機器人學導論復習題及參考答案

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機器人學導論

一、名詞解釋題：

1.自由度：

2.機器人工作載荷：3.柔性手：

4.制動器失效抱閘：5.機器人運動學：6.機器人動力學：7.虛功原理：8.PWM驅(qū)動：9.電機無自轉(zhuǎn)：

10.直流伺服電機的調(diào)理特性：11.直流伺服電機的調(diào)速精度：12.PID控制：13.壓電元件：14.圖像銳化：15.隸屬函數(shù)：16.BP網(wǎng)絡(luò)：17.脫機編程：18.AUV：二、簡答題：

1.機器人學主要包含哪些研究內(nèi)容？

2.機器人常用的機身和臂部的配置型式有哪些？

3.拉格朗日運動方程式的一般表示形式與各變量含義？4.機器人控制系統(tǒng)的基本單元有哪些？5.直流電機的額定值有哪些？

6.常見的機器人外部傳感器有哪些？

7.簡述脈沖回波式超聲波傳感器的工作原理。8.機器人視覺的硬件系統(tǒng)由哪些部分組成？

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？10.請簡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，機器人編程語言可分為哪幾類？12.仿人機器人的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？三、論述題：

1.試論述機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2.試論述精度、重復精度與分辯率之間的關(guān)系。

3.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。4.試論述機器人靜力學、動力學、運動學的關(guān)系。

5.機器人單關(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)機器人的應用準則。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(zhuǎn)90°得到點v；（2）繞y軸旋轉(zhuǎn)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，最終沿z軸平移7個單位得到點t。求u,v,w,t各點的齊次坐標。

1

ztvwOxuy

2.如下圖為具有三個旋轉(zhuǎn)關(guān)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。

θ3L3y0L1θ2L2θ1Ox0

3.如下圖為平面內(nèi)的兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機械手，已知機器人末端的坐標值{x,y}，試求其關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變量θ和θ2.

P1

yL1θ2L2θ1x

4.如下圖兩自由度機械手在如圖位置時（θ1=0,θ2=π/2），生成手爪力FA=[fx0]T或FB=[0fy]T。求對應的驅(qū)動力τ

A和τB。

2

yPτ2τ1?0?FB?f??y?FA?fx??0???L2x

5.如下圖的兩自由度機械手，手部沿固定坐標系在手上X0軸正向以1.0m/s的速度移動，桿長

L1l1=l2=0.5m。設(shè)在某時刻θ1=30°，θ2=-60°，求該時刻的關(guān)節(jié)速度。已知兩自由度機械手速度雅

可比矩陣為

??l1s?1?l2s12J???l1c?1?l2c12y0l1?l2s12?l2c12??-θ2l2x0

y3v3x3

θ1O6.如下圖的三自由度機械手（兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)加一個平移關(guān)節(jié)，簡稱RPR機械手），求末端機械手的運動學方程。

L2d2L3θ3L1θ1

3

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(nèi)，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(jié)構(gòu)。4.制動器失效抱閘：指要放松制動器就必需接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)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(guān)節(jié)變量的關(guān)系稱為運動學。

6.機器人動力學：機器人各關(guān)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(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。

7.虛功原理：約束力不作功的力學系統(tǒng)實現(xiàn)平衡的必要且充分條件是對結(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：脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）驅(qū)動。

9.電機無自轉(zhuǎn)：控制電壓降到零時，伺服電動機能馬上自行停轉(zhuǎn)。

10.直流伺服電機的調(diào)理特性：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。

11.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。

12.PID控制：指依照偏差的比例（P,proportional）、積分（I,integral）、微分（D,derivative）

進行控制。

13.壓電元件：指某種物質(zhì)上施加壓力就會產(chǎn)生電信號，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，使輪廓加強。

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(nèi)可連續(xù)取值。16.BP網(wǎng)絡(luò)：BP(BackPropagation)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.脫機編程：指用機器人程序語言預先進行程序設(shè)計，而不是用示教的方法編程。18.AUV：AutonomousUnderwaterVehicle無纜自治水下機器人，或自動海底車。二、簡答題：

1.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；(2)機器人運動學；(3)機器人靜力學；(4)機器人動力學；(5)機器人控制技術(shù)；(6)機器人傳感器；(7)機器人語言。

2.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。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(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。

3.答：拉格朗日運動方程式一般表示為：

d??L??L?τ???dt??q??q式中，q是廣義坐標；τ是廣義力。L是拉格朗日算子，表示為

L?K?P

這里，K是動能；P是位能。

4.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。

5.答：直流電動機的額定值有以下幾項：(1)額定功率，是指依照規(guī)定的工作方式運行時所能提供的

4

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，是指電動機依照規(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狀況下運行時，電動機的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。

6.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.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)被測物體反射回來的回波延遲時間Δt，計算出被測物體的距離R，假設(shè)空氣中的聲速為v，則被測物與傳感器間的距離R為：

R?v??t/2

假使空氣溫度為T（℃)，則聲速v可由下式求得：

v??331.5?0.607T?m/s

8.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(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)換成便利計算和分析的數(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。

9.答：預處理的主要目的是明白原始圖像中各種噪聲等無用的信息，改進圖像的質(zhì)量，加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.答：模糊規(guī)律控制器由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(jù)轉(zhuǎn)換成適合的語言值。(2)知識庫：包含應用領(lǐng)域的知識和控制目標，它由數(shù)據(jù)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(jié)論，這種結(jié)論可能存在模糊和確定兩種狀況。(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。

11.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，機器人必需一邊思考一邊工作。

12.答：(1)仿人機器人的機構(gòu)設(shè)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)神態(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(jié)構(gòu)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.答：科學技術(shù)水平是機器人技術(shù)的基礎(chǔ)，科學與技術(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)。摸索新的高強度輕質(zhì)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)，在有時延的狀況下，建立預先顯示進行遙控等。(5)虛擬機器人技術(shù)?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感應技術(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