機(jī)器人課后作業(yè)

機(jī)器人課后作業(yè)

1、智能機(jī)器人的含義是什么？

答：智能機(jī)器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)。除具有

感受器外，它還有效應(yīng)器，作為作用于周?chē)h(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱(chēng)自整步電動(dòng)機(jī)，它們使手、腳、

長(zhǎng)鼻子、觸角等動(dòng)起來(lái)。由此也可知，智能機(jī)器人至少要具備三個(gè)要素：感覺(jué)要素，運(yùn)動(dòng)要素和思考要素。

2、宣流電機(jī)的額定值有哪些？

答：直流電動(dòng)機(jī)的額定值有以下幾項(xiàng)：（1）額定功率，是指按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)所能提供的輸出功率。

對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，額定功率是指軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW。（2）額定電壓，是電動(dòng)機(jī)電樞繞組能夠安

全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V。（3）額定電流，是指電動(dòng)機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)，電

樞繞組允許流過(guò)的最大電流，單位為A。（4）額定轉(zhuǎn)速，指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的

情況下運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。

3、機(jī)器人視覺(jué)的硬件系統(tǒng)由哪些部分組成？

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(lái)滿足機(jī)器人視覺(jué)信息處理及其機(jī)器人控制的需要；（5）機(jī)器

人或機(jī)械手及其控制器。

4、簡(jiǎn)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(gè)基本部分組成，即模糊化、知識(shí)庫(kù)、推理算法和逆模糊化。

（1）模糊化：將檢測(cè)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(yǔ)言值。

（2）知識(shí)庫(kù)：包含應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)和控制目標(biāo)，它由數(shù)據(jù)和模糊語(yǔ)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(hào)，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)控制的原理，是根據(jù)系統(tǒng)所期望的動(dòng)態(tài)特性來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的切換超平面，通過(guò)滑動(dòng)模態(tài)控制

器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向切換超平面收束。系統(tǒng)一旦到達(dá)切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超

平面到達(dá)系統(tǒng)原點(diǎn)，這一沿切換超平而向原點(diǎn)滑動(dòng)的過(guò)程稱(chēng)為滑?？刂?。

6、機(jī)器人軌跡控制過(guò)程如圖所示。試列出各步的主要內(nèi)容。

軌跡上示教點(diǎn)要求的位

圻,

的位置及姿態(tài)插補(bǔ)機(jī)器人0n"個(gè)角度位置置、姿態(tài)

答：

算法逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制系統(tǒng)

（1）

通過(guò)示教過(guò)程得到機(jī)器人軌跡上特征點(diǎn)的位姿。對(duì)于直線需要得到起始點(diǎn)和終點(diǎn)，對(duì)于圓弧需要得到弧匕

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(shí)/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(dòng)學(xué)原理，求出手臂解，即對(duì)應(yīng)于插補(bǔ)點(diǎn)位姿的全部關(guān)節(jié)角（01,…，0n）；

（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(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；

（5）和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(duì)（工業(yè)）機(jī)器人進(jìn)行位置和力的控制時(shí)，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(huà)出一個(gè)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：關(guān)節(jié)空間控制器再輸入與反饋的時(shí)候無(wú)正解與反解，而操作空間控制器輸入與反饋時(shí)要有正解與反解,

如下圖所

1=0??=>[*施]c=C>|MBAt=Z>[]CC>|

CXaI

9?！?----------------0-----------------1

關(guān)節(jié)空間控制器操作空間控制器

ZjSo

畫(huà)出一個(gè)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)框圖如下

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；

答：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(dòng)，最終保證工

'也機(jī)器人終端（手爪）沿預(yù)定的軌跡運(yùn)行。這類(lèi)運(yùn)動(dòng)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。?般要求速度可控、軌跡光滑旦運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。軌跡捽制的技術(shù)指標(biāo)是軌跡精度和平穩(wěn)性。

速度控制:意味著各個(gè)關(guān)節(jié)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)聯(lián)合進(jìn)行，并以不同的速度同時(shí)運(yùn)行以保證夾手沿著笛卡爾坐標(biāo)軸穩(wěn)

定運(yùn)動(dòng)。分解運(yùn)動(dòng)速度控制先把期望的夾手運(yùn)動(dòng)分解為各個(gè)關(guān)節(jié)的期望速度，然后對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)行速度伺

服控制。

加速度控制:分解運(yùn)動(dòng)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)的各個(gè)關(guān)節(jié)加速度,

再按照動(dòng)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)給出操作空間及驅(qū)動(dòng)空間的單個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人控制框圖，并說(shuō)明其控制過(guò)程。

答：機(jī)器人控制器的控制結(jié)構(gòu)形式，常見(jiàn)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(jí)遞階控制的結(jié)構(gòu)圖。

機(jī)器人控制系統(tǒng)以機(jī)器人作為控制對(duì)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(duì)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

提高受到限制。

K,

A5+R

勢(shì)

反電

「

■建發(fā)電機(jī)四

回

力如傳

帽碼H

斯坦福機(jī)械手具有反饋控制，其?個(gè)關(guān)節(jié)控制方框圖如圖所示。從圖可見(jiàn)，它有個(gè)光學(xué)編碼器，與測(cè)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(gè)關(guān)節(jié)都有一個(gè)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(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸速度負(fù)反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強(qiáng)

反電勢(shì)的作用。

要做到這一點(diǎn)，可以采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，或者計(jì)算定時(shí)間間隔內(nèi)傳動(dòng)軸角位移的差值。

傳遞函數(shù)：

&.(S)=_________________Ki_________________

VjS)-S[0JSz+(R.J++(R.B+

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(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸速度負(fù)反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強(qiáng)

反電勢(shì)的作用。要做到這?點(diǎn)，可以采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，或者計(jì)算一定時(shí)間間隔內(nèi)傳動(dòng)軸角位移的差值。由

于機(jī)器人機(jī)械手是通過(guò)工具進(jìn)行操作作業(yè)的，所以其末端工具的動(dòng)態(tài)性能將直接影響操作質(zhì)量。又因末端

的運(yùn)動(dòng)是所有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜函數(shù)，因此，即使每個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能可行，而末端的動(dòng)態(tài)性能則未必能滿

足要求。

(3)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)。

答：操作空間控制器設(shè)計(jì)涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)的正、反解。

9、寫(xiě)出齊次變換矩陣：T,它表示相對(duì)固定坐標(biāo)系｛A｝作以下變換:

(a)繞乙軸轉(zhuǎn)90°；(b)再繞心軸轉(zhuǎn)-90°；(c)最后作移動(dòng)(3,7,9)，

RotZ,90)°

001「100

00001

10-0-10

01J\_000

10、寫(xiě)出齊次變換矩陣，T,它表示相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系｛B｝作以下變換:

(a)移動(dòng)(3,7,9)\(b)再繞xs軸轉(zhuǎn)-90°；(c)繞ZB軸轉(zhuǎn)90"。

0103

00-17

-1009

0001

11、求下面齊次變換

'010-1

00-12

-1000

0001

的逆變換r'o

%〃Vnz-p?n-00-10

%0.vo.一p.o1001

%叫%-p^a0-102

00010001

12、如圖所示為二自由度機(jī)械手，已知各桿長(zhǎng)度分別為小，辦。

(1)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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，通過(guò)建立坐標(biāo)系及坐

標(biāo)變換矩陣°C，下2等，求出機(jī)械手末端。3點(diǎn)的位置和速度方程；

(2)求解該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。

答(1)建立坐標(biāo)系，確定連桿參數(shù)，寫(xiě)出各齊次矩陣，寫(xiě)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

由題意已知,則:

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