工业机器人期末复习资料大全

工业机器人课件资料

一、机器人运动学

1. 关节型机器人结构如图所示。已知关节变量值

190,20,390,45690，a2431.8mm,d2149.09mm,

d4433.07mm,d656.25mm。求各关节运动变换的齐次变换矩阵Ti。

2. 如图二自由度平面机械手，已知手部中心坐标值为x1,y1。求该机械手运动

方程的逆解1及d1

二、机器人动力学

1. 如图二自由度平面机械手，已知杆长l1l20.5m，相关参数如下表所示。求表中两种情况下的关节瞬时速度1和2。

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lsin1l2sin22. 已知二自由度平面机械手的雅可比矩阵为J1l1cos1l2cos2Tl2sin2。l2cos2若忽略重力，当手部端点力F10时，求与此力相应的关节力矩。 三、机器人的智能控制

简述机器人人工神经网络控制技术的原理及方法 四、机器人的控制基础

交流伺服电动机有哪几种调速方式，请分别说明其原理。

1. 经历了40多年的发展，机器人技术逐步形成了一门新的综合性学科 — 机器人学（Robotics）

 它包括有基础研究和应用研究两个方面  主要研究内容有：

(1) 机械手设计；(2) 机器人运动学、动力学和控制；(3) 轨迹设计和路径规划； (4) 传感器(包括内部传感器和外部传感器)；(5) 机器人视觉； (6) 机器人语言；(7) 装置与系统结构； (8) 机器人智能等。 2. 机器人的定义

国际和国外相关组织的定义

国际标准化组织（ISO）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。

美国国家标准局（NBS）的定义：机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。

美国机器人协会（RIA）的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。

日本工业机器人协会（JIRA）的定义：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。

有关学者的定义

在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上提出了两个有代表性的定义。 森政弘与合田周平提出的定义：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业

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性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。

日本早稻田大学加藤一朗（日本机器人之父） 教授认为：机器人是由能工作的手，能行动的脚和有意识的头脑组成的个体，同时具有非接触传感器（相当于耳、目）、接触传感器（相当于皮肤）、固有感及平衡感等感觉器官的能力。

也有一些组织和学者针对不同形式的机器人分别给出具体的解释和定义，而机器人则只作为一种总称。例如，日本工业机器人协会（JIRA）列举了6种型式的机器人：

(1) 手动操纵器：人操纵的机械手，缺乏独立性； (2) 固定程序机器人：缺乏通用性； (3) 可编程机器人：非伺服控制；

(4) 示教再现机器人：通用工业机器人； (5) 数控机器人：由计算机控制的机器人；

(6) 智能机器人：具有智能行为的自律型机器人。 3.机器人的结构

简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成。

 执行机构：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。

 驱动和传动装置：用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和汽动，有直接驱动和间接驱动二种方式。

 传感器：是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、滑觉和接近觉传感器等，它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨。

 控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的识别。 现代工业机器人的控制器都是由计算机控制系统组成，控制方式主要有示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。 4.工业机器人几种常用的控制方式

“示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。

“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。 “遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。

“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。

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5.丹纳维特（Denavit）和哈顿贝格（Hartenberg） 于1955年提出了一种矩阵代数方法解决机器人的运动学问题—D-H方法，具有直观的几何意义能表达动力学、计算机视觉和比例变换问题其数学基础即是齐次变换。

6. 在本课程我们将采用齐次坐标变换来描述机械手各关节坐标之间、各物体之间以及各物体与机械手之间的关系。 7. 齐次坐标与三维直角坐标的区别

• V点在ΣOXYZ坐标系中表示是唯一的（x、y、z）

• 而在齐次坐标中表示可以是多值的。不同的表示方法代表的V点在空间位置上不变。

• 几个特定意义的齐次坐标：

• [0, 0, 0, n]T—坐标原点矢量的齐次坐标，n为任意非零比例系数 • [1 0 0 0]T—指向无穷远处的OX轴 • [0 1 0 0]T—指向无穷远处的OY轴 • [0 0 1 0]T—指向无穷远处的OZ轴 8.三个基本旋转矩阵

01R(x,)0cos0sin0sin comcos0sinR（y,)010

sin0coscos-sin0 R（z,)sincos0

0109. 定义1：

当动坐标系绕固定坐标系各坐标轴顺序有限次转动时，其合成旋转矩阵为各基本旋转矩阵依旋转顺序左乘。 注意：旋转矩阵间不可以交换 注意：平移矩阵间可以交换，

平移和旋转矩阵间不可以交换

10. 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。

绝对变换：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。

相对变换：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。

0123011. 如图所示，1）写出T1、T2、T3、T4；2）求T4

解

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100-3.50-103T100-11 10000-11T20000-101000031 130542T3 0-51000-103 T4 0040535 50001003.51000-10

00100-1000.6-0.80 0123 T4T1 T2 T3 T4 0-0.8-0.650001

12.

