機器人基礎考試試題重點(河南理工大學)資料

1、（二）簡答題1. 智能機器人的所謂智能的表現(xiàn)形式是什么？答:推理判斷、記憶2. 機器人分為幾類？答:首先，機器人按應用分類可分為工業(yè)機器人、極限機器人、 娛樂機器人。1）工業(yè)機器人有搬運、焊接、裝配、噴漆、檢驗機器人，主要用于現(xiàn)代化的工廠和柔性加工系統(tǒng)中。2）極限機器人主要是指用在人們難以進入的核電站、海底、宇宙空間進行作業(yè)的機器人，包括建筑、農(nóng)業(yè)機器人。3）娛樂機器人包括彈奏機器人、舞蹈機器人、玩具機器人等。也 有根據(jù)環(huán)境而改變動作的機器人。其次，按照控制方式機器人可分為操作機器人、程序機器人、示 教機器人、智能機器人和綜合機器人。3. 機器人由哪幾部分組成?機器人由三大部分六個子系統(tǒng)組成。

2、 三大部分是機械部分、傳感 部分和控制部分。六個子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受 系統(tǒng)、機器人一環(huán)境交換系統(tǒng)、人機交換系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。4. 什么是自由度？答:人們把構(gòu)建相對于參考系具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為自由度。5. 機器人技術(shù)參數(shù)有哪些？各參數(shù)的意義是什么？答:機器人技術(shù)參數(shù)有:自由度、精度、工作范圍、速度、承載能 力1）自由度：是指機器人所具有的獨立坐標軸的數(shù)目，不包括手 爪（末端操作器）的開合自由度。在三維空間里描述一個物體的 位置和姿態(tài)需要六個自由度。 但是，工業(yè)機器人的自由度是根據(jù) 其用途而設計的，也可能小于六個自由度， 也可能大于六個自由 度。2）精度：工業(yè)機器人的精度是指

3、定位精度和重復定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復定位精度是指機器人重復定位其手部于同一目標位置的能力，可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示，它是衡量一列誤差值的密集 度（即重復度）。3）工作范圍：是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有 點的集合，也叫工作區(qū)域。4）速度；速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。5）承載能力：是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。承載能力不僅取決于負載的質(zhì)量， 而且還與機器人運 行的速度和加速度的大小和方向有關。為了安全起見，承載能力 這一技術(shù)指標是指高速運行時的承載能力。通常，承載能力不僅指負載，而且還包括機

4、器人末端操作器的質(zhì)量。6. 機器人手腕有幾種？試述每種手腕結(jié)構(gòu)。答：機器人的手臂按結(jié)構(gòu)形式分可分為單臂式，雙臂式及懸掛式按手臂的運動形式區(qū)分，手臂有直線運動的。如手臂的伸縮，升 降及橫向移動，有回轉(zhuǎn)運動的如手臂的左右回轉(zhuǎn)上下擺動有復合 運動如直線運動和回轉(zhuǎn)運動的組合。2直線運動的組合2回轉(zhuǎn)運動的組合。手臂回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)，實現(xiàn)機器人手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu) 形式是多種多樣的，常用的有葉片是回轉(zhuǎn)缸，齒輪轉(zhuǎn)動機構(gòu)，鏈 輪傳動和連桿機構(gòu)手臂俯仰運動機構(gòu)，一般采用活塞油（氣）缸 與連桿機構(gòu)聯(lián)用來實現(xiàn)手臂復合運動機構(gòu)，多數(shù)用于動作程度固 定不變的專用機器人。7. 機器人機座有幾種？試述每種機座結(jié)構(gòu)。答：機器人幾座

