新型模块化可重构机器人系统

西安高学考试复习题及参考答案机器人学导论一、名词解释题：1.自由度：2.机器人工作载荷：3.柔性手：4.制动器失效抱闸：5.机器人运动学：6.机器人动力学：7.虚功原理：8.PWM驱动：9.电机无自转：10.直流伺服电机的调节特性：11.直流伺服电机的调速精度：12.PID控制：13.压电元件：14.图像锐化：15.隶属函数：16.BP网络：17.脱机编程：18.AUV：二、简答题：1.机器人学主要包含哪些研究内容？2.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？3.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义？4.机器人控制系统的基本单元有哪些？5.直流电机的额定值有哪些？6.常见的机器人外部传感器有哪些？7.简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理。

8.机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？9.为什么要做图像的预处理？机器视觉常用的预处理步骤有哪些？10.请简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。

11.从描述操作命令的角度看，机器人编程语言可分为哪几类？12.仿人机器人的关键技术有哪些？三、论述题：1.试论述机器人技术的发展趋势。

2.试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。

3.试论述轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合。

4.试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。

5.机器人单关节伺服控制中，位置反馈增益和速度反馈增益是如何确定的？6.试论述工业机器人的应用准则。

四、计算题：（需写出计算步骤，无计算步骤不能得分）：1.已知点u的坐标为[7,3,2]T，对点u依次进行如下的变换：（1）绕z轴旋转90°得到点v；（2）绕y轴旋转90°得到点w；（3）沿x轴平移4个单位，再沿y轴平移-3个单位，最后沿z轴平移7个单位得到点t。

求u, v, w, t各点的齐次坐标。

xyzOuvwt2.如图所示为具有三个旋转关节的3R 机械手，求末端机械手在基坐标系{x 0,y 0}下的运动学方程。

中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案机器人学导论一、名词解释题：1.自由度：2.机器人工作载荷：3.柔性手：4.制动器失效抱闸：5.机器人运动学：6.机器人动力学：7.虚功原理：8.PWM驱动：9.电机无自转：10.直流伺服电机的调节特性：11.直流伺服电机的调速精度：12.PID控制：13.压电元件：14.图像锐化：15.隶属函数：16.BP网络：17.脱机编程：18.AUV：二、简答题：1.机器人学主要包含哪些研究内容？2.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？3.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义？4.机器人控制系统的基本单元有哪些？5.直流电机的额定值有哪些？6.常见的机器人外部传感器有哪些？7.简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理。

8.机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？9.为什么要做图像的预处理？机器视觉常用的预处理步骤有哪些？10.请简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。

11.从描述操作命令的角度看，机器人编程语言可分为哪几类？12.仿人机器人的关键技术有哪些？三、论述题：1.试论述机器人技术的发展趋势。

2.试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。

3.试论述轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合。

4.试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。

5.机器人单关节伺服控制中，位置反馈增益和速度反馈增益是如何确定的？6.试论述工业机器人的应用准则。

四、计算题：（需写出计算步骤，无计算步骤不能得分）：1.已知点u的坐标为[7,3,2]T，对点u依次进行如下的变换：（1）绕z轴旋转90°得到点v；（2）绕y轴旋转90°得到点w；（3）沿x轴平移4个单位，再沿y轴平移-3个单位，最后沿z轴平移7个单位得到点t。