研究一下图2.18描述的一个物体与机械手情

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况，机械手用变换 Z 相对于基坐标系被定位。

机械手的端点用变换 ZT6 来描述，而末端执行器用变换 6TE来描述。物体用变换 B 相对于基坐标系被定位。最后，机械手末端抓手用变换 BG 相对于物体被定位。末端抓手位置的描述有两种 方式，一种是相对于物体的描述，一种是相对于 机械手的描述。由于两种方式描述的是同一个 点，我们可以把这个描述等同起来，得到

Z6B ZT6TEBG （2.61）

这个方程可以用有向变换图来表示（见图 2.19）。图的每一段弧表示一个变换。从它的定 义的坐标系向外指向。

用 Z-1左乘和用E-1右乘方程（2.61），得到

11 T6ZBGE （2.62）

从有向变换图上我们可以直接得到上述结果，从T6弧线的尾部开始，沿着图形顺时针依次列出各个变换，直到T6弧的箭头为止。在逆变换时，我们从T6弧的箭头开始，按逆时针方向依次列出各个变换，直到T6弧的起始点为止，则可得到T6的逆

T6EGBZ （2.63）

对上式求逆得到与式（2.62）完全相同的结果。

作为进一步的例子，假设一个物体 B 的位置不知道，但机械手移动，使得末端抓手正好定位在物体上面。然后用 G-1 右乘式（2.61）求出 B 。或者在有向变换图中从 B 的尾部沿着逆时针方向到达弧 B 的箭头，直接得到同样结果。

1 BZT6EG （2.64）

111 同样，我们可以用有向变换图求出变换的连接组。例如

1 ZT6BGE （2.65）

用有向变换图简化了变换方程的求解，可以直接写出变换结果。为了避免画圆，我们用图2.20所示的形式表示这个变换图，其中虚线表示那两个节点是被连在一起的，中间各垂线段表示相对坐标系。

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13.

如图3.9所示，在每个关节轴上有两个连杆与之相连，即关节轴有两个公垂线与之垂直，每一个连杆一个。两个相连的连杆的相对位置用dn和θn确定， dn是沿着n关节轴两个垂线的距离， θn是在垂直这个关节轴的平面上两个被测垂线之间的夹角，dn和θn分别称作连杆之间的距离及夹角。

连杆本身的参数 连杆长度 连杆扭转角 an 连杆两个轴的公垂线距离（x方向） αn 连杆两个轴的夹角（x轴的扭转角） 连杆之间的距相连两连杆公垂线距离（z方向平移dn 距） 连杆之间离 的参数 连杆之间的夹相连两连杆公垂线的夹角（z轴旋转θn 角 角） 根据上述模式用下列旋转和位移我们可以建立相邻的n-1和n坐标系之间的关系：

绕 zn-1 旋转一个角度θn 沿 zn-1 位移一个距离 dn 沿着被旋转的 xn-1 即 xn 位移 an

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绕 xn 旋转的扭转角为αn

这四个齐次变换的积为A矩阵，即

An= Rot(z,θ) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,α)（3.30）

cossinAn00sincos0000100100001001000010a1000cosd0sin1000sincos000 01cossinAn00sincoscoscossin0sinsincossincos0acosasind

1

14. 根据图示的坐标系，写出斯坦福机械手连杆参数

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15. 肘机械手及其各关节坐标的设置

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16. 解逆运动方程是应用齐次坐标变换原理，从机器人末端执行器的直角坐标空间到关节坐标的变换（T6 →θn、dn），它是求解正运动方程的逆过程（θ，是机器人运动学的重要内容，是机器人控制的依据。 n、dn → T6）

