機(jī)器人復(fù)習(xí)總結(jié)計(jì)劃題及參考答案

機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論二、簡答題：機(jī)器人學(xué)主要包括哪些研究內(nèi)容？機(jī)器人常用的機(jī)身和臂部的配置型式有哪些？拉格朗日運(yùn)動方程式的一般表示形式與各變量含義？機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元有哪些？直流電機(jī)的額定值有哪些？常有的機(jī)器人外面?zhèn)鞲衅饔心男亢喪雒}沖回波式超聲波傳感器的工作原理。機(jī)器人視覺的硬件系統(tǒng)由哪些部分組成？為什么要做圖像的預(yù)辦理？機(jī)器視覺常用的預(yù)辦理步驟有哪些？請簡述模糊控制器的組成及各組成部分的用途。從描述操作命令的角度看，機(jī)器人編程語言可分為哪幾類？仿人機(jī)器人的重點(diǎn)技術(shù)有哪些？三、論述題：試論述機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢。試論述精度、重復(fù)精度與分辨率之間的關(guān)系。試論述輪式行走機(jī)構(gòu)和足式行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和各自適用的場合。試論述機(jī)器人靜力學(xué)、動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)的關(guān)系。機(jī)器人單關(guān)節(jié)伺服控制中，地址反響增益和速度反響增益是怎樣確定的？試論述工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用準(zhǔn)則。四、計(jì)算題：（需寫出計(jì)算步驟，無計(jì)算步驟不能夠得分）：1.已知點(diǎn)u的坐標(biāo)為[7,3,2]T，對點(diǎn)u依次進(jìn)行以下的變換：（1）繞z軸旋轉(zhuǎn)90°獲得點(diǎn)v；（2）繞y軸旋轉(zhuǎn)90°獲得點(diǎn)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個單位獲得點(diǎn)t。求u,v,w,t各點(diǎn)的齊次坐標(biāo)。ztvwOyxu\6.以以下圖的三自由度機(jī)械手（兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)加一個平移關(guān)節(jié)，簡稱RPR機(jī)械手），求尾端機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)方程。二、簡答題：1.答：機(jī)器人研究的基礎(chǔ)內(nèi)容有以下幾方面：(1)空間機(jī)構(gòu)學(xué)；(2)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)；(3)機(jī)器人靜力學(xué)；(4)機(jī)器人動力學(xué)；(5)機(jī)器人控制技術(shù)；(6)機(jī)器人傳感器；(7)機(jī)器人語言。2.答：目前常用的有以下幾種形式：(1)橫梁式。機(jī)身設(shè)計(jì)成橫梁式，用于懸掛手臂部件，擁有占地面積小，能有效地利用空間，直觀等優(yōu)點(diǎn)。(2)立柱式。多采用輾轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運(yùn)動型式，一般臂部都可在水平面內(nèi)輾轉(zhuǎn)，擁有占地面積小而工作范圍大的特點(diǎn)。(3)機(jī)座式。能夠是獨(dú)立的、自成系統(tǒng)的完滿裝置，可隨意布置和搬動。也能夠擁有行走機(jī)構(gòu)，如沿地面上的專用軌道搬動，以擴(kuò)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(yùn)動，稱為屈伸臂，能夠?qū)崿F(xiàn)平面運(yùn)動，也能夠作空間運(yùn)動。答：拉格朗日運(yùn)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：組成機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要素包括：(1)電動機(jī)，供應(yīng)驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動的驅(qū)動力。(2)減速器，為了增加驅(qū)動力矩、降低運(yùn)動速度。(3)驅(qū)動電路，由于直流伺服電動機(jī)或交流本源：網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載伺服電動機(jī)的流經(jīng)電流較大，機(jī)器人常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式進(jìn)行驅(qū)動。(4)運(yùn)動特點(diǎn)檢測傳感器，用于檢測機(jī)器人運(yùn)動的地址、速度、加速度等參數(shù)。(5)控制系統(tǒng)的硬件，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，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(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動特點(diǎn)的計(jì)算、機(jī)器人的智能控制和機(jī)器人與人的信息交換等功能。5.答：直流電動機(jī)的額定值有以下幾項(xiàng)：(1)額定功率，是指依照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)所能供應(yīng)的輸出功率。對電動機(jī)來說，額定功率是指軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW。(2)額定電壓，是電動機(jī)電樞繞組能夠安全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(jī)依照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)，電樞繞組贊同流過的最大電流，單位為A。(4)額定轉(zhuǎn)速，指電動機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的狀況下運(yùn)行時(shí)，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。答：常有的外面?zhèn)鞲衅靼ㄓ|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，湊近覺傳感器，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，依照經(jīng)被測物體反射回來的回波延緩時(shí)間t，計(jì)算出被測物體的距離R，假設(shè)空氣中的聲速為v，則被測物與傳感器間的距離R為：若是空氣溫度為T（℃)，則聲速v可由下式求得：8.