机器人学
第一章绪论
1. 1 机器人发展史
1.1.1 早期的自动机
早在1770年，美国科学家就发明了一种报时鸟，一到整点，这只鸟的翅膀、头便开始运动，同时发出叫声。图1-1为报时鸟的机械结构图，它的主弹簧驱动齿轮转动，使活塞压缩空气而发出叫声，同时齿轮转动时带动凸轮转动，从而驱动翅膀、头运动。
图1-1 报时鸟简图
机器人(Robot)一词由一位名叫Karal Capak的捷克斯洛伐克剧作家首先使用。在捷克语中，Robot这个词是指一个赋役的奴隶。在1921年Capak写了一出戏剧，名叫《洛桑万能机器人公司》(Rossnm’s Universal Robots).在这出剧中，机器人是洛桑和他儿子研制的类人的生物，用来作为人类的奴仆。随后，一名叫Isaac Asimov的科学幻想小说家使用了机器人学(Robotics)这个词来描述与机器人有关的科学。他还提出了“机器人”的三个原则，值得今天的机器人设计者和使用者的注意。这三个原则的原语如下：
(1)A robot must not harm a human being or through inaction ,allow one to
come harm
(2) A robot must always obey human beings unless that is conflict with the
first law.
(3)A robot must protect itself from harm unless that is conflict with the first
or second laws.
1.1.2近似与机器人相关的装置
1.操作机(Manipulators)
它是目前仍然大量使用的、由机械控制的操作机。它的各个关节由机械直接控制。它具有和人类手臂相似的功能，可在空间抓放物体或进行其他操作。
2.远程操作手(Teleoperators)
远程操作手又称主从操作手，它是在操作机之后发展起来的。1966年，Edwin Johnson最先使用了这种装置，远程操作手的本质是非直接相连的伺服控制的操作机，通过控制杆、轮子、控制键盘或其他装置进行遥控。它们通常被用于危险的工作环境，例如海底、有辐射物质的场合或宇宙空间，由无线电天线、光学天线甚至
卫星通讯提供控制信号。远程操作手上一般配备有录象机以提供视觉。
1.1.3机器人的创始
1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司-Unimation公司，并参与设计了第一台Unimate机器人。这是一台用于压铸的五轴液压驱动机器人，手臂的控制由一台专用计算机完成。它采用分离式固体数控元件,并装有存储信息的磁鼓,能够记忆完成180个工作步骤。与此同时，另一家美国公司-AMF公司也开始研制工业机器人，即Versatran机器人。他主要用于机器之间的物料运输，采用液压驱动。该机器人的手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩。一般认为Unimate和Versatran机器人是世界最早的工业机器人，其示意图见图1-3和图1-4
图1-3Unimate机器人
图1-4 Versartran机器人1-手抓的运动方向；
2,3,4,5,6-各关节运动方向
1.1.2机器人的定义
国际上，关于机器人的定义主要有如下几种：
（1）英国简明牛津字典的定义。机器人是“貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。这一定义并不完全正确，因为还不存在与人类相似的机器人在运行。这是一种理想的机器人。
（2）美国机器人协会的定义。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。尽管这一定义较实用些，但并不全面。这里指的是工业机器人。
（3）日本工业机器人协会的定义。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”。
（4）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”。这也是一种比较广义的工业机器人定义。
（5）国际标准化组织的定义。“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，能够借助于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。
显然，这一定义与美国机器人协会的定义相似。
（6）关于我国机器人的定义。随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制订关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”。我国可以参考各国的定义，结合我国情况，对机器人作统一的定义。上述各种定义有共同之处，即认为机器人：
a：像人或人的上肢，并能模仿人的动作；
b：具有智力或感觉与识别能力；
c：是人造的机器或机械电子装置。
随着机器人的进化和机器人智能的发展，这些定义都有修改的必要，甚至需要对机器人重新定义。
机器人的范畴不但要包括“由人制造的像人一样的机器”，还应包括“由人制造的生物”，甚至包括“人造人”，尽管我们不赞成制造这种人。看来，本来就没有统一定义的机器人，今后更难为它下个确切的和公认的定义了！
1.2机器人的特点
1.2.1机器人的主要特点
通用性和适应性是机器人的两个主要的特征。
1.通用性机器人的通用性(versatility)取决于其几何特性和机械能力。通用性指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力。通用性也意味着，机器人具有可变的集合结构，即根据生产需要进行变更的集合结构；或者说，在机械结构上许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一的工作。现有的大多数机器人都具有不同程度的通用性，包括机械手的机动性和控制系统的灵活性。必须指出，通用性不是自由度单独决定的。增加自由度一般能提高通用性程度。不过，还必须考虑其他因素，特别是末端装置的结构能力，如它们能否适应不同的工具等。
2.适应性机器人的适应性(adaptivity)是指其对环境的自适应的能力，即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人认识其环境，即具有人工知觉。在这方面，机器人使用它的下述能力（1）运用传感器测环境的能力；（2）分析任务空
间和执行操作规划的能力；（3）自动指令模式能力。迄今为止所开发的机器人知觉与人类对环境的解释能力相比，仍然是十分有限的。这个领域内的某些重要研究工作正在进行之中。
第二章机器人基本原理
2.1 机器人系统工作原理
根据机器人的定义，机器人至少应具备两部分：控制部分和直接进行工作的部分。比如应用最广泛的弧焊机器人，具有控制系统和带动焊枪运动的机械臂部分。控制系统通过编程的方式，决定直接工作的机械臂的运动和工作。由于是程序控制的，所以比较容易改变工作方式和任务，因此，机器人是一种具有“柔性”的机器。机器人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一样运动，能在地上行走或者在水中游。高级一点的机器可以通过传感器了解外部环境或者“身体内在人的”状态与变化，甚至可以做出自己的逻辑推理、判断与决策，也就是所谓的机器人的智能行为。
机器人发挥作用必须在一个作业系统之中，机器人作为系统的一部分，才能发挥它的作用。由于各种不同类型的机器人不断涌现，它们发挥作用的形式和组成的系统也在不断变化。工业机器人作为制造系统的一部分发挥作用是最典型的。比如焊接机器人，它在工作时至少需要一个工作台，将工作台装卡在上面，并运送到机器人焊接的合适位置。这样，组成了一个简单的机器人焊接系统，称为机器人焊接工作站。如果机器人组成一个焊接生产线，则这个系统就变得更为复杂。
一个机器人系统一般由机械手（执行机构）、控制器、作业对象和环境四部分组成。如图2-1所示。
图2-1一个机器人系统的基本结构
执行机构一般是一台机械手，有些文献中称为操作器或操作手。多数机械手是具有六个自由度的关节式机械结构。其中三个自由度用来引导末端执行器至所需位置，另外三个自由度用来确定末端执行装置的方向。机械臂上的末端执行装置根据操作需要也可以换成焊枪、吸盘、扳手等其他工具。
环境是指机器人在执行任务时所能达到的几何空间，而且包含了该空间中每个事物的全部自然特性所决定的条件。在它的工作环境中，机器人会得到为完成任务所需的支持，如自动生产线会为生产线上的机器人运送工件、材料等；在运动的