 要注意的是正运动方程的解是唯一解，而逆运动方程的解不是唯一解，因此选择合理解是解逆运动方程的一项重要内容。 17.微分运算

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18.传感器

文名称：transducer / sensor

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。 传感器的定义

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 传感器的发展趋势

（1）采用新原理、开发新型传感器；

（2）大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求)； （3）传感器的集成化； （4）传感器的多功能化；

（5）传感器的智能化(Smart Sensor)；

（6）研究生物感官，开发仿生传感器。

传感器的分类

可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的

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基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ：

传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。 1.按照其用途，传感器可分类为： 压力敏和力敏传感器 位置传感器 液面传感器 能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 射线辐射传感器 热敏传感器

2.按照其原理，传感器可分类为： 振动传感器 湿敏传感器

磁敏传感器 气敏传感器

真空度传感器 生物传感器等。 以其输出信号为标准可将传感器分为：

模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。

开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：

(1)按照其所用材料的类别分

金属 聚合物 陶瓷 混合物

(2)按材料的物理性质分 导体 绝缘体 半导体 磁性材料

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(3)按材料的晶体结构分 单晶 多晶 非晶材料

与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：

(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。

(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。

(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。

现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。

按照其制造工艺，可以将传感器区分为：

集成传感器薄膜传感器厚膜传感器陶瓷传感器

集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。

完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。

每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。 传感器静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

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传感器动态特性

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 传感器的线性度

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。 拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。 传感器的灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。

它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。

当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。 传感器的分辨力

分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。

通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。 电阻式传感器

电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

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电阻应变式传感器

传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。 压阻式传感器

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。

用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。 热电阻传感器

热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。 热电阻传感器分类：

1.NTC热电阻传感器：

该类传感器为负温度系数传感器，即，传感器阻值随温度的升高而减小；

2.PTC热电阻传感器：

该类传感器为正温度系数传感器，即，传感器阻值随温度的升高而增大。

温度传感器

1、室温管温传感器：

室温传感器用于测量室内和室外的环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。室温传感器和管温传感器的形状不同，但温度特性基本一致。按温度特性划分，目前美的使用的室温管温传感器有二种类型：1、常数B值为4100K±3%，基准电阻为25℃对应电阻10KΩ±3%。温度越高，阻值越小；温度越低，阻值越大。离25℃越远，对应电阻公差范围越大；在0℃和55℃对应电阻公差约为±7%；而0℃以下及55℃以上，对于不同的供应商，电阻公差会有一定的差别。 2、排气温度传感器：

排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度，常数B值为3950K±3%,基准电阻为90℃对应电阻5KΩ±3%。

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3.、模块温度传感器：模块温度传感器用于测量变频模块（IGBT或IPM）的温度，目前用的感温头的型号是602F-3500F，基准电阻为25℃对应电阻6KΩ±1%。 湿度传感器

高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化，此即为湿度传感器的基本机理。影响高分子电容型元件的温度特性，除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外，还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。根据德拜理论的观点，液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的ε在T＝5℃时为78.36，在T＝20℃时为79.63。有机物ε与温度的关系因材料而异，且不完全遵从正比关系。在某些温区ε随T呈上升趋势，某些温区ε随T增加而下降。多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为：高分子聚合物具有较小的介电常数，如聚酰亚胺在低湿时介电常数为3.0一3.8。而水分子介电常数是高分子ε的几十倍。因此高分子介质在吸湿后，由于水分子偶极距的存在，大大提高了吸水异质层的介电常数，这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。由于ε的变 化，使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。作为电容器，高分子介质膜的厚度d和平板电容的效面积S也和温度有关。温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。高分子聚合物的平均热线胀系数可达到 的量级。例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108x10-5/℃。随着温度上升，介质膜厚d增加，对C呈负贡献值；但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加，即对C呈正值贡献。可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。总之，高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。所以通常传感器生产厂家能在-10-60摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。 比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂，产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极，再喷镀感湿介质材料（如前所述）形式平整的感湿膜，再在薄膜上蒸发上金电极.湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系，线性度约±2%。虽然，测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想，在工业领域使用，寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。

陶瓷湿敏传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。优点在于能耐高温，湿度滞后，响应速度快，体积小，便于批量生产，但由于多孔型材质，对尘埃影响很大，日常维护频繁，时常需要电加热加以清洗易影响产

