機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)期末考試復(fù)習(xí)資料(熊有倫主編)

1、-郎以墨整理-第1章 1機(jī)器人組成系統(tǒng)的4大部分：機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分、信息處理部分2機(jī)器人學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容：研究機(jī)器人的控制與被處理物體間的相互關(guān)系3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式：液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)4機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的基本形式：足式、蛇形式、輪式、履帶式5機(jī)器人的定義：由各種外部傳感器引導(dǎo)的、帶有一個(gè)或多個(gè)末端執(zhí)行器、通過(guò)可編程運(yùn)動(dòng)，在其工作空間內(nèi)對(duì)真實(shí)物體進(jìn)行操作的軟件可控的機(jī)械裝置6機(jī)器人的分類：1工業(yè)機(jī)器人2極限環(huán)境作業(yè)機(jī)器人3醫(yī)療福利機(jī)器人7操作臂工作空間形式：1直角坐標(biāo)式機(jī)器人2圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人3球坐標(biāo)式機(jī)器人 4 scara機(jī)器人5關(guān)節(jié)式機(jī)器人 8機(jī)器人三原則 第一條：機(jī)器人不得傷害人類

2、.第二條：機(jī)器人必須服從人類的命令，除非這條命令與第一條相矛盾。第三條：機(jī)器人必須保護(hù)自己，除非這種保護(hù)與以上兩條相矛盾。第2章1、什么是位姿：剛體參考點(diǎn)的位置和姿態(tài)2、RPY角與歐拉角的共同點(diǎn)：繞固定軸旋轉(zhuǎn)的順序與繞運(yùn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的順序相反并且旋轉(zhuǎn)角度相同，能得到相同的變換矩陣，都是用三個(gè)變量描述。歐拉角為左乘RPY角為右乘。 RPY中繞x旋轉(zhuǎn)為偏轉(zhuǎn)繞y旋轉(zhuǎn)為俯仰繞z旋轉(zhuǎn)為回轉(zhuǎn) 3 、矩陣的左乘與右乘：左乘（變換從右向左）指明運(yùn)動(dòng)相對(duì)于固定坐標(biāo)系 右乘（變換從左向右）指明運(yùn)動(dòng)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系4、 齊次變換：表示同一點(diǎn)相對(duì)于不同坐標(biāo)系B和A的變換，描述B相對(duì)于A的位姿5、 自由矢量：完全由他的維數(shù)

3、、大小、方向，三要素所規(guī)定的矢量6、 線矢量：由維數(shù)、大小、方向、作用線，四要素所規(guī)定的矢量7、 齊次變換矩陣 8、 其次坐標(biāo)變換為旋轉(zhuǎn)矩陣為B的原點(diǎn)相對(duì)A的位置矢量9、 旋轉(zhuǎn)矩陣：繞x軸y軸z軸10、 變換矩陣求逆：已知B相對(duì)于A的描述求A相對(duì)于B的描述11、 12、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程第3章 1、操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的是手臂各連桿間的位移、速度、加速度關(guān)系 3、運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方法：反變換法、幾何法、pieper解法 4、大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人滿足封閉解的兩個(gè)充分條件之一 三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸，1交于一點(diǎn)2相互平行 5、連桿參數(shù)：1、 2、 3、 4、 6、連桿變換通式： 7、靈活空間：機(jī)器人手抓能以任意方位到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)

4、的集合 8、可達(dá)空間：機(jī)器人手抓至少一個(gè)方位到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)的集合 工作空間：反解存在的區(qū)域就是工作空間 9、機(jī)器人操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解數(shù)決定于：關(guān)節(jié)數(shù)、連桿參數(shù)、關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍 10、操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方法有 1封閉解法（獲得封閉解的方法有代數(shù)解、幾何解） 2數(shù)值解法。 11、雅可比矩陣 12、逆雅可比矩陣， 靜力學(xué)公式 ，第4章 1、 操作臂的雅可比矩陣：定義為操作速度與關(guān)節(jié)速度的線性變換，可看成是從關(guān)節(jié)空間到操作空間運(yùn)動(dòng)速度的傳動(dòng)比2、 操作臂奇異形位：對(duì)于這些形位操作臂的雅可比矩陣的秩減少3、 自動(dòng)生成雅可比步驟（知道各連桿變換） 1、計(jì)算各連桿變換、 2、計(jì)算各連桿到末端連桿的變換 3、計(jì)算雅

