机器人技术基础大作业整理版

目录1 问题的描述 (1)2 问题解答 (2)2.0前言 (2)2.1分析自由度 (2)2.2-2.3位置反解与正解 (3)2.4奇异位形 (4)2.5工作空间 (6)2.6雅克比 (7)2.7力雅克比 (7)2.8柔度矩阵 (8)2.9机械图（3D） (8)2.10控制系统框图 (8)1 问题的描述如图1所示为并联机构简图，根据描述，求解一下各个问题。

图1 并联机构简图1.1自由度分析1.2位置反解1.3位置正解1.4奇异位形1.5工作空间1.6雅可比1.7力雅可比1.8柔度矩阵1.9机械图（3D）1.10控制系统框图（不写出具体参数，用字母代替就可以）单关节控制2 问题解答2.0前言并联机器人的结构中包含了一个或几个闭环，它是由一个或几个闭环组成的关节点坐标相互并联的机器人。

与传统的串联机器人相比，并联机器人刚度高、各向同性好、精度高，而且运动学反解求解简单，因此得到了广泛应用。

现对此机构进行运动学分析。

已有的二自由度并联机构多数为平面机构，这些机构都是使用移动副与转动副的组合，如将驱动装置固定在定平台，共有6种可能的机构构型，很多学者对其进行了研究与设计，其输出是机构上一点在一个平面上的移动。

在工程应用中，往往需要在平面内定位一个刚体，这就要求机构的输出是一个刚体的二维平动，高峰教授提出了平面二自由度并联机器人机构。

2.1分析自由度分析此机构的自由度，我们将并联机构图简化成图2所示简图进行分析。

图2 并联机构简图根据著名的G -K 公式，得如下自由度的计算公式：()∑=+--=ji i f j n F 11λ （1） 其中：λ——位形空间的维数；n——构件个数，含机架；j——运动副的个数；f i ——第i 个运动副的自由度数。

现在空间为平面，所以λ=3。

故：F =3(5−5−1)+5=2所以上述的并联机构的自由度为2，若该机构需要确定的运动，就需要两个原动构件。

2.2-2.3位置反解与正解图3所示为二自由度并联平面机构简图，其中1为固定平台，2为转动副，3为连杆，4为运动平台，5为滑块。

可编辑版《机器人技术》大作业（2015年秋季学期）题目工业机器人概述姓名学号班级专业机械设计制造及其自动化报告提交日期2015年12月5日哈尔滨工业大学.内容及要求1.以某种机器人(如搬运、焊接、喷漆、装配等工业机器人；服务机器人；仿生鱼、蛇等仿生机器人；军用及其它机器人等)为例，撰写一篇大作业，题目自拟，以下内容仅作参考：1) 机器人的机械结构设计(包括各部分名称、功能、传动等)；2) 机器人的运动学及动力学分析；3) 机器人的控制及轨迹规划；4) 驱动及伺服系统设计；5) 电气控制电路图及部分控制子程序。

2.题目自拟，拒绝雷同和抄袭；3.参考文献不少于7篇，其中至少有2篇外文文献；4.报告统一用该模板撰写，字数不少于5000字，上限不限；5.正文为小四号宋体，1.25倍行距；图表规范，标注为五号宋体；6.用A4纸单面打印；左侧装订，1枚钉；7.提交打印稿及03版word电子文档，由班长收齐。

8.此页不得删除。

评语：成绩（20分）：教师签名：年月日工业机器人概述机器人学是当今世界极为活跃的研究领域之一，它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多种学科。

