2023年機(jī)器人課程考試復(fù)習(xí)題庫(kù)

機(jī)器人課程復(fù)習(xí)

一、名詞解釋

工作空間：工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其腕軸交點(diǎn)能在空間活動(dòng)的范圍

剛體自由度：物體可以對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目

機(jī)器人的自由度：機(jī)器人末端構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。

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）。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆問(wèn)題：

機(jī)器人正動(dòng)力學(xué)問(wèn)題已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力或力矩，求機(jī)器人各關(guān)節(jié)軌跡或末端執(zhí)行器（位姿）軌跡。

機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)軌跡或末端執(zhí)行器（位姿）軌跡，求機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力或力矩。

雅可比矩陣：研究機(jī)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(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)。

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)：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。

PWM驅(qū)動(dòng)：脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）驅(qū)動(dòng)

直流伺服電機(jī)的調(diào)整特性：是指轉(zhuǎn)矩恒定期，電動(dòng)機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系。

直流伺服電機(jī)的調(diào)速精度：指調(diào)速裝置或系統(tǒng)時(shí)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。

示教再現(xiàn)：一種可反復(fù)再現(xiàn)通過(guò)示教編程存儲(chǔ)起來(lái)的作業(yè)程序的機(jī)器人。示教有直接示教和間接示教兩種

措施。直接示教是操作人員使用插入機(jī)器人手臂內(nèi)的操作桿，按給定運(yùn)動(dòng)次序示教動(dòng)作內(nèi)容，

機(jī)器人自動(dòng)把次序、位置和時(shí)間等詳細(xì)數(shù)值記錄在存儲(chǔ)器中。再現(xiàn)時(shí)，依次讀出存儲(chǔ)的信息，

反復(fù)示教的動(dòng)作過(guò)程。間接示教是采用示教盒（或稱示教器）示教。操作者通過(guò)示教盒按鍵操縱完

畢空間作業(yè)軌跡點(diǎn)及其有關(guān)速度等信息的示教，然后用操作盤對(duì)機(jī)器人語(yǔ)言命令進(jìn)行顧客工作

程序的編輯，并存儲(chǔ)在示教數(shù)據(jù)區(qū)。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)逐條取出示教命令

與位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行解讀、運(yùn)算并作出判斷，將多種控制信號(hào)送到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或端口,使機(jī)器

人忠實(shí)地再現(xiàn)示教動(dòng)作。

PID控制：指按照偏差歐I比例（P,proportional）＞積分（I,integral）＞微分（D,derivative）進(jìn)行控

制。

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)，而不是用示教的措施編程。

二、填空題

1、機(jī)器人按機(jī)構(gòu)特性可以劃分為（關(guān)節(jié)機(jī)器人）和（非關(guān)節(jié)機(jī)器人）兩大類。

2、機(jī)器人系統(tǒng)大體由（驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）、（機(jī)械系統(tǒng)）、（感知系統(tǒng)）和（人機(jī)交

互系統(tǒng)、機(jī)器-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成o

3、機(jī)器人的反復(fù)定位精度是指（機(jī)器人末端執(zhí)行器為反復(fù)抵達(dá)同一目的位置（理想位置）而實(shí)際

抵達(dá)位置之間的靠近程度）o

4、齊次坐標(biāo)「0010了表達(dá)的內(nèi)容是％方向。

5、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)是研究機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿和運(yùn)動(dòng)與關(guān)節(jié)空間之間的關(guān)

系。

6、假如機(jī)器人相鄰兩關(guān)節(jié)軸線相交，則聯(lián)接這兩個(gè)關(guān)節(jié)的連桿長(zhǎng)度為零。

7、常用時(shí)建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的措施有牛頓和拉格朗日o

8、6自由度機(jī)器人有解析逆解的條件是機(jī)器人操作手的獨(dú)立關(guān)節(jié)變量多于末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)自由度

數(shù)________o

9、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式重要有（液壓）、（氣動(dòng)）和（電動(dòng)）三種。

10、機(jī)器人上常用的可以測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器有測(cè)速發(fā)電機(jī)和增量式碼盤。

11、機(jī)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(jī)器人三原則是由誰(shuí)提出日勺。（D）

（A）森政弘（B）約瑟夫?英格伯格（C）托莫維奇（D）阿西莫夫

2、現(xiàn)代機(jī)器人大軍中最重要的機(jī)器人為：（A）

（A）工業(yè)機(jī)器人（B）軍用機(jī)器人（C）服務(wù)機(jī)器人（D）特種機(jī)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(yùn)行狀態(tài)（D）姿態(tài)與速度

4、運(yùn)動(dòng)學(xué)重要是研究機(jī)器人的：（B）

（A）動(dòng)力源是什么（B）運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的I關(guān)系（C）動(dòng)力的傳遞與轉(zhuǎn)換（D）運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)用

5、動(dòng)力學(xué)重要是研究機(jī)器人的：（C）

（A）動(dòng)力源是什么（B）運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的關(guān)系（C）動(dòng)力的傳遞與轉(zhuǎn)換（D）動(dòng)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(cè)量小信號(hào)進(jìn)行變換，使傳感器的信號(hào)輸出符合詳

