機器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 習題答案 項四通 - 第5-10章

第五章機器人控制1.請簡述機器人控制系統(tǒng)的組成，它包含哪幾個部分？一個完整的機器人控制系統(tǒng)通常由傳感器系統(tǒng)、控制器、執(zhí)行器、控制算法等組成。2.請列舉三個以上機器人的控制方式，并舉例說明它們的應(yīng)用場合。開環(huán)控制：3D打印、步進電機。閉環(huán)控制：工業(yè)機器人、無人機。自適應(yīng)控制：手術(shù)機器人、自動駕駛。3.請說明什么是點位控制和連續(xù)軌跡控制，并舉例說明它們的應(yīng)用場合。點位控制和連續(xù)軌跡控制是機器人運動控制中的兩種主要控制方式，它們的區(qū)別在于機器人如何從一個點移動到另一個點，適用于不同的應(yīng)用場合。點位控制應(yīng)用場合：搬運機器人、點焊機器人、裝配機器人。連續(xù)軌跡控制場合：噴涂機器人、雕刻機器人、弧焊機器人。4.求如圖5-31所示的由永磁式直流力矩電機驅(qū)動的單關(guān)節(jié)機械傳動系統(tǒng)電樞電壓輸入和關(guān)節(jié)角位移輸出之間的傳遞函數(shù)。電樞電路的動態(tài)可以用以下方程描述：電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以表示為：機械部分可以用以下方程描述：對上述方程聯(lián)立并進行拉普拉斯變換，假設(shè)初始條件為零，得到：整理能夠得到電樞電壓和角位移的傳遞函數(shù)。5.請描述單關(guān)節(jié)的位置偏差增益系數(shù)Kp和速度反饋增益系數(shù)Kvp的確定過程。系統(tǒng)建模：建立關(guān)節(jié)系統(tǒng)的動力學模型。位置偏差增益Kp的調(diào)整：初始設(shè)置較小的Kp，觀察系統(tǒng)響應(yīng)。逐步增大Kp，以減少穩(wěn)態(tài)誤差并提高系統(tǒng)剛度。若Kp過大，可能出現(xiàn)超調(diào)和振蕩。速度反饋增益Kvp的調(diào)整：通過增加Kvp增強系統(tǒng)阻尼，減少振蕩和超調(diào)。增大Kvp時注意系統(tǒng)響應(yīng)速度的減慢，需平衡響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。反復(fù)調(diào)試：在Kp和Kvp之間找到最佳組合，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、快速且精確。6.請為系統(tǒng)設(shè)計一個控制系統(tǒng)。選擇合適的增益，使得此系統(tǒng)總是以20的閉環(huán)穩(wěn)定度處于臨界阻尼狀態(tài)。（1）建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：將方程變?yōu)槔绽剐问剑赫淼玫剑洪]環(huán)傳遞函數(shù)為：將K=20代入求解此特征方程。7.請簡述單關(guān)節(jié)控制器的穩(wěn)態(tài)誤差。?單關(guān)節(jié)控制器的穩(wěn)態(tài)誤差?是指在系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入信號與系統(tǒng)實際輸出之間的差異。這種誤差反映了系統(tǒng)的控制精度，是衡量系統(tǒng)性能的一個重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差的大小與多個因素有關(guān)，包括輸入信號的類型、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)、以及系統(tǒng)的開環(huán)增益等。8.對于圖5-32所示的MCK系統(tǒng)，已知參數(shù):m=1，k=1，c=1。請按定點位置控制規(guī)律，選擇控制增益系數(shù)Kp和Kvp，使系統(tǒng)成為臨界阻尼系統(tǒng)，并使系統(tǒng)MCK剛度k’=16。建立系統(tǒng)方程并將已知條件代入特征方程判別式為零：求解該方程并將K=16代入求解Kp和Kvp。