5、可比矩陣J(q)的各列元素，第i列 4、 末端廣義力矢量：機(jī)器人與外界環(huán)境相互作用時(shí)，在接觸的地方要產(chǎn)生力和力矩統(tǒng)稱為末端廣義力矢量5、 虛位移：滿足機(jī)械系統(tǒng)幾何約束的無(wú)限小位移第5章 1、 建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的方法：拉格朗日法、牛頓-歐拉法、高斯法、凱恩法、旋量對(duì)偶數(shù)法2、 研究機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的目的：動(dòng)力學(xué)問(wèn)題與操作臂的仿真研究有關(guān)，逆問(wèn)題是為了實(shí)施控制的需要，利用動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，以期達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)性能和最優(yōu)指標(biāo)。3、 動(dòng)力學(xué)研究的是：物體的運(yùn)動(dòng)和受力的關(guān)系4、 動(dòng)力學(xué)模型主要用于機(jī)器人的設(shè)計(jì)和編程5、 點(diǎn)的速度涉及兩個(gè)坐標(biāo)系：點(diǎn)所在的坐標(biāo)系的速度，點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)系的速度6、牛頓歐拉法遞推動(dòng)

6、力學(xué)問(wèn)題的步驟：1、 向外遞推計(jì)算各連桿的速度和加速度，由牛頓歐拉公式算出連桿的慣性力和力矩2、 向內(nèi)遞推計(jì)算各連桿相互作用力和力矩，以及關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力和力矩7、 拉格朗日函數(shù)：對(duì)于任何機(jī)械系統(tǒng)，拉格朗日函數(shù)定義為系統(tǒng)點(diǎn)的動(dòng)能與勢(shì)能之差 即第6章 1、 規(guī)劃：在人工智能的研究范圍中，規(guī)劃實(shí)際就是問(wèn)題的一種求解技術(shù)。即從某個(gè)特定問(wèn)題的初始狀態(tài)出發(fā)，構(gòu)造一系列操作步驟，達(dá)到解決該問(wèn)題的目標(biāo)狀態(tài)2、 軌跡：操作臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度和加速度3、 軌跡規(guī)劃：根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求計(jì)算預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡4、 機(jī)器人的作業(yè)運(yùn)動(dòng)方式：點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、輪廓運(yùn)動(dòng)0.1 簡(jiǎn)述工業(yè)機(jī)器人的定義，說(shuō)明機(jī)器人的主要特征。答：機(jī)器人

7、是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具、或?qū)Ｓ醚b置，通過(guò)可編程動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種 種任務(wù)并具有編程能力的多功能機(jī)械手。 1.機(jī)器人的動(dòng)作結(jié)構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能。 2.機(jī)器人具有通用性，工作種類多樣，動(dòng)作程序靈活易變。 3.機(jī)器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等。4.機(jī)器人具有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。0.2工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床有什么區(qū)別？答：1.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)為開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈而數(shù)控機(jī)床為閉式運(yùn)動(dòng)鏈； 2.工業(yè)機(jī)器人一般具有多關(guān)節(jié)，數(shù)控機(jī)床一般無(wú)關(guān)節(jié)且均為直角坐標(biāo)系統(tǒng)；3.工業(yè)機(jī)器人是用于工業(yè)中各種作業(yè)的自動(dòng)化機(jī)器而數(shù)控機(jī)床應(yīng)

8、用于冷加工。4.機(jī)器人靈活性好，數(shù)控機(jī)床靈活性差。0.5簡(jiǎn)述下面幾個(gè)術(shù)語(yǔ)的含義：自有度、重復(fù)定位精度、工作范圍、工作速度、承載能力。答：自由度是機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包括手爪（末端執(zhí)行器）的開(kāi)合自由度。 重復(fù)定位精度是關(guān)于精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一確定位置準(zhǔn)確的概率，是重復(fù)同一位置的范圍，可以用各次不同位置平均值的偏差來(lái)表示。 工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也叫工作區(qū)域。 工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的穩(wěn)定速度，也可以定義為 手臂末端最大的合成速度（通常在技術(shù)參數(shù)中加以說(shuō)明）。承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所

9、能承受的最大質(zhì)量。0.6什么叫冗余自由度機(jī)器人？答： 從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，完成某一特定作業(yè)時(shí)具有多余自由度的機(jī)器人稱為冗余自由度機(jī)器人。0.7題0.7圖所示為二自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手，圖中L1=2L2，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍是01180,-902180,畫(huà)出該機(jī)械手的工作范圍（畫(huà)圖時(shí)可以設(shè)L2=3cm）。1.1 點(diǎn)矢量v為，相對(duì)參考系作如下齊次坐標(biāo)變換： A=寫(xiě)出變換后點(diǎn)矢量v的表達(dá)式，并說(shuō)明是什么性質(zhì)的變換，寫(xiě)出旋轉(zhuǎn)算子Rot及平移算子Trans。解：v，=Av=屬于復(fù)合變換：旋轉(zhuǎn)算子Rot（Z，30）= 平移算子Trans（11.0，-3.0，9.0）=1.2 有一旋轉(zhuǎn)變換，先繞固定坐標(biāo)系Z0

