2023年機(jī)器人課程考試復(fù)習(xí)大綱及答案最終無敵版

機(jī)器人課程復(fù)習(xí)

一、名詞解釋

工作空間:工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其腕軸交點(diǎn)能在空間活動(dòng)的范圍

剛體自由度：物體可以對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目

機(jī)器人的自由度:機(jī)器人末端構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。

機(jī)器人工作載荷：機(jī)器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機(jī)械接口處能承受的最大負(fù)載量(涉及手部)。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆問題：

機(jī)器人正動(dòng)力學(xué)問題已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力或力矩，求機(jī)器人各關(guān)節(jié)軌跡或末端執(zhí)行器(位姿)軌跡。

機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)問題已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)軌跡或末端執(zhí)行器(位姿)軌跡，求機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力或力矩。

雅可比矩陣：研究機(jī)器人操作空間速度與關(guān)節(jié)空間速度間的線性映射關(guān)系即雅克比矩陣

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)：從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來解決手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)。

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)：機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量對(duì)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(dòng)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(dòng)方程。

PWM驅(qū)動(dòng):脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation)驅(qū)動(dòng)

直流伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)特性：是指轉(zhuǎn)矩恒定期，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系。

宜流伺服電機(jī)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(fù)我時(shí)的實(shí)際角速度之差，與給定轉(zhuǎn)速

之比。

示教再現(xiàn):一種可反復(fù)再現(xiàn)通過示教編程存儲(chǔ)起來的作業(yè)程序的機(jī)器人。示教有直接示教和間接示教兩種方

法。直接示教是操作人員使用插入機(jī)器人手臂內(nèi)的操作桿，按給定運(yùn)動(dòng)順序示教動(dòng)作內(nèi)容，機(jī)

器人自動(dòng)把順序、位置和時(shí)間等具體數(shù)值記錄在存儲(chǔ)器中。再現(xiàn)時(shí)，依次讀出存儲(chǔ)的信息，反

復(fù)示教的動(dòng)作過程。間接示教是采用示教盒(或稱示教器)示教。操作者通過示教盒按鍵操縱完

畢空間作業(yè)軌跡點(diǎn)及其有關(guān)速度等信息的示教，然后用操作盤對(duì)機(jī)器人語言命令進(jìn)行用戶工作

程序的編輯，并存儲(chǔ)在示教數(shù)據(jù)區(qū)。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)逐條取出示教命令與

位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行解讀、運(yùn)算并作出判斷，將各種控制信號(hào)送到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或端口，使機(jī)器人

忠實(shí)地再現(xiàn)示教動(dòng)作。

PID控制：指按照偏差的比例(P,proportional)、積分(I,integra1),微分(D,derivative)進(jìn)

行控制。

脫機(jī)編程:指用機(jī)器人程序語言預(yù)先進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，而不是用示教的方法編程。

二、填空題

1、機(jī)器人按機(jī)構(gòu)特性可以劃分為（關(guān)節(jié)機(jī)器人）和（非關(guān)節(jié)機(jī)器人）兩

大類。

2、機(jī)器人系統(tǒng)大體由（驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）、（機(jī)械系統(tǒng)）、（感知系統(tǒng)）和（人機(jī)

交互系統(tǒng)、機(jī)器-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成?

3、機(jī)器人的反復(fù)定位精度是指（機(jī)器人末端執(zhí)行器為反復(fù)到達(dá)同?目的位置（抱負(fù)位置）而實(shí)際

到達(dá)位置之間的接近限度）o

4、齊次坐標(biāo)［0010『表達(dá)的內(nèi)容是z方向。

5、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)是研究機(jī)器人末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)空間之間的

關(guān)系。

6、假如機(jī)器人相鄰兩關(guān)節(jié)軸線相交，則聯(lián)接這兩個(gè)關(guān)節(jié)的連桿長度為二。

7、常用的建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的方法有牛頓和拉格朗

B。

8、6自由度機(jī)器人有解析逆解的條件是機(jī)器人操作手的獨(dú)立關(guān)節(jié)變量多于末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)自由

度數(shù)。（1）三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸交于一點(diǎn)（2）三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸互相平行

9、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式重要有（液壓）、（氣動(dòng)）和（電動(dòng)）三種。

10、機(jī)器人上常用的可以測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器有測(cè)速發(fā)電機(jī)和增量式碼盤。

11、機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可以分為程序控制方式、適應(yīng)性控制方式和

人工智能控制方式。

三、選擇題（4選1）

1、機(jī)器人三原則是由誰提出的。（D）

（A）森政弘（B）約瑟夫?英格伯格（C）托莫維奇（D）阿西莫夫

2、當(dāng)代機(jī)器人大軍中最重要的機(jī)器人為:（A）

（A）工業(yè)機(jī)器人（B）軍用機(jī)器人（C）服務(wù)機(jī)器人（D）特種機(jī)器人

3、手部的位姿是由哪兩部分變量構(gòu)成的？（B）

（A）位置與速度（B）姿態(tài)與位置（C）位置與運(yùn)營狀態(tài)（D）姿態(tài)與速度

4、運(yùn)動(dòng)學(xué)重要是研究機(jī)器人的：（B）

（A）動(dòng)力源是什么（B）運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的關(guān)系（C）動(dòng)力的傳遞與轉(zhuǎn)換（D）運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用

5、動(dòng)力學(xué)重要是研究機(jī)器人的：（C）

（A）動(dòng)力源是什么（B）運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的關(guān)系（C）動(dòng)力的傳遞與轉(zhuǎn)換（D）動(dòng)力的應(yīng)用

6、傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路是將敏感元件產(chǎn)生的易測(cè)量小信號(hào)進(jìn)行變換，使傳感器的信號(hào)輸出符合具

