機器人學(xué)導(dǎo)論復(fù)習(xí)題及參考答案

西安高學(xué)考試復(fù)習(xí)題及參考答案機器人學(xué)導(dǎo)論一、名詞解釋題：1.自由度：2.機器人工作載荷：3.柔性手：4.制動器失效抱閘：5.機器人運動學(xué)：6.機器人動力學(xué)：7.虛功原理：8.PWM驅(qū)動：9.電機無自轉(zhuǎn)：10.直流伺服電機的調(diào)節(jié)特性：11.直流伺服電機的調(diào)速精度：12.PID控制：13.壓電元件：14.圖像銳化：15.隸屬函數(shù)：16.BP網(wǎng)絡(luò)：17.脫機編程：18.AUV：二、簡答題：1.機器人學(xué)主要包含哪些研究內(nèi)容？2.機器人常用的機身和臂部的配置型式有哪些？3.拉格朗日運動方程式的一般表示形式與各變量含義？4.機器人控制系統(tǒng)的根本單元有哪些？5.直流電機的額定值有哪些？6.常見的機器人外部傳感器有哪些？7.簡述脈沖回波式超聲波傳感器的工作原理。8.機器人視覺的硬件系統(tǒng)由哪些局部組成？9.為什么要做圖像的預(yù)處理？機器視覺常用的預(yù)處理步驟有哪些？10.請簡述模糊控制器的組成及各組成局部的用途。11.從描述操作命令的角度看，機器人編程語言可分為哪幾類？12.仿人機器人的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？三、論述題：1.試論述機器人技術(shù)的開展趨勢。2.試論述精度、重復(fù)精度與分辨率之間的關(guān)系。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。4.試論述機器人靜力學(xué)、動力學(xué)、運動學(xué)的關(guān)系。5.機器人單關(guān)節(jié)伺服控制中，位置反應(yīng)增益和速度反應(yīng)增益是如何確定的？6.試論述工業(yè)機器人的應(yīng)用準(zhǔn)那么。四、計算題：〔需寫出計算步驟，無計算步驟不能得分〕：1.點u的坐標(biāo)為[7,3,2]T，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各點的齊次坐標(biāo)。2.如下圖為具有三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的3R機械手，求末端機械手在基坐標(biāo)系{x0,y0}下的運動學(xué)方程。3.如下圖為平面內(nèi)的兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機械手，機器人末端的坐標(biāo)值{x,y}，試求其關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變量θ1和θ2.4.如下圖兩自由度機械手在如圖位置時〔θ1=0,θ2=π/2〕，生成手爪力FA=[fx0]T或FB=[0fy]T。求對應(yīng)的驅(qū)動力τA和τB。5.如下圖的兩自由度機械手，手部沿固定坐標(biāo)系在手上X0軸正向以1.0m/s的速度移動，桿長l1=l2=0.5m。設(shè)在某時刻θ1=30°，θ2=-60°，求該時刻的關(guān)節(jié)速度。兩自由度機械手速度雅可比矩陣為6.如下圖的三自由度機械手〔兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)加一個平移關(guān)節(jié)，簡稱RPR機械手〕，求末端機械手的運動學(xué)方程。參考答案一、名詞解釋題：自由度：指描述物體運動所需要的獨立坐標(biāo)數(shù)。機器人工作載荷：機器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處能承受的最大負載量〔包括手部〕。柔性手：可對不同外形物體實施抓取，并使物體外表受力比擬均勻的機器人手部結(jié)構(gòu)。制動器失效抱閘：指要放松制動器就必須接通電源，否那么，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對運動。機器人運動學(xué)：從幾何學(xué)的觀點來處理手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系稱為運動學(xué)。機器人動力學(xué)：機器人各關(guān)節(jié)變量對時間的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)與各執(zhí)行器驅(qū)動力或力矩之間的關(guān)系，即機器人機械系統(tǒng)的運動方程。虛功原理：約束力不作功的力學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)平衡的必要且充分條件是對結(jié)構(gòu)上允許的任意位移〔虛位移〕施力所作功之和為零。PWM驅(qū)動：脈沖寬度調(diào)制〔PulseWidthModulation〕驅(qū)動。電機無自轉(zhuǎn)：控制電壓降到零時，伺服電動機能立即自行停轉(zhuǎn)。直流伺服電機的調(diào)節(jié)特性：是指轉(zhuǎn)矩恒定時，電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系。直流伺服電機的調(diào)速精度：指調(diào)速裝置或系統(tǒng)的給定角速度與帶額定負載時的實際角速度之差，與給定轉(zhuǎn)速之比。PID控制：指按照偏差的比例〔P,proportional〕、積分〔I,integral〕、微分〔D,derivative〕進行控制。壓電元件：指某種物質(zhì)上施加壓力就會產(chǎn)生電信號，即產(chǎn)生壓電現(xiàn)象的元件。圖像銳化：突出圖像中的高頻成分，使輪廓增強。隸屬函數(shù)：表示論域U中的元素u屬于模糊子集A的程度，在[0,1]閉區(qū)間內(nèi)可連續(xù)取值。BP網(wǎng)絡(luò)：BP(BackPropagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于誤差反向傳播算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。脫機編程：指用機器人程序語言預(yù)先進行程序設(shè)計，而不是用示教的方法編程。AUV：AutonomousUnderwaterVehicle無纜自治水下機器人，或自動海底車。二、簡答題：1.答：機器人研究的根底內(nèi)容有以下幾方面：(1)空間機構(gòu)學(xué)；(2)機器人運動學(xué)；(3)機器人靜力學(xué)；(4)機器人動力學(xué)；(5)機器人控制技術(shù)；(6)機器人傳感器；(7)機器人語言。2.答：目前常用的有如下幾種形式：(1)橫梁式。機身設(shè)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?