机器人学导论复习题及参考答案

1、中 南大学网 络twr课程考试复习 题及参考答案机器人学导论一. 名词解释题：1. 自由度：2. 机器人工作载荷：3. 柔性手：4 制动器失效抱闸：5. 机器人运动学：6. 机器人动力学：7. 虚功原理：8. PWM驱动：9. 电机无自转：10. 宜流伺服电机的调右特性：11 直流伺服电机的调速精度：12. PID 控制：13 压电元件：14. 图像锐化：15. 隶属函数：16. BP网络：17. 脱机编程：18. AUV：二、简答题：1. 机器人学主要包含哪些研究内容？2. 机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？3. 拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义？4. 机器人控制系统的基本

2、单元有哪些？5. 直流电机的额泄值有哪些？6. 常见的机器人外部传感器有哪些？7 简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理。8. 机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？9. 为什么要做图像的预处理？机器视觉常用的预处理步骤有哪些？10. 请简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。11. 从描述操作命令的角度看，机器人编程语言可分为哪几类？12. 仿人机器人的关键技术有哪些？三、论述题：1. 试论述机器人技术的发展趋势。2试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。3.试论述轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合。4试论述机器人静力学、动力学.运动学的关系。5. 机器人单关节伺服控制中，位置反馈

3、增益和速度反馈增益是如何确左的？6. 试论述工业机器人的应用准则。四. 计算题：(需写出计算步骤，无计算步骤不能得分)：1.已知点“的坐标为7.3,2T,对点“依次进行如下的变换：(1)绕z轴旋转90得到点卩：(2)绕y 轴旋转90得到点w： (3)沿x轴平移4个单位，再沿y轴平移-3个单位，最后沿z轴平移7个单 位得到点仁求M, K WJ各点的齐次坐标。Z M2. 如图所示为具有三个旋转关节的3R机械手，求末端机械手在基坐标系如必下的运动学方程。3如图所示为平而内的两旋转关节机械手，已知机器人末端的坐标值药对试求英关节旋转变虽：0, 和4 如图所示两自由度机械手在如图位置时（0尸0, 02=

4、h/2）,生成手爪力FA = fx 0卩或几二0 fy To求对应的驱动力丫八和丫8。5如图所示的两自由度机械手，手部沿固左坐标系在手上X。轴正向以1. Om/s的速度移动，杆长 厶二厶二0.5m。设在某时刻亿二30 ,化二-60 ,求该时刻的关节速度。已知两自由度机械手速度雅 可比矩阵为lS8 2*122*12_ 厶1 +2C22C2 _6如图所示的三自由度机械手（两个旋转关节加一个平移关节，简称RPR机械手），求末端机械手的 运动学方程。参考答案一. 名词解释题：I. 自由度：指描述物体运动所需要的独立坐标数。2机器人工作载荷：机器人在规怎的性能范用内，机械接口处能承受的最大负载量(包括手

5、部)。3. 柔性手：可对不同外形物体实施抓取，并使物体表而受力比较均匀的机器人手部结构。4. 制动器失效抱闸：指要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。5. 机器人运动学：从几何学的观点来处理手指位饑与关节变量的关系称为运动学。6. 机器人动力学：机器人各关节变量对时间的一阶导数、二阶导数与各执行器驱动力或力矩之间的关系, 即机器人机械系统的运动方程。7. 虚功原理：约朿力不作功的力学系统实现平衡的必要且充分条件是对结构上允许的任意位移(虎位移) 施力所作功之和为零。8. PWM驱动：脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)驱动。9. 电机无自转：控制电压

6、降到零时，伺服电动机能立即自行停转。10. 直流伺服电机的调节特性：是指转矩恒泄时，电动机的转速随控制电压变化的关系。II. 直流伺服电机的调速精度：指调速装置或系统的给圧角速度与带额立负载时的实际角速度之差，与给 定转速之比。12. PID 控制：指按照偏差的比例(P, proportional积分(I, integral) 微分(D, derivative)进 行控制。13. 压电元件：指某种物质上施加压力就会产生电信号，即产生压电现象的元件。14. 图像锐化：突岀图像中的髙频成分，使轮廓增强。15隶属函数：表示论威Z7中的元素u属于模糊子集yl的程度，在0, 1闭区间内可连续取值。16.