求u, v, w, t各点的齐次坐标。

xyzOuvwt2.如图所示为具有三个旋转关节的3R 机械手，求末端机械手在基坐标系{x 0,y 0}下的运动学方程。

模块化空间机器人的协调控制摘要：模块化的自组装在轨机器人有可能降低任务费用、提高可靠性和允许在轨维修和加油。

具有各种的专门能力的模块从轨道库存自组装。

组装的各模块将共享一些资源，例如电源和传感器。

由于各自由飞行的模块都携带了自己的姿态控制执行器，所以组装的系统有大量的传感器和执行器的冗余。

传感器的冗余使减少测量误差的传感器融合技术成为可能。

执行器冗余使系统在燃料使用的管理上具有很大灵活性。

在本文中，自组装空间机器人的控制在仿真和实验中进行。

提出了利用传感器和执行器冗余的控制和传感器算法。

该算法解决来自模块之间的动力学耦合、燃料资源的各模块分配和羽流撞击的控制挑战。

关键字：空间机器人协调控制模块1.引言自组装模块化在轨机器人和航天器可以减少费用，提高可靠性和允许在轨系统的快速维修和加油。

这样空间机器人由自给自足的模块组成，每个模块都有一个特殊的功能。

组装的各模块将共享一些资源，例如电源，传感器，计算能力和数据。

一个系统由大量生产的模块组成将比定制设计的花费更少。

因为每个模块的体积小且成本低，所以可以使用廉价的运载器发射模块。

模块的库存可以停留在轨道上，这样可以提高发射计划的灵活性并允许对诸如海啸、地震等灾难响应任务进行快速响应。

在轨模块可以代替失效的模块从而延长系统生命周期。

图1表明了一个概念：三个两模块的组装体如何为发生障碍的有价值卫星提供推力器。

图1空间机器人装配来恢复一个失效的通信卫星对于模块化空间机器人(MSRs)，在轨道模块针对具体的任务自组装成更大的卫星。

由于每个模块携带足够的姿态控制执行器和传感器可以允许自由飞行控制和对接，所以组装的系统有大量的传感器和执行器的冗余。

传感器融合技术能够使单一传感器的测量误差减到最小。

执行器冗余使系统在燃料使用的管理上具有很大灵活性。

此外，它可以引进额外的控制约束条件。

例如，在组装中，一些推进器可能处在不正确的位置以至于它们的推进器羽流碰撞其他的部分，导致散失一部分推力或者改变了推力方向并且很可能损坏模块。

认识工业机器人机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多种学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。

而且，机器人应用情况是反映一个国家工业自动化水平的重要标志。

本次任务的主要内容就是了解工业机器人的现状和发展趋势；通过现场参观，认识工业机器人相关企业；现场观摩或在技术人员的指导下操作ABB工业机器人，了解其基本组成。

一、工业机器人的定义及特点1.工业机器人的定义国际上对机器人的定义有很多。

美国机器人协会（RIA）将工业机器人定义为：“工业机器人是用来进行搬运材料、零部件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。

”日本工业机器人协会（JIRA）将工业机器人定义为：“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。

”在我国1989年的国际草案中，工业机器人被定义为：“一种自动定位控制，可重复编程、多功能的、多自由度的操作机。

操作机被定义为：具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓取物体或进行其他操作的机械装置。

”国际标准化组织（ISO）曾于1984年将工业机器人定义为：“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，能够借助于可编程的操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。

”2.工业机器人的特点（1）可编程生产自动化的进一步发展是柔性自动化。

工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量、多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。

