2024年機器人課程考試復習題庫

機器人課程復習一、名詞解釋工作空間：工業(yè)機器人執(zhí)行任務時，其腕軸交點能在空間活動的范圍剛體自由度：物體可以對坐標系進行獨立運動的數(shù)目機器人的自由度：機器人末端構(gòu)件所具有的獨立運動的數(shù)目。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）。機器人運動學正、逆問題：機器人正動力學問題已知機器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩，求機器人各關(guān)節(jié)軌跡或末端執(zhí)行器（位姿）軌跡。機器人逆動力學問題已知機器人各關(guān)節(jié)軌跡或末端執(zhí)行器（位姿）軌跡，求機器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩。雅可比矩陣：研究機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)系即雅克比矩陣機器人運動學：從幾何學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。機器人動力學：機器人各關(guān)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(guān)系，即機器人機械系統(tǒng)的運動方程。PWM驅(qū)動：脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）驅(qū)動直流伺服電機的調(diào)整特性：是指轉(zhuǎn)矩恒定期，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。示教再現(xiàn)：一種可反復再現(xiàn)通過示教編程存儲起來的作業(yè)程序的機器人。示教有直接示教和間接示教兩種措施。直接示教是操作人員使用插入機器人手臂內(nèi)的操作桿，按給定運動次序示教動作內(nèi)容，機器人自動把次序、位置和時間等詳細數(shù)值記錄在存儲器中。再現(xiàn)時，依次讀出存儲的信息，反復示教的動作過程。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)軌跡點及其有關(guān)速度等信息的示教，然後用操作盤對機器人語言命令進行顧客工作程序的編輯，并存儲在示教數(shù)據(jù)區(qū)。再現(xiàn)時，機器人的計算機控制系統(tǒng)自動逐條取出示教命令與位置數(shù)據(jù)，進行解讀、運算并作出判斷，將多種控制信號送到對應的驅(qū)動系統(tǒng)或端口,使機器人忠實地再現(xiàn)示教動作。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。脫機編程：指用機器人程序語言預先進行程序設計，而不是用示教的措施編程。二、填空題1、機器人按機構(gòu)特性可以劃分為（關(guān)節(jié)機器人）和（非關(guān)節(jié)機器人）兩大類。2、機器人系統(tǒng)大體由（驅(qū)動系統(tǒng)）、（機械系統(tǒng)）、（感知系統(tǒng)）和（人機交互系統(tǒng)、機器-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。3、機器人的反復定位精度是指（機器人末端執(zhí)行器為反復抵達同一目的位置（理想位置）而實際抵達位置之間的靠近程度）。4、齊次坐標[0010]T表達的內(nèi)容是z方向。5、機器人的運動學是研究機器人末端執(zhí)行器位姿和運動與關(guān)節(jié)空間之間的關(guān)系。6、假如機器人相鄰兩關(guān)節(jié)軸線相交，則聯(lián)接這兩個關(guān)節(jié)的連桿長度為零。7、常用的建立機器人動力學方程的措施有牛頓和拉格朗曰。8、6自由度機器人有解析逆解的條件是機器人操作手的獨立關(guān)節(jié)變量多于末端執(zhí)行器的運動自由度數(shù)。9、機器人的驅(qū)動方式重要有（液壓）、（氣動）和（電動）三種。10、機器人上常用的可以測量轉(zhuǎn)速的傳感器有測速發(fā)電機和增量式碼盤。11、機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可以分為程序控制方式、適應性控制方式和人工智能控制方式。三、選擇題（4選1）1、機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、現(xiàn)代機器人大軍中最重要的機器人為：（A）（A）工業(yè)機器人（B）軍用機器人（C）服務機器人（D）特種機器人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）位置與運行狀態(tài)（D）姿態(tài)與速度4、運動學重要是研究機器人的：（B）（A）動力源是什么（B）運動和時間的關(guān)系（C）動力的傳遞與轉(zhuǎn)換（D）運動的應用5、動力學重要是研究機器人的：（C）（A）動力源是什么（B）運動和時間的關(guān)系（C）動力的傳遞與轉(zhuǎn)換（D）動力的應用6、傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路是將敏感元件產(chǎn)生的易測量小信號進行變換，使傳感器的信號輸出符合詳細工業(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～20mA、0～5V7、傳感器的輸出信號到達穩(wěn)定期，輸出信號變化與輸入信號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）敏捷度8．