(完整版)机器人基础考试试题重点

1.（第一章）机器人的两个主要特征：（1）通用性：取决于其几何特性和机械能力。（决于其结构特点和承载能力。）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几何实际能力。一般自由度越多,通用性越强。（2）适应性：是指对其环境的自适应能力，即所设计的机器人能够自我执行未经完成指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。主要指其对工作环境变化具有记忆、感知、推理、决策、学习等适应能力.因此其应该具有传感与测量环境变化的能力;分析任务和执行操作规划的能力;自动执行指令能力。

2.机器人系统的组成：机械手、环境、任务、控制器等四部分组成。(1)机械手又称为操作机、机械臂或操作手,是具有传动装置的机械,它由臂、关节和末端执行器构成.一般机械手具有六个自由度.其中,头三个自由度引导夹手装置至所需位置,而后三个自由度用来决定末端执行器的方向。(2)环境即指导机器人所处的周围环境.环境不仅由几何条件(可达空间)所决定,而且由环境和它所包含的每个事物的全部自然特性所决定的.(3)任务定义为环境的两种状态(初始状态和目标状态)间的差别.(4)控制器：机器人接收来自传感器的信号,对之进行数据处理,并按照预存信息、机器人的状态及其环境情况等,产生出控制信号去驱动机器人的各个关节。

3.机器人分类：（1）按机器手的几何机构分：a 柱面坐标机器人（这种机器人的工作包迹(区间)形成一段圆柱面.eg ：Verstran ，1R2P ）；b 球面坐标机器人（这种机器人的工作包迹形成球面的一部分eg ：Unimate,2R1P ）;c 关节式球面坐标机器人(3R)(这种机器人的工作包迹也形成球面,且其关节都由转动关节所组成.)；d 平面关节式机器人(3R)；e 直角坐标型 (3P)；（2）按机器人的控制方式分：a 非伺服机器人（按照预先编好的程序顺序进行工作，使用终端限位开关，制动器，插销板和定序器来控制机器人机械手的运动）；b 伺服控制机器人（通过反馈传感器取得反馈信号与来自给定装置的综合信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经放大后用以激发机器人的驱动装置，进而带动末端执行装置以一定规律运动，到达规定的位置或速度等）（3）按机器人控制器的信息输入方式分：日本工业机器人协会(JIRA)；美国机器人协会(RIA)；法国工业机器人协会（AFRI ）锁采用的分类法。（4）按智能程度分：a 示教再现型机器人（通过手动或其它方式,先引导机器人动作,记录下工作程序,机器人则自动重复进行作业.）b 数控型机器人（不必通过手动使机器人动作,通过数值、语言等为机器人提供运动程序,能进行可编程伺服控制.）c 感知型机器人（利用传感器获取的信息控制机器人的动作.机器人对环境有一定的适应性.）d 智能机器人（机器人具有感知和理解外部环境的能力,即使环境发生变化,也能够成功的完成任务.）（5）按用途分：(1)工业机器人；服务机器人；娱乐机器人；仿人形机器人；农业机器人；海洋探测机器人；空间机器人；军用机器人；特种机器人；微型机器人；微操作机器人

4.机器人技术的发展趋势：1. 传感型智能机器人发展较快(超声波触觉传感器；静电电容式距离传感器；基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器；视觉系统等,多传感器集成与融合技术在智能机器人上获得应用。)；2.开发新型智能技术（虚拟现实技术；形状记忆合金；多智能机器人系统）3. 微型机器人的研究有所突破（微型驱动器是开发微型机器人的基础和关键技术之一，比微型机器人还要小的超微型机器人,应用纳米技术,将用于医疗和军事侦察目的. ）4.应用领域向非制造业和服务业扩展

5.行走机器人研究引起重视 1.（第二章） 0;1=?=?=?=?=?=?B A

B A

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θθθθθθc s s c z c s s c y c s s c x R R R 3．平移坐标变换：0B A B A P P P +=；旋转坐标变换：T

A B A B B A B A B A R R R P R P ==?=-1;，都是正

交矩阵,两者互逆；复合坐标变换：

0B A B A B A

P P R P +?=；齐次坐标变换：

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0B A

A B A B

B

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B

A

P R T P T P ；齐次变换的复合变换定义为:T T T B

C A B A C =； 4. 5.定义1:如果所有的变换都是相对于固定坐标系中各坐标轴旋转或平移,则依次左乘,称为绝对变换.定义2:如果动坐标系相对于自身坐标系的当前坐标轴旋转或平移,则齐次变换为依次右乘,称为相对变换.