随着计算机、人工智能和光机电一体化技术的迅速发展，机器人已经成为人类的好帮手。

在航空航天，深海探测中，往往使用机器人代替人类去完成复杂的极限工作任务。

工业机器人是一个多功能、多自由度的机械和电气一体化的自动机械设备和系统，它可以在制造过程中完成各种任务。

它结合制造主机或生产线，可以形成一个单一的或多台机器自动化系统，在无人参与下，实现搬运、焊接、装配和喷涂等多种生产作业。

目前，工业机器人技术飞速发展，在生产中的应用日益广泛，已成为现代制造业重要的生产高度自动化设备。

一、工业机器人特性自20世纪60年代美国第一代机器人的开始，工业机器人的发展和应用迅速发展起来，工业机器人的最重要的特性概括如下。

1、可编程。

生产自动化的进一步发展是柔性自动化。

机器⼈技术及应⽤-⼤作业1⼀、D-H参数⼆、各连杆变换矩阵将D-H参数代⼊到连杆变换矩阵，得：三、各连杆⾄末端连杆的变换矩阵T43=T43T42=T32*T43;T41=T21*T42;Matlab 编程：clcclear allsyms af a d th realsyms d2 th1 th3 th4 realDH=[ 0 0 0 th1 ;-90 0 d2 0 ;90 0 0 th3 ;90 0 60 th4 ]; %DH参数for i=1:4af=DH(i,1) ; %取出DH参数a=DH(i,2) ;d=DH(i,3) ;th=DH(i,4);T{i}=[cos(th) -sin(th) 0 a;sin(th)*cos(af) cos(th)*cos(af) -sin(af) -d*sin(af) ; sin(th)*sin(af) cos(th)*sin(af) cos(af) d*cos(af) ;0 0 0 1 ] ; %连杆变换⽅程endT10=T{1}T21=T{2}T32=T{3}T43=T{4}T42=T32*T43T41=T21*T42四、雅可⽐矩阵雅可⽐矩阵结果：Matlab编程：clcclear allsyms d2 realsyms th1 th3 th4 realT21 =[ 1, 0, 0, 0;0, cos(90), sin(90), d2*sin(90);0, -sin(90), cos(90), d2*cos(90);0, 0, 0, 1];T32 =[ cos(th3), -sin(th3), 0, 0;cos(90)*sin(th3), cos(90)*cos(th3), -sin(90), 0;sin(90)*sin(th3), sin(90)*cos(th3), cos(90), 0;0, 0, 0, 1];T44=[ 1, 0, 0, 0;0, 1, 0, 0;0, 0, 1, 0;0, 0, 0, 1];T43 =[ cos(th4), -sin(th4), 0, 0;cos(90)*sin(th4), cos(90)*cos(th4), -sin(90), -60*sin(90); sin(90)*sin(th4), sin(90)*cos(th4), cos(90), 60*cos(90); 0, 0, 0, 1];T42=T32*T43n1=T41(1:3,1);o1=T41(1:3,2);a1=T41(1:3,3);p1=T41(1:3,4);n2=T42(1:3,1);o2=T42(1:3,2);a2=T42(1:3,3);p2=T42(1:3,4);n3=T43(1:3,1);o3=T43(1:3,2);a3=T43(1:3,3);p3=T43(1:3,4);n4=T44(1:3,1);o4=T44(1:3,2);a4=T44(1:3,3);p4=T44(1:3,4);Sp1=[0 -p1(3) p1(2);p1(3) 0 -p1(1);-p1(2) p1(1) 0] ; %位置⽮量的反对称矩阵Sp2=[0 -p2(3) p2(2);p2(3) 0 -p2(1);p2(2) p2(1) 0];Sp3=[0 -p3(3) p3(2);p3(3) 0 -p3(1);p3(2) p3(1) 0];Sp4=[0 -p4(3) p4(2);p4(3) 0 -p4(1);p4(2) p4(1) 0];pxn1=Sp1*n1;pxo1=Sp1*o1;pxa1=Sp1*a1;pxn2=Sp2*n2;pxo2=Sp2*o2;pxa2=Sp2*a2;pxo3=Sp3*o3;pxa3=Sp3*a3;pxn4=Sp4*n4;pxo4=Sp4*o4;pxa4=Sp4*a4;JL1=[pxn1(3) pxo1(3) pxa1(3)].' ;JL2=[pxn2(3) pxo2(3) pxa2(3)].' ;JL3=[pxn3(3) pxo3(3) pxa3(3)].' ;JL4=[pxn4(3) pxo4(3) pxa4(3)].' ;Ja1=[n1(3) o1(3) a1(3)].' ;Ja2=[n2(3) o2(3) a2(3)].' ;Ja3=[n3(3) o3(3) a3(3)].' ;Ja4=[n4(3) o4(3) a4(3)].' ;J1=[JL1 ; Ja1] ;J2=[JL2 ; Ja2] ;J3=[JL3 ; Ja3] ;J4=[JL4 ; Ja4] ;Jn=[J1 J2 J3 J4];JJn=vpa(Jn,2)五、关节驱动⼒如下图所⽰，杆各长设为li，受外⼒4F=（fx，fy）T静⼒传递：关节驱动⼒：设⼿抓坐标系原点受⼒：4F=[fx,fy,0]T 杆3受⼒：=fz fx f 033-=???=3030010*333fxl fzl fz fx l n杆2受⼒：-+=--===fz c fz s c fx s fz s s fx c fz fx c s s c c c s s s s c c f x R z R f R f 22112110*2202121121121)*,(*),(3321332322θθ-++-=?+=32232131321313332332322fxl c fxl fxl s c fzl s fxl s s fzl c f P n R n杆1受⼒：+---+=??-+-===fz c c fzs c fxs s fzs c fzs c fxs c s fzs fx c fz c fz s c fx s fz s s fx c c s s c f x R f R f 21)211(112)211(12112211211*110110001)*1,(22221211θ-+++++-=?+=321)231132(1132)231132(1213312221221211fxl c c s fxl c s fzl fxl s s fxl c s fxl c s fzl fxl c s s fxl fzl c f P n R n关节驱动⼒：关节1为转动关节：321)231132(11fxl c c s fxl c s fzl fxl s -++=τ关节2为移动关节：fz c 22=τ关节3为转动关节：33fxl -=τ六、速度与加速度分析操作臂的速度和加速度分析该机械⼿由四个关节组成，其中第⼆个关节为移动关节其余三个为转动关节，俩个连杆为l1和l2，应⽤递推法对末端构件的速度、⾓速度和雅克⽐矩阵计算如下所⽰，平⾯简图如下所⽰。

《机器人技术基础》大作业题目：班级：姓名：成绩：一、机器人功能描述（200字）具有供人观赏，娱乐为目的，具有机器人的外部特征，也可以像人，像某种动物等。

同时具有机器人的功能，可以行走或完成动作，有语言能力，会唱歌，有一定的感知能力，可以自主的连续表演事先编好的多套动作。

二、机器人系统的功能构成（框图+文字说明）驱动：电动传动机械结构系统：感受系统：智能传感器基本思路：通过对人类动作的深入了解，分析人类的动作特性，并且与控制对象跳舞机器人的工作原理、动作过程进行比较，从而确定机器人的基本构成并选择合适的机械构件，组装完成机器人的造型。

