PAGEPAGE2PAGE機器人課程復習一、名詞解釋工作空間：工業機器人執行任務時，其腕軸交點能在空間活動的范圍剛體自由度：物體能夠對坐標系進行獨立運動的數目機器人的自由度：機器人末端構件所具有的獨立運動的數目。機器人工作載荷：機器人在規定的性能范圍內，機械接口處能承受的最大負載量（包括手部）。機器人運動學正、逆問題：機器人正動力學問題已知機器人各關節驅動力或力矩，求機器人各關節軌跡或末端執行器（位姿）軌跡。機器人逆動力學問題已知機器人各關節軌跡或末端執行器（位姿）軌跡，求機器人各關節驅動力或力矩。雅可比矩陣：研究機器人操作空間速度與關節空間速度間的線性映射關系即雅克比矩陣機器人運動學：從幾何學的觀點來處理手指位置與關節變量的關系稱為運動學。機器人動力學：機器人各關節變量對時間的一階導數、二階導數與各執行器驅動力或力矩之間的關系，即機器人機械系統的運動方程。PWM驅動：脈沖寬度調制（PulseWidthModulation）驅動直流伺服電機的調節特性：是指轉矩恒定時，電動機的轉速隨控制電壓變化的關系。直流伺服電機的調速精度：指調速裝置或系統的給定角速度與帶額定負載時的實際角速度之差，與給定轉速之比。示教再現：一種可重復再現通過示教編程存儲起來的作業程序的機器人。示教有直接示教和間接示教兩種方法。直接示教是操作人員使用插入機器人手臂內的操作桿，按給定運動順序示教動作內容，機器人自動把順序、位置和時間等具體數值記錄在存儲器中。再現時，依次讀出存儲的信息，重復示教的動作過程。間接示教是采用示教盒(或稱示教器)示教。操作者通過示教盒按鍵操縱完成空間作業軌跡點及其有關速度等信息的示教，然后用操作盤對機器人語言命令進行用戶工作程序的編輯，并存儲在示教數據區。再現時，機器人的計算機控制系統自動逐條取出示教命令與位置數據，進行解讀、運算并作出判斷，將各種控制信號送到相應的驅動系統或端口,使機器人忠實地再現示教動作。PID控制：指按照偏差的比例（P,proportional）、積分（I,integral）、微分（D,derivative）進行控制。脫機編程：指用機器人程序語言預先進行程序設計，而不是用示教的方法編程。二、填空題1、機器人按機構特性可以劃分為（關節機器人）和（非關節機器人）兩大類。2、機器人系統大致由（驅動系統）、（機械系統）、（感知系統）和（人機交互系統、機器-環境交互系統、控制系統等部分組成。3、機器人的重復定位精度是指（機器人末端執行器為重復到達同一目標位置（理想位置）而實際到達位置之間的接近程度）。4、齊次坐標[0010]T表示的內容是z方向。5、機器人的運動學是研究機器人末端執行器位姿和運動與關節空間之間的關系。6、如果機器人相鄰兩關節軸線相交，則聯接這兩個關節的連桿長度為零。7、常用的建立機器人動力學方程的方法有牛頓和拉格朗日。8、6自由度機器人有解析逆解的條件是機器人操作手的獨立關節變量多于末端執行器的運動自由度數。9、機器人的驅動方式主要有（液壓）、（氣動）和（電動）三種。10、機器人上常用的可以測量轉速的傳感器有測速發電機和增量式碼盤。11、機器人控制系統按其控制方式可以分為程序控制方式、適應性控制方式和人工智能控制方式。三、選擇題（4選1）1、機器人三原則是由誰提出的。（D）（A）森政弘（B）約瑟夫·英格伯格（C）托莫維奇（D）阿西莫夫2、當代機器人大軍中最主要的機器人為：（A）（A）工業機器人（B）軍用機器人（C）服務機器人（D）特種機器人3、手部的位姿是由哪兩部分變量構成的？（B）（A）位置與速度（B）姿態與位置（C）位置與運行狀態（D）姿態與速度4、運動學主要是研究機器人的：（B）（A）動力源是什么（B）運動和時間的關系（C）動力的傳遞與轉換（D）運動的應用5、動力學主要是研究機器人的：（C）（A）動力源是什么（B）運動和時間的關系（C）動力的傳遞與轉換（D）動力的應用6、傳感器的基本轉換電路是將敏感元件產生的易測量小信號進行變換，使傳感器的信號輸出符合具體工業系統的要求。一般為：（A）（A）4～20mA、–5～5V（B）0～20mA、0～5V（C）-20mA～20mA、–5～5V（D）-20mA～20mA、0～5V7、傳感器的輸出信號達到穩定時，輸出信號變化與輸入信號變化的比值代表傳感器的_______參數。