細(xì)工業(yè)系統(tǒng)的規(guī)定。一般為：（A）

(A)4?20mA、-5?5V(B)0?20mA、。?5V(C)-20mA?20mA、一5?5V(D)-20mA

20mA>0~5V

7、傳感器日勺輸出信號(hào)到達(dá)穩(wěn)定期，輸出信號(hào)變化與輸入信號(hào)變化日勺比值代表傳感器日勺參數(shù)。

（D）

（A）抗干擾能力（B）精度（C）線性度（D）敏捷度

8.6維力與力矩傳感器重要用于（D）

（A）精密加工（B）精密測(cè)量（C）精密計(jì)算（D）精密裝配

9、機(jī)器人軌跡控制過(guò)程需要通過(guò)求解獲得各個(gè)關(guān)節(jié)角的位置控制系統(tǒng)的設(shè)定值。（B）

（A）運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題（B）運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題（C）動(dòng)力學(xué)正問(wèn)題（D）動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題

10.模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)的重要區(qū)別是什么？（B）

（A）載波頻率不一樣樣（B）信道傳送的信號(hào)不一樣樣（C）調(diào)制方式不一樣樣（D）

編碼方式不一樣樣

四、判斷題（回答Y/N）

1.機(jī)械手亦可稱之為機(jī)器人。Y

2.完畢某一特定作業(yè)時(shí)具有多出自由度的機(jī)器人稱為冗余自由度機(jī)器人。Y

3、關(guān)節(jié)空間是由所有關(guān)節(jié)參數(shù)構(gòu)成日勺。Y

4、任何復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)都可以分解為由多種平移和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的簡(jiǎn)樸運(yùn)動(dòng)的合成。Y

5、關(guān)節(jié)i的坐標(biāo)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)等于或不不小于6。N

7.對(duì)于具有外力作用的非保守機(jī)械系統(tǒng)，其拉格朗日動(dòng)力函數(shù)L可定義為系統(tǒng)總動(dòng)能與系統(tǒng)總勢(shì)能

之和。N

8.由電阻應(yīng)變片構(gòu)成電橋可以構(gòu)成測(cè)量重量的傳感器。Y

9.激光測(cè)距儀可以進(jìn)行散裝物料重量的檢測(cè)。Y

10.運(yùn)動(dòng)控制的電子齒輪模式是一種積極軸與從動(dòng)軸保持一種靈活傳動(dòng)比的隨動(dòng)系統(tǒng)。Y

11.諧波減速機(jī)的名稱來(lái)源是由于剛輪齒圈上任一點(diǎn)的徑向位移呈近似于余弦波形的變化。N

五、簡(jiǎn)答題/問(wèn)答題

1、國(guó)內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展有何特點(diǎn)？

答：1、傳感器智能機(jī)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(jì)技術(shù)4、機(jī)器人工程系統(tǒng)呈上升趨勢(shì)5、微型機(jī)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(kuò)展7、行走機(jī)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(jī)器人將裝備部隊(duì)

2、有哪幾種機(jī)器人分類措施？與否尚有其他的分類措施？

答：1、按機(jī)械手的幾何構(gòu)造來(lái)分2、按機(jī)器人的控制方式分3、按機(jī)器人控制器的信息輸入

方式分4、按機(jī)器人日勺智能程度分5、按機(jī)器人的移動(dòng)性分6、按機(jī)器人的用途分

3、什么叫做“機(jī)器人三守則”？它的重要意義是什么？

3.什么叫“機(jī)器人的三守則”？它的重要意義是什么？

1）機(jī)相人必綃不危害人類，也不允許它眼看人類將受傷害而袖手旁觀

2）機(jī)器人必須絕對(duì)服從人類,除非這種服從壯于人類

3）機(jī)霸人必須保護(hù)自身不受傷害，除非為了保護(hù)人類或者人類命令它做出犧牲等

意義：給機(jī)盟人社會(huì)附以新的倫理性,并且機(jī)器人概念更加通俗化，更易于為人類

社會(huì)所接受，至今,它仍為機(jī)器人研究人員、設(shè)計(jì)制造廠家和用戶,提供了十分有意義

的指導(dǎo)方針。

4、工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人的定義分別是什么？

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝

置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的

程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則大綱行動(dòng)。

到目前為止，在世界范圍內(nèi)還沒有一種統(tǒng)一的智能機(jī)器人定義。大多數(shù)專家認(rèn)為智能機(jī)器人至少要具有如

下三個(gè)要素：一是感覺要素，用來(lái)認(rèn)識(shí)周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運(yùn)動(dòng)要素，對(duì)外界做出反應(yīng)性動(dòng)作；三是思索

要素，根據(jù)感覺要素所得到的信息，思索出采用什么樣的動(dòng)作。

5、智能機(jī)器人的含義是什么？

智能機(jī)器人具有形形色色的內(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，它尚有效應(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(dòng)機(jī)，它們使手、腳、

長(zhǎng)鼻子、觸角等動(dòng)起來(lái)。由此也可知，智能機(jī)器人至少要具有三個(gè)要素：感覺要素，運(yùn)動(dòng)要素和思索要素。

6、分析一種空間激光切割機(jī)械手至少需要多少自由度？規(guī)定能使激光束的焦點(diǎn)定位，并可切割任意

曲面。

定位需要三個(gè)自由度，切割曲面需要三個(gè)自由度，合計(jì)六個(gè)

7、機(jī)器人的靈活度、自由度和冗余度的概念及其互相關(guān)系是什么？

靈活度=自由度+冗余度

8、為了將圓柱形的零件放在平板上，機(jī)器人至少應(yīng)具有幾種自由度?