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品质量，易受湿度影响，在低湿高温环境下线性度差，特别是使用寿命短，长期可靠性差，是此类湿敏传感器迫切解决的问题。

当前在湿敏元件的开发和研究中，电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域，其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。

氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。

氯化锂湿敏器件的衬底结构分柱状和梳妆，以氯化锂聚乙烯醇涂覆为主要成份的感湿液和制作金质电极是氯化锂湿敏器件的三个组成部分。多年来产品制作不断改进提高，产品性能不断得到改善，氯化锂感湿传感器其特有的长期稳定性是其它感湿材料不可替代的，也是湿度传感器最重要的性能。在产品制作过程中，经过感湿混合液的配制和工艺上的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。 传感器的迟滞特性

迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。

迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。 接口传感器

魏德米勒传感器/执行器接口产品，可以通过加装相应的总线协议适配器，SAI产品可以直接连接到现场总线。可以支持Profibus-DP、CANopen、DeviceNet、Interbus和ASi现场总线协议。 无源传感器/执行器接口产品(SAI)

防护等级达到IP68，可直接安装而无需防护。 节约安装材料、时间、空间。

提供4、6、8路的分配器，每路有3针、4针和5针的结构(提供一路和两路信号)。

有带接线盖型(标准型)和电缆预制型。

可另外提供金属外壳的产品，适用于食品行业。 带有信号和电源的指示。

有源传感器/执行器接口产品(SAI)

通过加装相应的总线协议适配器，SAI产品可以直接连接到现场总线。可以支持Profibus-DP、 CANopen、DeviceNet、Interbus和ASi现场总线协议。

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提供两种防护等级的产品：IP67(总线连接方式为圆形接头连接)， IP68(总线连接方式为自装配型)。

提供8DI、8DO、8DI/4DO、16DI、8DI/8DO五种输入输出的产品。 传感器的发展趋势

采用新原理、开发新型传感器；

大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求)； 传感器的集成化； 传感器的多功能化；

传感器的智能化(Smart Sensor)； 研究生物感官，开发仿生传感器。

生物传感器

生物传感器的概念

生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

生物传感器的原理

待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。 生物传感器的分类

按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等等

按照传感器器件检测的原理分类 ，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。

按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。 UVA-1210是一个近紫外波光电传感器，可见光范围不响应，输出电流与紫外指数呈线性关系。适用于手机、PDA、MP4等便携式移动产品测量紫外指数，随时提醒人们（特别是女士）紫外线的强度并注意防晒，也适用于紫外波段的检测器、紫外线指数检测器。 紫外传感器

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■电气特性

采用氮化镓基材料； PIN型光电二极管； 光伏工作模式； 对可见光无响应； 暗电流低；

输出电流与紫外指数成线性关系。 符合欧盟RoHS指令，无铅、无镉 ■典型应用

测量紫外指数：手机、数码相机、MP4、PDA、GPS等携式移动产品；

用于紫外检测器：全部紫外线波段的检测器、单UV-A波段检测器、紫外线指数检测器、紫外线杀菌灯辐照检测器。 传感器制造工艺

以下步骤：１）以注塑方法，成型传感器本体；２）将带有感应头的电路板安装在传感器本体上，并通过焊锡进行焊接；３）盖上保护罩，通过卡扣及加密封胶工艺将感应头固定安装在传感器本体上。应用本制造工艺，由于注塑过程和电路板安装过程是分开进行的，因而避免了现有技术中，在注塑过程中因温度高而损坏电路器件的现象。

由于材料科学的发展，一系列无机非金属材料被用来制造传感器，因为它们的一些性质，例如耐高温性、抗腐蚀能力、耐磨损等，对传感器具有实用价值。 陶瓷传感器

传感器选用陶瓷材料是因为陶瓷材料具有下述性质： 相对而言，通过控制它的成分和烧结条件等手段，陶瓷的微观结构比较容易调节。微观结构对陶瓷的所有特性都有重大影响，包括它们的电学、磁性、光学、热学和机械性能。 由于陶瓷材料的耐高温和抗恶劣环境影响能力很强，所以常常将它们用于高温环境下的处理过程。 陶瓷主要是由价格便宜的材料制备而成的，这就是说用它生产的传感器价格也将比较低廉。