（D）（A）抗干擾能力（B）精度（C）線性度（D）靈敏度8．6維力與力矩傳感器主要用于（D）（A）精密加工（B）精密測量（C）精密計算（D）精密裝配9、機器人軌跡控制過程需要通過求解__________獲得各個關節角的位置控制系統的設定值。（B）（A）運動學正問題（B）運動學逆問題（C）動力學正問題（D）動力學逆問題10．模擬通信系統與數字通信系統的主要區別是什么？（B）（A）載波頻率不一樣（B）信道傳送的信號不一樣（C）調制方式不一樣（D）編碼方式不一樣四、判斷題（回答Y/N）1．機械手亦可稱之為機器人。Y確定力和力矩，計算每個驅動器所需的驅動力，以便在機器人連桿和關節上產生期望的加速度。根據有關方程并考慮機器人的外部載荷計算出驅動器可能承受的最大載荷，設計出能提供足夠力及力矩的驅動器。研究機器人不同部件之間的關系，合理地設計出機器人的部件。簡述建立工業機器人運動學方程的方法、步驟。建立各連桿坐標系，確定各連桿D-H參數，寫出各齊次矩陣（利用式和D-H參數計算各連桿之間的D-H矩陣），寫運動學方程（根據建立機器人機構的運動學方程）13、方向余弦矩陣的特點都有那些“方向余弦矩陣”是由兩組不同的\o"標準正交基"標準正交基的\o"基底"基底向量之間的方向余弦所形成的矩陣。方向余弦矩陣可以用來表達一組標準正交基與另一組標準正交基之間的關系，也可以用來表達一個向量對于另一組標準正交基的方向余弦。方向余弦矩陣為正交矩陣，其中每列或每行中各元素平方之和為一，而兩個不同列或不同行中對應元素的乘積之和則為零。14、機器人雅可比矩陣的含義是什么？關節空間和操作空間的方程系數矩陣（）15、什么是機器人的奇異狀態？機器人的雅克比矩陣的行列式等于零時的狀態，自由度會減少，母線運動受限制16、簡述齊次變換矩陣的物理含義。答：1、起到坐標變換的作用。2、代表物體的位置姿態17、工業機器人常用的驅動器有那些類型，并簡要說明其特點。（1）電動驅動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，轉動慣性小，速度和位置精度都很高，但它們多與減速裝置相聯，直接驅動比較困難。（2）液壓驅動器的優點是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高的精度。但需要增設液壓源，易產生液體泄漏，不適合高、低溫及有潔凈要求的場合。故液壓驅動器目前多用于特大功率的操作機器人系統或機器人化工程機械。（3）氣動驅動器的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但也需要增設氣壓源，且與液壓驅動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高、但有潔凈、防爆等要求的點位控制機器人。常用的工業機器人的傳動系統有那些？齒輪傳動，蝸桿傳動，滾珠絲桿出傳動，同步齒形帶傳動，鏈傳動和行星齒輪傳動19、在機器人系統中為什么往往需要一個傳動（減速）系統？因為現在的電機一般速度較高，力矩較小，需要通過傳動系統降低轉速、提高力矩。20、機器人常用的機身和臂部的配置型式有哪些？[答]：目前常用的有如下幾種形式：（1）橫梁式。機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，具有占地面積小，能有效地利用空間，直觀等優點。（2）立柱式。多采用回轉型、俯仰型或屈伸型的運動型式，一般臂部都可在水平面內回轉，具有占地面積小而工作范圍大的特點。（3）機座式?？梢允仟毩⒌?、自成系統的完整裝置，可隨意安放和搬動。也可以具有行走機構，如沿地面上的專用軌道移動，以擴大其活動范圍。（4）屈伸式。臂部由大小臂組成，大小臂間有相對運動，稱為屈伸臂，可以實現平面運動，也可以作空間運動。21、直流電機的額定值有哪些？[答]：直流電動機的額定值有以下幾項：(1)額定功率，是指按照規定的工作方式運行時所能提供的輸出功率。對電動機來說，額定功率是指軸上輸出的機械功率，單位為kW。(2)額定電壓，是電動機電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V。