機器人技術(shù)基礎(chǔ)期末考試復(fù)習(xí)資料(熊有倫主編)

1、第1章 1機器人組成系統(tǒng)的4大部分：機構(gòu)部分、傳感器組、控制部分、信息處理部分2機器人學(xué)的主要研究內(nèi)容：研究機器人的控制與被處理物體間的相互關(guān)系3機器人的驅(qū)動方式：液壓、氣動、電動4機器人行走機構(gòu)的基本形式：足式、蛇形式、輪式、履帶式5機器人的定義：由各種外部傳感器引導(dǎo)的、帶有一個或多個末端執(zhí)行器、通過可編程運動，在其工作空間內(nèi)對真實物體進行操作的軟件可控的機械裝置6機器人的分類：1工業(yè)機器人2極限環(huán)境作業(yè)機器人3醫(yī)療福利機器人7操作臂工作空間形式：1直角坐標(biāo)式機器人2圓柱坐標(biāo)式機器人3球坐標(biāo)式機器人 4 scara機器人5關(guān)節(jié)式機器人 8機器人三原則 第一條：機器人不得傷害人類.第二條：機器

2、人必須服從人類的命令，除非這條命令與第一條相矛盾。第三條：機器人必須保護自己，除非這種保護與以上兩條相矛盾。第2章1、什么是位姿：剛體參考點的位置和姿態(tài)2、RPY角與歐拉角的共同點：繞固定軸旋轉(zhuǎn)的順序與繞運動軸旋轉(zhuǎn)的順序相反并且旋轉(zhuǎn)角度相同，能得到相同的變換矩陣，都是用三個變量描述。歐拉角為左乘RPY角為右乘。 RPY中繞x旋轉(zhuǎn)為偏轉(zhuǎn)繞y旋轉(zhuǎn)為俯仰繞z旋轉(zhuǎn)為回轉(zhuǎn) 3 、矩陣的左乘與右乘：左乘（變換從右向左）指明運動相對于固定坐標(biāo)系 右乘（變換從左向右）指明運動相對于運動坐標(biāo)系4、 齊次變換：表示同一點相對于不同坐標(biāo)系B和A的變換，描述B相對于A的位姿5、 自由矢量：完全由他的維數(shù)、大小、方向，

3、三要素所規(guī)定的矢量6、 線矢量：由維數(shù)、大小、方向、作用線，四要素所規(guī)定的矢量7、 齊次變換矩陣 8、 其次坐標(biāo)變換為旋轉(zhuǎn)矩陣為B的原點相對A的位置矢量9、 旋轉(zhuǎn)矩陣：繞x軸y軸z軸10、 變換矩陣求逆：已知B相對于A的描述求A相對于B的描述11、 12、運動學(xué)方程第3章 1、操作臂運動學(xué)研究的是手臂各連桿間的位移、速度、加速度關(guān)系 3、運動學(xué)反解方法：反變換法、幾何法、pieper解法 4、大多數(shù)工業(yè)機器人滿足封閉解的兩個充分條件之一 三個相鄰關(guān)節(jié)軸，1交于一點2相互平行 5、連桿參數(shù)：1、 2、 3、 4、 6、連桿變換通式： 7、靈活空間：機器人手抓能以任意方位到達的目標(biāo)點的集合 8、可

4、達空間：機器人手抓至少一個方位到達的目標(biāo)點的集合 工作空間：反解存在的區(qū)域就是工作空間 9、機器人操作臂運動學(xué)反解數(shù)決定于：關(guān)節(jié)數(shù)、連桿參數(shù)、關(guān)節(jié)的活動范圍 10、操作臂運動學(xué)反解方法有 1封閉解法（獲得封閉解的方法有代數(shù)解、幾何解） 2數(shù)值解法。 11、雅可比矩陣 12、逆雅可比矩陣， 靜力學(xué)公式 ，第4章 1、 操作臂的雅可比矩陣：定義為操作速度與關(guān)節(jié)速度的線性變換，可看成是從關(guān)節(jié)空間到操作空間運動速度的傳動比2、 操作臂奇異形位：對于這些形位操作臂的雅可比矩陣的秩減少3、 自動生成雅可比步驟（知道各連桿變換） 1、計算各連桿變換、 2、計算各連桿到末端連桿的變換 3、計算雅可比矩陣J(q