空间里，机器人要设计好合理的运动路线。同时，在它的工作环境中，也会遇到一些障碍物和其他事件，机器人必须避免与这些障碍发生碰撞，并妥善处理好环境中发生的各种可能的事件。环境信息一般为已知的，这种环境称为结构环境，但在许多情况下，环境具有未知的和不确定性质，这种环境就称为非结构环境。
控制器是机器人系统的指挥中枢，并且负责信息处理和与人交互。它接受来自传感器的信号，对其进行数据处理，并按照预存的信息、机器人的状态及环境情况等，产生控制去驱动机器人执行机构的各个关节，以完成特定的动作。为此，控制器内必须具有保证它实现其功能所必须的算法与信息。机器系统的复杂程度不同，能执行的任务不同，控制器内所存放的软件也不同。
2.2 机器人的分类
机器人可以根据不同的标准分成很多类型。应用于不同领域的机器人不仅在用途上，而且在结构和性能上会有很大的不同。因此，按机器人的应用领域形成了不同类型的机器人。机器人首先在制造业大规模应用，所以机器人曾被简单的分为两类，即用于汽车制造业的机器人称为工业机器人，其他的机器人称为特种机器人。随着机器人应用的日益广泛，这种分类就显得过于粗糙。现在除工业机器人外，还有服务机器人、水下机器人、空间机器人等。
（1）工业机器人
工业机器人也是一类机器人的总称。依据具体应用的不同，又常常以其主要用途命名。到现在为止应用最多的是焊接机器人，包括电焊和电弧焊机器人，用途是实现自动的焊接作业；装配机器人，比较多的用于电子部件电器的装配；喷漆机器人，代替人进行喷漆作业；搬运、上下料、码垛机器人，他们的功能都是根据一定的速度和精度要求，将物品从一处运到另一处；另外还可以列出很多，如将金属溶液浇到压铸机中的浇铸机器人等等。应该说，并不是只有机器人可以完成这项工作，很多工作都可以用专门的机器完成。机器人的优点在于它可以通过程序的更改，方便迅速地改变工作内容或方式，来满足生产要求的变化。比如，改变焊缝轨迹，改变喷漆位置，变更装配部件或位置等等。所以随着对工业生产线的柔性要求越来越强，对各种机器人的需求也就越来越强。
（2）服务机器人
随着机器人技术的发展，机器人的应用领域越来越广泛，已不再局限于传统的制造业。出现了一个新的集合，被称为服务机器人。我们说服务机器人是一类机器人的集合，是因为到现在为止，国际上对它还没有一个明确的定义。它所包括的内容也比较宽，比较杂。一般说来，服务机器人是一种以自主或半自主方式运行，能为人类生活康复提供服务的机器人，或者是能对设备运行进行维护的一类机器人。目前，在非制造业的机器人也被看作是服务机器人。服务机器人往往是可以移动的，在多数情况下，服务机器人由一个移动平台构成，在平台上面装有一只或几只手臂，代替或协助人完成为人类提供服务和安全保障的各种工作，如清洁、护理、娱乐和值勤等等。
（3）水下机器人
水下机器人也称为水下无人深潜器，代替人在水下这一危险的环境作业。人类借助潜水器具潜入到大海之中探秘，已有很长的历史。然而，由于危险很大，而且费用极高。所以人类寻找代替人亲自冒险的技术，水下机器人变成了人们十分关注
的发展方向。
（4）空间机器人
机器人技术一经出现，很自然地人们酒席望它到天上去为人们工作，于是产生了空间机器人。空间机器人是指在大气层内和大气层外从事各种作业的机器人，包括在内层飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人，到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里是使用的机器人。
2.3 典型机器人图片展
1.Mark Ho制作的金属机器人
ZOHO ARTFORM No.1是由荷兰的Mark Ho用了6年时间来设计、手工制造的一个活动关节金属机器人（铜和不锈钢），直立时高43cm，重6公斤。共有920个部分组成包括85个可活动的部件。
2.日新款机器人服务生亮相
2006年3月6日，日本日立公司在日本千叶县浦安市举行活动，公开展示其开发的新款机器人服务生。据介绍，这种新型机器人服务生高130厘米，重约70公斤，移
动速度可达每小时6公里。它工作时能在1米的范围内判断出客人说话的方向，并能根据说话内容用仿真的人声回答客人的问题。
3日本开发出护理老人机器人。
这种机器人不仅具有视觉、听觉、嗅觉等能力，而且还能背起人，旨在用于看护日本日趋增多的老年人。
脊椎援助机器人
第三章工业机器人
3. 1 工业机器人概述
国际上第一台工业机器人产品诞生于20世纪60年代，当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作。此后机器人进入了一个缓慢的发展期，直到进入80年代，机器人产业才得到了巨大的发展，成为机器人发展的一个里程碑，这一时代被称为“机器人元年”。为了满足汽车行业蓬勃发展的需要，这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟，并形成产业化规模，有利地推动了制造业的发展。为进一步提高产品质量和市场竞争能力，装配机器人及柔性装配线又相继开发成功。进入90年代以后，装配机器人和柔性装配技术得到了广泛的应用，并进入了一个大发展时期。
现在。工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控、可编程控制器一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段，广泛应用于制造业的各个领域之中。纵观世界机器人的发展史，60年代为机器人的发明和创建阶段；70年代为机器人走向实用化和产业化的初级阶段；80年代为机器人普及和产业化高速发展阶段；90年代机器人进入智能化发展阶段，机器人得到广泛应用，并向非制造业拓展。图3-1列出了2004-2005年美州地区各主要行业对工业机器人需求情况：
图3-1
3.2工业机器人结构
3 .2.1 工业机器人定义
工业机器人是机器人家族中最重要一员，也是目前在技术发展最成熟、应用最多的一类机器人。世界各国对工业机器人的定义不尽相同，但其内涵基本一致。
国际标准化组织（ISO）曾于1987年对工业机器人给予了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机”日本工业标准（JIS）采用此定义，这也与美国工业机器人学会(RIA)的定义相近。在德国的标准(VDI)中，对工业机器人则给出了更为具体的定义：“工业机器人是具有多自由度的、能进行各种动作的自动机器。它的动作是可以顺序控制的。轴的关节角度或轨迹可以不靠机械调节，而由程序或传感器加以控制。工业机器人具有执行器、工具及制造用的辅助工业，可以完成材料搬运和制造等操作”。
ISO8373对工业机器人给出了更详细、具体的定义：“机器人具备自动控制及可
再编程多用途功能，机器人操作机具有3个或以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动。”
3.2.2工业机器人系统结构
工业机器人一般由两大部分组成：一部分是机器人执行机构，也称作机器人操作机（robot manipulator），它完成机器人的操作和作业；另一部分是机器人控制器，它主要完成信息的获取、处理、作业编程、规划、控制以及整个机器人系统的管理功能。机器人控制器是机器人的核心的部分，机器人性能的优劣主要取决于控制系统的品质。机器人控制系统集中体现了各种现代高新技术和相关学科的最新进展。当然，机器人要想进行作业，除去机器人以外，还需要相应的作业机构及配套的周边的设备，这些与机器人一起形成了一个完整的工业机器人作业系统。图3-2
给出了工业机器人的系统结构。
图3-2工业机器人系统结构图
3.2.3工业机器人操作机结构
迄今为止，典型的工业机器人仅实现了人类胳膊和手的某些功能，所以机器人操作机也称作机器人手臂或机械手，一般简称为机器人。机器人机构可以视为一种杆件机构，它的基本结构是机构学中的杆件（link ）和运动副（pair）相互连接而构成的开式运动链(open loop kinematics chain )。当然也有部分闭链或全部闭链的机器人。图3-3是一个开链结构工业机器人。
图3-3
由图3-3可以看出在机器人中，连杆可称为手臂，运动副称作关节（joint），关节分为平移关节和转动关节。机器人的末端称为手腕(wrist)，它一般由几个转动关节组成。在机器人中，手臂决定机器人达到的位置，而手腕则决定机器人的姿势。下面详细介绍机器人的几个重要概念及其典型的结构形式。
（1）杆件与自由度
机器人是由杆件和连接它的关节（运动副）构成，关节由一个或多个自由度(degree of freedom)组成。杆件是指两个关节之间的连杆，杆件一般有串联杆件和并联杆件两类。自由度是表示机器人运动灵活的尺度，意味着独立的单独运动的个数。自由度分为主动自由度和被动自由度两类，前者指该自由度能产生驱动力，而后者不能产生驱动力，只能被动地跟随其他关节运动。
图3-4是几种代表性的单自由度关节的符号和运动形式。
图3-4
实际上，大部分机械手是串联杆件型的。