體工業(yè)系統(tǒng)的規(guī)定。一般為：（A）

（A）4?20mA、-5?5V（B）0~20mA、0~5V（C）-20mA?20mA、-5?5V

（D）-20mA~2OmA、0?5V

7、傳感器的輸出信號(hào)達(dá)成穩(wěn)定期，輸出信號(hào)變化與輸入信號(hào)變化的比值代表傳感器的參

數(shù)。（D）

（A）抗干擾能力（B）精度（C）線性度（D）靈敏度

8.6維力與力矩傳感器重要用于（D）

（A）精密加工（B）精密測(cè)量（C）精密計(jì)算（D）精密裝配

9、機(jī)器人軌跡控制過程需要通過求解獲得各個(gè)關(guān)節(jié)角的位置控制系統(tǒng)的設(shè)定值。（B）

（A）運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題（B）運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題（C）動(dòng)力學(xué)正問題（D）動(dòng)力學(xué)逆問題

10.模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)的重要區(qū)別是什么？（B）

（A）教波頻率不同樣（B）信道傳送的信號(hào)不同樣（C）調(diào)制方式不同樣（D）編碼

方式不同樣

四、判斷題（回答Y/N）

1.機(jī)械手亦可稱之為機(jī)器人。Y

2.完畢某一特定作業(yè)時(shí)具有多余自由度的機(jī)器人稱為冗余自由度機(jī)器人。Y

3、關(guān)節(jié)空間是由所有關(guān)節(jié)參數(shù)構(gòu)成的。Y

4、任何復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)都可以分解為由多個(gè)平移和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的簡(jiǎn)樸運(yùn)動(dòng)的合成。Y

5、關(guān)節(jié)i的坐標(biāo)系放在i-1關(guān)節(jié)的末端。N

6.手臂解有解的必要條件是串聯(lián)關(guān)節(jié)鏈中的自由度數(shù)等于或小于6。N

7.對(duì)于具有外力作用的非保守機(jī)械系統(tǒng)，其拉格朗日動(dòng)力函數(shù)乙可定義為系統(tǒng)總動(dòng)能與系統(tǒng)總勢(shì)

能之和。N

8.由電阻應(yīng)變片組成電橋可以構(gòu)成測(cè)量重量的傳感器。Y

9.激光測(cè)距儀可以進(jìn)行散裝物料重量的檢測(cè)。Y

10.運(yùn)動(dòng)控制的電子齒輪模式是一種積極軸與從動(dòng)軸保持一種靈活傳動(dòng)比的隨動(dòng)系統(tǒng)。Y

11.諧波減速機(jī)的名稱來源是由于剛輪齒圈上任一點(diǎn)的徑向位移呈近似于余弦波形的變化。N

五、簡(jiǎn)答題/問答題

1、國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展有何特點(diǎn)？

答：1、傳感器智能機(jī)器人發(fā)展較快2、新型智能技術(shù)的概念和應(yīng)用研究正醞釀著新的突破3、

采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)4、機(jī)器人工程系統(tǒng)呈上升趨勢(shì)5、微型機(jī)器人的研究有所突

破6、應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)擴(kuò)展7、行走機(jī)器人研究引起重視8、開發(fā)

靈敏制造生產(chǎn)系統(tǒng)9、軍事機(jī)器人將裝備部隊(duì)

2、有哪幾種機(jī)器人分類方法?是否尚有其他的分類方法？

答：1、按機(jī)械手的幾何結(jié)構(gòu)來分2、按機(jī)器人的控制方式分3、按機(jī)器人控制器的信息輸入

方式分4、按機(jī)器人的智能限度分5、按機(jī)器人的移動(dòng)性分6、按機(jī)器人的用途分

3、什么叫做“機(jī)器人三守則”？它的重要意義是什么？

3.什么叫“機(jī)器人的三守則”？它的重要意義是什么？

1）機(jī)器人必須不危害人類，也不允許它眼看人類將受傷害而袖手旁觀

2）機(jī)器人必須絕對(duì)服從人類.除可這種服從父少于人類

3）機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害,除#為了保護(hù)人類或者人類命令它做出犧牲等

意義：給機(jī)器人社會(huì)附以新的倫理性,并且機(jī)器人概念更加通俗化,更易于為人類

社會(huì)所接受，至今.它仍為機(jī)器人研究人員、設(shè)計(jì)制造廠家和用戶.提供了十分有意義

的指導(dǎo)方針.

4、工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人的定義分別是什么？

工、業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置,

是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)

營，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則大綱行動(dòng)。

到目前為止，在世界范圍內(nèi)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的智能機(jī)器人定義。大多數(shù)專家認(rèn)為智能機(jī)器人至少要具有以

下三個(gè)要素：一是感覺要素，用來結(jié)識(shí)周邊環(huán)境狀態(tài)；二是運(yùn)動(dòng)要素，對(duì)外界做出反映性動(dòng)作；三是思考要

素，根據(jù)感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動(dòng)作。

5、智能機(jī)器人的含義是什么？

智能機(jī)器人具有形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感

受器外，它尚有效應(yīng)器，作為作用于周邊環(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動(dòng)機(jī)，它們使手、腳、長

鼻子、觸角等動(dòng)起來。由此也可知，智能機(jī)器人至少要具有三個(gè)要素:感覺要素，運(yùn)動(dòng)要素和思考要素。

6、分析一個(gè)空間激光切割機(jī)械手至少需要多少自由度?規(guī)定能使激光束的焦點(diǎn)定位，并可切割任意曲

面。

定位需要三個(gè)自由度，切割曲面需要二個(gè)自由度，共計(jì)五個(gè)

