浙江大学生物系统工程-生物生产机器人-卷子2

1、1 生物生产机器人的组成和性能与工业机器人相比有什么不同？ 答：首先，生物体的属性是各种各样且多变的，因而生物生产机器人在处理生物体时必须是灵活的、多功能的，在大多数情况下，当末端执行器与生物体相接触时柔性处理是必要的。第二，在识别周围环境时常希望机器人具有一定程度的智能。第三，机器人常要在非结构化的、苛刻的和变化的环境下作业。第四，除了那些传统机器人所具备的安全装置之外，当生物生产机器人与操作人员一起作业时可能还需要一些特殊的安全装置。最后，为使机器人能获得潜在的使用者的认可，它的操作界面必须简单，且货币投资要有成本效益。2 比较北美、东亚和欧洲的生物生产系统的不同特点及对生物生产机器人的要

2、求？ 答：在北美（美国和加拿大），常是只有很少农民的大型农场及用于大块田地的大型机械。当机器人引入大型系统时，通过各种全球定位系统进行控制会很有效。在这种系统中，由于是大型的单一作物区域，一个农场主所需的机器人数量比较少。在东亚，主要是小规模的生物生产系统和有许多农民的密集型农业，在他们的生产系统中，优质产品是在较小区域里耗费大量的劳力、精力和时间获得的。东亚的褶皱地型形成了各种小平原、丘陵、流域、小山、温室和植物工厂，还有在这些区域的各种各样的环境条件。为了获得较高的产量和质量，必须在适宜的季节和区域种植适宜的生物种类。在一个含多种种植地型的生产系统，需要一个单操作器多机器人(one-ope

3、rator-several-robots)系统。欧洲的情况在东亚和北美之间。3生物生产机器人开发的三大推动力是什么? 答：(1) 工程理论和技术，包括机械学、电子学、机器视觉、模糊控制、人工智能、神经网络等；(2) 生物科学，包括因为植物学、动物学、食品科学、生物原料加工过程等；(3) 社会科学，如经济学、管理学、市场学和公共接受程度。4机器人主要由几部分组成，对每部分进行简要介绍? 答：机器人主要由机械手、末端执行器、传感器、移动装置、控制装置和执行机构组成。机械手有许多个一端自由一端固定的链接机构，其若干机构为开环结构。机械手的链接机构虽比较灵活，但它不能承担重物。末端执行器安装在机械手末

4、端，具有与人手类似的功能。末端执行器应考虑生物物料的某一性质，且针对某一特定用途进行设计。末端执行器通常需要外部和内部传感器一起处理作业对象的不可预测的物理特性。内部传感器是每个机器人必需的，外部传感器主要用于生物生产机器人，因为其工作对象的光学特性、形态特性和环境条件特殊且变化不一。采用移动装置的主要目的就是为了增大工作空间，但并不是所有的机器人系统都需要移动装置。移动装置主要有轮式、履带式、轨道式三种。机器人各部件由计算机通过一个接口进行控制，主要包括中央处理机、存储器、外部集成电路、输入/输出端口。这些元件通过地址总线、数据总线和控制总线与CPU相连。5 为什么有些机器人没有机械手？ 答

5、：谷物、干草收获机器人和耕地机器人也不需要诸如机械手之类的链接机构。在这些操作中，小物块、茎干、易碎的结块等被一起处理，因而需要较大的功率，这一点链接机构不能实现。通常，由于机械手只有几个关节和一点固定点，因而，机械手末端不能处理重物，不能输出大功率，也不同高速运作。如果机械手的末端执行器是锄头或镰刀，并把它用于耕种、犁地或收获谷物等，那么它的工作性能绝不会超过传统的采用旋转耕耘器、犁或往复切割器的拖拉机或联合收割机，因此这些机械装置不必安装机械手。6 简要介绍各类传感器的功能? 答：传感器主要分为视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉传感器。视觉非常重要，它搜集的信息占所有传感器采集信息的90%以上。

