機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論作業(yè)答案

1、機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論作業(yè)答案作業(yè)一一、問答題1答： 機(jī)器人的主要應(yīng)用場合有：(1) 惡劣的工作環(huán)境和危險工作；(2) 在特殊作業(yè)場合進(jìn)行極限作業(yè)；(3) 自動化生產(chǎn)領(lǐng)域；(4) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；(5) 軍事應(yīng)用。2答： 工業(yè)機(jī)器人(英語： industrial robot 。簡稱 IR )是廣泛適用的能夠自主動作，且 多軸聯(lián)動的機(jī)械設(shè)備。 它們在必要情況下配備有傳感器， 其動作步驟包括靈活的轉(zhuǎn)動都是可 編程控制的(即在工作過程中，無需任何外力的干預(yù)) 。它們通常配備有機(jī)械手、刀具或其 他可裝配的的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運操作與加工制造的任務(wù)。數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡稱， 是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機(jī)

2、床。 該控制系統(tǒng) 能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序， 并將其譯碼， 從而使機(jī)床動作并 加工零件。3答： 科幻作家阿西莫夫機(jī)器人三原則： (1) 不傷害人類； (2) 在原則下服從人給出的命 令； (3) 在與上兩個原則不矛盾的前提下保護(hù)自身。我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是： “機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器， 所不同的是這種機(jī)器具 備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種 具有高度靈活性的自動化機(jī)器。4答： 機(jī)器人研究的基礎(chǔ)內(nèi)容有以下幾方面：(1) 空間機(jī)構(gòu)學(xué)；(2) 機(jī)器人運動學(xué)；(3) 機(jī)器人靜力學(xué)；(4) 機(jī)器人動力學(xué)；(5) 機(jī)器人控制技

3、術(shù)；(6) 機(jī)器人傳感器；(7) 機(jī)器人語言。5答： 按幾何結(jié)構(gòu)分：(1) 直角坐標(biāo)式機(jī)器人；(2) 圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人；(3) 球面坐標(biāo)式機(jī)器人；(4) 關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)機(jī)器人。6答： 通常由四個相互作用的部分組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動單元、控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)。7答： 一共需要 5 個：定位 3 個，放平穩(wěn) 2 個。8答： 機(jī)器人的主要特點有通用性、適應(yīng)性。決定通用性有兩方面因素：機(jī)器人自由度； 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和操作能力。9答： 工業(yè)機(jī)器人的手部是用來握持工件或工具的部件。大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定 的工件要求而專門設(shè)計的。 各種手部的工作原理不同， 故其結(jié)構(gòu)形態(tài)各異。 常用的手部按其 握持原理可

4、以分為夾持類和吸附類兩大類。10答： (a) 機(jī)械部分； (b) 一個或多個傳感器； (c) 控制器； (d) 驅(qū)動源。11答：自由度的選擇與生產(chǎn)要求有關(guān)，若批量大，操作可靠性要求高，運行速度快，機(jī)器 人的自由度數(shù)可少一些；如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，機(jī)器人的自由度要多一些。 12答：輪式行走機(jī)器人是機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當(dāng)優(yōu)越的。足式行走對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力， 足式運動方式的立足點是離散的點， 可以在 可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點，而輪式行走工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有 點；足式運動方式還具有主動隔振能力， 盡管地面高低不

5、平，機(jī)身的運動仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)； 足式行走在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，能耗較少。13答：(1)左上角3X3矩陣表示新坐標(biāo)系在舊坐標(biāo)系中的旋轉(zhuǎn)方向。(2) 左上角3X3矩陣中的各列表示新坐標(biāo)系的各坐標(biāo)軸的單位矢量在舊坐標(biāo)系的各 坐標(biāo)軸上的投影；各行表示舊坐標(biāo)系的各坐標(biāo)軸的單位矢量在新坐標(biāo)系的各坐標(biāo)軸上的投 影；P表示新坐標(biāo)系相對舊坐標(biāo)系的平移量，其各分量表示平移后新坐標(biāo)系在舊坐標(biāo)系中的 矢量。、計算題1 .解：矢量u : COS a =0, COS 3 =, cos 丫 =u=00v： COS a =, COS 3 =0, COS Y = v= 00 T解：Xb方向列陣n= cos30

6、 ° coS30°COS30°0 T= 0 0TYB方向列陣o=cos12 0°COS30°COS9 0°0 T= 0 0TZj方向列陣a=0 0 1 0T坐標(biāo)系 B 的位置陣列p=2 1 01T，則動坐標(biāo)系B的4X4矩陣表達(dá)式為2.W： COS a =, COS 3 =, COS 丫 =0 w=0 0 T0.8660.5020.50.86601T00100001解：1005010201021004BneWneW 0016001600010001010710060011200013.4. 解：001001007010010003W R