7、機(jī)器人的靈活度、自由度和冗余度的概念及其互相關(guān)系是什么？

自由度：機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)體系所需要的獨(dú)立坐標(biāo)的數(shù)目

冗余度:完畢某一特定作業(yè)時(shí)具有多余自由度數(shù)

靈活度=自由度+冗余度

8、為了將圓柱形的零件放在平板上，機(jī)器人至少應(yīng)具有兒個(gè)自由度？

答：3個(gè)

9、機(jī)器人的精度、反復(fù)精度及空間分辨度的含義及其區(qū)別？

答：精度、反復(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(gè)位置量相對(duì)于其參照系的絕對(duì)度量，指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與所需要到達(dá)的抱負(fù)位置

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。

反復(fù)精度指在相同的運(yùn)動(dòng)位置命令下，機(jī)器人連續(xù)若干次運(yùn)動(dòng)軌跡之間的誤差度量。假如機(jī)器人反復(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

幅度代表反復(fù)精度。

分辨率是指機(jī)器人每根軸可以實(shí)現(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。一臺(tái)

設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度是指命令設(shè)定的運(yùn)動(dòng)位置與該設(shè)備執(zhí)行此命令后可以達(dá)成的運(yùn)動(dòng)位置之間的差距，分辨率

則反映了實(shí)際需要的運(yùn)動(dòng)位置和命令所可以設(shè)定的位置之間的差距。

工業(yè)機(jī)器人的精度、反復(fù)精度和分辨率規(guī)定是根據(jù)其使用規(guī)定擬定的。機(jī)器人自身所能達(dá)成的精度取

決于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的剛度、運(yùn)動(dòng)速度控制和驅(qū)動(dòng)方式、定位和緩沖等因素。

由于機(jī)器人有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),不同回轉(zhuǎn)半徑時(shí)其直線分辨率是變化的，因此導(dǎo)致了機(jī)器人的精度難以擬定。

由于精度一般較難測(cè)定，通常工業(yè)機(jī)器人只給出反復(fù)精度。

10、機(jī)器人學(xué)重要包含哪些研究?jī)?nèi)容？

［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(dòng)學(xué);（3）機(jī)器人靜力學(xué);

（4）機(jī)器人動(dòng)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。

11、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析的一般過程是什么?為什么要進(jìn)行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析？

答：1、建立坐標(biāo)系2、擬定連桿參數(shù)3、寫出各個(gè)齊次矩陣4、寫方程

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究目的，建立力、質(zhì)量和加速度之間以及力矩、慣量和角速度之間的關(guān)系。

擬定力和力矩，計(jì)算每個(gè)驅(qū)動(dòng)器所需的驅(qū)動(dòng)力,以便在機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)上產(chǎn)生盼望的加速度。

根據(jù)有關(guān)方程并考慮機(jī)器人的外部載荷計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器也許承受的最大載荷，設(shè)計(jì)出能提供足夠力及

力矩的驅(qū)動(dòng)器。研究機(jī)器人不同部件之間的關(guān)系，合理地設(shè)計(jì)出機(jī)器人的部件。

12、簡(jiǎn)述建立工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的方法、環(huán)節(jié)。

建立各連桿坐標(biāo)系，擬定各連桿D—H參數(shù)，寫出各齊次矩陣（運(yùn)用式A,和D-H參數(shù)計(jì)算各連桿之間的

D-H矩陣），寫運(yùn)動(dòng)學(xué)方程（根據(jù)〈=A「.A…A”建立機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程）

13、方向余弦矩陣的特點(diǎn)都有那些

“方向余弦矩陣”是由兩組不同的標(biāo)準(zhǔn)正交基的基底向量之間的方向余弦所形成的矩陣。方向余弦矩

陣可以用來表達(dá)一組標(biāo)準(zhǔn)正交基與另一組標(biāo)準(zhǔn)正交基之間的關(guān)系，也可以用來表達(dá)一個(gè)向量對(duì)于另一組標(biāo)

準(zhǔn)正交基的方向余弦。

方向余弦矩陣為正交矩陣，其中每列或每行中各元素平方之和為一,而兩個(gè)不同列或不同行中相應(yīng)元素

的乘積之和則為零。

14、機(jī)器人雅可比矩陣的含義是什么？

關(guān)節(jié)空間和操作空間的方程系數(shù)矩陣（X=J0）

15、什么是機(jī)器人的奇異狀態(tài)？

機(jī)器人的雅克比矩陣的行列式等于零時(shí)的狀態(tài)，自由度會(huì)減少，母線運(yùn)動(dòng)受限制

16、簡(jiǎn)述齊次變換矩陣的物理含義。

4嗎Px

g%

T=Py

ez嗎Pz

0001

答：1、起到坐標(biāo)變換的作用。2、代表物體的位置姿態(tài)

17、工業(yè)機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)器有那些類型,并簡(jiǎn)要說明其特點(diǎn)。

(1)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源簡(jiǎn)樸，速度變化范圍大,效率高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小，速度和位置精度都很高，但它們多與減

速裝置相聯(lián),直接驅(qū)動(dòng)比較困難。

(2)液壓驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好,響應(yīng)快，伺服

驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫及有潔凈規(guī)定的場(chǎng)合。故液壓

驅(qū)動(dòng)器目前多用于特大功率的操作機(jī)器人系統(tǒng)或機(jī)器人化工程機(jī)械。

(3)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。但也需要增設(shè)氣壓源，且與液壓驅(qū)動(dòng)器相比,

功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高、但有潔凈、防爆等規(guī)定的點(diǎn)位控制機(jī)器

人。

18、常用的工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)有那些？

齒輪傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)，滾珠絲桿出傳動(dòng)，同步齒形帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)