(3)額定電流，是指電動機按照規定的工作方式運行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A。(4)額定轉速，指電動機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電動機的旋轉速度，單位為r/min。22、機器人上常用的距離與接近覺傳感器有哪些？。超聲波，激光、紅外，霍爾傳感器23、常見的機器人外部傳感器有哪些？[答]：常見的外部傳感器包括觸覺傳感器，分為接觸覺傳感器、壓覺傳感器、滑覺傳感器和力覺傳感器。距離傳感器，包括超聲波傳感器，接近覺傳感器，以及視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器等。24、機器人視覺的硬件系統由哪些部分組成？[答]：(1)景物和距離傳感器，常用的有攝像機、CCD圖像傳感器、超聲波傳感器和結構光設備等；(2)視頻信號數字化設備，其任務是把攝像機或者CCD輸出的信號轉換成方便計算和分析的數字信號；(3)視頻信號處理器，視頻信號實時、快速、并行算法的硬件實現設備：如DSP系統；(4)計算機及其設備，根據系統的需要可以選用不同的計算機及其外設來滿足機器人視覺信息處理及其機器人控制的需要；(5)機器人或機械手及其控制器。25、機器人控制系統的基本單元有哪些？[答]：構成機器人控制系統的基本要素包括：(1)電動機，提供驅動機器人運動的驅動力。(2)減速器，為了增加驅動力矩、降低運動速度。(3)驅動電路，由于直流伺服電動機或交流伺服電動機的流經電流較大，機器人常采用脈沖寬度調制（PWM）方式進行驅動。(4)運動特性檢測傳感器，用于檢測機器人運動的位置、速度、加速度等參數。(5)控制系統的硬件，以計算機為基礎，采用協調級與執行級的二級結構。(6)控制系統的軟件，實現對機器人運動特性的計算、機器人的智能控制和機器人與人的信息交換等功能。26、請簡述模糊控制器的組成及各組成部分的用途。[答]：模糊邏輯控制器由4個基本部分組成，即模糊化、知識庫、推理算法和逆模糊化。(1)模糊化：將檢測輸入變量值變換成相應的論域，將輸入數據轉換成合適的語言值。(2)知識庫：包含應用領域的知識和控制目標，它由數據和模糊語言控制規則組成。(3)推理算法：從一些模糊前提條件推導出某一結論，這種結論可能存在模糊和確定兩種情況。(4)逆模糊化：將推理所得到的模糊值轉換為明確的控制訊號，作為系統的輸入值。27、從描述操作命令的角度看，機器人編程語言可分為哪幾類？[答]：機器人編程語言可分為：(1)動作級：以機器人末端執行器的動作為中心來描述各種操作，要在程序中說明每個動作。(2)對象級：允許較粗略地描述操作對象的動作、操作對象之間的關系等，特別適用于組裝作業。(3)任務級：只要直接指定操作內容就可以了，為此，機器人必須一邊思考一邊工作。28、什么是變結構系統？為什么要采用變結構控制？一個系統的數學模型的結構參數是隨位置、時間變化而變化的；因為機器人是典型的非線性變參數系統模型。29、試述機器人滑模變結構控制的基本原理?；Ｗ兘Y構控制的原理，是根據系統所期望的動態特性來設計系統的切換超平面，通過滑動模態控制器使系統狀態從超平面之外向切換超平面收束。系統一旦到達切換超平面，控制作用將保證系統沿切換超平面到達系統原點，這一沿切換超平面向原點滑動的過程稱為滑模控制。30、自適應控制器有哪幾種結構形式？試簡介其工作原理。機器人自適應控制分為三類：模型參考自適應控制、自校正自適應控制和線性攝動自適應控制等。(a)模型參考自適應控制器；它的基本設計思想是：為機器人機械手的狀態方程（傳動）綜合一個控制信號u，或為狀態方程（動力學）綜合一個輸入F。這種控制信號將以一定的由參考模型所規定的期望方式，迫使系統具有需要特性。(b)自校正自適應控制器；它與MRAC方法的主要區別在于：STAC用線性離散模型來表示操作機器人系統的動力學特性，因而其控制器為一數字控制器。這種離散模型必須借助系統辨識技術，應用采樣輸入-輸出數據來建立。線性攝動自適應控制器六、論述題/綜合題1、試論述機器人技術的發展趨勢。答：科學技術水平是機器人技術的基礎，科學與技術的發展將會使機器人技術提高到一個更高的水平。