機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論作業(yè)答案

1、機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論作業(yè)答案作業(yè)一一、問答題1答：機(jī)器人的主要應(yīng)用場(chǎng)合有：(1) 惡劣的工作環(huán)境和危險(xiǎn)工作；(2) 在特殊作業(yè)場(chǎng)合進(jìn)行極限作業(yè)；(3) 自動(dòng)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(jī)器人（英語：industrial robot。簡(jiǎn)稱IR）是廣泛適用的能夠自主動(dòng)作，且多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備。它們?cè)诒匾闆r下配備有傳感器，其動(dòng)作步驟包括靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)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(yùn)操作與加工制造的任務(wù)。數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處

2、理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作并加工零件。3答：科幻作家阿西莫夫機(jī)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(gè)原則不矛盾的前提下保護(hù)自身。我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。4答：機(jī)器人研究的基礎(chǔ)內(nèi)容有以下幾方面：(1) 空間機(jī)構(gòu)學(xué)；(2) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)；(3) 機(jī)器人靜力學(xué)；(4) 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)；(5) 機(jī)器人控制技術(shù)；(6) 機(jī)器人傳感器；(7) 機(jī)器人語言。5答：按幾

3、何結(jié)構(gòu)分：(1) 直角坐標(biāo)式機(jī)器人；(2) 圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人；(3) 球面坐標(biāo)式機(jī)器人；(4) 關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)機(jī)器人。6答：通常由四個(gè)相互作用的部分組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)單元、控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)。7答：一共需要5個(gè)：定位3個(gè)，放平穩(wěn)2個(gè)。8答：機(jī)器人的主要特點(diǎn)有通用性、適應(yīng)性。決定通用性有兩方面因素：機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)械部分；(b) 一個(gè)或多個(gè)傳感器；(c) 控

4、制器；(d) 驅(qū)動(dòng)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(yùn)行速度快，機(jī)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(jī)器人的自由度要多一些。12答：輪式行走機(jī)器人是機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對(duì)平坦的地面上，用車輪移動(dòng)方式行走是相當(dāng)優(yōu)越的。足式行走對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，足式運(yùn)動(dòng)方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式行走工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有點(diǎn)；足式運(yùn)動(dòng)方式還具有主動(dòng)隔振能力，盡管地面高低不平，機(jī)身的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度較高，能耗較少。13答：（1） 左上角3

5、×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(duì)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(jì)算題1解：矢量 u：cos=0，cos=0.866，cos=0.5u=0 0.866 0.5 0Tv：cos=0.866，cos=0，cos=0.5v=0.866 0 0.5 0Tw：cos=0.866，cos=0.5，cos=0w=0.866 0.5 0 0T2解：XB方向列陣 n=c

6、os30° cos30° cos30° 0T=0.866 0.5 0 0 TYB方向列陣 o=cos120° cos30° cos90° 0T=-0.5 0.866 0 0 TZB方向列陣 a=0 0 1 0 T坐標(biāo)系B的位置陣列 p=2 1 0 1T，則動(dòng)坐標(biāo)系B的4×4矩陣表達(dá)式為：3解：4解：5解：=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(jī)器人控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：(1) 機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。(2) 一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人也至少有35個(gè)自由度，比較復(fù)雜的機(jī)器人有十幾個(gè)、甚至幾十個(gè)自由度

7、。(3) 把多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來，使其按照人的意志行動(dòng)，甚至賦予機(jī)器人一定的“智能”，這個(gè)任務(wù)只能由計(jì)算機(jī)來完成。(4) 描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型，隨著狀態(tài)的不同和外方的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。(5) 機(jī)器人的動(dòng)作往往可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個(gè)“最優(yōu)”的問題?？偠灾瑱C(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的速度，以滿足工作機(jī)械的要求。調(diào)速要靠改變電動(dòng)機(jī)的特