6維力與力矩傳感器重要用于（D）（A）精密加工（B）精密測量（C）精密計算（D）精密裝配9、機器人軌跡控制過程需要通過求解__________獲得各個關(guān)節(jié)角的位置控制系統(tǒng)的設定值。（B）（A）運動學正問題（B）運動學逆問題（C）動力學正問題（D）動力學逆問題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）載波頻率不一樣樣（B）信道傳送的信號不一樣樣（C）調(diào)制方式不一樣樣（D）編碼方式不一樣樣四、判斷題（回答Y/N）1．機械手亦可稱之為機器人。Y2．完畢某一特定作業(yè)時具有多出自由度的機器人稱為冗余自由度機器人。Y3、關(guān)節(jié)空間是由所有關(guān)節(jié)參數(shù)構(gòu)成的。Y4、任何復雜的運動都可以分解為由多種平移和繞軸轉(zhuǎn)動的簡樸運動的合成。Y5、關(guān)節(jié)i的坐標系放在i-1關(guān)節(jié)的末端。N6．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)等于或不不小于6。N7．對于具有外力作用的非保守機械系統(tǒng)，其拉格朗曰動力函數(shù)L可定義為系統(tǒng)總動能與系統(tǒng)總勢能之和。N8．由電阻應變片構(gòu)成電橋可以構(gòu)成測量重量的傳感器。Y9．激光測距儀可以進行散裝物料重量的檢測。Y10．運動控制的電子齒輪模式是一種積極軸與從動軸保持一種靈活傳動比的隨動系統(tǒng)。Y11．諧波減速機的名稱來源是由于剛輪齒圈上任一點的徑向位移呈近似于余弦波形的變化。N五、簡答題/問答題1、國內(nèi)外機器人技術(shù)的發(fā)展有何特點？答：1、傳感器智能機器人發(fā)展較快2、新型智能技術(shù)的概念和應用研究正醞釀著新的突破3、采用模塊化設計技術(shù)4、機器人工程系統(tǒng)呈上升趨勢5、微型機器人的研究有所突破6、應用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務業(yè)擴展7、行走機器人研究引起重視8、開發(fā)敏捷制造生產(chǎn)系統(tǒng)9、軍事機器人將裝備部隊2、有哪幾種機器人分類措施？與否尚有其他的分類措施？答：1、按機械手的幾何構(gòu)造來分2、按機器人的控制方式分3、按機器人控制器的信息輸入方式分4、按機器人的智能程度分5、按機器人的移動性分6、按機器人的用途分3、什么叫做“機器人三守則”？它的重要意義是什么？4、工業(yè)機器人和智能機器人的定義分別是什么？工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)多種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則大綱行動。

到目前為止，在世界范圍內(nèi)還沒有一種統(tǒng)一的智能機器人定義。大多數(shù)專家認為智能機器人至少要具有如下三個要素：一是感覺要素，用來認識周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運動要素，對外界做出反應性動作；三是思索要素，根據(jù)感覺要素所得到的信息，思索出采用什么樣的動作。5、智能機器人的含義是什么？智能機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，它尚有效應器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動機，它們使手、腳、長鼻子、觸角等動起來。由此也可知，智能機器人至少要具有三個要素：感覺要素，運動要素和思索要素。6、分析一種空間激光切割機械手至少需要多少自由度？規(guī)定能使激光束的焦點定位，并可切割任意曲面。定位需要三個自由度，切割曲面需要三個自由度，合計六個7、機器人的靈活度、自由度和冗余度的概念及其互相關(guān)系是什么？靈活度=自由度+冗余度8、為了將圓柱形的零件放在平板上，機器人至少應具有幾種自由度？53個，放平穩(wěn)2個機器人的精度、反復精度及空間辨別度的含義及其區(qū)別？答：精度、反復精度和辨別率用來定義機器人手部的定位能力。精度是一種位置量相對于其參照系的絕對度量，指機器人手部實際抵達位置與所需要抵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。反復精度指在相似的運動位置命令下，機器人持續(xù)若干次運動軌跡之間的誤差度量。假如機器人反復執(zhí)行某位置給定指令，它每次走過的距離并不相似，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精度。辨別率是指機器人每根軸可以實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。精度和辨別率不一定有關(guān)。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)行此命令後可以到達的運動位置之間的差距，辨別率則反應了實際需要的運動位置和命令所可以設定的位置之間的差距。工業(yè)機器人的精度、反復精度和辨別率規(guī)定是根據(jù)其使用規(guī)定確定的。機器人自身所能到達的精度取決于機器人構(gòu)造的剛度、運動速度控制和驅(qū)動方式、定位和緩沖等原因。由于機器人有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，不一樣回轉(zhuǎn)半徑時其直線辨別率是變化的，因此導致了機器人的精度難以確定。