機(jī)器人技術(shù)導(dǎo)論課后習(xí)題答案

1、課后習(xí)題1智能機(jī)器人的含義是什么？答：智能機(jī)器人之所以叫智能機(jī)器人，這是因?yàn)樗邢喈?dāng)發(fā)達(dá)的 大腦”在腦中起作用的是中央計(jì)算機(jī)這種計(jì)算機(jī)跟操作它的人有直接的聯(lián)系。最主要的是，這樣的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行按目的安排的動作。正 因?yàn)檫@樣，我們才說這種機(jī)器人才是真正的機(jī)器人，盡管它們的外表可能有所不同。2、 直流電機(jī)的額定值有哪些？答：型號、額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、勵磁方式、勵磁電壓、勵磁電流、定額、絕 緣等級、額定溫升。3、 機(jī)器人視覺的硬件系統(tǒng)由哪些部分組成？答：光源：用于表現(xiàn)特征光源控制器：用于給光源供電鏡頭：用于成像延長管：用于改變像距相機(jī)：用于物理圖像到電子信號的轉(zhuǎn)換采集卡：用于將相

2、機(jī)中的電子信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、智能相機(jī)等：用于分析圖像機(jī)器視覺軟件：用于處理圖像，得到所以需要數(shù)據(jù)結(jié)果運(yùn)動控制：用于控制氣缸、機(jī)械手、馬達(dá)等運(yùn)動，以完成機(jī)器的功能傳感器：位置傳感器、存在傳感器、安全傳感器，用于判斷產(chǎn)品有沒有、到位否之類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

3、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(jī)器人滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理。答：滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一種控制策略。這種控制策略與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時間變化的開關(guān)特性。該控制特性可以迫使系統(tǒng)在一定特性下沿 規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅度、高頻率的上下運(yùn)動，即所謂的“滑動模態(tài)”或“滑?！边\(yùn)動。這種滑動模態(tài)是 可以設(shè)計(jì)的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動無關(guān)。這樣，處于滑模運(yùn)動的系統(tǒng)就具有很好的魯棒性。6、 機(jī)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(jī)器人軌跡上特征點(diǎn)的位姿。

4、對于直線需要得到起始點(diǎn)和終點(diǎn)，對于圓弧 需要得到弧上三點(diǎn)；2） 根據(jù)軌跡特征（直線/園弧/其它）和插補(bǔ)策略（定時 /定距/其它）進(jìn)行相應(yīng)的插補(bǔ)運(yùn)算，求出該插 補(bǔ)點(diǎn)的位姿值；3） 根據(jù)機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)原理，求出手臂解，即對應(yīng)于插補(bǔ)點(diǎn)位姿的全部關(guān)節(jié)角 （；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，分別控制 n個關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)；5）和關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)同軸連接的光軸編碼器給出該關(guān)節(jié)當(dāng)前實(shí)際位置值，進(jìn)行反饋，位置控制系統(tǒng)根 據(jù)此位置誤差（設(shè)定值一反饋值）實(shí)施控制以消除誤差，使機(jī)器人達(dá)到所要求的位姿。7、對（工業(yè)）機(jī)器人進(jìn)行位置和力的控制時，試比較關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計(jì)和操作空間控制器設(shè)計(jì)的不同 點(diǎn)，并畫出

5、一個機(jī)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：操作空間控制器設(shè)計(jì)時，是通過關(guān)節(jié)位置確定各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角，必須先求出運(yùn)動方程的正解，進(jìn) 行空間運(yùn)動后，再求出運(yùn)動方程的反解。而關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計(jì)是直接針對旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行的，不需要對運(yùn)動 方程求正解和反解。單關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間控制器控制系統(tǒng)框圖：控制器控制器放大器放大器驅(qū)動器機(jī)器人單關(guān)節(jié)操作空間控制器的控制系統(tǒng)框圖:反解8、以多自由度工業(yè)機(jī)器人為例，分析討論機(jī)器人的控制：（1） 分析討論工業(yè)機(jī)器人的位置控制、速度控制、加速度控制和力控制的特點(diǎn)及其區(qū)別；（2） 給出操作空間及驅(qū)動空間的單個關(guān)節(jié)的機(jī)器人控制框圖，并說明其控制過程。（3） 比較