陶瓷的结构特性是和下列因素密切相关的：晶粒(块体)，分隔相邻晶粒的表面(晶粒间界)，分隔晶粒表面和空间的界面，以及结构中的孔隙。由于这些各不相同的特性，既可利用陶瓷块体，也可利用陶瓷表面的性质来制造传感器。

目前已用于传感器制备的陶瓷材料有以下几类： 基于利用其晶粒物理特性的材料。 基于利用其晶粒间界性质的材料。

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基于利用其表面特性的陶瓷材料。

有时，无法严格地将某些陶瓷材料归入任何上述类型，因为传感器的工作是基于不止一种的、而是多种特性的综合效应。表1.4示出了按照所利用的材料属性进行的陶瓷传感器分类。一类是在其工作过程中利用陶瓷块体性质的陶瓷传感器，这类传感器具有材料物理性质的特征——介质，压电体，磁性或半导体。在这些传感器中已经达到的材料特性水准已接近单晶材料所具有的特性水准。 传感器常用术语 1.传感器

能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常有敏感元件和转换元件组成。

① 敏感元件是指传感器中能直接（或响应）被测量的部分。

② 转换元件指传感器中能较敏感元件感受（或响应）的北侧量转换成是与传输和（或）测量的电信号部分。

③ 当输出为规定的标准信号时，则称为变送器。 2.测量范围

在允许误差限内被测量值的范围。 3. 量程

测量范围上限值和下限值的代数差。 4. 精确度

被测量的测量结果与真值间的一致程度。 5.从复性

在所有下述条件下，对同一被测的量进行多次连续测量所得结果之间的符合程度：

相同测量方法： 相同观测者： 相同测量仪器： 相同地点：

相同使用条件：

在短时期内的重复。

6. 分辨力

传感器在规定测量范围圆可能检测出的被测量的最小变化量。 7. 阈值

能使传感器输出端产生可测变化量的被测量的最小变化量。 8. 零位

使输出的绝对值为最小的状态，例如平衡状态。 9. 激励

为使传感器正常工作而施加的外部能量（电压或电流）。

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10. 最大激励

在市内条件下，能够施加到传感器上的激励电压或电流的最大值。 11. 输入阻抗

在输出端短路时，传感器输入的端测得的阻抗。 12. 输出

有传感器产生的与外加被测量成函数关系的电量。 13. 输出阻抗

在输入端短路时，传感器输出端测得的阻抗。 14. 零点输出

在市内条件下，所加被测量为零时传感器的输出。 15. 滞后

在规定的范围内，当被测量值增加和减少时，输出中出现的最大差值。 16. 迟后

输出信号变化相对于输入信号变化的时间延迟。 17. 漂移

在一定的时间间隔内，传感器输出终于被测量无关的不需要的变化量。 18. 零点漂移

在规定的时间间隔及室内条件下零点输出时的变化。 19. 灵敏度

传感器输出量的增量与相应的输入量增量之比。 20. 灵敏度漂移

由于灵敏度的变化而引起的校准曲线斜率的变化。 21.热灵敏度漂移

由于灵敏度的变化而引起的灵敏度漂移。 22. 热零点漂移

由于周围温度变化而引起的零点漂移。 23. 线性度

校准曲线与某一规定直线一致的程度。 24. 非线性度

校准曲线与某一规定直线偏离的程度。

25.长期稳定性

传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。 26. 固有凭率

在无阻力时，传感器的自由（不加外力）振荡凭率。 27. 响应

输出时被测量变化的特性。 28.补偿温度范围

使传感器保持量程和规定极限内的零平衡所补偿的温度范围。

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29. 蠕变

当被测量机器多有环境条件保持恒定时，在规定时间内输出量的变化。 30. 绝缘电阻

如无其他规定，指在室温条件下施加规定的直流电压时，从传感器规定绝缘部分之间测得的电阻值。

1.1 智能机器人的只能所谓的表现形式是什么？

推理判断、记忆、思维、情感

1.2 人有哪些功能？

推理判断、记忆、思维、情感

1.3 人是怎么来的？

人的记忆源于类人猿在科学上是公认的事实，目前对人类起源有两种理论即单地起源说和多地起源说，19世纪时西方国家的人类学家抱有种族歧视观念，大部分同意地源说，认为白种人和其他人种起源不同，从根本上就处于一优越地方。20世纪的新考古发现，基因检测技术发展和思想的进步，导致大部分科学家同意单地起源说。

