1、機器人學(xué)導(dǎo)論作業(yè)答案作業(yè)一一、問答題1答： 機器人的主要應(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)機器人（英語：industrialrobot 。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(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(wù)。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

2、具有控制編碼或其他符號指令規(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(xué)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(chǔ)內(nèi)容有以下幾方面：(1) 空間機構(gòu)學(xué)；(2) 機器人運動學(xué)；(3) 機器人靜力學(xué)；(4) 機器人動力學(xué)；(5) 機器人控制技術(shù)；(6) 機器人傳感器；(7) 機器人語言。5答： 按

3、幾何結(jié)構(gòu)分：(1) 直角坐標(biāo)式機器人；(2) 圓柱坐標(biāo)式機器人；(3) 球面坐標(biāo)式機器人；(4) 關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)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(yīng)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(shè)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

4、多個傳感器；(c)控制器； (d)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(yīng)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(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(dāng)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

5、耗較少。13答：（ 1） 左上角 3×3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 3×3 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。二、計算題1解： 矢量u：cos=0，cos=，cos=u=00Tv：cos=，cos=0，cos=v= 00Tw：cos=，cos=，cos=0= 00Tw2解： XB方向列陣n=cos30 ° co s30°cos30

6、6;0 T=00TYB 方向列陣o=cos12 0°cos30° cos9 0° 0 T=00TB 方向列陣=001 0TZa坐標(biāo)系 B 的位置陣列p=2 10 1T，則動坐標(biāo)系 B 的 4×4矩陣表達式為：0.8660.502T0.50.86601001000013解：10050102Bnew010210040016001600010001010710060011200014解：001001007W， U010010003Rot(Y 90)Rot( Z 90)1000001020001000110010721000370100230001115解： A

7、 P = Trans(5,3,6) Rot(x,90 o)B P100510000100220103001010003=2=0160100001058000010001000111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(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)。(2)一個簡單的機器人也至少有35 個自由度， 比較復(fù)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(wù)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(xué)模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài)的不同和

8、外方的變化，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。總而言之， 機器人控制系統(tǒng)是一個與運動學(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M1、 M2 和M3，與線ML 的交點分別為點1、 2和3。與其相對應(yīng)的角速度為1、 2

9、和 3，即電動機將有不同的角速度，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 ML1 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(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， d

10、erivative)進行控制的 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：u1deK p (eedtd T )Tidt圖 PlD控制的基本形式PID 控制的拉普拉斯變換為：U ( s)1K p (1Td s)E( s)Ti s式中， KP 為比例增益； Ti 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(shè)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(fù)雜的 DSP編址；(5)特殊的 DSP指

11、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)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：ABT = Rot(z,90)*Rot(x,90)*Trans（ 0,5,3 ）AP= ABT * BP2解：l1s 1l2 s12l 2s12因為： Jl2c12l 2c12l1c 1因此，逆雅可比為：J11l 2c12l2 s12l1l2

12、 s 2l1c 1 l 2c12l1s 1l2 s12因為， & J 1v ，且 v=1, 0T，即 vX=1m/s ， vY=0，因此&1l2 c12l 2 s1211&l1l 2s 2 l1c 1 l2 c12l1s 1 l 2 s1202&c121rad/s=-2rad/s1l1s 20.5&c 1c124rad/s2l2sl1s22因此，在該瞬時兩關(guān)節(jié)的位置分別為，1=30°， 2=60°；速度分別為 &1=-2rad/s ，&2 =4 rad/s ；手部瞬時速度為1m/s。s 1sin式中： s12sin(L

13、 L112 )3解： 因為z0.15 ， dx0.1， dy0.1， dz0.3 ，得00.1500.10.15000.10000.3000000.1500.100120.15000.95dT0.15000.11007000.150.4T000.301050000.300000000100000.15011.05RTH newRTHold100.157.4dT105.3000014解： 各連桿參數(shù)如下：連桿轉(zhuǎn)角 n偏距 d n扭角 n桿長 an1100l12200l 23300l 3c1s10l1c1c2s20l 2c2c3s30l3 c30T1 =s1c10l1 s1 , 1T2 =s2c2

14、0l 2s2 , 2T3 =s3c30l3 s30010001000100001000100010T3 = 0T1 1T2 2T35解： 因為 dTT ，所以dTT 100.10.10.6100500.10.10.10.1000.500180.10000.1000.501030.1000000000010000d0.1，0，0，0，0.1，0.1TT 1dTT00.10.10.60.1000.50.1000.50000作業(yè)三一、問答題1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

15、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的需要；(5) 機器人或機械手及其控制器。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(yù)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

16、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)中的作用主要有：充當(dāng)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(yīng)控制方法；(2)前饋控制方法。

17、5答： 機器人語言與計算機編程語言有著密切的關(guān)系，它也應(yīng)有一般程序計算語言所應(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(shè)計和應(yīng)用工業(yè)機器人時，應(yīng)全面考慮和均衡機器人的通用性、環(huán)境的適應(yīng)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

18、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(yīng)的安全設(shè)備等。二、計算題1解： ABT =Trans （5,6,7 ） *Rot(x,-90)*Rot(z,-90)10051000cos(90)sin(90)0001060cos( 90)sin( 90)0sin(90)cos(90)00=01*0sin( 90)cos( 90)0*01007000010001000101050016=007100010103或： BAT =Trans （ 3, 7, 90017） *Rot(x, -90)*Rot(z, 90)=009100012解：0101038（1）UP=UTB100528B P =0111=02000111100200010（ 2） U TC =Trans(20,0,0)R(Y,90 )UTB=0