机器人学导论作业答案

机器人学导论作业答案作业一一、问答题1．答：机器人的主要应用场合有：(1) 恶劣的工作环境和危险工作；(2) 在特殊作业场合进行极限作业；(3) 自动化生产领域；(4) 农业生产；(5) 军事应用。

2．答：工业机器人（英语：industrial robot。

简称IR）是广泛适用的能够自主动作，且多轴联动的机械设备。

它们在必要情况下配备有传感器，其动作步骤包括灵活的转动都是可编程控制的（即在工作过程中，无需任何外力的干预）。

它们通常配备有机械手、刀具或其他可装配的的加工工具，以及能够执行搬运操作与加工制造的任务。

数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。

该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。

3．答：科幻作家阿西莫夫机器人三原则：(1) 不伤害人类；(2) 在原则下服从人给出的命令；(3) 在与上两个原则不矛盾的前提下保护自身。

我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

4．答：机器人研究的基础内容有以下几方面：(1) 空间机构学；(2) 机器人运动学；(3) 机器人静力学；(4) 机器人动力学；(5) 机器人控制技术；(6) 机器人传感器；(7) 机器人语言。

5．答：按几何结构分：(1) 直角坐标式机器人；(2) 圆柱坐标式机器人；(3) 球面坐标式机器人；(4) 关节式球面坐标机器人。

6．答：通常由四个相互作用的部分组成：执行机构、驱动单元、控制系统、智能系统。

7．答：一共需要5个：定位3个，放平稳2个。

8．答：机器人的主要特点有通用性、适应性。

决定通用性有两方面因素：机器人自由度；末端执行器的结构和操作能力。

9．答：工业机器人的手部是用来握持工件或工具的部件。

大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的。

各种手部的工作原理不同，故其结构形态各异。

常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类。

10．答：(a) 机械部分；(b) 一个或多个传感器；(c) 控制器；(d) 驱动源。

11．答：自由度的选择与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，机器人的自由度数可少一些；如果要便于产品更换，增加柔性，机器人的自由度要多一些。

12．答：轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人，在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。

足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式行走工具必须面临最坏的地形上的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平，机身的运动仍然可以相当平稳；足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。

13．答：（1）左上角3×3矩阵表示新坐标系在旧坐标系中的旋转方向。

（2）左上角3×3矩阵中的各列表示新坐标系的各坐标轴的单位矢量在旧坐标系的各坐标轴上的投影；各行表示旧坐标系的各坐标轴的单位矢量在新坐标系的各坐标轴上的投影；P表示新坐标系相对旧坐标系的平移量，其各分量表示平移后新坐标系在旧坐标系中的矢量。

二、计算题1．解：矢量u：cosα=0，cosβ=，cosγ=u=[0 0]Tv：cosα=，cosβ=0，cosγ=v=[ 0 0]Tw：cosα=，cosβ=，cosγ=0w =[ 0 0]T2．解：X B 方向列阵 n =[cos30° co s30° cos30° 0]T=[ 0 0] TY B 方向列阵 o =[cos120° cos30° cos90° 0]T=[ 0 0] TZ B 方向列阵 a =[0 0 1 0] T坐标系{B}的位置阵列 p =[2 1 0 1]T ，则动坐标系{B}的4×4矩阵表达式为：0.8660.5020.50.8660100100001-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦T 3．解：1005010201021004001600160001000101071006001120001newB ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎣⎦4．解：001001007010010003(90)(90)100000102000100011001072100037010023000111Rot Y Rot Z -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦，，W U5．解：A P =(5,3,6)(,90)B Trans Rot x P=1005100001002010300101000300160100001050001000100011-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦=2281⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦作业二一、问答题1．答：和一般的伺服系统或过程控制系统相比，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及动力学密切相关。

(2) 一个简单的机器人也至少有3~5个自由度，比较复杂的机器人有十几个、甚至几十个自由度。

(3) 把多个独立的伺服系统有机地协调起来，使其按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定的“智能”，这个任务只能由计算机来完成。

(4) 描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外方的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。