由于精度一般較難測定，一般工業(yè)機器人只給出反復精度。10、機器人學重要包括哪些研究內(nèi)容？[答]：機器人研究的基礎(chǔ)內(nèi)容有如下幾方面：(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。11、機器人運動分析的一般過程是什么？為何要進行機器人的動力學分析？答：1、建立坐標系2、確定連桿參數(shù)3、寫出各個齊次矩陣4、寫方程機器人動力學研究目的，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。確定力和力矩，計算每個驅(qū)動器所需的驅(qū)動力，以便在機器人連桿和關(guān)節(jié)上產(chǎn)生期望的加速度。根據(jù)有關(guān)方程并考慮機器人的外部載荷計算出驅(qū)動器也許承受的最大載荷，設計出能提供足夠力及力矩的驅(qū)動器。研究機器人不一樣部件之間的關(guān)系，合理地設計出機器人的部件。簡述建立工業(yè)機器人運動學方程的措施、環(huán)節(jié)。建立各連桿坐標系，確定各連桿D-H參數(shù)，寫出各齊次矩陣（運用式和D-H參數(shù)計算各連桿之間的D-H矩陣），寫運動學方程（根據(jù)建立機器人機構(gòu)的運動學方程）13、方向余弦矩陣的特點均有那些“方向余弦矩陣”是由兩組不一樣的原則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體現(xiàn)一組原則正交基與另一組原則正交基之間的關(guān)系，也可以用來體現(xiàn)一種向量對于另一組原則正交基的方向余弦。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，而兩個不一樣列或不一樣行中對應元素的乘積之和則為零。14、機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（）15、什么是機器人的奇異狀態(tài)？機器人的雅克比矩陣的行列式等于零時的狀態(tài)，自由度會減少，母線運動受限制16、簡述齊次變換矩陣的物理含義。答：1、起到坐標變換的作用。2、代表物體的位置姿態(tài)17、工業(yè)機器人常用的驅(qū)動器有那些類型，并簡要闡明其特點。（1）電動驅(qū)動器的能源簡樸，速度變化范圍大，效率高，轉(zhuǎn)動慣性小，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)動比較困難。（2）液壓驅(qū)動器的長處是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動的桿件相連，構(gòu)造緊湊，剛度好，響應快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。但需要增設液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫及有潔凈規(guī)定的場所。故液壓驅(qū)動器目前多用于特大功率的操作機器人系統(tǒng)或機器人化工程機械。（3）氣動驅(qū)動器的構(gòu)造簡樸，清潔，動作敏捷，具有緩沖作用。但也需要增設氣壓源，且與液壓驅(qū)動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，因此多用于精度不高、但有潔凈、防爆等規(guī)定的點位控制機器人。常用的工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)有那些？齒輪傳動，蝸桿傳動，滾珠絲桿出傳動，同步齒形帶傳動，鏈傳動和行星齒輪傳動19、在機器人系統(tǒng)中為何往往需要一種傳動（減速）系統(tǒng)？由于目前的電機一般速度較高，力矩較小，需要通過傳動系統(tǒng)減少轉(zhuǎn)速、提高力矩。20、機器人常用的機身和臂部的配置型式有哪些？[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，能有效地運用空間，直觀等長處。（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。臂部由大小臂構(gòu)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。21、直流電機的額定值有哪些？[答]：直流電動機的額定值有如下幾項：(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，是電動機電樞繞組可以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，是指電動機按照規(guī)定的工作方式運行時，電樞繞組容許流過的最大電流，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狀況下運行時，電動機的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。22、機器人上常用的距離與靠近覺傳感器有哪些？。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，靠近覺傳感器，以及視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器等。24、機器人視覺的硬件系統(tǒng)由哪些部分構(gòu)成？