5、有固定式和行走時 2種1）固定式機器人的級左右直接接地地面基礎上，也可以固定在機身上2）移動式機器人有可分為輪車機器人， 有3組輪子組成的輪系四 輪機器人三角論系統(tǒng)，全方位移動機器人， 2足步行式機器人， 履帶行走機器人8. 試述機器人視覺的結(jié)構(gòu)及工作原理答:機器人視覺由視覺傳感器攝像機和光源控制計算器和圖像處理機組成原理：由視覺傳感器講景物的光信號轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)過 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給圖像處理器，同時光源控制器和32攝像機控制器把把光線，距離顏色光源方向等等參數(shù)傳遞給圖像處理 器，圖像處理器對圖像數(shù)據(jù)做一些簡單的處理將數(shù)據(jù)傳遞給計算 機最后由計算器存儲和處理。9. 工業(yè)機器人控制方式有幾種？

6、答：工業(yè)機器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務的不同，主 要分為點位控制方式、連續(xù)軌跡控制方式、力（力矩）控制方式 和智能控制方式。1）點位控制方式（）這種控制方式的特點是只控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空 間中某些規(guī)定的離散點上的位姿。控制時只要求工業(yè)機器人快 速、準確地實現(xiàn)相鄰各點之間的運動， 而對達到目標點的運動軌 跡則不作任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術(shù)指標是定位精度和 運動所需的時間。2）連續(xù)軌跡控制方式（）這種控制方式的特點是連續(xù)的控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作 業(yè)空間的位姿，要求其嚴格按照預定的軌跡和速度在一定的精度 范圍內(nèi)運動，而且速度可控，軌跡光滑，運動平穩(wěn)，以完成工作 任務。

7、3）力（力矩）控制方式在完成裝配、抓放物體等工作時，除要準確定位外，還要求使用 適度的力或力矩進行工作，這時就要利用力（力矩）伺服方式。這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過輸入量和反饋量不是位置信號，而是力（力矩）信號，因此系統(tǒng)中必 須有力（力矩）傳感器。有時也利用接近、滑動等傳感功能進行 自適應式控制。4）智能控制方式機器人的智能控制時通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識庫做出相應的決策。 采用智能控制技術(shù)，使機器人 具有了較強的適應性及自學習功能。 智能控制技術(shù)的發(fā)展有賴于 近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡、基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智 能的迅速發(fā)展。10. 機器人

8、參數(shù)坐標系有哪些？各參數(shù)坐標系有何作用？答:工業(yè)機器人的坐標形式有直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標 型、關節(jié)坐標型和平面關節(jié)型。1）直角坐標/笛卡兒坐標/臺架型（3P）這種機器人由三個線性關節(jié)組成， 這三個關節(jié)用來確定末端操作 器的位置，通常還帶有附加道德旋轉(zhuǎn)關節(jié)， 用來確定末端操作器 的姿態(tài)。這種機器人在 X、Y、Z軸上的運動是獨立的，運動方程 可獨立處理，且方程是線性的，因此，很容易通過計算機實現(xiàn)； 它可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，剛性最大：它的精度和 位置分辨率不隨工作場合而變化，容易達到高精度。但是，它的 操作范圍小，手臂收縮的同時又向相反的方向伸出，即妨礙工作，且占地面積大，運動速

9、度低，密封性不好。2）圓柱坐標型（R3F）圓柱坐標機器人由兩個滑動關節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關節(jié)來確定部件的 位置，再附加一個旋轉(zhuǎn)關節(jié)來確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)一個角，工作范圍可以擴大，且計算簡單；直線部 分可采用液壓驅(qū)動，可輸出較大的動力；能夠伸入型腔式機器內(nèi) 部。但是，它的手臂可以到達的空間受到限制，不能到達近立柱 或近地面的空間；直線驅(qū)動器部分難以密封、 防塵；后臂工作時， 手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。3）球坐標型（2）球坐標機器人采用球坐標系，它用一個滑動關節(jié)和兩個旋轉(zhuǎn)關節(jié) 來確定部件的位置，再用一個附加的旋轉(zhuǎn)關節(jié)確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)， 中心支架附近

