機器人課程考試復(fù)習(xí)大綱及答案(終極版)

1、20機器人課程復(fù)習(xí)一、名詞解釋工作空間：工業(yè)機器人執(zhí)行任務(wù)時，其腕軸交點能在空間活動的范圍 剛體自由度：物體能夠?qū)ψ鴺讼颠M行獨立運動的數(shù)目機器人的自由度：機器人末端構(gòu)件所具有的獨立運動的數(shù)目。機器人工作載荷：機器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處能承受的最大負載量（包括手部）。機器人運動學(xué)正、逆問題：機器人正動力學(xué)問題 已知機器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩，求機器人各關(guān)節(jié)軌跡或末端執(zhí)行器（位姿）軌跡。機器人逆動力學(xué)問題 已知機器人各關(guān)節(jié)軌跡或末端執(zhí)行器（位姿）軌跡，求機器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩。 雅可比矩陣：研究機器人操作空間速度與關(guān)節(jié)空間速度間的線性映射關(guān)系即雅克比矩陣 機器人運動學(xué)：從幾何學(xué)的觀點來處

2、理手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系稱為運動學(xué)。 機器人動力學(xué)：機器人各關(guān)節(jié)變量對時間的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)與各執(zhí)行器驅(qū)動力或力矩之間的關(guān)系，即機器人機械系統(tǒng)的運動方程。PWM驅(qū)動：脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）驅(qū)動 直流伺服電機的調(diào)節(jié)特性：是指轉(zhuǎn)矩恒定時，電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系。 直流伺服電機的調(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載時的實際角速度之差，與給定轉(zhuǎn)速之比。示教再現(xiàn)：一種可重復(fù)再現(xiàn)通過示教編程存儲起來的作業(yè)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(nèi)的操作桿，按給定運動順序示教動作內(nèi)容，機器人自動把順

3、序、位置和時間等具體數(shù)值記錄在存儲器中。再現(xiàn)時，依次讀出存儲的信息，重復(fù)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(yè)軌跡點及其有關(guān)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(shù)據(jù)區(qū)。再現(xiàn)時，機器人的計算機控制系統(tǒng)自動逐條取出示教命令與位置數(shù)據(jù)，進行解讀、運算并作出判斷，將各種控制信號送到相應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)或端口,使機器人忠實地再現(xiàn)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(yù)先進

4、行程序設(shè)計，而不是用示教的方法編程。二、填空題 1、機器人按機構(gòu)特性可以劃分為 （關(guān)節(jié)機器人） 和 （非關(guān)節(jié)機器人） 兩大類。 2、機器人系統(tǒng)大致由 （驅(qū)動系統(tǒng)） 、 （機械系統(tǒng)） 、 （感知系統(tǒng)） 和 （人機交互系統(tǒng)、機器-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng) 等部分組成。 3、機器人的重復(fù)定位精度是指 （機器人末端執(zhí)行器為重復(fù)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0 0 1 0T表示的內(nèi)容是 z方向 。 5、機器人的運動學(xué)是研究機器人末端執(zhí)行器 位姿 和 運動 與關(guān)節(jié)空間之間的關(guān)系。 6、如果機器人相鄰兩關(guān)節(jié)軸線相交，則聯(lián)接這兩個關(guān)節(jié)的連桿長度為 零 。 7、常用的

5、建立機器人動力學(xué)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(guān)節(jié)變量多于末端執(zhí)行器的運動自由度數(shù) 。 9、機器人的驅(qū)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(zhuǎn)速的傳感器有 測速發(fā)電機 和 增量式碼盤 。 11、機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可以分為 程序 控制方式、 適應(yīng)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(yè)機器人 （B）

6、軍用機器人 （C）服務(wù)機器人 （D）特種機器人 3、手部的位姿是由哪兩部分變量構(gòu)成的？（B） （A）位置與速度 （B）姿態(tài)與位置 （C）位置與運行狀態(tài) （D）姿態(tài)與速度 4、運動學(xué)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(guān)系 （C）動力的傳遞與轉(zhuǎn)換 （D）運動的應(yīng)用 5、動力學(xué)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(guān)系 （C）動力的傳遞與轉(zhuǎn)換 （D）動力的應(yīng)用 6、傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路是將敏感元件產(chǎn)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(yè)系統(tǒng)的要求。一般為：（A） （A）420mA、55V （B）020mA、05V （C）-