[答]：(1)景物和距離傳感器，常用的有攝像機、CCD圖像傳感器、超聲波傳感器和構(gòu)造光設備等；(2)視頻信號數(shù)字化設備，其任務是把攝像機或者CCD輸出的信號轉(zhuǎn)換成以便計算和分析的數(shù)字信號；(3)視頻信號處理器，視頻信號實時、迅速、并行算法的硬件實現(xiàn)設備：如DSP系統(tǒng)；(4)計算機及其設備，根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不一樣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。25、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)動力。(2)減速器，為了增長驅(qū)動力矩、減少運動速度。(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，以計算機為基礎(chǔ)，采用協(xié)調(diào)級與執(zhí)行級的二級構(gòu)造。(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互換等功能。26、請簡述模糊控制器的構(gòu)成及各構(gòu)成部分的用途。[答]：模糊邏輯控制器由4個基本部分構(gòu)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對應的論域，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的語言值。(2)知識庫：包括應用領(lǐng)域的知識和控制目的，它由數(shù)據(jù)和模糊語言控制規(guī)則構(gòu)成。(3)推理算法：從某些模糊前提條件推導出某一結(jié)論，這種結(jié)論也許存在模糊和確定兩種狀況。(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。27、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)行器的動作為中心來描述多種操作，要在程序中闡明每個動作。(2)對象級：容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，尤其合用于組裝作業(yè)。(3)任務級：只要直接指定操作內(nèi)容就可以了，為此，機器人必須一邊思索一邊工作。28、什么是變構(gòu)造系統(tǒng)？為何要采用變構(gòu)造控制？一種系統(tǒng)的數(shù)學模型的構(gòu)造參數(shù)是隨位置、時間變化而變化的；由于機器人是經(jīng)典的非線性變參數(shù)系統(tǒng)模型。29、試述機器人滑模變構(gòu)造控制的基本原理?；Ｗ儤?gòu)造控制的原理，是根據(jù)系統(tǒng)所期望的動態(tài)特性來設計系統(tǒng)的切換超平面，通過滑動模態(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)一旦抵達切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超平面抵達系統(tǒng)原點，這一沿切換超平面向原點滑動的過程稱為滑?？刂?。30、自適應控制器有哪幾種構(gòu)造形式？試簡介其工作原理。機器人自適應控制分為三類：模型參照自適應控制、自校正自適應控制和線性攝動自適應控制等。(a)模型參照自適應控制器；它的基本設計思想是：為機器人機械手的狀態(tài)方程（傳動）綜合一種控制信號u，或為狀態(tài)方程（動力學）綜合一種輸入F。這種控制信號將以一定的由參照模型所規(guī)定的期望方式，迫使系統(tǒng)具有需要特性。(b)自校正自適應控制器；它與MRAC措施的重要區(qū)別在于：STAC用線性離散模型來表達操作機器人系統(tǒng)的動力學特性，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)辨識技術(shù)，應用采樣輸入-輸出數(shù)據(jù)來建立。線性攝動自適應控制器六、論述題/綜合題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(chǔ)，科學與技術(shù)的發(fā)展將會使機器人技術(shù)提高到一種更高的水平。未來機器人技術(shù)的重要研究內(nèi)容集中在如下幾種方面：(1)工業(yè)機器人操作機構(gòu)造的優(yōu)化設計技術(shù)。探索新的高強度輕質(zhì)材料，深入提高負載-自重比，同步機構(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)，人機界面愈加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的原則化和網(wǎng)絡化以及基于PC機網(wǎng)絡式控制器已成為研究熱點。(3)多傳感系統(tǒng)。為深入提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題處理的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，尤其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)，在有時延的狀況下，建立預先顯示進行遙控等。(5)虛擬機器人技術(shù)。基于多傳感器、多媒體和虛擬現(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)多智能體控制技術(shù)。這是目前機器人研究的一種嶄新領(lǐng)域。