6、彩色照相机或单色TV照相机常用作无源测距系统的视觉传感器，而位置敏感装置结合激光或光发射装置可用作有源测距系统三维传感器。近红外区域常用作生物生产机器人的感知系统，因为大部分生物物料在该区域有特定的光谱反射系数。听觉传感器在生物生产机器人中较少用到，但它在操作人员和机器人之间的交流界面，根据发声区分牛，以及检查机器时是必不可少的。嗅觉和味觉主要用于分析生物物料的气味、果汁或植株，以评价其质量和成熟度。触觉传感器在机器人用末端执行器处理工作对象时是必不可少的。主要包括接触传感器、压觉传感器、滑觉传感器三大类。每一种类型都是基于与外部对象物的直接接触。接近传感器用于近距离对象物的存在检测、冲突防止

7、、形状检测以及修正视觉传感器的位置误差的传感器。7 执行机构主要分为几类，简要介绍各类的特点? 答：执行机构主要分为：电动执行机构、液压执行机构、气动执行机构。电动执行机构主要由电力驱动，因而比较容易控制且结构紧凑；液压执行机构将液能转换成机械能，输出功率大，能使机器人处理重物；气动执行机构的优点是便于处理简单轻便物体。它将空气压能转换成机械能，但很难实现对机械手、末端执行器或气动泵、管道和阀门等设备的精确定位。8 简要介绍形状记忆合金的特点，及其工作原理? 答：形状记忆合金具有小型轻便的优点，可用于生物技术机器人。这种执行机构是通过电流加热，然后通过低温或其他方法冷却来获得运动。但是，这种执

8、行机构的位移和输出功率不大，因而它的反应速度也比其他执行机构慢。9 机械手的关节有哪几种？分别的符号表示？ 答：2种直动关节和3种转动关节 10 机械手有哪几种类型? 答：多关节机械手、圆柱坐标机械手、极坐标机械手、笛卡尔坐标机械手、冗长机械手11自由度是否越多越有利? 答：否。自由度以能满足运动的情况下最少为佳。自由度增多不但造成控制上的难度加大，运动精确性降低，而且会由于控制器的增多造成质量加大，浪费能源。12 能否通过改变栽培方式来达到适合机器人工作的目的？请举例说明? 答：能：如番茄的营养液向下栽培模式；黄瓜的倾斜支架栽培模式；葡萄等植物的水平棚架模式等13常用图像传感器主要有两种？各

9、有何特点? 答：图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为CCD和CMOS。 CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解决。目前CCD元件的

10、尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好14试简述主动法测量深度的原理? 答：主动法可细分为传播时间法和三角测量法。传播时间 光学传播时间测距仪通常由发射一个校准光束发射器，一个扫描机构，一个检测在对象物上反射光的接受装置组成。通过光从日发射器到对象物并返回的时间可以获得距离。主动三角测量 主动三角测量方法就是用透光器来代替双目视觉系统中一个眼睛，例如一平面光或聚光灯从一个方向投影在对象物上，同时一个摄像机从另外一个方向检测它的图像15被动立体视觉与主动法相比有何特点，立体视觉目前没有在工业上广泛应用的原因是什么? 答：立体视觉 我们已经发现主动发现深度的方

11、法只在有限的情况下工作（对象物曲面法线相对光的方向并不发生大的角度变化并且对象物是足够紧密的以使反射光可能被可靠的观察到）。另一方面，被动立体视觉在人双目视觉能能工作原则下的各种情况下也都工作。尽管立体视觉有潜力，但其还没有在工业上广泛应用。两个主要原因是：（1） 还没有开发出可靠的图像处理程序（2） 图像处理需要时间长这两个原因并不是独立的，也就是说如果开发出可靠的图像处理程序，通过使用超级计算机或专用图像处理器，处理时间可能会减少。16可用作特征匹配的特征可分为哪两类，各有何特点? 答：在基于立体视觉的特征中，可使用作特征匹配的可分为两大类：1）全局特征，如长边缘部分 很难从两幅图像检测到

