机器人学基础
第一章
国际标准组织的定义。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”。
各种定义有共同之处，即认为机器人：
1、像人或人的上肢，并能模仿人的动作；
2、具有智力或感觉与识别能力；
3、是人造的机器或机械电子装置。
机器人具有下列两个主要特征。
1、通用性：机器人的通用性取决于其几何特性和机械能力。通用性指的是执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力。
2、机器人的适应性是指其对环境的自适应能力，即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程所发生的没有预计到的环境变化。
刚体的自由度：物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度。（一个简单的物体有六个自由度，三个平移，三个旋转）
机器人的自由度：
机器人的分类
按机械手的几何结构来分
柱面坐标机器人、球面坐标机器人、关节式球面坐标机器人
按机器人的控制方式分
非伺服机器人、伺服机器人
按机器人控制的信息输入方式分
日本工业机器人协会（JIRA）、美国机器人协会（RIA）和法国工业机器人协会（AFRI）
按机器人的智能程度分
一般机器人、智能机器人（按智能程度的不同可分为，传感型机器人、交互型机器人、自立型机器人）
按机器人的用途分
工业机器人或产业机器人、探索机器人、服务机器人、军事机器人
按机器人移动性分
固定式机器人、移动式机器人
人工智能三大学派：符号主义、连接主义、行为主义。
第二章（计算题）
第三章
正向运动学：对一给定的机器人，已知连杆几何参数和关节变量，欲求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。
逆向运动学：已知机器人连杆的几何参数，给定机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望和姿态（位姿），求机器人能够达到预期位姿的关节变量。
欧拉变换：先绕Z轴旋转角，再绕Y轴旋转角，最后绕Z轴旋转角。
横滚（roll）（对z轴旋转）、俯仰（pitch）（对y轴旋转）、偏转（yaw）（对x轴旋转）
广义变换矩阵
相邻两连杆坐标系i-1和i之间的对应关系
1、先绕Xi-1在线编程和离线编程的特点轴旋转αi-1角，使Zi-1转到ZR，同Zi方向一致，使坐标系{i-1}过渡到{R}。
2、坐标系{R}沿Xi-1或XR轴平移一距离ɑi-1，将坐标系移到i轴上，使坐标系{R}过渡到{Q}。
3、坐标系{Q}绕ZQ或Zi轴转动θi角，使{Q}过渡到{P}。
4、坐标系{P}再沿Zi轴平移一距离di，使{P}过渡到和i杆的坐标系{i}重合。
=Rot（x，αi-1）Trans（ɑi-1，0，0）Rot（z，θi）Trans（0，0，di）
PUMA560(D-H)
第四章
分析机器人操作的动态数学模型
1、动力学基本理论，包括牛顿-欧拉方程。（考单自由度运动方程）力的动态平衡法
2、拉格朗日力学，拉格朗日功能平衡法，只需求速度不必求内作用力
第五章
控制器分类
包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反馈控制、力（力矩）控制、基于传感器的控制、非线性控制、分解加速度控制、滑模控制、最优控制、自适应控制、递阶控制以及各种智能控制等。
可把工业机器人的控制器分为单关节控制器和多关节控制器两种。前者设计时应考虑稳态误差的补偿问题；对于后者，则应首先考虑耦合惯量的补偿问题。
对一台机器人的控制，本质上就是对下列双向方程式的控制：
      V（t）    T（t）   C（t）   Θ（t）    X（t）
主要控制层次
1、第一级：人工智能级
2、第二级：控制模式级
3、第三级：伺服系统级
主动刚度控制
递阶控制系统
模糊控制系统
模糊控制器由模糊化接口、知识库、推理机和模糊判决接口4个基本单元组成。
学习控制系统
学习控制具有4个主要功能：搜索、识别、记忆和推理。
神经控制系统
特性和能力包括
1、神经网络对信息的并行处理能力和快速性，适于实时控制和动力学控制。
2、神经网络的本质非线性特性，为非线性控制带来新的希望。
3、神经网络可通过训练获得学习能力，能够解决那些用数学模型或规则描述难以处理或无法处理的控制过程。
4、神经网络具有很强的自适应能力和信息综合能力，能同时处理大量不同类型的控制输入，解决输入信息之间的互补性和冗余性问题，实现信息融合处理。
第六章
机器人的感觉顺序分为两步进行
1、变换——通过硬件把相关目标特性转换为信号。
2、处理——把所获信号变换为规则及执行某个机器人功能所需要的信息，包括预处理和解释两个步骤。
应用传感器时应考虑的问题
1、程序设计与传感器
2、示教与传感器
3、抗干扰能力
光电编码器是角度传感器，它能采用TTL二进制码提供轴的角度位置。有两种光电编码器——增量式编码器和绝对式编码器。
外传感器：触觉传感器、应力传感器、接近度传感器和听觉传感器等。
内传感器：位移位置传感器、速度和加速度传感器、力传感器以及应力传感器等。
第七章
第八章
对机器人编程的要求
1、能够建立世界模型
2、能够描述机器人的作业
3、能够描述机器人的运动
4、允许用户规定执行流程
5、要有良好的编程环境
6、需要人机接口和综合传感信号
机器人编程语言的类型
根据作业描述水平的高低，通常可分为三级：动作级；对象级；任务级。
机器人语言操作系统包括三个基本的操作状态：监控状态、编辑状态、执行状态。
机器人编程语言的基本功能：运算、决策、通信、机械手运动、工具指令、传感器数据处理
离线编程的优点
与在线示教编程相比，离线编程系统具有如下优点：
1、可减小机器人非工作时间，当对下一个任务进行编程时，机器人仍可在生产线上工作。
2、使编程者远离危险的工作环境。
3、使用范围广，可以对各种机器人进行编程。
4、便于和CAD/CAM系统结合，做到CAD/CAM/机器人一体化。
5、可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程。
6、便于修改机器人程序。
机器人离线编程系统的结构
它主要有用户接口、机器人系统构型、运动学计算、轨迹规划、动力学仿真、并行操作、传感器仿真、通信接口和误差校正9部分组成。
第九章
应用机器人三要素
1、技术因素 包括性能要求、布局要求、产品特性、设备更换、过程变更等。
2、经济因素 包括劳动力、材料、生产率、能源、设备和成本等。
3、人的因素 涉及操作人员、管理人员、维护人员、经理和工程师等。
采用机器人的步骤
1、明确自动化要求
2、制定机器人化计划
3、探讨应用机器人的条件
4、对辅助作业和机器人性能进行标准化
5、设计机器人化作业系统方案
6、选择评价标准
7、详细设计和具体实施

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