机器人学及其智能控制

2.机器人按照功能可以划分为几种？

（1）操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。

（2）程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。（3）示教再现型机器人：通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。

（4）数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。

（5）感觉控制型机器人:利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

（6）适应控制型机器人:机器能适应环境的变化，控制其自身的行动。

（7）学习控制型机器人：机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中

（8）智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。

二、简答题

1.试简述机器人的运动机构。

（1）直线运动机构：丝杆传动，皮带传动与链传动；（2）旋转运动机构：齿轮；（3）减速运动机构：行星齿轮减速器，谐波传动。

2.试简述各种传动齿轮的结构及特点。

3.试简述工业机器人常见的运动形式。

（1）直角坐标型机器人三个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，相当于笛卡尔坐标系的xyz轴，主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测作业。（2）圆柱坐标型机器人是以θ、z和r为参数构成坐标系手腕参考点的位置可表示为P=f (θ，z，r)）。（3）球（极）坐标型机器人以θ、φ、r 为坐标，任意点可表示为P=f(θ，φ，r)（4）SCARA机器人有三个旋转关节，其轴线相互平行。手腕参考点的位置是由两旋转关节的角位移φ1、φ2和移动关节的位移z决定，即P=f(φ1，φ2，z)（5）关节型机器人由两个肩关节和一个肘关节进行定位，由两个或三个腕关节进行定向。

4.与轮式移动机构相比，履带式移动机构有什么特点？

(1) 支撑面积大，接地比压小。适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好。(2)越野性能好，爬坡、越沟等性能优于轮式移动机构。(3) 履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。(4)结构复杂，质量大，运动惯性大，减震性能差，零件易损坏。

二、简答题

1.机器人传感器的选择应该考虑哪些因素？

在选择合适的传感器以适应特定的需要时，必须考虑传感器多方面的特点。这些特点决定了传感器的性能、是否经济、应用是否简便以及应用范围等，在某些情况下，为实现同样的目标，课时选择不同类型的传感器。这时，在选择传感器前应该考虑以下一些因素：成本，尺寸，质量，输出的类型，接口，分辨率，林敏度，线性度，量程，响应时间，频率响应，可靠性，精度，重复精度等。

2.机器人内部传感器的基本种类有哪些？

常用内部传感器有位置传感器（电位器、旋转变压器、码盘）、速度传感器（测速发电机）、加速度传感器（应变片式、伺服式、压电式、电动式）和倾斜角传感器（液体式、垂直振子式）。

三、论述题

试论述机器人控制系统及其功能。

对于一个具有高度智能的机器人，它的控制系统实际上包含了“任务规划”、“动作规划”、“轨迹规划”和基于模型的“伺服控制”等多个层次，如图

4.1所示。机器人首先要通过人机接口获取操作者的指令，指令的形式可以是人的自然语言，或者是由人发出的专用的指令语言，也可以是通过示教工具输入的示教指令，或者键盘输入的机器人指令语言以及计算机程序指令，机器人其次要对控制命令进行解释理解，把操作者的命令分解为机器人可以实现的“任务”，这就是任务规划。然后机器人针对各个任务进行动作分解，这是动作规划。为了实现机器人一系列动作，应该对机器人每个关节的运动进行设计，即机器人的轨迹规划。最底层的是关节运动的伺服控制。

二、简答题

1.简述工业机器人控制的特点。

工业机器人控制系统一般是以机器人的单轴或多轴协调运动为控制目的的系统，与一般的伺服系统或过程控制系统相比，工业机器人控制系统有如下特点。(1)机器人的控制与机构运动学、动力学密切相关。根据给定的任务，应当选择不同基准坐标系，并作适当的坐标变换，经常要求解运动学正问题和逆问题。除此之外还要考虑各关节之间惯性力、哥氏力等的耦合作用以及重力负载的影响。

(2)描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的变化，其

I 在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅利用位置闭环是不够的，还要利用速度闭环甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比如重力补偿、前馈、解耦或自适应控制。

(3)机器人控制系统是一个多变量控制系统。即使一个简单的工业机器人也有3～5 由度。每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协调起来。机器人的手部运动是所有关节运动的合成运动，要使手部按照一定的规律运动，就必多地控制各关节协调动作，包括运动轨进、动作时序等多方面的协调。

(4)具有较高的重复定位精度。除直角坐标机器人以外，机器人关节上的位置检测元件，不能安放在机器人末端执行器上，而是放在各自驱动轴上，因此是位置半闭环系统。但机器人的重复定位精度较高，一般为±0.1 mm。

(5)系统的刚性要好。由于机器人工作时要求运动平稳，不受外力干扰，为此系统有较好的刚性，否则将造成位置误差。

(6)位置无超调，动态响应尽量快。机器人不允许有位置超调，否则将可能与工件碰撞。加大阻尼可以减少超调，但却降低了系统的快速性，所以进行设计时要根据系统要求权衡。

(7)需采用加（减）速控制。过大的加（减）速度都会影响机器人运动的平稳，甚3 生抖动，因此在机器人起动或停止时采取加（减）速控制策略。通常采用匀加（减）速运动指令来实现。

(8)从操作的角度来看，要求控制系统具有良好的人机界面，尽量降低对操作者的要求。 .多数情况要求控制器的设计人员不仅要完成底层伺服控制器的设计，而且还要完成规划算法的编程。

(9)工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现控制方式。当要工业机器人完成某作业时，可预先移动工业机器人的手臂，来示教该作业顺序、位置以及其他信息，在执行时，依靠工业机器人的动作再现功能，可重复进行该作业。总而言之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同的控制方式。

2.简述机器人的学习控制的应用领域。

三、论述题

试论述机器人的自适应控制的应用领域。

第八章

二、简答题

1.简述轨迹规划的基本原理。

2.简述直角坐标空间的轨迹规划步骤。

三、计算题

1.求一个六轴机器人的第三关节用4s的时间从初始角20°移动到终止角80°。假设机器人由静止开始运动，抵达目标点时速度为5°/s。计算一条三次多项式关节空间轨迹的系数，绘制出关节角和速度曲线。

2.一个两自由度平面机器人在直角坐标系空间中沿直线从起点（3, 6)运动到终点(10，8)。若将路径划分为10段，且每一个连杆长25cm,求该机器人的关节量。