2013年广工机器人技术基础.doc

机器人技术基础（公选课）考查题 3111005981 计算机科学与技术（7）班 李兴豪1、 简述机器人的概念、分类和相关的学科。你的专业是什么？论述其与机器人学的关系。（8分） 答：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装置，通过可编程动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。1.机器人的动作结构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能。2.机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。3.机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。4.机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。 机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。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；所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人下，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。 机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。 我的专业是计算机科学与技术。所学的算法、编程都跟机器人息息相关。2、 机器人的主要驱动方式有哪些？主要的传动方式有哪些？它们主要用在哪些机器人上？（10分） 答：现代工业机器人的驱动方式主要有三种：气动驱动、液压驱动和电动驱动。 气动驱动：机器人气动驱动系统已压缩空气为动力源。气动驱动机器人具有气源方便，系统结构简单，动作快速灵活，不污染环境以及维护方便、价格便宜、适合在恶劣工况（高温、有毒、多粉尘）条件下工作等特点。常用于冲床上下料，小零件装配、食品包装及电子元件输送等作业中。由于气体可压缩，遇阻时具有容让性，因此也常用于机器人手爪的驱动源。 液压驱动：在机器人的发展过程中，液压驱动是较早被采用的驱动方式。世界上首先问世的商品化机器人尤尼美特就是液压机器人。液压驱动主要用于中大型机器人和有防爆要求的机器人。 电动驱动系统：机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。主要用于特殊用途的微型机器人系统中。超洁净环境下工作的真空机器人，例如用于搬运半导体硅片的超真空机器人等。 主要的传动方式有：齿轮传动、谐波传动、行星传动（RV）、涡轮传动、链传动、齿形带传动、钢带传动、钢绳传动、连杆及摇块传动、滚动螺旋传动、齿轮齿条传动等。3、 求出下面两种情况下的齐次坐标变换Tab:1) 表示坐标系B相对于固定坐标系A作下列变换：a) 先绕ZA转90o；b) 再绕XA转-90o；c) 最后移动 3 7 9 T. （5分）解：Tab=Trans（3，7，9）Rot（X，-90）Rot（Z，90）=2) 表示坐标系B相对于其前一个(动)坐标系作下列变换：a) 移动 3 7 9 T；b) 再绕XB转-90o；c) 最后绕ZB转90o. （5分）解：Tab=Trans（3，7，9）Rot（X，90）Rot（Z，90）= 4、 下图表示一个两自由度机械手，关节1和2垂直，已知连杆长度和集中于末端的质量(点质量) ，试写出连杆的运动学参数(列表)，推导其正运动学，求解其逆运动学（不计姿态只根据末端点位置求解），推导动力学方程。（30分）解：参数和关节变量连杆ad1100022000 C1 - S1 0 0A1=Rot（Z，1）=S1 C1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 C2 - S2 0 0A2=Rot（Z，2）=S2 C2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1运动学方程为： cos(1+2) - sin(1+2) 0 0T2= A1 A2= sin(1+2) cos(1+2) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15、 单连杆转动关节从角度q=-5o 静止开始，在4s 内平滑运动到q=80o停止， 1）计算其三次样条轨迹函数的系数；（6分）2） 计算带抛物线过渡的直线样条的各参数，并画出关节位移、速度和加速度的曲线。 （6分） 解：（1）采用三次多项式插值函数规划其运动。已知代入可得系数为运动轨迹：（2） 运动按抛物线过渡的线性插值方式规划：根据题意，定出加速度的取值范围：如果选，算出过渡时间，=0.631s计算过渡域终了时的关节位置和关节速度，得=图略。6、 机器人常用的传感器有哪些，怎样分类？