机器人技术基础(课后习题答案)

0.2工业机器人与数控机床有什么区别？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且均为直角坐标系统；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.机器人灵活性好，数控机床灵活性差。

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゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,画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]00.3000.2000.10[T，相对参考系作如下齐次坐标变换：A=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000.9000.1000.0000.00.3000.0866.0500.00.11000.0500.0866.0 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 。

解：v ，=Av=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000.9000.1000.0000.00.3000.0866.0500.00.11000.0500.0866.0⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡100.3000.2000.10=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡13932.1966.9 属于复合变换：旋转算子Rot （Z ，30）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000010000866.05.0005.0866.0平移算子Trans （11.0，-3.0，9.0）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10000.91000.30100.110011.2 有一旋转变换，先绕固定坐标系Z 0轴转45，再绕其X 0轴转30，最后绕其Y 0轴转60，试求该齐次坐标变换矩阵。

解：齐次坐标变换矩阵R=Rot(Y ，60）Rot （X ，30）Rot(Z ，45）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000010000707.0707.000707.0707.010000866.05.0005.0866.000001100005.00866.000100866.005.0=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡----10000433.0436.0436.005.0612.0612.00750.0047.0660.0 1.3 坐标系{B}起初与固定坐标系{O}相重合，现坐标系{B}绕Z B 旋转30，然后绕旋转后的动坐标系的X B 轴旋转45，试写出该坐标系{B}的起始矩阵表达式和最后矩阵表达式。

解：起始矩阵：B=O=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡1000010000100001最后矩阵：B´=Rot(Z ，30）B Rot （X ，45）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000707.0707.000612.0612.05.000353.0866.01.4 坐标系{A}及{B}在固定坐标系{O}中的矩阵表达式为{A}=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000.20866.0500.0000.00.10500.0866.0000.00.0000.0000.0000.1 {B}=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡----10000.3866.0433.0250.00.3500.0750.0433.00.3000.0500.0866.0 画出它们在{O}坐标系中的位置和姿势；A=Trans （0.0，10.0，-20.0）Rot （X ，30）OB=Trans(-3.0，-3.0，3.0）Rot(X ，30）Rot （Z ，30）O1.5 写出齐次变换阵H AB ，它表示坐标系{B}连续相对固定坐标系{A}作以下变换： （1）绕A Z 轴旋转90。

（2）（3）绕A X 轴旋转-90。

（4）移动[]T973。

解：H A B=Trans （3，7，9）Rot （X ，-90）Rot （Z ，90）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡1000100000100101000010010000011000910070103001=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-100010000010010100901*******1=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--1000900171003010 1.6 写出齐次变换矩阵H BB ，它表示坐标系{B}连续相对自身运动坐标系{B}作以下变换： （1）移动[]T973。

（2）绕B X 轴旋转90。

. （3）绕B Z 轴转-90。

.H B B=Trans （3，7，9）Rot （X ，90）Rot （Z ，90）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡100001000001001010000010010000011000910070103001=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-100090017100301010000100000100101000901071003001 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，使最后的状态如题1.7图（b)所示。

(a) (b)解：A=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---111111220000004400111111 B=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---111111220000559955111111 A´=Trans(2，0，0）Rot （Z ，90）Rot （X ，90）Trans （0，-4，0）A=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡1000100401000011000010010000011000100000100101000010*********⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---111111220000004400111111=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--1000401000012100⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---111111220000004400111111=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---111111440044111111002222 B´=Rot （X ，90）Rot （Y ，90）Trans （0，-5，0）B=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10001005010000110000001001001001000001001000001⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---111111220000559955111111=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡1000100501000011000001000010100⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---111111220000559955111111=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-100501000010100⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---111111220000559955111111=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---111111004400111111220000 1.8 如题1.8图所示的二自由度平面机械手，关节1为转动关节，关节变量为θ1；关节2为移动关节， 关节变量为d 2。

试：（1）建立关节坐标系，并写出该机械手的运动方程式。

（2）按下列关节变量参数求出手部中心的位置值。

解：建立如图所示的坐标系 参数和关节变量连杆 θ α а d 1θ1 0 0 0 2d 2⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-==100000000000),(111111θθθθθC S S C Z Rot A ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡==100010*******1)0,0,(222d d Trans A 机械手的运动方程式：θ1 0 30 60 90 d 2/m0.500.801.000.70=∙=212A A T ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000100sin 0cos sin cos 0sin cos 12111211θθθθθθd d 当θ1=0，d 2=0.5时：手部中心位置值⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1000000000105.0001B 当θ1=30，d 2=0.8时手部中心位置值⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=100000004.00866.05.0433.005.0866.0B 当θ1=60，d 2=1.0时手部中心位置值⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=10000000866.005.0866.05.00866.05.0B 当θ1=90，d 2=0.7时手部中心位置值⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=100000007.00010010B 1.11 题1.11图所示为一个二自由度的机械手，两连杆长度均为1m ，试建立各杆件坐标系，求出1A ，2A的变换矩阵。

解：建立如图所示的坐标系 参数和关节变量连杆 θ α а d 11θ1 0 0 22θ-1A 1=Rot(Z , θ1) Trans(1,0,0) Rot(X , 0º)=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-100001000cos sin 0sin cos 111111θθθθθθs c A 2= Rot(Z , -θ2)Trans(l, 0, 0)Rot(X , 90º)⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=1000000000002222θθθθc c s s 1.13 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1A ，2A ，3A 。

解：D-H 坐标系的建立按D-H 方法建立各连杆坐标系 参数和关节变量连杆 θ αa d1 θ1 90 01L +2L2 θ20 3L0 3θ34L1A =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-10000100cos 0sin 0sin 0cos 211111L L θθθθ 2A =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-100100sin 0cos sin cos 0sin cos 23222322θθθθθθL L 3A =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000100sin 0cos sin cos 0sin cos 34333433θθθθθθL L3.1 何谓轨迹规划？简述轨迹规划的方法并说明其特点。

答：机器人的轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点位移，速度和加速度。

轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。

（1）示教—再现运动。