機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論習(xí)題

1、1 .自由度：指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。2 .機(jī)器人工作載荷：機(jī)器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機(jī)械接口處能承受的最大負(fù)載量（包括手部）。3 .柔性手：可對(duì)不同外形物體實(shí)施抓取，并使物體表面受力比較均勻的機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)。4 .制動(dòng)器失效抱閘：指要放松制動(dòng)器就必須接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。5 .機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) :從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)處理手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)學(xué)。6 .機(jī)器人動(dòng)力學(xué)：機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)與各執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力或力矩之間的 關(guān)系，即機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。7 .虛功原理：約束力不作功的力學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平衡的必要且充分條件是對(duì)結(jié)構(gòu)上允許的任意位移（虛位

2、移）施力可作功之和為零。8 . PWME動(dòng)：脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)。9 .電機(jī)無(wú)自轉(zhuǎn)：控制電壓降到零時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)能立即自行停轉(zhuǎn)。10 .直流伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)特性：是指轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系。11 .直流伺服電機(jī)的調(diào)速精度 ：指調(diào)速裝置或系統(tǒng)的給定角速度與帶額定負(fù)載時(shí)的實(shí)際角速度之差，與給定轉(zhuǎn)速之比。12 . PID拴帝:指按照偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制。13 .壓電元件：指某種物質(zhì)上施加壓力就會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，即產(chǎn)生壓電現(xiàn)象的元件。14 .圖像銳化：突出圖像中的高頻成分，使輪廓增強(qiáng)。15 .隸屬函數(shù)：表示論域U中的元素u屬于模糊子集 A的程度，在0,1閉區(qū)間內(nèi)可連續(xù)取值。16

3、.脫機(jī)編程：指用機(jī)器人程序語(yǔ)言預(yù)先進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，而不是用示教的方法編程。17 . AUV無(wú)纜自治水下機(jī)器人，或自動(dòng)海底車(chē)。二、簡(jiǎn)答題：1 .機(jī)器人學(xué)主要包含哪些研究?jī)?nèi)容？2 .機(jī)器人常用的機(jī)身和臂部的配置型式有哪些？4 .機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元有哪些？5 .直流電機(jī)的額定值有哪些？6 .常見(jiàn)的機(jī)器人外部傳感器有哪些？7 .簡(jiǎn)述脈沖回波式超聲波傳感器的工作原理。8 .機(jī)器人視覺(jué)的硬件系統(tǒng)由哪些部分組成？9 .為什么要做圖像的預(yù)處理？機(jī)器視覺(jué)常用的預(yù)處理步驟有哪些？10 .請(qǐng)簡(jiǎn)述模糊控制器的組成及各組成部分的用途。11 .從描述操作命令的角度看，機(jī)器人編程語(yǔ)言可分為哪幾類(lèi)？12 .仿人機(jī)器人的關(guān)

4、鍵技術(shù)有哪些？1. 答：機(jī)器人研究的基礎(chǔ)內(nèi)容有以下幾方面：（1）空間機(jī)構(gòu)學(xué)；（2）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)；（3）機(jī)器人靜力學(xué)；（4）機(jī)器人動(dòng)力學(xué)；（5）機(jī)器人控制技術(shù)；（6）機(jī)器人傳感器；（7）機(jī)器人語(yǔ)言。2 .答：目前常用的有如下幾種形式：（1）橫梁式。（2）立柱式。（3）機(jī)座式。（4）屈伸式。4 .答：構(gòu)成機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要素包括：（1）電動(dòng)機(jī),（2）減速器,（3）驅(qū)動(dòng)電路,（4）運(yùn)動(dòng)特性檢測(cè)傳感器，（5）控制系統(tǒng)的硬件，（6）控制系統(tǒng)的軟件，5 .答：直流電動(dòng)機(jī)的額定值有以下幾項(xiàng)：（1）額定功率, 額定電壓, 額定電流,（4）額定轉(zhuǎn)速,6 .答常見(jiàn)的外部傳感器包括觸覺(jué)傳感器，分為；接觸覺(jué)傳感器

5、、壓覺(jué)傳感器、滑覺(jué)傳感器和力覺(jué)傳感器。 距離傳感器，包括超聲波傳感器，接近覺(jué)傳感器，以及視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器、味覺(jué)傳感 奧箋 o7 .答：在脈沖回波式中，先將超聲波用脈沖調(diào)制后發(fā)射，根據(jù)經(jīng)被測(cè)物體反射回來(lái)的回波延遲時(shí)間 A t,計(jì)算出被測(cè)物體的距離R,假設(shè)空氣中的聲速為 v,則被測(cè)物與傳感器間的距離R為：R v t/2如果空氣溫度為T(mén) （C）,則聲速v可由下式求得：v 331.5 0.607T m/s8 .答：（1）景物和距離傳感器，常用的有攝像機(jī)、CCD圖像傳感器、超聲波傳感器和結(jié)構(gòu)光設(shè)備等；（2）視頻信號(hào)數(shù)字化設(shè)備， 其任務(wù)是把攝像機(jī)或者 CCD俞出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成方便計(jì)算和分析