未來機器人技術的主要研究內容集中在以下幾個方面：(1)工業機器人操作機結構的優化設計技術。探索新的高強度輕質材料，進一步提高負載-自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發展。(2)機器人控制技術。重點研究開放式、模塊化控制系統，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網絡化以及基于PC機網絡式控制器已成為研究熱點。(3)多傳感系統。為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩、非正態分布的情形下的多傳感器融合算法。(4)機器人遙控及監控技術，機器人半自主和自主技術。多機器人和操作者之間的協調控制，通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。(5)虛擬機器人技術?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現實以及臨場感應技術，實現機器人的虛擬遙控操作和人機交互。(6)多智能體控制技術。這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規劃、群體行為控制等方面進行研究。(7)微型和微小機器人技術。這是機器人研究的一個新的領域和重點發展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究的進展將會引起機器人技術的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產生不可估量的影響，微型機器人技術的研究主要集中在系統結構、運動方式、控制方，法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面。(8)軟機器人技術。主要用于醫療、護理、休閑和娛樂場合。傳統機器人設計未考慮與人緊密共處，因此其結構材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術要求其結構、控制方式和所用傳感系統在機器人意外地與環境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。(9)仿人和仿生技術。這是機器人技術發展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎研究。2、試論述精度、重復精度與分辨率之間的關系。答：精度、重復精度和分辨率用來定義機器人手部的定位能力。精度是一個位置量相對于其參照系的絕對度量，指機器人手部實際到達位置與所需要到達的理想位置之間的差距。機器人的精度決定于機械精度與電氣精度。重復精度指在相同的運動位置命令下，機器人連續若干次運動軌跡之間的誤差度量。如果機器人重復執行某位置給定指令，它每次走過的距離并不相同，而是在一平均值附近變化，該平均值代表精度，而變化的幅度代表重復精度。分辨率是指機器人每根軸能夠實現的最小移動距離或最小轉動角度。精度和分辨率不一定相關。一臺設備的運動精度是指命令設定的運動位置與該設備執行此命令后能夠達到的運動位置之間的差距，分辨率則反映了實際需要的運動位置和命令所能夠設定的位置之間的差距。工業機器人的精度、重復精度和分辨率要求是根據其使用要求確定的。機器人本身所能達到的精度取決于機器人結構的剛度、運動速度控制和驅動方式、定位和緩沖等因素。由于機器人有轉動關節，不同回轉半徑時其直線分辨率是變化的，因此造成了機器人的精度難以確定。由于精度一般較難測定，通常工業機器人只給出重復精度。3、試論述工業機器人的應用準則。[答]：設計和應用工業機器人時，應全面考慮和均衡機器人的通用性、環境的適應性、耐久性、可靠性和經濟性等因素，具體遵循的準則如下。(1)從惡劣工種開始采用機器人機器人可以在有毒、風塵、噪聲、振動、高溫、易燃易爆等危險有害的環境中長期穩定地工作。在技術、經濟合理的情況下，采用機器人逐步把人從這些工作崗位上代替下來，將從根本上改善勞動條件。(2)在生產率和生產質量落后的部門應用機器人現代化的大生產分工越來越細，操作越來越簡單，勞動強度越來越大。