机器人技术习题集答案

《机器人技术》习题集答案第1章绪论一、选择题〔4选1〕1—2〕；2—1〕；3—3〕；4—3〕；5—2〕二、判断题〔Y/N〕1—Y；2—Y；3—Y；4—N；5—N；6—Y；7—Y；8—Y；9—Y；10—Y三、简答题1．机器人学是关于研究、设计、制造和应用机器人的一门科学。一般包括：机器人结构、机器人坐标系统、机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器感知、机器视觉、机器人语言、决策与规划等。相比机器人技术研究的更为概括、抽象和理论一些。2．一般将机器人分为三代。*第一代为示教再现型机器人。由操作人员预先给出〔示教〕机器人的运动轨迹，然后机器人准确地重复再现这种轨迹。*第二代为感觉判断型机器人，亦称为感知融合智能机器人。机器人带有一些可感知环境的装置，通过反应控制，使机器人能在一定程度上适应变化的环境。*第三代为自主感知型机器人，亦称为自主感知思维智能机器人。机器人具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑推理、判断及决策，可在作业环境中独立行动；具有发现问题且能自主地解决问题的能力。3． 直角坐标机器人圆柱坐标机器人极坐标机器人多关节型机器人串联关节机器人垂直关节机器人水平关节机器人并联关节机器人串并联关节机器人4． 优点：结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，避障性好缺点：位置精度较低，有平衡问题，控制存在耦合，设计与控制比拟复杂5．优点：刚性好，结构稳定，承载能力高，运动精度高缺点：活动空间小。6． 气动机器人液压机器人电动机器人新型驱动方式机器人〔如静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光驱动器等〕7．内部传感器是用来检测机器人自身状态〔内部信息〕的机器人传感器，如检测关节位置、速度的光轴编码器等。是机器人自身运动与正常工作所必需的；外部传感器是用来感知外部世界、检测作业对象与作业环境状态〔外部信息〕的机器人传感器。如视觉、听觉、触觉等。是适应特定环境，完成特定任务所必需的。8． 机器人本体，控制器，任务，环境——机器人的设计与制造是和机器人的任务和环境密不可 分的。9． 数学〔立体几何、线性代数、微分方程、拓扑学等〕力学〔工程力学、结构力学、弹塑性力学、流体力学——气动、液压〕 机械学 电子学和微电子学 控制理论与系统 计算机 通讯工程 系统工程 生物学与仿生学 人工智能 人工生命等。10．坐标系统与坐标变换运动学与动力学轨迹规划机械工程与机电一体化控制工程机器视觉与图像工程语言与声音识别自学习与自组织系统仿真人工智能〔专家系统，模糊推理，神经网络等〕人体工程学多智能体系统等11．对于关节型机器人，常常由于结构原因使得机器人存在手部不能到达的作业区域，称之为死区(deadzone)。死区的存在导致机器人在执行某作业时而不能完成任务。四、分析与计算题1．答：机器人的应用和普及是开展经济和生产力的需要。因为机器人不仅可以提高产品质量和生产效率，而且可以减轻劳动强度，改善生产环境。机器人的应用和普及必然要替代一局部从事重复性劳动的技术工人。先进国家的实践经验，机器人的大量使用并没有引起劳动力失业的增加，而是引起劳动力的转移，从繁重的“蓝领劳动力”转向层次更高的“白领技术人员”，设计、使用和维护机器人；从第2产业的生产第一线转向第3产业，提高人们的生活质量。因此不会造成严重的社会问题。第2章空间、坐标与变换一、选择题〔4选1〕1—4)；2—2)．姿态与位置二、判断题〔Y/N〕1—Y；2—Y；3—N；4—Y；5—Y；6—N；7—Y；8—Y；9—N；10—Y；11—N；12—N；13—Y三、简答题1． 绕X轴转动为侧摆，亦称航向角 绕Y轴转动为俯仰角 绕Z轴转动为横滚角2．一般说来，以〔N+1〕维矢量来表示N维位置矢量，称为齐次坐标表示法。因此齐次向量是不唯一的。最简单的表示方法是增加一维，其值为1。四、分析与计算题1．解：将矩阵乘其转置矩阵，乘积为单位矩阵，故为正交矩阵；如果不是单位阵，那么不是正交矩阵。计算结果：1〕、2〕、4〕为正交矩阵，3〕、5〕不是。2．