19、在機(jī)器人系統(tǒng)中為什么往往需要一個(gè)傳動(dòng)(減速)系統(tǒng)？

由于現(xiàn)在的電機(jī)一般速度較高，力矩較小，需要通過傳動(dòng)系統(tǒng)減少轉(zhuǎn)速、提高力矩。

20、機(jī)器人常用的機(jī)身和臂部的配置型式有哪些？

［答］:目前常用的有如卜.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，具有占地面積小,能有效地運(yùn)用空間.直觀等優(yōu)點(diǎn).(2)

立柱式。多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。(3)機(jī)座式.可以是獨(dú)

立的、自成系統(tǒng)的完整裝置,可隨意安放和搬動(dòng)。也可以具有行走機(jī)構(gòu)，如沿地面上的專用軌道移動(dòng)，以拉大其活動(dòng)范圍。(4)屈伸式。臂部由大小曾

組成,大小臂間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，稱為屈伸普，可以實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng),也可以作空間運(yùn)動(dòng)。

21、直流電機(jī)的額定值有哪些？

［答］:直流電動(dòng)機(jī)的額定值有以下幾項(xiàng)是指按照規(guī)定的工作方式運(yùn)營時(shí)所能提供的輸出功率.對(duì)電動(dòng)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(dòng)機(jī)電樞繞組可以安全工作的最大外加電壓或愉出電壓，單位為V。(3)額定電流,是指電動(dòng)機(jī)按

照規(guī)定的工作方式運(yùn)營時(shí),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(dòng)機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)營時(shí)，

電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,單位為r/inin.

22、機(jī)器人上常用的距離與接近覺傳感器有哪些？。

超聲波，激光、紅外，霍爾傳感器

23、常見的機(jī)器人外部傳感器有哪些？

［答］:常見的外部傳感器涉及觸覺傳感器,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.涉及超聲波傳感器，接近

覺傳感需以及視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器等。

24、機(jī)器人視覺的硬件系統(tǒng)由哪些部分組成？

I-工(1)景物和距離傳感器,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(hào)數(shù)字化設(shè)備,其任務(wù)是把

攝像機(jī)或者CCD輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成方便計(jì)算和分析的數(shù)字信號(hào)：(3)視頻信號(hào)解決耨，視頻信號(hào)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,根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計(jì)卯機(jī)及其外設(shè)來滿足機(jī)器人視覺信息解決及其機(jī)那人控制的需要：(5)機(jī)器人或機(jī)

械手及其控制器“

25、機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元有哪些？

［悴］:構(gòu)成機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要素涉及:UL曳動(dòng)班.提供驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力-(2)減速器,為了增長驅(qū)動(dòng)力矩、減少運(yùn)動(dòng)速度。⑶

豳蠅.由于直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)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(dòng)。(4)運(yùn)動(dòng)特性檢測(cè)傳感器,用

于檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的位置、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(jí)與執(zhí)行級(jí)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。(6)控制系統(tǒng)的軟件.

實(shí)現(xiàn)時(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的計(jì)算、機(jī)器人的智能摔制和機(jī)器人與人的信息互換等功能.

26、請(qǐng)簡(jiǎn)述模糊控制器的組成及各組成部分的用途。

［答］：模糊邏輯控制器由4個(gè)基本部分組成,即模糊化、知識(shí)庫、推理算法和逆模糊化.(1)模糊化：將檢測(cè)輸入變量值變換成相應(yīng)的論域，

將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的語言值.(2)知識(shí)庫:包含應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)和控制目的，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)論也許存在模糊和擬定兩種情況。(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(hào).作為系統(tǒng)的輸入值。

27、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？

［答I：機(jī)器人編程語言可分為:(1)動(dòng)作級(jí)：以機(jī)器人末端執(zhí)行器的動(dòng)作為中心來描述各種操作,要在程序中說明每個(gè)動(dòng)作。(2)對(duì)象級(jí)：允許

較粗略地描述操作對(duì)象的動(dòng)作、操作對(duì)象之間的關(guān)系等，特別合用于組裝作業(yè).(3)任務(wù)級(jí):只要直接指定操作內(nèi)容就可以小為此，機(jī)器人必須一邊

思考一邊工作.

28、什么是變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)?為什么要采用變結(jié)構(gòu)控制？

一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)是隨位置、時(shí)間變化而變化的;由于機(jī)器人是典型的非線性變參數(shù)系統(tǒng)模

型。

29、試述機(jī)器人滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理。

滑模變結(jié)構(gòu)控制的原理，是根據(jù)系統(tǒng)所盼望的動(dòng)態(tài)特性來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的切換超平面，通過滑動(dòng)模態(tài)控制

器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向切換超平面收束。系統(tǒng)一旦到達(dá)切換超平面,控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超

平面到達(dá)系統(tǒng)原點(diǎn)，這一沿切換超平面向原點(diǎn)滑動(dòng)的過程稱為滑?？刂?。

30、自適應(yīng)控制器有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？試簡(jiǎn)介其工作原理。

機(jī)器人自適應(yīng)控制分為三類：模型參考自適應(yīng)控制、自校正自適應(yīng)控制和線性攝動(dòng)自適應(yīng)控制等。

(a)(b)

(a)模型參考自適應(yīng)控制器；它的基本設(shè)計(jì)思想是：為機(jī)器人機(jī)械手的狀態(tài)方程(傳動(dòng))綜合一個(gè)控制信

號(hào)〃，或?yàn)闋顟B(tài)方程(動(dòng)力學(xué))綜合一個(gè)輸入凡這種控制信號(hào)將以一定的由參考模型所規(guī)定的盼望方式,

