机器人基础-作业资料

1一.简答题1.机器人内部传感器与外部传感器的作用是什么，它们都包括哪些？答：内部传感器主要用于检测机器人自身状态；包括位移传感器角数字编码器、角速度传感器；外部传感器主要用于检测机器人所处的外部环境和对象状况等；包括：力或力矩传感器触觉传感器、接近绝传感器、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。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。2.机器人的速度与加速度测量都常用哪些传感器？答：速度：测速发电机、增量式码盘；加速度：压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器。3.机器人的力觉传感器有哪几种，机器人中哪些方面会用到力觉传感器？答：种类：电阻应变片式、压电式、电容式、电感式、各种外力式传感器。有三方面：1.装在关节驱动器上的力传感器。2.装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器。3.装在机器人手抓指关节上的力传感器。4.机器人的视觉传感器常用哪些方法，图像如何获取和处理？答：图像的获取：1.照明2.图像聚焦成像3.图形处理形成输出信号。处理：1.图像的增强2.图像的平滑3.图像的数据编码和传输4.边缘锐化5.图像的分割。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。5.能否设想一下，一个高智能类人机器人大约会用到哪些传感器技术？答：位置传感器，速度传感器，触觉传感器，接近觉传感器，视觉传感器，听觉传感器，嗅觉传感器，味觉传感器。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。6.编码器有哪两种基本形式？各自特点是什么？两种基本形式：增量式、绝对式增量式：用来测量角位置和直线位置的变化，但不能直接记录或指示位置的实际值。在所有利用增量式编码器进行位置跟踪的系统中，都必须在系统开始运行时进行复位。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。2绝对式：每个位置都对应着透光与不透光弧段的惟一确定组合，这种确定组合有惟一的特征。通过这特征，在任意时刻都可以确定码盘的精确位置。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。7.简述直流电动机两种控制的基本原理答：直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩，定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也可以达到额定值，因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场的方法来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。8.简述直流测速发电机的工作原理。测速发电机(tachogenerator)是一种检测机械转速的电磁装置。它能把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系茕桢广鳓鯡选块网羈泪。直流测速发电机实际上是一种微型直流发电机。按励磁方式可分为两种型式。１．电磁式表示符号如图3-2（a）所示。定子常为二极，励磁绕组由外部直流电源供电，通电时产生磁场。目前，我国生产的CD系列直流测速发电机为电磁式。2．永磁式表示符号如图3-2（b）所示。定子磁极是由永久磁钢做成。由于没有励磁绕组，所以可省去励磁电源。具有结构简单，使用方便等特点，近年来发展较快。其缺点是永磁材料的价格较贵，受机械振动易发生程度不同的退磁。为防止永磁式直流测速发电机的特性变坏，必须选用矫顽力较高的永磁材料。目前，我国生产的CY系列直流测速发电机为永磁式。(a)(b)图3-2直流测速发电机(a)电磁式；(b)永磁式永磁式直流测速发电机按其应用场合不同，可分为普通速度型和低速型。前者的工作转速一般在每分钟几千转以上，最高可达每分钟一万转以上；而后者一般在每分钟几百转以下，最低可达每分钟一转以下。由于低速测速发电机能和低速力矩电动机直接耦合，省去了中间笨重的齿轮传动装置，消除了由于齿轮间隙带来的误差，提高了系统的精度和刚度，因而在国防、科研和工业生产等各种精密自动化技术中得到了广泛应用。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。9.为什么要引进齐次坐标,它有什么优点?机器人的坐标变换主要包括平移和旋转变换,平移是矩阵相加运算,旋转则是矩阵相乘,综合起来可以表示为p’=m1*p+m2(m1旋转矩阵,m2为平移矩阵,p为原向量,p’为变换后的向量).引入齐次坐标的目的主要是合并矩阵运算中的乘法和加法,合并后可以表示为p'=M*p的形式.即它提供了用矩阵运算把二维、三维甚至高维空间中的一个点集从一个坐标系变换到另一个坐标系的有效方法.籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。10.定义1.如果所有的变换都是相对于固定坐标系中各坐标轴旋转或平移,则依次左乘,称为绝对变换.2.如果动坐标系相对于自身坐标系的当前坐标轴旋转或平移,则齐次变换为依次右乘,称为相对变换.11.机器人动力学:研究机器人的运动特性与力的关系.有两类问题:3动力学正问题:已知机械手各关节的作用力或力矩,求各关节的位移、速度、加速度动力学逆问题:已知机械手各关节的位移、速度和加速度,求各关节的驱动力和力矩。拉格朗日函数L被定义为系统的动能K和位能P之差,即:12.工业机器人的工作范围：工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。13.工业机器人定义？工业机器人的定义：一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置的，可通过可编程序动作来执行各种任务的，并且具有各种编程能力的多功能的机械手。