答：一共需要5個(gè)：定位3個(gè)，放平穩(wěn)2個(gè)

9、機(jī)器人的精度、反復(fù)精度及空間辨別度的含義及其區(qū)別？

答：精度、反復(fù)精度和辨別率用來(lái)定義機(jī)器人手部的定位能力。

精度是一種位置量相對(duì)于其參照系的絕對(duì)度量，指機(jī)器人手部實(shí)際抵達(dá)位置與所需要抵達(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。

反復(fù)精度指在相似的運(yùn)動(dòng)位置命令下，機(jī)器人持續(xù)若干次運(yùn)動(dòng)軌跡之間的誤差度量。假如機(jī)器人反復(fù)

執(zhí)行某位置給定指令，它每次走過(guò)的距離并不相似，而是在一平均值附近變化，該平均值代表精度，而變

化的幅度代表反復(fù)精度。

辨別率是指機(jī)器人每根軸可以實(shí)現(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。精度和辨別率不一定有關(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)行此命令后可以到達(dá)的運(yùn)動(dòng)位置之間的差距，辨別率

則反應(yīng)了實(shí)際需要的運(yùn)動(dòng)位置和命令所可以設(shè)定的位置之間的差距。

工業(yè)機(jī)器人的精度、反復(fù)精度和辨別率規(guī)定是根據(jù)其使用規(guī)定確定的。機(jī)器人自身所能到達(dá)的精度取

決于機(jī)器人構(gòu)造的剛度、運(yùn)動(dòng)速度控制和驅(qū)動(dòng)方式、定位和緩沖等原因。

由于機(jī)器人有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，不一樣回轉(zhuǎn)半徑時(shí)其直線辨別率是變化的，因此導(dǎo)致了機(jī)器人的精度難以確

定。由于精度一般較難測(cè)定，一般工業(yè)機(jī)器人只給出反復(fù)精度。

10、機(jī)器人學(xué)重要包括哪些研究?jī)?nèi)容？

［答］:機(jī)器人研究的基礎(chǔ)內(nèi)容有如下幾方面：（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。

11、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析的一般過(guò)程是什么？為何要進(jìn)行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析？

答：1、建立坐標(biāo)系2、確定連桿參數(shù)3、寫出各個(gè)齊次矩陣4、寫方程

機(jī)器人動(dòng)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(jì)算每個(gè)驅(qū)動(dòng)器所需的驅(qū)動(dòng)力，以便在機(jī)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(jī)器人日勺外部載荷計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器也許承受的最大載荷，設(shè)計(jì)出能提供足夠力及

力矩的驅(qū)動(dòng)器。研究機(jī)器人不一樣部件之間日勺關(guān)系，合理地設(shè)計(jì)出機(jī)器人的部件。

12、簡(jiǎn)述建立工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的措施、環(huán)節(jié)。

建立各連桿坐標(biāo)系，確定各連桿D-H參數(shù)，寫出各齊次矩陣（運(yùn)用式A1和D-H參數(shù)計(jì)算各連桿之間

的D-H矩陣），寫運(yùn)動(dòng)學(xué)方程（根據(jù)7；=Aj...A「.A〃建立機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程）

13、方向余弦矩陣的特點(diǎn)均有那些

“方向余弦矩陣”是由兩組不一樣的原則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(lái)體現(xiàn)一組原則正交基與另一組原則正交基之間的關(guān)系，也可以用來(lái)體現(xiàn)一種向量對(duì)于另一組

原則正交基的方向余弦。

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(gè)不一樣列或不一樣行中對(duì)

應(yīng)元素的乘積之和則為零。

14、機(jī)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（＜=/0）

15、什么是機(jī)器人的奇異狀態(tài)？

機(jī)器人的雅克比矩陣的行列式等于零時(shí)的狀態(tài)，自由度會(huì)減少，母線運(yùn)動(dòng)受限制

16、簡(jiǎn)述齊次變換矩陣的物理含義。

〃x4叫Px

T=%%Py

4嘰pz

0001

答：1、起到坐標(biāo)變換的作用。2、代表物體的位置姿態(tài)

17、工業(yè)機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)器有那些類型，并簡(jiǎn)要闡明其特點(diǎn)。

(1)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源簡(jiǎn)樸，速度變化范圍大，效率高，轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)比較困難。

(2)液壓驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)處是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，構(gòu)造緊湊，剛度好，響

應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)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、低溫及有潔凈規(guī)定的

場(chǎng)所。故液壓驅(qū)動(dòng)器目前多用于特大功率的操作機(jī)器人系統(tǒng)或機(jī)器人化工程機(jī)械。

(3)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)造簡(jiǎn)樸，清潔，動(dòng)作敏捷，具有緩沖作用。但也需要增設(shè)氣壓源，且與液壓驅(qū)動(dòng)器

相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，因此多用于精度不高、但有潔凈、防爆等規(guī)定的點(diǎn)位

控制機(jī)器人。

18、常用的工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)有那些？

齒輪傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)，滾珠絲桿出傳動(dòng)，同步齒形帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)

19、在機(jī)器人系統(tǒng)中為何往往需要一種傳動(dòng)(減速)系統(tǒng)？

由于目前的電機(jī)一般速度較高，力矩較小，需要通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)減少轉(zhuǎn)速、提高力矩。