（2）拟人化工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有计算机。

此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语音功能传感器等。

可重构机器人手指关节的设计与优化近年来，随着机器人技术的不断进步和应用领域的拓展，人们对可重构机器人的需求与日俱增。

可重构机器人具有模块化结构，能够根据任务需求进行灵活组合和调整。

在可重构机器人的构成部件中，手指关节起着至关重要的作用，其设计与优化具有重要的理论和实践意义。

首先，手指关节的设计需要兼顾机械结构和运动控制。

在机械结构方面，传统的手指关节采用单一的驱动方式，如电机驱动或气动驱动。

然而，这种设计存在一些局限性，如电机驱动的手指关节在运动过程中容易出现抖动现象，气动驱动的手指关节受到压力控制的限制。

为了解决这些问题，一种可行的设计方案是采用多关节驱动的机械结构，通过合理配置关节和实现关节之间的协调运动，提高手指关节的稳定性和精确性。

其次，手指关节的优化需要考虑运动学模型和力学性能。

运动学模型是描述手指关节运动规律的数学模型，通过研究手指关节的转动轴、位移和速度等参数，可以实现对手指关节运动的精确控制。

力学性能涉及手指关节的承载能力和抗冲击性能等方面，既要保证手指关节能够承受较大的载荷，又要保证在受到冲击时不易损坏。

为了实现手指关节的优化设计，可以借助仿生学的原理和方法，模拟人体手指的结构和运动特点，从而提高机器人手指关节的性能。

此外，手指关节的设计和优化还需要考虑与人工智能的集成。

当前，人工智能技术在机器人领域得到了广泛应用，能够实现机器人的自主感知、决策和行动能力。

将人工智能技术与机器人手指关节的设计和优化相结合，可以实现更高水平的智能化操作。

例如，通过深度学习算法训练机器人手指关节的运动模式，使其能够自动适应不同的任务需求，并根据实时反馈信息进行调整和改进。

这种智能化设计可以大大提高机器人的生产效率和操作精度。

最后，可重构机器人手指关节的设计与优化还需要考虑工程实施的可行性和经济性。

在实际应用中，手指关节的设计和优化必须考虑到制造成本、维修成本和可持续性等因素。

因此，合理选择材料、采用成熟的制造工艺和优化的控制策略，对于提高手指关节的可靠性和经济性至关重要。

2018年12月，由美国国防高级研究计划局（DARPA）“凤凰”（Phoenix）项目支持诺瓦沃克斯公司（NovaWurks）研制的“细胞卫星集成技术试验”（eXCITe）卫星搭乘猎鹰－9（Falcon－9）火箭发射进入太阳同步轨道，以在轨验证“细胞卫星”（Satlets）模块化可重构平台兼容有效载荷的能力。

此次试验将推动模块化可重构航天器加速迈向工程应用。

模块化可重构航天器可快速装配、在轨重组构型和功能，将成为未来航天器发展的新方向，并用于快速响应作战需求。

贾平（中国航天系统科学与工程研究院）1 模块化可重构航天器基本情况模块化可重构航天器是平台由多个外形尺寸相同、可被替换的模块按任务需求组装而成的航天器，可在轨重新组装平台，改变构型和能力，以支持不同功能和性能的有效载荷。

每个模块集通信、控制、驱动和传动功能于一体，具有一种或多种平台子系统功能，可批量重复生产。

“可重构”是指个别模块可拆卸更换，整个平台也能完全拆解重组，且更换或重组后硬件和软件能正常连接/联接。

模块化可重构航天器具有传统模块化航天器不具有的优点：模块构型相同、通用性和互换性强，因而废旧航天器模块可被重新利用；可扩展性强，可通过增加模块增强性能；灵模块化可重构航天器将成为航天器发展新方向活性好，可随时拆解和组装，实现按需求调整构型和功能，升级和维修更便捷。

模块化可重构航天器有以下几种装配和部署方式。

一是在地面装配后再寄宿在其他大型航天器上入轨并弹射部署；二是模块被发射至“国际空间站”，由航天员装配成航天器再释放部署；三是模块被发射入轨后由太空机器人装配并部署。

随着自主技术等的发展，未来还可能实现不依赖外力，由各模块自主机动对接装配而成。

模块化可重构航天器的关键技术包括模块间的标准化接口设计；用于构型和功能变换的智能控制技术；多模块间通信、协同运动规划和控制等。

2 模块化可重构航天器发展情况从21世纪初开始，美国、德国等开展了多项模块化可重构航天器研究，例如DARPA曾于2006年启动“具有快速、灵活、可分开和编队飞行能力的未来航天器计划”（简称F6，2013年已取消）。

我国工业机器人的发展现状与趋势中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。

对于国外的先发、领先优势，我国的机器人产业的研发远远落后于美、日两国，甚至比起韩国也落后一步，尤其是在青少年中远未开展机器人的组装、制作的科学活动，这将关系到二、三十年后我国的产业发展。

近年来，我们在研究文化创造性产业时，发现国外正在兴起一个与文化产业、科学技术有紧密关系的未来产业——机器人的研究、开发及制造，参与者除了传统从事学术研究的科技工作者、大学研究梯队、企业产品的专门研究人员之外，更有一大批的青少年积极加入此一新兴的科学技术新潮流之中。

