机器人复习总结计划题及参考答案

机器人学导论二、简答题：机器人学主要包括哪些研究内容？机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义？机器人控制系统的基本单元有哪些？直流电机的额定值有哪些？常有的机器人外面传感器有哪些？简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理。机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？为什么要做图像的预办理？机器视觉常用的预办理步骤有哪些？请简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。从描述操作命令的角度看，机器人编程语言可分为哪几类？仿人机器人的重点技术有哪些？三、论述题：试论述机器人技术的发展趋势。试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。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。试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。机器人单关节伺服控制中，地址反响增益和速度反响增益是怎样确定的？试论述工业机器人的应用准则。四、计算题：（需写出计算步骤，无计算步骤不能够得分）：1.已知点u的坐标为[7,3,2]T，对点u依次进行以下的变换：（1）绕z轴旋转90°获得点v；（2）绕y轴旋转90°获得点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个单位获得点t。求u,v,w,t各点的齐次坐标。ztvwOyxu\6.以以下图的三自由度机械手（两个旋转关节加一个平移关节，简称RPR机械手），求尾端机械手的运动学方程。二、简答题：1.答：机器人研究的基础内容有以下几方面：(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：目前常用的有以下几种形式：(1)横梁式。机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，拥有占地面积小，能有效地利用空间，直观等优点。(2)立柱式。多采用辗转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，一般臂部都可在水平面内辗转，拥有占地面积小而工作范围大的特点。(3)机座式。能够是独立的、自成系统的完满装置，可随意布置和搬动。也能够拥有行走机构，如沿地面上的专用轨道搬动，以扩大其活动范围。(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，能够实现平面运动，也能够作空间运动。答：拉格朗日运动方程式一般表示为：式中，q是广义坐标；τ是广义力。L是拉格朗日算子，表示为这里，K是动能；P是位能。4.答：组成机器人控制系统的基本要素包括：(1)电动机，供应驱动机器人运动的驱动力。(2)减速器，为了增加驱动力矩、降低运动速度。(3)驱动电路，由于直流伺服电动机或交流本源：网络转载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)运动特点检测传感器，用于检测机器人运动的地址、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点的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。5.答：直流电动机的额定值有以下几项：(1)额定功率，是指依照规定的工作方式运行时所能供应的输出功率。对电动机来说，额定功率是指轴上输出的机械功率，单位为kW。(2)额定电压，是电动机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V。(3)额定电流，是指电动机依照规定的工作方式运行时，电枢绕组赞同流过的最大电流，单位为A。(4)额定转速，指电动机在额定电压、额定电流和输出额定功率的状况下运行时，电动机的旋转速度，单位为r/min。答：常有的外面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，凑近觉传感器，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，依照经被测物体反射回来的回波延缓时间t，计算出被测物体的距离R，假设空气中的声速为v，则被测物与传感器间的距离R为：若是空气温度为T（℃)，则声速v可由下式求得：8.答：(1)光景和距离传感器，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，其任务是把摄像机也许CCD输出的信号变换成方便计算和解析的数字信号；(3)视频信号办理器，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，依照系统的需要能够采用不相同的计算机及其外设来满足机器人视觉信息办理及其机器人控制的需要；(5)机器人或机械手及其控制器。答：预办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，增强兴趣的适用信息的可检测性。从而使得后边的切割、特点抽取和鉴别办理得以简化，并提高其可靠性。机器视觉常用的预办理包括去噪、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，将输入数据变换成合适的语言值。(2)知识库：包括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状况。(4)逆模糊化：将推理所获得的模糊值变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：以机器人尾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：赞同较大概地描述操作对象的动作、操作对象之间的关系等，特别适用于组装作业。(3)任务级：只要直接指定操作内容就可以了，为此，机器人必定一边思虑一边工作。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、自己碰撞监测、三维动向仿真、运动规划和轨迹追踪；(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系统结构的研究；(5)仿人机器人的人机交互研究，包括视觉、语音及感情等方面的交互；(6)动向行为解析和多传感器信息交融。三、论述题：1.答：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面：(1)工业机器人操作机结构的优化设计技术。研究新的高强度轻质资料，进一步提高负载-自重比，同机会构向着模块化、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，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。