机器人导论-习题答案

机器人技术导论
课后习题
1、智能机器人的含义是什么？
因为这样，我们才说这种机器人才是真正的机器人，尽管它们的外表可能有所不同。

2、直流电机的额定值有哪些？
答：型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、励磁方式、励磁电压、励磁电流、定额、绝缘等级、额定温升。

3、机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？
答：光源：用于表现特征
光源控制器：用于给光源供电
镜头：用于成像
延长管：用于改变像距
相机：用于物理图像到电子信号的转换
采集卡：用于将相机中的电子信号传输到计算机中
计算机、嵌入式系统、智能相机等：用于分析图像
机器视觉软件：用于处理图像，得到所以需要数据结果
运动控制：用于控制气缸、机械手、马达等运动，以完成机器的功能
传感器：位置传感器、存在传感器、安全传感器，用于判断产品有没有、到位否之类
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：滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略。

这种控制策略与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时间变化的开关特性。

该控制特性可以迫使系统在一定特性下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，即所谓的“滑动模态”或“滑模”运动。

这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关。

这样，处于滑模运动的系统就具有很好的鲁棒性。

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：操作空间控制器设计时，是通过关节位置确定各关节的旋转角，必须先求出运动方程的正解，进行空间运动后，再求出运动方程的反解。

而关节空间控制器设计是直接针对旋转角进行的，不需要对运动方程求正解和反解。

单关节的关节空间控制器控制系统框图：
单关节操作空间控制器的控制系统框图：
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；
（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。

（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：（1）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）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）操作空间控制器设计时，是通过关节位置确定各关节的旋转角，必须先求出运动方程的正解，进行空间运动后，再求出运动方程的反解。

而关节空间控制器设计是直接针对旋转角进行的，不需要对运动方程求正解和反解。

9、写出齐次变换矩阵T A B，它表示相对固定坐标系{A}作以下变换：
（a）绕z A轴转900；（b）再绕x A轴转–900；（c）最后作移动(3,7,9)T。

答：
10、写出齐次变换矩阵T A
B ，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x B 轴转–900； （c ）绕z B 轴转900。

答：
11、求下面齐次变换
⎥
⎥
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---1000
00012100101
0 的逆变换T -1。

答：0010100
10102000
1-⎡⎤⎢⎥⎢
⎥⎢⎥-⎢
⎥⎣⎦
12、如图所示为二自由度机械手，已知各杆长度分别为d 1，d 2。

（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0T 1，1T 2等，求出机械手末端O 3点的位置和速度方程；
（2）求解该机器人的运动学反解。

答：（1）由题意已知，则：
10
T =1
11
1000000100
001c s s c -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,21T =2
2122
00000100
01c s L s c -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢
⎥⎣⎦
题21图 二连杆机械手
y
图1
30T =10T 21
T =12121112
12110000100
01c s L c s
c L s -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
其中()()12121212cos ,sin c s θθθθ=+=+。