答：(1)光景和距離傳感器，常用的有攝像機(jī)、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(jī)也許CCD輸出的信號變換成方便計(jì)算和解析的數(shù)字信號；(3)視頻信號辦理器，視頻信號實(shí)時(shí)、快速、并行算法的硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)備：如DSP系統(tǒng)；(4)計(jì)算機(jī)及其設(shè)備，依照系統(tǒng)的需要能夠采用不相同的計(jì)算機(jī)及其外設(shè)來滿足機(jī)器人視覺信息辦理及其機(jī)器人控制的需要；(5)機(jī)器人或機(jī)械手及其控制器。答：預(yù)辦理的主要目的是清楚原始圖像中各種噪聲等無用的信息，改進(jìn)圖像的質(zhì)量，增強(qiáng)興趣的適用信息的可檢測性。從而使得后邊的切割、特點(diǎn)抽取和鑒別辦理得以簡化，并提高其可靠性。機(jī)器視覺常用的預(yù)辦理包括去噪、灰度變換和銳化等。10.答：模糊邏輯控制器由4個基本部分組成，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)變換成合適的語言值。(2)知識庫：包括應(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)則組成。(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狀況。(4)逆模糊化：將推理所獲得的模糊值變換為明確的控制訊號，作為系統(tǒng)的輸入值。11.答：機(jī)器人編程語言可分為：(1)動作級：以機(jī)器人尾端執(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：贊同較大概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(jī)器人必定一邊思慮一邊工作。12.答：(1)仿人機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2)仿人機(jī)器人的運(yùn)動操作控制，包括實(shí)時(shí)行走控制、手部操作的最優(yōu)姿態(tài)控制、自己碰撞監(jiān)測、三維動向仿真、運(yùn)動規(guī)劃和軌跡追蹤；(3)仿人機(jī)器人的整體動力學(xué)及運(yùn)動學(xué)建模；(4)仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究；(5)仿人機(jī)器人的人機(jī)交互研究，包括視覺、語音及感情等方面的交互；(6)動向行為解析和多傳感器信息交融。三、論述題：1.答：科學(xué)技術(shù)水平是機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)，科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展將會使機(jī)器人技術(shù)提高到一個更高的水平。未來機(jī)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(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。研究新的高強(qiáng)度輕質(zhì)資料，進(jìn)一步提高負(fù)載-自重比，同機(jī)會構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。(2)機(jī)器人控制技術(shù)。重點(diǎn)研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。(3)多傳感系統(tǒng)。為進(jìn)一步提高機(jī)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重點(diǎn)。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器交融算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的狀況下的多傳感器交融算法。(4)機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)。多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的狀況下，建立起初顯示進(jìn)行遙控等。(5)虛假機(jī)器人技術(shù)?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w和虛假現(xiàn)實(shí)以及臨場感覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛假遙控操作和人機(jī)交互。(6)多智能體控制技術(shù)。這是目前機(jī)器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的集系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、集體行為控制等方面進(jìn)行研究。(7)微型和渺小機(jī)器人技術(shù)。這是機(jī)器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)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(jìn)展將會引起機(jī)器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進(jìn)步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不能估計(jì)的影響，微型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)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(jī)器人技術(shù)。主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)未考慮與人親密共處，因此其結(jié)構(gòu)資料多為金屬或硬性資料，軟機(jī)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(jī)器人不測處與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機(jī)器人對人是友好的。(9)仿人和仿生技術(shù)。這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境地，目前僅在某些方面進(jìn)行一些基礎(chǔ)研究。答：精度、重復(fù)精度和分辨率用來定義機(jī)器人手部的定位能力。精度是一個地址量有對于其參照系的絕對胸襟，指機(jī)器人手部實(shí)質(zhì)到達(dá)地址與所需要到達(dá)的理想地址之間的差距。機(jī)器人的精度決定于機(jī)械精度與電氣精度。重復(fù)精度指在相同的運(yùn)動地址命令下，機(jī)器人連續(xù)若干次運(yùn)動軌跡之間的誤差胸襟。若是機(jī)器人重復(fù)執(zhí)行某地址給定指令，它每次走過的距離其實(shí)不相同，而是在一平均值周邊變化，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(jī)器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小搬動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。精度和分辨率不用然相關(guān)。