解：设，根据齐次矩阵的性质，故w=0.由于，因为R正交矩阵，Y0Z0XY0Z0X0比拟对角线元素，此时可以用直角坐标三轴的相互关系决定取舍：ZHXZHXHYHXH符合右手关系，可以是解。取负那么不对了。〔取负〕3.解：齐次矩阵为4．解：5．解：由于，，，那么表示动坐标位姿的齐次矩阵6．解：直接列写，那么是结果相同。7.解：第3章机器人运动学一、选择题〔4选1〕1—1)；2—3)；3—1)；4—3)二、判断题〔Y/N〕1—N；2—N；3—N；4—Y；5—Y；6—Y；7—Y；8—N；9—Y；10—N三、简答题1．关节——允许机器人本体各零件之间发生相对运动的机构。关节之中，凡单独驱动的称主动关节，反之，称从动关节。关节分类1〕平动〔移动〕关节〔P-prismaticjoint〕，也称之为移动副，允许连杆作直线移动。2〕转动关节〔R-revolutejoint〕，也称之为转动副，允许连杆作旋转运动。2． 关节角，杆件长度，横距，扭转角。3．位置运动学仅考虑运动中的几何学问题，即不考虑运动与时间的关系。关节空间的关节变量，计算操作机在操作空间的手部位姿，称之为运动学正问题。反之，操作机在操作空间的手部位姿，求各关节变量的反变换，称之为运动学逆问题，也叫求手臂解。4．转置雅克比矩阵代表着如何将迪卡尔空间作用在手爪上的力/力矩转变成关节空间各个关节上的平衡力/平衡力矩，即把直角空间的力/力矩映射为等价的关节力/关节力矩。 四、分析与计算题 1．解:2. 解手臂绕定轴转动是相对固定坐标系作旋转变换，故有手部绕手腕轴旋转是相对动坐标系作旋转变换，所以3.解:4. 解:第4章机器人动力学一、选择题〔4选1〕 1—3)；2—1)；3—4)；4—4)二、判断题〔Y/N〕1—N；2—Y；3—Y；4—N；5—N三、简答题 1．广义坐标包括线位移量和角位移量，广义力包括力和力矩。2．Lagrange方程是以能量观点建立起来的运动方程式，为了列出系统的运动方程式，只需要从两个方面去分析，一个是表征系统运动的动力学量—系统的动能和势能，另一个是表征主动力作用的动力学量—广义力。由于理想约束反力不出现在方程组中，因此建立运动方程式时只需分析的主动力，而不必分析未知的约束反力。四、分析与计算题1．图二自由度机器人动力学方程的建立解：1〕．选定广义关节变量及广义力选取笛卡儿坐标系。连杆1和连杆2的关节变量分别是转角θ1和θ2，关节1和关节2相应的力矩是τ1和τ2。连杆1和连杆2的质量分别是m1和m2，杆长分别为l1和l2，质心分别在k1和k2处，离关节中心的距离分别为p1和p2。因此，杆1质心k1的位置坐标为杆1质心k1速度的平方为杆2质心k2的位置坐标为杆2质心k2速度的平方为2〕．系统动能i=1，23〕．系统势能i=1，2 Ep1=m1gp1(1–

c1) Ep2=m2gl1(1–

c1)+m2gp2(1–

c12)4〕．拉格朗日函数第5章机器人轨迹规划一、选择题〔4选1〕 1—4)； 2—2)；3—2)；4—2)；5—1)二、判断题〔Y/N〕1—N；2—Y；3—Y；4—Y；5—Y；6—N三、简答题 1．两个插补点间的时间间隔保持不变，为定时插补；两个插补点间的距离保持不变，为定距插补。在工作速度不变的情况下，采用定时插补；在工作速度需要变化的条件下，为了保证跟踪的精度，需要采用定距插补。 2． 其中包括：原始位置—接近螺栓—到达—抓住—提升—接近托架—插入孔中—松夹—移开四、分析与计算题1．解：1〕通过示教过程得到机器人轨迹上特征点的位姿。对于直线需要得到起始点和终点，对于圆弧需要得到弧上三点；2〕根据轨迹特征〔直线/园弧/其它〕和插补策略〔定时/定距/其它〕进行相应的插补运算，求出该插补点的位姿值；3〕根据机器人逆运动学原理，求出手臂解，即对应于插补点位姿的全部关节角(1,…,n)；4〕以求出的关节角为相应关节位置控制系统的设定值，分别控制n个关节驱动电机；5〕和关节驱动电机同轴连接的光轴编码器给出该关节当前实际位置值，进行反应，位置控制系统根据此位置误差〔设定值—反应值〕实施控制以消除误差，使机器人到达所要求的位姿。2．解：位置误差的消除是不能一步完成的，需要有一个过渡过程，因此在一个插补周期内必须要完成假设干次角度采样和控制，因此控制系统的控制频率要远高于插补运算的频率。