20、機(jī)器人常用的機(jī)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(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，能有效地運(yùn)用空間，直觀等長(zhǎng)處。

(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?？?/p>

以是獨(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)，以擴(kuò)大其活動(dòng)范圍.(4)屈伸式。臂

部由大小臂構(gòu)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)。

21、直流電機(jī)的額定值有哪些？

［答］:直流電動(dòng)機(jī)的額定值有如下幾項(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)電樞繞組可以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)，電樞繞組容許流過(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狀況下運(yùn)

行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。

22、機(jī)器人上常用時(shí)距離與靠近覺傳感器有哪些？。

超聲波，激光、紅外，霍爾傳感器

23、常見的I機(jī)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，靠近

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(jī)器人視覺的硬件系統(tǒng)由哪些部分構(gòu)成？

［答］:(1)景物和距離傳感器,常用的有攝像機(jī)、CCD圖像傳感器、超聲波傳感器和構(gòu)造光設(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)換成以便計(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)、迅速、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)的需要可以選用不一樣的計(jì)算機(jī)及其外設(shè)來(lái)滿足機(jī)器人視覺信息處理及其機(jī)器人控制的需要；(5)機(jī)器人或機(jī)械手及

其控制器。

25、機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元有哪些？

［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,為了增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力矩、減少運(yùn)動(dòng)速度。⑶

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)，采用協(xié)調(diào)級(jí)與執(zhí)行級(jí)的二級(jí)構(gòu)造。(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)器人與人的信息互換等功能。

26、請(qǐng)簡(jiǎn)述模糊控制器的構(gòu)成及各構(gòu)成部分的用途。

［答］:模糊邏輯控制器由4個(gè)基本部分構(gòu)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)輸入變量值變換成對(duì)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)：包括應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)和控制目的，它由數(shù)據(jù)和模糊語(yǔ)言控制規(guī)則構(gòu)成。(3)推理算法：從某些模糊前提

條件推導(dǎo)出某一結(jié)論，這種結(jié)論也許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(hào)，作為系統(tǒng)的輸入值。

27、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？

［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)描述多種操作，要在程序中闡明每個(gè)動(dòng)作。(2)對(duì)象級(jí)：容許

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，尤其合用于組裝作業(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

邊思索一邊工作。

28、什么是變構(gòu)造系統(tǒng)？為何要采用變構(gòu)造控制？

一種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的構(gòu)造參數(shù)是隨位置、時(shí)間變化而變化的I;由于機(jī)器人是經(jīng)典的非線性變參數(shù)系統(tǒng)模

型。

29、試述機(jī)器人滑模變構(gòu)造控制的基本原理。

滑模變構(gòu)造控制的原理，是根據(jù)系統(tǒng)所期望的動(dòng)態(tài)特性來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的切換超平面，通過(guò)滑動(dòng)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)一旦抵達(dá)切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超

平面抵達(dá)系統(tǒng)原點(diǎn)，這一沿切換超平面向原點(diǎn)滑動(dòng)的過(guò)程稱為滑?？刂?。

30、自適應(yīng)控制器有哪幾種構(gòu)造形式？試簡(jiǎn)介其工作原理。

機(jī)器人自適應(yīng)控制分為三類：模型參照自適應(yīng)控制、自校正自適應(yīng)控制和線性攝動(dòng)自適應(yīng)控制等。

(a)(b)

(a)模型參照自適應(yīng)控制器；它的基本設(shè)計(jì)思想是：為機(jī)器人機(jī)械手的狀態(tài)方程(傳動(dòng))綜合一種控

制信號(hào)u,或?yàn)闋顟B(tài)方程(動(dòng)力學(xué))綜合一種輸入凡這種控制信號(hào)將以一定的由參照模型所規(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措施的重要區(qū)別在于：STAC用線性離散模型來(lái)表達(dá)操作機(jī)器

人系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)技術(shù)，應(yīng)用采樣輸

入-輸出數(shù)據(jù)來(lái)建立。

線性攝動(dòng)自適應(yīng)控制器

六、論述題/綜合題

1、試論述機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

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)提高到一種更高的水平。未來(lái)機(jī)器人技術(shù)

的重要研究?jī)?nèi)容集中在如下幾種方面：(1)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料,深入提高負(fù)

載-自重比，同步機(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)研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面愈

加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的原則化和網(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)。為深入提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題處理的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的

多傳感器融合算法，尤其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)延時(shí)狀況下,

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?、多媒體和虛擬現(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)多智能體控制技術(shù)。這是目前機(jī)器人研究的一種嶄新領(lǐng)域。重要對(duì)多智能體的群體體系構(gòu)造、互

相間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)措施，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)器人研究的一種新的領(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)生不可估計(jì)的影響，微型機(jī)器人技術(shù)的研究重要集中在系統(tǒng)構(gòu)造、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)。重要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場(chǎng)

所。老式機(jī)器人設(shè)計(jì)未考慮與人緊密共處，因此其構(gòu)造材料多為金屬或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù)規(guī)定其構(gòu)造、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。⑼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)行某些基礎(chǔ)研究。

2、試論述精度、反復(fù)精度與辨別率之間的關(guān)系。

答：精度、反復(fù)精度和辨別率用來(lái)定義機(jī)器人手部的定位能力。

精度是一種位置量相對(duì)于其參照系的絕對(duì)度量，指機(jī)器人手部實(shí)際抵達(dá)位置與所需要抵達(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。