分析机器人动作的局限性与优势，设定机器人的舞蹈动作，按动作编写程序，完成作品设计。

跳舞机器人的结构完全模仿真人，并实现了双腿分立走路，双臂有很强的自由度，可以完成多种高难度动作。

机器人的双脚为轮式结构，这样不仅可以实现转身和滑步，更突出的优点是在走路时减少了重心的调整，从而减少了机器人的倾斜度，实现了类似真人的走路及跳舞模式。

舞蹈机器人的控制方式是将uC/OS-Ⅱ操作系统嵌入Atmega128处理器中,采用PID算法,对电机、舵机进行实时可靠的控制，进而对机器人主动轮的速度、方向进行有效的控制，使机器人的动作定位更加准确，动作过程更加优美协调。

机器人的双脚为轮式结构，此结构可以很完美地实现转身和滑步。

更突出的优点是在走路时减少了重心的调整，同时也克服了塑料构件机械强度不够高的局限性。

跳舞机器人完全实现了智能化运行，可以用相应软件通过编程实现对舵机的控制，做出各种不同的动作，带给人们另类娱乐。

它可以走进各种不同的场合，如：在学校用于科技教育学习；在家庭用于提供丰富的生活享受；用于社会可以增加更多的新型娱乐项目等。

随着社会对服务业的需求不断扩大，可以代替人的机器人将会有更广阔的前景从近几年世界范围内推出的机器人产品来看，机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展。

其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的的开放化；PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化。

《机器人技术》大作业(201５年秋季学期)题目工业机器人概述姓名学号班级专机械设计制造及其自动化业报告提交日期2015年12月5日哈尔滨工业大学内容及要求1.以某种机器人(如搬运、焊接、喷漆、装配等工业机器人;服务机器人;仿生鱼、蛇等仿生机器人;军用及其它机器人等)为例,撰写一篇大作业,题目自拟，以下内容仅作参考:1)机器人得机械结构设计(包括各部分名称、功能、传动等)；2) 机器人得运动学及动力学分析;3) 机器人得控制及轨迹规划;４)驱动及伺服系统设计；5)电气控制电路图及部分控制子程序。

2.题目自拟,拒绝雷同与抄袭;3.参考文献不少于７篇,其中至少有2篇外文文献；4.报告统一用该模板撰写,字数不少于５000字，上限不限;5.正文为小四号宋体，1、25倍行距;图表规范,标注为五号宋体;6.用A4纸单面打印；左侧装订,１枚钉；7.提交打印稿及03版wｏｒd电子文档,由班长收齐。

8.此页不得删除。

评语：成绩(２0分）: 教师签名:年月日工业机器人概述机器人学就是当今世界极为活跃得研究领域之一,它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多种学科。

随着计算机、人工智能与光机电一体化技术得迅速发展,机器人已经成为人类得好帮手。

在航空航天,深海探测中,往往使用机器人代替人类去完成复杂得极限工作任务。

工业机器人就是一个多功能、多自由度得机械与电气一体化得自动机械设备与系统,它可以在制造过程中完成各种任务。

它结合制造主机或生产线，可以形成一个单一得或多台机器自动化系统,在无人参与下,实现搬运、焊接、装配与喷涂等多种生产作业。

目前,工业机器人技术飞速发展，在生产中得应用日益广泛,已成为现代制造业重要得生产高度自动化设备。

一、工业机器人特性自20世纪60年代美国第一代机器人得开始,工业机器人得发展与应用迅速发展起来,工业机器人得最重要得特性概括如下。

1、可编程。

生产自动化得进一步发展就是柔性自动化。

《机器人技术基础》课程考核大作业一、进行课程学习考核（大作业形式）的目的：工业机器人系统设计是专业选修课的一个理论与实践相结合的教学环节，是机械类基础课程的延伸，可以巩固和加强机械类基础课程学习和工程应用知识的拓展，可以为毕业设计和就业工作打下良好基础，其目的是：1、通过资料查询与整理，联系生产实际，运用所学过的知识，使学生得到对课题的论证与分析、问题解决对策、自主学习、团队合作等能力的培养。

2、利用机械类的前序课知识，学会并掌握工业机器人系统设计的特点及方法，学会并掌握工业机器人系统设计中“总体方案设计”、“参数设计”、“组成机构原理与分析”、“机械结构装置设计”、“控制系统设计”等方面的一般方法和技术要求。

3、加强机械设计中基本技能的训练，如：设计计算能力，运用有关设计资料、设计手册、标准、规范及经验数据的能力，以及机械、电气系统的综合运用能力。

二、同学可以选择的课题领域：（01）玻璃、陶瓷加工业用的工业机器人（02）化学工业中应用的工业机器人（03）建筑行业应用的工业机器人（04）塑料工业中应用的工业机器人（如：装配、搬运）（05）用于包装工业的工业机器人（06）电气和电子工业中应用的工业机器人：工件搬运和存放的工业机器人（07）医疗行业应用的工业机器人（如：医疗、残疾、家庭）（08）用于金属生产和加工的工业机器人（铸造机器人）（09）用于木加工业的工业机器人：木加工行业装配和搬运的工业机器人（10）用于食品供应和加工的工业机器人：食品工业中的装配和搬运的工业机器人（11）承担复杂机具搬运任务的工业机器人（12）搬运和托盘堆码应用的工业机器人（13）普通机械制造领域的装配和搬运作业的工业机器人（14）用于机床上下料件的工业机器人（15）用于粘接和密封的工业机器人（16）锻冶场所装卸的工业机器人（17）金属生产和加工业的装配和搬运的工业机器人（18）用于压铸和注模成型机装卸的工业机器人（19）用于车辆制造的焊接工业机器人（20）用于车辆制造的装配工业机器人（21）用于仓储、材料管理和控制及后勤的工业机器人：一般工厂自动化装配和搬运系统三、设计内容与要求：1．介绍所选工业机器人系统的组成及各部分的关系，理解其机、电组成系统的要求（包括：需求分析、功能分析与分解、功能求解与集成、设计方案的形成、方案的评价等），掌握工业机器人系统方案设计的主要进程以及各阶段的主要工作内容，初步领会工业机器人系统的设计方案及一般程序。

