課后習(xí)題作業(yè)機器人

1、機器人課后作業(yè)1、智能機器人的含義是什么？答：智能機器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受器外，它還有效應(yīng)器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動機，它們使手、腳、長鼻子、觸角等動起來。由此也可知，智能機器人至少要具備三個要素：感覺要素，運動要素和思考要素。2、直流電機的額定值有哪些？答：直流電動機的額定值有以下幾項：(1)額定功率，是指按照規(guī)定的工作方式運行時所能提供的輸出功率。對電動機來說，額定功率是指軸上輸出的機械功率，單位為kW。(2)額定電壓，是電動機電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V。(3)額定電流

2、，是指電動機按照規(guī)定的工作方式運行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A。(4)額定轉(zhuǎn)速，指電動機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電動機的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。3、機器人視覺的硬件系統(tǒng)由哪些部分組成？答：(1) 景物和距離傳感器，常用的有攝像機、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)是把攝像機或者CCD輸出的信號轉(zhuǎn)換成方便計算和分析的數(shù)字信號；(3) 視頻信號處理器，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) 計算機及其設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計算機及其外設(shè)來滿足機器人視覺信息處理及其機器人控制

3、的需要；(5) 機器人或機械手及其控制器。4、簡述模糊控制器的組成及各組成部分的用途。答：模糊邏輯控制器由4個基本部分組成，即模糊化、知識庫、推理算法和逆模糊化。(1) 模糊化：將檢測輸入變量值變換成相應(yīng)的論域，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的語言值。(2) 知識庫：包含應(yīng)用領(lǐng)域的知識和控制目標(biāo)，它由數(shù)據(jù)和模糊語言控制規(guī)則組成。(3) 推理算法：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。(4) 逆模糊化：將推理所得到的模糊值轉(zhuǎn)換為明確的控制訊號，作為系統(tǒng)的輸入值。5、試述機器人滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理。答：滑模變結(jié)構(gòu)控制的原理，是根據(jù)系統(tǒng)所期望的動態(tài)特性來設(shè)計系統(tǒng)的切換超平面

4、，通過滑動模態(tài)控制器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向切換超平面收束。系統(tǒng)一旦到達(dá)切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超平面到達(dá)系統(tǒng)原點，這一沿切換超平面向原點滑動的過程稱為滑?？刂啤?、機器人軌跡控制過程如圖所示。試列出各步的主要內(nèi)容。答：（1）通過示教過程得到機器人軌跡上特征點的位姿。對于直線需要得到起始點和終點，對于圓弧需要得到弧上三點； （2）根據(jù)軌跡特征（直線/園弧/其它）和插補策略（定時/定距/其它）進行相應(yīng)的插補運算，求出該插補點的位姿值； （3）根據(jù)機器人逆運動學(xué)原理，求出手臂解，即對應(yīng)于插補點位姿的全部關(guān)節(jié)角(q1, , qn)； （4）以求出的關(guān)節(jié)角為相應(yīng)關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)的設(shè)定值，分

5、別控制n個關(guān)節(jié)驅(qū)動電機； （5）和關(guān)節(jié)驅(qū)動電機同軸連接的光軸編碼器給出該關(guān)節(jié)當(dāng)前實際位置值，進行反饋，位置控制系統(tǒng)根據(jù)此位置誤差（設(shè)定值反饋值）實施控制以消除誤差，使機器人達(dá)到所要求的位姿。7、對（工業(yè)）機器人進行位置和力的控制時，試比較關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計和操作空間控制器設(shè)計的不同點，并畫出一個機器人單關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間控制器和操作空間控制器的控制系統(tǒng)框圖。答：關(guān)節(jié)空間控制器再輸入與反饋的時候無正解與反解，而操作空間控制器輸入與反饋時要有正解與反解，如下圖所示。  畫出一個機器人單關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間控制器和操作空間控制器的控制系統(tǒng)框圖如下 8、以多自由度工業(yè)機器人為例，分析討論機器

