機器人習題答案(開卷必備)

1、.課程考試復習題及參考答案一、名詞解釋題：1. 自由度：指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。2.機器人工作載荷：機器人在規(guī)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）。3. 柔性手：可對不同外形物體實施抓取，并使物體表面受力比較均勻的機器人手部結構。4. 制動器失效抱閘：指要放松制動器就必須接通電源，否則，各關節(jié)不能產生相對運動。5. 機器人運動學：從幾何學的觀點來處理手指位置與關節(jié)變量的關系稱為運動學。6. 機器人動力學： 機器人各關節(jié)變量對時間的一階導數(shù)、 二階導數(shù)與各執(zhí)行器驅動力或力矩之間的關系，即機器人機械系統(tǒng)的運動方程。7.虛功原理： 約束力不作功的力學系統(tǒng)實現(xiàn)平衡的必要且

2、充分條件是對結構上允許的任意位移（虛位移）施力所作功之和為零。8.PWM驅動：脈沖寬度調制（ Pulse Width Modulation）驅動。9. 電機無自轉：控制電壓降到零時，伺服電動機能立即自行停轉。10. 直流伺服電機的調節(jié)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。11. 直流伺服電機的調速精度：指調速裝置或系統(tǒng)的給定角速度與帶額定負載時的實際角速度之差，與給定轉速之比。12. 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。13. 壓電元件：指某種物質上施加壓力就會產生電

3、信號，即產生壓電現(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。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)間內可連續(xù)取值。16. BP網絡： BP (Back Propagation) 神經網絡是基于誤差反向傳播算法的人工神經網絡。17. 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。18. AUV： Autonomous Underwater Vehicle無纜自治水下機器人，或自動海底車。二、簡答題：1. 機器人學主要包含哪些研究內容？答：機器人研究的基礎內容有以下幾方面： (1) 空間機構學； (2) 機器人運

4、動學； (3) 機器人靜力學； (4) 機器人動力學； (5) 機器人控制技術； (6) 機器人傳感器； (7) 機器人語言。2. 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(yōu)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。可以是獨立的、自成系統(tǒng)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

5、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。3. 拉格朗日運動方程式的一般表示形式與各變量含義？答：拉格朗日運動方程式一般表示為：dLLdtq&q式中， q 是廣義坐標； 是廣義力。 L 是拉格朗日算子，表示為LKP這里，K 是動能； P 是位能。4. 機器人控制系統(tǒng)的基本單元有哪些？答：構成機器人控制系統(tǒng)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

6、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， 采用協(xié)調級與執(zhí)行級的二級結構。 (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。5. 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)

7、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 。6. 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。7. 簡述脈沖回波式超聲波傳感器的工作原理。答：在脈沖回波式中，先將超聲波用脈沖調制后發(fā)射，根據經被測物體反射回來的回波延遲時間t，計算出被測物體的距離R，假設空氣中的聲速為v，則被測物與傳感器間的距離R 為：Rvt / 2如果空氣溫度為T（ )，則聲速 v 可由下式求

8、得：v331.50.607Tm/s8. 機器人視覺的硬件系統(tǒng)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(shù)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(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)設備：如DSP 系統(tǒng)； (4) 計算機及其設備，根據系統(tǒng)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。9. 為什么要做圖像的預處理？機器視覺常用的預處理步驟有哪些？答：預處理的主要目的是清楚原始圖像中

9、各種噪聲等無用的信息，改進圖像的質量，增強興趣的有用信息的可檢測性。從而使得后面的分割、特征抽取和識別處理得以簡化，并提高其可靠性。機器視覺常用的預處理包括去噪、灰度變換和銳化等。10. 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(shù)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(shù)據和模糊語言控制規(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

10、訊號，作為系統(tǒng)的輸入值。11. 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、操作對象之間的關系等，特別適用于組裝作業(yè)。 (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。12. 仿人機器人的關鍵技術有哪些？答： (1) 仿人機器人的機構設計；(2) 仿人機器人的運動操作控制，包括實時行走控制、手部操作的最優(yōu)姿'.態(tài)控制、自身碰撞監(jiān)測、三維動態(tài)仿真、運動規(guī)劃和軌跡跟蹤；(3) 仿人機器人的

11、整體動力學及運動學建模； (4) 仿人機器人控制系統(tǒng)體系結構的研究；(5) 仿人機器人的人機交互研究，包括視覺、語音及情感等方面的交互；(6) 動態(tài)行為分析和多傳感器信息融合。三、論述題 ：1. 試論述機器人技術的發(fā)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(fā)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(yè)機器人操作機結構的優(yōu)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(fā)展。(2) 機器人控制技術。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

12、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(tǒng)。 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(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，機器人半自主和自主技術。 多機器人和操作者之間的協(xié)調控制，通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統(tǒng)，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(xiàn)實以及臨場感應技術，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。這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主

13、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(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。這是機器人研究的一個新的領域和重點發(fā)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(tǒng)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(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。 傳統(tǒng)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(tǒng)在機器人

14、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。這是機器人技術發(fā)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(xù)若干次運動軌跡之間的誤差度量。如果機器人重復執(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精度。分辨率是指機器人

15、每根軸能夠實現(xiàn)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(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定的位置之間的差距。工業(yè)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(jié)， 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(yè)機器人只給出重復精度。3.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

16、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(yōu)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(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)；足式行走在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，能耗較少。4.試論述機器人靜力學、動力學、運動學的關系。答：靜力學指在機器