10、 軸轉(zhuǎn)45，再繞其X0軸轉(zhuǎn)30，最后繞其Y0軸轉(zhuǎn)60，試求該齊次坐標(biāo)變換矩陣。解：齊次坐標(biāo)變換矩陣R=Rot(Y，60）Rot（X，30）Rot(Z，45） = 1.3 坐標(biāo)系B起初與固定坐標(biāo)系O相重合，現(xiàn)坐標(biāo)系B繞ZB旋轉(zhuǎn)30，然后繞旋轉(zhuǎn)后的動(dòng)坐標(biāo)系的XB軸旋轉(zhuǎn)45，試寫(xiě)出該坐標(biāo)系B的起始矩陣表達(dá)式和最后矩陣表達(dá)式。解：起始矩陣：B=O=最后矩陣：B´=Rot(Z，30）B Rot（X，45）=1.4 坐標(biāo)系A(chǔ)及B在固定坐標(biāo)系O中的矩陣表達(dá)式為 A= B=畫(huà)出它們?cè)贠坐標(biāo)系中的位置和姿勢(shì)；A=Trans（0.0，10.0，-20.0）Rot（X，30）OB=Trans(-3.0，-

11、3.0，3.0）Rot(X，30）Rot（Z，30）O1.5 寫(xiě)出齊次變換陣，它表示坐標(biāo)系B連續(xù)相對(duì)固定坐標(biāo)系A(chǔ)作以下變換：（1） 繞軸旋轉(zhuǎn)90。（2） 繞軸旋轉(zhuǎn)-90。（3） 移動(dòng)。解：=Trans（3，7，9）Rot（X，-90）Rot（Z，90）= 1.6 寫(xiě)出齊次變換矩陣，它表示坐標(biāo)系B連續(xù)相對(duì)自身運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系B作以下變換：（1） 移動(dòng)。（2） 繞軸旋轉(zhuǎn)90。.（3） 繞軸轉(zhuǎn)-90。.=Trans（3，7，9）Rot（X，90）Rot（Z，90）= 1.7 對(duì)于1.7圖（a）所示的兩個(gè)楔形物體， 試用兩個(gè)變換序列分別表示兩個(gè)楔形物體的變換過(guò)程，使最后的狀態(tài)如題1.7圖（b)所示。 (a)

12、 (b) 解：A= B=A´=Trans(2，0，0）Rot（Z，90）Rot（X，90）Trans（0，-4，0）A= =B´=Rot（X，90）Rot（Y，90）Trans（0，-5，0）B= =1.8 如題1.8圖所示的二自由度平面機(jī)械手，關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)變量為1；關(guān)節(jié)2為移動(dòng)關(guān)節(jié)， 關(guān)節(jié)變量為d2。試：（1） 建立關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，并寫(xiě)出該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程式。（2） 按下列關(guān)節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的位置值。 1 0 30 60 90 d2/m 0.50 0.80 1.00 0.70解：建立如圖所示的坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿 d 11000200d20 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方

13、程式：當(dāng)1=0 ， d2=0.5時(shí)：手部中心位置值當(dāng)1=30 ， d2=0.8時(shí)手部中心位置值 當(dāng)1=60 ， d2=1.0時(shí)手部中心位置值當(dāng)1=90 ， d2=0.7時(shí)手部中心位置值1.11 題1.11圖所示為一個(gè)二自由度的機(jī)械手，兩連桿長(zhǎng)度均為1m，試建立各桿件坐標(biāo)系，求出，的變換矩陣。解：建立如圖所示的坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿 d 11002100A1=Rot(Z, 1) Trans(1,0,0) Rot(X, 0º)=A2= Rot(Z, -2)Trans(l, 0, 0)Rot(X, 90º)1.13 有一臺(tái)如題1.13圖所示的三自由度機(jī)械手的機(jī)構(gòu)，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角正向

14、均由箭頭所示方向指定，請(qǐng)標(biāo)出各連桿的D-H坐標(biāo)系，然后求各變換矩陣，。解：D-H坐標(biāo)系的建立按D-H方法建立各連桿坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿ad11900+22003300 = =3.1 何謂軌跡規(guī)劃？簡(jiǎn)述軌跡規(guī)劃的方法并說(shuō)明其特點(diǎn)。答：機(jī)器人的軌跡泛指工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，即運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位移，速度和加速度。軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個(gè)點(diǎn)，將其經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對(duì)關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)點(diǎn)建立運(yùn)動(dòng)方程，然后按這些運(yùn)動(dòng)方程對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間的運(yùn)動(dòng)要求，這一過(guò)程通常稱為軌跡規(guī)劃。（1） 示教再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)由人手把手示教機(jī)器人，定時(shí)記錄各關(guān)節(jié)變量，得到沿路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)各關(guān)