7、20mA20mA、55V （D）-20mA20mA、05V 7、傳感器的輸出信號達到穩(wěn)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(shù)。（D） （A）抗干擾能力 （B）精度 （C）線性度 （D）靈敏度 86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(guān)節(jié)角的位置控制系統(tǒng)的設(shè)定值。（B） （A）運動學(xué)正問題 （B）運動學(xué)逆問題 （C）動力學(xué)正問題 （D）動力學(xué)逆問題 10模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)的主要區(qū)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(diào)制方式不一樣

8、（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 2完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機器人稱為冗余自由度機器人。Y 3、關(guān)節(jié)空間是由全部關(guān)節(jié)參數(shù)構(gòu)成的。Y 4、任何復(fù)雜的運動都可以分解為由多個平移和繞軸轉(zhuǎn)動的簡單運動的合成。Y 5、關(guān)節(jié)i的坐標系放在i-1關(guān)節(jié)的末端。N 6手臂解有解的必要條件是串聯(lián)關(guān)節(jié)鏈中的自由度數(shù)等于或小于6。N 7對于具有外力作用的非保守機械系統(tǒng)，其拉格朗日動力函數(shù)L可定義為系統(tǒng)總動能與系統(tǒng)總勢能之和。N 8由電阻應(yīng)變片組成電橋可以構(gòu)成測量重量的傳感器。Y 9激光測距儀可以進行散裝物料重量的檢測。Y 10運動控制的電子齒輪模式是一種主動軸與從動

9、軸保持一種靈活傳動比的隨動系統(tǒng)。Y 11諧波減速機的名稱來源是因為剛輪齒圈上任一點的徑向位移呈近似于余弦波形的變化。N 五、簡答題/問答題1、國內(nèi)外機器人技術(shù)的發(fā)展有何特點？ 答：1、傳感器智能機器人發(fā)展較快 2、新型智能技術(shù)的概念和應(yīng)用研究正醞釀著新的突破 3、采用模塊化設(shè)計技術(shù) 4、機器人工程系統(tǒng)呈上升趨勢 5、微型機器人的研究有所突破 6、應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)擴展 7、行走機器人研究引起重視 8、開發(fā)敏捷制造生產(chǎn)系統(tǒng) 9、軍事機器人將裝備部隊2、有哪幾種機器人分類方法？是否還有其他的分類方法？ 答：1、按機械手的幾何結(jié)構(gòu)來分 2、按機器人的控制方式分 3、按機器人控制器的信息輸入方

10、式分 4、按機器人的智能程度分 5、按機器人的移動性分 6、按機器人的用途分 3、什么叫做“機器人三守則”？它的重要意義是什么？4、工業(yè)機器人和智能機器人的定義分別是什么？工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。到目前為止，在世界范圍內(nèi)還沒有一個統(tǒng)一的智能機器人定義。大多數(shù)專家認為智能機器人至少要具備以下三個要素：一是感覺要素，用來認識周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運動要素，對外界做出反應(yīng)性動作；三

11、是思考要素，根據(jù)感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動作。5、智能機器人的含義是什么？智能機器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受器外，它還有效應(yīng)器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動機，它們使手、腳、長鼻子、觸角等動起來。由此也可知，智能機器人至少要具備三個要素：感覺要素，運動要素和思考要素。6、分析一個空間激光切割機械手至少需要多少自由度？要求能使激光束的焦點定位，并可切割任意曲面。定位需要三個自由度，切割曲面需要三個自由度，共計六個7、機器人的靈活度、自由度和冗余度的概念及其相互關(guān)系是什么？靈活度=自由度+冗余度8、為