12、同样特征 容易匹配2）部特征，如用局部算子提取的边缘 容易检测 很难对许多相似特征进行匹配17什么叫传感器融合？传感器融合方案分为哪三类？ 答：传感器融合技术是一涉及生物学、感觉、传感器信息处理、控制和计算结构的多学科领域。有许多方法可将多传感器信息融合起来。我们可把传感器融合方案分为三类：1）获得更可靠数据的传感器融合：如果可获得多余的传感器数据，通过统计计算获得期望数据。2）获取更多有用信息的传感器融合：有用信息可通过单传感器数据的解释获得。如果其他信息也同样是从另一传感器数据获得的话，那它也是有用信息。3）用于解释的传感器融合：多传感器数据可立即或在执行特征提取等处理后用于解释。18 简

13、述距离传感器中超声波传感器的应用原理其实应用范围? 答：将超声波向对象物发射，通过测出从发射到对象物而又反射回来的往返时间实现测距。范围：气体、液体、固体19导航传感器可分为几类？请分别说明它们的优缺点? 答：可分为固定式，半固定式，自由式。（1）固定式:优点：控制行进车辆简单；缺点：车辆只能按电缆、轨道、管道行进，这种方法不够灵活。（2）半固定式：优点：控制简单又能完成如沿犁沟喷洒农药等基本操作。缺点：灵活性还是不够（3）自由式：优点：灵活性高。缺点：控制方法复杂。20机械控制中的内部传感器主要测量对象是什么，内部传感器中代表性的传感器包括那些? 答：内部传感器是指用来检测机器人关节角度、角

14、速度、角加速度、直线运动的位置、速度等的与机器人状态有关的传感器。代表性的内部传感器有位置、速度、角速度、加速度等传感器。田间自走式机器人采用自我位置检测用传感器，其中包括回转仪、磁力方位传感器等以惯性坐标系或地球未基准进行自我位置检测的传感器都属于内部传感器。在倾斜坡面行走的机器人要防止自身的倾倒，所以需要用属于内部传感器的倾斜角度传感器。21列举几种电位仪，并简述他们的一些特性? 答：绕线型电位仪被经常应用以得到较高的电阻值。此电位仪是将电阻线被绕在直线型或圆圈型的绝缘材料上。但是在电刷从一端移动到另一端的过程中，其电阻不是线性连续变化的。传导橡胶型电位仪在机器人的应用中相当的广，其原因是

15、它的使用寿命长，分辨率高以及其他一些优点。另外与单线圈作为电阻元件的绕线型电位仪相比，传导橡胶型电位仪还有高可靠性等优点。因为电阻元件的表面是光滑的，所以在元件与电刷之间存在的摩擦和噪声很小。其电阻分辨率在理论上来说为无穷小。磁阻电位仪可以无接触的检测到位置和角度信息。近年在机器人的快速发展中其适应要求的高分辨率和较长使用寿命被得到的关注22请根据你对生物生产中传感器的理解，谈谈自己对于未来传感器发展方向的想法? 无标准答案。23生物生产环境中的行走机构有哪几种，各有什么优缺点? 答：生物生产环境中的行走机构有车轮型车辆、轨道型车辆、履带型车辆、架式系统和有腿机器人。（1）车轮型车辆的优点包括

16、机构简单，控制容易，且能够高速行驶。缺点是对田地土壤的破坏较严重。（2）轨道型车辆主要用于在无法建设公路的区域，如陡峭的斜面、脆弱的土地、崎岖不平地带等，其具有较强的安全性，缺点是收回投资的年限较长。（3）由于履带型车辆与地面接触区域较大，因此其具有较小的下沉度和地面接触压力，也因此在不良地面上的行动性优于车轮型车辆。而且，它具有非凡的爬坡性能、制动力和停车力。（3）架式系统是一种基于交通控制系统思想的交通工具。它可以通过使用其宽阔的工作空间，在不挤压土壤的情况下完成从最初的耕耘到最后的收割等多种任务。（4）有腿机器人在农业环境中有很多优点，包括在崎岖地形的高灵活性和避开大型障碍的能力。然而，