反復(fù)精度指在相似的運(yùn)動(dòng)位置命令下，機(jī)器人持續(xù)若干次運(yùn)動(dòng)軌跡之間的誤差度量。假如機(jī)器人反復(fù)執(zhí)行某位置給定指

令，它每次走過(guò)的距離并不相似，而是在一平均值附近變化，該平均值代表精度，而變化的幅度代表反復(fù)精度。

辨別率是指機(jī)器人每根軸可以實(shí)現(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。精度和辨別率不一定有關(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)行此命令后可以到達(dá)的運(yùn)動(dòng)位置之間的差距，辨別率則反應(yīng)了實(shí)際需要的運(yùn)動(dòng)位置和命令

所可以設(shè)定的位置之間的差距。

工業(yè)機(jī)器人的精度、反復(fù)精度和辨別率規(guī)定是根據(jù)其使用規(guī)定確定的。機(jī)器人自身所能到達(dá)的精度取決于機(jī)器人構(gòu)造的

剛度、運(yùn)動(dòng)速度控制和驅(qū)動(dòng)方式、定位和緩沖等原因。

由于機(jī)器人有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，不一樣回轉(zhuǎn)半徑時(shí)其直線辨別率是變化的，因此導(dǎo)致了機(jī)器人的精度難以確定。由于精度一般

較難測(cè)定，一般工業(yè)機(jī)器人只給出反復(fù)精度。

3、試論述工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用準(zhǔn)則。

［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)性等原因,

詳細(xì)遵照的準(zhǔn)則如下。

(1)從惡劣工種開始采用機(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)合理的狀

況下，采用機(jī)器人逐漸把人從這些工作崗位上替代下來(lái)，將從主線上改善勞動(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)，操作越來(lái)越簡(jiǎn)樸，勞動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越大。機(jī)器人可以高效地完畢某些簡(jiǎn)樸、反復(fù)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(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)需要

一般來(lái)講，人的壽命比機(jī)械的壽命長(zhǎng)，不過(guò)，假如常常對(duì)機(jī)械進(jìn)行保養(yǎng)和維修，對(duì)易換件進(jìn)行補(bǔ)充和更換，有也許使機(jī)

械壽命超過(guò)人。此外；工人會(huì)由于其自身的意志而放棄某些工作，導(dǎo)致辭職或停工，而工業(yè)機(jī)器人沒有自己的意愿，因此機(jī)

器人的使用不會(huì)在工作中途因故障以外的原因停止工作，可以持續(xù)從事所交給的工作，直至其機(jī)械壽命完結(jié)。

(4)機(jī)器人的投入和使用成本

雖說(shuō)機(jī)器人可以使人類掙脫很臟、很危險(xiǎn)或很繁重的勞動(dòng)，不過(guò)工廠經(jīng)理們極關(guān)懷的是機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)性。在經(jīng)濟(jì)方面所

考慮的原因包括勞力、材料、生產(chǎn)率、能源、設(shè)備和成本等。

可以用償還期丫定量地衡量機(jī)器人使用的合理性。假如機(jī)器人的使用壽命不小于其償還期，使用機(jī)器人是有效益的。

(5)應(yīng)用機(jī)器人時(shí)需要人

在應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人替代工人操作時(shí)，要考慮工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)能力以及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)知識(shí)的現(xiàn)實(shí)狀況和未來(lái)予以預(yù)

測(cè)。用既有的機(jī)器人原封不動(dòng)地取代目前正在工作的所有工人，并接替他們的工作，顯然是不也許的。

在平均能力方面，與工人相比，工業(yè)機(jī)器人顯得過(guò)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(jī)器人比人優(yōu)

越。因此要把工業(yè)機(jī)器人安排在生產(chǎn)線中的恰當(dāng)位置上，使它成為工人的好助手。

4、假如讓你設(shè)計(jì)一種機(jī)器人，你最但愿制作一種什么樣的機(jī)器人？它由哪幾部分構(gòu)成？制作它重要

需要完畢些什么工作？

答：機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)造由機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機(jī)器人的外貌有

的像人，有時(shí)卻并不具有人的模樣，但其構(gòu)成與人很相似。機(jī)構(gòu)部分包括機(jī)械手和移動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)械手相

稱于人手同樣，可完畢多種工作；移動(dòng)機(jī)構(gòu)相稱于人的腳，機(jī)器人靠它來(lái)“走路"。感知機(jī)器人自身或外部

環(huán)境變化信息的傳感器是它的感覺器官，相稱于人的眼、耳、皮膚等，它包括內(nèi)傳感器和外傳感器。電

腦是機(jī)器人的指揮中心，相稱于人腦或中樞神經(jīng)，它能控制機(jī)器人各部位協(xié)調(diào)動(dòng)作；信息處理裝置(電

子計(jì)算機(jī))，是人與機(jī)器人溝通的工具，可根據(jù)外界的環(huán)境變化、靈活變更機(jī)器人的動(dòng)作

5、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。

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)下處理手爪力尸與驅(qū)動(dòng)力工時(shí)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)力工會(huì)產(chǎn)生怎樣的關(guān)節(jié)位置。、

關(guān)節(jié)速度0、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。圖中用虛線表達(dá)的關(guān)系可通過(guò)實(shí)線關(guān)系的組合表達(dá)，這些也可作