15、節(jié)的位移時(shí)間函數(shù)q(t)；再現(xiàn)時(shí)，按內(nèi)存中記錄的各點(diǎn)的值產(chǎn)生序列動(dòng)作。（2） 關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)直接在關(guān)節(jié)空間里進(jìn)行。由于動(dòng)力學(xué)參數(shù)及其極限值直接在關(guān)節(jié)空間里描述，所以用這種方式求最短時(shí)間運(yùn)動(dòng)很方便。（3） 空間直線運(yùn)動(dòng)。這是一種直角空間里的運(yùn)動(dòng)，它便于描述空間操作，計(jì)算量小，適宜簡(jiǎn)單的作業(yè)。（4） 空間曲線運(yùn)動(dòng)。這是一種在描述空間中用明確的函數(shù)表達(dá)的運(yùn)動(dòng)。3.2 設(shè)一機(jī)器人具有6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)均按三次多項(xiàng)式規(guī)劃，要求經(jīng)過(guò)兩個(gè)中間路徑點(diǎn)后停在一個(gè)目標(biāo)位置。試問(wèn)欲描述該機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，共需要多少個(gè)獨(dú)立的三次多項(xiàng)式?要確定這些三次多項(xiàng)式，需要多少個(gè)系數(shù)?答：共需要3個(gè)獨(dú)立的三次多項(xiàng)式

16、； 需要72個(gè)系數(shù)。3.3 單連桿機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，從q = 5°靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，要想在4 s內(nèi)使該關(guān)節(jié)平滑地運(yùn)動(dòng)到q =+80°的位置停止。試按下述要求確定運(yùn)動(dòng)軌跡： (1)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)依三次多項(xiàng)式插值方式規(guī)劃。 (2)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)按拋物線過(guò)渡的線性插值方式規(guī)劃。解：（1）采用三次多項(xiàng)式插值函數(shù)規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)。已知代入可得系數(shù)為運(yùn)動(dòng)軌跡：（2） 運(yùn)動(dòng)按拋物線過(guò)渡的線性插值方式規(guī)劃：根據(jù)題意，定出加速度的取值范圍：如果選，算出過(guò)渡時(shí)間，=0.594s計(jì)算過(guò)渡域終了時(shí)的關(guān)節(jié)位置和關(guān)節(jié)速度，得=4.1 機(jī)器人本體主要包括哪幾部分？以關(guān)節(jié)型機(jī)器人為例說(shuō)明機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)。答：機(jī)器

17、人本體：(1)傳動(dòng)部件 (2)機(jī)身及行走機(jī)構(gòu) (3)機(jī)身及行走機(jī)構(gòu) （4)腕部 (5)手部 基本結(jié)構(gòu)：機(jī)座結(jié)構(gòu)、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、大臂結(jié)構(gòu)、大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、小臂結(jié) 構(gòu)、小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、手腕結(jié)構(gòu)、手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、末端執(zhí)行器。 主要特點(diǎn)：(1) 一般可以簡(jiǎn)化成各連桿首尾相接、末端無(wú)約束的開(kāi)式連桿系，連桿 系末端自由且無(wú)支承，這決定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度不高，并隨連桿 系在空間位姿的變化而變化。 (2) 開(kāi)式連桿系中的每根連桿都具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，屬于主動(dòng)連桿系， 連桿的運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立，不同連桿的運(yùn)動(dòng)之間沒(méi)有依從關(guān)系，運(yùn)動(dòng)靈 活。 (3) 連桿驅(qū)動(dòng)扭矩的瞬態(tài)過(guò)程在時(shí)域中的變化非常復(fù)雜，且和執(zhí)行器反 饋

18、信號(hào)有關(guān)。連桿的驅(qū)動(dòng)屬于伺服控制型，因而對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛 度、間隙和運(yùn)動(dòng)精度都有較高的要求。 (4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動(dòng)態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化 的，因此，極容易發(fā)生振動(dòng)或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。 4.2 如何選擇機(jī)器人本體的材料，常用的機(jī)器人本體材料有哪些？答：需滿足五點(diǎn)基本要求：1.強(qiáng)度大 2.彈性模量大 3.重量輕 4.阻尼小 5.材料經(jīng)濟(jì)性常用材料：1.碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼 2.鋁、鋁合金及其他輕合金材料 3.纖維增強(qiáng)合金 4.陶瓷 5.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 6.粘彈性大阻尼材料4.3 何謂材料的E/r？為提高構(gòu)件剛度選用材料E/r大些還是小些好，為什么？答：即材料的彈性模量與