12、了將圓柱形的零件放在平板上，機器人至少應(yīng)具有幾個自由度？答：一共需要5個：定位3個，放平穩(wěn)2個9、 機器人的精度、重復(fù)精度及空間分辨度的含義及其區(qū)別？答：精度、重復(fù)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(fù)精度指在相同的運動位置命令下，機器人連續(xù)若干次運動軌跡之間的誤差度量。如果機器人重復(fù)執(zhí)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(fù)精度。分辨率是指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動

13、角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。一臺設(shè)備的運動精度是指命令設(shè)定的運動位置與該設(shè)備執(zhí)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(shè)定的位置之間的差距。工業(yè)機器人的精度、重復(fù)精度和分辨率要求是根據(jù)其使用要求確定的。機器人本身所能達到的精度取決于機器人結(jié)構(gòu)的剛度、運動速度控制和驅(qū)動方式、定位和緩沖等因素。由于機器人有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，不同回轉(zhuǎn)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(yè)機器人只給出重復(fù)精度。10、機器人學(xué)主要包含哪些研究內(nèi)容？ 答：機器人研究的基礎(chǔ)內(nèi)容有以下幾方面：(1)空間機構(gòu)學(xué)；(2)機器人運動學(xué)；(3)

14、機器人靜力學(xué)；(4)機器人動力學(xué)；(5)機器人控制技術(shù)；(6)機器人傳感器；(7)機器人語言。11、機器人運動分析的一般過程是什么？為什么要進行機器人的動力學(xué)分析？答：1、建立坐標系 2、確定連桿參數(shù) 3、寫出各個齊次矩陣 4、寫方程 機器人動力學(xué)研究目的，建立力、質(zhì)量和加速度之間以及力矩、慣量和角速度之間的關(guān)系。確定力和力矩，計算每個驅(qū)動器所需的驅(qū)動力，以便在機器人連桿和關(guān)節(jié)上產(chǎn)生期望的加速度。根據(jù)有關(guān)方程并考慮機器人的外部載荷計算出驅(qū)動器可能承受的最大載荷，設(shè)計出能提供足夠力及力矩的驅(qū)動器。研究機器人不同部件之間的關(guān)系，合理地設(shè)計出機器人的部件。 12、 簡述建立工業(yè)機器人運動學(xué)方程的方法

15、、步驟。建立各連桿坐標系，確定各連桿D-H參數(shù)，寫出各齊次矩陣（利用式和D-H參數(shù)計算各連桿之間的D-H矩陣），寫運動學(xué)方程（根據(jù)建立機器人機構(gòu)的運動學(xué)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(guān)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(yīng)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(guān)節(jié)空間和操作空間的方程系數(shù)矩陣（）15、什么是機器人的奇異狀態(tài)？

16、機器人的雅克比矩陣的行列式等于零時的狀態(tài)，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(tài) 17、工業(yè)機器人常用的驅(qū)動器有那些類型，并簡要說明其特點。 （1）電動驅(qū)動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，轉(zhuǎn)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(lián)，直接驅(qū)動比較困難。（2）液壓驅(qū)動器的優(yōu)點是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫及有潔凈要求的場合。故液壓驅(qū)動器目前多用于特大功率的操作機器人系統(tǒng)或機器人化工程機械

17、。 （3）氣動驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但也需要增設(shè)氣壓源，且與液壓驅(qū)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。18、 常用的工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)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(tǒng)中為什么往往需要一個傳動（減速）系統(tǒng)？因為現(xiàn)在的電機一般速度較高，力矩較小，需要通過傳動系統(tǒng)降低轉(zhuǎn)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(shè)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

18、用空間，直觀等優(yōu)點。（2）立柱式。多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運動型式，一般臂部都可在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，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摹⒆猿上到y(tǒng)的完整裝置，可隨意安放和搬動。也可以具有行走機構(gòu)，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(xiàn)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(guī)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

19、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(guī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)由哪些部分組成？ 答：(1)

20、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(jié)構(gòu)光設(shè)備等；(2) 視頻信號數(shù)字化設(shè)備，其任務(wù)是把攝像機或者CCD輸出的信號轉(zhuǎn)換成方便計算和分析的數(shù)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(xiàn)設(shè)備：如DSP系統(tǒng)；(4) 計算機及其設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計算機及其外設(shè)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(tǒng)的基本單元有哪些？ 答：構(gòu)成機器人控制系統(tǒng)的基本要素包括： (1) 電動機，提供驅(qū)動機器人運動的驅(qū)動力。(2) 減速器，為了增加驅(qū)動力矩、降低運動速度。(3) 驅(qū)動電路，由于