17、其相对车轮型和履带型车辆的缺点包括更加复杂的机构和控制方式、不稳定性、较低的速度和能量转化效率。24四轮车辆的一般转向方式有哪些种，各有什么特点? 答：生物生产环境中的四轮车辆的一般转向方式如下：（1） 前脚轮方式：在这种方式中，车辆以后轮驱动沿着垄行驶。（2） 导向轮方式：当安装在前轮上的导向轮与垄斜面接触后，车辆的行驶方向依据其对该垄的反应进行矫正。（3） 自导向修正机制的方式：当前轮行驶到垄上，自动修正车辆的运动方向。（4） 制动器方式：前轮用制动器转向，与我们使用一个方向盘转向类似。（5） 制动器四轮转向：可以分为不同的模式类型，类型一中，后轮固定，前轮用制动器控制，类似于普通汽车的转

18、向方式。类型二中，当四个车轮有相同的转向角度和速度时，车辆可以在不改变车体方向的情况下实现行驶的侧面模式和对角模式。这种被称为“蟹式转向”的转向方式在狭窄的地方非常方便。类型三中，前后轮以相反的方向转动。最后，在类型四中，当所有的轮轴转向车体中心的时候，车辆就完成了在小空间内的旋转。25履带式车辆的首要特点如何，它是如何转向的? 答：履带式车辆的首要特点是其不直接与地面接触的车轮结构。由于履带型车辆所有车轮的方向都是固定的，所以其不能使用车轮型车辆的转向方法。因此，履带型车辆通过使用离合器和刹车改变两个驱动轮之间的速度来实现转向。其两种转向方法为枢轴转向和旋转转向。枢轴转向是最常见的转向方法。

19、在其中一个履带停止移动时使用该方法进行转向。另一方面，旋转转向要通过两条履带同时向相反方向转动来实现。相对于枢轴转向，旋转转向有需要时间短和转向半径小的优点。但它也同时具有需要动力大和对表层土破坏严重的缺点。除了这些转向方法，还有另外一种转向方法，这种方法中两条履带同时被以不同的速度驱动来减少对地块表层土的破坏。由于这种方法具有较长的转向半径，其在工作速度方面差于其他方法。26有腿机器人有哪几种步法，什么是动态行走和静态行走，怎样才能达到稳定 ? 答：有腿机器人的步法有爬行步法、波动步法、疾走步法和踱步步法等。机器人行走时，其重心对地的垂直投影点不在连接其支撑腿各点的多边形内，机器人处于静态不

20、稳定状态，这样的一个行走方式被称为动态行走。机器人重心对地的垂直投影点总是在其支撑多边形内，因此实现稳定行走。这种行走被称为静态行走。有腿机器人的稳定性与其腿的数量、身体重心以及其移动腿的次序和时间密切相关。机器人重心对地的垂直投影点总是在其支撑多边形内时，可以达到稳定行走。27专家系统与专家的区别 ? 答：由于专家系统是模拟人类的思维方式，因此，在比较人工智能和人类专家知识时经常是比较有益和有趣的。与人类专家知识相反的是，人工经验是更持久，更容易移动和建档，更与它本身的性能相一致，更能在不同场所利用经验同时进行应付。但是，人工专家也是有限制。机器是缺乏创见的，因此，就不会有人类专家那样的创造

