機器人學導論作業(yè)答案

1、作業(yè)一一、問答題1 答：機器人的主要應用場合有：(1) 惡劣的工作環(huán)境和危險工作；(2) 在特殊作業(yè)場合進行極限作業(yè)；(3) 自動化生產(chǎn)領域；(4) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；(5) 軍事應用。2.答：工業(yè)機器人(英語：industrial robot。簡稱IR)是廣泛適用的能夠自主動作，且多軸聯(lián)動的機械設備。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)。它們通常配備有機械手、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。數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。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，從而使機床動作并加工零件。3答：科幻作家阿西莫夫機器人三原則：(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自身。我國科學家對機器人的定義是： “機器人是一種自動化的機器， 所不同的是這種機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器。4答：機器人研究的基礎內(nèi)容有以下幾方面：(1) 空間機構(gòu)學；(2) 機器人運動學；(3) 機器人靜力學；(4) 機器人動力學；(5) 機器人控制技術；(6) 機器人傳感器；(7) 機器人語言。5答：按幾何結(jié)構(gòu)分：

3、(1) 直角坐標式機器人；(2) 圓柱坐標式機器人；(3) 球面坐標式機器人；(4) 關節(jié)式球面坐標機器人。6答：通常由四個相互作用的部分組成：執(zhí)行機構(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：機器人的主要特點有通用性、適應性。決定通用性有兩方面因素：機器人自由度；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以分為夾持類和吸附類兩大類。10答：(a) 機械部分；(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，若批量大，操作可靠性要求高，運行速度快，機器人的自由度數(shù)可少一些；如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，機器人的自由度要多一些。12答：輪式行走機器人是機器人中應用最多的一種機器人，在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當優(yōu)越的。足式行走對崎嶇路面具有很好的適應能力，足式運動方式的立足點是離散的點，可以在可能到達的地面上選擇最優(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，盡管地面高低不平，機身的運動仍然可以相當平穩(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

5、矩陣表示新坐標系在舊坐標系中的旋轉(zhuǎn)方向。(2)左上角3X3矩陣中的各列表示新坐標系的各坐標軸的單位矢量在舊坐標系的各坐標軸上的投影；各行表示舊坐標系的各坐標軸的單位矢量在新坐標系的各坐標軸上的投影；P表示新坐標系相對舊坐標系的平移量，其各分量表示平移后新坐標系在舊坐標系中的矢量。、計算題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坐標系 B 的位置陣列p=2 1 0 1COS9 0° 0 TT,則動坐標系B的4X4矩陣表達式為: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，機器人控制系統(tǒng)有如下特點：(1) 機器人的控制與機構(gòu)運動學及動力學密切相關。(2) 一個簡單的機器人也至少有35 個自由度，比較復雜的機器人有十幾個、甚至幾十個自由度。(3) 把多個獨立的伺服系統(tǒng)有機地協(xié)調(diào)起來，使其按照人的意志行動，甚至賦予機器人一定的“智能”，這個任務只能由計算機來完成。(4) 描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學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?，機器人控制系統(tǒng)是一個與運動學和動力學原理密切相關的、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)來改變電動機的速度，以滿足工作機械的要求。調(diào)速要靠改變電動機的特性曲線來實現(xiàn)。如下圖所示，圖 a 中工作機械即負載的特性曲線為ML， 通過調(diào)整裝置改變的電動機特性曲線為M、M2和M,與線ML的交點分別為點1、2和3。與其相對應的角速度為Qi、Q2和Qs,即電動機將有

9、不同的角速度，實現(xiàn)了調(diào)速。相反，如果不改變電動機的特性，而靠改變負載轉(zhuǎn)矩雖然也可以使速度變化，如下圖b所示，負載轉(zhuǎn)矩由MLi增加到ML2或ML3,雖然也可以使電動機速度降低，但這不是調(diào)速，而是負載擾動，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。圖電動機速度變化的曲線a)調(diào)速時的特性曲線 b)負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；(3)階躍輸入的轉(zhuǎn)速響應時間；(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) 進行控制的

10、PID控制到目前仍是機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的主要特點可以概括如下：(1)哈佛結(jié)構(gòu)；(2)用管道式設計加快執(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、重復性、分辨率、響應時間、抗干擾能力。7 .答：機器人的位置傳感器、機器人的角度傳感器、機器人姿態(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、計算題1 .解：(0,5,3 )AT = Rot(z,90)*Rot(x,90)*TransaP=AT * BPB2 .解:因為:lls 1 11c 112sl212c1212sl212c12因此,逆雅可比為:1112 s 212c1212sl211c 112c1211s 112sl2因為,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：因為0.15,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：因為dT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) 光設備等；景物和距離

14、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)0T3 = 0T11T22T3(2)視頻信號數(shù)字化設備，其任務是把攝像機或者 CCD俞出的信號轉(zhuǎn)換成方便計算和分 析的數(shù)字信號；DSP系統(tǒng);(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)設備：如(4)計算機及其設備，根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計算機及其外設來滿足機器人視 覺信息處理及其機器人控制的需要；(5)機器人或機械手及其控制器。2.答：預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，改進圖像的質(zhì)量，增強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。機器視覺常用的預

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用領域的知識和控制目標，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)絡在控制系統(tǒng)

16、中的作用主要有：充當對象的模型、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)估計自適應控制方法；(2) 前饋控制方法。5答：機器人語言與計算機編程語言有著密切的關系，它也應有一般程序計算語言所應具有的特性。(1) 清晰性、簡易性和一致性；(2) 程序結(jié)構(gòu)的清晰性；(3) 應用的自然性；(4) 易擴展性；(5) 調(diào)試和外部支持工具；(6) 效率。6答： 機器人編程語言系統(tǒng)的基本動能：(1) 運算功能；(2) 機器人的運動功能；(3) 機器人的決策功能；(4) 機器人的通信功能；(5) 機器人的工具功能；(6) 傳感數(shù)據(jù)處理功能。7答：設計和應用工業(yè)機器人時，應全面考慮和均衡機器人的通用

17、性、環(huán)境的適應性、耐久性、可靠性和經(jīng)濟性等因素。8答：完整的焊接機器人系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成：機器人操作機、變位機、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、中央控制計算機和相應的安全設備等。二、計算題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