第六章機器人軌跡規(guī)劃1.軌跡規(guī)劃（TrajectoryPlanning）是指為運動系統(tǒng)（如機器人、無人駕駛汽車、機械臂等）在空間中的運動生成一條符合特定要求的路徑或軌跡，使其能夠從起點移動到終點，同時滿足約束條件（如速度、加速度、時間等）和優(yōu)化目標（如最短路徑、最小能耗、平滑度等）。軌跡規(guī)劃的核心任務(wù)是確保運動系統(tǒng)安全、平穩(wěn)且高效地完成任務(wù)。軌跡規(guī)劃的方法基于幾何學的方法:主要關(guān)注運動路徑的形狀和幾何特性。常見的幾何規(guī)劃方法包括直線、圓弧、樣條曲線等?；谶\動學的方法:在考慮幾何軌跡的基礎(chǔ)上，增加了對速度和加速度等運動參數(shù)的限制。常用方法有多項式插值、B樣條插值等?；趦?yōu)化的方法:通過優(yōu)化某些目標（如最小能耗、最短時間等）來生成軌跡。常用方法包括梯度下降、遺傳算法等優(yōu)化算法?；诓蓸拥姆椒?通過在空間中隨機采樣多個點，再連接這些采樣點生成一條軌跡。典型方法有快速擴展隨機樹（RRT）、概率道路圖（PRM）等?；趯W習的方法:利用機器學習、強化學習等技術(shù)，基于歷史數(shù)據(jù)或模擬數(shù)據(jù)訓練模型，學習復(fù)雜環(huán)境下的軌跡規(guī)劃策略。2.三次多項式插補的公式通常表示為：我們需要確定多項式、、和，使其滿足以下邊界條件：初始時刻時，終止時刻時，初始時刻時速度為零，即終止時刻時速度也為零，即。最后得到該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機械手的三次多項式插補公式為：3.（1）三次多項式插值的基本公式為：邊界條件：初始位置：終止位置：初始速度：終止速度：三次多項式插值的運動軌跡：（2）拋物線過渡的線性插值可以通過將關(guān)節(jié)運動劃分為兩個階段來完成：加速段和減速段。設(shè)運動分為加速和減速兩段。為了實現(xiàn)平滑過渡，假設(shè)在秒時達到最高速度，之后開始減速。具體過程如下：階段1：加速段（）在加速段，我們可以設(shè)關(guān)節(jié)按拋物線規(guī)律加速，即：階段2：減速段（）在減速段，同樣按拋物線減速，設(shè)公式為：求解和：將這兩個方程組合在一起，使用邊界條件可以求得和最高速度，從而確定整個運動軌跡。

第七章機器人傳感1.按構(gòu)成分，分為物性型和結(jié)構(gòu)型；按輸入量分，包括位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等；按輸出量分，有模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器；按基本效應(yīng)分，可分為物理型、化學型和生物型三種傳感器；按工作原理分，有應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式傳感器等；按能量變換關(guān)系分，可分為能量變換型和能量控制型傳感器。2.內(nèi)部傳感器主要用于監(jiān)測機器人的自身狀態(tài)和性能，確保機器人能夠安全、有效地執(zhí)行任務(wù)。如溫度傳感器，能夠監(jiān)測機器人的內(nèi)部溫度，防止過熱對電子元件的損害;加速度傳感器能夠測量機器人的加速度，幫助判斷機器人是否在加速、減速或改變方向。外部傳感器用于感知機器人周圍環(huán)境，幫助機器人進行導(dǎo)航、避障和與環(huán)境交互。如屬于視覺傳感器的攝像頭，能夠捕捉視覺信息，識別對象、顏色和形狀，進行圖像處理和計算機視覺分析。如超聲波傳感器能夠通過發(fā)射超聲波并測量反射時間來檢測障礙物的距離。3.應(yīng)用機器人傳感器時應(yīng)考慮精度與準確性、環(huán)境適應(yīng)性、數(shù)據(jù)處理能力、成本和可用性、兼容性與集成等問題。4.測量機器人速度常用編碼器，測量加速度常用加速度計和陀螺儀等。5.常見的光電編碼器分為絕對式光電編碼器和增量式光電編碼器。絕對式光電編碼器是一種能夠確定位置的編碼器。它可以通過讀取絕對位置碼盤或者與光閘對應(yīng)的二進制碼盤來精確地識別位置。這種編碼器不需要移動的部件，因此比機械式編碼器更加耐用，具有較長的壽命。由于它們允許即使在斷電時也能長期保存其位置的信息，因此它們通常用于精密定位和自動化控制系統(tǒng)中。增量式光電編碼器測量輸出的是運動的相對位置。它通過讀取兩個感測器產(chǎn)生的光電信號，來測量轉(zhuǎn)子相對于固定軸的移動距離。與絕對式光電編碼器不同，增量式光電編碼器不記錄絕對位置信息。在運動過程中，它們產(chǎn)生的脈沖數(shù)通過計算可以用來確定運動的距離和速度。6.壓電傳感器，利用壓電效應(yīng)，材料在受到外力時產(chǎn)生電荷。通過測量電壓變化，可以獲得施加的力或壓力;電阻型傳感器，利用材料的電阻隨施加的壓力變化而變化。通過測量電阻變化，可以得到施加的力或壓力值。7.需要9位二進制碼來獲得1°的分辨率。