10、的工作范圍大， 兩 個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封，覆蓋工作空間較大。但該坐標復雜， 難于控制，且直線驅(qū)動裝置仍存在密圭寸及工作死區(qū)的問題。4）關節(jié)坐標型/擬人型（3R）關節(jié)機器人的關節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的，類似于人的手臂，是工業(yè)機器人中最常見的結(jié)構(gòu)。5）平面關節(jié)型這種機器人可看作是關節(jié)坐標式機器人的特例，它只有平行的肩關節(jié)和肘關節(jié)，關節(jié)軸線共面。11. 機器人學主要包含哪些研究內(nèi)容？答：機器人研究的基礎內(nèi)容有以下幾方面：（1）空間機構(gòu)學；（2） 機器人運動學；（3）機器人靜力學；（4）機器人動力學；（5）機 器人控制技術(shù)；（6）機器人傳感器；（7）機器人語言。12. 機器人常用的機身和臂部的配置型式有哪些？

11、答：目前常用的有如下幾種形式：（1）橫梁式。機身設計成橫梁 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摹⒆猿上到y(tǒng)的完整裝 置，可隨意安放和搬動。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。13. 機器人控制系統(tǒng)的基本單元有哪些？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)

12、動力。（2）減速器，為了增加驅(qū)動力矩、降 低運動速度。（3）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（）方式進行驅(qū)動。(4)運動特性檢測傳感器，用于檢測機器人運動的位置、 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， 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14. 常見的機器人外部傳感器有哪些？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

13、覺傳感器、嗅覺傳 感器、味覺傳感器等。15. 機器人視覺的硬件系統(tǒng)由哪些部分組成？答：(1)景物和距離傳感器，常用的有攝像機、圖像傳感器、超 聲波傳感器和結(jié)構(gòu)光設備等；(2)視頻信號數(shù)字化設備，其任務 是把攝像機或者輸出的信號轉(zhuǎn)換成方便計算和分析的數(shù)字信號；(3)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)設備：如系統(tǒng)； 計算機及其設備，根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選 用不同的計算機及其外設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。16. 從描述操作命令的角度看，機器人編程語言可分為哪幾類？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

14、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、操作對象之間的關系等，特別適用于組裝作業(yè)。（3）任務級：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。17. 機器人示教盤模式旋鈕上有三種模式，分別是哪三種，并 寫出三種模式各自的特點。答案:示教模式人教機器人稱作示教。再現(xiàn)模式執(zhí)行程序，機器人自動運行。遠程模式通過外部信號進行的操作，相當于遙控。18. 機器人上有三種安全模式，分別是哪三種，并寫出三種模式各自的特點。答案：三種模式分別是：再現(xiàn)模式、示教模式、遠程模式。再現(xiàn)模式可以用來對示教完的程序進行再現(xiàn)運行以及各種條件文件的設定、

15、修改或刪除，在此模式下外部設備發(fā)出的啟動信號無效示教模式可以用示教編程器進行軸操作和編輯，編輯、示教程序，修改已登錄的程序，以及各種特性文件和參數(shù)的設定， 在此模式下外部設備發(fā)出的啟動信號無效遠程模式下機器人由外部信號進行操作，可以接通伺服電源、啟動、調(diào)出主程序、設定循環(huán)等與開始運行有關的操 作，數(shù)據(jù)傳輸功能有效，此時示教盤上的啟動按鈕無效。(三)論述題1. 試論述機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢。答：科學技術(shù)水平是機器人技術(shù)的基礎，科學與技術(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 設計技術(shù)。探索新的高強度輕質(zhì)材料,

16、 進一步提高負載-自重比， 同時機構(gòu)向著模塊化、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)絡化以 及基于機網(wǎng)絡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性， 多種傳感器的使用是其問題解 決的關鍵。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，建立預先顯示進

17、行遙控等。(5) 虛擬機器人技術(shù)?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w和虛擬現(xiàn)實以及臨場感應技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙控操作和人機交互。(6)多智能體扌空制技術(shù)。這是目前機器人研究的一個嶄新領域。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，感知與學習方法， 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域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白， 因此該領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)

18、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研究。試論述精度、重復精度與分辨率之間的關系。答：精度、重復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。重復精度指在相同的運動位置命