為動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題來(lái)處理。

6、試論述輪式行走機(jī)構(gòu)和足式行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和各自合用的場(chǎng)所。

［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，用車輪移動(dòng)方式行走是相稱優(yōu)越的。

車輪的形狀或構(gòu)造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)行時(shí)多采用實(shí)心鋼輪，室外路面行駛時(shí)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

以在也許抵達(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)方式還具有積極

隔震能力，盡管地面高下不平，機(jī)身的運(yùn)動(dòng)仍然可以相稱平穩(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。

7、機(jī)器人軌跡控制過(guò)程如圖所示。試列出各步的重要內(nèi)容。

~~I口后A1rIAyI

［解］:(1)通過(guò)示教過(guò)程得到機(jī)器人軌跡上特性點(diǎn)的位姿。對(duì)于直線需要得到起始點(diǎn)和終點(diǎn)，對(duì)于圓弧需要得到弧上

三點(diǎn)；

(2)根據(jù)軌跡特性(直線/園弧/其他)和插補(bǔ)方略(定期/定距/其他)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的插補(bǔ)運(yùn)算，求出該插補(bǔ)點(diǎn)的位姿值；

(3)根據(jù)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，求出手臂解，即對(duì)應(yīng)于插補(bǔ)點(diǎn)位姿的所有關(guān)節(jié)角(仇，…，&)；

(4)以求出的關(guān)節(jié)角為對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)的設(shè)定值，分別控制〃個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；

(5)和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸連接時(shí)光軸編碼器給出該關(guān)節(jié)目前實(shí)際位置值，進(jìn)行反饋，位置控制系統(tǒng)根據(jù)此位置誤差(設(shè)

定值一反饋值)實(shí)行控制以消除誤差，使機(jī)器人到達(dá)所規(guī)定的位姿。

8、機(jī)器人學(xué)是一門綜合性的學(xué)科，（1）試論述機(jī)器人學(xué)重要的研究?jī)?nèi)容及其所需要處理的問(wèn)題（至

少3個(gè)方面）。

答：機(jī)器人學(xué)【robotics】與機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用有關(guān)的科學(xué)。機(jī)器人學(xué)又稱為機(jī)器人技術(shù)或機(jī)器人工

程學(xué)，重要研究機(jī)器人的控制與被處理物體之間日勺互相關(guān)系。機(jī)器人學(xué)波及的科目諸多，重要內(nèi)容有運(yùn)動(dòng)

學(xué)和動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)構(gòu)造、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、行動(dòng)規(guī)劃和應(yīng)用工程等。

伴隨工業(yè)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，到六十年代機(jī)器人開始進(jìn)入大量生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用階段。爾后由

于自動(dòng)裝備海洋開發(fā)空間探索等實(shí)際問(wèn)題的需要，對(duì)機(jī)器人的智能水平提出了更高的規(guī)定。尤其是危險(xiǎn)環(huán)

境，人們難以勝任的場(chǎng)所更迫切需要機(jī)器人，從而推進(jìn)了智能機(jī)器人的研究。

機(jī)器人學(xué)的研究推進(jìn)了許多人工智能思想的發(fā)展，有某些技術(shù)可在人工智能研究中用來(lái)建立世界狀態(tài)

的模型和描述世界狀態(tài)變化的過(guò)程。有關(guān)機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃生成和規(guī)劃監(jiān)督執(zhí)行等問(wèn)題的研究，推進(jìn)了規(guī)劃

措施的發(fā)展。此外由于機(jī)器人是一種綜合性的課題，除機(jī)械手和步行機(jī)構(gòu)外，還要研究機(jī)器視覺觸覺聽覺

等信感技術(shù)，以及機(jī)器人語(yǔ)言和智能控制軟件等。可以看出這是一種設(shè)計(jì)精密機(jī)械信息傳感技術(shù)人工智能

措施智能控制以及生物工程等學(xué)科的綜合技術(shù)。這一課題研究有助于增進(jìn)各學(xué)科的互相結(jié)合，并大大推感

人工智能技術(shù)的發(fā)展。

1、傳感器與感知系統(tǒng)2、驅(qū)動(dòng)、建模與控制3、自動(dòng)規(guī)劃與調(diào)度4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5、應(yīng)用研究

9、方向余弦矩陣是進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)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(diǎn)，

并通過(guò)詳細(xì)的實(shí)例分析予以驗(yàn)證。

答：“方向余弦矩陣”是由兩組不一樣的原則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(lái)體現(xiàn)一組原則正交基與另一組原則正交基之間的關(guān)系，也可以用來(lái)體現(xiàn)一種向量對(duì)于另

一組原則正交基的方向余弦。

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(gè)不一樣列或不一樣行中對(duì)

應(yīng)元素的乘積之和則為零。

“方向余弦矩陣”是由兩組不一樣的原則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(lái)體現(xiàn)一組原則正交基與另一組原則正交基之間的關(guān)系也可以用來(lái)體現(xiàn)一種向量對(duì)于另一組

原則正交基的方向余弦。

方向余弦陣的一些性質(zhì)

方向余弦輝有如下一些性質(zhì):

(1)基:'相對(duì)于基一的方向余驍陣/利基.?相對(duì)于基尸的方向余弦作，“為轉(zhuǎn)萱,

藺“一=矛(1.3-9)

(2)當(dāng)兩個(gè)基的基矢量的兩兩方向一致，則它們的方向余弦陣為二階單位陣。

才”■(1.3-10)

