機器人復(fù)習(xí)題及參考答案

1、課程考試復(fù)習(xí)題及參考答案機器人學(xué)導(dǎo)論：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(xué)：6. 機器人動力學(xué)：7. 虛功原理：驅(qū)動：9. 電機無自轉(zhuǎn)：10. 直流伺服電機的調(diào)節(jié)特性：11. 直流伺服電機的調(diào)速精度：控制：13. 壓電元件：14. 圖像銳化：15. 隸屬函數(shù)：網(wǎng)絡(luò)：17. 脫機編程：二、簡答題：1. 機器人學(xué)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

2、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(yù)處理？機器視覺常用的預(yù)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？：1. 試論述機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢。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(xué)、動力學(xué)、運動學(xué)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(yīng)用準則。(需寫出計算步驟，無計

3、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(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。2.xo,yo下的運動學(xué)方程。3.x, y,試求其關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變量0i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和02.4.1=0,0 2=71 /2),生成手爪力 Fa= fx 0 T 或 Fb =如圖所示兩自由度機械手在如圖位置時（。0fy求對應(yīng)的驅(qū)動力PA和PB。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s

4、的速度移動，桿長11=12=。設(shè)在某時刻01=30。，02=-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11s112sl212sl2y0411c 112G212G26.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 運動學(xué)方程。RPR機械手），求末端機械手的參考答案一、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須接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不

5、能產(chǎn)生相對運動。5 .機器人運動學(xué)：從幾何學(xué)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(xué)。6 .機器人動力學(xué)：機器人各關(guān)節(jié)變量對時間的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)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(xué)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!區(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，伺服電動機能立即自行停轉(zhuǎn)。10 .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。11 .直流伺服電機的調(diào)速精度：指調(diào)速裝置

6、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(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，使輪廓增強。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(yù)先進行程序設(shè)計，而不是用示教的方法編

7、程。18 .AUVAutonomousUnderwaterVehicle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(xué)；（2）機器人運動學(xué)；（3）機器人靜力學(xué)；（4）機器人動力學(xué)；（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?？梢允仟毩⒌?、自成系統(tǒng)的完整裝置，可隨

8、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：dLL一Tdt&q式中，q是廣義坐標；。是廣義力。L是拉格朗日算子，表示為LKP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。減速器,為了增加驅(qū)動力矩、降低運動速度。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方式進彳T驅(qū)動。（4）運動特性檢測傳感器，用于檢測機器人運

9、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。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

10、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，卞!據(jù)經(jīng)被測物體反射回來的回波延遲時間At,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：Rvt/2如果空氣溫度為T（C）,則聲速v可由下式求得：v331.50.607Tm/s8 .答：（1）景物和距離傳感器，常用的有攝像機、CC必像傳感器、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

11、，其任務(wù)是把攝像機或者CCD俞出的信號轉(zhuǎn)換成方便計算和分析的數(shù)字信號；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)蛋，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(yù)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(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個基本部分組成，即模糊化、知識庫、推理算法和逆模糊化。（1）模

12、糊化：將檢測輸入變量值變換成相應(yīng)的論域，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的語言值。（2）知識庫：包含應(yīng)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(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，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，機器人必須一邊思考一邊工作。12 .

13、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(xué)及運動學(xué)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(xué)技術(shù)水平是機器人技術(shù)的基礎(chǔ)，科學(xué)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)。探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載-自重比，同時機構(gòu)向著模

14、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(yīng)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)。多機器人和操作者之間的協(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)，在有時延的情況下，建立預(yù)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

15、現(xiàn)實以及臨場感應(yīng)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)。這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，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行研究。(7)微型和微小機器人技術(shù)。這是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、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)軟機器人技術(shù)。主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機器人設(shè)

16、計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，軟機器人技術(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(shù)。這是機器人技術(shù)發(fā)展的最高境界,目前僅在某些方面進行一些基礎(chǔ)研究。2 .答：精度、重復(fù)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精度。重復(fù)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(fù)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