機器人可以高效地完成一些簡單、重復性的工作，使生產效率、產品質量獲得明顯的改善。(3)要估計長遠需要一般來講，人的壽命比機械的壽命長，不過，如果經常對機械進行保養和維修，對易換件進行補充和更換，有可能使機械壽命超過人。另外；工人會由于其自身的意志而放棄某些工作，造成辭職或停工，而工業機器人沒有自己的意愿，因此機器人的使用不會在工作中途因故障以外的原因停止工作，能夠持續從事所交給的工作，直至其機械壽命完結。(4)機器人的投入和使用成本雖說機器人可以使人類擺脫很臟、很危險或很繁重的勞動，但是工廠經理們極關心的是機器人的經濟性。在經濟方面所考慮的因素包括勞力、材料、生產率、能源、設備和成本等?？梢杂脙斶€期Y定量地衡量機器人使用的合理性。如果機器人的使用壽命大于其償還期，使用機器人是有效益的。(5)應用機器人時需要人在應用工業機器人代替工人操作時，要考慮工業機器人的現實能力以及工業機器人技術知識的現狀和未來給予預測。用現有的機器人原封不動地取代目前正在工作的所有工人，并接替他們的工作，顯然是不可能的。在平均能力方面，與工人相比，工業機器人顯得過于遜色；但在承受環境條件的能力和可靠性方面，工業機器人比人優越。因此要把工業機器人安排在生產線中的恰當位置上，使它成為工人的好助手。如果讓你設計一個機器人，你最希望制作一個什么樣的機器人？它由哪幾部分組成？制作它主要需要完成些什么工作？答：機器人系統的結構由機器人的機構部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分組成。機器人的外貌有的像人，有的卻并不具有人的模樣，但其組成與人很相似。機構部分包括機械手和移動機構，機械手相當于人手一樣，可完成各種工作；移動機構相當于人的腳，機器人靠它來"走路"。感知機器人自身或外部環境變化信息的傳感器是它的感覺器官，相當于人的眼、耳、皮膚等，它包括內傳感器和外傳感器。電腦是機器人的指揮中心，相當于人腦或中樞神經，它能控制機器人各部位協調動作；信息處理裝置（電子計算機），是人與機器人溝通的工具，可根據外界的環境變化、靈活變更機器人的動作5、試論述機器人靜力學、動力學、運動學的關系。習題4-17圖答：靜力學指在機器人的手爪接觸環境時，在靜止狀態下處理手爪力F與驅動力τ的關系。動力學研究機器人各關節變量對時間的一階導數、二階導數與各執行器驅動力或力矩之間的關系，即機器人機械系統的運動方程。而運動學研究從幾何學的觀點來處理手指位置與關節變量的關系。習題4-17圖在考慮控制時，就要考慮在機器人的動作中，關節驅動力τ會產生怎樣的關節位置θ、關節速度、關節加速度，處理這種關系稱為動力學（dynamics）。對于動力學來說，除了與連桿長度有關之外，還與各連桿的質量，繞質量中心的慣性矩，連桿的質量中心與關節軸的距離有關。運動學、靜力學和動力學中各變量的關系如下圖所示。圖中用虛線表示的關系可通過實線關系的組合表示，這些也可作為動力學的問題來處理。6、試論述輪式行走機構和足式行走機構的特點和各自適用的場合。[答]：輪式行走機器人是機器人中應用最多的一種機器人，在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當優越的。車輪的形狀或結構形式取決于地面的性質和車輛的承載能力。在軌道上運行的多采用實心鋼輪，室外路面行駛的采用充氣輪胎，室內平坦地面上的可采用實心輪胎。足式行走對崎嶇路面具有很好的適應能力，足式運動方式的立足點是離散的點，可以在可能到達的地面上選擇最優的支撐點，而輪式行走工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有點；足式運動方式還具有主動隔震能力，盡管地面高低不平，機身的運動仍然可以相當平穩；足式行走在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，能耗較少。7、機器人軌跡控制過程如圖所示。試列出各步的主要內容。習題4-17圖習題4-17圖[解]：（1）通過示教過程得到機器人軌跡上特征點的位姿。