機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論作業(yè)答案

1、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(yùn)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)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或

2、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(yùn)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：

3、(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(diǎn)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(jì)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

4、) 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(yùn)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(yùn)動方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式行走工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有點(diǎn)； 足式運(yùn)動方式還具有主動隔振能力，盡管地面高低不平，機(jī)身的運(yùn)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(yùn)動速度較高，能耗較少。13.答：(1)左上角3X3

5、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(jì)算題1 解： 矢量u： cos a =0, cos”，cos Y = u=00 TV： COS a =, COS 3 =0, COS Y = v= 0 0 TW： COS a =, COS 3 =, cos 丫 =0 w= 0 0 T2解：解：Xb方向列陣n=COS30 °COS30= 0 0 TCOS3

6、00 TYB 方向列陣O=COS12 0°COS30°= 0 0 TZb方向列陣a=0 0 1 0 T坐標(biāo)系 B 的位置陣列p=2 1 0 1COS9 0° 0 TT,則動坐標(biāo)系B的4X4矩陣表達(dá)式為:3解：BneW10050102001600010.8660.5 0 20.50.8660 1T00100001010 21004001600 0 1010710060 01 1200014解：W Rot(Y，90)Rot(Z， 90)U00101010000000110001000000101000010007203702311100700310201 15解：A

7、P = Trans (5,3,6) Rot(x,90o)BP10050103001600011000010100000010010000011000022032058111作業(yè)二一、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(diǎn)：(1) 機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)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(dú)立的伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來，使其按照人的意志行動，甚至賦予機(jī)器人一定的“智能”，這個任務(wù)只能由計(jì)算機(jī)來完成。(4) 描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)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

8、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(yùn)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(shí)現(xiàn)。如下圖所示，圖 a 中工作機(jī)械即負(fù)載的特性曲線為ML， 通過調(diào)整裝置改變的電動機(jī)特性曲線為M、M2和M,與線ML的交點(diǎn)分別為點(diǎn)1、2和3。與其相對應(yīng)的角速度為Qi、Q2和Qs,即電動機(jī)將有

9、不同的角速度，實(shí)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ML2或ML3,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(shí)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：(1)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)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

10、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：1 deu Kp (e edtd T )Tdt圖PlD控制的基本形式PID控制的拉普拉斯變換為:U(s)E(s)1Kp(1 謀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(diǎn)可以概括如下：(1)哈佛結(jié)構(gòu)；(2)用管道式設(shè)計(jì)加快執(zhí)行速度；(3)在每一時鐘周期中執(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)

11、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。8 .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(jì)算題1 .解：(0,5,3 )AT = Rot(z,90)*Rot(x,90)*TransaP=AT * BPB2 .解:因?yàn)?lls 1 11c 112sl212c1212sl212c12因此,逆雅可比為:1112 s 212c1212sl211c 112c1211s 112sl2因?yàn)?v=1, 0T,即vx=1m/s,V

12、Y = 0,因此因此,&1&21112s 2c1211s 2c 112s 212cl211c 112cl212s1211s 112s121 一 八，rad/s=-2rad/s 0.5c1211s4rad/s在該瞬時兩關(guān)節(jié)的位置分別為,e 1=30° ,e 2=60° ；速度分別為 &=-2rad/s ,& =4 rad/s ;手部瞬時速度為1m/s。式中:s12L Lsin 1sin( 12)3.解：因?yàn)?.15,dx0.1, dy0.1dz0.3,0.150.150.10.10.3dT0.150.150.10.10.30.150.150.9

13、50.40.30.151.05RThnewRTHolddT0.157.45.34 .解：各連桿參數(shù)如下:連桿轉(zhuǎn)角 n偏距dn扭角n桿長an1100112200l233001 3C1S1011c1C2S2012c2C3S3013c3S1C10I1S11S2，T2 =c2012s2，2T3= s'C3013s30010001000100001000100015.解：因?yàn)閐T所以dT0.10.10.60.10.10.10.10.50.10.100.500.100.1,0,0 ，0,0.1,0.1dT0.10.10.60.10.50.10.5作業(yè)三一、問答題1.答：(1) 光設(shè)備等；景物和距離

14、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)0T3 = 0T11T22T3(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(jì)算和分 析的數(shù)字信號；DSP系統(tǒng);(3)視頻信號處理器，視頻信號實(shí)時、快速、并行算法的硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)備：如(4)計(jì)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(jì)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)

15、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)

16、中的作用主要有：充當(dāng)對象的模型、控制器、優(yōu)化計(jì)算環(huán)節(jié)等。常見的控制方法有：(1) 參數(shù)估計(jì)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(jì)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(jì)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。6答： 機(jī)器人編程語言系統(tǒng)的基本動能：(1) 運(yùn)算功能；(2) 機(jī)器人的運(yùn)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(jì)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

17、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)(專用焊接電源、焊槍或焊鉗等)、焊接傳感器、中央控制計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的安全設(shè)備等。二、計(jì)算題1 解：ABT =Trans ( 5,6,7 ) *Rot(x,-90)*Rot(z,-90)或:2.解:(1)(2)10051000cos(90)0106*0cos( 90)sin( 90)0*sin(90)00170sin( 90)cos( 90)00000100010sin(90)00cos(90)000100010105001610 0 700 0 1AT =TransUP = UTb(3, 7, 9BP =)*Rot(x, -90)*Rot(z, 90)=1020U F .一Tc =Trans(20,0,0)R(Y,90 )Tb =01 0 10