7、 BP网络：BP (Back Propagation)神经网络是基于误差反向传播算法的人工神经网络。 17脱机编程：指用机器人程序语言预先进行程序设计，而不是用示教的方法编程。18. AUV： Autonomous Underwater Vehicle无缆自治水卜机器人，或自动海底车二、简答题：1答：机器人研究的基础内容有以下几方而：(1)空间机构学：(2)机器人运动学：(3)机器人静力 学：(4)机器人动力学：(5)机器人控制技术：(6)机器人传感器：(7)机器人语言。2答：目前常用的有如下几种形式：(1)横梁式。机身设计成横梁式，用于悬挂手愕部件，具有占地 面积小，能有效地利用空间，直观等

8、优点。(2)立柱式。多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，一 般臂部都可在水平而内回转，具有占地而积小而工作范用大的特点。(3)机座式。可以是独立的、自成系 统的完整装宜.可随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地而上的专用轨道移动，以扩大其活动范 羽。(4)屈伸式。臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂，可以实现平而运动，也可以作 空间运动。3答：拉格朗日运动方程式一般表示为：oL式中，g是广义坐标：t是广义力。厶是拉格朗日算子，表示为L = K-P这里，K是动能；P是位能。4答：构成机器人控制系统的基本要素包括：(1)电动机,提供驱动机器人运动的驱动力。 减速 置，为了增加驱

9、动力矩、降低运动速度。(3)驱动电路,由于直流伺服电动机或交流伺服电动机的流经电 流较大，机器人常采用脉冲宽度调制(PWM)方式进行驱动。(4)运动特性检测传感器,用于检测机器人 运动的位置.速度、加速度等参数 (5)控制系统的硬件,以计算机为基础，采用协调级与执行级的二级 结构。(6)控制系统的软件,实现对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换 等功能。5答：直流电动机的额左值有以下几项：(1)额泄功率,是指按照规左的工作方式运行时所能提供的 输出功率。对电动机来说，额立功率是指轴上输出的机械功率，单位为kWo (2)额左电压,是电动机电枢 绕组能够安全工作的最大外加电

10、压或输出电压，单位为V。(3)额左电流,是指电动机按照规左的工作方式 运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A。(4)额左转速,指电动机在额定电压.额左电流和输出 额泄功率的情况下运行时，电动机的旋转速度，单位为r/mino6答：常见的外部传感器包括触觉传感器，分为接触觉传感器、压觉传感器.滑觉传感器和力觉传感 器。距离传感器，包括超声波传感器，接近觉传感湍，以及视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉 传感器等。7答：在脉冲回波式中，先将超声波用脉冲调制后发射，根据经被测物体反射回来的回波延迟时间厶 “计算出被测物体的距离水 假设空气中的声速为巾则被测物与传感器间的距离斤为：/? = v

11、x A/2如果空气温度为T CC),则声速V可由下式求得：v = (331.5+ 0.6077) m/s8答：(1)景物和距离传感器,常用的有摄像机、CCD图像传感器、超声波传感器和结构光设备等；(2) 视频信号数字化设备,其任务是把摄像机或者CCD输出的信号转换成方便讣算和分析的数字信号：(3) 视频信号处理器,视频信号实时、快速、并行算法的硬件实现设备：如DSP系统：(4)计算机及其设备, 根据系统的需要可以选用不同的计算机及其外设来满足机器人视觉信息处理及其机器人控制的需要：(5) 肌器人或机械于以!匸控制器。9答：预处理的主要目的是清楚原始图像中各种噪声等无用的信息，改进图像的质量，增

12、强兴趣的有 用信息的可检测性。从而使得后而的分割、特征抽取和识别处理得以简化，并提高其可靠性。机器视觉常 用的预处理包括去噪、灰度变换和锐化等。10答：模糊逻辑控制器由4个基本部分组成，即模糊化.知识库、推理算法和逆模糊化。(1)模糊 化：将检测输入变量值变换成相应的论域，将输入数据转换成合适的语言值。(2)知识库：包含应用领域 的知识和控制目标，它由数据和模糊语言控制规则组成。(3)推理算法：从一些模糊前提条件推导出某一 结论，这种结论可能存在模糊和确定两种情况。(4)逆模糊化：将推理所得到的模糊值转换为明确的控制 讯号，作为系统的输入值。11答：机器人编程语言可分为：(1)动作级：以机器人