19、密度的比值；大些好，彈性模量E越大，變形量越小，剛度走越大；且密度r越小，構(gòu)件質(zhì)量越小，則構(gòu)件的慣性力越小，剛度越大。所以E/r大些好。4.4 機(jī)身設(shè)計(jì)應(yīng)注意哪些問(wèn)題？答：(1) 剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。(2) 運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過(guò)短，避免卡死。(3) 驅(qū)動(dòng)方式適宜。(4) 結(jié)構(gòu)布置合理。4.8手腕的作用及其三個(gè)自由度。 作用：改變或調(diào)整機(jī)器人手部在空間的姿態(tài)(方向)，并連接機(jī)器人的手部和臂部。 自由度：分別為回轉(zhuǎn)（x） 俯仰（y）偏擺（z）由三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組合而成。4.9 機(jī)器人手爪有哪些種類，各有什么特點(diǎn)？答：1.機(jī)械手爪：依靠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)抓持工件；2.磁力吸盤(pán)：通過(guò)磁場(chǎng)吸力抓持鐵磁類工件，要

20、求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附，不適宜高溫條件；3.真空式吸盤(pán)：利用真空原理來(lái)抓持工件，要求工件表面平整光滑、干燥清潔，同時(shí)氣密性要好。2、工業(yè)機(jī)器人是如何定義的？工業(yè)機(jī)器人是指在工業(yè)中應(yīng)用的一種能進(jìn)行自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。且這種操作機(jī)可以固定在一個(gè)地方，也可以在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的小車上。3、按幾何結(jié)構(gòu)，機(jī)器人可分為那幾種？直角坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型 球坐標(biāo)型 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型4、機(jī)器人的參考坐標(biāo)系有哪些？全局參考坐標(biāo)系 關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系 工具參考坐標(biāo)系 5.運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立及其求解 1、建立坐標(biāo)系； 2、確定參數(shù)

21、； 3、相鄰桿件的位姿矩陣； 4、建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。 5、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正解和逆解1、機(jī)器人系統(tǒng)由哪三部分組成？答：操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制系統(tǒng)4.11 何謂自適應(yīng)吸盤(pán)及異形吸盤(pán)？答：自適應(yīng)吸盤(pán)：真空吸盤(pán)的一種新設(shè)計(jì)，增加了一個(gè)球關(guān)節(jié)，吸盤(pán)能傾斜自如，適應(yīng)工件表面傾角的變化。異形吸盤(pán)：真空吸盤(pán)的一種新設(shè)計(jì)，可以用于吸附雞蛋、錐頸瓶等非平整工件。4.15 傳動(dòng)件消隙常有哪幾種方法，各有什么特點(diǎn)？答：1) 消隙齒輪：相嚙合的兩齒輪中有一為兩個(gè)薄齒輪的組合件，能過(guò)兩個(gè)薄齒輪的組合來(lái)消隙；2) 柔性齒輪消隙：對(duì)具有彈性的柔性齒輪加一預(yù)載力來(lái)保證無(wú)側(cè)隙嚙合；3) 對(duì)稱傳動(dòng)消隙：一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)對(duì)稱的分支傳動(dòng)

22、，并且其中有一個(gè)具有回彈能力。4) 偏心機(jī)構(gòu)消隙：當(dāng)有齒輪磨損等原因造成傳動(dòng)間隙增加時(shí)，利用中心距調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整中心距。5) 齒廓彈性覆層消隙：齒廓表面覆有薄薄一層彈性很好的橡膠層或?qū)訅翰牧?，通過(guò)對(duì)相嚙合的一對(duì)齒輪加以預(yù)載，來(lái)完全消除嚙合側(cè)隙。4.16 簡(jiǎn)述機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)。答： 基本形式：固定軌跡式和無(wú)固定軌跡式（步行式、輪式和履帶式） 固定軌跡式：機(jī)身底座安裝在一個(gè)可移動(dòng)的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人沿絲杠縱向移動(dòng)。 無(wú)固定軌跡式：在行走過(guò)程中，步行式為間斷接觸，輪式和履帶式與地面為連續(xù)接觸；前者為類人(或動(dòng)物)的腿腳式，后兩者的形態(tài)為運(yùn)行車式。運(yùn)行車式行走機(jī)構(gòu)用得