重要對多智能體的群體體系構(gòu)造、互相間的通信與磋商機理，感知與學習措施，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種新的領(lǐng)域和重點發(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)生不可估計的影響，微型機器人技術(shù)的研究重要集中在系統(tǒng)構(gòu)造、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)。重要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場所。老式機器人設計未考慮與人緊密共處，因此其構(gòu)造材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術(shù)規(guī)定其構(gòu)造、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某些基礎(chǔ)研究。2、試論述精度、反復精度與辨別率之間的關(guān)系。答：精度、反復精度和辨別率用來定義機器人手部的定位能力。精度是一種位置量相對于其參照系的絕對度量，指機器人手部實際抵達位置與所需要抵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。反復精度指在相似的運動位置命令下，機器人持續(xù)若干次運動軌跡之間的誤差度量。假如機器人反復執(zhí)行某位置給定指令，它每次走過的距離并不相似，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精度。辨別率是指機器人每根軸可以實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。精度和辨別率不一定有關(guān)。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)行此命令後可以到達的運動位置之間的差距，辨別率則反應了實際需要的運動位置和命令所可以設定的位置之間的差距。工業(yè)機器人的精度、反復精度和辨別率規(guī)定是根據(jù)其使用規(guī)定確定的。機器人自身所能到達的精度取決于機器人構(gòu)造的剛度、運動速度控制和驅(qū)動方式、定位和緩沖等原因。由于機器人有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，不一樣回轉(zhuǎn)半徑時其直線辨別率是變化的，因此導致了機器人的精度難以確定。由于精度一般較難測定，一般工業(yè)機器人只給出反復精度。3、試論述工業(yè)機器人的應用準則。[答]：設計和應用工業(yè)機器人時，應全面考慮和均衡機器人的通用性、環(huán)境的適應性、耐久性、可靠性和經(jīng)濟性等原因，詳細遵照的準則如下。(1)從惡劣工種開始采用機器人機器人可以在有毒、風塵、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)濟合理的狀況下，采用機器人逐漸把人從這些工作崗位上替代下來，將從主線上改善勞動條件。(2)在生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量落後的部門應用機器人現(xiàn)代化的大生產(chǎn)分工越來越細，操作越來越簡樸，勞動強度越來越大。機器人可以高效地完畢某些簡樸、反復性的工作，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，假如常常對機械進行保養(yǎng)和維修，對易換件進行補充和更換，有也許使機械壽命超過人。此外；工人會由于其自身的意志而放棄某些工作，導致辭職或停工，而工業(yè)機器人沒有自已的意愿，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，可以持續(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成本雖說機器人可以使人類掙脫很臟、很危險或很繁重的勞動，不過工廠經(jīng)理們極關(guān)懷的是機器人的經(jīng)濟性。在經(jīng)濟方面所考慮的原因包括勞力、材料、生產(chǎn)率、能源、設備和成本等?？梢杂脙斶€期Y定量地衡量機器人使用的合理性。假如機器人的使用壽命不小于其償還期，使用機器人是有效益的。(5)應用機器人時需要人在應用工業(yè)機器人替代工人操作時，要考慮工業(yè)機器人的現(xiàn)實能力以及工業(yè)機器人技術(shù)知識的現(xiàn)實狀況和未來予以預測。用既有的機器人原封不動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，與工人相比，工業(yè)機器人顯得過于遜色；但在承受環(huán)境條件的能力和可靠性方面，工業(yè)機器人比人優(yōu)越。因此要把工業(yè)機器人安排在生產(chǎn)線中的恰當位置上，使它成為工人的好助手。假如讓你設計一種機器人，你最但愿制作一種什么樣的機器人？它由哪幾部分構(gòu)成？制作它重要需要完畢些什么工作？答：機器人系統(tǒng)的構(gòu)造由機器人的機構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機器人的外貌有的像人，有的卻并不具有人的模樣，但其構(gòu)成與人很相似。機構(gòu)部分包括機械手和移動機構(gòu)，機械手相稱于人手同樣，可完畢多種工作；移動機構(gòu)相稱于人的腳，機器人靠它來"走路"。感知機器人自身或外部環(huán)境變化信息的傳感器是它的感覺器官，相稱于人的眼、耳、皮膚等，它包括內(nèi)傳感器和外傳感器。電腦是機器人的指揮中心，相稱于人腦或中樞神經(jīng)，它能控制機器人各部位協(xié)調(diào)動作；信息處理裝置（電子計算機），是人與機器人溝通的工具，可根據(jù)外界的環(huán)境變化、靈活變更機器人的動作5、試論述機器人靜力學、動力學、運動學的關(guān)系。