17、人的手爪接觸環(huán)境時，在靜止狀態(tài)下處理手爪力F 與驅動力的關系。動力學研究機器人各關節(jié)變量對時間的一階導數(shù)、二階導數(shù)與各執(zhí)行器驅動力或力矩之間的關系，即機器人機械系統(tǒng)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(jié)變量的關系。在考慮控制時，就要考慮在機器人的動作中，關節(jié)驅動力會產生怎樣的關節(jié)位置&、關節(jié)速度 、&dynamics ）。對于動力學來說，除了與連桿長度有關之外，還與關節(jié)加速度 ，處理這種關系稱為動力學（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(jié)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

18、示，這些也可作為動力學的問題來處理。5.機器人單關節(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？答：二階系統(tǒng)的特性取決于它的無阻尼自然頻率n 和阻尼比 。為了安全起見，我們希望系統(tǒng)具有臨界阻尼或過阻尼， 即要求系統(tǒng)的阻尼比 1（注意， 系統(tǒng)的位置反饋增益kp 0 表示負反饋） 。把由二階系統(tǒng)特征方程標準形式所求得的n 代入可得：Rafeffka kb kakv12ka kp Jeff Ra因而速度反饋增益k v 為：2kakp Jeff RaRa feffkakbkvka取方程等號時，系統(tǒng)為臨界阻尼系統(tǒng)；取不等號時，為過阻尼系統(tǒng)。在確定位置反饋增益 k p 時，必須考慮操作臂的結構剛性

19、和共振頻率，它與操作臂的結構、尺寸、質量分布和制造裝配質量有關。為了不至于激起結構的振盈和系統(tǒng)的共振，Paul 于 1981 年建議：閉環(huán)系統(tǒng)無阻尼自然頻率n 必須限制在關節(jié)結構共振頻率的一半之內，即：n0.5r根據這一要求來調整反饋增益kp，可以求出：0kpk p 求出后，相應的速度反饋增益k v 可求得：02 J0 Ra4ka'.kvRa0 J0 Jeff Ra feff kakbka6. 試論述工業(yè)機器人的應用準則。答：設計和應用工業(yè)機器人時，應全面考慮和均衡機器人的通用性、環(huán)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

20、在有毒、風塵、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、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(xiàn)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(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

21、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。(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(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)機器人技術知識的現(xiàn)狀和未來給予預測。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

22、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)機器人安排在生產線中的恰當位置上，使它成為工人的好助手。四、計算題： （需寫出計算步驟，無計算步驟不能得分） ：1. 已知點 u 的坐標為 7,3,2 T ，對點 u 依次進行如下的變換： （ 1）繞 z 軸旋轉 90°得到點v；（ 2）繞 y軸旋轉 90°得到點w；（3）沿 x 軸平移 4 個單位，再沿y 軸平移 -3 個單位，最后沿z 軸平移 7 個單位得到點t。求 u, v, w, t 各點的齊次坐標。ztvwOyxuT解：點 u 的齊次坐標為：7,3,2,

23、1'.v = Rot(z,90° )u =w = Rot(y,90° )v =t = Trans(4,-3,7)w =01 0073100037001 022000111001 0320100771 00 02300011110042601037400173100001112. 如圖所示為具有三個旋轉關節(jié)的3R 機械手，求末端機械手在基坐標系 x0, y0 下的運動學方程。3L 3 2y0L 2L 11Ox0解：建立如圖1 的參考坐標系，則c1s100c2s20L1c3s30L201s1c10012s2c2002 T3s3c300T =0010,T =0010,=0

24、100000100010001'.x3y3x2y0y2y1x1Ox0圖 1c123s1230L1c1L2 c120T3 = 0T1 1T22T3s123c1230L1 s1L2 s12=01000001其中 c123 cos 1 2 3 , s123 sin 1 2 3 .3. 如圖所示為平面內的兩旋轉關節(jié)機械手，已知機器人末端的坐標值 x, y ，試求其關節(jié)旋轉變量 1和 2.P2yL2L 1 1x3. 解：如圖2 所示，逆運動學有兩組可能的解。'.P2''2y 1' 1x圖 2第一組解：由幾何關系得xL1 cos 1L2 cos12（1）yL1 si

25、n 1L2 sin12（ 2）（ 1）式平方加（ 2）式平方得x2y2L12L222L1L2 cos22arccosx2y2L12L222L1 L21arctanyarctanL2 sin 2xL1L2 cos 2第二組解：由余弦定理，x2y2L12L22arccos2L1L2'2'arctany12x4. 如圖所示兩自由度機械手在如圖位置時（12FAx0 T或 FB= 0= 0 , = /2），生成手爪力= ffy T。求對應的驅動力 A 和 B 。'.yF B0f yPFA f x0L22 1xL 1解：由關節(jié)角給出如下姿態(tài)：L1 sin1L2sin12L2sin1

26、2L2L2JL2L2L10L1 cos 1cos12cos12由靜力學公式J T FJT FAL2L1f xL2 f xAL200L2 f xJT FBL2L10L1 f yBf y0L205. 如圖所示的三自由度機械手（兩個旋轉關節(jié)加一個平移關節(jié)，簡稱RPR 機械手），求末端機械手的運動學方程。L2L3d23L 11解：建立如圖的坐標系，則各連桿的DH參數(shù)為：'.z1x2y3x1x3y1z2z3z0y0L 2x0連桿轉角 n偏距 d n扭角 i 1桿長 ai 111L10020d290°033L200由連桿齊次坐標變換遞推公式c is i0ai 1i 1Tis i c i 1c i c i 1s i 1di s i 1s i s i 1c i s i 1c i 1dic i 10001有c01Ts0011sc001001000c100，1T001 d2，2Ts1L12010030010001