21、直流伺服電動機或交流伺服電動機的流經(jīng)電流較大，機器人常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式進行驅(qū)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(shù)。(5) 控制系統(tǒng)的硬件，以計算機為基礎(chǔ)，采用協(xié)調(diào)級與執(zhí)行級的二級結(jié)構(gòu)。(6) 控制系統(tǒng)的軟件，實現(xiàn)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(yīng)的論域，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的語言值。(2) 知識庫：包含應(yīng)用領(lǐng)域的知識和控制目標，它由數(shù)據(jù)和

22、模糊語言控制規(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，作為系統(tǒng)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(zhí)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(guān)系等，特別適用于組裝作業(yè)。(3) 任務(wù)級：只要直接指定操作內(nèi)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)？為什么要采用變結(jié)構(gòu)控制？一個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的

23、結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)系統(tǒng)模型。29、試述機器人滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制的原理，是根據(jù)系統(tǒng)所期望的動態(tài)特性來設(shè)計系統(tǒng)的切換超平面，通過滑動模態(tài)控制器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向切換超平面收束。系統(tǒng)一旦到達切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超平面到達系統(tǒng)原點，這一沿切換超平面向原點滑動的過程稱為滑?？刂?。30、自適應(yīng)控制器有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？試簡介其工作原理。機器人自適應(yīng)控制分為三類：模型參考自適應(yīng)控制、自校正自適應(yīng)控制和線性攝動自適應(yīng)控制等。 (a)模型參考自適應(yīng)控制器 ；它的基本設(shè)計思想是：為機器人機械手的狀態(tài)方程（傳動）綜合一個控制信

24、號u，或為狀態(tài)方程（動力學(xué)）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(guī)定的期望方式，迫使系統(tǒng)具有需要特性。 (b)自校正自適應(yīng)控制器 ；它與MRAC方法的主要區(qū)別在于：STAC用線性離散模型來表示操作機器人系統(tǒng)的動力學(xué)特性，因而其控制器為一數(shù)字控制器。這種離散模型必須借助系統(tǒng)辨識技術(shù)，應(yīng)用采樣輸入-輸出數(shù)據(jù)來建立。線性攝動自適應(yīng)控制器六、論述題/綜合題 1、試論述機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢。 答：科學(xué)技術(shù)水平是機器人技術(shù)的基礎(chǔ)，科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展將會使機器人技術(shù)提高到一個更高的水平。未來機器人技術(shù)的主要研究內(nèi)容集中在以下幾個方面：(1) 工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。探索新的高強度輕質(zhì)

25、材料，進一步提高負載-自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。(2) 機器人控制技術(shù)。重點研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，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(wǎng)絡(luò)化以及基于PC機網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。(3) 多傳感系統(tǒng)。為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)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(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。(4) 機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)。多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等

26、。(5) 虛擬機器人技術(shù)?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w和虛擬現(xiàn)實以及臨場感應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙控操作和人機交互。(6) 多智能體控制技術(shù)。這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)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(shù)。這是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方，法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。(8) 軟機

27、器人技術(shù)。主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機器人設(shè)計未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機器人意外地與環(huán)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(shù)。這是機器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎(chǔ)研究。 2、試論述精度、重復(fù)精度與分辨率之間的關(guān)系。 答：精度、重復(fù)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(fù)精度指在相同的運動位置命令下，機器人連續(xù)若干次

28、運動軌跡之間的誤差度量。如果機器人重復(fù)執(zhí)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(fù)精度。分辨率是指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。一臺設(shè)備的運動精度是指命令設(shè)定的運動位置與該設(shè)備執(zhí)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(shè)定的位置之間的差距。工業(yè)機器人的精度、重復(fù)精度和分辨率要求是根據(jù)其使用要求確定的。機器人本身所能達到的精度取決于機器人結(jié)構(gòu)的剛度、運動速度控制和驅(qū)動方式、定位和緩沖等因素。由于機器人有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，不同回轉(zhuǎn)半徑時其直線分辨率是變化的