1.4机器人分为几类？

首先，机器人按应用分类可分为工业机器人、极限机器人、娱乐机器人。

工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检验机器人，主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中。极限机器人主要是指用在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，包括建筑、农业机器人。娱乐机器人包括弹奏机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等 。也有根据环境而改变动作的机器人。其次，按照控制方式机器人可分为操作机器人、程序机器人、示教机器人、智能机器人和综合机器人。

1.5 机器人由哪几部分组成？各部分什么功能？

机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交换系统、人机交换系统和控制系统。

驱动系统，要使机器人运作起来，各需各个关节即每个运动自由度安置传动装置。这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气压传动、电动传动、或者把它们结合起来应用综合系统，可以是直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接传动。 机械结构传动，工业机器人的机械结构系统由机座、手臂、末端操作器三大部分组成，每一个大件都有若干个自由度的机械系统。若基座不具备行走机构，则构成行走机器人；若基座不具备行走及弯腰机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作

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器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。

感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用以获得内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。

机器人一环境交换系统是现代工业机器人雨外部环境中的设备互换联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。

人工交换系统是操作人员与机器人控制并与机器人联系的装置，例如，计算机的标准终端，指令控制台，信息显示板，危险信号报警器等。该系统归纳起来分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。

控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运行的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。

1.6 什么是自由度？这样计算自由度？

人们把构建相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度。设一个平面运动链包含N个机构，其中1个构建为机架 则有n-1个活动构件，另外舍友P1个低副和P2个高副。忧郁1个活动构件有3个自由度F 即机构间的地有毒应为F=3n-2P1-P2

1.7 机器人技术参数有哪些？各参数的意义是什么？ 1.8 机器人坐标有哪些？各坐标这样表述？

1.9 机器人参数坐标系有哪些？各参数坐标系有何作用？

机器人可以相对于不同的坐标系运动 在每一种坐标系中的运动都不相同 通常 机器人的运动在全局参考坐标系 关节参考坐标系和工具参考坐标系中完成 （1）全局参考系坐标系是一种通用坐标系由X,Y,Z轴所定义 （2）关节参考坐标系用来描述机器人每一个独立关节的运动

（3）工具参考坐标系描述机器人手相对与固连在手上的坐标系的运动

2.1 机器人末端操作器有几种？试述每种工作原理。

工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为夹钳式取料收 吸附式取料手 专用操作器及转换器 仿生多指灵巧手。

2.2 机器人手腕有几种？试述每种手腕结构。

（1）机器人的手腕按自由度数目来分 可分为单自由度手腕 2自由度手腕和3自由度手腕 单自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成的BR手腕也可以由2个B关节组成的BB手腕 但是 不能有2个R关节组成的RR手腕 因为2个R共轴线 所以退化了一个自由度 实际只构成了单自由度手腕

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三自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式

（2）按驱动方式来分 可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕

2.3 机器人手臂有几种？试述每种手臂结构。

机器人的手臂按结构形式分可分为单臂式，双臂式及悬挂式

按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的。如手臂的伸缩，升降及横向移动，有回转运动的 如手臂的左右回转 上下摆动有复合运动 如直线运动和回转运动的组合。2直线运动的组合 2回转运动的组合。

手臂回转运动机构，实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的 ，常用的有叶片是回转缸，齿轮转动机构，链轮传动和连杆机构

手臂俯仰运动机构，一般采用活塞油（气）缸与连杆机构联用来实现 手臂复合运动机构，多数用于动作程度固定不变的专用机器人。

2.4 机器人机座有几种？试述每种机座结构。

机器人几座有固定式和行走时2种

（1）固定式机器人的级左右直接接地地面基础上，也可以固定在机身上

（2）移动式机器人有可分为轮车机器人，有3组轮子组成的轮系四轮机器人三角论系统，全方位移动机器人，2足步行式机器人，履带行走机器人

2.5工业机器人驱动机构有几种？试述每种机构的结构及原理。

驱动机构分位直线驱动机构和旋转驱动机构

直线驱动机构 又分位齿轮齿条装置，普通丝杆，滚珠丝杆，液压驱动，气压驱动旋转机构又分为齿轮链，同步皮带，谐波齿轮齿轮齿条齿条固定不动，齿轮轴连同托板延迟方向做直线运动，普通丝杆摩擦力大，精度低效率低滚珠丝杆摩擦小，速度快，液压驱动有高精度的缺体和活塞一定完成的 气压驱动有3个自由度，分别为转动，X轴移动没和Z轴升降：出伦理按是有2个或者2个以上的齿轮组成的传动机构同步皮带韧性好价格便宜 谐波齿轮精度高回差小