6、的數(shù)字信號(hào)；視頻信號(hào)處理器，視頻信號(hào)實(shí)時(shí)、快速、并行算法的硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)備：如DSP系統(tǒng)；（4）計(jì)算機(jī)及其設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計(jì)算機(jī)及其外設(shè)來(lái)滿(mǎn)足機(jī)器人視覺(jué)信息處理及其機(jī)器人控制的需要；（5）機(jī)器人或機(jī)械手及其控制器。一9 .答：預(yù)處理的主要目的是清楚原始圖像中各種噪聲等無(wú)用的信息，改進(jìn)圖像的質(zhì)量，增強(qiáng)興趣的有 用信息的可檢測(cè)性。從而使得后面的分割、特征抽取和識(shí)別處理得以簡(jiǎn)化，并提高其可靠性。機(jī)器視覺(jué)常 用的預(yù)處理包括去噪、灰度變換和銳化等。10 .答：模糊邏輯控制器由 4個(gè)基本部分組成，即模糊化、知識(shí)庫(kù)、推理算法和逆模糊化。（1）模糊化：將檢測(cè)輸入變量值變換成相應(yīng)的論域，將輸入數(shù)據(jù)

7、轉(zhuǎn)換成合適的語(yǔ)言值。（2）知識(shí)庫(kù)：包含應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)和控制目標(biāo)，它由數(shù)據(jù)和模糊語(yǔ)言控制規(guī)則組成。（3）推理算法：從一些模糊前提條件推導(dǎo)出某一結(jié)論，這種結(jié)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(zhuǎn)換為明確的控制訊號(hào)，作為系統(tǒng)的輸入值。11 .答：機(jī)器人編程語(yǔ)言可分為：（1）動(dòng)作級(jí)：以機(jī)器人末端執(zhí)行器的動(dòng)作為中心來(lái)描述各種操作，要在程序中說(shuō)明每個(gè)動(dòng)作。（2）對(duì)象級(jí)：允許較粗略地描述操作對(duì)象的動(dòng)作、操作對(duì)象之間的關(guān)系等，特 別適用于組裝作業(yè)。（3）任務(wù)級(jí)：只要直接指定操作內(nèi)容就可以了，為此，機(jī)器人必須一邊思考一邊工作。12 .答：（1）仿人機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）仿人機(jī)器人

8、的運(yùn)動(dòng)操作控制，包括實(shí)時(shí)行走控制、手部操 作的最優(yōu)姿態(tài)控制、自身碰撞監(jiān)測(cè)、三維動(dòng)態(tài)仿真、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡跟蹤；（3）仿人機(jī)器人的整體動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)建模；（4）仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究；（5）仿人機(jī)器人的人機(jī)交互研究，包括視覺(jué)、語(yǔ)音及情感等方面的交互；（6）動(dòng)態(tài)行為分析和多傳感器信息融合。三、論述題：1 .試論述機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。2 .試論述精度、重復(fù)精度與分辨率之間的關(guān)系。3 .試論述輪式行走機(jī)構(gòu)和足式行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和各自適用的場(chǎng)合。4 .試論述機(jī)器人靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)系。5 .機(jī)器人單關(guān)節(jié)伺服控制中，位置反饋增益和速度反饋增益是如何確定的？6 .試論述工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用準(zhǔn)則。

9、1 .答：（1）工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。 （2）機(jī)器人控制技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)，人機(jī)界面更加 多 傳感系統(tǒng)。（4）機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)。（5）虛擬機(jī)器人技術(shù)。（6）多智能體控制技術(shù)。（7）微型和微小機(jī)器人技術(shù)。（8）軟機(jī)器人技術(shù)。（9）仿人和仿生技術(shù)。2 .答：精度、重復(fù)精度和分辨率用來(lái)定義機(jī)器人手部的定位能力。精度是一個(gè)位置量相對(duì)于其參照系的絕對(duì)度量，指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與所需要到達(dá)的理想位置之間 的差距。機(jī)器人的精度決定于機(jī)械精度與電氣精度。重復(fù)精度指在相同的運(yùn)動(dòng)位置命令下，機(jī)器人連續(xù)若干次運(yùn)動(dòng)軌跡之間的誤差度量。分辨率是指機(jī)器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動(dòng)距

10、離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。工業(yè)機(jī)器 人的精度、重復(fù)精度和分辨率要求是根據(jù)其使用要求確定的。機(jī)器人本身所能達(dá)到的精度取決于機(jī)器人結(jié) 構(gòu)的剛度、運(yùn)動(dòng)速度控制和驅(qū)動(dòng)方式、定位和緩沖等因素。由于機(jī)器人有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，不同回轉(zhuǎn)半徑時(shí)其直線分辨率是變化的，因此造成了機(jī)器人的精度難以確定。由 于精度一般較難測(cè)定，通常工業(yè)機(jī)器人只給出重復(fù)精度。3 .答：輪式行走機(jī)器人是機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對(duì)平坦的地面上，用車(chē)輪移動(dòng)方式行走是 相當(dāng)優(yōu)越的。車(chē)輪的形狀或結(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)和車(chē)輛的承載能力。在軌道上運(yùn)行的多采用實(shí)心鋼 輪，室外路面行駛的采用充氣輪胎，室內(nèi)平坦地面上的可采用實(shí)心輪胎。足