迫使系統(tǒng)具有需要特性。

(b)自校正自適應(yīng)控制器；它與MRAC方法的重要區(qū)別在于:STAC用線性離散模型來表達(dá)操作機(jī)器

人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，因而其控制器為一數(shù)字控制器。這種離散模型必須借助系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，應(yīng)用采樣輸

入-輸出數(shù)據(jù)來建立。

(c)線性攝動(dòng)自適應(yīng)控制器

六、論述題/綜合題

1、試論述機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

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(huì)使機(jī)器人技術(shù)提尚到?個(gè)更高的水平.未來機(jī)器人技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容集中在以卜幾個(gè)方面；⑴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)“探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)?步提高負(fù)載一自重比洞時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可由構(gòu)方向發(fā)展.(2)機(jī)器人控制技術(shù)。汞點(diǎn)研究開放式、

模塊化控制系統(tǒng),人機(jī)界面更加和諧，語3、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)0(3)多傳感系統(tǒng)。

為進(jìn)一步提高機(jī)器人的料能和適應(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(diǎn)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(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半口主和口舊技術(shù)。多機(jī)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(jī)瑞人遙控系統(tǒng).在有時(shí)延的

情況下.建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。(5)虛擬機(jī)點(diǎn)人技術(shù).堪于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感應(yīng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。(6)多留能體控制

技術(shù)。這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。重要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、互相間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法,建模和規(guī)劃、群體行為控制等方向進(jìn)行研究。

(7)微理和微小機(jī)器人技術(shù)。這是機(jī)器人研究的一個(gè)斷的領(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)域研尢的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命,

并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響,微型機(jī)器人技術(shù)的研究重饕集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)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)“與要用于醫(yī)疔、護(hù)理、休閑和娛樂場(chǎng)合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)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(jī)器人技術(shù)規(guī)定其結(jié)構(gòu)、控制

方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的.機(jī)器人對(duì)人是和諧的。(9)仿人和仿生技術(shù)。這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的歧離境界,目前僅在某些方面進(jìn)行一

些基礎(chǔ)研究。

2、試論述精度、反復(fù)精度與分辨率之間的關(guān)系。

答:精度、反貪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(gè)位置地相對(duì)于其參照系的絕對(duì)度量，指機(jī)器人予部實(shí)際到達(dá)位宜與所需要到達(dá)的抱負(fù)位置之間的差距。機(jī)器人的精度決定于機(jī)械精度與電氣精度。

反發(fā)精度指在相同的運(yùn)動(dòng)位置命令下.機(jī)器人連續(xù)若干次運(yùn)動(dòng)軌跡之間的誤差度量.假如機(jī)器人反復(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,而變化的幅度代表反更精度。

分辨率是指機(jī)器人每根軸可以實(shí)現(xiàn)的垠小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)珀度.精度和分辨率不一定相關(guān)。?臺(tái)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度是指命令設(shè)定的運(yùn)動(dòng)位置與該設(shè)備執(zhí)行此命令后

可以達(dá)成的運(yùn)動(dòng)位置之間的差距,分辨率則反映了實(shí)際需要的運(yùn)動(dòng)位鼠和命令所可以設(shè)定的位置之間的差距.

工業(yè)機(jī)器人的精度、反復(fù)精度和分辨率規(guī)定是根據(jù)其使用規(guī)定擬定的。機(jī)器人自身所能達(dá)成的精度取決于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的剛度、運(yùn)動(dòng)速度控制和強(qiáng)動(dòng)方式、定位和緩沖

等因素。

由于機(jī)器人有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),不同回轉(zhuǎn)半徑時(shí)其直線分辨率是變化的，因此導(dǎo)致了機(jī)器人的精度難以擬定。由于精度?般較難測(cè)定,通常工業(yè)機(jī)器人只給出反笈精度。

3、試論述工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用準(zhǔn)則。

「一1：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、耐久性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等因素,具體遵循的準(zhǔn)則如下。

(I)從惡劣I：種開始采用機(jī)器人

機(jī)器人可以在有毒、風(fēng)塵、噪聲、振動(dòng)、筒溫、易燃易爆等危險(xiǎn)有害的環(huán)境中長期稔定地工作。在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理的情況卜.,采用機(jī)器人逐步把人從這些工作崗位上代

普卜來,將從主線上改善勞動(dòng)條件.

（2）在生產(chǎn)率和牛.產(chǎn)質(zhì)/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(jiǎn)樸,勞動(dòng)強(qiáng)度越來越大。機(jī)器人可以高效地完畢一些簡(jiǎn)樸、反旦性的工作，使生產(chǎn)效率、產(chǎn)品偵量獲得明顯的改善.

（3）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,假如經(jīng)常對(duì)機(jī)械進(jìn)行保養(yǎng)和維修，對(duì)易換件進(jìn)行補(bǔ)充和更換,有也許使機(jī)械壽命超過人。此外；工人會(huì)由「其白身的意志而

放棄某些.匚作，導(dǎo)致辭職或停I-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(huì)在I：作半途因故障以外的因素停止工作，可以連續(xù)從事所交給的I：作，直至其機(jī)械壽

命完結(jié)。

（4）機(jī)器人的投入和使用成木

雖說機(jī)器人可以使人類擺脫很臟、很危險(xiǎn)或很繁重的勞動(dòng)，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)方面所考慮的因素涉及勞力、材料、生產(chǎn)率、能源、設(shè)

備和成本等。

可以用償還期丫定垃地衡盤機(jī)器人使用的合理性.假如機(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.