、自成系統(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。3.答：拉格朗日運動方程式一般表示為：式中，q是廣義坐標(biāo)；τ是廣義力。L是拉格朗日算子，表示為這里，K是動能；P是位能。4.答：構(gòu)成機器人控制系統(tǒng)的根本要素包括：(1)電動機，提供驅(qū)動機器人運動的驅(qū)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〔PWM〕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，以計算機為根底，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。5.答：直流電動機的額定值有以下幾項：(1)額定功率，是指按照規(guī)定的工作方式運行時所能提供的輸出功率。對電動機來說，額定功率是指軸上輸出的機械功率，單位為kW。(2)額定電壓，是電動機電樞繞組能夠平安工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V。(3)額定電流，是指電動機按照規(guī)定的工作方式運行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A。(4)額定轉(zhuǎn)速，指電動機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電動機的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。6.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、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器等。7.答：在脈沖回波式中，先將超聲波用脈沖調(diào)制后發(fā)射，根據(jù)經(jīng)被測物體反射回來的回波延遲時間Δt，計算出被測物體的距離R，假設(shè)空氣中的聲速為v，那么被測物與傳感器間的距離R為：如果空氣溫度為T〔℃)，那么聲速v可由下式求得：8.答：(1)景物和距離傳感器，常用的有攝像機、CCD圖像傳感器、超聲波傳感器和結(jié)構(gòu)光設(shè)備等；(2)視頻信號數(shù)字化設(shè)備，其任務(wù)是把攝像機或者CCD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(shè)備：如DSP系統(tǒng)；(4)計算機及其設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計算機及其外設(shè)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。9.答：預(yù)處理的主要目的是清楚原始圖像中各種噪聲等無用的信息，改良圖像的質(zhì)量，增強興趣的有用信息的可檢測性。從而使得后面的分割、特征抽取和識別處理得以簡化，并提高其可靠性。機器視覺常用的預(yù)處理包括去噪、灰度變換和銳化等。10.答：模糊邏輯控制器由4個根本局部組成，即模糊化、知識庫、推理算法和逆模糊化。(1)模糊化：將檢測輸入變量值變換成相應(yīng)的論域，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適宜的語言值。(2)知識庫：包含應(yīng)用領(lǐng)域的知識和控制目標(biāo)，它由數(shù)據(jù)和模糊語言控制規(guī)那么組成。(3)推理算法：從一些模糊前提條件推導(dǎo)出某一結(jié)論，這種結(jié)論可能存在模糊和確定兩種情況。(4)逆模糊化：將推理所得到的模糊值轉(zhuǎn)換為明確的控制訊號，作為系統(tǒng)的輸入值。11.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(guān)系等，特別適用于組裝作業(yè)。(3)任務(wù)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。12.答：(1)仿人機器人的機構(gòu)設(shè)計；(2)仿人機器人的運動操作控制，包括實時行走控制、手部操作的最優(yōu)姿態(tài)控制、自身碰撞監(jiān)測、三維動態(tài)仿真、運動規(guī)劃和軌跡跟蹤；(3)仿人機器人的整體動力學(xué)及運動學(xué)建模；(4)仿人機器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究；(5)仿人機器人的人機交互研究，包括視覺、語音及情感等方面的交互；(6)動態(tài)行為分析和多傳感器信息融合。三、論述題：1.答：科學(xué)技術(shù)水平是機器人技術(shù)的根底，科學(xué)與技術(shù)的開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(shè)計技術(shù)。探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載-自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向開展。(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(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于PC機網(wǎng)絡(luò)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(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)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(luò)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(yù)先顯示進行遙控等。(5)虛擬機器人技術(shù)?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙控操作和人機交互。(6)多智能體控制技術(shù)。