21、性。在多数情况下，专家系统处理问题面非常狭窄，因此，它们缺乏看大图片和训练通感的能力。28专家系统适用于哪些情况 ? 答：专家系统在以下情况下能得到很好的应用：（1）问题不涉及繁重的数学计算；（2）本身是诊断问题，例如除错；（3）知识库本身存在不确定性或专家系统要处理的情况的不确定性；（4）信息以可追踪的关系构建。29 知识工程师的工作是什么? 答：知识工程师要做的第一步是研究用于处理手头事情的专家系统是不是有可能的、正确的和合适的。这必须要专家确实存在并且他们愿意贡献出他们的经验。要解决的问题需要启发式推理。专家们必须能达成一致的结论。即提取专家的知识，组织和表达知识，在计算机上编码知识（和

22、推理器）。30如何评价专家系统? 答：专家系统也需要通过一些形式上的评价过程才能验证。评价的内容包括内容、性能和操作友善性。所作的决定和给的建议必须中肯可靠。在评价专家系统时确实存在的挑战是确立客观的评价标准以及选择的用户的公正性。31 试述移植机器人的移植过程及其图象采集和处理方法? 答：在移植操作中，皮氏培养皿中的胼胝体被分成适当大小。然后每个又被选出到新的基体上培养。机器人的末端执行器需要经过灭菌处理。机器人系统包括以下几个装置：识别胼胝体的形状和位置的图像处理系统，分离、采摘和运送胼胝体的末端执行器，检测吸着力大小的压力传感器，将末端执行器引到组织端的操纵器，机器人驱动单元和控制整个系

23、统的计算机。切割胼胝体是通过附在操纵器末端的切割装置来完成的。切割装置架和支撑两个平行刀片部位间安装了弹簧缓冲器。双排刀片放在一起，随切割装置移动到胼胝体质心，然后下压进行切割。为了能够比较容易地捕获到胼胝体的图像，机器人张开手爪，分开已经被切开的胼胝体。然后操纵器末端的吸管吸取每个胼胝体移放到新的培养皿中。 图象采集和处理方法如下：首先，机器人获取图像并且检测培养皿的面积和中心点。然后打开培养皿盖，机器人获取胼胝体的图像。接着，将胼胝体的图像根据多次实验获得的域值转换成二元图像。为了能搜索到胼胝体，有必要让机器人只检查有盖培养皿内区域。过滤噪声之后，就提取出胼胝体的图像，并且根据搜索结果，计

24、算出图像的质心。32简述剪切-粘合机器人工作的流程? 答：剪切-粘合机器人系统主要由三个部分组成：剪切体供给系统、叶移除装置和种植装置。第一步，将一束剪切体放入水箱，通过振动水箱展开剪切体。操纵器从TV摄像机获取剪切体的位置信息，挑出剪切体。第二步，另一个TV摄像机检测出剪切体的位置和方向，为另一个操纵器指出剪切体的获取位置。第三步，控制器将剪切体送到叶移除装置和种植装置。最后，剪切体由种植装置粘着在插盘上。33移植机器人的移植工作单元的装置包括哪些? 答：机器人移植工作单元的装置包含了所有必要机械装置和电气电子硬件和软件。插种容器 容器的基本作用是给插种苗发育提供方便，并起到固定作用。秧苗在

25、容器中生长减轻了自动化移植中的单列化和定苗的任务。传送带 插种盘或秧苗盆通过传送带传送。传送带的规格和运动被配置和监控，以便和机器人的规格和运作相适应。机器人 机器人系统包含一个操纵器、一个控制器和一个软件包。操纵器的作用是确定末端执行器的位置和方向。控制器监控和控制着操作器和外围设备。软件包提供人机交互界面。 末端执行器 末端执行器是机器人和苗盆间的接触面。一个理想的末端执行器的功能是抓取、保持、插入和释放苗盆，而和植物种类和容器尺寸无关。 传感装置 机器视觉是机器人应用中非常普遍的传感器。它能测量植物的许多形态学上和光谱学上的特性。主机 机器人工作单元中的很多组件可以各自通过它们的控制器来