（5）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(shí)的現(xiàn)狀和未來給予預(yù)測(cè).用現(xiàn)有的機(jī)器人原封不動(dòng)地取代目前正在工作的

所有工人,并接替他們的工作,顯然是不也許的“

在平均能力方面Jj工人相比，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)線中的恰當(dāng)位

置上.使它成為工人的好助手。

4、假如讓你設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人，你最希望制作一個(gè)什么樣的機(jī)器人?它由哪幾部分組成?制作它重要需要

完畢些什么工作？

5、試論述機(jī)器人靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)系。

答:靜力學(xué)指在機(jī)黯人的手爪接觸環(huán)境時(shí).在靜止?fàn)顟B(tài)下解決手爪力F與騎動(dòng)力r的關(guān)系，動(dòng)力學(xué)研究機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量時(shí)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)與各執(zhí)行器驕動(dòng)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(dòng)方程。而運(yùn)動(dòng)學(xué)研究從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來解決手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系.?--------------------------------------

在號(hào)感汽制時(shí)、就/等位在機(jī)器人的動(dòng)作中，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力r會(huì)產(chǎn)生如何的關(guān)節(jié)位置以關(guān)節(jié)速度0、關(guān)節(jié)加速度6.解決這曲?,主政一項(xiàng)

7”⑶uic、）對(duì)于動(dòng)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)|'、、//動(dòng)樨

量中心與關(guān)節(jié)軸的距離有關(guān)。I/、、、

運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)中各變量的關(guān)系如下圖所示。圖中用虛線表達(dá)的關(guān)系可通過實(shí)線關(guān)系的組合表達(dá)，這些也可作為動(dòng)*同學(xué)一

力學(xué)的問題來解決。

6、試論述輪式行走機(jī)構(gòu)和足式行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和各自合用的場(chǎng)合。

［答輪式行走機(jī)器人是機(jī)器人中應(yīng)用最多的?種機(jī)器人,在相對(duì)平坦的地面上.用車輪移動(dòng)方式行走是相稱優(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(yùn)營的多采用實(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(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力.足式運(yùn)動(dòng)

方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn),可以在也許到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式行走工具必須面臨最壞的地形上的兒乎所有點(diǎn);足式運(yùn)動(dòng)方式還具有積極隔震能力，盡管地面

高低不平.機(jī)身的運(yùn)動(dòng)仍然可以相稱平穩(wěn);足式行走在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高,能耗較少。

7、機(jī)器人軌跡控制過程如圖所示。試列出各步的重要內(nèi)容。

軌跡上示教點(diǎn)要求的位

的位置及姿態(tài)_插補(bǔ)機(jī)器人"個(gè)角度位置置、姿態(tài).

算法逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制系統(tǒng)

—

習(xí)版4.17圖

I解］：（1）通過示教過程得到機(jī)器人軌跡上特性點(diǎn)的位姿。對(duì)于直線需要得到起始點(diǎn)和終點(diǎn)，對(duì)于圓弧需要得到瓠上三點(diǎn);

（2）根據(jù)軌跡特性（直線/園弧/其它）和插補(bǔ)策略（定期/定距/其它）進(jìn)行相應(yīng)的插補(bǔ)運(yùn)算,求出該插補(bǔ)點(diǎn)的位姿值；

<3）根據(jù)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，求出手曾解，即相應(yīng)于插補(bǔ)點(diǎn)位姿的所有關(guān)節(jié)角（61.….優(yōu)）；

（4）以求出的關(guān)節(jié)角為相應(yīng)關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)的設(shè)定值，分別控制〃個(gè)關(guān)節(jié)卵動(dòng)電機(jī)：

（5）機(jī)關(guān),驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸連接的光軸編碼器給出該關(guān)節(jié)當(dāng)前實(shí)際位置值.進(jìn)行反饋，位置控制系統(tǒng)根據(jù)此位用諛*（設(shè)定值一反饋值，實(shí)行控制以消除諛承，使機(jī)器

人達(dá)成所規(guī)定的位姿.

8、機(jī)器人學(xué)是一門綜合性的學(xué)科,（1）試論述機(jī)器人學(xué)重要的研究?jī)?nèi)容及其所需要解決的問題（至少3

個(gè)方面）。

答：機(jī)器人學(xué)［robotics）與機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用相關(guān)的科學(xué)。機(jī)器人學(xué)又稱為機(jī)器人技術(shù)或機(jī)器

人工程學(xué),重要研究機(jī)器人的控制與被解決物體之間的互相關(guān)系。機(jī)器人學(xué)涉及的科目很多,重要內(nèi)容有運(yùn)

動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、行動(dòng)規(guī)劃和應(yīng)用工程等。

隨著工業(yè)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，到六十年代機(jī)器人開始進(jìn)入大量生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用階段。爾后由于

自動(dòng)裝備海洋開發(fā)空間探索等實(shí)際問題的需要，對(duì)機(jī)器人的智能水平提出了更高的規(guī)定。特別是危險(xiǎn)環(huán)境,

人們難以勝任的場(chǎng)合更迫切需要機(jī)器人，從而推動(dòng)了智能機(jī)器人的研究。

機(jī)器人學(xué)的研究推動(dòng)了許多人工智能思想的發(fā)展，有一些技術(shù)可在人工智能研究中用來建立世界狀態(tài)的

模型和描述世界狀態(tài)變化的過程。關(guān)于機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃生成和規(guī)劃監(jiān)督執(zhí)行等問題的研究，推動(dòng)了規(guī)劃方

法的發(fā)展。此外由于機(jī)器人是一個(gè)綜合性的課題，除機(jī)械手和步行機(jī)構(gòu)外，還要研究機(jī)器視覺觸覺聽覺等信

感技術(shù)，以及機(jī)器人語言和智能控制軟件等?？梢钥闯鲞@是一個(gè)設(shè)計(jì)精密機(jī)械信息傳感技術(shù)人工智能方法智

能控制以及生物工程等學(xué)科的綜合技術(shù)。這一課題研究有助于促進(jìn)各學(xué)科的互相結(jié)合,并大大推動(dòng)人工智能

技術(shù)的發(fā)展。

1、傳感器與感知系統(tǒng)2、驅(qū)動(dòng)、建模與控制3、自動(dòng)規(guī)劃與調(diào)度4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5、應(yīng)