大作业一、单选题（2分/题，共20分）1．“机器人”（ Robot ）一词来自1921年捷克作家（）的剧本。

A．Jsaac AsimovB．Karel CapekC．George DevolD．Engleberger2．机器人工作载荷是指( )。

A．静止时所能抓取的工件重量B．高速运行时所能抓取的工件重量C．缓慢运行时所能抓取的工件重量D．以上都不是。

3、工业机器人的额定负载是指在规定范围内（）所能承受的最大负载允许值A．手腕机械接口处B．手臂C．末端执行器D．机座4．以下关于闭环控制系统说法错误的有 ( )。

A．输入量到输出量控制作用是单方向传递的B．系统的输出量反馈到输入端参与控制C．输出量通过检测装置与输入量联系在一起形成一个闭合回路D．以上不都正确。

5、传感器是人类（）的外延A．大脑B．智力C．四肢D．五官6、关节型机器人的驱动方式适合于（）A．液压驱动B．气压驱动C．电动机驱动D．以上都不是7、以下不属于机器人的触觉传感器的有（）A. 接触觉传感器B. 压觉传感器C. 滑觉传感器D. 绝对型旋转编码器8、步行机器人的行走机构多为（）A．滚轮B．履带C．连杆机构D．齿轮机构9、锐化常用（）A. 低通滤波器B. 高通滤波器C. 带通滤波器D. 以上都不是10、超声波传感器用来测量（）A．角度B．距离C．压力D．加速度二、多选题（2分/题，共20分）1、以下说法正确的有（）A. 精度：平均值B. 重复精度：变化的幅度C. 分辨率：机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度D. 机器人的工作空间包括手部本身所能达到的区域2、机器人按控制方式分类，可分为（）A. 非伺服机器人B. 工业机器人C. 水下机器人D. 伺服机器人3、机器人视觉信息处理算法包括（）A.图像预处理B.图像分割C.图像描述D.图像识别4、以下属于工业机器人的应用准则的有（）A 从恶劣工种开始采用机器人B. 在生产率和生产质量落后的部门应用机器人C. 不用考虑机器人的投入和使用成本D. 要估计长远需要5、交流伺服电动机的基本要求为（）。

机器人技术基础作业案场各岗位服务流程销售大厅服务岗：1、销售大厅服务岗岗位职责：1)为来访客户提供全程的休息区域及饮品;2)保持销售区域台面整洁;3)及时补足销售大厅物资,如糖果或杂志等;4)收集客户意见、建议及现场问题点；2、销售大厅服务岗工作及服务流程阶段工作及服务流程班前阶段1）自检仪容仪表以饱满的精神面貌进入工作区域2）检查使用工具及销售大厅物资情况，异常情况及时登记并报告上级。

班中工作程序服务流程行为规范迎接指引递阅资料上饮品（糕点）添加茶水工作要求1）眼神关注客人，当客人距3米距离时，应主动跨出自己的位置迎宾，然后侯客迎询问客户送客户注意事项15度鞠躬微笑问候：“您好！欢迎光临！”2）在客人前方1-2米距离领位，指引请客人向休息区，在客人入座后问客人对座位是否满意：“您好！请问坐这儿可以吗？”得到同意后为客人拉椅入座“好的，请入座！”3）若客人无置业顾问陪同，可询问：请问您有专属的置业顾问吗？，为客人取阅项目资料，并礼貌的告知请客人稍等，置业顾问会很快过来介绍，同时请置业顾问关注该客人；4）问候的起始语应为“先生-小姐-女士早上好，这里是XX销售中心，这边请”5）问候时间段为8:30-11:30 早上好11:30-14:30 中午好 14:30-18:00下午好6）关注客人物品，如物品较多，则主动询问是否需要帮助（如拾到物品须两名人员在场方能打开，提示客人注意贵重物品）；7）在满座位的情况下，须先向客人致歉，在请其到沙盘区进行观摩稍作等待；阶段工作及服务流程班中工作程序工作要求注意事项饮料（糕点服务）1）在所有饮料（糕点）服务中必须使用托盘；2）所有饮料服务均已“对不起，打扰一下，请问您需要什么饮品”为起始；3）服务方向：从客人的右面服务；4）当客人的饮料杯中只剩三分之一时，必须询问客人是否需要再添一杯，在二次服务中特别注意瓶口绝对不可以与客人使用的杯子接触；5）在客人再次需要饮料时必须更换杯子；下班程序1）检查使用的工具及销售案场物资情况，异常情况及时记录并报告上级领导；2）填写物资领用申请表并整理客户意见；3）参加班后总结会；4）积极配合销售人员的接待工作，如果下班时间已经到，必须待客人离开后下班；1.3.3.3吧台服务岗1.3.3.3.1吧台服务岗岗位职责1）为来访的客人提供全程的休息及饮品服务；2）保持吧台区域的整洁；3)饮品使用的器皿必须消毒；4）及时补充吧台物资；5）收集客户意见、建议及问题点；1.3.3.3.2吧台服务岗工作及流程阶段工作及服务流程班前阶段1）自检仪容仪表以饱满的精神面貌进入工作区域2）检查使用工具及销售大厅物资情况，异常情况及时登记并报告上级。