列举你所知道的所有传感器（用三两句话简述其功用和基本原理）。（9分）答：根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。a.内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多为检测位置和角度的传感器。b.外部传感器：用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。具体有：明暗觉检测内容：是否有光，亮度多少应用目的：判断有无对象，并得到定量结果传感器件：光敏管、光电断续器色觉检测内容：对象的色彩及浓度应用目的：利用颜色识别对象的场合传感器件：彩色摄像机、滤波器、彩色CCD位置觉检测内容：物体的位置、角度、距离应用目的：物体空间位置、判断物体移动传感器件：光敏阵列、CCD等形状觉检测内容：物体的外形应用目的：提取物体轮廓及固有特征，识别物体传感器件：光敏阵列、CCD等接触觉检测内容：与对象是否接触，接触的位置应用目的：确定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径传感器件：光电传感器、微动开关、薄膜特点、压敏高分子材料压觉检测内容：对物体的压力、握力、压力分布应用目的：控制握力，识别握持物，测量物体弹性传感器件：压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料力觉检测内容：机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩应用目的：控制手腕移动，伺服控制，正解完成作业传感器件：应变片、导电橡胶接近觉检测内容：对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜应用目的：控制位置，寻径，安全保障，异常停止传感器件：光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器滑觉检测内容：垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形应用目的：修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态传感器件：球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器7、 简述PUMA机器人的控制系统软硬件的组成和结构。常用的机器人基本控制技术有哪些，现代控制和智能控制方法有哪些（不限于课堂上所讲）。（12分）答：PUMA机器人控制系统采用的是美国数据设备公司标准数据总线，整个系统是按照层次结构布置的，从上到下分别是：处理器，中间接口板，伺服板，电机，如下图所示：LSI-11的中央处理器（CPU）与伺服系统的其余部分之间的信息交流是通过中间接口板进行的。中间接口板的作用类似于一个网关。处理器与中间接口板之间的数据和控制信号的流通则是通过一个DRV-11并行总线完成的。这也是处理器获得一些重要反馈信号的通道，例如增益编码器和电位计的反馈信号，系统完整性信息等。利用这些信息，处理器就可以知道伺服系统的状态，执行运动控制程序，计算将要送往电机的控制信号。一旦这些工作完成，数据就通过中间接口板被送往数字信号伺服板。数字信号伺服板的作用类似伺服系统的数字信号部分与模拟信号部分之间的一个缓冲器。这些数字信号伺服板从微机处理器得到运动命令的数字信号值，通过处理转换成模拟量，并控制各自的电机，同时处理一些来自电机的反馈控制信号。常用的机器人控制技术：机器人控制技术正朝着智能化的方向发展，出现了离线编程、任务级语言、多传感器信息融合、智能行为控制等新技术。现代控制方法：系统辨识和建模、统计估计和滤波、最优控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制及控制系统CAD等。智能控制方法：专家系统、模糊逻辑、遗传算法、神经网络等。8、 试述机器人示教编程和离线编程的过程和特点。机器人语言系统的基本要素有哪些？ （9分）答：示教编程：过程：操作者根据机器人作业的需要把机器人末端执行器送到目标位置，且处于相应的姿态，然后把这一位置、姿态所对应的关节角度信息记录到存储器保存。对机器人作业空间的各点重复以上操作，就把整个作业过程记录下来，再通过适当的软件系统，自动生成整个作业过程的程序代码。优点：操作简单，易于掌握，操作者不需要具备专门知识，不需复杂的装置和设备，轨迹修改方便，再现过程快。缺点：(1) 示教相对于再现所需的时间较长；(2) 很难示教复杂的运动轨迹及准确度要求高的直线；(3) 示教轨迹的重复性差；(4) 无法接受传感器信息；(5) 难以与其他操作或其他机器人操作同步。机器人离线编程的特点：在不接触实际机器人及机器人作业环境的情况下，通过图形技术，在计算机上提供一个和机器人进行交互作用的虚拟现实环境。功能：利用机器人图形学的成果，建立起机器人及其作业环境的模型，再利用一些规划算法，通过对图形的操作和控制，在离线的情况下进行轨迹规划。编程语言系统：1.动作级编程语言：优