机器人学导论复习题及参考答案-新

1 中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案 机器人学导论机器人学导论 一 名词解释题一 名词解释题 二 简答题 二 简答题 1 机器人学主要包含哪些研究内容 2 机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些 3 拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义 4 机器人控制系统的基本单元有哪些 三 论述题三 论述题 1 试论述机器人技术的发展趋势 2 试论述精度 重复精度与分辨率之间的关系 4 试论述机器人静力学 动力学 运动学的关系 四 计算题 需写出计算步骤 无计算步骤不能得分 四 计算题 需写出计算步骤 无计算步骤不能得分 1 已知点 u 的坐标为 7 3 2 T 对点 u 依次进行如下的变换 1 绕 z 轴旋转 90 得到点 v 2 绕 y 轴旋转 90 得到点 w 3 沿 x 轴平移 4 个单位 再沿 y 轴平移 3 个单位 最后沿 z 轴平移 7 个单位得到点 t 求 u v w t 各点的齐次坐标 x y z O u v w t 2 如图所示为具有三个旋转关节的 3R 机械手 求末端机械手在基坐标系 x0 y0 下的运动学方程 1 2 3 L2 L1 L3 x0 y0 O 3 如图所示为平面内的两旋转关节机械手 已知机器人末端的坐标值 x y 试求其关节旋转变量 1和 2 2 1 2 L2 L1 x y P 4 如图所示两自由度机械手在如图位置时 1 0 2 2 生成手爪力 FA fx 0 T 或 FB 0 fy T 求对应的驱动力 A和 B 1 L2 x y P L1 2 FA FB 0 y f 0 x f 5 如图所示的两自由度机械手 手部沿固定坐标系在手上 X0轴正向以 1 0m s 的速度移动 杆长 l1 l2 0 5m 设在某时刻 1 30 2 60 求该时刻的关节速度 已知两自由度机械手速度 雅可比矩阵为 112 122 12 112 122 12 l sl sl s l cl cl c J 1 2 l2 l1 x0 y0 O x3 y3 v3 3 6 如图所示的三自由度机械手 两个旋转关节加一个平移关节 简称 RPR 机械手 求末端机械手的 运动学方程 3 d2 1L1 L2L3 参考答案参考答案 一 名词解释题一 名词解释题 二 简答题 二 简答题 1 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 2 答 目前常用的有如下几种形式 1 横梁式 机身设计成横梁式 用于悬挂手臂部件 具有占地 面积小 能有效地利用空间 直观等优点 2 立柱式 多采用回转型 俯仰型或屈伸型的运动型式 一 般臂部都可在水平面内回转 具有占地面积小而工作范围大的特点 3 机座式 可以是独立的 自成系 统的完整装置 可随意安放和搬动 也可以具有行走机构 如沿地面上的专用轨道移动 以扩大其活动 范围 4 屈伸式 臂部由大小臂组成 大小臂间有相对运动 称为屈伸臂 可以实现平面运动 也可以 作空间运动 3 答 拉格朗日运动方程式一般表示为 d d LL tqq 式中 q 是广义坐标 是广义力 L 是拉格朗日算子 表示为 LKP 这里 K 是动能 P 是位能 4 答 构成机器人控制系统的基本要素包括 1 电动机 提供驱动机器人运动的驱动力 2 减 速器 为了增加驱动力矩 降低运动速度 3 驱动电路 由于直流伺服电动机或交流伺服电动机的流经 电流较大 机器人常采用脉冲宽度调制 PWM 方式进行驱动 4 运动特性检测传感器 用于检测机 器人运动的位置 速度 加速度等参数 5 控制系统的硬件 以计算机为基础 采用协调级与执行级 的二级结构 6 控制系统的软件 实现对机器人运动特性的计算 机器人的智能控制和机器人与人的 信息交换等功能 三 论述题三 论述题 1 答 科学技术水平是机器人技术的基础 科学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的 水平 未来机器人技术的主要研究内容集中在以下几个方面 1 工业机器人操作机结构的优化设计技 术 探索新的高强度轻质材料 进一步提高负载 自重比 同时机构向着模块化 可重构方向发展 2 机器人控制技术 重点研究开放式 模块化控制系统 人机界面更加友好 语言 图形编程界面正在研 4 制之中 机器人控制器的标准化和网络化以及基于 PC 机网络式控制器已成为研究热点 3 多传感系统 为进一步提高机器人的智能和适应性 多种传感器的使用是其问题解决的关键 其研究热点在于有效可 行的多传感器融合算法 特别是在非线性及非平稳 非正态分布的情形下的多传感器融合算法 4 机 器人遥控及监控技术 机器人半自主和自主技术 多机器人和操作者之间的协调控制 通过网络建立大 范围内的机器人遥控系统 在有时延的情况下 建立预先显示进行遥控等 5 虚拟机器人技术 基于 多传感器 多媒体和虚拟现实以及临场感应技术 实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互 6 多智能 体控制技术 这是目前机器人研究的一个崭新领域 主要对多智能体的群体体系结构 相互间的通信与 磋商机理 感知与学习方法 建模和规划 群体行为控制等方面进行研究 7 微型和微小机器人技术 这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向 过去的研究在该领域几乎是空白 因此该领域研究的 进展将会引起机器人技术的一场革命 并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响 微 型机器人技术的研究主要集中在系统结构 运动方式 