第八章機器人仿真設(shè)計一種三軸機械臂并進行MATLAB和SolidWorks聯(lián)合仿真可以幫助驗證機械臂的運動性能和控制效果。下面是設(shè)計的主要框架和思路：1.設(shè)計三軸機械臂的主要框架1.1機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計軸數(shù)：設(shè)計一個三軸機械臂，每個軸對應(yīng)一個自由度（通常為旋轉(zhuǎn)自由度）。關(guān)節(jié)配置：選擇合適的關(guān)節(jié)類型（如旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)），確保每個軸能夠在其自由度內(nèi)旋轉(zhuǎn)。連接方式：確定各軸之間的連接方式，包括連接臂、基座和末端執(zhí)行器的連接。尺寸和范圍：設(shè)定各個關(guān)節(jié)的運動范圍和機械臂的總長度，以滿足具體的工作要求。1.2運動學分析正向運動學：計算機械臂末端的位置和姿態(tài)，通過給定關(guān)節(jié)角度來確定末端執(zhí)行器的位姿。反向運動學：根據(jù)末端執(zhí)行器的目標位置和姿態(tài)，計算各個關(guān)節(jié)需要的角度。運動學模型：建立機械臂的數(shù)學模型，包括各個關(guān)節(jié)的坐標變換矩陣。1.3動力學分析動力學方程：推導(dǎo)機械臂的動力學方程，考慮關(guān)節(jié)力矩、重力、慣性等因素?？刂撇呗裕涸O(shè)計控制策略（如PID控制、魯棒控制等），用于實現(xiàn)精確的運動控制。1.4仿真與驗證SolidWorks建模：使用SolidWorks建模軟件建立三軸機械臂的三維模型，包括各個部件、連接和運動范圍。MATLAB仿真：在MATLAB中實現(xiàn)機械臂的運動學和動力學模型，通過仿真驗證機械臂的運動軌跡和控制效果。聯(lián)合仿真：將MATLAB與SolidWorks進行聯(lián)合仿真，以確保機械臂在虛擬環(huán)境中的運動表現(xiàn)與理論模型一致。2.設(shè)計思路2.1機械臂建模（1）.確定需求：明確機械臂的應(yīng)用場景、工作范圍和負載要求。（2）.選擇材料和部件：根據(jù)要求選擇適合的材料和傳動部件，如伺服電機、齒輪、聯(lián)軸器等。（3）.設(shè)計布局：繪制機械臂的草圖，確定各軸的布局和關(guān)節(jié)位置。2.2MATLAB建模（1）.建立數(shù)學模型：根據(jù)機械臂的結(jié)構(gòu)和運動學原理，建立機械臂的數(shù)學模型。（2）.編寫仿真代碼：在MATLAB中編寫運動學和動力學仿真代碼，包括正向和反向運動學的實現(xiàn)。（3）.控制算法設(shè)計：設(shè)計控制算法，實現(xiàn)對機械臂運動的精確控制。2.3SolidWorks建模（1）.繪制零件：使用SolidWorks繪制機械臂的各個零件，如基座、連桿、關(guān)節(jié)等。（2）.組裝模型：將繪制的零件組裝成完整的機械臂模型，設(shè)置各軸的運動范圍。（3）.運動仿真：在SolidWorks中進行運動仿真，檢查機械臂的運動范圍和碰撞情況。2.4聯(lián)合仿真（1）數(shù)據(jù)接口：將MATLAB的運動學和動力學模型與SolidWorks模型進行接口對接。（2）.同步仿真：進行聯(lián)合仿真，驗證MATLAB中的運動和控制算法在SolidWorks模型中的表現(xiàn)。（3）.分析結(jié)果：分析仿真結(jié)果，驗證設(shè)計的正確性，并進行必要的調(diào)整和優(yōu)化。3.總結(jié)設(shè)計三軸機械臂并進行MATLAB和SolidWorks聯(lián)合仿真，涉及機械設(shè)計、運動學分析、動力學建模、控制策略設(shè)計及仿真驗證等步驟。通過建立準確的數(shù)學模型和三維模型，并結(jié)合仿真工具，可以有效地驗證機械臂的設(shè)計和控制性能，確保機械臂能夠在實際應(yīng)用中達到預(yù)期的效果。

