机器人学复习提纲

参考教材：《机器人技术基础》·高教版·刘极峰第一章，绪论：1，机器人发展1920提出概念——1950三原则——1954第一个机械手方案的专利——1959第一台工业机器人诞生——20世纪80年代机器人普遍应用我国起步于20世纪70年代末2，机器人定义：美国机器人协会：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行种种任务，并具有编程能力的多功能机械手。——工业机器人ISO：动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官的功能；通用性，工作种类多样性，程序灵活性；智能性；独立性。3，相关学科4，分类开发内容与应用：工业机器人；操纵型机器人（非工业应用）；智能机器人（加入大量传感器，有类人型和机器智能型）发展程度：第一代：示教再现；第二代：反馈控制，感知环境；第三代：多种感知，可做复杂推理、判断、决策。性能指标：超大型10^7N大型10^6N中型10^5N小型1N超小型结构：关节型机器人和非关节型机器人坐标形式：直角坐标型；圆柱坐标型；球坐标型；关节坐标型控制方式：点位控制——空间点到点；连续轨迹控制驱动方式：气力驱动式；液力驱动式；电力驱动式；新型驱动式（如静电、压电、人工肌肉、光驱动）工作时机座可动性：固定式；移动式5，机器人的组成：三部分：机械部分；传感部分；控制部分。六个子系统：驱动系统；机械系统；感知系统；控制系统；机器人-环境交互系统；人机交互系统6，机器人参数：自由度——独立坐标轴运动的数目分辨率——编程分辨率和控制分辨率编程分辨率——程序中可设定的最小距离单位；控制分辨率——位置反馈回路能检查到的最小位移量。精度——机械误差；控制算法误差；分辨率系统误差、重复定位精度工作范围/工作区域——空气人手臂末端或腕部中心能达到的所有点集合。最大工作速度——主自由度最大稳定速度或末端最大合成速度。承载能力——机器人在工作范围内的任何位姿所能承受的最大质量。第二章：机器人本体结构1，基本结构：传动部件、机身及行走机构、臂部、腕部、手部。2，结构特点：一般可简化为各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系；开式连杆系的每一根连杆都具有独立驱动器；连杆驱动的瞬时过程在时域内变化非常复杂，和执行器反馈信号有关；容易发生振动。3，材料选择高强度、弹性模量大、质量轻、阻尼大、经济性好。4，机身及臂部结构（1）典型结构：回转与升降机身；回转与俯仰机身（2）驱动力计算：垂直升降驱动力Pq：Pq=Fm+Fg±W；Fm为各支撑的摩擦力；Fg为启动时总惯性力；W为运动部件总重力。回转驱动力矩Mq：Mq=Mm+Mg；Mm为总摩擦力矩；Mg为各回转运动部件的总惯性力矩，Mg=J0∆ω∆t（3）不卡死条件：偏重力矩——悬伸端最大行程且最大抓重时对机身回转轴的静力矩。偏重臂大小：L=∑GiLiGi，其中Gi为零部件和工件质量；Li为他们到机身回转轴距离。偏重力矩：M=WL平衡条件：FN1、FN2为支撑力，h高度的导套故：FN1h=WL；FN1=FN2=LhW；自由下降条件：W＞Fm1+Fm2=2FN1·f=2LhW·f→h＞2fL——（f为导套摩擦系数）（4）臂部典型机构：臂部伸缩机构；手臂俯仰运动机构；手臂回转与升降机构。（5）平衡方法：质量平衡法、弹簧平衡法、气动和液动平衡法。5，腕部及手部结构（1）腕部基本形式和特点驱动方式——直接驱动、远程驱动转动方式——滚转R（360°）、弯转B（＜360°）腕部自由度——单、双、三（2）腕部典型结构——单自由度回转运动手腕、双回转油缸驱动腕部、齿轮传动二自由度腕部、液压直驱动三自由度手腕、齿轮链轮传动三自由度手腕。（3）手部特点：可拆卸、末端执行器、通用性差、独立部件。