第6章机器人感觉技术与传感器一、选择题〔4选1，多于4个的为多项选择题〕1—1)+3)+5〕；2—1)；3—2)；4—1)；5—3)；6—3)；7—4)；8—3)； 9—3〕；10—1)；11—3)；12—4)；13—3)；14—2)+5)+6)；15—1)+4)+5)二、判断题〔Y/N〕1—N；2—Y；3—Y；4—N；5—Y；6—N；7—N；8—Y；9—Y；10—N；11—N；12—N；13—N；14—N；15—Y；16—Y；17—Y；18—Y；19—Y；20—Y；21—Y；22—Y；23—N；24—Y三、简答题 1．传感器是一种以一定精度将被测量(如位移、力、加速度、温度等)转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的测量部件或装置。 2．相同点：都是由像素构成，其分辨率为m×n，如：480×640不同点：灰度图像为单色图像，仅给出各像素点的强度值I=f(x,y)彩色图像要给出各像素点三种“基色”——红、绿、蓝的强度值，即IR=fR(x,y)，IG=fG(x,y)，IB=fB(x,y)。而各像素点的颜色为三基色的合四、分析与计算题 1．解：当加上载荷后，R1和R3阻值变小，而R2和R4阻值变大，于是破坏了电桥的平衡输出，输出端上部电位降低，呈负极性；下部电位增加，呈正极性。而且变化幅值和载荷大小成正比。2． 解：第7章机器人控制一、选择题〔4选1，多于4个的为多项选择题〕1—3)+4)+5)；2—2)+4)+5)；3—3)；4—1)；5—2)二、判断题〔Y/N〕1—Y；2—N；3—N；4—Y；5—Y；6—N；7—N；8—Y；9—Y三、简答题1．*与机构学、运动学及动力学密切相关。*描述机器人状态和运动的数学模型是一个具有时变结构和参数的非线性模型，各关节变量之间存在紧密耦合。*一个简单的机器人至少也有3-5个自由度，于是机器人控制系统必须是一个计算机控制的多级递阶控制系统。*机器人的动作常常可以通过不同的方式和路径来完成，手臂解不唯一，这样便要处理在一定约束条件下的优化决策与控制问题。*伺服系统要求较高的位置精度，较大的调速范围，各关节的速度误差系数应尽量一致。*系统的静差率要小，位置无超调，动态响应尽量快。 2．(1)输出角度精度高，无积累误差，惯性小。(2)输入和输出呈严格线性关系。(3)脉冲数、脉冲频率、脉冲顺序都可方便地由计算机输出，控制算法容易实现。(4)输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。(5)结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。3．PWM是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压斩成一定频率的方波电压，并加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压控制电动机转速的一种方式。4．简单，便于计算机实现，节能，调速范围大；非线性严重，引入高频干扰和损耗。5．1)、单位功率尺寸小，重量轻．适用于安装在位置狭小的场合及手开工具上；2)、马达本身的软特性使之能长期满载工作，温升较小，且有过载保护的性能。3)、换向容易，操作简单，可以实现无级调速，特别适合频繁启动的场合；4)、简单的无级调速，从零到最大，操作灵活；5)、有较高的起动转矩，能带载启动；6)、结构简单，气动马达使用寿命特别长；7)、不受外部环境的影响，甚至在水中、多尘、潮湿、脏污等恶劣环境中；8)、平安，防爆。但气动马达也具有输出功率小，耗气量大，效率低、噪声大和易产生振动等缺点。6． 1)．S曲线模式 2)．梯形曲线模式 3)．速度跟踪模式 4)．电子齿轮模式四、分析与计算题1．解：由于步进电机三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。如果控制线路不断地按A→B→C→A→…的顺序控制步进电动机绕组的通、断电，当相应绕组通电状态每改变一次，转子转过1/3齿距。这种通电方式称为三相单三拍通电方式。如果采用用三相六拍通电方式，即其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A→…，相应地绕组的通电状态每改变一次，转子仅能转过1/6齿距。