7、ot(Y,90)Rot(Z,90)U1000001020001000110010721000370100230001115解： AP = Trans (5,3,6) Rot(x,90 o)B P100510000100220103001010003=20016010000105800010001000111作業(yè)-一、問答題1答： 和一般的伺服系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)相比，機(jī)器人控制系統(tǒng)有如下特點：(1) 機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)。(2) 一個簡單的機(jī)器人也至少有 35個自由度， 比較復(fù)雜的機(jī)器人有十幾個、 甚至幾十 個自由度。(3) 把多個獨立的伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來， 使其按照人的

8、意志行動， 甚至賦予機(jī)器人 一定的“智能”，這個任務(wù)只能由計算機(jī)來完成。(4) 描述機(jī)器人狀態(tài)和運動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型， 隨著狀態(tài)的不同和外方的變 化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。(5) 機(jī)器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成， 因此存在一個“最優(yōu)”的問 題?？偠灾?機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個與運動學(xué)和動力學(xué)原理密切相關(guān)的、 有耦合的、 非線 性的多變量控制系統(tǒng)。2答： 調(diào)速即速度調(diào)節(jié)或速度控制，是指通過改變電動機(jī)的參數(shù)、結(jié)構(gòu)或外加電氣量(如 供電電壓、電流的大小或者頻率)來改變電動機(jī)的速度，以滿足工作機(jī)械的要求。調(diào)速要靠 改變電動機(jī)的特性曲線來實現(xiàn)。如下圖所示，圖a中

9、工作機(jī)械即負(fù)載的特性曲線為M,通過調(diào)整裝置改變的電動機(jī)特性曲線為M、M和M，與線 M的交點分別為點1、2和3。與其相對應(yīng)的角速度為 Q 1、Q2和 Q 3，即電動機(jī)將有不同的角速度，實現(xiàn)了調(diào)速。相反，如果不改變電動機(jī)的特性，而靠改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩雖然也可以使速度變化，如下圖b所示，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 MLi增加到 M2或M3,雖然也可以使電動機(jī)速度降低，但這不是調(diào)速，而 是負(fù)載擾動，在實際使用中我們不希望出現(xiàn)這種情況，這是穩(wěn)速控制的主要問題。圖電動機(jī)速度變化的曲線a)調(diào)速時的特性曲線 b)負(fù)載變化時的特性曲線3.答：超調(diào)量；(2) 轉(zhuǎn)矩變化的時間響應(yīng)；(3) 階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間；(4) 建立時間；(5)

10、 頻帶寬度；(6) 堵轉(zhuǎn)電流。4 .答:按照偏差的比例(P， proportional) 、積分(I ， integral)、微分(D，derivative) 進(jìn)行控制的PID控制到目前仍是機(jī)器人控制的一種基本的控制算法。下圖為理想PID控制的基本形式，理想PID控制的表達(dá)式為：Kp(e 丄 edtd T 蘭)Tdt圖PlD控制的基本形式PID控制的拉普拉斯變換為：E5Kp(1T；TdS)式中，Kp為比例增益；T為積分時間；Td為微分時間；u為操作量；e為控制輸出量y和給 定值之間的偏差。5. 答：DSP的主要特點可以概括如下：(1) 哈佛結(jié)構(gòu)；(2) 用管道式設(shè)計加快執(zhí)行速度；(3) 在每一

11、時鐘周期中執(zhí)行多個操作；(4) 支持復(fù)雜的DSP編址；(5) 特殊的DSP旨令；(6) 面向寄存器和累加器；(7) 支持前、后臺處理；(8) 擁有簡便的單片內(nèi)存和內(nèi)存接口。6. 答：靈敏度、線性度、精度、重復(fù)性、分辨率、響應(yīng)時間、抗干擾能力。7. 答：機(jī)器人的位置傳感器、機(jī)器人的角度傳感器、機(jī)器人姿態(tài)傳感器。&答：力或力矩傳(力覺)感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、滑覺傳感器、視覺傳感器、 聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器。二、計算題1. 解：(0,5,3 )BT = Rot(z,90)*Rot(x,90)*Tra nsP=BTBP2. 解:1因為：Jl1s 1I1C 1l2si2l2

12、C12l2si2I2C12因此,逆雅可比為:l2C12lC 112C12l2si211 s 112 s)2因為,& J 1v ,v=1, 0T，即vx=1m/s,VY = 0,因此因此,&1&2G2l1s 2c 1l2s 2I2CI211C 112 C|2l2s1211 s 1I2 s21 rad/s=-2rad/s0.5l1s在該瞬時兩關(guān)節(jié)的位置分別為,s 1si n 1式中：S12sin( 12)L L&2=4 rad/s ;手部瞬時速度為1m/s。3.解：因為z4rad/se 1=30°,e 2=60°；速度分別為 &=-2ra