2.6工业机器人传动机构有几种？试述每种机构的结构及原理。

传动机构非为齿轮传动，蜗杆传动，链传动行星齿轮传动，滚珠丝杆，谐波齿轮，钢带，同步齿型带和绳轮传动

三菱转偶尔机器人采用电动方式驱动有2个自由度，分别为腰部旋转，肩旋转肘部旋转，手腕的俯仰与翻转，均有直流伺服电机驱动，其余为同步带传动。PUMA562机器有6个自由度。信心的驱动方式有磁致伸缩传动吗，形状记忆金属 静电驱动。

4.1 试述机器人视觉的结构及工作原理

机器人视觉由 视觉传感器 摄像机和光源控制 计算器和图像处理机组成 原理：由视觉传感器讲景物的光信号转换成电信号 经过A/D转换成数字信号传递给图像处理器，同时光源控制器和摄像机控制器把把光线，距离颜色 光源方向等等参数传递给图像处理器 ，图像处理器对图像数据做一些简单的处理 将数据传递给计算机 最后由计算器存储和处理。

4.2 试述机器人触觉的结构及工作原理

机器人触觉机构：声波安全传感器 安全传感器 位置速度加速度传感器 超声波测距传感器

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多方向接触传感器 电视摄像头 多自由度力传感器 握力传感器 触头

工作原理：用接近觉课感知对象物体在附近，手臂减速慢慢接近物体，用

接触觉可知已接触带物体，控制手臂让物体到手指中间 和尚手指握住物体，用压觉控制握力。如果物体较重，则靠滑觉来检测滑动，修正设定的窝里来防止滑动，靠力觉控制与被测物体自重和转矩相应的力，或者举起或者移动物体，另外 力觉在旋紧螺母 轴和孔的嵌入等装配工作中也有广泛的应用

4.3 试述机器人接近觉的结构及工作原理

机器人接近觉的结构：测量量 媒介 对象物的反应

接近觉传感器可分为6种 电磁式 光电式 静电容式 气压式 超声波式和红外线式

电磁式传感器：在一个线圈中通入高频电流就会产生磁场， 这个磁场接近金属物时会在金属物种缠身感应电流， 就是涡流。 涡流的大小随对像物体表面和线圈距离的大小而变化，这个变化反过来又影响线圈内磁场强度磁场强度可用另一组线圈检测出来，也可以根据激磁线圈本身电感的变化或激励电流的变化来检测。

静电容式传感器是根据传感器表面与对象物体表面所形成的电容随距离变化的原理。 气压式接近觉传感器是有一根细的喷嘴喷出气流。如果喷嘴靠近物体，则内部压力会发生变化，这一变化可用压力计来测量课计算出与物体间的距离

4.4 试述机器人压觉的结构及工作原理

阵列式压觉传感器的结构和原理：（1）由条状的导电橡胶排成网状，每个棒子上附上一层导体引出，送给扫描电路；（2）由单向导电橡胶和印制电路板组成，电路板上附有条状金属箔，两块板上的金属条方向互相垂直。 比较高级的压觉传感器的结构和原理：是在阵列式触电上附一层导电橡胶，并在基板上装有集成电路，压力的变化使各接点间的电阻发生变化，信号经过集成电路处理后送出。