對于直線需要得到起始點和終點，對于圓弧需要得到弧上三點；（2）根據軌跡特征（直線/園弧/其它）和插補策略（定時/定距/其它）進行相應的插補運算，求出該插補點的位姿值；（3）根據機器人逆運動學原理，求出手臂解，即對應于插補點位姿的全部關節角(q1,…,qn)；（4）以求出的關節角為相應關節位置控制系統的設定值，分別控制n個關節驅動電機；（5）和關節驅動電機同軸連接的光軸編碼器給出該關節當前實際位置值，進行反饋，位置控制系統根據此位置誤差（設定值—反饋值）實施控制以消除誤差，使機器人達到所要求的位姿。8、機器人學是一門綜合性的學科，（1）試論述機器人學重要的研究內容及其所需要解決的問題（至少3個方面）。答：機器人學【robotics】與機器人設計、制造和應用相關的科學。機器人學又稱為機器人技術或機器人工程學，主要研究機器人的控制與被處理物體之間的相互關系。機器人學涉及的科目很多，主要內容有運動學和動力學、系統結構、傳感技術、控制技術、行動規劃和應用工程等。

隨著工業自動化和計算機技術的發展，到六十年代機器人開始進入大量生產和實際應用階段。爾后由于自動裝備海洋開發空間探索等實際問題的需要，對機器人的智能水平提出了更高的要求。特別是危險環境，人們難以勝任的場合更迫切需要機器人，從而推動了智能機器人的研究。

機器人學的研究推動了許多人工智能思想的發展，有一些技術可在人工智能研究中用來建立世界狀態的模型和描述世界狀態變化的過程。關于機器人動作規劃生成和規劃監督執行等問題的研究，推動了規劃方法的發展。此外由于機器人是一個綜合性的課題，除機械手和步行機構外，還要研究機器視覺觸覺聽覺等信感技術，以及機器人語言和智能控制軟件等。可以看出這是一個設計精密機械信息傳感技術人工智能方法智能控制以及生物工程等學科的綜合技術。這一課題研究有利于促進各學科的相互結合，并大大推動人工智能技術的發展。1、傳感器與感知系統

2、驅動、建模與控制

3、自動規劃與調度

4、計算機系統

5、應用研究9、方向余弦矩陣是進行機器人運動學分析和動力學分析的基礎，試論述方向余弦矩陣的性質和特點，并通過具體的實例分析給予驗證。答：“方向余弦矩陣”是由兩組不同的\o"標準正交基"標準正交基的\o"基底"基底向量之間的方向余弦所形成的矩陣。方向余弦矩陣可以用來表達一組標準正交基與另一組標準正交基之間的關系，也可以用來表達一個向量對于另一組標準正交基的方向余弦。方向余弦矩陣為正交矩陣，其中每列或每行中各元素平方之和為一，而兩個不同列或不同行中對應元素的乘積之和則為零?！胺较蛴嘞揖仃嚒笔怯蓛山M不同的標準正交基的基底向量之間的方向余弦所形成的矩陣。方向余弦矩陣可以用來表達一組標準正交基與另一組標準正交基之間的關系，也可以用來表達一個向量對于另一組標準正交基的方向余弦。10、對（工業）機器人進行位置和力的控制時，試比較關節空間控制器設計和操作空間控制器設計的不同點，并畫出一個機器人單關節的關節空間控制器和操作空間控制器的控制系統框圖。解：答：關節空間控制器再輸入與反饋的時候無正解與反解，而操作空間控制器輸入與反饋時要有正解與反解，如下圖所示。

畫出一個機器人單關節的關節空間控制器和操作空間控制器的控制系統框圖如下11、以多自由度工業機器人為例，分析討論機器人的控制：（1）分析討論工業機器人的位置控制、速度控制、加速度控制和力控制的特點及其區別；答：位置控制：工業機器人位置控制的目的，就是要使機器人各關節實現預先所規劃的運動，最終保證工業機器人終端(手爪)沿預定的軌跡運行。這類運動控制的特點是連續控制工業機器人手爪(或工具)的位姿軌跡。一般要求速度可控、軌跡光滑且運動平穩。軌跡控制的技術指標是軌跡精度和平穩性。速度控制意味著各個關節馬達的運動聯合進行，并以不同的速度同時運行以保證夾手沿著笛卡爾坐標軸穩定運動。分解運動速度控制先把期望的夾手運動分解為各個關節的期望速度，然后對各個關節實行速度伺服控制。加速度控制分解運動加速度控制首先計算出工具的控制加速度，然后把它分解為相應的各個關節加速度，再按照動力學方程計算出控制力矩。力控制除了在一些自由度方向進行位置控制外，還需要在另一些自由度方向進行力控制。（2）給出操作空間及驅動空間的單個關節的機器人控制框圖，并說明其控制過程。機器人控制器的控制結構形式，常見的有：集中控制、分散控制和遞階控制等。如圖表示PUMA機器人兩級遞階控制的結構圖。