新型模块化可重构机器人系统

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(完整word版)机器人学导论复习题及参考答案(word文档良心出品)

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。

可重构机床模块化设计技术研究

到具体设计方法都有所区别、有所发展。
所需的制造功能，设计成可面向系统级和生产资源级快速而又有竞争力的重构制造系统。生产资源级
的重构主要包括对可重构机床（ｅｏｆｕａｌＲｃｎｇｒｂｅｉＭａｈｎｏｌＲＭＴ、可重构机器人、可重构传送ｃｉｅｏ，Ｃ）Ｔ带等的重构，而其中最重要、最基本的可重构生产
似性，而且考虑了几何／理相似性的拓扑性，以及物
基于组合拓扑概念的广义相似性，而且引入了极为
机床控制一把可沿着几个运动轴运动的刀具，因而
它可加工多种零件：由于Ｃ但ＮＣ机床是在明确机床
重要的模块特性— — 接口（界面）合，以实现模块整
１１模块化概念更广．传统的机床模块化设计主要是针对机械部件的模块化，而可重构机床的模块化除了机械零部件以外，还包括控制系统的硬件模块化，控制软件的模块化以及各种辅助工具的模块化。１２设计原理有所拓展．传统机床模块化的本质是基于几何相似性、物理相似性的成组性，模块间的组合性表现为相对固定的拓扑结构：可重构机床的可重构性是对传统而
零件族设计机床并使用ＣＮＣ技术驱动机床是设计
１３模块化设计的目标定位不同．传统的模块化机床设计面向的对象是机床制造厂，目标是机床设计、制造中的系列化、组合化，
以实现机床产品对市场的快速响应。而可重构机床模块化设计服务的对象是机床的最终用户，目标是

关节型模块化机器人构型及运动学研究

ｊ坐标系建立方法，基于旋量理论和指数积公式推导出了每个单元模块的变换矩阵，得出了适用于关节型ｉ
机器人构型变化的正运动学方程。最后通过实例验证了拓扑构型分析及运动学算法的正确性。
关键词：机器人；块化；模拓扑构型；运动学
一一～一一一咖～一一～舭～～～囊一一一篓
一
中图分类号：ＨＩ２Ｔ２文献标识码：Ｔ１。Ｐ４Ａ
１引言
成适合特定任务要求的机器人。由于机器人的工作能力和性能与
现实很多场合需要机器人在不同的环境模块化可重构机器人已成为近年来机器人研究领域的热点机器人的构型密切相关，如何快速的实之一ｎ其基本思想是统筹考虑机器人类别及任务要求，Ｊ。依据一定下工作或完成不同的任务时有不同的构型。因此，原则将机器人划分为具有独立功能的模块，并用不同的模块组合现模块化可重构机器人系统的构型变化并快速建立运动学模型，
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？行了模块化分，建立了含有五种单元模块的模块库，并对其可实现构型进行了拓扑分析。提出了一种新的Ｉ
★ 来稿日期：０ — ６２－２９０— ７ｋ０基金项目：国家８３６计划资助项目（０７Ａ４７３２０Ａ０１０）