(5) 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个“最优”的问题。

总而言之，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。

2．答：调速即速度调节或速度控制，是指通过改变电动机的参数、结构或外加电气量（如供电电压、电流的大小或者频率）来改变电动机的速度，以满足工作机械的要求。

调速要靠改变电动机的特性曲线来实现。

如下图所示，图a中工作机械即负载的特性曲线为M L，通过调整装置改变的电动机特性曲线为M1、M2和M3，与线M L的交点分别为点1、2和3。

与其相对应的角速度为Ω1、Ω2和Ω3，即电动机将有不同的角速度，实现了调速。

相反，如果不改变电动机的特性，而靠改变负载转矩虽然也可以使速度变化，如下图b所示，负载转矩由M L1增加到M L2或M L3，虽然也可以使电动机速度降低，但这不是调速，而是负载扰动，在实际使用中我们不希望出现这种情况，这是稳速控制的主要问题。

图电动机速度变化的曲线a) 调速时的特性曲线 b) 负载变化时的特性曲线3．答：(1) 超调量；(2) 转矩变化的时间响应；(3) 阶跃输入的转速响应时间；(4) 建立时间；(5) 频带宽度；(6) 堵转电流。

4．答：按照偏差的比例(P，proportional)、积分(I，integral)、微分(D，derivative)进行控制的PID控制到目前仍是机器人控制的一种基本的控制算法。

下图为理想PID 控制的基本形式，理想PID 控制的表达式为：p d i 1d (d )de u K e e t T T t=++⎰图 PlD 控制的基本形式 PID 控制的拉普拉斯变换为：p d i ()1(1)()U s K T s E s T s=++式中，K P 为比例增益；T i 为积分时间；T d 为微分时间；u 为操作量；e 为控制输出量y 和给定值之间的偏差。

5．答：DSP 的主要特点可以概括如下：(1) 哈佛结构；(2) 用管道式设计加快执行速度； (3) 在每一时钟周期中执行多个操作；(4) 支持复杂的DSP编址；(5) 特殊的DSP指令；(6) 面向寄存器和累加器；(7) 支持前、后台处理；(8) 拥有简便的单片内存和内存接口。

6．答：灵敏度、线性度、精度、重复性、分辨率、响应时间、抗干扰能力。

7．答：机器人的位置传感器、机器人的角度传感器、机器人姿态传感器。

8．答：力或力矩传（力觉）感器、触觉传感器、接近觉传感器、滑觉传感器、视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器。

二、计算题1．解：= Rot(z,90)*Rot(x,90)*Trans（0,5,3）T ABA P=T A* B PB2．解：因为：1121221211212212l s l s l s l c l c l c θθ---⎡⎤=⎢⎥+⎣⎦J 因此，逆雅可比为：212212111212112121221l c l s l c l c l s l s l l s θθθ-⎡⎤=⎢⎥----⎣⎦J 因为，1-=J v θ，且v =[1, 0]T ，即v X =1m/s ，v Y =0，因此12122121121211212122212112112222121101rad/s=-2rad/s 0.54rad/s l c l s l c l c l s l s l l s c l s c cl s l s θθθθθθθθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥----⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦===-=因此，在该瞬时两关节的位置分别为， θ1=30°，θ2=60°；速度分别为1θ=-2rad/s ，2θ=4 rad/s ；手部瞬时速度为1m/s 。

式中：111212sin sin()s s θθθθ==+3．解：因为 15.0=z δ，1.0=dx ，1.0=dy ，3.0=dz ，得⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=∆00003.00001.00015.01.0015.00⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=⨯∆=00003.00004.015.00095.0015.0100050107001210000003.00001.00015.01.0015.00T dT ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=+=10003.50104.715.00105.1115.0dT T T HoldR new H R4．解：各连杆参数如下：10T =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-100010*******1111s l c s c l s c ,21T =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10001000022222222s l c s c l s c ,32T =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-100001000033333333s l c s c l s c 30T =10T 21T 32T5．解：因为 T dT ⨯∆=，所以1-⨯=∆T dT0.10.10.6100500.10.10.10.1000.500180.10000.1000.501030.1000000000010000----⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥∆==⎢⎥⎢⎥⎢⎥----⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦[]001.0，，=d ，[]1.01.00，，=δdT T T⨯=∆-1⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=∆00005.0001.05.0001.06.01.01.00T作业三一、问答题1．答：(1) 景物和距离传感器，常用的有摄像机、CCD 图像传感器、超声波传感器和结构光设备等；(2) 视频信号数字化设备，其任务是把摄像机或者CCD 输出的信号转换成方便计算和分析的数字信号；(3) 视频信号处理器，视频信号实时、快速、并行算法的硬件实现设备：如DSP 系统；(4) 计算机及其设备，根据系统的需要可以选用不同的计算机及其外设来满足机器人视觉信息处理及其机器人控制的需要；(5) 机器人或机械手及其控制器。