在三维空间中的无约束物体，可以做平行于x、y、z各轴的平行运动，还可以做围绕各轴的旋转运动，因此它有与位置有关的3个自由度和与姿态有关的3个自由度，共6个自由度。机器人手臂为了能任意操纵物体的位置和姿态，必须最少有6个自由度。人的手臂有7个自由度，其中肩关节为3，肘关节为2，手关节为2，它比6还多，把这种比6还多的自由度称为冗余自由度(redundant degree of freedom)。人由于有这样的冗余性，在固定了指尖方向和手腕位置的情况下，可以通过旋转肘关节
来改变手臂的姿态，因此就能够回避障碍物。
决定机器人自由度的构成，必须是它能完成与目标作业相适应的动作。例如，若仅限于二维平面内的作业，有3个自由度就够了。另外，在化学工厂这类障碍物很多的有代表性的环境中，如果是用机器人进行维修为目的，那么也许需要7个以上的自由度。
（2）自由度的构成自由度的构成方法将极大的影响机器人的可动范围和可操作性等性能。
例如，球形关节的构造，是可以向任意方向动作的3个自由度关节，它能方便的解决适应于作业的姿态。然而，由于驱动器可动范围的限制，它很难完全实现这一功能。所以机器人通常是把3个单自由度机构串联连接，以实现这种3个自由度的要求。
另外，在进行这样的自由度组合时，必须注意奇异点(singular point)的存在。所谓奇异点，是指由于手臂机构的约束，导致手臂姿态失掉了某特定的方向的自由度功能，加之由于这种自由度的退化，进而在奇异点的附近，关节必须做急剧的姿态变化，驱动系统将承受很大的负荷。奇异点的回避问题，主要是在手臂的轨迹控制中加以解决。所以在设计时，有效的方法是设法使自由度的构成的执行作业内容时能容易的回避奇异点。奇异点的例子如图3-5所示，在图中，沿箭头方向的自由度已经退化，机械手不能沿此方向运动。
图3-5奇异点
(3)动作形态的分类
手臂的主要目的是在三维空间内定位，为此，如前所述必须要3个自由度。这样的自由度构成法，若考虑平移、旋转、回转三种自由度的组合，则共计存在27种，然而根据它的动作形态，代表性的自由度构成可以分成下面五种：
1.圆柱坐标型机器人；
2.球坐标型机器人；
3.直角坐标型机器人；
4.关节型机器人；
5.并联机器人。
圆柱坐标型机器人(cylindrical coordinate robot，见图3-6)是由一个回转和两个平移的自由度组合构成；球坐标型机器人(polar coordinate robot，见图3-7)是由回转、旋转、平移的自由度组合而成。这两种机器人由于具有中心回转自由度，所以它们都有较大的运动范围(motion range)，其坐标计算也比较简单。世界上最初实用化的工业机器人“Versatran” 和“Unimate”分别采用了圆柱坐标型和球坐标型的构成。
图3-6圆柱坐标型机器人
图3-7球坐标型机器人
直角坐标型机器人(cartesian coordinate robot，见图3-8)的自由度是独立沿x、y、z轴的，结构简单，精度高，坐标计算和控制也都极为简单。
图3-8直角坐标型机器人
关节型机器人(articulated robot)主要是由回转和旋转自由度构成，可以看成是仿人手臂的结构。它是具有肘关节的连杆关节结构。(见图3-9)从肘至手臂根部的部分称为上臂(upper arm)，从肘到手臂(wrist)的部分称为前臂(forearm)。这种结构，对于确定三维空间上的任意位置和姿态是最有效的。它对于各种各样的作业都有良好的适应性，但其缺点是坐标计算和控制比较复杂，且难以达到高精度。图3-9是一般关节型机器人手臂，它采用回转、旋转、旋转的自由度结构。
图3-9关节型机器人
关节机器人根据其自由度的构成方法，可分成几类。
图3-10是在标准手臂上在加上一个自由度(冗余自由度),即所谓仿人型。
图3-10 仿人关节型机器人
图3-11的手臂采用了平行四边形连杆，并把前臂关节驱动用的电机装在手臂的根部，可获得更高的运动速度。
图3-12称为SCARA型机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm)，手臂的前端结构采用在二维空间内能任意移动的自由度，所以它具有垂直方向的刚性高、水平面内刚性低(柔顺性)的特征。
并联机构的机器人(见图3-13)是一种新型结构的机人，它通过各连杆的复合运动，给出末端的运动轨迹，以完成不同类型的作业。该结构的机器人特点在于刚性好，可用来完成数控机床的一些功能，因而也称之为并联机床。目前已有这方面的样机，它可以完成复杂曲面的加工，是数控机床的一种新的结构形式，也是机器人功能的一种拓展。其不足是控制复杂，工作范围比较小，精度也比数控机床低一些。
图3-11 关节型机器人(平行四边形连杆)
图3-12 SCARA型机器人
图3-13 并联机构机器人
以上介绍了工业机器人的一些基本结构形式和特点。图3-14给出了常见工业机器人的结构形式和运动形态。
图3-14常见工业机器人结构形式及运动形态
第四章机器人运动学
4.1引言
机器人运动学主要有以下两个基本问题：
(1)对一给定的机器人，已知杆件参数和关节变量，求末端执行器相对于给定坐标系的位置和姿态。给定坐标系为固定在大地上的笛卡儿坐标系，作为机器人的总体坐标系也称为世界坐标系(World Coordinate);
(2)已知机器人杆件的几何参数，给定末端执行器相对于总体坐标系的位置和姿态，确定关节变量的大小。
第1个问题常称为运动学正问题(DKP-Di-Rect Kinematic Problems)，第2个问题称为运动学逆问题(IKP-Inverse Kinematic Problems).机器人手臂的关节变量是独立变量，而末端执行器的作业通常在总体坐标系中说明。根据末端执行器在总体坐标系中的位姿来确定相应各关节变量要进行运动学逆问题的求解。机器人运动学问题是解决动力学和编制机器人运动控制系统软件所比备的知识。
4.2 机器人位置与姿态的描述
机器人的各杆的运动可在总体坐标系中描述，在每个杆件上建立一个附体
坐标系。运动学问题便归结为寻找联系附体坐标系和 总体坐标系的变换矩阵。 4.2.1 机器人坐标系变换 如图4-1，参考坐标系Oxyz 是三维空间中的固定坐标系，在机器人运动中将它作为总体坐标系，把Ouvw 看成是附体坐标系，也就是说它固定在机器人杆件上，并随它一起运动。空间某点P 在Ouvw 坐标系中固定不变，点P 在Oxyz 和Ouvw 系的坐标分别表示为：
图4-1
uvw xyz P P ,表示的是在不同坐标系中的同一空间点，上角标T 为矩阵转置符。
当Ouvw 系绕任一轴线转动后，均可通过一个3x3旋转矩阵R 将原坐标uvw P 变换到Oxyz 系中的坐标xyz P 即：
uvw xyz RP P = （2-1）
由矢量分量的定义有
w w v v u u uvw k p j p i p P ++= （2-2）
w v u p p p ,,分别表示P 沿Ou,Ov,Ow 轴的分量，或P 在各轴上的投影，利用标量积
的定义和式( 2-2 )可知
T
w
v u uvw T
z y x xyz p p p P p p p P ),,()
,,(=
=w
w x v v x u u x x x p k i p j i p i i P i p ++?=?=
将上式写成矩阵形式
比较式(2-1)和式(2-2)有
类似地，由坐标
,xyz P 可求得坐标uvw P
其中
如果Ouvw 坐标系绕Ox 轴转动α,变换矩阵α,x R 称为绕Ox 轴旋转α角的旋转矩阵
α,x R 可用上述变换矩阵的概念导出，即
uvw x xyz P R P α,=
这时u x
i i =
w
w y v v y u u y y y p k j p j j p i j P j p ++?=?=w
w z v v z u u z z z p k k p j k p i k P i p ++?=?=????
?
????????????????????????=??????????w v u w z v
z u
z w y v y u y w x v
x u x z y x p p p k k j k i k k j j j i j k i j i i i p p p ????
?
??????????????=w z v
z u
z w y v y u y w x v x u
x k k j k i k k j j j i j k i j i i i R xyz
uvw QP P =T
R
R Q ==-1
????
?
??
???-=???????????????????=αα
ααα
cos sin 0sin cos 00
1,w z v
z u
z w y v y u y w x v x u x x k k j k i k k j j j i j k i j i i i R
类似地，绕Oy 轴转?和绕Oz 轴转θ角的3x3旋转矩阵分别为
????
?
?????-=?????
cos 0sin 010sin 0cos ,y R
????
?