習題4-17圖答：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τ的關(guān)系。動力學研究機器人各關(guān)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(guān)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(guān)節(jié)變量的關(guān)系。習題4-17圖在考慮控制時，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（dynamics）。對于動力學來說，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、靜力學和動力學中各變量的關(guān)系如下圖所示。圖中用虛線表達的關(guān)系可通過實線關(guān)系的組合表達，這些也可作為動力學的問題來處理。6、試論述輪式行走機構(gòu)和足式行走機構(gòu)的特點和各自合用的場所。[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稱優(yōu)越的。車輪的形狀或構(gòu)造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，可以在也許抵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積極隔震能力，盡管地面高下不平，機身的運動仍然可以相稱平穩(wěn)；足式行走在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，能耗較少。7、機器人軌跡控制過程如圖所示。試列出各步的重要內(nèi)容。習題4-17圖習題4-17圖[解]：（1）通過示教過程得到機器人軌跡上特性點的位姿。對于直線需要得到起始點和終點，對于圓弧需要得到弧上三點；（2）根據(jù)軌跡特性（直線/園弧/其他）和插補方略（定期/定距/其他）進行對應的插補運算，求出該插補點的位姿值；（3）根據(jù)機器人逆運動學原理，求出手臂解，即對應于插補點位姿的所有關(guān)節(jié)角(?1,…,?n)；（4）以求出的關(guān)節(jié)角為對應關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)的設定值，分別控制n個關(guān)節(jié)驅(qū)動電機；（5）和關(guān)節(jié)驅(qū)動電機同軸連接的光軸編碼器給出該關(guān)節(jié)目前實際位置值，進行反饋，位置控制系統(tǒng)根據(jù)此位置誤差（設定值—反饋值）實行控制以消除誤差，使機器人到達所規(guī)定的位姿。8、機器人學是一門綜合性的學科，（1）試論述機器人學重要的研究內(nèi)容及其所需要處理的問題（至少3個方面）。答：機器人學【robotics】與機器人設計、制造和應用有關(guān)的科學。機器人學又稱為機器人技術(shù)或機器人工程學，重要研究機器人的控制與被處理物體之間的互相關(guān)系。機器人學波及的科目諸多，重要內(nèi)容有運動學和動力學、系統(tǒng)構(gòu)造、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、行動規(guī)劃和應用工程等。

伴隨工業(yè)自動化和計算機技術(shù)的發(fā)展，到六拾年代機器人開始進入大量生產(chǎn)和實際應用階段。爾後由于自動裝備海洋開發(fā)空間探索等實際問題的需要，對機器人的智能水平提出了更高的規(guī)定。尤其是危險環(huán)境，人們難以勝任的場所更迫切需要機器人，從而推進了智能機器人的研究。

機器人學的研究推進了許多人工智能思想的發(fā)展，有某些技術(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。有關(guān)機器人動作規(guī)劃生成和規(guī)劃監(jiān)督執(zhí)行等問題的研究，推進了規(guī)劃措施的發(fā)展。此外由于機器人是一種綜合性的課題，除機械手和步行機構(gòu)外，還要研究機器視覺觸覺聽覺等信感技術(shù)，以及機器人語言和智能控制軟件等?？梢钥闯鲞@是一種設計精密機械信息傳感技術(shù)人工智能措施智能控制以及生物工程等學科的綜合技術(shù)。這一課題研究有助于增進各學科的互相結(jié)合，并大大推感人工智能技術(shù)的發(fā)展。1、傳感器與感知系統(tǒng)??2、驅(qū)動、建模與控制??3、自動規(guī)劃與調(diào)度???4、計算機系統(tǒng)???5、應用研究9、方向余弦矩陣是進行機器人運動學分析和動力學分析的基礎(chǔ)，試論述方向余弦矩陣的性質(zhì)和特點，并通過詳細的實例分析予以驗證。答：“方向余弦矩陣”是由兩組不一樣的原則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體現(xiàn)一組原則正交基與另一組原則正交基之間的關(guān)系，也可以用來體現(xiàn)一種向量對于另一組原則正交基的方向余弦。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，而兩個不一樣列或不一樣行中對應元素的乘積之和則為零?！胺较蛴嘞揖仃嚒笔怯蓛山M不一樣的原則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體現(xiàn)一組原則正交基與另一組原則正交基之間的關(guān)系，也可以用來體現(xiàn)一種向量對于另一組原則正交基的方向余弦。