8、性曲線來實(shí)現(xiàn)。如下圖所示，圖a中工作機(jī)械即負(fù)載的特性曲線為ML，通過調(diào)整裝置改變的電動(dòng)機(jī)特性曲線為M1、M2和M3，與線ML的交點(diǎn)分別為點(diǎn)1、2和3。與其相對(duì)應(yīng)的角速度為1、2和3，即電動(dòng)機(jī)將有不同的角速度，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速。相反，如果不改變電動(dòng)機(jī)的特性，而靠改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩雖然也可以使速度變化，如下圖b所示，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由ML1增加到ML2或ML3，雖然也可以使電動(dòng)機(jī)速度降低，但這不是調(diào)速，而是負(fù)載擾動(dòng)，在實(shí)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(dòng)機(jī)速度變化的曲線a) 調(diào)速時(shí)的特性曲線 b) 負(fù)載變化時(shí)的特性曲線3答：(1) 超調(diào)量；(2) 轉(zhuǎn)矩變化的時(shí)間響應(yīng)；(3) 階躍輸入的轉(zhuǎn)

9、速響應(yīng)時(shí)間；(4) 建立時(shí)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(jìn)行控制的PID控制到目前仍是機(jī)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(dá)式為：圖 PlD控制的基本形式PID控制的拉普拉斯變換為：式中，KP為比例增益；Ti為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)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(diǎn)可以概括如下：(1) 哈佛結(jié)構(gòu)；(2) 用管道式設(shè)計(jì)加快執(zhí)行速度；(3) 在每一時(shí)鐘周期中執(zhí)行多個(gè)操作；(4) 支持復(fù)雜的

10、DSP編址；(5) 特殊的DSP指令；(6) 面向寄存器和累加器；(7) 支持前、后臺(tái)處理；(8) 擁有簡(jiǎn)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(shí)間、抗干擾能力。7答：機(jī)器人的位置傳感器、機(jī)器人的角度傳感器、機(jī)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(jì)算題1解：= Rot(z,90)*Rot(x,90)*Trans（0,5,3）AP=* BP2解：因?yàn)椋阂虼?，逆雅可比為：因?yàn)椋襳=1, 0T，即vX=1m/s，vY=0，因此因此，在該瞬時(shí)兩關(guān)節(jié)的位置分別為， 1=

11、30°，2=60°；速度分別為=-2rad/s，=4 rad/s；手部瞬時(shí)速度為1m/s。式中：3解：因?yàn)?，得4解：各連桿參數(shù)如下：連桿轉(zhuǎn)角偏距扭角桿長(zhǎng)100200300=,=,=5解：因?yàn)?，所以，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(jī)、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(hào)數(shù)字化設(shè)備，其任務(wù)是把攝像機(jī)或者CCD輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成方便計(jì)算和分析的數(shù)字信號(hào)；(3) 視頻信號(hào)處理器，視頻信號(hào)實(shí)時(shí)、快速、并行算法的硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)備：如DSP系統(tǒng)；(4) 計(jì)算機(jī)及其設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計(jì)算機(jī)及其外設(shè)來滿足機(jī)器人視覺信息處理

12、及其機(jī)器人控制的需要；(5) 機(jī)器人或機(jī)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(jìn)圖像的質(zhì)量，增強(qiáng)興趣的有用信息的可檢測(cè)性。從而使得后面的分割、特征抽取和識(shí)別處理得以簡(jiǎn)化，并提高其可靠性。機(jī)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(gè)基本部分組成，如下圖所示，即模糊化、知識(shí)庫(kù)、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(cè)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(shí)庫(kù) 知識(shí)庫(kù)包含應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)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

13、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(jìn)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(duì)象的模型、控制器、優(yōu)化計(jì)算環(huán)節(jié)等。常見的控制方法有：(1) 參數(shù)估計(jì)自適應(yīng)控制方法；(2) 前饋控制方法。5答：機(jī)器人語言與計(jì)算機(jī)編程語言有著密切的關(guān)系，它也應(yīng)有一般程序計(jì)算語言所應(yīng)具有的特性。(1) 清晰性、簡(jiǎn)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(kuò)展性；(5) 調(diào)試和外部支持工具；(6) 效率。6答：機(jī)器人編程語言系統(tǒng)的基本動(dòng)能：(1) 運(yùn)算功能；(2) 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能；(3) 機(jī)器人的決策功能；(4) 機(jī)器人的通信功能；(5) 機(jī)器人的工具功能；(6) 傳感數(shù)據(jù)處理功能。7答：設(shè)計(jì)和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人時(shí)，應(yīng)全面考慮和均衡機(jī)器人的通用性、環(huán)境的適應(yīng)性、耐久性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等因素。8答：完整的焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成：機(jī)器人操作機(jī)、變位機(jī)