23、比較多，多用于野外作業(yè)，比較成熟。步行式行走機(jī)構(gòu)正在發(fā)展和完善中。6.1 試述機(jī)器人示教編程的過(guò)程及特點(diǎn)。答：過(guò)程：操作者根據(jù)機(jī)器人作業(yè)的需要把機(jī)器人末端執(zhí)行器送到目標(biāo)位置，且處于相應(yīng)的姿態(tài)，然后把這一位置、姿態(tài)所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度信息記錄到存儲(chǔ)器保存。對(duì)機(jī)器人作業(yè)空間的各點(diǎn)重復(fù)以上操作，就把整個(gè)作業(yè)過(guò)程記錄下來(lái)，再通過(guò)適當(dāng)?shù)能浖到y(tǒng)，自動(dòng)生成整個(gè)作業(yè)過(guò)程的程序代碼。 優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，易于掌握，操作者不需要具備專門知識(shí)，不需復(fù)雜的裝置和設(shè)備，軌跡修改方便，再現(xiàn)過(guò)程快。 缺點(diǎn)：(1) 示教相對(duì)于再現(xiàn)所需的時(shí)間較長(zhǎng)； (2) 很難示教復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡及準(zhǔn)確度要求高的直線； (3) 示教軌跡的重復(fù)性差；

24、(4) 無(wú)法接受傳感器信息； (5) 難以與其他操作或其他機(jī)器人操作同步。6.2 試舉例說(shuō)明MOTOMAN UP6機(jī)器人焊接作業(yè)時(shí)的示教編程過(guò)程。答：S1.通過(guò)示教盒使機(jī)器人處于示教狀態(tài)； S2.創(chuàng)建新的示教程序，用軸操作鍵將機(jī)器人依次移動(dòng)到準(zhǔn)備位置、可作業(yè)姿態(tài)、作業(yè)開(kāi)始位置、作業(yè)結(jié)束位置等位置并輸入相應(yīng)的插補(bǔ)方式及相應(yīng)的操作命令； S3.示教軌跡的確認(rèn)。6.3 按機(jī)器人作業(yè)水平的程度分，機(jī)器人編程語(yǔ)言有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？答：1.動(dòng)作級(jí)編程語(yǔ)言：優(yōu)點(diǎn)：比較簡(jiǎn)單，編程容易。 缺點(diǎn)：功能有限，無(wú)法進(jìn)行繁復(fù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，不接受浮點(diǎn)數(shù)和字符串，子程序不含有自變量；不能接受復(fù)雜的傳感器信息，只能接受傳

25、感器開(kāi)關(guān)信息；與計(jì)算機(jī)的通信能力很差。2.對(duì)象級(jí)編程語(yǔ)言：(1) 具有動(dòng)作級(jí)編程語(yǔ)言的全部動(dòng)作功能；(2) 有較強(qiáng)的感知能力；(3) 具有良好的開(kāi)放性；(4) 數(shù)字計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)；3.任務(wù)級(jí)編程語(yǔ)言：結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要人工智能的理論基礎(chǔ)和大型知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)的支持。6.7 機(jī)器人離線編程的特點(diǎn)及功能是什么？答：特點(diǎn)：在不接觸實(shí)際機(jī)器人及機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的情況下，通過(guò)圖形技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上提供一個(gè)和機(jī)器人進(jìn)行交互作用的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。功能：利用機(jī)器人圖形學(xué)的成果，建立起機(jī)器人及其作業(yè)環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過(guò)對(duì)圖形的操作和控制，在離線的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃。6.8 MOTOMAN UP6型

26、機(jī)器人仿真軟件有哪些主要功能？答：編輯、仿真、檢測(cè)和示教。7.1 機(jī)器人的工業(yè)應(yīng)用可分為哪四個(gè)方面？答：材料加工、零件制造、產(chǎn)品檢驗(yàn)和裝配。7.3 完整的焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由哪幾個(gè)部分組成？答：機(jī)器人操作機(jī)、變位機(jī)、控制器、焊接系統(tǒng)、焊接傳感器、中央控制計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的安全設(shè)備等。7.4 簡(jiǎn)述變位機(jī)在焊接生產(chǎn)線或焊接柔性加工單元中的作用。答：將被焊工件旋轉(zhuǎn)(平移)到最佳的焊接位置。7.5 簡(jiǎn)述焊接機(jī)器人按用途、結(jié)構(gòu)、受控方式及驅(qū)動(dòng)方法等進(jìn)行分類的情況。答：按用途：弧焊和點(diǎn)焊；按結(jié)構(gòu)：關(guān)節(jié)型和非關(guān)節(jié)型按受控方式：點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制7.6 弧焊機(jī)器人工作站按功能和復(fù)雜程度的不同可分為哪幾種。答：