于是便得到了更小的步距角和较好的输出性能。2．解：直流伺服方案采用直流伺服电机，交流伺服方案采用交流伺服电机。由于变频技术的迅速开展，交流调速的可靠性与经济性不断提高，因此交流伺服大有取代直流伺服的趋势。直流电机由于整流子的存在，导致其制造、维护的困难，除在特殊场合很少使用。交流伺服电动机除了不具有直流伺服电动机的缺点外，还具有转动惯量小，动态响应好，能在较宽的速度范围内保持理想的转矩，结构简单，运行可靠等优点。一般同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机高出10%～70%。另外，交流电动机的容量可做得比直流电动机大，到达更高的转速和电压。目前在机器人系统中，90%的系统采用交流伺服电动机。3．解：双向旋转的叶片式马达工作原理图如右图所示。当压缩空气从进气口A进入气室后，立即喷向叶片1，作用在叶片的外伸局部，产生转矩带动转子2作逆时针转动，输出旋转的机械能。废气从排气口C排出，剩余气体经B排出(二次排气)。假设进、排气口互换．那么转子反转，输出相反方向的机械能。转子转动的离心力和叶片底部的气压力、弹簧力，使得叶片紧密地抵在定子3的内壁上，以保证密封，提高容积效率。4．解：直流电机电压平衡方程式为式中为电枢回路电阻，为电枢回路电感，为电机反电势直流电机转矩平衡方程式为式中为电机转子等效转动惯量〔含减速机和负载〕，为等效摩擦系数。机械局部与电气局部的耦合关系式中为电机电流—力矩比例常数，感应电势常数。第8章工业机器人一、选择题〔4选1，多于4个的为多项选择题〕1—3)；2—4)+5)+6)；3—1)+2)+3)二、判断题〔Y/N〕1—Y；2—N；3—N；4—Y；5—Y；6—Y三、简答题 1．1)．变位机及挡光板2)．夹具体3)．电焊机，送丝机，焊枪清理装置4)．气动系统 2．变位机作为机器人焊接生产线及焊接柔性加工单元的重要组成局部，其作用是将被焊工件旋转(平移)到最正确的焊接位置。即使机器人相对于工件处于最正确的作业角度，把工件各处的焊缝位置均能变换到最有利于机器人焊枪找位和焊接的地方。3．①传动比大，选择范围广；②传递扭矩的同时啮合的齿数多,因而承载能力高；③重量轻、体积小，传动装置含有的零件少；④传动平稳，噪声小；⑤传动效率高；⑥运动精度高，可实现零回差转动；⑦可构成密封传动；⑧输出轴和输入轴位于同一轴心线上；⑨维修方便，便于保养、检查和更换零件。但是，结构较复杂、制造精度要求较高。4．S轴——底座的旋转L轴——下臂的摆动U轴——上臂的摆动R轴——上臂的旋转B轴——手腕的摆动T轴——手腕的旋转S、L、U轴控制手的位置，R、B、T轴控制手的姿态。5．(1)通用性——只需做一下硬件配置和更换一下软件版本就可以，非常方便；(2)先进性——表现在性能指标的先进性和系统结构的先进性；(3)可靠性——每台控制器都要进行电磁兼容试验，环境试验和平安测试；(4)可操作性——优化人机界面，简化操作复杂度，提高作业效率已成为控制器开展的方向；(5)平安性和可维护性——软件保护、硬件保护和机械保护三级保护措施。四、分析与计算题1．解：如果用R代表横滚类的转动，即绕杆件轴的转动；B代表垂直杆件轴的转动。那么R和B的组合排列理论上可以有8种〔对应于三位二进制数，0对应R，1对应B〕。但是其中BBB和BBR无法实现手腕在空间的任意位姿，故缺少实际意义。因此具有实际意义的为以下6种，第9章足球机器人一、选择题〔4选1，多于4个的为多项选择题〕1—3)+4)；2—2)；3—2)；4—2)二、判断题〔Y/N〕1—N；2—Y；3—Y；4—Y；5—N；6—Y；7—Y三、简答题1．2050年前后，人型足球机器人代表队要和人类世界冠军队进行一场人机大战,并要赢得这场胜利。2．机器人小车子系统机器人通信子系统机器人视觉子系统机器人决策子系统机器人总控子系统 3．〔1〕可充电电池——使用方便，可重复使用；〔2〕容量大——电流与可连续运行时间满足要求；〔3〕体积小、重量轻——降低机器人整体的重量、易于布置；〔4〕减少开支，降低本钱。 4．1〕有利方面：摄像头固定，视场固定，光线充足，被辨识物体无影，机器人小车色标和小球的颜色鲜明、轮廓清晰、本方可选择等。这些特点给视觉