6、關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計(jì)和操作空間控制器設(shè)計(jì)的不同點(diǎn)。答：（1）位置控制：工業(yè)機(jī)器人位置控制的目的，就是要使機(jī)器人各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)先所規(guī)劃的運(yùn)動，最終保證工業(yè)機(jī)器人終端（手爪）沿預(yù)定的軌跡運(yùn)行。這類運(yùn)動控制的特點(diǎn)是連續(xù)控制工業(yè)機(jī)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(yùn)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(yùn)動聯(lián)合進(jìn)行，并以不同的速度同時運(yùn)行以保證夾手沿著笛卡爾坐標(biāo)軸穩(wěn)定運(yùn) 動。分解運(yùn)動速度控制先把期望的夾手運(yùn)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(shí)行速度伺服控 制。加速度控制分解運(yùn)動加速度控制首先計(jì)算出工具的控制加速度，然后把它分解為相應(yīng)的

7、各個關(guān)節(jié)加速 度，再按照動力學(xué)方程計(jì)算出控制力矩。力控制除了在一些自由度方向進(jìn)行位置控制外，還需要在另一些 自由度方向進(jìn)行力控制。（2）機(jī)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(jī)器人兩級遞階控制的結(jié)構(gòu)圖。t LSI- 1 J /I z 4 PUN4 A 機(jī)手T機(jī)器人控制系統(tǒng)以機(jī)器人作為控制對象， 它的設(shè)計(jì)方法及參數(shù)選擇， 仍可參照一般計(jì)算機(jī)/嵌入式控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人大多采用獨(dú)立關(guān)節(jié)的 PID控制。如圖所示PUMA機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)即為一典型。由于獨(dú)立關(guān)節(jié)PID控制未考慮被控對象(機(jī)器人)的非線性及關(guān)節(jié)間的耦合作用，因而控制精度和速度的 提高受

8、到限制。斯坦福機(jī)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(jī)一起組成位置和速度反饋。這種工業(yè)機(jī)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(jī)傳動軸速度負(fù)反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以 加強(qiáng)反電勢的作用。要做到這一點(diǎn)，可以采用測速發(fā)電機(jī)，或者計(jì)算一定時間間隔內(nèi)傳動軸角位移的差值。 傳遞函數(shù)：色=X；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(jī)傳動軸速度負(fù)反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以 加強(qiáng)反電勢的作用。 要做到這一點(diǎn)，可以采用測速發(fā)電機(jī)， 或者計(jì)算一定時間間隔內(nèi)傳動軸角位移的差值。 由于機(jī)器人

9、機(jī)械手是通過工具進(jìn)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(yùn)動是所有關(guān)節(jié)運(yùn)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 )操作空間控制器設(shè)計(jì)時，是通過關(guān)節(jié)位置確定各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角，必須先求出運(yùn)動方程的正解， 進(jìn)行空間運(yùn)動后，再求出運(yùn)動方程的反解。而關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計(jì)是直接針對旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行的，不需要對運(yùn) 動方程求正解和反解。9、寫出齊次變換矩陣AT，它表示相對固定坐標(biāo)系A(chǔ)作以下變換：(a)繞Za軸轉(zhuǎn)90; ( b)再繞Xa軸轉(zhuǎn)-900; (c)最后作移動(3,7,9)T。答:_100311001) F =0107100-1 1

10、|001g1 101000010000-1031二Q10-i711100910001曠0-10曠00010000100.11001:100I010001000110、寫出齊次變換矩陣 AT，它表示相對運(yùn)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) 0; （c）繞 Zb 軸轉(zhuǎn) 90。答：00300曠-100000_1)Fy =01071|100-10.1100001000019010010010100I000010001000100010 -1 0 3=| -1 ?|I 1 0 0 9II0 0 0 111、求下面齊次變換0 10-10 0-12 -10 0 0 0 0 0 1 一的逆變換T-1。0 0-1010 0 1答：0-102衛(wèi) 0 0 1 一12、如圖所示為二自由度機(jī)械手，已知各桿長度分別為 d1，d2。（1）進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析的步驟有那些？結(jié)合如圖所示的二自由度 機(jī)械手，通