27、.無(wú)變位機(jī)的普通弧焊機(jī)器人工作站；.不同變位機(jī)與弧焊機(jī)器人組合的工作站；.弧焊機(jī)器人與周邊設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的工作站。7.7 自動(dòng)搬運(yùn)工作站由哪些部分組成？答：組成：搬運(yùn)機(jī)器人和周邊設(shè)備（工件自動(dòng)識(shí)別裝置、自動(dòng)啟動(dòng)及自動(dòng)傳輸裝置等）。7.12 機(jī)器人裝配作業(yè)的主要操作過(guò)程是什么？答：垂直向上抓起零部件，水平移動(dòng)它，然后垂直放下插入。一、機(jī)器人的定義一種擬人功能的機(jī)械電子裝置。 A mechantronic device to imitate some human functions。 二、機(jī)器人三原則1.機(jī)器人不應(yīng)傷害人類；2.機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條相抵觸的命令除外；3.機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己

28、，與第二條相抵觸者除外。三、解釋機(jī)器人的“通用性”和“適應(yīng)性”“通用性”：在機(jī)械結(jié)構(gòu)上允許機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)或以不同的方式完成同一工作。包括機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性與控制系統(tǒng)的靈活性?！斑m應(yīng)性”:能自動(dòng)執(zhí)行這些未經(jīng)完全指定的任務(wù)，而不管任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中所發(fā)生的沒(méi)有預(yù)測(cè)到的環(huán)境變化。四、什么叫：基準(zhǔn)坐標(biāo)系？構(gòu)件坐標(biāo)系？基準(zhǔn)坐標(biāo)系稱為參考坐標(biāo)系。在變換中是不動(dòng)的坐標(biāo)系。構(gòu)件坐標(biāo)系其固接在物體或機(jī)器人上。其變換后相對(duì)參考坐標(biāo)系發(fā)生位姿改變。五、求點(diǎn) 繞z軸旋轉(zhuǎn)90°后的坐標(biāo)，再繞y軸旋轉(zhuǎn)90°后的坐標(biāo)六、有機(jī)器人各桿件的參數(shù)如下表，請(qǐng)推導(dǎo)出各個(gè)桿件的A矩陣連桿變量扭轉(zhuǎn)角公垂線長(zhǎng)a連桿間距

29、離dcossin1-90°000-1290°00130°0104-90°000-1590°000160°0010 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？3.拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程式的一般表示形式與各變量含義？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

30、。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？ 12.仿人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？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。四、計(jì)算題：（需寫(xiě)出計(jì)算步驟，無(wú)計(jì)算步驟不能得分）：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

31、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)t。求u, v, w, t各點(diǎn)的齊次坐標(biāo)。2.如圖所示為具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的3R機(jī)械手，求末端機(jī)械手在基坐標(biāo)系x0,y0下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。3.如圖所示為平面內(nèi)的兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械手，已知機(jī)器人末端的坐標(biāo)值x,y，試求其關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變量1和2. 4.如圖所示兩自由度機(jī)械手在如圖位置時(shí)（1= 0 , 2=/2），生成手爪力 FA = fx 0 T 或FB = 0 fy T。求對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力 A和B 。5.如圖所示的兩自由度機(jī)械手，手部沿固定坐標(biāo)系在手上X0軸正向以1.0m/s的速度移動(dòng)，桿長(zhǎng)l1=l2=0.5m。設(shè)在某時(shí)刻1=30°，2=

32、-60°，求該時(shí)刻的關(guān)節(jié)速度。已知兩自由度機(jī)械手速度雅可比矩陣為6.如圖所示的三自由度機(jī)械手（兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)加一個(gè)平移關(guān)節(jié)，簡(jiǎn)稱RPR機(jī)械手），求末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。參考答案一、名詞解釋題：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)系稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)。6. 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)：

33、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（虛位移）施力所作功之和為零。8. PWM驅(qū)動(dòng)：脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）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控制：指按照偏差的比例（P,

34、proportional）、積分（I, integral）、微分（D, derivative）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. BP網(wǎng)絡(luò)：BP (Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于誤差反向傳播算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。17. 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。18. AUV：Autonomous Underwater Vehicle 無(wú)纜自治水下機(jī)器人

35、，或自動(dòng)海底車。二、簡(jiǎn)答題：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：目前機(jī)器人常用機(jī)身和臂部的配置型式的有如下幾種形式：(1)橫梁式。機(jī)身設(shè)計(jì)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(diǎn)。(2)立柱式。多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。(3)機(jī)座式?？梢允仟?dú)立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，可隨意安放和搬動(dòng)。也可以具有行走機(jī)構(gòu)，如沿地面上的專用軌道移動(dòng)，以

