机器人学及其智能控制

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1、 机器人学及其智能控制 第一章 一、填空题 1. 国际标准化组织采纳了美国机器人协会于 1979 年给机器人下的定义：“一种可编 程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可 改变和 可编程 的专门系统。” 2. 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即 工业机器 人 和特种机器人。 3. 工业机器人由 机械本体 、 驱动系统 和 控制系统 3 个基本部分组成。 4. 工业机器人按程序输入方式区分有 编程输入型 和 示教输入型 两 类。 5. 机器人系统的组成大体上可分为三部分： 机械系统 、 传感系 统 和 控制系统。 6. 控制系统的任务是根

2、据机器人的作业指令程序以及从 传感器反馈回来的 信号 ，支配机器人的 执行机构 去完成规定的运动和功能。 7. 工业机器人的主要技术参数一般都应有 自由度、定位精度和重复精度、工 作范围、最大工作速度、承载能力 等。 、填空题 1. 丝杠传动有 滑动式、滚珠式 和 静压式 等。机器人传动 用的丝杠具备结构紧凑、间隙小和传动效率高等特点。 2. 机器人中常用的齿轮传动机构是 行星齿轮传动机构 和 谐波传动机 构 。 3. 谐波发生器是在 椭圆形凸轮 的外周嵌入薄壁轴承制成的部件。 4. 移动机器人的移动机构形式主要有 车轮式移动机构 、 履带式移动机 构 、 足式移动机构 。 5. 履带式机构称

3、为 无限轨道方式 ，其最大特征是将 圆环状的无限轨 道履带 卷绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触。 6. 机器人常用的驱动方式主要有 液压驱动 、 气压驱动 、 电气驱 动 3 种基本类型。 7. 用电磁阀控制 的 直线液压缸 是最简单和最便宜的开环液压驱动装 置。 一、填空题 1. 机器人是否能够准确无误地正常工作，往往取决于 传感器 的测量精度。 2. 机器人传感器的 稳定性和可靠性 是保证机器人能够长期稳定可靠地工作的必要条件。 3. 机器人传感器的工作环境比较恶劣，它应当能够承受强 电磁干扰 ，并能 够在定的 高温、高压、高污染 环境中正常工作。 4. 装配机器人对传感器的要求类似

4、于搬运机器人，也需要 视觉、力觉 和 触觉 等感觉能力。通常，装配机器人对工作位置的要求更高。 5. 焊接机器人包括 点焊机器人 和 弧焊机器人 两类。 6. 所谓编码器即是将某种 物理量 转换为 数字格式 的装置。 7. 绝对型编码器有 绝对位置 的记忆装置，能测量旋转轴或 移动轴的绝对 位置，因此在机器人系统中得到大量应用。 8. 液体式倾斜角传感器分为 气泡位移式 、 电容式 、 电解液式 和 磁流体式 等。 9. 接近度与距离传感器是机器人用以探测自身与周围物体之间 相对位置 和 距离的传感器。 一、填空题 1. 移动机器人控制系统是以 计算机控制技术 为核心的实时控制系统，它的任 务

5、就是根移动机器人所要完成的功能，结合移动机器人的本体结构和 运动方式，实现移动器人的工作目标。 2. 所谓软件伺服控制，是指利用计算机软件编程 的办法，对机器人控制器 进行改进。如设计一个先进的控制算法，或对系统中的非线性进行补偿。 、填空题 1. 机器人运动学是一门研究 物体运动规律 的科学。它在研究中不考虑 产生运动的力和力矩 而只研究运动物体的 位置、速度、加速度 和位置变 量对时间（或其他变量）的高阶导数： 2. 机器人的雅可比矩阵是由 机械手的操作速度与关节的运动速度的线性变换 构成 。 一、填空题 1. 机器人的控制方式可以分为 动作控制方式 和 示教控制方式 。 2. 机器人的按

6、照被控对象可以分为 位置控制 、速度控制、 加速度控制 、力矩控制、力 / 位混合控制等。 3. 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 ，最终验证工业机器人末端执行器 沿预定轨迹运行 。 4. 工业机器人的结构多采用串接的连杆形式，其动态特性具有高度的性 。 非线 5. 控制系统根据预先制定的控制策略对这些力信息作出处理后，控制机器人在 不确定 环境下进行与该环境 相适应 的操作，从而使机器人完成复杂 的作业任务。 6. 机器人动力学模型存在 非线性 和 不确定 未知的系统参数、 非线性特性 以及环境因素等。 因素，这些因素包括 一、填空题 1. 在直角坐标空间

7、中进行轨迹规划，是指将 末端执行器位置 、速度 和 加速度 表示为 时间 的函数，而相应的关节位置 、速度和加速度由末端执行器信息导出。 2. 一般情况下，关节空间的规划方法便于计算，并且由于关节空间与笛卡儿坐 标空间之 间并不存在 连续的对应关系，因而不会发生机构的奇异性问题。 3. 直角坐标空间轨迹规划必须反复求解 逆运动学方程 来计算关节角。二、简答题 1. 机器人按照控制方法的不同可以划分为几种？ （ 1）顺序型：这类机器人拥有规定的程序动作控制系统。 （ 2）沿轨迹作业型：这类机器人执行某种移动作业，如焊接、喷漆等。 （ 3）远距作业型：比如在月球上自动工作的机器人。 （ 4）智能型

8、：这类机器人具有感知、适应以及思维和人机通信机能。 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

9、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

10、。 （2）圆柱坐标型机器人 是以 、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 ( ，z， r) ）。（ 3）球（极）坐标型机器人 以 、 、r 为坐标，任意点可表示为 P=f( ，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 1、2 和移动关节的位移 z 决定，即 P=f( 1， 2，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，

11、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

12、，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

13、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

14、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35 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

15、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

16、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

17、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。