第七章作业
判断题
7-\placeholderAP表示空间点在A坐标系中的姿态。

（ ）
7-运动学正问题是已知机器人末端位姿求各关节变量。

（ ）
7-机器人正向运动学分析的解具有唯一性。

（ ）
7-PUMA560型机器人，具有6个转动关节，前3个关节用于确定手腕参考点在空间中的位置，后3个关节用于确定手腕的姿态。

（ ）
7-机器人逆向运动分析的逆解具有唯一性。

（ ）
7-机器人运动学是研究机器人运动与受力的关系。

（ ）
7-从机器人结构上将常见的机器人分为串联型和并联型两类.（ ）
7-机器人手部的位置和姿态可以由固连于手部坐标系的位姿来表示。

（ ）
7-描述刚体位姿的齐次矩阵是一4*4的矩阵.（ ）
多选题
7-机械臂逆向运动学求解方法有（ABC）
A代数法
B几何法
C数值法
D以上都不对
7-从机座到末端执行器，为关节和连杆编号，其编号顺序是（B）
A从高到低
B从低到高
C任意排序
D以上都不对。

KUKA KR40PA码垛机器人运动学仿真目录摘要 (3)1 引言 (4)1.1机器人发展 (4)1.1.1 发展 (4)1.1.2 现状 (5)2 KUKA机器人综述 (6)2.1 公司简介 (6)2.2 产品 (6)3 机器人理论基础 (7)3.1.求正运动学公式 (7)3.2运动学逆解 (8)3.3 静力分析 (9)4机器人建模 (10)4.1问题描述 (10)4.2模型描述 (10)5 仿真 (11)5.1 轨迹规划 (11)5.2特征曲线 (13)5.2.1 位移曲线 (13)5.2.2 速度曲线 (14)5.2.3 加速度曲线 (16)总结 (17)参考文献 (18)摘要本次作业主要针对KUKA KR40PA码垛机器人进行运动学仿真，根据已知的条件和需要以KUKA机器人为研究对象，对KUKA机器人进行运动学仿真，通过讨论该机器人的运动学问题，然后在matlab环境下，用simmechanics工具箱对该机器人的正运动学、逆运动学、轨迹规划进行了仿真, 通过仿真，观察到了机器人各个关节的运动，并得到了所需的数据，从而能够达到预定的目标.关键字：KUKA KR40PA码垛机器人运动学仿真 matlab1 引言1.1机器人发展1.1.1 发展虽然机器人已经历了30 多个春秋, 繁衍了三代, 是一个拥有几十万台机器人的大家族, 可是至今还没有统一的定义。

什么叫做机器人? 在世界范围内, 对于什么是机器人, 以及什么不属护机器人, 在看法上存在着很大的差差别。

为此在第18 届ISIR (国际机器人学术讨论会)期间, 专门成立了一个工作小组, 它的任务是制定机器人分类的标准, 并确定机器人数量的原则。

总之,不管机器人的定义如何, 现在的工业机器人已从原来概念的“纲领工人”或“通用自动机”逐步演进为从事专门任务的柔性机械。

进入80年代以后, 机器人的发展十分迅速。

198 0年, 全世界工业机器人仅有1万多台,可是到1984 年,除了中国、前苏联和东欧国家之外,全世界已有工业机器人102444 台, 其中以日本为最多, 高达4.4万台, 其次是美国,共有1.3万台, 以下依次是: 德国6600台、法国3380台、瑞典2400台。

《机器人技术基础》课程作业河北建筑工程学院一、例3.4：PUMA560是属于关节式的机器人，6个关节都是转动关节。

前3个关节确定手腕参考点的位置，后3个关节确定手脆的方位。

和大多数工业机器人一样，后3个关节轴线交于一点。

该点选作为手腕的参考点，也选作为连杆坐标系{4}，{5}和{6}的原点。

关节1的轴线为铅直方向，关节2和3的轴线水平，且平行，距离为a2。

关节1和2的轴线垂直相交，关节3和4的轴线垂直交错，距离为a3。

各连杆坐标系如图一所示，相应的连杆参数列于表一中。

图一PUMA560机器人的各连杆坐标系T10=[cθ1−sθ2sθ1cθ2000000001001];T21=[cθ2−sθ200000d2−sθ2−cθ2000001]T23=[cθ3−sθ3sθ3cθ30a20000001010];T43=[cθ4−sθ4000a31d4−sθ4−cθ4000001]T54=[cθ5−sθ50000−10sθ5cθ5000001];T65=[cθ6−sθ6000010−sθ6−cθ6000001](3.1)将各个连杆变换矩阵相乘，便得到PUMA560的手臂变换矩阵T60，T60=T10(θ1)T21(θ2)T32(θ3)T43(θ4)T54(θ5)T65(θ6) (3.2) 它是关节变量θi的函数。

为了求解运动方程，需要计算某些中间结果，如：T64=T54T65=[c5c6−c5s6s6c6−s5000s5c6−s5c600c5001] (3.3)T63=T44T64=[c4c5c6−s4s6−c4c5c6−s4c6s5c6−s5c6−c4s5a3c5d4−s4c5c6−c4s6s4c5s6−c4c600s4s5001](3.4) 表一PUMA560机器人连杆参数根据PUMA560的结构特点，关节2与关节3相互平行，先把T 21(θ2)和T 32(θ3)相乘，即T 31=T 21T 32=[c 23−s 23000a 2c 21d 2−s 23−c 23000−a 2s 201] (3.5)其中，c 23=cos(θ2+θ3)= c 2c 3−s 2s 3; s 23=sin(θ2+θ3) = c 2s 3+s 2c 3。