6. 给出任一旋转变换,能够由上式求得进行等效旋转θ角的转轴.已知旋转变换R,令R=Rot(f,θ),即有

令

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z z z z y y y y

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x z y x

a a a o o o n n n ； 8.为什么要引进齐次坐标,它有什么优点?机器人的坐标变换主要包括平移和旋转变换,平移是矩阵相加运算,旋转则是矩阵相乘,综合起来可以表示为p ’ = m1*p + m2(m1旋转矩阵,m2为平移矩阵,p 为原向量,p ’为变换后的向量).引入齐次坐标的目的主要是合并矩阵运算中的乘法和加法,合并后可以表示为p' = M*p 的形式.即它提供了用矩阵运算把二维、三维甚至高维空间中的一个点集从一个坐标系变换到另一个坐标系的有效方法.

（第三章）机械手的运动方向：接近矢量a:夹持器进入物体的方向;Z 轴；方向矢量o:指尖互相指向;Y 轴；法线矢量n: X 轴 R 翻转 B 俯仰 偏转

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θθs o n f s n a f s a o f x y z z x y y z x 2/)(2/)(2/)(-=-=-=θθcos 1)(-=vers ?????

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x x x x p a o n p a o n p a o n T T ；0;0;01;1;1=?=?=?===a o a n o n a o n 2.欧拉角:绕Z 轴转φ,再绕新Y 轴转θ,绕最新Z 轴转ψ

注意:坐标变换是右乘.即后面的变换乘在右边.(绕新轴转,连乘)

3.用横滚、俯仰和偏转角表示运动姿态

RPY:先绕 x 轴旋转角ψ,再绕 y 轴旋转角θ,最后绕 z 轴旋角ф.

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φφφφψθφψθφc s s c c s s c c s s c x Rot y Rot z Rot RPY （左乘固定坐标系） 4.用柱面坐标表示末端运动姿态沿X 平移r,绕Z 轴转α,沿Z 轴平移z.（绕动坐标系，右乘）

由于上述绕Z 轴的旋转,使末端执行器的姿态出现变化,若要执行器姿态不变,则需将其绕执行器a 轴反向旋转.（绕定坐标系左乘）

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5..用球面坐标表示末端运动位置沿Z 平移r,绕Y 轴转β,绕Z 轴转α（绕定坐标系左乘）

由于上述两个旋转,执行器姿态发生变化.为保持姿态,执行器要绕其自身Y 和Z 轴反向旋转. 表示机器人末端执行器的最终位姿的齐次变换矩阵是由表示末端位置的矩阵和表示末端姿态的矩阵组合.最后的各种组合如下:

6.在连杆坐标系方法一的基础上建立3R 机构连杆变换矩阵：

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7.在连杆坐标系方法二的基础上建立3R 机构连杆变换矩阵：

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θθθθθθs L s L c L c L T T T T 其位置 8.对旋转关节 对棱柱关节

9微分平移和旋转(微分变换)：在基系中的描述:

T

dT I d f Rot d d d Trans T I d f Rot d d d Trans dT T d f Rot d d d Trans dT T z y x z y x z y x ?=-=?-==+,),(),,(]),(),,([;),(),,(θθθ

在坐标系{T}中描述:),(),,(θd f Rot d d d Trans dT T z y x T =+

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x y z d d d d d d so δδδδδδδδδδδδ 微分平移和旋转矢量:

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j i k d j d i d z y x z y x δδδδ++=++=d ，

k j i k

d j d i d z T y T x T T

z T y T x T T

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10.机器人雅克比矩阵：机械手的操作速度与关节速度间的线性变换 微分变换法求解雅克比矩阵的步骤:

(1)计算各相邻连杆间的变换矩阵: (2)计算各连杆至末端连杆的变换矩阵: (3)计算J(q)各列元素,第i 列由下式计算

对转动关节 对移动关节

11.已知坐标系{B}中的雅克比矩阵,即 那么,在坐标系{A}中的速度为: 则,在坐标系{A}中的雅克比矩阵为:

.(第四章)拉格朗日方法:从能量观点上建立起来的系统的动能和势能.应用拉格朗日方法可使系统动力学方程的数目减到最小且消去了全部理想约束力.建立拉格朗日方程时不需进行加速度分析.拉格朗日方程建立的动力学方程形式完整,但是计算困难. 1.机器人动力学:研究机器人的运动特性与力的关系.有两类问题:

动力学正问题:已知机械手各关节的作用力或力矩,求各关节的位移、速度、加速度 动力学逆问题:已知机械手各关节的位移、速度和加速度,求各关节的驱动力和力矩。 拉格朗日函数L 被定义为系统的动能K 和位能P 之差,即:

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