29、，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(yè)機器人只給出重復(fù)精度。 3、試論述工業(yè)機器人的應(yīng)用準則。 答：設(shè)計和應(yīng)用工業(yè)機器人時，應(yīng)全面考慮和均衡機器人的通用性、環(huán)境的適應(yīng)性、耐久性、可靠性和經(jīng)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(fēng)塵、噪聲、振動、高溫、易燃易爆等危險有害的環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。在技術(shù)、經(jīng)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(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量落后的部門應(yīng)用機器人現(xiàn)代化的大生產(chǎn)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(fù)性

30、的工作，使生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)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(jīng)常對機械進行保養(yǎng)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(yè)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(xù)從事所交給的工作，直至其機械壽命完結(jié)。(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(jīng)理們極關(guān)心的是機器人的經(jīng)濟性。在經(jīng)濟方面所考慮的因素包括勞力、材料、生產(chǎn)率、能源、設(shè)備和成本等?？梢杂脙斶€期Y定量地衡量機器人使用的合

31、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(yīng)用機器人時需要人在應(yīng)用工業(yè)機器人代替工人操作時，要考慮工業(yè)機器人的現(xiàn)實能力以及工業(yè)機器人技術(shù)知識的現(xiàn)狀和未來給予預(yù)測。用現(xiàn)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(yè)機器人顯得過于遜色；但在承受環(huán)境條件的能力和可靠性方面，工業(yè)機器人比人優(yōu)越。因此要把工業(yè)機器人安排在生產(chǎn)線中的恰當位置上，使它成為工人的好助手。4、如果讓你設(shè)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？ 5、試論述機器人靜力學(xué)、動力學(xué)、運動學(xué)

32、的關(guān)系。習(xí)題4-17圖 答：靜力學(xué)指在機器人的手爪接觸環(huán)境時，在靜止狀態(tài)下處理手爪力F與驅(qū)動力的關(guān)系。動力學(xué)研究機器人各關(guān)節(jié)變量對時間的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)與各執(zhí)行器驅(qū)動力或力矩之間的關(guān)系，即機器人機械系統(tǒng)的運動方程。而運動學(xué)研究從幾何學(xué)的觀點來處理手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系。在考慮控制時，就要考慮在機器人的動作中，關(guān)節(jié)驅(qū)動力會產(chǎn)生怎樣的關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)加速度，處理這種關(guān)系稱為動力學(xué)（dynamics）。對于動力學(xué)來說，除了與連桿長度有關(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)。運動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)中各變量的關(guān)系如下圖所示。圖中用虛線表示的關(guān)系可通過實

33、線關(guān)系的組合表示，這些也可作為動力學(xué)的問題來處理。 6、試論述輪式行走機構(gòu)和足式行走機構(gòu)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(yīng)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(yōu)越的。車輪的形狀或結(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)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(nèi)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(yīng)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(yōu)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(wěn)；足式

34、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(nèi)容。習(xí)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(jù)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(yīng)的插補運算，求出該插補點的位姿值； （3）根據(jù)機器人逆運動學(xué)原理，求出手臂解，即對應(yīng)于插補點位姿的全部關(guān)節(jié)角(q1, , qn)； （4）以求出的關(guān)節(jié)角為相應(yīng)關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)的設(shè)定值，分別控制n個關(guān)節(jié)驅(qū)動電機； （5）和關(guān)節(jié)驅(qū)動電機同軸連接的光軸編碼器給出該關(guān)節(jié)當前實際位置值，進行反饋，位