這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)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(xué)習(xí)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(lǐng)域和重點開展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)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)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(shè)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)境或人碰撞時是平安的，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)開展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些根底研究。2.答：精度、重復(fù)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(fù)精度指在相同的運動位置命令下，機器人連續(xù)假設(shè)干次運動軌跡之間的誤差度量。如果機器人重復(fù)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(fù)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(guān)。一臺設(shè)備的運動精度是指命令設(shè)定的運動位置與該設(shè)備執(zhí)行此命令后能夠到達的運動位置之間的差距，分辨率那么反映了實際需要的運動位置和命令所能夠設(shè)定的位置之間的差距。工業(yè)機器人的精度、重復(fù)精度和分辨率要求是根據(jù)其使用要求確定的。機器人本身所能到達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。由于機器人有轉(zhuǎn)動關(guān)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(fù)精度。3.答：輪式行走機器人是機器人中應(yīng)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(dāng)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(yīng)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，盡管地面上下不平，機身的運動仍然可以相當(dāng)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.答：靜力學(xué)指在機器人的手爪接觸環(huán)境時，在靜止?fàn)顟B(tài)下處理手爪力F與驅(qū)動力τ的關(guān)系。動力學(xué)研究機器人各關(guān)節(jié)變量對時間的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)與各執(zhí)行器驅(qū)動力或力矩之間的關(guān)系，即機器人機械系統(tǒng)的運動方程。而運動學(xué)研究從幾何學(xué)的觀點來處理手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系。在考慮控制時，就要考慮在機器人的動作中，關(guān)節(jié)驅(qū)動力τ會產(chǎn)生怎樣的關(guān)節(jié)位置θ、關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)加速度，處理這種關(guān)系稱為動力學(xué)〔dynamics〕。對于動力學(xué)來說，除了與連桿長度有關(guān)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(guān)節(jié)軸的距離有關(guān)。運動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)中各變量的關(guān)系如下列圖所示。圖中用虛線表示的關(guān)系可通過實線關(guān)系的組合表示，這些也可作為動力學(xué)的問題來處理。5.答：二階系統(tǒng)的特性取決于它的無阻尼自然頻率ωn和阻尼比ξ。為了平安起見，我們希望系統(tǒng)具有臨界阻尼或過阻尼，即要求系統(tǒng)的阻尼比ξ≥1〔注意，系統(tǒng)的位置反應(yīng)增益kp＞0表示負反應(yīng)〕。把由二階系統(tǒng)特征方程標(biāo)準(zhǔn)形式所求得的ωn代入可得：因而速度反應(yīng)增益kv為：取方程等號時，系統(tǒng)為臨界阻尼系統(tǒng)；取不等號時，為過阻尼系統(tǒng)。在確定位置反應(yīng)增益kp時，必須考慮操作臂的結(jié)構(gòu)剛性和共振頻率，它與操作臂的結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量分布和制造裝配質(zhì)量有關(guān)。為了不至于激起結(jié)構(gòu)的振盈和系統(tǒng)的共振，Paul于1981年建議：閉環(huán)系統(tǒng)無阻尼自然頻率ωn必須限制在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)共振頻率的一半之內(nèi)，即：根據(jù)這一要求來調(diào)整反應(yīng)增益kp，可以求出：kp求出后，相應(yīng)的速度反應(yīng)增益kv可求得：6.答：設(shè)計和應(yīng)用工業(yè)機器人時，應(yīng)全面考慮和均衡機器人的通用性、環(huán)境的適應(yīng)性、耐久性、可靠性和經(jīng)濟性等因素，具體遵循的準(zhǔn)那么如下。(1)從惡劣工種開始采用機器人機器人可以在有毒、風(fēng)塵、噪聲、振動、高溫、易燃易爆等危險有害的環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。在技術(shù)、經(jīng)濟合理的情況下，采用機器人逐步把人從這些工作崗位上代替下來，將從根本上改善勞動條件。(2)在生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量落后的部門應(yīng)用機器人現(xiàn)代化的大生產(chǎn)分工越來越細，操作越來越簡單，勞動強度越來越大。機器人可以高效地完成一些簡單、重復(fù)性的工作，使生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量獲得明顯的改善。(3)要估計長遠需要一般來講，人的壽命比機械的壽命長，不過，如果經(jīng)常對機械進行保養(yǎng)和維修，對易換件進行補充和更換，有可能使機械壽命超過人。另外；工人會由于其自身的意志而放棄某些工作，造成辭職或停工，而工業(yè)機器人沒有自己的意愿，因此機器人的使用不會在工作中途因故障以外的原因停止工作，能夠持續(xù)從事所交給的工作，直至其機械壽命完結(jié)。(4)機器人的投入和使用本錢雖說機器人可以使人類擺脫很臟、很危險或很繁重的勞動，但是