课后习题作业(机器人)

机器人课后作业1、智能机器人的含义是什么？答：智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。由此也可知，智能机器人至少要具备三个要素：感觉要素，运动要素和思考要素。2、直流电机的额定值有哪些？答：直流电动机的额定值有以下几项：(1)额定功率，是指按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机来说，额定功率是指轴上输出的机械功率，单位为kW。(2)额定电压，是电动机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V。(3)额定电流，是指电动机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A。(4)额定转速，指电动机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电动机的旋转速度，单位为r/min。3、机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？答：(1)景物和距离传感器，常用的有摄像机、CCD图像传感器、超声波传感器和结构光设备等；(2)视频信号数字化设备，其任务是把摄像机或者CCD输出的信号转换成方便计算和分析的数字信号；(3)视频信号处理器，视频信号实时、快速、并行算法的硬件实现设备：如DSP系统；(4)计算机及其设备，根据系统的需要可以选用不同的计算机及其外设来满足机器人视觉信息处理及其机器人控制的需要；(5)机器人或机械手及其控制器。4、简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。答：模糊逻辑控制器由4个基本部分组成，即模糊化、知识库、推理算法和逆模糊化。(1)模糊化：将检测输入变量值变换成相应的论域，将输入数据转换成合适的语言值。(2)知识库：包含应用领域的知识和控制目标，它由数据和模糊语言控制规则组成。(3)推理算法：从一些模糊前提条件推导出某一结论，这种结论可能存在模糊和确定两种情况。(4)逆模糊化：将推理所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，作为系统的输入值。5、试述机器人滑模变结构控制的基本原理。答：滑模变结构控制的原理，是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。6、机器人轨迹控制过程如图所示。试列出各步的主要内容。答：（1）通过示教过程得到机器人轨迹上特征点的位姿。对于直线需要得到起始点和终点，对于圆弧需要得到弧上三点；（2）根据轨迹特征（直线/园弧/其它）和插补策略（定时/定距/其它）进行相应的插补运算，求出该插补点的位姿值；（3）根据机器人逆运动学原理，求出手臂解，即对应于插补点位姿的全部关节角(1,…,n)；（4）以求出的关节角为相应关节位置控制系统的设定值，分别控制n个关节驱动电机；（5）和关节驱动电机同轴连接的光轴编码器给出该关节当前实际位置值，进行反馈，位置控制系统根据此位置误差（设定值—反馈值）实施控制以消除误差，使机器人达到所要求的位姿。7、对（工业）机器人进行位置和力的控制时，试比较关节空间控制器设计和操作空间控制器设计的不同点，并画出一个机器人单关节的关节空间控制器和操作空间控制器的控制系统框图。答：关节空间控制器再输入与反馈的时候无正解与反解，而操作空间控制器输入与反馈时要有正解与反解，如下图所示。画出一个机器人单关节的关节空间控制器和操作空间控制器的控制系统框图如下8、以多自由度工业机器人为例，分析讨论机器人的控制：（1）分析讨论工业机器人的位置控制、速度控制、加速度控制和力控制的特点及其区别；答：位置控制：工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的运动，最终保证工业机器人终端(手爪)沿预定的轨迹运行。这类运动控制的特点是连续控制工业机器人手爪(或工具)的位姿轨迹。一般要求速度可控、轨迹光滑且运动平稳。轨迹控制的技术指标是轨迹精度和平稳性。速度控制:意味着各个关节马达的运动联合进行，并以不同的速度同时运行以保证夹手沿着笛卡尔坐标轴稳定运动。分解运动速度控制先把期望的夹手运动分解为各个关节的期望速度，然后对各个关节实行速度伺服控制。加速度控制:分解运动加速度控制首先计算出工具的控制加速度，然后把它分解为相应的各个关节加速度，再按照动力学方程计算出控制力矩。力控制:除了在一些自由度方向进行位置控制外，还需要在另一些自由度方向进行力控制。（2）给出操作空间及驱动空间的单个关节的机器人控制框图，并说明其控制过程。答：机器人控制器的控制结构形式，常见的有：集中控制、分散控制和递阶控制等。如图表示PUMA机器人两级递阶控制的结构图。机器人控制系统以机器人作为控制对象，它的设计方法及参数选择，仍可参照一般计算机/嵌入式控制系统。现有的工业机器人大多采用独立关节的PID控制。如图所示PUMA机器人的控制结构即为一典型。由于独立关节PID控制未考虑被控对象（机器人）的非线性及关节间的耦合作用，因而控制精度和速度的提高受到限制。斯坦福机械手具有反馈控制，其一个关节控制方框图如图所示。从图可见，它有个光学编码器，与测速发电机一起组成位置和速度反馈。这种工业机器人是一种定位装置，它的每个关节都有一个位置控制系统。要提高响应速度，通常是要提高系统的增益以及由电动机传动轴速度负反馈把某些阻尼引入系统，以加强反电势的作用。要做到这一点，可以采用测速发电机，或者计算一定时间间隔内传动轴角位移的差值。传递函数：要提高响应速度，通常是要提高系统的增益以及由电动机传动轴速度负反馈把某些阻尼引入系统，以加强反电势的作用。要做到这一点，可以采用测速发电机，或者计算一定时间间隔内传动轴角位移的差值。由于机器人机械手是通过工具进行操作作业的，所以其末端工具的动态性能将直接影响操作质量。又因末端的运动是所有关节运动的复杂函数，因此，即使每个关节的动态性能可行，而末端的动态性能则未必能满足要求。（3）比较关节空间控制器设计和操作空间控制器设计的不同点。答：操作空间控制器设计涉及运动学的正、反解。9、写出齐次变换矩阵TAB，它表示相对固定坐标系{A}作以下变换：（a）绕zA轴转900；（b）再绕xA轴转–900；（c）最后作移动(3,7,9)T。解：=ransotABHT（3,7,9）Rot（X,90）R（Z,90）=100001000001001010000010010000011000910070103001=10000100000100101000901071003001=100090017100301010、写出齐次变换矩阵TAB，它表示相对运动坐标系{B}作以下变换：（a）移动(3,7,9)T；（b）再绕xB轴转–900；（c）绕zB轴转900。答：ABH=Trans（3，7，9）Rot（X，90̊）Rot（Z，90̊）=100001000001001010000010010000011000910070103001=10009001710030101000010000010010100090107100300111、求下面齐次变换1000000121001010的逆变换T-1。100-101001T==0-10200010001xyzxyzxyznnnpnooopoaaapa12、如图所示为二自由度机械手，已知各杆长度分别为d1，d2。（1）进行机器人运动学分析的步骤有那些？结合如图所示的二自由度机械手，通过建立坐标系及坐标变换矩阵0T1，1T2等，求出机械手末端O3点的位置和速度方程；题21图二连杆机械手（2）求解该机器人的运动学反解。答：（1）建立坐标系，确定连杆参数，写出各齐次矩阵，写运动学方程由题意已知，则：10T=1111000000100001cssc,21T=221220d0000100001cssc02T=10T21T=121212211121121212110d0d00100001ccsscscsccscsccsss（2）如图1示逆运动学有两组可能的解。第一组解：由几何关系得11212dcosdcosx（1）11212dsindsiny（2）（1）式平方加（2）式平方得222212122dd2ddcosxy222212212ddarccos2ddxy221122dsinarctanarctanddcosyx第二组解：由余弦定理，22221212ddarccos2ddxy2'1'arctan2yx