?????-=10
0cos sin 0sin cos ,θθθθθ
z R 矩阵θ?α,,,,,z y x R R R 称为基本旋转矩阵。
为了表示绕Oxyz 坐标系各轴的多次转动，可把基本旋转矩阵连乘起来。由
于矩阵乘法不可交换，故完成转动的次序是重要的。除绕Oxyz 参考系的坐标轴转动外，Ouvw 坐标系也可绕它自己的坐标轴转动。如果Ouvw 坐标系绕Oxyz 坐标系的一坐标轴转动则可对旋转矩阵左乘相应的基本旋转矩阵；如果Ouvw 坐标系绕自己的坐标轴转动，则可对旋转矩阵右乘相应的基本旋转矩阵。
例：求表示绕Oy 轴转?角，然后绕Ow 轴转θ角，然后绕Ou 轴转α角的合成旋转矩阵 解：
αθ?,,,u w y R R R R ??=
????
?
?????-+--+-=??????????-??????????-??????????-=αθ?α?α?βθ?θ
?αθαθθα?αθ?βθ?α?θ?ααααθθθθ????s s s c c s c c s s c s s c c c s c s s s c c s c s s c c c s s c c s s c c s s c 000011000000100
式中?
???sin ,cos ==s c 其余类同。
4.2.2齐次坐标和变换矩阵
齐次坐标是用n+1维坐标来描述n 维空间中的位置，其第n+1个分量称为比例因子。引入齐次坐标不仅对坐标变换的数学表达带来方便，而且具有坐标缩放的功能。对三维空间位置矢量T
z y x p p p P ),,(=其齐次坐标可以表示
T z y x w wp wp wp P ),,,(=其关系如下：
T
z z y y x x w
wp p w wp p w wp p ),,===
可以看出，直角坐标系Oxyz 原点的齐次坐标为T a ),0,0,0(a 为非零实数。齐次坐标
T )0,0,0,1(表示Ox 轴的无穷点，同理齐次坐标T )0,0,1,0(分别指向Ox 轴和Oz 轴的无穷远点。三维空间的位置矢量的齐次坐标表达并不是惟一的。但若将w 取1，则位置矢量变换后的齐次坐标和矢量的实际坐标就相同了。在机器人的应用中总是取w 为1。
齐次变换矩阵是4x4矩阵，它能把一个以齐次坐标表示的位置矢量由一个坐标系映射到另一个坐标系。齐次变换矩阵T 写成以下形式
??????=
?????
???????=222112114443
4241
3433
32
312423122114131211T T T T t t t t t t t t t t t t t t t t T
一．简答题 1．工业机器人定义？ 工业机器人的定义：一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置的，可通过可编程序动作来执行各种任务的，并且具有各种编程能力的多功能的机械手。 2. 按机器人的用途分类，可以将机器人分为哪几大类？试简述之。 1)工业机器人或产业机器人应用于工农业生产中，主要用在制造业，进行焊接、 喷漆、装配、搬运、检验、农产品的加工等产业。 2)探索机器人用于进行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探索。 3)服务机器人一种半自主或全自主的机器人，其所从事的服务工作可使人类生存 的更好，使制造业以外的设备工作的更好。 4)军用机器人用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。 3. 什么叫“机器人的三守则”？它的重要意义是什么？ 1)机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人类将受伤害而袖手旁观 2)机器人必须绝对服从人类，除非这种服从有害于人类 3)机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者人类命令它做出牺牲等 意义：给机器人社会附以新的伦理性，并且机器人概念更加通俗化，更易于为人类社会所接受，至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和用户，提供了十分有意义的指导方针。 4. 机器人系统一般有哪些程序功能？ （1）运算：可以使机器人自己做出判断，在下一步把机器手或工具置于何处。 （2）决策：机器人系统会根据输入信息做出决策，而不必执行任何运算。 （3）通信：机器人与操作人员之间的通信能力，允许机器人要求操作人员提供信息，告知操作者下一步该做什么，以及机器人打算下一步做什么。 （4）机械手运动：使复杂的多的运动变为可能；使运动传感器控制机器手成为可能； 能独立存储工具位置 （5）工具指令：可以对机器人进行比较复杂的控制。 （6）传感器数据处理：机器人的通用计算机必须与传感器连接起来，才能发挥全部作用。
工业机器人应用技术课程标准 、课程基本信息 先修课程：机械设计基础、电气控制与PLG机电设备故障诊断与维修 后续课程：工业机器人现场编程、自动化工业生产的安装与调试 课程类型：专业选修课 二、课程性质 工业机器人技术是一种综合性的机电一体化技术，包括传动机构、伺服系统、数据处理、人机对话以及与机器人工作性质对应的控制功能等。 本门课程致力培养学生具有机器人安装、调试和维护方面等基础知识的专业选修课，课程理论和应用技术紧密结合，使学生能在较短的时间内了解生产现场最需要的工业机器人的实际应用技术。 三、课程的基本理念 以典型案例为载体，设计课程结构；以职业岗位能力要求为基础，改革课程内 容；以职业素质培养为主线，提升学生职业能力。 四、课程设计 该课程以工业机器人常用的技术原理与应用知识为载体，让学生了解工业机器人基 本原理和应用技能为目标，选取基本工业机器人的机械机构和运动控制、基本操作、搬运机器人及其操作应用、码垛机器人及其操作应用、焊接机器人及其操作应用、涂装机器人及其操作应用、装配机器人及其操作应用等内容，采用任务驱动的方式组织教学内容，以典型案例为载体讲述工业机器人的基础知识，培养学生了解和掌握工业机器人应
用能力。教学的过程是：案例导入T相关知识一案例讲解一知识拓展。 五、课程的目标 （一）总目标 通过本门学习领域课程工作任务的完成，使学生了解工业机器人的分类、特点、组成、工作原理等基本理论和技术，掌握工业机器人的使用的一般方法与流程，具备工业机器人选型、操作以及工作站设计等解决实际问题的基本技能，使学生达到理论联系实际、活学活用的基本目标，提高其实际应用技能，并使学生养成善于观察、独立思考的习惯，同时通过教学过程中的案例分析强化学生的职业道德意识和职业素质养成意识以及创新思维的能力。 （二）具体目标： 1知识: 通过本课程的学习，使学生掌握工业机器人的结构，工业机器人的环境感觉技术，工业机器人控制，工业机器人系统等方面的知识。 2、能力 （1）了解如何操作工业机器人，完成简单的动作。 （2）掌握各种工业机器人的构造原理以及特点。 （3）能分析出简单的故障所在。 （4）能设计出简单的末端操作器。 3、素质 （1）培养学生对机器人的兴趣，培养学生关心科技、热爱科学、勇于探索的精神 （2）培养科学的学习态度与作风，利用先进技术进行开拓创新的专业思维。 （3）培养良好的专业触觉。 六、课程内容与学时分配 （一）课程内容与学时分配表
坐标系ouvw 除绕坐标系oxyz的坐标轴旋转外， 还可以绕它本身的坐标轴旋转。如果坐标系ouvw 绕坐标系oxyz 的坐标轴旋转， 则可对旋转矩阵左乘相应的基本旋转 矩阵； 如果ouvw 绕本身的坐标轴旋转，则可对旋转矩阵右乘相应 的基本旋转矩阵。 2目前机器人的运动学和动力学研究主要向下面所述的几个方 面深人发展： 1.机器人的轨迹规划。 2.切实可行的设计和评价机器人的动力学方法。 3.适应机器人的实时计算，减少计算时间，提高 计算效率。 4.解决控制系统的反馈、稳定等方面的问题。 5.随着机器人以高速、高精度发展，考虑构件弹性及振动影响的动力学研究。 6.改进和完善动力学建模方法。 3国内主要采用open GL软件实现机器人仿真 4运动学和动力学模型简化条件 (1) 假设机器人各杆件是刚性的；忽略各杆件的变形，都当作 刚性构件来处理； (2) 各构件的摩擦忽略不计； 目前，已经能够对一般结构的六自由度串联机器人进行逆运动 学求解，但是要获得显式解，只有满足下列两个充分条件之一： a．3 个相邻关节轴交于一点。 b．3 个相邻关节轴平行。 5假定坐标系oxyz 是三维空间中的固定坐标系(在机器人运动学中为总体坐标系)，坐标系ouvw 固定在机器人杆件上并随杆件一起运动(此坐标系为附体坐标系) 6齐次坐标是用n+1 维坐标来描述n 维空间的位置 7在机器人杆件关节上建立坐标系有两种方法：一是把杆件坐标 系建立在每个杆件的下关节处；二是把杆件坐标系建立在每个杆件 的上关节处。 8 i 杆件的坐标系设置在i+1 号关节上，并固定i 关节， 坐标系{i}与杆件i 无相对运动 这种传递矩阵是把i 杆件的坐标系设置在i 号关节上，并固定i关节， 坐标系{i}与杆件i 无相对运动
机器人等级考试(一级) 姓名： 答案解析 您的姓名：* 您的回答：姓名 1.下列人物形象中，哪个是机器人？（） [分值：2]您的回答：C. （得分：2） 2.以下哪个是螺丝杆？（） [分值：2] 您的回答：B. （得分：2）