35、置控制系統(tǒng)根據(jù)此位置誤差（設(shè)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(xué)是一門綜合性的學(xué)科，（1）試論述機器人學(xué)重要的研究內(nèi)容及其所需要解決的問題（至少3個方面）。答：機器人學(xué)【robotics】與機器人設(shè)計、制造和應(yīng)用相關(guān)的科學(xué)。機器人學(xué)又稱為機器人技術(shù)或機器人工程學(xué)，主要研究機器人的控制與被處理物體之間的相互關(guān)系。機器人學(xué)涉及的科目很多，主要內(nèi)容有運動學(xué)和動力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、行動規(guī)劃和應(yīng)用工程等。隨著工業(yè)自動化和計算機技術(shù)的發(fā)展，到六十年代機器人開始進入大量生產(chǎn)和實際應(yīng)用階段。爾后由于自動裝備海洋開發(fā)空間探索等實際問題的需要，對機器人的智能水平提

36、出了更高的要求。特別是危險環(huán)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(xué)的研究推動了許多人工智能思想的發(fā)展，有一些技術(shù)可在人工智能研究中用來建立世界狀態(tài)的模型和描述世界狀態(tài)變化的過程。關(guān)于機器人動作規(guī)劃生成和規(guī)劃監(jiān)督執(zhí)行等問題的研究，推動了規(guī)劃方法的發(fā)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(gòu)外，還要研究機器視覺觸覺聽覺等信感技術(shù)，以及機器人語言和智能控制軟件等。可以看出這是一個設(shè)計精密機械信息傳感技術(shù)人工智能方法智能控制以及生物工程等學(xué)科的綜合技術(shù)。這一課題研究有利于促進各學(xué)科的相互結(jié)合，并大大推動人工智能技術(shù)的發(fā)展。 1、傳感器與感知系統(tǒng)2、驅(qū)

37、動、建模與控制3、自動規(guī)劃與調(diào)度4、計算機系統(tǒng)5、應(yīng)用研究9、方向余弦矩陣是進行機器人運動學(xué)分析和動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，試論述方向余弦矩陣的性質(zhì)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(guān)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(yīng)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

38、正交基與另一組標準正交基之間的關(guān)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(yè)）機器人進行位置和力的控制時，試比較關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計和操作空間控制器設(shè)計的不同點，并畫出一個機器人單關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間控制器和操作空間控制器的控制系統(tǒng)框圖。解：答：關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間控制器和操作空間控制器的控制系統(tǒng)框圖如下 11、以多自由度工業(yè)機器人為例，分析討論機器人的控制：（1）分析討論工業(yè)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(qū)別；答：位置控制：工業(yè)機器人位

39、置控制的目的，就是要使機器人各關(guān)節(jié)實現(xiàn)預(yù)先所規(guī)劃的運動，最終保證工業(yè)機器人終端(手爪)沿預(yù)定的軌跡運行。這類運動控制的特點是連續(xù)控制工業(yè)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(wěn)。軌跡控制的技術(shù)指標是軌跡精度和平穩(wěn)性。速度控制意味著各個關(guān)節(jié)馬達的運動聯(lián)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(wěn)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(guān)節(jié)的期望速度，然后對各個關(guān)節(jié)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(yīng)的各個關(guān)節(jié)加速度，再按照動力學(xué)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

40、，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(qū)動空間的單個關(guān)節(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖。機器人控制系統(tǒng)以機器人作為控制對象，它的設(shè)計方法及參數(shù)選擇，仍可參照一般計算機/嵌入式控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的工業(yè)機器人大多采用獨立關(guān)節(jié)的PID控制。如圖所示PUMA機器人的控制結(jié)構(gòu)即為一典型。由于獨立關(guān)節(jié)PID控制未考慮被控對象（機器人）的非線性及關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)控制方框圖如圖所示。從圖可見，它有個光學(xué)編碼

41、器，與測速發(fā)電機一起組成位置和速度反饋。這種工業(yè)機器人是一種定位裝置，它的每個關(guān)節(jié)都有一個位置控制系統(tǒng)。要提高響應(yīng)速度，通常是要提高系統(tǒng)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(tǒng)，以加強反電勢的作用。要做到這一點，可以采用測速發(fā)電機，或者計算一定時間間隔內(nèi)傳動軸角位移的差值。傳遞函數(shù)： 要提高響應(yīng)速度，通常是要提高系統(tǒng)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(tǒng)，以加強反電勢的作用。要做到這一點，可以采用測速發(fā)電機，或者計算一定時間間隔內(nèi)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(yè)的，所以其末端工具的動態(tài)性能將直接影響操作質(zhì)量。又因末端的運動是所有關(guān)節(jié)運動的復(fù)雜