机器人学导论复习题及参考答案

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。

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。

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。

UR06六自由度工业机器人说明书

因为在易燃易爆环境中工作，故具备防爆功能，同时轨迹精度和位姿精度及速度稳定性有较高要求。
（3）搬运任务
工作对象：笨重物品；
工作任务：定点搬运；
要求：定位精度要求高，对其承载能力和定位精度有较高要求。
工作对象：轻巧物品；
工作任务：定点搬运；
要求：轻拿轻放且定位精度要求高，对机器人的速度稳定和定位精度有较高要求。
学生姓名：
Ⅰ 毕业设计（论文）题目
中文：UR-06六自由度工业机器人设计
英文：UR-06 Six Degrees Freedom of Industrial Robot
Ⅱ 原始资料
1.设计要求一份
2.三维软件一套；
3.相关文献资料若干。
Ⅲ 毕业设计（论文）任务内容
1、课题研究的意义
通过对家用机器人机构设计，希望学生熟悉机电一体化系统的设计过程，以及掌握利用AUTO CAD或UG来绘制二维图形或创建三维实体的能力。毕业设计环节是教学计划中综合性最强的实践教学环节，对培养学生的思想、工作作风及实际能力、提高毕业生全面素质具有很重要的意义。同时，对所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好的开端
对人的研究，国外侧重于对人行走时的步态分析，通过对人脚形状的分析，得出具有圆形截面的脚趾和脚后跟以及具有扁平截面的连接脚趾和脚后跟的中间部分具有最佳的动力学性能。
对动物的研究则表现为对诸如蛇、鱼的结构以及运动性能的研究。仿蛇机器人不仅可以作为管道检测装置也可以作为地震或矿难探索装置，更可以当作极地探测器来进行科研活动。
本次设计完成的主要内容是UR-06六自由度工业机器人结构设计，以及初步运动仿真。在设计过程中，我初步参考了实验室机器人的结构设计理念，后经过老师提供现实产品的结构参考，完善焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业，其各种优异的功能使其在现代工业生产中更是具有及其重要的地位。

模块化空间机器人的协调控制

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

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。

基于CAN总线结构的服务机器人模块化双臂系统构建

性及稳定性。
关键词：机器人；模块化；双臂系统；ＣＡＮ总线；分布式控制中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ３８８１（２０１３）１７— ０２１ — ３
ＳｙｓｔｅｍＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒＳｅｒｖｉｃｅＲｏｂｏｔＴｗｏＭｏｄｕｌａｒＡｒｍｓＢａｓｅｄｏｎＣＡＮＢｕｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｉｎｄｕｓｔｉｒａｌｒｏｂｏｔａｒｍ’ ｓｃｌｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｒｏｂｏｔｒｅｃｏｎｉｆｇｕｒａｂｌｅｍｏｄｕｌｅｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｒｏｂｏｔａｒｍｓｙｓｔｅｍ．Ａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｒｏｂｏｔａ／Ｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｍｏｄｕｌｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｗａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄａｎｄｔｈｅｄｕｌ— ａａｒｍｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔ —
基于ＣＡＮ总线结构的服务机器人模块化双臂系统构建
李宪华，郭永存，郭帅，朱涛。
（１．安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南２３２００１；２．上海大学机电工程与自动化学院，上海２００４４４；３．中国电子科技集团公司第八研究所，安徽淮南２３２００１）

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第卷增刊

年月机械工程学报

新型模块化可重构机器人系统’张玉华赵杰张亮齐

立

哲蔡鹤皋

哈尔滨工业大学机器人研究所哈尔滨

摘要研制了一种新型模块化可重构机器人系统机器人由许多结构和功能完全相同的模块相互联接组成通过改变各模块之间的联接状态和相互位置关系不需任何外界辅助自动完成重构过程和整体协调运动设计了模块的分离联接机构和单自由度立方体结构模块结构兼具阵列式和串联式特点可方便的实现重构运动和整体协调运动上位机软件系统可通过交互方式设置各机器人模块的方位可手工编写或自动产生可重构机器人各模块

的运动序列可对机器人可重构过程和整体构型的协调运动进行规划和仿真并通过计算机串口对机器人进行实时控制试验验证了机器人模块的分离联接和模块协作基本功能和蠕虫构型四足构型履带构型三种构型的整体协调运动功能试验表明模块结构设计简单合理控制容易可以完成重构操作功能和整体协调运动功能关键词模块化机器人可重构协调运动中图分类号

月叮舀

可重构机器人硬件结构

模块化可重构机器人由许多具有一定自治能力和感知能力的模块组成它利用模块之间的联接性和互换性以及模块传感器感知到的周围环境信息通过模块之间的联接断开操作和相互运动来自