一臺設(shè)備的運(yùn)動精度是指命令設(shè)定的運(yùn)動地址與該設(shè)備執(zhí)行此命令后能夠達(dá)到的運(yùn)動地址之間的差距，分辨率則反響了實(shí)質(zhì)需要的運(yùn)動地址和命令所能夠設(shè)定的地址之間的差距。工業(yè)機(jī)器人的精度、重復(fù)精度和分辨率要求是依照其使用要求確定的。機(jī)器人自己所能達(dá)到的精度取決于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的剛度、運(yùn)動速度控制和驅(qū)動方式、定位和緩沖等要素。由于機(jī)器人有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，不相同輾轉(zhuǎn)半徑時(shí)其直線分辨率是變化的，因此造成了機(jī)器人的精度難以確定。由于精度一般較難測定，平時(shí)工業(yè)機(jī)器人只給出重復(fù)精度。答：輪式行走機(jī)器人是機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對平坦的地面上，用車輪搬動方式行走是相當(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。本源：網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載在軌道上運(yùn)行的多采用實(shí)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(shí)心輪胎。足式行走對波折路面擁有很好的適應(yīng)能力，足式運(yùn)動方式的立足點(diǎn)是失散的點(diǎn)，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式行走工具必定面對最壞的地形上的幾乎所有點(diǎn)；足式運(yùn)動方式還擁有主動隔震能力，盡管地面高低不平，機(jī)身的運(yùn)動依舊能夠相當(dāng)平穩(wěn)；足式行走在不平川面和柔嫩地面上的運(yùn)動速度較高，能耗較少。4.答：靜力學(xué)指在機(jī)器人的手爪接觸環(huán)境時(shí)，在靜止?fàn)顟B(tài)下辦理手爪力F與驅(qū)動力τ的關(guān)系。動力學(xué)研究機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量對時(shí)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(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程。而運(yùn)動學(xué)研究從幾何學(xué)的見解來辦理手指地址與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系。在考慮控制時(shí)，就要考慮在機(jī)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)地址θ、關(guān)節(jié)速度θ、關(guān)節(jié)加速度θ，辦理這種關(guān)系稱為動力學(xué)（dynamics）。對于動力學(xué)來說，除了與連桿長度相關(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)軸的距離相關(guān)。運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)中各變量的關(guān)系以以下圖所示。圖中用虛線表示的關(guān)系可經(jīng)過實(shí)線關(guān)系的組合表示，這些也可作為動力學(xué)的問題來辦理。答：設(shè)計(jì)和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人時(shí)，應(yīng)全面考慮和均衡機(jī)器人的通用性、環(huán)境的適應(yīng)性、長遠(yuǎn)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等要素，詳盡依照的準(zhǔn)則以下。從惡劣工種開始采用機(jī)器人機(jī)器人能夠在有毒、風(fēng)塵、噪聲、振動、高溫、易燃易爆等危險(xiǎn)有害的環(huán)境中長遠(yuǎn)牢固地工作。在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理的狀況下，采用機(jī)器人漸漸把人從這些工作崗位上代替下來，將從根本上改進(jìn)勞動條件。在生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量落后的部門應(yīng)用機(jī)器人現(xiàn)代化的大生產(chǎn)分工越來越細(xì)，操作越來越簡單，勞動強(qiáng)度越來越大。機(jī)器人能夠高效地完成一些簡單、重復(fù)性的工作，使生產(chǎn)效率、產(chǎn)質(zhì)量量獲得顯然的改進(jìn)。要估計(jì)長遠(yuǎn)需要一般來講，人的壽命比機(jī)械的壽命長，但是，若是經(jīng)常對機(jī)械進(jìn)行保養(yǎng)和維修，對易換件進(jìn)行補(bǔ)充和更換，有可能使機(jī)械壽命高出人。別的；工人會由于其自己的意志而放棄某些工作，造成辭職或停工，而工業(yè)機(jī)器人沒有自己的意愿，因此機(jī)器人的使用不會在工作中途因故障之外的原因停止工作，能夠連續(xù)從事所交給的工作，直至其機(jī)械壽命結(jié)束。機(jī)器人的投入和使用成本固然機(jī)器人能夠令人類擺脫很臟、很危險(xiǎn)或很深重的勞動，但是工廠經(jīng)理們極關(guān)心的是機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)性。在經(jīng)濟(jì)方面所考慮的要素包括勞力、資料、生產(chǎn)率、能源、設(shè)備和成本等。能夠用償還期Y定量地衡量機(jī)器人使用的合理性。若是機(jī)器人的使用壽命大于其償還期，使用機(jī)器人是有效益的。應(yīng)用機(jī)器人時(shí)需要人在應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人代替工人操作時(shí)，要考慮工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)能力以及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)知識的現(xiàn)狀和未來恩賜展望。用現(xiàn)有的機(jī)器人紋絲沒動地代替目前正在工作的所有工人，并接替他們的工作，顯然是不能能的。在平均能力方面，與工人對照，工業(yè)機(jī)器人顯得過于遜色；但在承受環(huán)境條件的能力和可靠性方面，工業(yè)機(jī)器人比人優(yōu)越。因此要把工業(yè)機(jī)器人安排在生產(chǎn)線中的合適地址上，使它成為工人的好助手。四、計(jì)算題：T1.解：點(diǎn)u的齊次坐標(biāo)為：7,3,2,1v=Rot(z,90°)u=w=Rot(y,90°)v=

010073100037001022000111001032010077100023000111100426010374t=Trans(4,-3,7)w=00173100001116.解：建立如圖的坐標(biāo)系，則各連桿的DH參數(shù)為：本源：網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載連桿轉(zhuǎn)角n偏距dn扭角i1桿長ai11002090°0300由連桿齊次坐標(biāo)變換遞推公式