工业机器人期末复习大纲

工作空间： 表示机器人的工作范围，是机器人运动时手臂末端或手腕中心所能达 到的所有点的集合，也成为工作区域。 最大工作速度： 有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家 指手臂末端最大的合成速度，通常都会在技术参数中加以说明。 承载能力：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。
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0 10 3 9.098 0 5 7 = 12.562 1 0 0 0 0 1 1 1
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9.丹纳维特（Denavit）和哈顿贝格（Hartenberg） 于 1955 年提出了一种矩阵 代数方法解决机器人的运动学问题—D-H 参数法，即为关节链中每一个杆件建立 坐标系的矩阵方法， 它具有直观的几何意义能表达动力学、计算机视觉和比例变 换问题，其数学基础即是齐次变换。 10. 连杆两端有关节 n 和 n+1。该连杆尺寸可以用两个量来描述：一个是两个关 节轴线沿公垂线的距离 a n ，称为连杆长度；另一个是垂直于 a n 的平面内两个轴 线的夹角 α n ，称为连杆扭角。这两个参数为单根连杆的尺寸参数。 11. 考虑连杆 n 与相邻连杆 n-1 的关系，若它们通过关节相连，其相对位置可用 两个参数来确定，其中 d n 是沿关节 n 轴线两个公垂线的距离，即连杆距离。θn 是垂直于关节 n 轴线的平面内两个公垂线的夹角，即连杆转角。 12.
1. 刚体的位姿可用下面的矩阵表示： nx n p] = y nz 0 ox oy oz 0 ax ay az 0 xo yo zo 1
T = [n o a
2. 坐标平移变换： Oi P = Oi O j + O j P
3. 分别绕 X、Y、Z 轴旋转的坐标变换矩阵
B B PA=A RP B + OB A P = R ( Z A ,30) P + P ( X A ,10) + P (YA ,5)
cos 30o = sin 30o 0 9.098 = 12.562 0
− sin 30o cos 30o 0
0 3 10 0 0 7 + 0 + 5 1 0 0 0
按机器人的应用领域分类
极限作业机器人：核电站、排爆机器人、深海机器人…
服务型机器人：娱乐机器人、安保机器人、福利机器人…
按照臂部关节沿坐标轴的运动形式，P/R 组合，可将工业机器人分为以下几类： 直角坐标型 圆柱坐标型 球（极）坐标型 关节坐标型 SCARA 型
简单地说，机器人主要由机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四大部分构 成。
P + jP
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第三章
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0 1 R( X i , θ ) = 0 cos θ 0 sin θ cos θ R( Z i ,θ ) = sin θ 0
0 − sin θ cos θ 0 0 1
cos θ R(Yi , θ ) = 0 − sin θ
解法 1：
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I O T = Trans ( ij P) R( K , θ ) = 3×3 0 0 0
0 ij R P ij R = 1 0 0 0 1 0 0 0
1 0 = 0 0
解法 2：
cos 30 − sin 30 sin 30 cos 30 == PA = B TP B A 0 0 0 0
美国国家标准局（NBS）的定义：机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执 行某些操作和移动作业任务的机械装置。
一般来说，机器人应该具有一下三大特征： 拟人功能：模仿人或动物的肢体动作
通用性：更换末端执行器，便可执行不同任务
a. 1950 年，美国科学幻想小说巨匠阿西摩夫在小说《我是机器人》中，提出了 著名的 “机器人三定律 (Three Laws of Robotics) ” ：
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2. 机器人的历史
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可编程：具有智力或具有感觉与识别的能力，可再编程
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我国：机器人（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作； （2）具有智力或感觉 与识别能力； （3）是人造的机器或机械电子装置。
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国际标准化组织（ISO）的定义：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程 能力的多功能机械手， 这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操作来处理各 种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。
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确定控制系统总体方案，绘制框图。
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第二章
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重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。
4. 机器人机械结构由三大部分组成：机身、臂部（含手腕） 、手部。 5. 机身往往具有升降、回转及俯仰三个自由度。 6. 臂部设计的基本要求：手臂应该具有足够的承载能力和刚度；导向性要好； 重量和转动惯量要小；运动要平稳、定位精度要高。 7.工业机器人手部的特点：手部与手腕相连处可拆卸；手部是末端操作器；手部 的通用性比较差；手部是一个独立的部件。 8. 工业机器人吸附式手部结构一般有磁力吸附式和真空吸附式两种。 9.工业机器人行走机构主要有车轮式、步行式、履带式等形式。
《工业机器人》 复习提纲 第一章
1. 机器人的定义 美国机器人协会（RIA）的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具 或专用装置的， 通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能 机械手。 日本工业机器人协会（JIRA）的定义：工业机器人是一种装备有记忆装置和末 端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。
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4.机器人系统的组成
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产业用机器人：工业机器人、农业机器人、林业机器人、医疗机器人…