10、對（工業(yè)）機器人進行位置和力的控制時，試比較關(guān)節(jié)空間控制器設計和操作空間控制器設計的不一樣點，并畫出一種機器人單關(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候無正解與反解，而操作空間控制器輸入與反饋時要有正解與反解，如下圖所示。畫出一種機器人單關(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11、以多自由度工業(yè)機器人為例，分析討論機器人的控制：（1）分析討論工業(yè)機器人的位置控制、速度控制、加速度控制和力控制的特點及其區(qū)別；答：位置控制：工業(yè)機器人位置控制的目的，就是要使機器人各關(guān)節(jié)實現(xiàn)預先所規(guī)劃的運動，最終保證工業(yè)機器人終端(手爪)沿預定的軌跡運行。此類運動控制的特點是持續(xù)控制工業(yè)機器人手爪(或工具)的位姿軌跡。一般規(guī)定速度可控、軌跡光滑且運動平穩(wěn)。軌跡控制的技術(shù)指標是軌跡精度和平穩(wěn)性。速度控制意味著各個關(guān)節(jié)馬達的運動聯(lián)合進行，并以不一樣的速度同步運行以保證夾手沿著笛卡爾坐標軸穩(wěn)定運動。分解運動速度控制先把期望的夾手運動分解為各個關(guān)節(jié)的期望速度，然後對各個關(guān)節(jié)實行速度伺服控制。加速度控制分解運動加速度控制首先計算出工具的控制加速度，然後把它分解為對應的各個關(guān)節(jié)加速度，再按照動力學方程計算出控制力矩。力控制除了在某些自由度方向進行位置控制外，還需要在另某些自由度方向進行力控制。（2）給出操作空間及驅(qū)動空間的單個關(guān)節(jié)的機器人控制框圖，并闡明其控制過程。機器人控制器的控制構(gòu)造形式，常見的有：集中控制、分散控制和遞階控制等。如圖表達PUMA機器人兩級遞階控制的構(gòu)造圖。機器人控制系統(tǒng)以機器人作為控制對象，它的設計措施及參數(shù)選擇，仍可參照一般計算機/嵌入式控制系統(tǒng)。既有的工業(yè)機器人大多采用獨立關(guān)節(jié)的PID控制。如圖所示PUMA機器人的控制構(gòu)造即為一經(jīng)典。由于獨立關(guān)節(jié)PID控制未考慮被控對象（機器人）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。斯坦福機械手具有反饋控制，其一種關(guān)節(jié)控制方框圖如圖所示。從圖可見，它有個光學編碼器，與測速發(fā)電機一起構(gòu)成位置和速度反饋。這種工業(yè)機器人是一種定位裝置，它的每個關(guān)節(jié)均有一種位置控制系統(tǒng)。要提高響應速度，一般是要提高系統(tǒng)的增益以及由電動機傳動軸速度負反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強反電勢的作用。要做到這一點，可以采用測速發(fā)電機，或者計算一定期間間隔內(nèi)傳動軸角位移的差值。傳遞函數(shù)：要提高響應速度，一般是要提高系統(tǒng)的增益以及由電動機傳動軸速度負反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強反電勢的作用。要做到這一點，可以采用測速發(fā)電機，或者計算一定期間間隔內(nèi)傳動軸角位移的差值。由于機器人機械手是通過工具進行操作作業(yè)的，因此其末端工具的動態(tài)性能將直接影響操作質(zhì)量。又因末端的運動是所有關(guān)節(jié)運動的復雜函數(shù)，因此，雖然每個關(guān)節(jié)的動態(tài)性能可行，而末端的動態(tài)性能則未必能滿足規(guī)定。（3）比較關(guān)節(jié)空間控制器設計和操作空間控制器設計的不一樣點。答：操作空間控制器設計波及運動學的正、反解。

七、計算題（需寫出計算環(huán)節(jié)）1、已知R為旋轉(zhuǎn)矩陣，b為平移向量，試寫出對應的齊次矩陣。[解]：齊次矩陣為2、矩陣代表齊次坐標變換，求其中的未知元素值x、y、z、w(第一列元素)。3、寫出齊次變換矩陣，它表達相對固定坐標系{A}作如下變換：（a）繞zA軸轉(zhuǎn)900；（b）再繞xA軸轉(zhuǎn)–900；（c）最終作移動(3,7,9)T。解：=Trans（3，7，9）Rot（X，-90?）Rot（Z，90?）===4、寫出齊次變換矩陣，它表達相對運動坐標系{B}作如下變換：（a）移動(3,7,9)T；（b）再繞xB軸轉(zhuǎn)–900；（c）繞zB軸轉(zhuǎn)900。答：=Rot（Z，90?）Rot（X，-90?）Trans（3，7，9）=5、求下面齊次變換的逆變換T-1。解：6、矢量Ap軸繞ZA軸旋轉(zhuǎn)300角，然後繞XA軸旋轉(zhuǎn)450角。試給出依次按上述次序完畢旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣。解：7、坐標系{B}的位置變化如下：初始時，坐標系{A}與{B}重疊，讓坐標系{B}繞ZB軸旋轉(zhuǎn)300角；然後再繞XB軸旋轉(zhuǎn)450角。給出把對矢量Bp的描述變?yōu)閷p描述的旋轉(zhuǎn)矩陣。解：8、下面的坐標系矩陣B移動距離d=(5，2，6)T：求該坐標系相對于參照坐標系的新位置。[解]：9、求點P=(2，3，4)T繞x軸旋轉(zhuǎn)45度後相對于參照坐標系的坐標。[解]：10、寫出齊次變換矩陣，它表達相對固定坐標系{A}作如下變換：繞Z軸轉(zhuǎn)90o；（b）再繞X軸轉(zhuǎn)-90o；（c）最終做移動（3，7，9）。