3.下图中哪个实物运用到四边形原理？（） [分值：2] 您的回答：B. （得分：2） 4.下图中哪个是等臂杠杆？（） [分值：2] 您的回答：A. （得分：2） 5.以下属于费力杠杆的一组是？（） [分值：2] 您的回答：C. ②④（得分：2） 6.机器人驱动方式不包括？（）[分值：2] 您的回答：B.水驱动（得分：2） 7.用斧头作砍木头的工作，是利用（）能省力的原理。[分值：2] 您的回答：C.斜面（得分：2） 8.汽车轮胎上设置花纹的目的是？（）[分值：2] 您的回答：D.让轮胎增加与地面之间的摩擦，防止打滑；（得分：2）
9.下列关于秋千说法正确的是？（）[分值：2] 您的回答：B.秋千荡到最低点时动能最大（得分：2） 10.传动链和齿轮传动共有的特点是？（）[分值：2] 您的回答：C.准确无误的传递动力（得分：2） 11.在杠杆结构中，杠杆绕着转动的固定点称为？（）[分值：2] 您的回答：C.支点（得分：2） 12.下列图中那一组是齿轮传动装置？（） [分值：2] 您的回答：B. （得分：2） 13.风扇通过什么原理为人们实现降温？（）[分值：2] 您的回答：B.加速空气流通（得分：2） 14.如果想把玩具汽车的螺丝钉拧紧，首先选用那种工具最合适？（）[分值：2] 您的回答：B.螺丝刀（得分：2） 15.是什么原因让我们能够在地面上行走？（）[分值：2] 您的回答：C.因为我们的鞋与地面之间存在摩擦力（得分：2） 16.动滑轮实质是？（）[分值：2] 您的回答：C.省力杠杆（得分：2） 17.以下不是由于重力产生的现象是？（）[分值：2] 您的回答：D.我们在光滑的地板上推箱子，送开手时，箱子会自己移动一段距 离（得分：2） 18.下列是齿轮传动的缺点的是？（）[分值：2] 您的回答：C.易损坏机械（得分：2） 19.有关轮轴描述正确的是？（）[分值：2] 您的回答：B.轮轴是能连续转动的杆杠（得分：2）
安徽工业大学 2015级工程硕士期末考核答题卷 专业：机械工程 课程：机器人学 姓名： 学号：1521190215
2017年1月
第一章引言 随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化，产业机器人已成为一种高新技术产业，为产业自动化发挥了巨大作用，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。 本文概括了工业机器人的概念和发展、国外国内机器人的发展现状、未来机器人的发展方向。
第二章机器人的概念与发展 2.1 机器人的定义 工业机器人的问世, 大约是25年前；微处理机的诞生, 大约是15年前。正是由于微处理机的出现, 以及各种LSI、VLSI的飞跃发展, 才使得工业机器人控制系统的机能大幅度提高, 从而使数百种不同结构、不同控制方法、不同用途的工业机器人终于在八十年代,真正进人了实用与普及的阶段, 并发挥了令人难以置信的巨大威力与经济效益。 那么, 什么是工业机器人？回答是令人遗憾的。因为关于工业机器人的定义, 仍在专家们的争议之中, 至今还没有人能够提出一个令人信服的明确定义。美国机器人协会（RIA）对机器人的定义是：“ 所谓工业机器人, 是为了完成不同的作业, 根据种种程序化的运动来实现材料、零部件、工具或特殊装置的移动并可重新编程的多功能操作机。”日本产业机器人协会（JIRA）的定义是：“ 所谓工业机器人, 是在三维空间具有类似人体上肢动作机能及其结构, 并能完成复杂空间动作的多自由度的自动机械” 或“根据感觉机能或认识机能, 能够自行决定行动的机器（智能机器人）。” 不管各国机器人专家们如何定义和解释工业机器人, 有一点是可以明确的, 这就是人们开发研究工业机器人的最终目标, 在于要研制出一种能够缥合人的所有动作特性——通用性、柔软性、灵活性的自动机械。 2.2 机器人的发展 自动化技术的发展，特别是计算机的诞生，推动了机器人的发展。人们通常把机器人划分为三代。第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60年代后半叶开始投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。第二代是“感知机器人”,又叫做自适应机器人,它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期,到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统,宣告了感
佛山乐博机器人学校初级课程介绍 初级课程 课程特色： 初级课程使用积木机器人进行教学，积木机器人使用由韩国ROBOROBO公司研发的ROBO KIDS 机器人产品，其各个零部件均为积木模块，使得由于年龄太小而不能学习中高级课程的幼儿也能进行搭建和编程的学习。这一创举弥补了国内幼儿机器人教育的空白，使得幼儿也能接受机器人的启蒙教育。 课程内容简介： 初级课程为积木机器人课程，该课程分成启蒙课程、拓展课程和进阶课程三个部分，目前每个部分都有16个主题。 （1）启蒙课程：基础搭建和程序体验。 主要内容是机器人的基本部件的认识和机器人基本功能的介绍，老师会随着课程的进度，以每节课介绍一种零部件、搭建一个机器人、学习一个科学知识点、认知一个程序的模式进行课堂教学，学员在这个过程中，会由浅入深，由少到多的掌握机器人的相关知识和搭建方法，通过设计与组装机器人、输入预设的程序，培养孩子动手能力与创造力，激发对机器人的兴趣。 （2）拓展课程：编程体验。 在启蒙课程的基础之上，增加新的传感器，熟悉各种编程程序卡，学会用卡片做简单的编程。开始体会编程的思维和带来的乐趣。完成拓展课程的学习，学员会理解机器人其实就是能够完成人类给予的各种任务的智能机器。 （3）进阶课程：模拟现实（主题任务）。 孩子们在熟悉各种程序的意义基础之上，观察思考生活中的机器人，搭建出这些机器的基本构造，通过程序编辑模拟功能。进阶课程在大量引导孩子们思考功能和程序之间的关系，以及按照主体任务完成编程任务的过程中，培养孩子的创造力和分析能力。 课程教学目标 （1）启蒙课程目标 知识目标： 通过对机器人课程的学习，让孩子了解机器人智能的简单原理，认识机器人各部分装置，明白控制机器人的关键在于程序的输入。 能力目标： 通过自主创意搭建和按步骤有序搭建，培养孩子的创意力和动手能力，促进手部小肌肉群的发展。情感目标： 通过机器人的组装与程序的输入，让孩子感受到科技的魅力与机器人的神奇，从而对机器人产生浓厚的兴趣。 （2）拓展课程目标
第一章 1机器人组成系统的4大部分：机构部分、传感器组、控制部分、信息处理部分 2机器人学的主要研究内容：研究机器人的控制与被处理物体间的相互关系 3机器人的驱动方式：液压、气动、电动 4机器人行走机构的基本形式：足式、蛇形式、轮式、履带式 5机器人的定义：由各种外部传感器引导的、带有一个或多个末端执行器、通过可编程运动，在其工作空间内对真实物体进行操作的软件可控的机械装置 6机器人的分类：1工业机器人2极限环境作业机器人3医疗福利机器人 7操作臂工作空间形式：1直角坐标式机器人2圆柱坐标式机器人3球坐标式机器人 4 scara 机器人5关节式机器人 8机器人三原则 第一条：机器人不得伤害人类. 第二条：机器人必须服从人类的命令，除非这条命令与第一条相矛盾。 第三条：机器人必须保护自己，除非这种保护与以上两条相矛盾。 第二章 1、什么是位姿：刚体参考点的位置和姿态 2、RPY 角与欧拉角的共同点：绕固定轴旋转的顺序与绕运动轴旋转的顺序相反并且旋转角度相同，能得到相同的变换矩阵，都是用三个变量描述。欧拉角为左乘RPY 角为右乘。 RPY 中绕x 旋转为偏转绕y 旋转为俯仰绕z 旋转为回转 3 、矩阵的左乘与右乘：左乘（变换从右向左）—指明运动相对于固定坐标系 右乘（变换从左向右）—指明运动相对于运动坐标系 4、齐次变换 T A B ：表示同一点相对于不同坐标系{B}和{A}的变换，描述{B}相对于{A}的位姿 5、自由矢量：完全由他的维数、大小、方向，三要素所规定的矢量 6、线矢量：由维数、大小、方向、作用线，四要素所规定的矢量 7、齐次变换矩阵 ?? ????=1000 0B A A B A B P R T 8、其次坐标变换?? ??????????=???? ??11000 10P P R P B B A A B A R A B 为旋转矩阵0B A P 为{B}的原点相对{A}的位置矢量 9、旋转矩阵：绕x 轴??????????-a a a a cos sin 0sin cos 0001y 轴??????????-a a a a cos 0sin 010sin 0cos z 轴?? ?? ? ?????-1000cos sin 0sin cos a a a a 10、变换矩阵求逆：?? ? ? ??-=10 0B A T A B T A B B A P R R T 已知B 相对于A 的描述求A 相对于B 的描述