11、式行走對(duì)崎嶇路面具有很好的 適應(yīng)能力，足式運(yùn)動(dòng)方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式行走 工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有點(diǎn)；足式運(yùn)動(dòng)方式還具有主動(dòng)隔震能力，盡管地面高低不平，機(jī)身 的運(yùn)動(dòng)仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)；足式行走在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，能耗較少。4 .答：靜力學(xué)指在機(jī)器人的手爪接觸環(huán)境時(shí)，在靜止?fàn)顟B(tài)下處理手爪力F與驅(qū)動(dòng)力r的關(guān)系。動(dòng)力學(xué)研究機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)與各執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力或力矩之間的關(guān)系，即機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。在考慮控制時(shí)，就要考慮在機(jī)器人的動(dòng)作中，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力r會(huì)產(chǎn)生怎樣的關(guān)節(jié)位置 e、關(guān)節(jié)速度 卜關(guān)節(jié)加速度處理

12、這種關(guān)系稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)（dynamics）。對(duì)于動(dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)，除了與連桿長(zhǎng)度有 關(guān)之外，還與各連桿的質(zhì)量，繞質(zhì)量中心的慣性矩，連桿的質(zhì)量中心與關(guān)節(jié)軸的距離有關(guān)。運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)中各變量的關(guān)系如下圖所示。圖中用虛線表示的關(guān)系可通過(guò)實(shí)線關(guān)系的組合表示，8這些也可作為動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題來(lái)處理。運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)步力學(xué)5.答：二階系統(tǒng)的特性取決于它的無(wú)阻尼自然頻率 阻尼或過(guò)阻尼，即要求系統(tǒng)的阻尼比1 (注意,特征方程標(biāo)準(zhǔn)形式所求得的con代入可得：3n和阻尼比&為了安全起見(jiàn)，我們希望系統(tǒng)具有臨界系統(tǒng)的位置反饋增益 kp>0表示負(fù)反饋)。把由二階系統(tǒng)Rafeffkakb kakv12, kakpJef

13、fRa因而速度反饋增益 k v為:k 2kakpJeffRaR fefka/vka取方程等號(hào)時(shí)，系統(tǒng)為臨界阻尼系統(tǒng)；取不等號(hào)時(shí)，為過(guò)阻尼系統(tǒng)。在確定位置反饋增益 k p時(shí)，必須考慮操作臂的結(jié)構(gòu)剛性和共振頻率，它與操作臂的結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì) 量分布和制造裝配質(zhì)量有關(guān)。Paul于1981年建議：閉環(huán)系統(tǒng)無(wú)阻尼自然頻率癡必須限為了不至于激起結(jié)構(gòu)的振盈和系統(tǒng)的共振, 制在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)共振頻率的一半之內(nèi)，即：3n0.5 3r根據(jù)這一要求來(lái)調(diào)整反饋增益 kp,可以求出:.20kp30 J°Ra4kak p求出后，相應(yīng)的速度反饋增益k v可求得:kvRaCOoJjoJeffRJeffObka6.答：設(shè)計(jì)和

14、應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人時(shí)，應(yīng)全面考慮和均衡機(jī)器人的通用性、環(huán)境的適應(yīng)性、耐久性、可靠 性和經(jīng)濟(jì)性等因素，具體遵循的準(zhǔn)則如下。(1)從惡劣工種開(kāi)始采用機(jī)器人(2)在生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量落后的部門(mén)應(yīng)用機(jī)器人(3)要估計(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)需要 (4)機(jī)器人的投入和使用成本 (5)應(yīng)用機(jī)器人時(shí)需要人四、計(jì)算題：1.已知點(diǎn)u的坐標(biāo)為7,3,2T,對(duì)點(diǎn)u依次進(jìn)行如下的變換：(1)繞z軸旋轉(zhuǎn)90°得到點(diǎn)v; (2)繞y 軸旋轉(zhuǎn)90。得到點(diǎn)w; (3)沿x軸平移4個(gè)單位，再沿y軸平移-3個(gè)單位，最后沿z軸平移7個(gè)單 位得到點(diǎn)to求u, v, w, t各點(diǎn)的齊次坐標(biāo)。解：點(diǎn)u的齊次坐標(biāo)為:7,3,2,1v = Rot(z,90

15、0 10 0 71 0 0 0 30 0 10 237w = Rot(y,9021001032010077100023000111100426t = Trans(4,-3,7)w =01037400173100001112.如圖所示為具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的X0, y。下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。解：建立如圖1的參考坐標(biāo)系,3R機(jī)械手，求末端機(jī)械手在基坐標(biāo)系C2C|S1 0 0電 0L1c3S30 L2si0c1001s2010,2-0c2002 S3c300,T3 =01000100T3 = 0T11T22T3=0c123s1230L1c1L2 c12s123c1230L1s1L2 s12其中 c123cos