（4）手部分类：用途——手爪、工具（专用工具，如喷枪）；夹持原理——机械手抓、磁力手抓、真空手爪；手指或吸盘数目——二指节及多指节，单关节及多关节，单吸盘及多吸盘；智能化——普通爪，智能爪。（5）典型结构：机械手爪——驱动：气动（广泛应用）、液动、电动、电磁——爪钳：V型、平面——传动：平行连杆式手爪、齿轮齿条式手爪、拨杆杠杆式手爪、滑槽式手爪、重力式手爪——磁力吸盘、真空吸盘（气流负压、挤气负压）、自适应吸盘、异形吸盘图1平行连杆式手爪图2齿轮齿条式手爪图3拨杆杠杆式手爪图4滑槽式手爪图5重力式手爪图6磁力吸盘图7真空吸盘图8自适应吸盘和异形吸盘6，传动及行走机构（1）传动基本形式和特点关节：转动、移动；传动机构：齿轮传动（行星、谐波传动）、丝杠传动（滑动、滚珠、静压）、传动带和传动链、绳传动和钢带传动、连杆和凸轮、流体传动；定位：电气开关、挡块、伺服定位；消隙：消隙齿轮、柔性齿轮、对称传动消隙、偏心机构、齿廓弹性覆层消隙（2）行走机构基本形式和特点固定轨迹、无固定轨迹工业要求：机器人能够从一台机器旁边移动到另一台机器旁边，或在一个需要焊接、喷涂或加工的物体周围移动、具有承载和避障功能。典型结构：三组轮子的轮系；四组轮子的轮系；两足步行式机器人、多足机器人、履带式、特殊式（吸盘、爬行等）。第三章：机器人运动学1，齐次坐标与位姿表示空间任意一点坐标：A：PA=[PXPYPZ]T；齐次坐标：P=[PXPYPZ1]T=[abcw]T——w为比例因子，a=wPx，b=wPy，c=wPz坐标轴单位矢量i、j、k，对应齐次坐标：X=[1000]T，Y=[0100]T，Z=[0010]T规定：w=0则表示方向，w≠0则表示点位姿表示：动系和静系——在机器人坐标系中，运动时相对于连杆不动的坐标系为静系（相当于力学中的整体坐标系）；跟随连杆运动的坐标系为动系（相当于局部坐标系）。动系位置和姿态的描述成为动系位姿表示，式对动系原点位置及各坐标轴方向的描述。举例1：连杆PQP=[X0Y0Z01]T，动系X'Y'Z'方向用齐次坐标表示：{n=[nxnYnZ0]To=[oxoYoZ0]Ta=[axaYaZ0]T由此，连杆位姿表示为：d=[noaP]=[nxoxnYoYaxX0aYY0nzoz00azZ001]举例2：手部手部中心点为原点OB，矢量P，关节轴为ZB轴（a），T=[noaP]=[nxoxnYoYaxX0aYY0nzoz00azZ001]举例3：目标物楔形块绕Z轴旋转-90°，再沿着X轴方向平移4。8点描述Q=[1−100−1122001100111−100−112222111111]；Q′=[44−11661−10011001144−11661−122111111]2，齐次变换旋转；绕坐标轴A'=Rot（Z，θ）ARot（Z，θ）=[cθ−sθsθcθ000000001001]Rot（X，θ）=[100cθ00−sθ00sθ00cθ001]；Rot（Y，θ）=[cθ001sθ000−sθ000cθ001]绕一般轴kRot（k，θ）=[kxkxversθ+cθkYkxversθ−kzsθkxkYversθ+kzsθkYkYversθ+cθkzkxversθ+kYsθ0kzkYversθ−kxsθ0kxkzversθ−kYsθkYkzversθ+kxsθ00kzkzversθ+cθ001]versθ=1−cosθ左右乘原则平移：A点在空间直角坐标系下平移变换为A'𝐗𝐀′=𝐗𝐀+∆𝐗;𝐘𝐀′=𝐘𝐀+∆𝐘;𝐙𝐀′=𝐙𝐀+∆𝐙即：A=Trans（Δx，Δy，Δz）A[𝐗𝐀′𝐘𝐀′𝐙𝐀′𝟏]=[𝟏𝟎𝟎𝟏𝟎∆𝐗𝟎∆𝐘𝟎𝟎𝟎𝟎𝟏∆𝐙𝟎𝟏][𝐗𝐀𝐘𝐀𝐙𝐀𝟏]该公式同样适用于坐标系变换和物体平移变换3，位姿分析（1）杆件坐标系的建立编号：从机座到末端执行器由低到高编号，Z轴方向与关节轴线平行；末端执行器坐标：原点为形心。Xn为手指平面的法向，Yn垂直于手指，Zn朝外指向目标。