機器人控制系統以機器人作為控制對象，它的設計方法及參數選擇，仍可參照一般計算機/嵌入式控制系統?，F有的工業機器人大多采用獨立關節的PID控制。如圖所示PUMA機器人的控制結構即為一典型。由于獨立關節PID控制未考慮被控對象（機器人）的非線性及關節間的耦合作用，因而控制精度和速度的提高受到限制。斯坦福機械手具有反饋控制，其一個關節控制方框圖如圖所示。從圖可見，它有個光學編碼器，與測速發電機一起組成位置和速度反饋。這種工業機器人是一種定位裝置，它的每個關節都有一個位置控制系統。要提高響應速度，通常是要提高系統的增益以及由電動機傳動軸速度負反饋把某些阻尼引入系統，以加強反電勢的作用。要做到這一點，可以采用測速發電機，或者計算一定時間間隔內傳動軸角位移的差值。傳遞函數：要提高響應速度，通常是要提高系統的增益以及由電動機傳動軸速度負反饋把某些阻尼引入系統，以加強反電勢的作用。要做到這一點，可以采用測速發電機，或者計算一定時間間隔內傳動軸角位移的差值。由于機器人機械手是通過工具進行操作作業的，所以其末端工具的動態性能將直接影響操作質量。又因末端的運動是所有關節運動的復雜函數，因此，即使每個關節的動態性能可行，而末端的動態性能則未必能滿足要求。（3）比較關節空間控制器設計和操作空間控制器設計的不同點。答：操作空間控制器設計涉及運動學的正、反解。

七、計算題（需寫出計算步驟）1、已知R為旋轉矩陣，b為平移向量，試寫出相應的齊次矩陣。[解]：齊次矩陣為2、矩陣代表齊次坐標變換，求其中的未知元素值x、y、z、w(第一列元素)。3、寫出齊次變換矩陣，它表示相對固定坐標系{A}作以下變換：（a）繞zA軸轉900；（b）再繞xA軸轉–900；（c）最后作移動(3,7,9)T。解：=Trans（3，7，9）Rot（X，-90?）Rot（Z，90?）===4、寫出齊次變換矩陣，它表示相對運動坐標系{B}作以下變換：（a）移動(3,7,9)T；（b）再繞xB軸轉–900；（c）繞zB軸轉900。答：=Rot（Z，90?）Rot（X，-90?）Trans（3，7，9）=5、求下面齊次變換的逆變換T-1。解：6、矢量Ap軸繞ZA軸旋轉300角，然后繞XA軸旋轉450角。試給出依次按上述次序完成旋轉的旋轉矩陣。解：7、坐標系{B}的位置變化如下：初始時，坐標系{A}與{B}重合，讓坐標系{B}繞ZB軸旋轉300角；然后再繞XB軸旋轉450角。給出把對矢量Bp的描述變為對Ap描述的旋轉矩陣。解：8、下面的坐標系矩陣B移動距離d=(5，2，6)T：求該坐標系相對于參考坐標系的新位置。[解]：9、求點P=(2，3，4)T繞x軸旋轉45度后相對于參考坐標系的坐標。[解]：10、寫出齊次變換矩陣，它表示相對固定坐標系{A}作以下變換：繞Z軸轉90o；（b）再繞X軸轉-90o；（c）最后做移動（3，7，9）。解：依題意，解得11**、如圖所示為二自由度機械手，已知各桿長度分別為d1，d2。題21圖二連桿機械手（1）進行機器人運動學分析的步驟有那些？結合如圖所示的二自由度機械手，通過建立坐標系及坐標變換矩陣0T1，1T2等，求出機械手末端O3點的位置和速度方程；題21圖二連桿機械手（2）對這類平面機器人，求機械手末端O3點的位置和速度方程還有什么別的方法？（3）求解該機器人的運動學反解。（4）按集中質量，建立其動力學方程式。（1）由題意已知，則：=,=,=圖1==其中（2）如圖1示逆運動學有兩組可能的解。第一組解：由幾何關系得（1）（2）式平方加（2）式平方得第二組解：由余弦定理，1．工業機器人定義？工業機器人的定義：一種用于移動各種材料、零件、工具或者專用裝置的，可通過可編程序動作來執行各種任務的，并且具有各種編程能力的多功能的機械手。2.按機器人的用途分類，可以將機器人分為哪幾大類？試簡述之。工業機器人或產業機器人應用于工農業生產中，主要用在制造業，進行焊接、噴漆、裝配、搬運、檢驗、農產品的加工等產業。探索機器人用于進行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探索。服務機器人一種半自主或全自主的機器人，其所從事的服務工作可使人類生存的更好，使制造業以外的設備工作的更好。軍用機器人用于軍事目的，或進攻性的，或防御性的。3.什么叫“機器人的三守則”？它的重要意義是什么？