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)多传感系统。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的重点。其研究热点在于有效可行的多传感器交融算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的状况下的多传感器交融算法。(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，经过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的状况下，建立起初显示进行遥控等。(5)虚假机器人技术。基于多传感器、多媒体和虚假现实以及临场感觉技术，实现机器人的虚假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。主要对多智能体的集系统统结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、集体行为控制等方面进行研究。(7)微型和渺小机器人技术。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面产生不能估计的影响，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面。(8)软机器人技术。主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人亲密共处，因此其结构资料多为金属或硬性资料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人不测处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高境地，目前仅在某些方面进行一些基础研究。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。精度是一个地址量有对于其参照系的绝对胸襟，指机器人手部实质到达地址与所需要到达的理想地址之间的差距。机器人的精度决定于机械精度与电气精度。重复精度指在相同的运动地址命令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差胸襟。若是机器人重复执行某地址给定指令，它每次走过的距离其实不相同，而是在一平均值周边变化，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搬动距离或最小转动角度。精度和分辨率不用然相关。一台设备的运动精度是指命令设定的运动地址与该设备执行此命令后能够达到的运动地址之间的差距，分辨率则反响了实质需要的运动地址和命令所能够设定的地址之间的差距。工业机器人的精度、重复精度和分辨率要求是依照其使用要求确定的。机器人自己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、定位和缓冲等要素。由于机器人有转动关节，不相同辗转半径时其直线分辨率是变化的，因此造成了机器人的精度难以确定。由于精度一般较难测定，平时工业机器人只给出重复精度。答：轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人，在相对平坦的地面上，用车轮搬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面的性质和车辆的承载能力。本源：网络转载在轨道上运行的多采用实心钢轮，室外路面行驶的采用充气轮胎，室内平坦地面上的可采用实心轮胎。足式行走对波折路面拥有很好的适应能力，足式运动方式的立足点是失散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式行走工具必定面对最坏的地形上的几乎所有点；足式运动方式还拥有主动隔震能力，尽管地面高低不平，机身的运动依旧能够相当平稳；足式行走在不平川面和柔嫩地面上的运动速度较高，能耗较少。4.答：静力学指在机器人的手爪接触环境时，在静止状态下办理手爪力F与驱动力τ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见解来办理手指地址与关节变量的关系。在考虑控制时，就要考虑在机器人的动作中，关节驱动力τ会产生怎样的关节地址θ、关节速度θ、关节加速度θ，办理这种关系称为动力学（dynamics）。对于动力学来说，除了与连杆长度相关之外，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相关。运动学、静力学和动力学中各变量的关系以以下图所示。图中用虚线表示的关系可经过实线关系的组合表示，这些也可作为动力学的问题来办理。答：设计和应用工业机器人时，应全面考虑和均衡机器人的通用性、环境的适应性、长远性、可靠性和经济性等要素，详尽依照的准则以下。从恶劣工种开始采用机器人机器人能够在有毒、风尘、噪声、振动、高温、易燃易爆等危险有害的环境中长远牢固地工作。在技术、经济合理的状况下，采用机器人渐渐把人从这些工作岗位上代替下来，将从根本上改进劳动条件。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。机器人能够高效地完成一些简单、重复性的工作，使生产效率、产质量量获得显然的改进。要估计长远需要一般来讲，人的寿命比机械的寿命长，但是，若是经常对机械进行保养和维修，对易换件进行补充和更换，有可能使机械寿命高出人。别的；工人会由于其自己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之外的原因停止工作，能够连续从事所交给的工作，直至其机械寿命结束。机器人的投入和使用成本固然机器人能够令人类摆脱很脏、很危险或很深重的劳动，但是工厂经理们极关心的是机器人的经济性。在经济方面所考虑的要素包括劳力、资料、生产率、能源、设备和成本等。能够用偿还期Y定量地衡量机器人使用的合理性。若是机器人的使用寿命大于其偿还期，使用机器人是有效益的。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恩赐展望。用现有的机器人纹丝没动地代替目前正在工作的所有工人，并接替他们的工作，显然是不能能的。在平均能力方面，与工人对照，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面，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的合适地址上，使它成为工人的好助手。四、计算题：T1.解：点u的齐次坐标为：7,3,2,1v=Rot(z,90°)u=w=Rot(y,90°)v=

010073100037001022000111001032010077100023000111100426010374t=Trans(4,-3,7)w=00173100001116.解：建立如图的坐标系，则各连杆的DH参数为：本源：网络转载连杆转角n偏距dn扭角i1杆长ai11002090°0300由连杆齐次坐标变换递推公式