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动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端执行器到达空间 某一位置和实现某一姿态， 实施一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿 由感知系统反馈给控制系统， 控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一 个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。 6. 工业机器人的技术参数 自由度： 表示机器人动作灵活的尺度，一般指机器人所具有的独立坐标轴运动的 数目，夹持器（手部）的动作不包括在内。 定位精度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。
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− sin θ cos θ 0
4. 当动坐标系绕固定坐标系各坐标轴顺序பைடு நூலகம்限次转动时，其合成旋转矩阵为各 基本旋转矩阵依旋转顺序左乘。 注意：旋转矩阵间不可以交换 注意：平移矩阵间可以交换，
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0 sin θ 1 0 0 cos θ
平移和旋转矩阵间不可以交换 5. 绝对变换：如果所有的变换都是相对于固定坐标系中各坐标轴旋转或平移， 则依次左乘，称为绝对变换。 相对变换： 如果动坐标系相对于自身坐标系的当前坐标轴旋转或平移，则齐次变 换为依次右乘，称为相对变换。 6. 例 1: 已知坐标系 B 初始位姿与 A 重合,首先 B 相 对于坐标系 A 的 Z 轴转 30 度,再沿 A 的 X 轴移动 10 个单位,并沿 A 的 Y 轴移动 5 个单位.假设点 P 在 坐标 B T 系 B 的描述为 P = {3,7,0} ,求它在坐标系 A 中的描述 PA .
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第一定律：机器人不得伤害人类，或袖手旁观坐视人类受到伤害； 第一定律：除非违背第一法则，机器人必须服从人类的命令； 第一定律：在不违背第一及第二法则下，机器人必须保护自己。
b. 1962 年，美国万能自动化公司（Unimation）的第一台机器人 Unimate 在美国 通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。 c．1969 年 日本早稻田大学加藤一郎实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研究仿人机器人(Humanoid Robot)，被誉为“仿人机器人之 父” 。 d． 1979 年，美国 Unimation 公司推出通用工业机器人 PUMA，这标志着工业 机器人技术已经完全成熟。PUMA 至今仍然工作在工厂第一线。 3. 机器人的分类
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7. 齐次变换矩阵
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8. 例 2: 已知坐标系 B 初始位姿与 A 重合,首先 B 相对于坐标系 A 的 Z 轴转 30 度,再沿 A 的 X 轴移动 10 个单位,并沿 A 的 Y 轴移动 5 个单位.假设点 P 在 坐标 系 B 的描述为 PB = {3,7,0}T,求它在坐标系 A 中的描述 PA
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按照从低级→高级的发展程度可分为四类机器人 第一代机器人： 即可编程、 示教再现工业机器人机器人， 已进入商品化、 实用化。 第二代机器人： 装备有一定的传感装置， 能获取作业环境、 操作对象的简单信息， 通过计算机处理、分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称 为低级智能机器人，目前也已进入应用阶段。 第三代机器人：具有高度适应性的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复 杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。目前处于研究阶段。 第四代机器人：情感型机器人，是机器人发展的最高层次。
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机械系统：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项 任务所必不可少的组成部分。 驱动系统：用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电气和气压，有直 接驱动和间接驱动二种方式。 控制系统： 是机器人的核心， 它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的 识别。 感知系统：是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、 滑觉和接近觉传感器等，它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨。 现代工业机器人的控制器都是由计算机控制系统组成，控制方式主要有示教 再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。 5. 机器人系统的工作原理 机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控制系统发出
PA = B ATPB = Trans ( X , Y ) R ( Z ) PB 0 1 0 0 0 10 cos 30 − sin 30 0 5 sin 30 cos 30 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 3 9.098 0 7 = 12.562 0 0 0 1 1 1
1. 工业机器人技术设计的主要内容包括： 机器人基本参数的确定 机器人运动形式的选择。 拟定检测传感系统框图。
机械结构设计。
2. 机器人常用的驱动方式及各自的特点
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液压驱动： 液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相 连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源， 易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器 人系统。 气压驱动：气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱 动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的 点位控制机器人。 电气驱动：电气驱动的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都 很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。电气驱动器又可分为直流 (DC)、交流(AC)伺服电机驱动和步进电机驱动。 3. 直线驱动机构的形式：可直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可采用齿轮齿 条、丝杠、螺母等传动元件将旋转运动转换为直线运动。
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∑ ∆x 0 0 ∑ ∆x Oj i P = 0 + ∑ ∆y + 0 = ∑ ∆y ∑ ∆z ∑ ∆z 0 0
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i = P Oj i
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