機器人習題答案

PAGEPAGE4課程考試復習題及參考答案一、名詞解釋題：自由度：指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。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）。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)。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(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對運動。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。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。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。PWM驅(qū)動：脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）驅(qū)動。電機無自轉(zhuǎn)：控制電壓降到零時，伺服電動機能立即自行停轉(zhuǎn)。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。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。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。圖像銳化：突出圖像中的高頻成分，使輪廓增強。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。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)。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。AUV：AutonomousUnderwaterVehicle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(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；(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。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?、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。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：式中，q是廣義坐標；τ是廣義力。L是拉格朗日算子，表示為這里，K是動能；P是位能。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。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)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。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。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(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：如果空氣溫度為T（℃)，則聲速v可由下式求得：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(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。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各種噪聲等無用的信息，改進圖像的質(zhì)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。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(jù)轉(zhuǎn)換成合適的語言值。(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。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。仿人機器人的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？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)姿試論述工業(yè)機器人的應用準則。答：設(shè)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(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、重復性的工作，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(shù)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。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。解：點u的齊次坐標為：v=Rot(z,90°)u=w=Rot(y,90°)v=t=Trans(4,-3,7)w=2.如圖所示為具有三個旋轉(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。解：建立如圖1的參考坐標系，則=,=,=圖1==其中.3.如圖所示為平面內(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θ1和θ2.3.解：如圖2所示，逆運動學有兩組可能的解。圖2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，4.如圖所示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τA和τB。解：由關(guān)節(jié)角給出如下姿態(tài)：由靜力學公式5.如圖所示的三自由度機械手（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。解：建立如圖的坐標系，則各連桿的DH參數(shù)為：連桿轉(zhuǎn)角偏距扭角桿長1002090°0300由連桿齊次坐標變換遞推公式有，，故（寫出最后結(jié)果2分）式中：補充：1、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：2、求點P=(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：3、寫出齊次變換矩陣，它表示相對固定坐標系{A}作以下變換：繞Z軸轉(zhuǎn)90o；（b）再繞X軸轉(zhuǎn)-90o；（c）最后做移動（3，7，9）。解：4、設(shè)工件相對于參考系{u}的描述為，機器人基座相對于