機器人復習題及參考答案

1、.課程考試復習題及參考答案機器人學導論一、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驅動：9.電機無自轉：10.直流伺服電機的調節(jié)特性：11.直流伺服電機的調速精度：12.pid控制：13.壓電元件：14.圖像銳化：15.隸屬函數：16.bp網絡：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

2、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.仿人機器人的關鍵技術有哪些？三、論述題：1.試論述機器人技術的發(fā)展趨勢。2.試論述精度、重復精度與分辨率之間的關系。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。4.試論述機器人靜力學、動力學、運動學的關系。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？6.試論述工業(yè)機器人的應用準則。四、計算題：

3、（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7,3,2t，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。2.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。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. 4.如圖所示兩自由度機械手在如圖位置時（1= 0 , 2=/2），生成手爪力 fa = fx 0 t 或f

4、b = 0 fy t。求對應的驅動力 a和b 。5.如圖所示的兩自由度機械手，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l1=l2=0.5m。設在某時刻1=30°，2=-60°，求該時刻的關節(jié)速度。已知兩自由度機械手速度雅可比矩陣為6.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。.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。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

5、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、二階導數與各執(zhí)行器驅動力或力矩之間的關系，即機器人機械系統的運動方程。7. 虛功原理：約束力不作功的力學系統實現平衡的必要且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

6、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信號，即產生壓電現象的元件。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：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

7、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. 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. 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

8、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?？梢允仟毩⒌摹⒆猿上到y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，大小臂間有相對運動，稱為屈伸臂，可以實現平面運動，也可以作空間運動。3. 答：拉格朗日運動方程式一般表示為：式中，q是廣義坐標；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。4. 答：構成機器人控制系統的基本要素包括： (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

9、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) 運動特性檢測傳感器，用于檢測機器人運動的位置、速度、加速度等參數。(5) 控制系統的硬件，以計算機為基礎，采用協調級與執(zhí)行級的二級結構。(6) 控制系統的軟件，實現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

10、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. 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：如果空氣溫度為t（)，則聲速v可由下式求得：8. 答：(1) 景物

11、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設備：如dsp系統；(4) 計算機及其設備，根據系統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. 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

12、噪、灰度變換和銳化等。10. 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訊號，作為系統的輸入值。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

13、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. 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) 仿人機器人的整體動力學及運動學建模；(4) 仿人機器人控制系統體系結構的研究；(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. 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

14、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，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。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

15、作者之間的協調控制，通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統，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?、多媒體和虛擬現實以及臨場感應技術，實現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

16、的研究主要集中在系統結構、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在機器人意外地與環(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. 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

17、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。分辨率是指機器人每根軸能夠實現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。

18、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. 答：輪式行走機器人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

19、，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. 答：靜力學指在機器人的手爪接觸環(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、二階導數與各執(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、關節(jié)加速度，處理這種關系稱為動力學（dynamics）。對于動力學來說，除了與連桿長度有關之外，還與各連桿的質量，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、

20、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示，這些也可作為動力學的問題來處理。5. 答：二階系統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，我們希望系統具有臨界阻尼或過阻尼，即要求系統的阻尼比1（注意，系統的位置反饋增益kp0表示負反饋）。把由二階系統特征方程標準形式所求得的n代入可得：因而速度反饋增益k v為：取方程等號時，系統為臨界阻尼系統；取不等號時，為過阻尼系統。在確定位置反饋增益k p時，必須考慮操作臂的結構剛性和共振頻率，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的共振，paul于1981年

21、建議：閉環(huán)系統無阻尼自然頻率n必須限制在關節(jié)結構共振頻率的一半之內，即：根據這一要求來調整反饋增益kp，可以求出：k p求出后，相應的速度反饋增益k v可求得：6. 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代化的大生產分工越來越細，操作越來越簡單，勞動強度越

22、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?？?/p>