机器人技术基础作业学院：电气与信息工程班级：电子信息工程1302姓名：唐佳伟学号：A191301501.简要说明工业机器人的定义？答：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。

2.简要说明工业机器人的分类？答：按坐标分类直角坐标型: 机器人在x、 y、 z轴上的运动是独立的, 运动方程可独立处理, 且方程是线性的, 因此很容易通过计算机控制实现; 它可以两端支撑, 对于给定的结构长度, 刚性最大; 它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化, 容易达到高精度3简要说明工业机器人有哪些应用？答：目前工业机器人在制造加工中主要从事工件上下料、焊接、装配、喷涂、检验、铸造、锻压、热处理、金属切削加工等工作。

1、弧焊机器人弧焊过程中，焊枪运动速度的稳定性和轨迹是两项重要的指标。

弧焊机器人2、点焊机器人性能要求1)安装面积小，工件空间大；2)快速完成小节距的多点定位；3)定位精度高，以确保焊接质量；4)持重大(490-980N)，以便携带内装变压器的焊钳；5)示教简单，节省工时；6)安全可靠性好。

一汽红旗轿车机器人焊接线3、装配机器人4.简要介绍工业机器人发展过程中的几个标志性事件？答：1969年，维克多·沙因曼在斯坦福大学发明了斯坦福大学的手臂，全电动，6轴多关节型机器人的设计允许一个手臂的解决方案。

这使得它精确地跟踪在太空中任意路径拓宽了潜在用途的机器人更复杂的应用，如装配和焊接。

沙因曼则设计了第二臂的MIT 人工智能实验室，被称为“麻省理工学院的手臂。

” 沙因曼，接收奖学金从Unimation发展他的设计后，卖给那些设计以Unimation 谁进一步发展他们的支持，通用汽车公司，后来它上市的可编程的通用机装配（PUMA）。

工业机器人在欧洲起飞相当快，既ABB机器人和库卡机器人带来机器人市场在1973年ABB机器人（原ASEA）推出IRB 6，世界上首位市售全电动微型处理器控制的机器人。

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。

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。

机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。

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。

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。

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；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；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。

机器人灵活性好，数控机床灵活性差。

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。

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。

题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〕。

点矢量v为30.00]T，相对参考系作如下齐次坐标变换：A=000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。

一、简答题
1．什么是机器人的内部传感器和外部传感器？举例说明之。

2. 按机器人的开发内容与应用进行分类，机器人应分为那几类？分别举例说明之。

3．齐次向量是怎样定义的？试举例说明之。

二、计算题
1．一个两关节机器人，关节1、2的齐次变换矩阵分别为A1和A2，试求该机器人的坐标变换矩阵。

2．已知R 为旋转矩阵，b 为平移向量，试写出相应的齐次矩阵。

三. 设计题：
1、MSO —CP －020型垂直六关节机器人的坐标结构简图如图1所示，其各连杆的D －H 参数和关节变量列于表1，（1）写出连杆D-H 参数及关节变量；（2）求出各连杆坐标系间变换矩阵A i ；（3）并写出机器人运动学方程。

111
11c 0s 0s 0c 001000
00
1θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎣⎦A 2
2
222
2c 0s 0s 0c 00100
00
1d θθθθ⎡⎤
⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦
A ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=010100001R ⎥⎥
⎥⎦⎤
⎢⎢⎢⎣⎡--=523b
图1：垂直六关节机器人的坐标结构简图表1：连杆D-H参数及关节变量。