機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人類將受傷害而袖手旁觀機器人必須絕對服從人類，除非這種服從有害于人類機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者人類命令它做出犧牲等意義：給機器人社會附以新的倫理性，并且機器人概念更加通俗化，更易于為人類社會所接受，至今，它仍為機器人研究人員、設計制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導方針。4.機器人系統一般有哪些程序功能？（1）運算：可以使機器人自己做出判斷，在下一步把機器手或工具置于何處。（2）決策：機器人系統會根據輸入信息做出決策，而不必執行任何運算。（3）通信：機器人與操作人員之間的通信能力，允許機器人要求操作人員提供信息，告知操作者下一步該做什么，以及機器人打算下一步做什么。（4）機械手運動：使復雜的多的運動變為可能；使運動傳感器控制機器手成為可能；能獨立存儲工具位置（5）工具指令：可以對機器人進行比較復雜的控制。（6）傳感器數據處理：機器人的通用計算機必須與傳感器連接起來，才能發揮全部作用。5.有哪幾種重要的機器人高層規劃系統？它們各有什么特點？積木世界的機器人規劃基于消解原理的機器人規劃基于專家系統的機器人規劃機器人路徑規劃6.機器人傳感器的作用和特點為何？（1）機器人傳感器的作用：機器人的通用計算機必須與傳感器連接起來，才能發揮全部作用。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應能力。（2）特點：機器人感覺是把相關的特性或相關的物體特性轉換為執行某一種機器人功能所需的信息，這些物體特征包括幾何的、光學的、機械學的、聲音的、材料的、電氣的、磁性的、放射性的和化學的，這些特征形成符號以表示系統，進而構成與給定工作任務有關的世界狀態知識。傳感器的分類內部傳感器：檢測機器人本身狀態（手臂間角度等）的傳感器。外部傳感器：檢測機器人所處環境（是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（抓取的物體滑落等）的傳感器。外部傳感器分為末端執行器傳感器和環境傳感器。末端執行器傳感器：主要裝在作為末端執行器的手上，檢測處理精巧作業的感覺信息。相當于觸覺。環境傳感器：用于識別物體和檢測物體與機器人的距離。相當于視覺7.什么是變結構系統？為什么要采用變結構控制？變結構系統的定義：系統各部分間的連續關系發生變化；系統的參數產生變化等等，這樣的系統稱為變結構系統。在動態控制過程中，變結構控制系統的結構根據系統當時的狀態偏差及其各階導數的變化，以躍變的方式按照設定的規律做相應改變，它是一類特殊的非線性控制系統。為什么要采用變結構系統？因為一般的程序控制在系統運行的過程中改變系統的結構是預先設定好的，而往往有些異常的突發情況，使得它達不到要求，而變結構控制的話，可以根據誤差及其導數的變化情況來確定。若控制對象參數不變化，自適應控制逐漸退化為定?？刂疲兘Y構控制并不會退化為定?？刂疲冀K保持微變結構控制。8.旋轉矩陣的幾何意義是什么？旋轉矩陣的幾何意義：為了研究機器人的運動和操作，往往不僅要表示空間某一點的位置，而且需要表示物體的方位，物體的方位可由某個固接于物體的坐標系表述。為了規定空間某物體B的方位，設置一直角坐標系｛B｝與此剛體固接，而此時也有一個參考坐標系｛A｝，而為了表示B相對于坐標系A的方位就引入了旋轉矩陣。1)可以表示固定于剛體上的坐標系{B}對參考坐標系的姿態矩陣。2)可作為坐標變換矩陣.它使得坐標系{B}中的點的坐標變換成{A}中點的坐標。3)可作為算子,將{B}中的矢量或物體變換到{A}中。工業機器人和智能機器人的定義分別是什么？工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器人。工業機器人是自動執行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現代的工業機器人還可以根據HYPERLINK"/search?word=%E4%BA%BA%