17、變化，該平均值代表精度，而變化的幅度代表重復(fù)精度。分辨率是指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。一臺設(shè)備的運動精度是指命令設(shè)定的運動位置與該設(shè)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(shè)定的位置之間的差距。工業(yè)機器人的精度、重復(fù)精度和分辨率要求是根據(jù)其使用要求確定的。機器人本身所能達到的精度取決于機器人結(jié)構(gòu)的剛度、運動速度控制和驅(qū)動方式、定位和緩沖等因素。由于機器人有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，不同回轉(zhuǎn)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(fù)精度。3 .答：輪式行

18、走機器人是機器人中應(yīng)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(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運行的多采用實心鋼輪，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心輪胎。足式行走對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)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，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(xué)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(qū)

19、動力r的關(guān)系。動力學(xué)研究機器人各關(guān)節(jié)變量對時間的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)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。而運動學(xué)研究從幾何學(xué)的觀點來處理手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系。在考慮控制時，就要考慮在機器人的動作中，關(guān)節(jié)驅(qū)動力T會產(chǎn)生怎樣的關(guān)節(jié)位置0、關(guān)節(jié)速度&、關(guān)節(jié)加速度累，處理這種關(guān)系稱為動力學(xué)(dynamics)。對于動力學(xué)來說，除了與連桿長度有關(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)。運動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)中各變量的關(guān)系如下圖所示。圖中用虛線表示的關(guān)系可通過實線關(guān)系的組合表示，這些也可作為動力學(xué)的問題來處理。運動學(xué)rmr助力學(xué)5 .答：二

20、階系統(tǒng)的特性取決于它的無阻尼自然頻率3n和阻尼比己。為了安全起見，我們希望系統(tǒng)具有臨界阻尼或過阻尼，即要求系統(tǒng)的阻尼比1(注意，系統(tǒng)的位置反饋增益kp0表示負反饋)。把由階系統(tǒng)特征方程標準形式所求得的3n代入可得：Rafeff_kakb_kakv.12.kakpJefRa因而速度反饋增益kv為:kv2 kakpJefRaR fefkakb取方程等號時，系統(tǒng)為臨界阻尼系統(tǒng)；取不等號時，為過阻尼系統(tǒng)。在確定位置反饋增益kp時，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)無阻尼自然頻率

21、3n必須限制在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)共振頻率的一半之內(nèi)，即：wn0.5cor根據(jù)這一要求來調(diào)整反饋增益kp,可以求出：0kp一2CO0j0Ra4kaRa 0)0J0JeffRa feffkakbkvkp求出后，相應(yīng)的速度反饋增益kv可求得:ka6. 答：設(shè)計和應(yīng)用工業(yè)機器人時，應(yīng)全面考慮和均衡機器人的通用性、環(huán)境的適應(yīng)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(fēng)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

22、門應(yīng)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(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

23、。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(yīng)用機器人時需要人在應(yīng)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(yù)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：1 .解：點u的齊次坐標為：7,

24、3,2,1T010073100037v=Rot(z,90)u=001022000111001032010077w=Rot(y,90)v=100023000111100426010374t=Trans(4,-3,7)w=00173100001112.解：建立如圖1的參考坐標系，則C1S100C2S20L1C3S30L2|_S1C1001S2C2002S3C300二0010，T2=0010，T3=0010000100010001X3y3X2其中G233.解:如圖第一組解:yoy2O/xoc123s!23XT%S03c1230COS123,S123sin2所示，逆運動學(xué)有兩組可能的解。由幾何關(guān)系得L1c1L1siL2c12L2s120。2yaTTTT7/L1cos1L2cos12(1)4.5.yL1sin1L2sin12(2)(1)式平方加(2)式平方得x2y2L2L22LiL2cos22222xyLiL22arccos2LL2yL2sin21arctan一arctanxL1L2cos2第二組解：由余弦定理,arctan2解：由關(guān)節(jié)角給出如下姿態(tài):L1sinJ1L2sinL1cos1L2cos由靜力學(xué)公式JTF解:arccos2222xyL1L22L1L2