第九章機器人應(yīng)用1.請簡述在應(yīng)用機器人時必須考慮哪些因素。應(yīng)用機器人時必須考慮任務(wù)特定性、精度和速度、耐用性和可靠性、編程和控制系統(tǒng)、維護和修理、安全性和防護措施以及成本等多個因素。2.工業(yè)機器人能夠應(yīng)用在哪些領(lǐng)域?請舉例說明。機器人裝配、機器人噴涂、機械加工、金屬成型、汽車制造等。3.請簡述服務(wù)機器人有哪些實際應(yīng)用。服務(wù)機器人的主要應(yīng)用有提供導(dǎo)購、導(dǎo)診、講解、指引等服務(wù)的接待機器人，能夠有效降低人力成本的遞送機器人，應(yīng)用在新零售場景下為傳統(tǒng)零售行業(yè)的數(shù)字化改造賦能的新零售機器人，以及以掃地機器人為代表的家庭服務(wù)機器人等。4.請簡述達·芬奇機器人由哪幾部分組成。三部分組成：外科醫(yī)生控制臺、床旁機械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)。5.請簡述什么是特種機器人，它與工業(yè)機器人有什么區(qū)別?特種機器人用于復(fù)雜或極端環(huán)境下的任務(wù)，如軍事、救援、醫(yī)療等，具備更高的自主性和環(huán)境適應(yīng)能力。工業(yè)機器人則用于標準化生產(chǎn)流程，主要在工廠中執(zhí)行重復(fù)性工作。兩者的區(qū)別在于應(yīng)用場景、設(shè)計適應(yīng)性、自主性和制造成本不同。

第十章機器人技術(shù)變革1.查找本書介紹內(nèi)容以外的3種前沿機器人，說明它們屬于哪種類型的機器人，應(yīng)用于何種領(lǐng)域，以及它們的發(fā)展歷史。SoftBank的Pepper機器人：Pepper是一款社交機器人，專為與人類互動而設(shè)計。它具有人臉識別和語音識別能力，可以與人進行情感互動。AgilityRobotics的Digit機器人：Digit是一款雙足行走機器人，專注于物流和倉儲領(lǐng)域。它的設(shè)計兼顧了靈活性和效率，可以在復(fù)雜環(huán)境中自主行走并搬運物品。Tesla的Optimus機器人：Optimus是特斯拉正在開發(fā)的人形機器人，旨在為制造業(yè)和日常生活提供服務(wù)。它設(shè)計為能夠執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，例如工廠組裝線上的工作。醫(yī)療機器人DaVinci：DaVinci是目前全球最先進的微創(chuàng)手術(shù)機器人之一。它通過醫(yī)生遠程控制，精確執(zhí)行復(fù)雜的外科手術(shù)。2.請簡述仿生機器人的設(shè)計制造難點，試給出相應(yīng)的建議。(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜性：仿生機器人需要模擬生物的復(fù)雜關(guān)節(jié)和靈活的運動結(jié)構(gòu)，既要保持機械強度又要實現(xiàn)運動靈活性。建議通過模塊化設(shè)計，將復(fù)雜的生物運動分解為多個簡單模塊，并采用輕質(zhì)高強度材料，降低設(shè)計難度。(2)運動控制和協(xié)調(diào)：多關(guān)節(jié)機器人的運動控制和平衡實現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性，尤其在復(fù)雜環(huán)境下需要精確控制。建議利用人工智能和機器學習技術(shù)，特別是強化學習，優(yōu)化機器人的運動控制和環(huán)境適應(yīng)能力。(3)感知系統(tǒng)的復(fù)雜性：機器人需要具備多傳感器融合的感知系統(tǒng)來理解環(huán)境，難以實現(xiàn)準確的信息處理和實時響應(yīng)。建議開發(fā)更高效的傳感器，并通過多傳感器融合和決策算法，提升機器人在復(fù)雜環(huán)境中的感知與應(yīng)對能力。(4)人機交互與安全性：仿生機器人需要與人類安全協(xié)作，避免意外碰撞或危險。建議加強機器人感知和控制技術(shù)，通過使用軟材料或氣動驅(qū)動器，減小碰撞時的沖擊力，提升機器人在復(fù)雜環(huán)境中的交互和安全性能。3.請簡述微納機器人的種類以及可能應(yīng)用的領(lǐng)域。納米粒子機器人：利用化學