各坐标系方位确定：一般法：坐标变换方程；D—H法：（1）4个参数——2个描述连杆：ai连杆长度、αi连杆扭角（Zi-1和Zi夹角）；2个描述相邻两杆关系：di连杆距离（沿着关节i轴线两公垂线距离Xi-1和Xi）、θi连杆夹角（垂直关节i轴线两公垂线夹角Zi-1和Xi-1）（2）对于转动关节：θi为关节变量，其他三个不变；对于平动关节：di为关节变量，其他三个不变。（2）连杆坐标系间的变换矩阵用Ann-1（或记作An）表示机器人连杆n坐标系的坐标变换成连杆n-1坐标系的坐标的齐次变换矩阵。对于n个关节机器人，后一个关节向钱一个关节的坐标齐次变换矩阵分别为：Ann-1，An-1n-2，…，A10，也就是An，An-1，…，A1。4，机器人正向运动六连杆机器人运动方程：变换矩阵i-1T6=AiAi+1…A6，末端相对与机座的变换阵（T6）0T6=A1A2…A6。5，机器人逆向运动n自由度的操作臂运动方程为：[nXoXnYoYaXPXaYPYnZoZ00aZPZ01]=A1A2A3A4A5A6左边为末端位姿，求右侧关节变量即为运动学逆解。特点：多解性和可解性。第四章，机器人动力学1，机器人雅可比机器人雅可比矩阵简称机器人雅可比，揭示了操作空间与关节空间的映射关系。机器人雅克比不仅表示操作空间与关节空间的速度映射关系，也表示二者的力传递关系。定义：将一个关节速度矢量𝐪̇变换为手抓相对基坐标的广义速度矢量v的变换矩阵。二自由度：J=[−l1sθ1−l2s12−l2s12l1sθ1+l2c12l2c12]n自由度：q为广义关节变量。X=X（q1……qn）Y=Y（q1……qn）Z=Z（q1……qn）ΔφX=φX（q1……qn）ΔφY=φY（q1……qn）ΔφZ=φZ（q1……qn）J（q）=[∂X∂q1∂X∂q2∂Y∂q1∂Y∂q2…∂X∂qn…∂Y∂qn∂Z∂q1∂Z∂q2∂φX∂q1∂φX∂q2…∂Z∂qn…∂φX∂qn∂φY∂q1∂φY∂q2∂φZ∂q1∂φZ∂q2…∂φY∂qn…∂φZ∂qn]速度分析：机器人末端在操作空间中的广义速度v=𝐗̇=J（q）𝐪̇，其中𝐪̇为关节在关节空间的关节速度。J（q）为确定关节空间速度与操作空间速度v之间关系的雅克比矩阵。二关节：V=[VXVY]T=[−l1sθ1−l2s12−l2s12l1sθ1+l2c12l2c12][θ1̇θ2̇]=[−(l1sθ1+l2s12)θ1̇−l2s12θ2̇(l1sθ1+l2c12)θ1̇l2c12θ2̇]已知θ1=f1（t）̇；θ2=f2（t）̇，可求手部在某一时刻的瞬时速度2，静力学定义变量：fi-1，i及ni-1，i表示i-1杆通过关节i作用在i关节的力和力矩；mig为连杆i的重量。i杆的静力平衡：𝐟𝐢−𝟏，𝐢+(−𝐟𝐢，𝐢+𝟏)+mi𝐠=0；𝐧𝐢−𝟏，𝐢+(−𝐧𝐢，𝐢+𝟏)+(𝐫𝐢−𝟏，𝐢+𝐫𝐢，𝐂𝐢)×𝐟𝐢−𝟏，𝐢+𝐫𝐢，𝐂𝐢×(−𝐟𝐢，𝐢+𝟏)=0；其中𝐫𝐢，𝐂𝐢为质心相对于坐标系i的位置矢量手部关节力：𝐅=[𝐟𝐧,𝐧+𝟏𝐧𝐧,𝐧+𝟏]关节力（用广义力表示）：𝛕=[𝛕𝟏𝛕𝟐⋮𝛕𝐧]虚功原理找二者关系：𝛕=𝐉𝐓𝐅3,动力学（1）欧拉方程牛顿方程，研究构件质心的运动𝐅=m𝐚𝐜；欧拉方程，研究相对于构件质心的转动𝐌=𝐈𝛆𝐂+𝛚×𝐈𝛚𝐂（𝛆为角加速度）（2）拉格朗日方程拉格朗日函数（Ek为总动能，Ep为总势能）：L=Ek−Ep；𝐅𝐢——第i坐标下的广义力或力矩：Fi=ddt∂Ek∂q̇i−∂Ek∂qi+∂Ep∂qi注意：𝐪̇𝐢为广义速度，𝐪𝐢为广义位移。（3）力学分析过程选定广义关节变量和广义力，系统动能和系统势能计算，拉格朗日方程，系统动力学方程第五章，轨迹规划1，概述（1）机器人轨迹泛指工业机器人在运动过程中的轨迹，及运动点的位移、速度、加速度。（2）生成或描述轨迹方法：示教再现；关节空间运动；空间直线运动；空间曲线运动。（3）涉及问题障碍约束有无路径约束有离线无碰撞路径规划+在线路径跟踪离线路径规划+在线路径跟踪无位置控制+在线障碍探测