机器人技术大作业：PUMA机器人作业要求：1.建立坐标系；2.给出D-H参数表；3.推导正运动学，逆运动学；4.编程得出工作空间；1.建立坐标系由坐标系的建立规则：Oi：设在Li与Ai+1轴线的交点上；Zi轴：与Ai+1关节轴重合，指向任意；Xi轴：与公法线Li重合，指向沿Li由Ai轴线指向Ai+1轴线；Yi轴：按右手定则确定；可以建立PUMA机器人各关节坐标系如下：图1 PUMA机器人各关机坐标系2.给出D-H参数表由各参数的确定规则：杆件长度Li：沿xi 轴，zi-1 轴与xi 轴交点到0i 的距离；杆件扭转角αi：绕xi 轴，由zi-1 转向zi；杆件偏移量di：沿zi-1 轴，zi-1 轴和xi 交点至∑0i –1 坐标系原点的距离；杆件回转角θi：绕zi-1 轴，由xi-1转向xi；可以得到PUMA机器人的D-H参数表：表1 PUMA 机器人D-H 参数表3. 推导正运动学，逆运动学解3.1正运动学以下以c 代表cos 函数，s 代表sin 函数 由D-H 参数表易得：⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=100001000001111110d c s s c T θθθθ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=10001000022222222221d s a c s c a s c T θθθθθθ ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=10000010003333333332θθθθθθs a c s c a s c T ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=100001000004444443d c s s c T θθθθ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=1000100000555554θθθθc s s c T ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=10010000006666665d c s s c T θθθθ将以上六个矩阵依次右乘，即可得到末端机械手的齐次变换矩阵：65544332211060T T T T T T T =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1060z z z z y y y yx x x x p a o n p a o n p a o n T 利用MATLAB 程序可以求出此变换矩阵各参数： syms a2 d2 a3 d4 d6syms c1 s1 c2 s2 c3 s3 c4 s4 c5 s5 c6 s6 T01=[c1 0 -s1 0;s1 0 c1 0;0 -1 0 d1;0 0 0 1]; T12=[c2 -s2 0 a2*c2;s2 c2 0 a2*s2;0 0 1 d2;0 0 0 1]; T23=[c3 0 -s3 a3*c3;s3 0 c3 a3*s3;0 -1 0 0;0 0 0 1]; T34=[c4 0 -s4 0;s4 0 c4 0;0 -1 0 d4;0 0 0 1]; T45=[c5 0 -s5 0;s5 0 c5 0;0 -1 0 0;0 0 0 1]; T56=[c6 -s6 0 0;s6 c6 0 0;0 0 1 d6;0 0 0 1]; T06=T01*T12*T23*T34*T45*T56 得到：nx=c6(s5c1s23 + c5(s1s4+c4c1c23)) - s6(c4s1 - s4c1c23) ny=c6(s5s1s23 - c5(c1s4-c4s1c23)) + s6(c1c4 + s4s1c23) nz=c6s5c23-c4c5s23-s4s6s23ox=-s6(s5c1c23+c5(s1s4 + c4c1c23)) - c6(c4s1-s4c1c23) oy=c6(c1c4+s4s1c23)-s6s5s1s23-c5(c1s4-c4s1c23) oz=-s6(s5c23 - c4c5s23- c6s4s23) ax=c5(c1s23- s5(s1s4 + c4c1c23)) ay=c5(s1s23+ s5(c1s4 - c4s1c23)) az=c5(c23 + c4s5s23)px=d6(c5c1s23-s5(s1s4+c4c1c23))-d2s1-d4c1s23+ a2c1c2 - a3c1s2s3 + a3c1c2c3 py=d6(c5s1s23+s5(c1s4-c4s1c23))+d2c1-d4s1c23+ a2c2s1- a3s1s2s3 + a3c2c3s1 pz=d1- a2s2 -d4c23+ d6(c5c23+ c4s5s23) - a3c2s3 - a3c3s2 其中:c23=cos⁡(θ2+θ3)，s23=sin⁡(θ2+θ3). 带入:c1=0; s1=1; c2=1; s2=0; c3=0; s3=-1; c4=-1; s4=0; c5=-1; s5=0; c6=-1; s6=0;得到：⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-++--=100013001642100201060d a d d a d T与图中实际位置相符，故正解正确。

机器人技术基础作业学院：电气与信息工程班级：电子信息工程1302姓名：唐佳伟学号：A191301501.工业机器人的末端操作器有哪些种类？答：工业机器人的手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手腕上用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的工作。

可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工具。

用在工业上的机器人的手是机器人直接用于抓取和握紧(吸附)专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件。

它具有模仿人手动作的功能, 并安装于机器人手臂的前端。

由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同,因此工业机器人末端操作器是多种多样的2.夹钳式取料手由哪几部分组成，每部分的作用是什么？答：夹钳式手部与人手相似，是工业机器人广为应用的一种手部形式。

它一般由手爪和驱动结构，传动机构，及连接与支撑原件组成，如图，能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。

（1）.手指手指是直接与工件接触的部件，手部松开和夹紧工件，就是通过手指的张开与闭合实现的，机器人的手部一般有两个手指，也有三个或多个手指，其结构形式常取决于北京加持弓箭的形状和特性。

指端的形状：V型指和平面指。

如图所示的三种V型的形状，用来夹持圆柱形工件，平面指为夹钳式手的指端，一般用于加持正方形，板形或细小棒。

3.试绘制一种的结构件图，并简单描述其工作原理？夹钳式手部与人手相似, 是工业机器人广为应用的一种手部形式。

它一般由手指(手爪)和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成, , 能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。

3.吸附式取料手有哪些种类，适用范围如何？答：电磁吸盘电磁吸盘的结构：a)主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。

工作原理：b)夹持工件：i.线圈通电→空气间隙的存在→线圈产生大的电感和启动电流→周围产生磁场（通电导体一定会在周围产生磁场）→吸附工件c)放开工件：i.线圈断电→磁吸力消失→工件落位适用范围：适用于用铁磁材料做成的工件；不适合于由有色金属和非金属材料制成的工件。

PUMA机器人正逆运动学推导及运动空间解算求解：①建立坐标系；②给出D-H参数表；③推导正、逆运动学；④编程得工作空间1.建立坐标系根据PUMA机器人运动自由度，在各关节处建立坐标系如图2所示。

图1 PUMA560机器人坐标系图2.D-H参数表D-H 参数表可根据坐标系设定而得出，见表1。

(1)i θ为绕1i Z -轴从1i X -到i X 的角度； (2)1i α-为绕i X 轴从1i Z -到i Z 的角度；(3)1i a -为沿i X 轴从1i Z -与i X 交点到i O 的距离； (4)i d 为沿1i Z -轴从1i Z -与i X 交点到1i O -的距离。

表1 PUMA 机器人的杆件参数表3. 正运动学推导由坐标系图及各杆件参数可得个连杆变换矩阵。

111101000001100001c s s c T θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎣⎦ 22222222122000010001c s c a s c s a T d θθθθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦3333333323000100001c s c a s c s a T θθθθθθ-⎡⎤⎢⎥--⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 444434400000100001c s s c T d θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎣⎦5555450000010001c s s c T θθθθ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 66665660000001001c s s c T d θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦根据各连杆变换矩阵相乘，可以得到PUMA560的机械手变换矩阵，其矩阵为关节变量的函数。