动改变整体构形扩展运动形式完成多种运动及操作任务模块化可重构机器人适用在非结构化环境或未知环境中执行特殊任务如空间及海底探索军事侦察核电站检修灾难救援等目前国外主要是日本和美国的研究小组在模块结构设计可重构策略和运动规划方面进行了相关研究并研制成功

多种模型试验系统典型代表有的,设计的系统等提出的介系

统等,研制的仃谊机器人川从

等设计的系统国内主要是在可重构策

略和运动规划方面进行了理论研究件尚未出现模

型试验系统研制了一种新型模块化可重构机器人系统可重构机器人由结构和功能完全相同的机器人模块

组

成通过改变模块之间的联接状态和相互位置关系自动改变整体构形结构完成重构过程和整体协调

运动该系统结构简单制造方便试验表明可

重构机器人在结构和功能上达到了预期目标控制容易可重构及整体协调运动能力

强

机器人系统组成

系统组成如图所示由上位机中转单元电源和可重构机器人四部分组成上位机可以对机器人

模块的重构和整体运动进行离线规划对各模块执

行指令序列后的结果进行仿真产生控制机器人模

块运动的指令序列并可通过串行口对机器人模块的运动进行实时控制中转单元接收上位机传送来的指令序列重新进行处理后转发给可重构机器人

机器人模块接收中转单元转发来的指令并按指令进行相应的运动动作外部电源对所有机器人模块进行供电

上位机中转单元电源可重构机器人图系统组成

黑龙江省博士后科研启动基金资助项目加

收到初稿加收到修改稿

机器人

模块结构

可重构机器人模块结构设计是研究可重构机

器人的基础三维可重构机器人的可重构和整体运动特性对模块设计有如下要求①有一个或几个

转

动自由度②质量小三维可重构过程为有效的改

第卷增刊

变构型一个模块必须具有带动一个或几个模

块进

行运动的能力模块的质量直接影响模块的可重构

能力③模块之间联接时可准确定位断开容易④在联接和断开过程中电源和通信线路必须保持连通且线缆不被缠绕⑤具有一定的机械强度提

出了一种新型三维模块结构采用正立方体形状

模块具体结构如图所示每个模块由两个形半

块结构构成具有一个转动自由度和四个结构相同

的联接面两个半块之间通过电动机输出轴联接成

一体能够实现最大范围为士的相互转动通过

多个模块的组合可以完成模块之间的位置改变和相互运动模块的正立方体结构使模块可快捷有效的

组成各种阵列网格式的整体构型使可重构规划变

得简单同时每个模块具有单转动自由度解决了特定构型协调运动时模块间的相对运动问题模

块中的电动机采用认叭公司的舵机研制成的模块参数如表所示

磁铁作为联接驱动零件弹簧作为分离驱动零

件当受热产生驱动力此时

十凡

式中凡—对活动底板的作用力

凡—非线性弹簧对活动底板的作用力

—两联接面上相互配对的磁铁之间的吸引力即模块之间的作用力

磁铁非线性弹簧

联接面分离单转动自由度

联接而连接

图机器人模块分离联接机构原理图

联接面

活动底板受和非线性弹簧驱动远离联接

面使得联接面上的配对磁铁之间距离变大降低

了磁铁之间的吸引力此时两模块联接面之间可以分离

设计过程中要求冷却后刚性变小也随之减小完全冷却后几乎为零所

以

图机器人模块结构

表机器人模块参数表参数数值外形尺寸灼刀叮质量功瓜仓

电源乙万

电动机额定转矩联接面结合力卢

机器人模块分离联接机构只有模块间进行有效的联接和分离操作可重

构机器人才能实现可重构过程现有的可重构机

器

人模块的联接机构大都采用了销孔式联接方式通

过机械方法固连以达到可靠联接的目的这种

凹

凸配对的联接方式由于需要两个不同模块配对才能