26、单独运作。但为了能够使这些组件成为一个综合系统，中央处理器的作用是十分有益的。中央处理器是一个有和其他组件的控制器能双向交流的主机。主机上的软件则使得主机担任了系统最高级命令发送的角色。34秧苗移栽机器人包括哪些零件？给定的移栽操作需要指定哪几个条件变量? 答：秧苗移栽机器人系统包括一个四轴选择组装机器人手臂（SCARA）遥控设备，一个传感器控制的滑针钳，两个传送苗盘和秧苗台的传输带和一个劣苗处理点。给定的移栽操作需要指明：移栽的顺序，钳子移到塞子苗的方向，环绕塞子苗的工作轨道，传送带上盘和台的间距，盘和台的前进模式，机器人手腕在盘和台之间的路径，不确定性质的参数。35请设计一种易损果采摘机器

27、人的末端执行器，并作简要说明? 答：36简述几种常见的野外用生物生产机器人，并说明它们都能完成哪些工作? 答：（1） 收获机器人。其能自动完成苹果、葡萄、柑桔、西瓜等的收获。（2） 机器人拖拉机。其能够结合传感器及机器视觉或3S技术实现路径识别及目标识自动在田间进行作业。（3） 植物保护机器人。其能自动完成诸如喷药施肥等保护作物的操作。（4） 蔬菜生产多目标机器人。可自动完成蔬菜的移植、培土杂草控制和收割等操作。37 机器人在食品工业中有那些应用。请举出几个例子? 答：机器人在食品生产、食品加工和食品服务中有着广泛的应用。如，鸡蛋品质检查、对虾处理、肉品加工、夹心蛋糕的生产、食品的包装及检查、

28、公共饮食服务等。38试举出用于软果包装的几种机械手的设计? 答：（1）气体动力机械手它可以有两种不同的设计：一种是三爪加垫夹手，另一种是差压柔性夹爪。三爪夹手由双动汽缸通过一个简单可调的联结机制来控制三指的开关。每个手指的水果接触边包着20-mm厚的聚氯乙烯。聚氯乙烯比较软，能够适应每个水果的形状，避免可能造成的擦伤。柔性夹手包括两个部分：一个是指关节，另一个是水果接触边。当这两个部分施加不同的气压时，手指能够伸展或弯曲。手指用密封的光纤制造，其摩擦系数和人皮肤相同。三个手指的上端可以通过小球安装在槽型盘上，接合套筒适合不同形状的水果和形状。（2） 机电机械手也可以有两种不同的设计：一种是有关

29、节的三指夹手。夹手有三个相连的手指和手掌，每一个都配有力传感器进行抓取力的测量和控制。夹手共有19度的自由度，使它能模仿灵活的人手。另一种机电夹手是由力反馈控制的。它有两个平行的铝夹，其表面套有橡胶。抓取力和夹子的速度可以调节。39机器人MRE袋检测项目组包括哪些成分？MRE袋检测项目组里机器视觉视察项目组系统包括哪些组成部分？体胚质量分类的机器人项目组基于机器人的项目组包括哪些部分? 答：机器人MRE袋检测项目组包括：喂食装置；机器人；检测站（图12.16）；出口传输；主机。机器视觉视察项目组系统应该包括一个机器人、功能末端执行器、带有有效的硬件和软件运算法则的图像处理单元、传送装置。体胚质量分类的机器人项目基于机器人的项目组包括以下部分：1) 传送系统2) 排出设备3) 分配器4) 检测系统5) 机器人6) 清洁设备7) 主计算机和控制器8) 工作对象40系统分析包含哪些方面？这些方面之间的关系如何？系统分析又有哪些优点？在进行系统分析时有哪几个问题需要注意 ? 答：系统分析的主要方面可以描述为：A 信息来源， B 信息， C 系统分析步骤和工具， D 系统分析结果， E 系统分析工具和结果的应用。B很大程度