13、d/s ,0.1 , dz 0.3，得00.1500.10.15000.10000.3000000.1500.100120.15000.11007dTT0000.30105000000010.15011.05RR100.157.4rt1 HrtnewHolddT0105.300010.15, dx 0.1, dy0.15000.95000.150.40000.30000連桿轉(zhuǎn)角n偏距dn扭角n桿長an4.解：各連桿參數(shù)如下:11001122001233001 3s011c1C2S2012C2C3S3013C3C1011S11 S2C2012S22-t-S3C3013S3T2 =T3 =0100

14、010001000100010001T2 T3因為dTT ,所以dTT 100.10.10.610 0500.10.10.10.1000.500 180.10000.1000.501 030.1000000000 010000d0.1,0,0 ,0,0.1,0.1TT 1dT00.10.10.6T0.1000.50.1000.50000Ci5解:0T3 = 0Ti0Ti= Si作業(yè)三一、問答題1 答：(1)景物和距離傳感器，常用的有攝像機(jī)、CCD圖像傳感器、超聲波傳感器和結(jié)構(gòu)光設(shè)備等；(2) 視頻信號數(shù)字化設(shè)備，其任務(wù)是把攝像機(jī)或者 CCD俞出的信號轉(zhuǎn)換成方便計算和分 析的數(shù)字信號；(3) 視

15、頻信號處理器，視頻信號實時、快速、并行算法的硬件實現(xiàn)設(shè)備：如DSP系統(tǒng);(4) 計算機(jī)及其設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計算機(jī)及其外設(shè)來滿足機(jī)器人視 覺信息處理及其機(jī)器人控制的需要；(5) 機(jī)器人或機(jī)械手及其控制器。2答：預(yù)處理的主要目的是清楚原始圖像中各種噪聲等無用的信息，改進(jìn)圖像的質(zhì)量，增 強(qiáng)興趣的有用信息的可檢測性。 從而使得后面的分割、 特征抽取和識別處理得以簡化， 并提 高其可靠性。機(jī)器視覺常用的預(yù)處理包括去噪、灰度變換和銳化等。3答： 模糊邏輯控制器有 4 個基本部分組成，如下圖所示，即模糊化、知識庫、推理算法 和逆模糊化。圖 模糊邏輯控制系統(tǒng)(1) 模糊化 將檢測輸入變量值變

16、換成相應(yīng)的論域，將輸人數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的語言值。(2) 知識庫 知識庫包含應(yīng)用領(lǐng)域的知識和控制目標(biāo)，它有數(shù)據(jù)和模糊語言控制規(guī)則組 成。(3) 推理算法 推理是從一些模糊前提條件推導(dǎo)出某一結(jié)論，這種結(jié)論可能存在模糊和 確定兩種情況， 目前模糊推理有十幾種方法， 大致分為直接法和間接法兩大類。 通常把隸屬 函數(shù)的隸屬度值視為真值進(jìn)行推理的方法是直接推理法。(4) 逆模糊化 控制量可由輸出趴的隸屬度函數(shù)加權(quán)平均判決法得到。 4答：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中的作用主要有：充當(dāng)對象的模型、控制器、優(yōu)化計算環(huán)節(jié)等。 常見的控制方法有： (1) 參數(shù)估計自適應(yīng)控制方法； (2) 前饋控制方法。5答： 機(jī)器人語言與計

17、算機(jī)編程語言有著密切的關(guān)系，它也應(yīng)有一般程序計算語言所應(yīng)具 有的特性。(1) 清晰性、簡易性和一致性；(2) 程序結(jié)構(gòu)的清晰性；(3) 應(yīng)用的自然性；(4) 易擴(kuò)展性；(5) 調(diào)試和外部支持工具；(6) 效率。答： 機(jī)器人編程語言系統(tǒng)的基本動能(1) 運算功能；(2) 機(jī)器人的運動功能；(3) 機(jī)器人的決策功能；(4) 機(jī)器人的通信功能；(5) 機(jī)器人的工具功能；(6) 傳感數(shù)據(jù)處理功能。7答： 設(shè)計和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人時，應(yīng)全面考慮和均衡機(jī)器人的通用性、環(huán)境的適應(yīng)性、耐 久性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等因素。8答：完整的焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成：機(jī)器人操作機(jī)、變位機(jī)、控制器、 焊接系統(tǒng)(專用焊

18、接電源、焊槍或焊鉗等) 、焊接傳感器、中央控制計算機(jī)和相應(yīng)的安全設(shè) 備等。二、計算題1解： ABT =Trans (5,6,7 ) *Rot(x,-90)*Rot(z,-90)10051000cos(90)si n(90)000106*0cos( 90)sin( 90)0*sin (90)cos(90)0000170sin( 90)cos( 90)0001000010001000101050016100700010103或：AT =Trans (3, 7, 9)*Rot(x, -90)*Rot(z, 90)=001710090 0 0 12解:10(1)up=uTbBP=8821100U01090 ) Tb =00100011(2) UTc=Trans(20,0,0)R(Y,20 0 0 1 00 0 10 00 1