4.5 论述机器人滑觉得结构及工作原理

机器人的握力应满足物体即不产生滑动而握力又为最小临界握力。如果能在刚开始滑动

之后便立即检测出物体和手指间产生的相对位移，且增加握力就能使滑动迅速停止，那么该物体就可用最小的临界点握力抓住。

1）刚力握持机器人手紫红用一个固定的力，通常是用最大可能的力握持物体。

2）柔力握持根据物体和工作目的的不停，使用适当的力握持物体。握力可变或是自适应控制的。

3）零力握持可握住物体但不用力，即只感觉到物体的存在。它主要用于探测物体，探索路径，识别物体的形状等目的。

4.6 试论述机器人力觉的结构和工作原理

机器人作业时一个其与周围环境的交互过程。作业过程有两类：一类是非接触式的，如弧

焊，喷漆等。基本不涉及力。另一类工作室通过接触才能完成的，如拧螺钉，点焊，装配，抛光，加工等。目前已有将视觉和力觉装安琪用于非事先定位的轴孔装配，其中，视觉完成大致的定位，装配过程靠孔德倒角作用不断产生的力反馈得以顺利完成。又如高楼清洁机器人，当它在擦拭干净玻璃时，显然用力不能太大也不能太小，这要求机器人作业时具备有力控制功能。当然，对于机器人的力传感器，不仅仅在上面描述的机器人末端执行器与环境作用过程中发生的力测量，还有如机器人自行运动控制过程中的力反馈测量，机器手爪抓握物体时的我咯测量等。

1）装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。它测量驱动器本身的输出力合力矩，用于控制中的力反馈。

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2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。腕力传感器能直接测出作用在末端执行器上的各向力合力矩。

3）装在机器人手爪指关节上的力传感器，称为指力传感器。它用来测量夹持物体时的手里情况。

4.7论述机器人位置传感器的结构和工作原理

位置感觉和唯一感觉是机器人最起码的感觉要求，没有它机器人讲不能正常工作。它可以

通过多种传感器来实现，常用的机器人位置，位移传感器有电位器式位移传感器，电容式位移传感器，电感式位移传感器，光电式位移传感器，霍尔元件位移传感器，磁栅式位移传感器，以及机械式位移传感器等。

4.8 试述机器人位移传感器的结构及工作原理？

按照电位器式位移传感器的结构，可以把它分为两大类：一类是直线型电位器，另一类是

旋转型电位器。

直线型电位器主要用于检测直线位移，其电阻器采用直线型螺线管或直线型碳膜电阻，滑动触点也只能沿电阻的直线方向做直线运动。直线型电位器的工作范围和分辨率受电阻器长度的限制。线绕电阻，电阻丝本身的不均匀性会造成电位器式传感器的输入输出关系的非线性。 旋转型电位器的电阻元件呈圆弧状，滑动触点也只能在电阻元件上做圆周运动。旋转型电位器有单圈电位器和多圈电位器两种。由于滑动触点等的限制，单圈电位器的工作范围只能小于360；对分辨率也有一定限制。对于多数应用情况来说，这并不会妨碍他的使用。假如需要更高的分辨率个更大的工作范围，可以选用多圈电位器。

4.9试述机器人编码器的结构及工作原理？

光电编码器是一种应用广泛的位置传感器，其分辨率完全能满足机器人的技术要求。这种

非接触型传感器可分为绝对型和相对型。前者只要电源加到这种传感器的机电系统中，编码器就能给出实际的线性或旋转位置。因此，用绝对型编码器装备的机器人关节不要求校准，只要一通电，控制器就知道实际的关节位置。相对型编码器只能提供某基准点对应得位置信息，所以，用相对型编码器的机器人在获得真实位置信息以前，必须首先完成校准程序。

5.10试述机器人角速度传感器的结构及工作原理？

旋转编码器和测速发电机是两种广泛采用的角速度传感器。 1旋转编码器

绝对型旋转编码器的输出表示的是旋转角度的实际值，所以若对单位时间前的值进行记忆，并取它与现时值之间的差值，就可以求得角速度。

相对型编码器单位时间内输出脉冲的数目与角速度成比例。 2测速发电机

测速发电机与普通发电机的原理相同，除具有直流输出型和交流输出型以外，还有感应型。 对于直流输出型，在其定子的永久磁铁产生的静止磁场中，安装绕有线圈的转子。当转动转子时，就会产生交流电流，因此，经过二极管整流后，就会变换成直流进行输出。输出的电压与转子的角速度成比例。

对于交流输出型，在固定线圈的内部安装着用永久磁铁做的转子。当转动转子时，定子线圈中会产生交流电流，并且原封不动的作为测速发电机输出。这时，从低速旋转到高速旋转，均可获得稳定的输出。

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