13、末端执行器的动作为中心来描述各种操作， 要在程序中说明每个动作。(2)对象级：允许较粗略地描述操作对象的动作、操作对象之间的关系等，特 別适用于组装作业。(3)任务级：只要直接指左操作内容就可以了，为此，机器人必须一边思考一边工作。12答：(1)仿人机器人的机构设计：(2)仿人机器人的运动操作控制，包括实时行走控制、手部操 作的最优姿态控制、自身碰撞监测、三维动态仿真.运动规划和轨迹跟踪：(3)仿人机器人的整体动力学 及运动学建模：(4)仿人机器人控制系统体系结构的研究；(5)仿人机器人的人机交互研究.包括视觉、 语音及情感等方而的交互：(6)动态行为分析和多传感器信息融合。三. 论述题：1答

14、：科学技术水平是机器人技术的基础，科学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的水 平。未来机器人技术的主要研究内容集中在以下几个方而： 工业机器人操作机结构的优化设讣技术。 探索新的髙强度轻质材料，进一步提高负载-自重比，同时机构向着模块化.可重构方向发展。(2)机器 人控制技术。重点研究开放式、模块化控制系统，人机界而更加友好，语言.图形编程界而正在研制之中。 机器人控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。(3)名传感系统。为进一 步提髙机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是苴问题解决的关键*其研究热点在于有效可行的多传 感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非

15、正态分布的情形下的多传感器融合算法。(4)机器人遥控及 监控技术，机器人半自主和自主技术多机器人和操作者之间的协调控制,通过网络建立大范用内的机器 人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。(5)虚拟机器人技术。基于多传感器、多媒 体和虚拟现实以及临场感应技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。(6)多智能体控制技术“这是 目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学 习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。(7)微型和微小机器人技术。这是机器人研究的一 个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究

16、的进展将会引起机器人技 术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方而产生不可估量的影响，微型机器人技术的研究主要 集中在系统结构、运动方式、控制方，法、传感技术.通信技术以及行走技术等方而。(8)软机器人技术。主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设汁未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属 或碾性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机骼人意外地与环境或人碰撞时是安 全的，机器人对人是友好的。(9)仿人和仿生技术。这是机器人技术发展的最髙境界,目前仅在某些方而 进行一些基础研究。2答：精度、重复精度和分辨率用来定义机器人手部的定位能力。精度是一个位宜量相对于其参

17、照系的绝对度量，指机器人手部实际到达位宜与所需要到达的理想位置之间 的差距。机器人的精度决泄于机械精度与电气精度。重复精度指在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。如果机器人重复执行 某位置给立指令，它每次走过的距离并不相同，而是在一平均值附近变化，该平均值代表精度，而变化的 幅度代表重复精度。分辨率是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。精度和分辨率不一泄相关。一台设备 的运动精度是指命令设定的运动位宜与该设备执行此命令后能够达到的运动位置之间的差距，分辨率则反 映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。工业机器人的精度、重复精度和分辨率要

18、求是根据其使用要求确左的。机器人本身所能达到的精度取决于 机器人结构的刚度.运动速度控制和驱动方式.定位和缓冲等因素。由于机器人有转动关节，不同回转半径时其直线分辨率是变化的，因此适成了机器人的精度难以确定。由 于精度一般较难测定，通常工业机器人只给出重复精度。3答：轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人，在相对平坦的地而上，用车轮移动方式行 走是相当优越的。车轮的形状或结构形式取决于地而的性质和车辆的承载能力。在轨道上运行的多采用实 心钢轮，室外路而行驶的釆用充气轮胎，室内平坦地而上的可采用实心轮胎。足式行走对崎岖路而具有很 好的适应能力，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达

19、的地而上选择最优的支撑点，而轮式 行走工具必须而临最坏的地形上的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔丧能力，尽管地而髙低不平， 机身的运动仍然可以相当平稳；足式行龙在不平地而和松软地而上的运动速度较髙，能耗较少。4答：静力学指在机器人的手爪接触环境时，在静止状态下处理手爪力尸与驱动力r的关系。动力 学研究机器人各关节变量对时间的一阶导数、二阶导数与各执行器驱动力或力矩之间的关系，即机器人机 械系统的运动方程。而运动学研究从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系。在考虑控制时，就要考虑在机器人的动作中，关节驱动力会产生怎样的关节位宜关节速度0、关 节加速度,处理这种关系称为动力学(dynam