正常工作降低了模块的通用性虽然联接可靠

但在分离操作时需要额外的分离空间模块不能够

在间隙比较小甚至没有间隙的情况下分开限制了

模块运动的灵活性设计了一种

基于形状记忆合金

巧弹簧驱动的联接分离机构图是该联接分离机构的原理示意图采用永

活动底板向联接面靠近非线性弹簧被

压

缩

两联接面上的磁铁达到吸合状态此时凡相对于两模块之间的作用力来说是内力不影响模块之间的吸附力采用此种结构两模块之间吸附力大

断开时需要的驱动力很小可方便的联接与断开同时由于磁铁本身具有的对中性和模块的立方体结构解决了联接时联接面之间的定位问题且该联接分离机构为平面机构模块之间不需要额外的分离空间即可完成分离操作提高了模块运动

的灵活性

机器人模块电源及通信触点结构安排由于可重构机器人模块在可重构过程中需要改变模块之间的断开联接及位置关系为保证在可重构过程中线缆不被缠绕且模块在不同方位下仍能

可靠联接并通信采用了弹簧触点结构

并对称正交布置触点触点位置分布如图所示触点材料采用导电性和耐磨性优良的磷铜控制系统结构

采用集中式控制每个模块都有自己

试验

图电衡戊巡情触息仪直分巾尔息图的地址上位机离线规划产生各模块的运动序列经中转单元处理后通过信号线向所有模块进行广

播模块单元采用作为微控制器使

用带地址检测方式接收数据若接收到的地址与模

块自身地址相同则接收随后的控制数据否则对控制数据不予理睬模块的控制系统结构如图所示

电源模块

霆日覆目

口兀

电动机控制单元控制单元

建立了一个由个机器人模块组成的机器人系统对模块的基本功能和整体协调运动功能进行了试验验证机器人模块基本功能试验每个机器人模块只有一个转动自由度所以需要多个模块配合进行运动两个模块配合时有两种运动模式一种是在竖直平面内的翻滚运动如图所示在底层模块的辅助下两个模块通过翻滚

向左走过一个模块的距离底层模块对运动模块提供联接平面另一种是在水平面内的侧翻运动如图所示通过侧翻运动两个模块向右移动一个

模

块的距离两模块运动的试验同时验证了模块之间可靠的联接断开功能三个模块配合运动可以实

现模块的联接平面的方位变换如图所示两个

模块配合旋转将侧面携带模块的联接面由水平方

向转换到了竖直方向通过三种基本运动形式的组合模块机器人可以实现可重构过程

图模块控制系统结构框图

软件系统结构为对机器人模块运动进行有效的规划和控制使用和开发了上位机软件系统该系

统可以通过交互方式设置各机器人模块的方位可手工编写或自动产生可重构机器人各模块的运动序

列可对机器人整体构型的协调运动进行规划和仿真并通过计算机串口可对机器人进行实时控制

软件系统界面如图所示由图形显示区运动序列显示区和菜单命令区等组成用户可以通过菜单

命令或鼠标设置机器人的初始构型和目标构型计算机自动规划出从初始构型到目标构型的各个模块的运动序列显示在运动序列显示区用户也可以手工编写运动序列在图形显示区显示运动序列执

行结果的仿真运动序列可以通过计算机串口传送

到中转单元经中转单元处理后实时控制模块机器人运动

机器人模块整体协调运动

机器人模块整体协调运动也是可重构机器

人

研究的一个重要内容为有效地进行运动仅靠可重构过程中的整体移动显然并不理想提出的可重

构机器人模块除可通过可重构过程完成特定构型之间的自动转换外对于特定的整体构型还可以实现整体协调运动图所示为蠕虫构型一个梯形波的传递过程通过梯形波由后向前传递蠕虫构型可以实现向前爬行图所示为四足构型四肢依次向

前迈动一步的部分运动照片图为履带式构型滚动运动试验部分照片试验得知蠕虫构型运动的速度约为耐四足构型的运动速度约为岁履带式滚动运动的速度约为岁