(3)若有三個(gè)基$'、V與3',其中相對(duì)于千和尸相對(duì)于的方向余弦陣分別為與

/?有

矛■上矛(1.3-11)

事實(shí)上,由矢量基的變換公式，有

讀者可根據(jù)I標(biāo)的持列記住上述關(guān)系.此關(guān)系可推廣到力限個(gè)基的方向余弦陣轉(zhuǎn)換。

(4)方向余弦陣是一正交陣°

事實(shí)上.作為式(L3T1)特殊情況,考慮到式(1.3-9)與(L3T0),有

故有本性質(zhì),即

?廣■附、?(1.3-12)

(5)不同基卜矢量坐標(biāo)陣間的關(guān)系式為

10、對(duì)（工業(yè)）機(jī)器人進(jìn)行位置和力的控制時(shí)，試比較關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計(jì)和操作空間控制器設(shè)計(jì)的

不一樣點(diǎn)，并畫出一種機(jī)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(shí)候無(wú)正解與反解，而操作空間控制器輸入與反饋時(shí)要有正

解與反解，如下圖所示。

<=o>（g）<=>I"1?=>|W.8A（=>③!=>

C。1CX?I

1----0----1

關(guān)節(jié)空間控制器操作空間控制器

畫出一種機(jī)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(jī)器人為例，分析討論機(jī)器人的控制：

（1）分析討論工業(yè)機(jī)器人的位置控制、速度控制、加速度控制和力控制的特點(diǎn)及其區(qū)別；

答：位置控制：工業(yè)機(jī)器人位置控制的目的，就是要使機(jī)器人各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)先所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)，最終保

證工業(yè)機(jī)器人終端（手爪）沿預(yù)定的軌跡運(yùn)行。此類運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是持續(xù)控制工業(yè)機(jī)器人手爪（或工具）的位

姿軌跡。一般規(guī)定速度可控、軌跡光滑且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。軌跡控制的技術(shù)指標(biāo)是軌跡精度和平穩(wěn)性。速度控制

意味著各個(gè)關(guān)節(jié)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)聯(lián)合進(jìn)行，并以不一樣的速度同步運(yùn)行以保證夾手沿著笛卡爾坐標(biāo)軸穩(wěn)定運(yùn)

動(dòng)。分解運(yùn)動(dòng)速度控制先把期望的夾手運(yùn)動(dòng)分解為各個(gè)關(guān)節(jié)的期望速度，然后對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)行速度伺服控

制。加速度控制分解運(yùn)動(dòng)加速度控制首先計(jì)算出工具的控制加速度，然后把它分解為對(duì)應(yīng)的各個(gè)關(guān)節(jié)加速

度，再按照動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出控制力矩。力控制除了在某些自由度方向進(jìn)行位置控制外，還需要在另某些

自由度方向進(jìn)行力控制。

(2)給出操作空間及驅(qū)動(dòng)空間的單個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人控制框圖，并闡明其控制過(guò)程。

機(jī)器人控制器的控制構(gòu)造形式，常見時(shí)有：集中控制、分散控制和遞階控制等。

如圖表達(dá)PUMA機(jī)器人兩級(jí)遞階控制的構(gòu)造圖。

關(guān)

6503v節(jié)

MF*電

機(jī)

機(jī)器人控制系統(tǒng)以機(jī)器人作為控制對(duì)象，它的設(shè)計(jì)措施及參數(shù)選擇，仍可參照一般計(jì)算機(jī)/嵌入式控制

系統(tǒng)。既有的工業(yè)機(jī)器人大多采用獨(dú)立關(guān)節(jié)的PID控制。如圖所示PUMA機(jī)器人的控制構(gòu)造即為一經(jīng)典。

由于獨(dú)立關(guān)節(jié)PID控制未考慮被控對(duì)象(機(jī)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。

K,

LS+R〃S+BE

反電勢(shì)

費(fèi)速發(fā)電機(jī)

力矩傳感器

先單

組用器

斯坦福機(jī)械手具有反饋控制，其一種關(guān)節(jié)控制方框圖如圖所示。從圖可見，它有個(gè)光學(xué)編碼器，與測(cè)速發(fā)

電機(jī)一起構(gòu)成位置和速度反饋。這種工業(yè)機(jī)器人是一種定位裝置，它的每個(gè)關(guān)節(jié)均有一種位置控制系統(tǒng)。

要提高響應(yīng)速度，一般是要提高系統(tǒng)的增益以及由電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸速度負(fù)反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強(qiáng)

反電勢(shì)的作用。

要做到這一點(diǎn)，可以采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，或者計(jì)算一定期間間隔內(nèi)傳動(dòng)軸角位移的差值。

傳遞函數(shù)：

8式S)=__________________K,____________________

V^(5)—+(RmJ+LmB)S+(R?B+k.K,)]

要提高響應(yīng)速度，一般是要提高系統(tǒng)的增益以及由電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸速度負(fù)反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強(qiáng)

反電勢(shì)的作用。要做到這一點(diǎn)，可以采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，或者計(jì)算一定期間間隔內(nèi)傳動(dòng)軸角位移的差值。由

于機(jī)器人機(jī)械手是通過(guò)工具進(jìn)行操作作業(yè)的，因此其末端工具的動(dòng)態(tài)性能將直接影響操作質(zhì)量。又因末端