第一章绪论 1. 机器人学（Robotics）它包括有基础研究和应用研究两个方面，主要研究内容有：(1) 机械手设计；(2) 机器人运动学、动力学和控制；(3) 轨迹设计和路径规划；(4) 传感器(包括内部传感器和外部传感器)；(5) 机器人视觉；(6) 机器人语言；(7) 装置与系统结构；(8) 机器人智能等。 2. 机器人学三原则：（1）机器人不得伤害人（2）机器人应执行人们的命令，除非这些命令与第一原则相矛盾（3）机器人应能保护自己的生存，只要这种保护行为不与第一第二原则相矛盾。 3. 6种型式的机器人： (1) 手动操纵器：人操纵的机械手，缺乏独立性； (2) 固定程序机器人：缺乏通用性； (3) 可编程机器人：非伺服控制； (4) 示教再现机器人：通用工业机器人； (5) 数控机器人：由计算机控制的机器人； (6) 智能机器人：具有智能行为的自律型机器人。 4. 按以下特征来描述机器人： （1）机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官 ( 如肢体、感官等 ) 的功能； （2）机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工主要组成部分； （3）机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；（4）机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖于人的干预。 5. 机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成 6. 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。 7. 示教－再现即分为示教－存储－再现-操作四步进行。 8. 控制信息顺序信息：位置信息：时间信息： 9. 位置控制点位控制－PTP（Point to Point）： 连续路径控制－CP（Continuous Path）： 10. 操纵机器人可分为两种类型：能力扩大式机器人：遥控机器人： 11. 第三代智能机器人应具备以下四种机能：运动机能感知机能： 思维能力：人－机对话机能： 智能机器人是一种“认知－适应"的工作方式。 12.目前我国机器人的发展正朝着实用化、智能化和特种机器人的方向发展。
《机器人技术》教学大纲 一、课程基本信息 课程代码：050361 课程名称：机器人技术 英文名称：Robot Techniques 课程类别：专业选修课 学时：36 学分： 2 适用对象: 机械电子工程专业（本科） 考核方式：考查 先修课程：《微机原理》，《电工电子学》，《机械设计基础》，《可编程控制器原理》二、课程简介 机器人学是一门高度交叉的前沿学科，机器人技术是集力学、机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会学等多学科知识之大成，是一项综合性很强的新技术。通过该课程的学习，使得学生基本熟悉这门技术以及其发展状况，为今后从事光机电一体化与系统设计、制造的研究工作打下基础。 Robotics is a new interdiscipline, Robot techniques include mechanics, mechanics, biology, anthropology, computer science, project, cybernetics and controlling engineering, electronic engineering, artificial intelligence, sociology,etc., It is a comprehensive technology. Through studying this course, the students can be familiar with this technology and the development state, and make the foundation in optical, mechanical and electronic integration and research work including system design and manufacture in the future. 三、课程性质与教学目的 本课程是机械电子工程的专业选修课，通过本课程的学习，使学生掌握机器人机构设计、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论。机器人是典型的机电一体化装置，它不是机械、电子的简单组合，而是机械、电子、控制、检测、通信和计算机的有机融合，通过这门课的学习，使学生对机器人有一个全面、深入的认识。培养学生综合运用所学基础理论和专业知识进行创新设计的能力。·
0.1 简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特征。 答：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装置，通过可编程动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。 1.机器人的动作结构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能。 2.机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。 3.机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。 4.机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。 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。 0.5简述下面几个术语的含义：自有度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。答：自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。 重复定位精度是关于精度的统计数据，指机器人重复到达某一确定位置准确的概率，是重复同一位置的范围，可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。 工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。 工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳定速度，也可以定义为 手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。 承载能力是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。 0.6什么叫冗余自由度机器人？ 答：从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。 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）。
机器人学考试
第一章 1.机器人的定义：工业机器人，一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置的、通过可编程序动 作来执行各种任务的，具有一定的记忆存储和感知能力的，并且具有各种编程能力的多功能机械手。 机器人特征： 1 2 3 4 2.机器人的分类： 第一代机器人（可编程、示教的工业机器人） 第二代机器人（具有一定的感知能力，低级智能机器人） 第三代机器人（具有高度适应性的自治机器人） 3.按照开发内容和目的区分，可分为以下三类机器人 ?工业机器人（ Industrial Robot）：如焊接、喷漆、装配机器人。 ?操纵机器人（ Teleoperator Robot）：如主从手，遥控排险、水下作业机器人。 ?智能机器人（ Intelligent Robot）：如演奏、表演、下棋、探险机器人。 4.机器人结构： 1）执行机构: 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。 2）驱动和传动装置:用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和气动，有直接驱动和间接驱动二种方式。 3）传感器: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。 4）控制器: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。 5.机器人工作原理： 1）“示教再现”方式：通过“示教盒”或者人“手把手”两种方式教机械手如何工作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人按照记忆周而复始的工作。 2）“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。 3）“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。 4）“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。 6.位置控制 ?点位控制－PTP（Point to Point）：只考虑起始点和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等； ?连续路径控制－ CP（ Continuous Path）：不但要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的要求。 第二章