用研究

9、方向余弦矩陣是進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，試論述方向余弦矩陣的性質(zhì)和特點(diǎn),

并通過具體的實(shí)例分析給予驗(yàn)證。

答：“方向余弦矩陣”是由兩組不同的標(biāo)準(zhǔn)正交基的基底向量之間的方向余弦所形成的矩陣。方向余弦

矩陣可以用來表達(dá)一組標(biāo)準(zhǔn)正交基與另一組標(biāo)準(zhǔn)正交基之間的關(guān)系，也可以用來表達(dá)一個(gè)向量對(duì)于另一組

標(biāo)準(zhǔn)正交基的方向余弦。

方向余弦矩陣為正交矩陣，其中每列或每行中各元素平方之和為一,而兩個(gè)不同列或不同行中相應(yīng)元素

的乘積之和則為零。

“方向余弦矩陣”是由兩組不同的標(biāo)準(zhǔn)正交基的基底向量之間的方向余弦所形成的矩陣。方向余弦矩

陣可以用來表達(dá)一組標(biāo)準(zhǔn)正交基與另一組標(biāo)準(zhǔn)正交基之間的關(guān)系，也可以用來表達(dá)一個(gè)向量對(duì)于另一組標(biāo)

準(zhǔn)正交基的方向余弦。

方向余弦陣的一些性質(zhì)

方向余弦陣有如F—線性質(zhì):

(D基.'相對(duì)于基于的方向余咬陣,和基亍相對(duì)于基’’的川句余花苒4F為北置.

(jr)'=rk=ir(1.3-9)

(2)當(dāng)網(wǎng)個(gè)基的基矢量的網(wǎng)西方向一致,則它們的方向余弦陣為二階單位陣.

4”.(1.3-10)

(3)若有三個(gè)基)’、就與5,其中'相對(duì)于和產(chǎn)相對(duì)于守的方向余弦陣分別為『與

A.有

J^^ATJT(1.3-U)

事實(shí)」:.由矢里基的變換公式.rj

F=/TF=/T4T

讀不可根據(jù)卜標(biāo)的捕列記住上述關(guān)系.此美系可推廣到仃限個(gè)基的方向余弦陣轉(zhuǎn)換.

(4)方向余弦陣是?正交陣。

事實(shí)上，作為式(1.3-11)特殊情況,考慮到式(1.3-9)與(1.3T0),有

故有本性質(zhì),即

(勺:什八上(1.3-12)

(5)不同里卜矢量坐標(biāo)陣間的關(guān)系式為

10、對(duì)(工業(yè))機(jī)器人進(jìn)行位置和力的控制時(shí),試比較關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計(jì)和操作空間控制器設(shè)計(jì)的不

同點(diǎn)，并畫出一個(gè)機(jī)器人單關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間控制器和操作空間控制器的控制系統(tǒng)框圖。

解:答:關(guān)節(jié)空間控制器再輸入與反饋的時(shí)候無正解與反解，而操作空間控制器輸入與反饋時(shí)要有正解與

反解,如下圖所示。

l=>(g)<=>[**]t=>|-<=>01=>pr~]^>r77T]

1"IGXiFMoI

1----(g----1

關(guān)節(jié)空間控制器操作空間控制器

畫出一個(gè)機(jī)器人單關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間控制器和操作空間控制器的控制系統(tǒng)框圖如下

q

11、以多自由度工業(yè)機(jī)器人為例，分析討論機(jī)器人的控制：

(1)分析討論工業(yè)機(jī)器人的位置控制、速度控制、加速度控制和力控制的特點(diǎn)及其區(qū)別；

答：位置控制：工業(yè)機(jī)器人位置控制的目的，就是要使機(jī)器人各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)先所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)，最終保證

工業(yè)機(jī)器人終端(手爪)沿預(yù)定的軌跡運(yùn)營。這類運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是連續(xù)控制工業(yè)機(jī)器人手爪(或工具)的位

姿軌跡。一般規(guī)定速度可控、軌跡光滑且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。軌跡控制的技術(shù)指標(biāo)是軌跡精度和平穩(wěn)性。速度控制

意味著各個(gè)關(guān)節(jié)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)聯(lián)合進(jìn)行，并以不同的速度同時(shí)運(yùn)營以保證夾手沿著笛卡爾坐標(biāo)軸穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

分解運(yùn)動(dòng)速度控制先把盼望的夾手運(yùn)動(dòng)分解為各個(gè)關(guān)節(jié)的盼望速度,然后對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)行速度伺服控制。加

速度控制分解運(yùn)動(dòng)加速度控制一方面計(jì)算出工具的控制加速度，然后把它分解為相應(yīng)的各個(gè)關(guān)節(jié)加速度，再

按照動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出控制力矩。力控制除了在一些自由度方向進(jìn)行位置控制外，還需要在另一些自由度

方向進(jìn)行力控制。

(2)給出操作空間及驅(qū)動(dòng)空間的單個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人控制框圖，并說明其控制過程o

機(jī)器人控制器的控制結(jié)構(gòu)形式，常見的有：集中控制、分散控制和遞階控制等。

如圖表達(dá)PUMA機(jī)器人兩級(jí)遞階控制的結(jié)構(gòu)圖。

'——[絢6-J—

O.375ms

I-------------------LSI-11/12-------------4-----------------------PUMA機(jī)帔手-------------