20、ics)o对于动力学来说，除了与连杆长度有关之外，还与 各连杆的质量，绕质量中心的惯性矩，连杆的质量中心与关节轴的距离有关。运动学、静力学和动力学中各变量的关系如下图所示。图中用虚线表示的关系可通过实线关系的组合表示, 这些也可作为动力学的问题来处理。运动学动力学静力学5答：二阶系统的特性取决于它的无阻尼自然频率域和阻尼比为了安全起见，我们希望系统具有 临界阻尼或过阻尼，即要求系统的阻尼比21 (注意，系统的位垃反馈增益怎0表示负反馈)。把由二阶 系统特征方程标准形式所求得的孙代入可得：因而速度反馈增益纵为:取方程等号时，系统为临界阻尼系统：取不等号时，为过阻尼系统。在确立位宜反馈增益kp时，

21、必须考虑操作臂的结构刚性和共振频率，它与操作臂的结构、尺寸、质 量分布和制造装配质量有关。为了不至于激起结构的振盈和系统的共振，Paul于1981年建议：闭环系统无阻尼自然频率on必须限 制在关节结构共振频率的一半之内，即：3口 丿 Men - Rafetl - *a*bV -心6.答：设计和应用工业机器人时，应全而考虑和均衡机器人的通用性、环境的适应性、耐久性、可靠 性和经济性等因素，具体遵循的准则如下。(1) 从恶劣工种开始采用机器人机器人可以在有毒、风尘、噪声、振动、高温、易燃易爆等危险有害的环境中长期稳圧地工作。在技术、 经济合理的情况下，采用机器人逐步把人从这些工作岗位上代替下来，将

22、从根本上改善劳动条件。(2) 在生产率和生产质量落后的部门应用机器人现代化的大生产分工越来越细，操作越来越简单，劳动强度越来越大。机器人可以高效地完成一些简单、 重复性的工作，使生产效率、产品质量获得明显的改善。(3) 要估计长远需要一般来讲，人的寿命比机械的寿命长，不过，如果经常对机械进行保养和维修，对易换件进行补充和更换, 有可能使机械寿命超过人。另外；工人会由于苴自身的意志而放弃某些工作，造成辞职或停工，而工业机 器人没有自己的意愿，因此机器人的使用不会在工作中途因故障以外的原因停止工作，能够持续从事所交 给的工作，直至其机械寿命完结。(4) 机器人的投入和使用成本虽说机器人可以使人类摆

23、脱很脏、很危险或很繁重的劳动，但是工厂经理们极关心的是机器人的经济性。 在经济方而所考虑的因素包括劳力、材料、生产率、能源、设备和成本等。可以用偿还期F左量地衡量机器人使用的合理性。如果机器人的使用寿命大于其偿还期，使用机器人是有 效益的。(5) 应用机器人时需要人在应用工业机器人代替工人操作时，要考虑工业机器人的现实能力以及工业机器人技术知识的现状和未来 给予预测。用现有的机器人原封不动地取代目前正在工作的所有工人，并接替他们的工作，显然是不可能 的。在平均能力方而，与工人相比，工业机器人显得过于逊色：但在承受环境条件的能力和可靠性方而，工业 机器人比人优越。因此要把工业机器人安排在生产线中

24、的恰当位置上，使它成为工人的好助手。四. 计算题：1解：点u的齐次坐标为:7,3,2,1v = Rot (z, 90 )uw = Rot (y, 90 )v =10 0 4_60 10-3740 0 173100 0 0 11_1t = Trans (4, -3, 7)w2解：建立如图1的参考坐标系，则qs0oC2_$200厶SC001 fS2C200C30000100010J00100001_0001 _0001 0T3 = Ti TT尸一 230厶q +厶巾C1230厶八+厶$12010001C23S2300其中 CI23 =COS(G +02 +q), $123 =sin(G +02 +q)3解：如图2所示，逆运动学有两组可能的解匚（1）第一组解:x=厶 cos q + 厶 cos(q + 电)y =厶