)動學(xué)模型和剛體動力學(xué)理論，建立驅(qū)動力和力矩與關(guān)節(jié)位移、速度和加速度之間的聯(lián)系。模型為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供力學(xué)特性分析方法，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供模型依據(jù)。機(jī)器人控制問題是基于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，根據(jù)具體的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)其控制算法與系統(tǒng)，使機(jī)器人能按要求正常工作的理論與技術(shù)方法。從動力學(xué)的角度，機(jī)器人具有以下特性：（1）非線性引