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。14.机器人传感器的作用和特点为何？（1）机器人传感器的作用：机器人的通用计算机必须与传感器连接起来，才能发挥全部作用。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。（2）特点：机器人感觉是把相关的特性或相关的物体特性转换为执行某一种机器人功能所需的信息，这些物体特征包括几何的、光学的、机械学的、声音的、材料的、电气的、磁性的、放射性的和化学的，这些特征形成符号以表示系统，进而构成与给定工作任务有关的世界状态知识。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。传感器的分类内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度等）的传感器。外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人的距离。相当于视觉15.旋转矩阵的几何意义是什么？旋转矩阵的几何意义：为了研究机器人的运动和操作，往往不仅要表示空间某一点的位置，而且需要表示物体的方位，物体的方位可由某个固接于物体的坐标系表述。为了规定空间某物体B的方位，设置一直角坐标系｛B｝与此刚体固接，而此时也有一个参考坐标系｛A｝，而为了表示B相对于坐标系A的方位就引入了旋转矩阵。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1)可以表示固定于刚体上的坐标系{B}对参考坐标系的姿态矩阵。LKP42)可作为坐标变换矩阵.它使得坐标系{B}中的点的坐标变换成{A}中点的坐标。3)可作为算子,将{B}中的矢量或物体变换到{A}中。16.简述下面几个术语的含义：自有度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。重复定位精度是关于精度的统计数据，指机器人重复到达某一确定位置准确的概率，是重复同一位置的范围，可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳定速度，也可以定义为手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。17.什么叫冗余自由度机器人？答：从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。二.计算题1.已知坐标系{B}的初始位姿与{A}重合,首先{B}相对于{A}的ZA轴转60°,再沿{A}的XA轴移动10单位,并沿{A}的YA轴移动4单位.求位置矢量APB0和旋转矩阵BAR.设点P在{B}坐标系中的位置为BP=[5,9,0],求它在坐标系{A}中的位置。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。BAR=R(Z,600)=100060cos60sin060sin60cos=10002123023210BAP=0410因此可得：0*BABBAAPPRP=1000212302321*095+0410pBpA5=0410083.8294.5=083.12706.42.三．矢量U=7i+3j+2k，绕Z轴转90度后，再绕Y轴转90度。在上述基础上再平移（9，-6，8），求最后得到的新的点矢量。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。解：绕z旋转90度得：V=1000010000010010*1237=1273绕y旋转90度得：W=1000000100100100*1273=1372再平移（9，-6，8）T得：t=1111113.一坐标系{B}与参考系重合,现将其绕通过q=[1,2,3]T的轴转30°,求转动后的{B}。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。以代入算式,有4.五．坐标系{B}初始与{A}重合,让{B}绕ZB旋转θ角;然后再绕XB转φ角.求把BP变为AP的旋转矩阵。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。3.对于下列综合变换矩阵，如何求所缺的值？列出步骤，不要求答案。Tf0707.0707.0ozyxfff0.300.0707.0321zyxqqq100004.0866.0354.0354.013.1354.0933.0067.013.1354.0067.0933.0)30,(okRot分）（分分20)2(1000000001)1(),(),(cscssscccssccssccssczRotxRotRAB6100020??3??707.05?0?F解：根据R的性质求解5.图所示为二自由度平面关节型机器人机械手，图中L1=2L2，关节的转角范围是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,画出该机械手的工作范围（画图时可以设L2=3cm）。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。6.单连杆机器人的转动关节，从q=–5°静止开始运动，要想在4s内使该关节平滑地运动到q=+80°的位置停止。试按下述要求确定运动轨迹：猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。(1)关节运动依三次多项式插值方式规划。(2)关节运动按抛物线过渡的线性插值方式规划。解：（1）采用三次多项式插值函数规划其运动。已知,4,80,50stff代入可得系数为66.2,94.15,0,53210aaaa运动轨迹：7tttttttt96.1588.3198.788.3166.294.155232（2）运动按抛物线过渡的线性插值方式规划：,4,80,50stff根据题意，定出加速度的取值范围：225.2116854s如果选242s，算出过渡时间1at，1at=[422854244422422]=0.594s计算过渡域终了时的关节位置1a和