以下是我们对国外此一产业的发展状况的考察及思考。

现状我国从上世纪80年代开始在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究，近20年来取得不少的科研成果。

但是由于没有和企业有机地进行联合，至今仍未形成具有影响力的产品和有规模的产业。

目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的工业机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候。

近10年来，进口机器人的价格大幅度降低，对我国工业机器人的发展造成了一定的影响，特别是我国自行制造的普通工业机器人在价格上根本无法与之竞争。

特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，使得国内企业在生产的机器人过程中，只能依赖配套进口的零部件，更削弱了我国企业的价格竞争力。

工业机器人发展长期以来受限于成本较高与国内劳动力价格低廉的状况,随着中国经济持续快速的发展,近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在9%左右,人民生活水平不断地提高,劳动力供应格局已经逐步从“买方”市场转为“卖方”市场、由供远大于求转向供求平衡。

作为制造业主力的农民工也从早期的仅解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高的要求。

SCARA机器人结构与实验装置设计摘要工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。

本文设计了一个教学用SCARA机器人。

SCARA机器人(全称Selectively Compliance Articulated Robot Arm)很类似人的手臂的运动，它包含肩关节肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动。

它是一种工业机器人，具有四个自由度。

其中，三个旋转自由度，另外一个是移动自由度。

它能实现平面运动，具有柔顺性，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，广泛用于装配作业中。

本文用模块化发计方法设计了SCARA机器人的机械结构。

本文结合Pro/e三维建模分别对基座、大臂、小臂、以及腕部关节做了详细的设计，并根据实际工作情况对各关节进行受力分析，并模拟了机器人的工作状态，严格保证了该设计在工作中的安全性和可靠性，具有很好使用价值和发展前景。

最后，本文还分析了SCARA机器人的运动学正解和逆解，建立了机器人末端位姿误差计算模型并做了运动模拟，更加证实了本设计在实际应用中的实用性和可靠性。

关键字: S CARA，四个自由度，受力分析DESIGN OF SCARA ROBOT STRUCTURE ANDEXPERIMENTAL DEVICEABSTRACTIndustrial robot is the most typical mechatronic digital equipment, added value and high, wide range of applications, support for advanced manufacturing technology and information society, new industries, and social development of future production will increasingly play a The more important role.SCARA(Selectively Compliance Articulated Robot Arm)robots work in a similar Way as human’s arms．The SCARA robot，incorporating a shoulder joint，an elbow joint，and a wrist joint，is capable of operating vertically and horizontally．The SCARA robot is a kind of 4 DOF industrial robots、3 rotary DOFs and 1 linear DOF．It，featuring compliance，good Vertical rigidity，and Horizontal flexibility，is widely used in assembly.Modular-design methodology was utilized to design the mechanism．This paper combination with Pro/E 3D modeling , designed the main arm, small arm and wrist joints.And according to the actual working ,analysis each joint’s force, and simulate the working state of the robot,in order to ensure the design work in safety and reliability, and has good use value and the prospects for development.In the second and third chapter, it introduces detailed detail among the processing of the structure designing of a SCARA robot and its kinematics analysis. Analysis of the SCARA robot inverse kinematics, and to establish the position and orientation of robot end of the model error.KEY WORDS：S CARA，four degrees of freedom，analysis目录前言 (3)第一章绪论 (2)§1.2 国内外机器人领域研究现状及发展趋势 (3)§1.3本论文的研究意义及内容 (4)§1.4本论文的研究内容 (9)第二章 SCARA机器人的机械结构设计 (10)§2.1 SCARA器人的总体设计 (10)§2.1.1机械传动方案的比较 (10)§2.1.2传动零部件的初选 (10)§2.1.3减速机的选择 (11)§2.1.4本机器人的技术参数 (11)§2.1.5机器人各个手臂长度和工作空间的确定 (12)§2.2机器人总体传动方案的选择级装配图 (13)§2.2.1机器人机身输出轴 (13)§2.2.2机器人大臂输出轴 (14)§2.2.3机器人腕部结构图 (15)第三章Pro/E运动仿真.................. 错误!未定义书签。