機(jī)器人控制系統(tǒng)以機(jī)器人作為控制對(duì)象，它的設(shè)計(jì)方法及參數(shù)選擇,仍可參照一般計(jì)算機(jī)/嵌入式控制

系統(tǒng)。現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人大多采用獨(dú)立關(guān)節(jié)的PID控制。如圖所示PUMA機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)即為一典型。

由于獨(dú)立關(guān)節(jié)PID控制未考慮被控對(duì)象(機(jī)器人)的非線性及關(guān)節(jié)間的耦合作用，因而控制精度和速度的提

高受到限制。

斯坦福機(jī)械手具有反饋控制，其一個(gè)關(guān)節(jié)控制方框圖如圖所示。從圖可見,它有個(gè)光學(xué)編碼器，與測(cè)速發(fā)電

機(jī)一起組成位置和速度反饋。這種工業(yè)機(jī)器人是一種定位裝置，它的每個(gè)關(guān)節(jié)都有一個(gè)位置控制系統(tǒng)。

要提高響應(yīng)速度，通常是要提高系統(tǒng)的增益以及由電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸速度負(fù)反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強(qiáng)反

電勢(shì)的作用。

要做到這一點(diǎn)，可以采用測(cè)速發(fā)電機(jī),或者計(jì)算一定期間間隔內(nèi)傳動(dòng)軸角位移的差值。

傳遞函數(shù)：

九⑸=___________________K,_________________

2

—S[L.JS+(RJ+LmB)S+(R?B+

要提高響應(yīng)速度，通常是要提高系統(tǒng)的增益以及由電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸速度負(fù)反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強(qiáng)反

電勢(shì)的作用。要做到這一點(diǎn)，可以采用測(cè)速發(fā)電機(jī),或者計(jì)算一定期間間隔內(nèi)傳動(dòng)軸角位移的差值。由于機(jī)

器人機(jī)械手是通過工具進(jìn)行操作作業(yè)的，所以其末端工具的動(dòng)態(tài)性能將直接影響操作質(zhì)量。又因末端的運(yùn)

動(dòng)是所有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜函數(shù)，因此，即使每個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能可行，而末端的動(dòng)態(tài)性能則未必能滿足規(guī)定。

（3）比較關(guān)節(jié)空間控制器設(shè)計(jì)和操作空間控制器設(shè)計(jì)的不同點(diǎn)。

答:操作空間控制器設(shè)計(jì)涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)的正、反解。

七、計(jì)算題（需寫出計(jì)算環(huán)節(jié)）

1、已知R為旋轉(zhuǎn)矩陣，6為平移向量，試寫出相應(yīng)的齊次矩陣。

-10o--3

R=001b二-2

0-10-5

〔解卜齊次矩陣為

-1003-

001-2

A=

0-10-5

0001

2、矩陣

X0-1o-

y001

z-102

_w001

代表齊次坐標(biāo)變換，求其中的未知元素值x、y、z、卬（第一列元素）。

解:

w=0

x?O+y?O-z=Onz=O

x-(-l)+y-O+z-O=O^x=O

x2+y2+z2-\=>y-±\

x0-1

y00=l=y=l

z-10

3、寫出齊次變換矩陣，T,它表達(dá)相對(duì)固定坐標(biāo)系｛A｝作以下變換:

（a）繞ZA軸轉(zhuǎn)90。；（b）再繞弘軸轉(zhuǎn)-90°;（c）最后作移動(dòng)（3,7,9）兀

1000-?c80sGO'cO—sO00

0cd—sG00100sGc600

Rot(z,8)—Rot(y,6)=⑼=

0s8c。0—s80c800010

.0001.,0001-0001

解:2"=Trans(3,7,9)Rot(X,-90口)Rot(Z,9

-1003'-100O--0-100~1003一-0-10o-

01070010100000171000

OD)=

00190-10000100-1090010

00010001000100010001

0-103

0017

-1009

0001

4、寫出齊次變換矩陣它表達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系｛B｝作以下變換:

(a)移動(dòng)(3,7,9)??；小)再繞"軸轉(zhuǎn)-90°；(c)繞z“軸轉(zhuǎn)90°。

5、求下面齊次變換

-010-f

00-12

-1000

0001

的逆變換T-'a

nxnynz00-1o-

x0yVaz_pr?o1001

解：T'=—

axayaz0-102

00010001

6、矢量八p軸繞ZA軸旋轉(zhuǎn)30。角,然后繞XA軸旋轉(zhuǎn)45°角。試給出依次按上述順序完畢旋轉(zhuǎn)的旋

轉(zhuǎn)矩陣。

Rot(Z,30°)Rot(X,45°)

-1000'芭也也0

正」00244

22

0也一也0J_嶼在

100220

244

22也

0也0也也

00102200

22

000100八V1

0001

7、坐標(biāo)系｛B｝的位置變化如下:初始時(shí)，坐標(biāo)系｛4｝與｛B｝重合，讓坐標(biāo)系｛B｝繞Zs軸旋轉(zhuǎn)

30°角;然后再繞Xs軸旋轉(zhuǎn)45。角。給出把對(duì)矢量8P的描述變?yōu)閷?duì)"p描述的旋轉(zhuǎn)矩陣。

8、下面的坐標(biāo)系矩陣B移動(dòng)距離d=(5,2,6)T：

0102

1004

B=

00-16

0001

求該坐標(biāo)系相對(duì)于參考坐標(biāo)系的新位置。

10050102

01021004

D

^new

001600-16

00010001

0107

1006

00-112

0001

9、求點(diǎn)P=(2,3,4)T繞x軸旋轉(zhuǎn)45度后相對(duì)于參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

2100

［解］:Hp=R6(x,45)300.707-0.707