1、请为工业机器人和智能机器人给出定义。 答：工业机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程动作来完成各种任务并具有编程能力的多功能机械手。 智能机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 2、简述工业机器人的组成部分及其作用。 答：工业机器人是由机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四部分组成。 其中，机械系统由机身、肩部、手腕、末端操作器和行走机构组成；工业机器人的机械系统的作用相当于人的身体。 驱动系统可分为电气、液压、气压驱动系统以及它们结合起来应用的综合系统组合；该部分的作用相当于人的肌肉。 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能；该部分的作用相当于人的大脑。 感知系统由内部传感器和外部传感器组成。其中，内部传感器用于检测各关节的位置、速度等变量，为闭环伺服控
制系统提供反馈信息；外部传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度、接触程度等，用于引导机器人，便于其识别物体并作出相应的处理。 该部分的作用相当于人的五官。 3、简述工业机器人各参数的定义：自由度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。 答：自由度：自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度。 重复定位精度：工业机器人的精度指定位精度和重复定位精度。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力。 工作范围：工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的的所有点的集合，也叫工作区域。 工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳定速度，也可以定义为 手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。 承载能力：承载能力是指机器人的工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。 4、工业机器人按坐标形式分为哪几类？各有什么特点？ 答：工业机器人的坐标形式有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。 直角坐标型：机器人的运动方程可独立处理，且方程是
第一章 1机器人组成系统的4大部分： 机构部分、传感器组、控制部分、信息处理部分 2机器人学的主要研究内容：研究机器人的控制与被处理物体间的相互关系 3机器人的驱动方式：液压、气动、电动 4机器人行走机构的基本形式：足式、蛇形式、轮式、履带式 5机器人的定义：由各种外部传感器引导的、带有一个或多个末端执行器、通过可编程运动，在其工作空间内对真实物体进行操作的软件可控的机械装置 6机器人的分类：1工业机器人2极限环境作业机器人3医疗福利机器人 7操作臂工作空间形式：1直角坐标式机器人2圆柱坐标式机器人3球坐标式机器人 4 scara 机器人5关节式机器人 8机器人三原则 第一条：机器人不得伤害人类. 第二条：机器人必须服从人类的命令，除非这条命令与第一条相矛盾。 第三条：机器人必须保护自己，除非这种保护与以上两条相矛盾。 第二章 1、什么是位姿：刚体参考点的位置和姿态 2、RPY 角与欧拉角的共同点：绕固定轴旋转的顺序与绕运动轴旋转的顺序相反并且旋转角度相同，能得到相同的变换矩阵，都是用三个变量描述。欧拉角为左乘RPY 角为右乘。 RPY 中绕x 旋转为偏转绕y 旋转为俯仰绕z 旋转为回转 3 、矩阵的左乘与右乘：左乘（变换从右向左）—指明运动相对于固定坐标系 右乘（变换从左向右）—指明运动相对于运动坐标系 4、齐次变换 T A B ：表示同一点相对于不同坐标系{B}和{A}的变换，描述{B}相对于{A}的位姿 5、自由矢量：完全由他的维数、大小、方向，三要素所规定的矢量 6、线矢量：由维数、大小、方向、作用线，四要素所规定的矢量 7、齐次变换矩阵 ?? ????=1000 0B A A B A B P R T 8、其次坐标变换?? ??????????=??????11000 10P P R P B B A A B A R A B 为旋转矩阵0B A P 为{B}的原点相对{A}的位置矢量 9、旋转矩阵：绕x 轴??????????-a a a a cos sin 0sin cos 0001y 轴??????????-a a a a cos 0sin 010sin 0cos z 轴?? ?? ? ?????-1000cos sin 0sin cos a a a a 10、变换矩阵求逆：?? ? ???-=10 0B A T A B T A B B A P R R T 已知B 相对于A 的描述求A 相对于B 的描述
工业机器人技术课程总结 任课： 班级： 学号： 姓名： 之前在工厂实习见识和操作过很多工业机器人，有焊接机器人，涂装机器人，总装机器人等，但是学习了盖老师教授的工业机器人课程，才真正算是进入了工业机器人的理论世界学习机器人的相关知识。以下是课程总结。 一、第一章主要是对机器人的概述，从机器人的功能和应用、机器人的机构以及机器人的规格全面呈现学习机器人的框架。 研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合，己经开始大量使用机器人。另外在军事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业甚到服务娱乐行业，也都开始使用机器人。本书主要介绍工业机器人，对譬如军用机器人等涉及不多。 机器人的机构方面，主要介绍了操作臂的工作空间形式、手腕、手爪、和闭链结构操作臂。工作空间形式常见的有直角坐标式机器人、圆柱坐标式机器人、球（极）坐标式机器人、SCARA机器人以及关节式机器人。手腕的形式也可分为二自由度球形手腕、三轴垂直相交的手腕以及连续转动手腕。同时手爪也可分为夹持式手爪、多关节多指手爪、顺应手爪。机器人的其他规格主要介绍驱动方式、自动插补放大、坐标轴数、工作空间、承载能力、速度和循环时间、定位基准和重复性以及机器人的运行环境。第一章的内容主要是对机器人各个方面有个简单的介绍使机器人更形象化和具体化。工业机器人定义为一种拟人手臂、手腕和手功能的机电一体化装置，能将对象或工具按照空间位置姿态的要求移动，从而完成某一生产的作业要求。工业机械应用：主要代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动。它带来的好处：减少劳动力费用提高生产率改进产品质量增加制造过程柔性减少材料浪费控制和加快库存的周转消除了危险和恶劣的劳动岗位。机器人的直角坐标型：结构简单；定位精度高；空间利用率低；操作范围小；
机器人技术基础试卷
考试科目:机器人技术基础考试时间：120分钟试卷总分100分 一、简答题（本大题共3小题，每小题5分，总计15分） 1 ?示教再现式机器人 答：先由人驱动操作机，再以示教动作作业，将示教作业程序、位置及其他信息存储起来，然后让机器人重现这些动作。（5分） 2 ?机器人系统结构由哪几个部分组成 答：通常由四个相互作用的部分组成：机械手、环境、任务和控制器。（5分） 3?为了将圆柱形的零件放在平板上，机器人应具有几个自由度 答：一共需要5个：定位3个，放平稳2个。（5分） 二、（10分）下面的坐标系矩阵B移动距离d=（5，2, 6）T: 0 10 2 10 0 4 B 0 0 1 6 0 0 0 1 求该坐标系相对于参考坐标系的新位置。 解：
1 0 0 5 0 1 0 2 0 1 0 2 1 0 0 4 B new 0 0 1 6 0 0 1 6 0 0 0 1 0 0 0 1 (10 分) 0 1 0 7 1 0 0 6 0 0 1 12 0 0 0 1 三、（10分）求点P=（2, 3, 4）T绕x轴旋转45度后相对于参考坐标系的坐标。 2 1 0 0 2 2 解：P Rot(x,45) 3 0 0.707 0.707 3 0.707 （10 分） 4 0 0.707 0.707 4 4.95 四、（15分）写出齐次变换矩阵A T，它表示相对固定坐标系｛A｝作以下变 换： （a）绕Z轴转90o；（b）再绕X轴转-90o；（c）最后做移动（3，7, 9）T。 0 1 0 3 解: A T 00 1 7 （15 分） 1 0 0 9 0 0 0 1 五、（15分）设工件相对于参考系｛u｝的描述为u T p ,机器人基座相对于参考系的描述为U T B，已知： 0 1 0 1 1 0 0 1 U0 0 1 2 U0 1 0 5 U T P,T B 1 0 0 0 0 0 1 9
全国青少年机器人技术等级考试 考试试卷（一级） [所属分类]:各种题型测试 1. 下列人物形象中，哪一个是机器人？ A. B. C. D. 答案:D 题型:单选题 分数:2 2.车轮上有凹凸不平的花纹的作用是 A.装饰好看 B.增加摩擦力 C.省油耐用 D.乘坐舒适答案:B 题型:单选题 分数:2 3.下图中，沿着哪个斜面向上拉动小车最省力 A. B. C. D. 答案:D 题型:单选题