36、擴(kuò)大其活動(dòng)范圍。(4)屈伸式。臂部由大小臂組成，大小臂間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，稱為屈伸臂，可以實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，也可以作空間運(yùn)動(dòng)。3.答：拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程式一般表示為：式中，q是廣義坐標(biāo)；是廣義力。L是拉格朗日算子，表示為這里，K是動(dòng)能；P是位能。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)，提供驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。(2) 減速器，為了增加驅(qū)動(dòng)力矩、降低運(yùn)動(dòng)速度。(3) 驅(qū)動(dòng)電路，由于直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)的流經(jīng)電流較大，機(jī)器人常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。(4) 運(yùn)動(dòng)特性檢測(cè)傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的位置、速度、加速度等參數(shù)。(5) 控制系統(tǒng)的硬件，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，

37、采用協(xié)調(diào)級(jí)與執(zhí)行級(jí)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。(6) 控制系統(tǒng)的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的計(jì)算、機(jī)器人的智能控制和機(jī)器人與人的信息交換等功能。5.答：直流電動(dòng)機(jī)的額定值有以下幾項(xiàng)：(1)額定功率，是指按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)所能提供的輸出功率。對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，額定功率是指軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW。(2)額定電壓，是電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)，電樞繞組允許流過(guò)的最大電流，單位為A。(4)額定轉(zhuǎn)速，指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。6.答：常見(jiàn)的外部傳感器包括觸覺(jué)

38、傳感器，分為接觸覺(jué)傳感器、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)傳感器等。7.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：如果空氣溫度為T（)，則聲速v可由下式求得：8.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輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成方便計(jì)算和分析的數(shù)字信號(hào)；(3) 視頻信號(hào)處理器，視頻信號(hào)實(shí)時(shí)

39、、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。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)轉(zhuǎn)換成合適的語(yǔ)言值。(2) 知識(shí)庫(kù)：包含應(yīng)用領(lǐng)

40、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)器人的運(yùn)動(dòng)操作控制，包括實(shí)時(shí)行走控制、手

41、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.答：科學(xué)技術(shù)水平是機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)，科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展將會(huì)使機(jī)器人技術(shù)提高到一個(gè)更高的水平。未來(lái)機(jī)器人技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容集中在以下幾個(gè)方面：(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)。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載-自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。(2) 機(jī)器人控制技術(shù)。重點(diǎn)研究開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)

42、，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。(3) 多傳感系統(tǒng)。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)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(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)。多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。(5) 虛擬機(jī)器人技術(shù)?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。(6) 多

43、智能體控制技術(shù)。這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)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(jìn)行研究。(7) 微型和微小機(jī)器人技術(shù)。這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)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(jī)器人技術(shù)。主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂(lè)場(chǎng)合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)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(jī)器

44、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(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機(jī)器人對(duì)人是友好的。(9) 仿人和仿生技術(shù)。這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行一些基礎(chǔ)研究。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。如果機(jī)器人重復(fù)執(zhí)行某位置給定指令，它每次走過(guò)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(jī)

45、器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。一臺(tái)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度是指命令設(shè)定的運(yùn)動(dòng)位置與該設(shè)備執(zhí)行此命令后能夠達(dá)到的運(yùn)動(dòng)位置之間的差距，分辨率則反映了實(shí)際需要的運(yùn)動(dòng)位置和命令所能夠設(shè)定的位置之間的差距。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

46、輪移動(dòng)方式行走是相當(dāng)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(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

47、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。而運(yùn)動(dòng)學(xué)研究從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)處理手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系。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)力會(huì)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(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，這些也可作為動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題來(lái)處理。5.答：二階系統(tǒng)的特性取決于它的無(wú)阻尼自然頻率n和阻尼比。為了安全起見(jiàn)，我們希望系統(tǒng)具有臨界阻尼或過(guò)阻尼，

48、即要求系統(tǒng)的阻尼比1（注意，系統(tǒng)的位置反饋增益kp0表示負(fù)反饋）。把由二階系統(tǒng)特征方程標(biāo)準(zhǔn)形式所求得的n代入可得：因而速度反饋增益k v為：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)。為了不至于激起結(jié)構(gòu)的振盈和系統(tǒng)的共振，Paul于1981年建議：閉環(huán)系統(tǒng)無(wú)阻尼自然頻率n必須限制在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)共振頻率的一半之內(nèi)，即：根據(jù)這一要求來(lái)調(diào)整反饋增益kp，可以求出：k p求出后，相應(yīng)的速度反饋增益k v可求得：6.答：設(shè)計(jì)和應(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)器人機(jī)器人可以在有毒、風(fēng)塵、噪聲、振動(dòng)、高溫、易燃易爆等危險(xiǎn)有害的環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理的情況下，采用機(jī)器人逐步把人從這些工作崗位上代替下來(lái)，將從根本上改善勞動(dòng)條件。(2)在生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量落后的部門應(yīng)用機(jī)器人現(xiàn)代化的大生產(chǎn)分工越來(lái)越細(xì)，