19、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變化， 該平均 值代表精度，而變化的幅度代表重復精度。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。 一臺設備的運動精度是指 命令設定的運動位置與該設備執(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 夠設定的位置之間的差距。工業(yè)機器人的精度、 重復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

20、于機器人有轉(zhuǎn)動關節(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)機器人只給出重復精度。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。 答：輪式行走機器人是機器人中應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

21、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. 試論述機器人靜力學、動力學、運動學的關系。答：靜力學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)動力t的關系。動力學研究機器人各關節(jié)變量對時 間的一階導數(shù)、二階導數(shù)與各執(zhí)行器驅(qū)動力或力矩之間的關系， 即機器人機械系統(tǒng)的運動方程。 而運動學研究從幾何學的觀點來 處理手指位置與關節(jié)變量的關系。在考慮控制時，就要考慮在機器人的動作中，關節(jié)驅(qū)動力T 會產(chǎn)生怎樣的關節(jié)位置 e、關節(jié)速度&關節(jié)加

22、速度職處理這 種關系稱為動力學（）。對于動力學來說，除了與連桿長度有關 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 心與關節(jié)軸的距離有關。運動學、靜力學和動力學中各變量的關系如下圖所示。圖中用虛線表示的關系可通過實線關系的組合表示，這些也可作為動力學的問題來處理。運功學訪力學（四）計算題（需寫出計算步驟，無計算步驟不能得分）：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

23、的齊次坐標。解：點U的齊次坐標為：7,3,2,1010073v =(z,90° )u =100037001022000111001032w=(y,90° )v =010077100023000111100426t =(43,7)w =01037400173100001112. 如圖所示為具有三個旋轉(zhuǎn)關節(jié)的3R機械手，求末端機械手在基坐標系xOO下的運動學方程。OX039 20 16 3/解：建立如圖1的參考坐標系，則C1s00C2S20L1C3s30L2十 sCi001S2C200 :2sC300TiT2T3001000100010000100010001C123S1230

24、L1c1L2C100 u_2十S123C1230L1s1L2s1T3T1 T2T300100001其中C|23cos 123,S123sin 1233. 如圖所示為平面內(nèi)的兩旋轉(zhuǎn)關節(jié)機械手，已知機器人末端的坐標值,試求其關節(jié)旋轉(zhuǎn)變量 B1和0 2.P解：如圖所示，逆運動學有兩組可能的解。第一組解：由幾何關系得x Li cos i L2 cos 1(1)yL1 sin 1L2 sin 1(2)（1）式平方加（2）式平方得Li L22 Li L2 cos 22x arccos y2 l2 l；24y1 arcta narcta nL2sin 2Li L； cos 2第二組解：由余弦定理，2yarc

25、cos2LiL；y arcta n 2x4. 如圖所示兩自由度機械手在如圖位置時（e 1= 0 ,。求對應6 2=n /2 )，生成手爪力 =0 T 或=0 T的驅(qū)動力 tA和t By*Fb fy解：由關節(jié)角給出如下姿態(tài):.TL2L1fxA J FaL200TL2 L10L1fyBJTFb,門l2 0fy01 2LzSi n 12L2L21 2L2 cos 12L10L2fxL2fxL1 sin 1 L2 sin JLi cos i L? cos由靜力學公式jtf5. 如圖所示的兩自由度機械手，手部沿固定坐標系在手上X)軸正向以1.0的速度移動，桿長li2=0.5m。設在某時刻e 1=30° e 260° 求該時刻的關節(jié)速度。 已知兩自由度機械手速度雅可比矩陣為|is 1|2 si2l2si2yoAy3V3因此，在該瞬時兩關節(jié)的位置分別為，e 1=30°, e 260 °；解:因為：JI1s 1I2si2I2si2I1c 1I2C12I2C12因此逆雅可比矩陣1I2G2J;s|2I1I2S2 I1C 1 I2C12I1s 1I2si2因為，& J 1v，且1, 0T，即 1,0,因此&11I2C121&2111