6、人的控制：（1）分析討論工業(yè)機器人的位置控制、速度控制、加速度控制和力控制的特點及其區(qū)別；答：位置控制：工業(yè)機器人位置控制的目的，就是要使機器人各關(guān)節(jié)實現(xiàn)預(yù)先所規(guī)劃的運動，最終保證工業(yè)機器人終端(手爪)沿預(yù)定的軌跡運行。這類運動控制的特點是連續(xù)控制工業(yè)機器人手爪(或工具)的位姿軌跡。一般要求速度可控、軌跡光滑且運動平穩(wěn)。軌跡控制的技術(shù)指標(biāo)是軌跡精度和平穩(wěn)性。速度控制:意味著各個關(guān)節(jié)馬達(dá)的運動聯(lián)合進行，并以不同的速度同時運行以保證夾手沿著笛卡爾坐標(biāo)軸穩(wěn)定運動。分解運動速度控制先把期望的夾手運動分解為各個關(guān)節(jié)的期望速度，然后對各個關(guān)節(jié)實行速度伺服控制。加速度控制:分解運動加速度控制首先計算出工具的

7、控制加速度，然后把它分解為相應(yīng)的各個關(guān)節(jié)加速度，再按照動力學(xué)方程計算出控制力矩。力控制:除了在一些自由度方向進行位置控制外，還需要在另一些自由度方向進行力控制。（2）給出操作空間及驅(qū)動空間的單個關(guān)節(jié)的機器人控制框圖，并說明其控制過程。答：機器人控制器的控制結(jié)構(gòu)形式，常見的有：集中控制、分散控制和遞階控制等。如圖表示PUMA機器人兩級遞階控制的結(jié)構(gòu)圖。機器人控制系統(tǒng)以機器人作為控制對象，它的設(shè)計方法及參數(shù)選擇，仍可參照一般計算機/嵌入式控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的工業(yè)機器人大多采用獨立關(guān)節(jié)的PID控制。如圖所示PUMA機器人的控制結(jié)構(gòu)即為一典型。由于獨立關(guān)節(jié)PID控制未考慮被控對象（機器人）的非線性及關(guān)節(jié)間

8、的耦合作用，因而控制精度和速度的提高受到限制。斯坦福機械手具有反饋控制，其一個關(guān)節(jié)控制方框圖如圖所示。從圖可見，它有個光學(xué)編碼器，與測速發(fā)電機一起組成位置和速度反饋。這種工業(yè)機器人是一種定位裝置，它的每個關(guān)節(jié)都有一個位置控制系統(tǒng)。要提高響應(yīng)速度，通常是要提高系統(tǒng)的增益以及由電動機傳動軸速度負(fù)反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強反電勢的作用。要做到這一點，可以采用測速發(fā)電機，或者計算一定時間間隔內(nèi)傳動軸角位移的差值。傳遞函數(shù)： 要提高響應(yīng)速度，通常是要提高系統(tǒng)的增益以及由電動機傳動軸速度負(fù)反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強反電勢的作用。要做到這一點，可以采用測速發(fā)電機，或者計算一定時間間隔內(nèi)傳動軸角位移的

9、差值。由于機器人機械手是通過工具進行操作作業(yè)的，所以其末端工具的動態(tài)性能將直接影響操作質(zhì)量。又因末端的運動是所有關(guān)節(jié)運動的復(fù)雜函數(shù)，因此，即使每個關(guān)節(jié)的動態(tài)性能可行，而末端的動態(tài)性能則未必能滿足要求。（3）比較關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計和操作空間控制器設(shè)計的不同點。答：操作空間控制器設(shè)計涉及運動學(xué)的正、反解。9、寫出齊次變換矩陣，它表示相對固定坐標(biāo)系A(chǔ)作以下變換：（a）繞zA軸轉(zhuǎn)900； （b）再繞xA軸轉(zhuǎn)900； （c）最后作移動(3,7,9)T。解： = 10、寫出齊次變換矩陣，它表示相對運動坐標(biāo)系B作以下變換：（a）移動(3,7,9)T； （b）再繞xB軸轉(zhuǎn)900； （c）繞zB軸轉(zhuǎn)900。答：=Trans（3，7，9）Rot（X，90）Rot（Z，90）= 11、求下面齊次變換題21圖 二連桿機械手的逆變換T-1。12、如圖所示為二自由度機械手，已知各桿長度分別為d1，d2。 （1）進行機器人運動學(xué)分析的步驟有那些？結(jié)合如圖所示的二自由度機械手，通過建立坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換矩陣0T