的運(yùn)動(dòng)是所有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜函數(shù)，因此，雖然每個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能可行，而末端的動(dòng)態(tài)性能則未必能滿

足規(guī)定。

(3)比較關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計(jì)和操作空間控制器設(shè)計(jì)的不一樣點(diǎn)。

答：操作空間控制器設(shè)計(jì)波及運(yùn)動(dòng)學(xué)的正、反解。

七、計(jì)算題(需寫出計(jì)算環(huán)節(jié))

1、已知R為旋轉(zhuǎn)矩陣，6為平移向量，試寫出對(duì)應(yīng)的齊次矩陣。

3

b=-2

-5

［解］:齊次矩陣為

1003

001-2

A=

0-10-5

0001

2、矩陣

X0—1o-

y001

z—102

w001

代表齊次坐標(biāo)變換，求其中的未知元素值x、y、z、w(第一列元素)。

答：未知元素為n=(%,%%,0),又由“?°一：可得：nx=0,ns=0o又由

Jn'a=0

nxo="a可7f導(dǎo)九y=1o

■00-10'

所以未知元素為：n=(0,1,0,0),即所求矩陣為：1°

0-102

0001

3、寫出齊次變換矩陣，T,它表達(dá)相對(duì)固定坐標(biāo)系｛4｝作如下變換：

(a)繞ZA軸轉(zhuǎn)900；(b)再繞尤A軸轉(zhuǎn)-90°；(c)最終作移動(dòng)(3,7,9)兀

解：gH=Trans(3,7,9)Rot(X,-90□)Rot(Z,90D)

10031000-1000030-1000-103

_01070010100000171000017

一00190-1000010~0-1090010009

000100010001000100010001

4、寫出齊次變換矩陣之7，它表達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系｛B｝作如下變換:

(a)移動(dòng)(3,7,99；(b)再繞XB軸轉(zhuǎn)-90°；(c)繞ZB軸轉(zhuǎn)900。

00-1-9

1003

答：gH=Rot(Z,90口)Rot(X,-90□)Trans7,9)=

0-10-7

0001

5、求下面齊次變換

010-1

00-12

-1000

0001

的逆變換r1=

-

nx%%-p^n「00-1o

-p^o11

。工。200

解：T-'=4—

%%牝-p^a0-102

00010001

6、矢量Ap軸繞ZA軸旋轉(zhuǎn)30。角,然后繞軸旋轉(zhuǎn)45°角。試給出依次按上述次序完畢旋轉(zhuǎn)的旋

轉(zhuǎn)矩陣。

0.866-0.50O'

0.35360.6124-0.70710

:T=Rol(X,45)Rot(Z,30O)=

00.35360.61240.70710

0001

解:

7、坐標(biāo)系｛3｝的位置變化如下：初始時(shí)，坐標(biāo)系｛4｝與｛3｝重疊，讓坐標(biāo)系｛3｝繞ZB軸旋轉(zhuǎn)30°角;

然后再繞XB軸旋轉(zhuǎn)45。角。給出把對(duì)矢量為的描述變?yōu)閷?duì)號(hào)描述的旋轉(zhuǎn)矩陣。

解

對(duì)“P描述有5=丁尸;

0.866-0.50O-

0.35360.6124-0.70710

=Rol(X,45)Rol(Z,3Q°)=

00.35360.61240.70710

0001

8、下面的坐標(biāo)系矩陣B移動(dòng)距離d=(5,2,6)T：

0102

1004

B=

00-16

0001

求該坐標(biāo)系相對(duì)于參照坐標(biāo)系的新位置。

［解］:

2

4

6

1

9、求點(diǎn)P=(2,3,4)T繞x軸旋轉(zhuǎn)45度后相對(duì)于參照坐標(biāo)系的I坐標(biāo)。

2100

［解］:HP=Rot(xA5)300.707-0.707

400.7070.707

10、寫出齊次變換矩陣嚏T,它表達(dá)相對(duì)固定坐標(biāo)系｛A｝作如下變換:

(a)繞Z軸轉(zhuǎn)90。；(b)再繞X軸轉(zhuǎn)-90。；(c)最終做移動(dòng)(3,7,9)

解：依題意，#=Tra?(3,7,9)r?xRot(x90)?zRo?z90)

1003

T0107

Tran(3,7,9)r=0

019

0001

0-103

0017

解得：4T=

_J1009

0001

(3)求解該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。

(4)按集中質(zhì)量，建立其動(dòng)力學(xué)方程式。

(1)由題意己知，則：

-'C3

G一80oC]一§20L；一$30L；

q00S2C200S3C300

°T=,1T=，r3=

t0010200100010

000100010001

工2

圖1

0123~S1230+L2c[2

0L]S]+L?S\2

年230123

°(二°422T3=

0010

0001

其中ci23=cos(q+a+4)，5123=sin(q+a+a)

(2)如圖1示逆運(yùn)動(dòng)學(xué)有兩組也許的I解。

第一組解：由幾何關(guān)系得

x=d]cos^+d2cos(q+g)(1)

y=4sin6^+d2sin(^+劣)(2)

(1)式平方加(2)式平方得

%2+J=[+或+2d1d2cos%

*+y2—d\d，

02=arccos

'd2sin2、

0x-arctanarctan

W+d2cos幻

(2,2

—%+y)+d；+d；

第二組解：由余弦定理，a=arccos

2d1d2