分数:2 4.使用滑轮组工作是因为它能 A.省力当但不能改变力的方向 B.能改变力的方向但不能省力 C.既能改变力的方向又能省力 D.以上答案都不对 答案:C 题型:单选题 分数:2 5.木工师傅使用斧头作为工具，是利用（）能省力的原理。 A.滑轮 B.轮轴 C.斜面 D.杠杆 答案:C 题型:单选题 分数:2 6.当阻力点到支点的距离大于动力点到支点的距离时，杠杆 A.省力 B.费力 C.既不省力也不费力 D.以上答案都不对答案:B 题型:单选题 分数:2 7.如下图中，动滑轮有（）个。 A.1 B.2 C.3 D.0 答案:A 题型:单选题 分数:2
8.在山区常见到的盘山公路。修建盘山公路是利用我们所学的哪种简单机械 A.滑轮 B.杠杆 C.斜面 D.轮子 答案:C 题型:单选题 分数:2 9.关于简单机械，下列说法不正确的是 A.起重机的起重臂是一个杠杆 B.省力的机械一定会省距离 C.定滑轮、动滑轮和轮轴都是变形的杠杆 D.使用轮轴不一定会省力 答案:B 题型:单选题 分数:2 10.下列图片中，哪个不是机器人 A. B. C. D. 答案:D 题型:单选题 分数:2 11.在下列日常生活中用到的工具中，具有传动链的是 A.电视机 B.自行车 C.滑板车 D.缝纫机 答案:B 题型:单选题 分数:2 12.下列简单的机械中，既可以省力，同时又可以改变力的方向的是 A.定滑轮 B.动滑轮 C.斜面 D滑轮组
第1课机器人简介 目的意义概述:本课以科普的形式介绍机器人的发展及应用,并在此基础上初步给出机器人的定义;机器人的分类与机器人的基本组成;最后向学生介绍了款教学机器人。 1.1什么就是机器人？ 本节以科普的形式机器人的诞生及其广泛应用,并简单地给出了“机器人的定义”。教学中让学生在自学的基础上,通过上网了解更多的机器人诞生的背景,目前的应用范围以及科学家目前的努力方向。关于机器人的定义目前国际上还没有准确的定义,因此让学生理解什么就是机器人,机器人与普通机器人的主要区别就是什么就可以了。 1.2 机器人的分类 与计算机的分类一样,机器人按照不同的分类方式有着多种不同类别的机器人,教材中介绍了多种分类机器人。同样建议在教学中采用自学与上网探究的学习方式,主要就是了解各种不同类型的机器人的应用情况,以及在我国现阶段机器人工业机器人、服务机器人以及仿人型机器人主要有哪些方面的应用。 1.3常见教学机器人简介 教材在介绍各种教学机器人的基础上,主要介绍了乐高机器人与纳英特机器人的特点。有条件的情况下,一定要向学生展示与演示教学机器人完成任务的过程,以提高学生的感性认识,激发学生的学习兴趣。 1.4机器人的基本组成 本节教学中应让学生明白,机器人系统与计算机系统一样,包括硬件与软件两部份。机器人硬件包括思维器官、动作器官与感应器官,而软件系统包括操作系统与高级计算机语言编程系统。 同时应让学生明白机器人学习中,主要就是学习科学家就是如何分析问题,并针对问题设计与搭建机器人来解决问题的。重点应落实到分析问题与解决问题的方法上。上学生树立信心:随着机器人的技术的不断提高,设计与制作自己的机器人就是完全可行的。 第2课机器人的编程系统 目的意义概述:本课通过实际操作纳英特机器人与乐高机器人了解与学习机器人的编程系统。教学时可根据学校的实际,选用一种类型的教学机器人实施教学,教师应尽可能的创造条件让学生有机会亲自操作,至少应能给同学演示。本课的重点就是机器人与机器人的连接方法、为机器人下载操作系统。学生的兴奋点在如何让“机器人前进”的任务上。 概述:首先让同学明确,机器人的微处理器实际就是一台微型计算机,它只懂得机器语言,不同类型的机器人一般都有自己专门的操作系统。另外,由于机器人的微处理器体积小,功能简单,一般不提供直接编程。因为大多数情况下人们都需要在计算机上为机器人编写程序,再通用下载线将程序下载到机器人内存中,以便控制机器人的行为。 2.1纳英特机器人编程系统
考试科目:机器人技术基础考试时间：120分钟试卷总分IQG分 题号■一--二二三四五六总分 得分 评卷 教师 一、简答题（本大题共3小题，每小题5分，总计15分） 1?示教再现式机器人 答：先由人驱动操作机，再以示教动作作业，将示教作业程序、位置及其他信息存储起来，然后让机器人重现这些动作。（5分） 2?机器人系统结构由哪几个部分组成 答：通常由四个相互作用的部分组成：机械手、环境、任务和控制器。 3?为了将圆柱形的零件放在平板上，机器人应具有几个自由度答：一共需要5个：定位3个，放平稳2个。（5分） （10分）下面的坐标系矩阵B移动距离d=（5 , 2, 6）T: Q 1 Q 2 1 Q Q 4 B = 0 0-16 .0 0 。 1 一 求该坐标系相对于参考坐标系的新位置。 解： （5分） -1 0 0 B neW = 0 1 0 0 0 1 .QQQ 5「0 1 0 21 2 1 0 0 4 6 0 0 -1 6 1 一 00 0 1 一（10 分） （10 分）求点P=（2, 3, 0 ~1 6 12 1 4）T绕X轴旋转45度后相对于参考坐标系的坐标。
第2页共4页 U T B ,已知: 求：工件相对于基座的描述 B T P 0 10-2 0 0-1-3 -10 0 -9 .0 0 0 1 六、（15分）写出3R 平面机械手的各连杆参数和运动学方程（末端相对于基件三臂长位 l 1 、 I 2 、 l 3 ） O 解：各连杆参数如下: 可^1 H 解：P=ROt （X,45） 3=0 久卫 -0.707 3 = -0.707 0.707 - 4_ I I 4.95 一 （10 分） 四、（15分）写出齐次变换矩阵 {A}作以下变换: 绕Z 轴转90o ;（ b ）再绕X 轴转-90o ；（ C ）最后做移动（3，7，9） 0 -1 0 3 解：AT = 0 0 1 7 -1 0 0 9 - 0 0 1 （15 分） {u}的描述为U T P ,机器人基座相对于参考系的描述为 - 0 1 0 -H U TP = 0 0 -1 2 -1 0 0 0 - 0 1 一 - 1 0 0 们 ，U TB = 0 1 0 5 0 0 1 9 [ 0 0 0 1 一 解： B B U U -1 u T P = T U T P =[ T B ] T P [1 0 0 -1「0 1 1 0 -5 0 0 -1 2 0 I 0 1 -9 —1 0 0 0 0 0 1 一 0 0 0 1 一 （10 分） （5分） 0 0.707 0.707 0 Pl - 2 B T ,它表示相对固定坐标系 （a 五、（15分）设工件相对于参考系
斯坦福大学公开课《机器人学》课程简介 01机器人历史及机器人的应用[ 主题：课程概要，机器人历史的视频，机器人应用，相关的斯坦福机器人课程，讲座和阅读计划，机械臂运动学，机械臂动力学，机械臂控制，机械力臂控，前沿论题 02空间描述，广义坐标 主题：空间描述，广义坐标，操作坐标，旋转矩阵，旋转矩阵实例，转化，齐次变换实例，操作方法，通用操作方法 03东芝公司开发的柔性致动器 机器人学导论第三课开始的视频介绍了东芝公司开发的柔性致动器，体积小，由气压驱动，可以简单模仿手脚的运动。接着本课介绍了齐次变换的几个功能：描述坐标系；旋转或平移矢量以及得到某一矢量在另外坐标系的描述，即映射。此外，还有作为运算式的齐次变换转换。齐次变换即为已知某个矩阵和多个坐标系时，将它们相乘即可。如果已知所有坐标系间的关系，基座也是固定的，于是就可以计算出末端执行器的位置，进而得到基座的位置。如果一组变换只有一个是缺失的，就可以通过它与其它坐标系的关系确定出来。表达式包括空间的描述和旋转的表述，具体来说就是如何在空间中定位末端执行器以及怎样把它移动到某个位置。最后本课讨论了如何运用三个角的表述来表示坐标系的变换、奇异性、固定角以及欧拉参数等问题，并围绕着这些基本问题讨论了欧拉角，旋转等具体实例。 04机器人“蜂鸟” 机器人学第四课主要介绍了如何通过各个连杆和末端执行器来控制一个机械手，也就是建立正运动学。本课首先播放机器人“蜂鸟”的视频来演示机械臂的快速工作过程，然后实际地利用学过的坐标系变换和描述来分析一个机械手。末端执行器通过连杆连接到基座上，连杆之间接有关节轴。用DH参数描述连杆，可以精确地定义坐标系。每一个连杆可以附着一个坐标系，通过设置不同的参数，进行坐标变换，最终得到一个可以用在所有坐标系中的总的变换，接着就可以建立正运动学了。 05灵长类仿生机器人 机器人学导论第五课主要介绍了悬臂运动的理论依据以及一个实际的例子。首先通过一个短片讲解了灵长类仿生机器人和悬臂运动的由来。接着通过讲解一个RPRR（转动-移动-转动-转动机制）的例子来告诉同学们如何具体实现上述运动。课程的后半段，在一个真实的机械臂例子中，教授介绍了找到这个臂的正运动学的基本步骤，即首先要知道DH参数并计算与其相关的变换来得到机器人的变换，进而找出末端执行器处的XYZ，通过关节角和移动关节的位置得到末端执行器的姿态。 06瞬态运动学 机器人学第六课开始播放了关于链式机器人Polypod的视频片段，它们是可重构及模块化的，由连接杆和关节点组成。它可以通过伸长和缩回模式实现一系列复杂的诸如搬运和转弯的步态和运动。接下来教授开始运用之前讲过的雅可比矩阵来分析瞬态运动学：定位末端执行器，在坐标系中描述其位置和姿态。雅可比矩阵的模型在建立运动学的过程中非常重要。用一个简单的有两个自由度的例子可以说明上述的讨论过程。接着教授讲述了另一个例子：斯坦福沙因曼机械臂是如何伸展的，通过微分运算求得关于位置和姿态的雅可比矩阵，从而得到机器人的线速度和角速度。接着讨论了物体绕某一固定轴转动的时候，距离轴的