控制方 法 传感技术 通信技术以及行走技术 等方面 8 软机器人技术 主要用于医疗 护理 休闲和娱乐场合 传统机器人设计未考虑与人紧密 共处 因此其结构材料多为金属或硬性材料 软机器人技术要求其结构 控制方式和所用传感系统在机 器人意外地与环境或人碰撞时是安全的 机器人对人是友好的 9 仿人和仿生技术 这是机器人技术 发展的最高境界 目前仅在某些方面进行一些基础研究 2 答 精度 重复精度和分辨率用来定义机器人手部的定位能力 精度是一个位置量相对于其参照系的绝对度量 指机器人手部实际到达位置与所需要到达的理想位置之 间的差距 机器人的精度决定于机械精度与电气精度 重复精度指在相同的运动位置命令下 机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量 如果机器人重复执 行某位置给定指令 它每次走过的距离并不相同 而是在一平均值附近变化 该平均值代表精度 而变 化的幅度代表重复精度 分辨率是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度 精度和分辨率不一定相关 一台设 备的运动精度是指命令设定的运动位置与该设备执行此命令后能够达到的运动位置之间的差距 分辨率 则反映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距 工业机器人的精度 重复精度和分辨率要求是根据其使用要求确定的 机器人本身所能达到的精度取决 于机器人结构的刚度 运动速度控制和驱动方式 定位和缓冲等因素 由于机器人有转动关节 不同回转半径时其直线分辨率是变化的 因此造成了机器人的精度难以确定 由于精度一般较难测定 通常工业机器人只给出重复精度 4 答 静力学指在机器人的手爪接触环境时 在静止状态下处理手爪力F与驱动力 的关系 动力 学研究机器人各关节变量对时间的一阶导数 二阶导数与各执行器驱动力或力矩之间的关系 即机器人 机械系统的运动方程 而运动学研究从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系 在考虑控制时 就要考虑在机器人的动作中 关节驱动力 会产生怎样的关节位置 关节速度 关 节加速度 处理这种关系称为动力学 dynamics 对于动力学来说 除了与连杆长度有关之外 还与 各连杆的质量 绕质量中心的惯性矩 连杆的质量中心与关节轴的距离有关 运动学 静力学和动力学中各变量的关系如下图所示 图中用虚线表示的关系可通过实线关系的组合表 示 这些也可作为动力学的问题来处理 1 解 点 u 的齐次坐标为 7 3 2 1 T 5 v Rot z 90 u 01 0 073 10 0 037 0 01 022 0 0 0 111 w Rot y 90 v 00 1 032 01 0 077 1 0 0 023 0 0 0 111 t Trans 4 3 7 w 10 0426 0 1 0374 0 0 17310 0 0 0 111 2 解 建立如图 1 的参考坐标系 则 1 0T 11 11 00 00 0010 0001 cs sc 2 1T 221 22 0 00 0010 0001 csL sc 3 2T 332 33 0 00 0010 0001 csL sc x0 y0 O x1y1 x2 y2 x3 y3 图 1 3 0T 1 0T 2 1T 3 2T 1231231 12 12 1231231 12 12 0 0 0010 0001 csLcL c scL sL s 6 其中 123123123123 cos sincs 3 解 如图 2 所示 逆运动学有两组可能的解 1 2 x y P 1 2 图 2 第一组解 由几何关系得 1 11212 coscosxLL 2 11212 sinsinyLL 1 式平方加 2 式平方得 2222 12122 2cosxyLLL L 2222 12 2 12 arccos 2 xyLL L L 22 1 122 sin arctanarctan cos Ly xLL 第二组解 由余弦定理 2222 12 12 arccos 2 xyLL L L 2 1 arctan 2 y x 4 解 由关节角给出如下姿态 7 11212212 22 1 11212212 sinsinsin 0coscoscos LLLLL J LLLL 由静力学公式 T J F 221 22 00 xx T AA x L fLLf J F LL f 121 2 0 00 y T BB y L fLL J F fL 5 解 因为 112 122 12 112 122 12 l sl sl s l cl cl c J 因此 逆雅可比矩阵为 2 122 121 112 12112 121 22 1 l cl s l cl cl sl sl l s J 因为 且 v 1 0 T 即 vX 1m s vY 0 因此 1 J v 12 122 12 112 12112 121 22 2 12 1 12 112 2 2212 1 1 0 1 rad s 2rad s 0 5 4rad s l cl s l cl cl sl sl l s c l s cc l sl s 算出最后结果 2 分 因此 在该瞬时两关节的位置分别为 1 30 2 60 速度分别为 2rad s 4 1 2 rad s 手部瞬时速度为 1m s 式中 11 1212 s si n s si n 6 解 建立如图的坐标系 则各连杆的 DH 参数为 L2 x1 y1 z1 z2 x2 z3 y3 x3 y0 z0 x0 连杆 转角 n 偏距 n d扭角 1i 杆长 1i a 8 1 1 1 L00 2 0 2 d90 0 3 3 2 L00 由连杆齐次坐标变换递推公式 1 11111 1111 0 0001 iii iiiiiiii i iiii