解：依題意，解得11**、如圖所示為二自由度機械手，已知各桿長度分別為d1，d2。題21圖二連桿機械手（1）進行機器人運動學分析的環(huán)節(jié)有那些？結(jié)合如圖所示的二自由度機械手，通過建立坐標系及坐標變換矩陣0T1，1T2等，求出機械手末端O3點的位置和速度方程；題21圖二連桿機械手（2）對此類平面機器人，求機械手末端O3點的位置和速度方程尚有什么別的措施？（3）求解該機器人的運動學反解。（4）按集中質(zhì)量，建立其動力學方程式。（1）由題意已知，則：=,=,=圖1==其中（2）如圖1示逆運動學有兩組也許的解。第一組解：由幾何關(guān)系得（1）（2）式平方加（2）式平方得第二組解：由余弦定理，1．工業(yè)機器人定義？工業(yè)機器人的定義：一種用于移動多種材料、零件、工具或者專用裝置的，可通過可編程序動作來執(zhí)行多種任務的，并且具有多種編程能力的多功能的機械手。2.按機器人的用途分類，可以將機器人分為哪幾大類？試簡述之。工業(yè)機器人或產(chǎn)業(yè)機器人應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，重要用在制造業(yè)，進行焊接、噴漆、裝配、搬運、檢查、農(nóng)產(chǎn)品的加工等產(chǎn)業(yè)。探索機器人用于進行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探索。服務機器人一種半自主或全自主的機器人，其所從事的服務工作可使人類生存的更好，使制造業(yè)以外的設備工作的更好。軍用機器人用于軍事目的，或攻打性的，或防御性的。3.什么叫“機器人的三守則”？它的重要意義是什么？機器人必須不危害人類，也不容許它眼看人類將受傷害而袖手旁觀機器人必須絕對服從人類，除非這種服從有害于人類機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者人類命令它做出犧牲等意義：給機器人社會附以新的倫理性，并且機器人概念愈加通俗化，更易于為人類社會所接受，至今，它仍為機器人研究人員、設計制造廠家和顧客，提供了拾分故意義的指導方針。4.機器人系統(tǒng)一般有哪些程序功能？（1）運算：可以使機器人自已做出判斷，在下一步把機器手或工具置于何處。（2）決策：機器人系統(tǒng)會根據(jù)輸入信息做出決策，而不必執(zhí)行任何運算。（3）通信：機器人與操作人員之間的通信能力，容許機器人規(guī)定操作人員提供信息，告知操作者下一步該做什么，以及機器人打算下一步做什么。（4）機械手運動：使復雜的多的運動變?yōu)橐苍S；使運動傳感器控制機器手成為也許；能獨立存儲工具位置（5）工具指令：可以對機器人進行比較復雜的控制。（6）傳感器數(shù)據(jù)處理：機器人的通用計算機必須與傳感器連接起來，才能發(fā)揮所有作用。5.有哪幾種重要的機器人高層規(guī)劃系統(tǒng)？它們各有什么特點？積木世界的機器人規(guī)劃基于消解原理的機器人規(guī)劃基于專家系統(tǒng)的機器人規(guī)劃機器人途徑規(guī)劃6.機器人傳感器的作用和特點為何？（1）機器人傳感器的作用：機器人的通用計算機必須與傳感器連接起來，才能發(fā)揮所有作用。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，正由于有了傳感器，機器人才具有了類似人類的知覺功能和反應能力。（2）特點：機器人感覺是把有關(guān)的特性或有關(guān)的物體特性轉(zhuǎn)換為執(zhí)行某一種機器人功能所需的信息，這些物體特性包括幾何的、光學的、機械學的、聲音的、材料的、電氣的、磁性的、放射性的和化學的，這些特性形成符號以表達系統(tǒng)，進而構(gòu)成與給定工作任務有關(guān)的世界狀態(tài)知識。傳感器的分類內(nèi)部傳感器：檢測機器人自身狀態(tài)（手臂間角度等）的傳感器。外部傳感器：檢測機器人所處環(huán)境（是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（抓取的物體滑落等）的傳感器。外部傳感器分為末端執(zhí)行器傳感器和環(huán)境傳感器。末端執(zhí)行器傳感器：重要裝在作為末端執(zhí)行器的手上，檢測處理精致作業(yè)的感覺信息。相稱于觸覺。環(huán)境傳感器：用于識別物體和檢測物體與機器人的距離。相稱于視覺7.什么是變構(gòu)造系統(tǒng)？為何要采用變構(gòu)造控制？變構(gòu)造系統(tǒng)的定義：系統(tǒng)各部分間的持續(xù)關(guān)系發(fā)生變化；系統(tǒng)的參數(shù)產(chǎn)生變化等等，這樣的系統(tǒng)稱為變構(gòu)造系統(tǒng)。在動態(tài)控制過程中，變構(gòu)造控制系統(tǒng)的構(gòu)造根據(jù)系統(tǒng)當時的狀態(tài)偏差及其各階導數(shù)的變化，以躍變的方式按照設定的規(guī)律做對應變化，它是一類特殊的非線性控制系統(tǒng)。為何要采用變構(gòu)造系統(tǒng)？由于一般的程序控制在系統(tǒng)運行的過程中變化系統(tǒng)的構(gòu)造是預先設定好的，而往往有些異常的突發(fā)狀況，使得它達不到規(guī)定，而變構(gòu)造控制的話，可以根據(jù)誤差及其導數(shù)的變化狀況來確定。若控制對象參數(shù)不變化，自適應控制逐漸退化為定?？刂?，而變構(gòu)造控制并不會退化為定常控制，一直保持微變構(gòu)造控制。8.旋轉(zhuǎn)矩陣的幾何意義是什么？旋轉(zhuǎn)矩陣的幾何意義：為了研究機器人的運動和操作，往往