42、函數(shù)，因此，即使每個關(guān)節(jié)的動態(tài)性能可行，而末端的動態(tài)性能則未必能滿足要求。 （3）比較關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計和操作空間控制器設(shè)計的不同點。答：操作空間控制器設(shè)計涉及運動學(xué)的正、反解。七、計算題（需寫出計算步驟） 1、已知R為旋轉(zhuǎn)矩陣，b為平移向量，試寫出相應(yīng)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(chǔ)作以下變換：（a）繞zA軸轉(zhuǎn)900； （b）再繞xA軸轉(zhuǎn)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

43、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(zhuǎn)900； （c）繞zB軸轉(zhuǎn)900。答：=Trans（3，7，9）Rot（X，90）Rot（Z，90）= 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(zhuǎn)300角，然后繞XA軸旋轉(zhuǎn)450角。試給出依次按上述次序完成旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣。 7、坐標系B的位置變化如下：初始時，坐標系A(chǔ)與B重合，讓坐標系B繞ZB軸旋轉(zhuǎn)300角；然后再繞XB軸旋轉(zhuǎn)450角。給出把對矢量Bp的描述變?yōu)閷p描述的旋轉(zhuǎn)矩陣。 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=(

44、2，3，4)T繞x軸旋轉(zhuǎn)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(chǔ)作以下變換：（a） 繞Z軸轉(zhuǎn)90；（b）再繞X軸轉(zhuǎn)-90；（c）最后做移動（3，7，9）。解： 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(xué)分析的步驟有那些？結(jié)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； （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(xué)反解。 （4）按集中質(zhì)量，建立其動力學(xué)方程式。

45、（1）由題意已知，則：=,=,=圖1=其中（2）如圖1示逆運動學(xué)有兩組可能的解。第一組解：由幾何關(guān)系得 （1） （2）（1） 式平方加（2）式平方得第二組解：由余弦定理， 1工業(yè)機器人定義？工業(yè)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(zhí)行各種任務(wù)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。1) 工業(yè)機器人或產(chǎn)業(yè)機器人 應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，主要用在制造業(yè)，進行焊接、噴漆、裝配、搬運、檢驗、農(nóng)產(chǎn)品的加工等產(chǎn)業(yè)。2) 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。3) 服務(wù)機器人 一種

46、半自主或全自主的機器人，其所從事的服務(wù)工作可使人類生存的更好，使制造業(yè)以外的設(shè)備工作的更好。4) 軍用機器人 用于軍事目的，或進攻性的，或防御性的。4. 機器人系統(tǒng)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(tǒng)會根據(jù)輸入信息做出決策，而不必執(zhí)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(fù)雜的多的運動變?yōu)榭赡埽皇惯\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(fù)雜的控制。

47、 （6）傳感器數(shù)據(jù)處理：機器人的通用計算機必須與傳感器連接起來，才能發(fā)揮全部作用。5. 有哪幾種重要的機器人高層規(guī)劃系統(tǒng)？它們各有什么特點？1) 積木世界的機器人規(guī)劃2) 基于消解原理的機器人規(guī)劃3) 基于專家系統(tǒng)的機器人規(guī)劃4) 機器人路徑規(guī)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(fā)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(yīng)能力。 （2）特點：機器人感覺是把相關(guān)的特性或相關(guān)的物體特性轉(zhuǎn)換為執(zhí)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(xué)的、機械學(xué)的、聲音的、材料的、電氣的、磁性的、放射性的和化學(xué)的，這些特征形成符號以表示系統(tǒng)，進而構(gòu)成與給定工作任務(wù)有關(guān)的世界狀態(tài)知識。傳感器的分類 內(nèi)部傳感器：檢測機器人本身狀態(tài)（手臂間角度等）的傳感器。 外部傳感器：檢測機器人所處環(huán)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(zhí)行器傳感器和環(huán)境傳感器。 末端執(zhí)行