()()()()()()00123456112233445566T T T T T T T θθθθθθ=将上述变换矩阵逐个依次相乘可以得到06T 。

601x x x x yy y y z z z z n o a p n o a p T n o a p ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦()()()()()()()()6514142315236411234651442311523614231446236235452365141423152364112346514423115236x y z x y n c c s s c c c c s s s c s c c s n c c c s c c s s s s s c c c s s n s s s c c s c c s o s c s s c c c c s s c c s c c s o s c c s c c s s s s c =--+-+⎡⎤⎣⎦=+-+-⎡⎤⎣⎦=-+=-+-+⎡⎤⎣⎦=-+-+⎡⎤⎣⎦()()()()()()()()142314623545236423152351414235123514423152345231223232165141423152314231223231265144231z x y z x y c c c s s o s c s c c s c s s a c c s s s s c c c a c s s s c s c c s a a c c s s p c a c a c d s d s s s c c c c c s c d s p s a c a c c d d s c s c c s c -=++=--=++=-=-----+⎡⎤⎣⎦=-++++()512341232342232365234523z s s d s s p c d a s a s d c c c s s ⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪+⎡⎤⎣⎦⎪=-++-⎪⎭上式中()()23232323cos ,sin c s θθθθ=+=+。

1坐标系建立:PUMA机器人大作业坐标系可以简化为:2 D-H参数表:PUMA机器人的杆件参数d10.6604m , d20.14909m , d40.43307m , d60.05625m , a20.4318m a30.02032m3正运动学推导c i s i 0 a 1,,i i S i C i 1 C i C i 1 s i 1 d i s i 1由式T i可得s i s i 1 c i s i 1 C i 1 d i C i 10 0 0 1c 1 s 1 0 0c 20 s1 c10 01 0T 1T20 0 1 02s20 1，c4 s40 a3 c5 3T1 d4 4 0T4s4c4T 55s50 0 0 1，T 6 0T 11T 22T 3 3T 4 4T 5 5T 6s20 0c 3s 3 0a20 1d2 2 s3 c3c2T 30 0 10 01，1s50 0 c6s60 0 01 051 05T 6c56s6c60 0 0 0 1，0 1机械手变换矩阵4 逆运动学推导1 ．求 1用逆变换0T i 1左乘方程 ％T i 工2T 3 3T 4 4T 5 5T 6两边:n x o xa x p xT 6n y o y a y p y n z o z a z p z 0001nx c23 ( c 6 c 5 c 4 c 1 s6s 4c 1 ) s 23c 6s 5c 1c6c 5 s 4 s1 n yc23 (c6 c5 c4 s1s6 s4 s1)s23 c 6 s 5 s 1c 6c5s 4c1nz s 23(c 6c 5c4s 6s4) c23c 6s5ox c23(s 6c 5c 4c 1 c6s 4c 1) s23s 6s 5c 1s6c 5s 4s1 oyc23(s 6c5c 4s1c6s4s 1) s23s 6s 5s1s6s4c 5c1oz s23(s 6c 5c4s6s 4) c23c 6s5ax c23 s 5c 4 c 1 s23c 5c 1 s 5s4s1ay c23s5c 4s1 s23c5s1s5s 4c1azc23c5s2 3 s5c4p x a 3c 23c 1 a 2c 2c 1 d 4 s 23c 1 d 2s 1p y a 3c 23s 1 a 2 c 2 s 1 d 4 s 23s 1 d 2c 1pzd 4c23a3s 23a 2s2s6 c 4 s1 s6c4c1c6c 4s1 c6c4c1矩阵方程两端的元素1 , 4）和（2, 4）分别对应相等G P x S P ya 3C23a 2C2d4 S23P zd 4C 23a 3S23 a 2S 2 10T 6其中kT i 10T 6得到1的解1atan2(p y ,p x ) atan2(d 2, 届p ： d ；)2 •求3平方和为:d4 S 3a3C32 2 2,2 ,2 2 2P x P y P z d 2 d 4 a 2 a 32a 2解得： 3 atan2(a 3,d 4) atan2(k, _d ： a f k 2)C1C 23S1C 23S23a2C3n xO x a x P xC| S 23Si S 23C 23 a 2S 3nyO y ayPy 3T 6S iC 1 0d 2 n z O z a z P z 00 10 01C i S iS! 0 0 C i 0 0 0 0 1 0 0 00 1 n x O x a x得 S i P x C|P y 三角代换 P x式中,nyn z 0 O yO z 0 aya z0 P x P y P z1d 2cos ,P ysi n 2 2-P x P yatan2(P x , P y )方程两边的元素（ 1 , 4) 和（3 , 4) 分别对应相等，得C 1C 23P: x 4 5I C 23 P yS23 Pza3a 2C3C l S23P 〉<SI S23 PyC23Pza 2S3d 4联立，得S23 和 C23Qa 2Ss d 4 GP xSP yP z a ?C 3 a 323P x C 1 2P y S 12P za 2C3a3GP x S 1P yP z a 2S3d 423P x C 1 2P y S 12P zS 23和C 23表达式的分母相等，且为正，于是4 •求4令两边元素（1 , 3）和（2, 3）分别对应相等，则可得C 1C 23axS l C 23a y S 23a z C 4S5S| a x GR y S 4S 5只要S s 0 ,便可求出 44ata n2 sa x c i a y , c i C 23a x Si C 23a y S 23a z当S S 0时，机械手处于奇异形位。