5、)的各列元素，第i列 4、 末端廣義力矢量：機器人與外界環(huán)境相互作用時，在接觸的地方要產(chǎn)生力和力矩統(tǒng)稱為末端廣義力矢量5、 虛位移：滿足機械系統(tǒng)幾何約束的無限小位移第5章 1、 建立運動學(xué)方程的方法：拉格朗日法、牛頓-歐拉法、高斯法、凱恩法、旋量對偶數(shù)法2、 研究機器人動力學(xué)的目的：動力學(xué)問題與操作臂的仿真研究有關(guān)，逆問題是為了實施控制的需要，利用動力學(xué)模型實現(xiàn)最優(yōu)控制，以期達到良好的動態(tài)性能和最優(yōu)指標(biāo)。3、 動力學(xué)研究的是：物體的運動和受力的關(guān)系4、 動力學(xué)模型主要用于機器人的設(shè)計和編程5、 點的速度涉及兩個坐標(biāo)系：點所在的坐標(biāo)系的速度，點相對于坐標(biāo)系的速度6、牛頓歐拉法遞推動力學(xué)問題的步驟

6、：1、 向外遞推計算各連桿的速度和加速度，由牛頓歐拉公式算出連桿的慣性力和力矩2、 向內(nèi)遞推計算各連桿相互作用力和力矩，以及關(guān)節(jié)驅(qū)動力和力矩7、 拉格朗日函數(shù)：對于任何機械系統(tǒng)，拉格朗日函數(shù)定義為系統(tǒng)點的動能與勢能之差 即第6章 1、 規(guī)劃：在人工智能的研究范圍中，規(guī)劃實際就是問題的一種求解技術(shù)。即從某個特定問題的初始狀態(tài)出發(fā)，構(gòu)造一系列操作步驟，達到解決該問題的目標(biāo)狀態(tài)2、 軌跡：操作臂在運動過程中的位移、速度和加速度3、 軌跡規(guī)劃：根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求計算預(yù)期的運動軌跡4、 機器人的作業(yè)運動方式：點到點運動、輪廓運動0.1 簡述工業(yè)機器人的定義，說明機器人的主要特征。答：機器人是一種用于移動

7、各種材料、零件、工具、或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程動作來執(zhí)行種 種任務(wù)并具有編程能力的多功能機械手。 1.機器人的動作結(jié)構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能。 2.機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變。 3.機器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等。4.機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。0.2工業(yè)機器人與數(shù)控機床有什么區(qū)別？答：1.機器人的運動為開式運動鏈而數(shù)控機床為閉式運動鏈； 2.工業(yè)機器人一般具有多關(guān)節(jié)，數(shù)控機床一般無關(guān)節(jié)且均為直角坐標(biāo)系統(tǒng)；3.工業(yè)機器人是用于工業(yè)中各種作業(yè)的自動化機器而數(shù)控機床應(yīng)用于冷加工。4

8、.機器人靈活性好，數(shù)控機床靈活性差。0.5簡述下面幾個術(shù)語的含義：自有度、重復(fù)定位精度、工作范圍、工作速度、承載能力。答：自由度是機器人所具有的獨立坐標(biāo)運動的數(shù)目，不包括手爪（末端執(zhí)行器）的開合自由度。 重復(fù)定位精度是關(guān)于精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，指機器人重復(fù)到達某一確定位置準(zhǔn)確的概率，是重復(fù)同一位置的范圍，可以用各次不同位置平均值的偏差來表示。 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。 工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的穩(wěn)定速度，也可以定義為 手臂末端最大的合成速度（通常在技術(shù)參數(shù)中加以說明）。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)

9、量。0.6什么叫冗余自由度機器人？答： 從運動學(xué)的觀點看，完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機器人稱為冗余自由度機器人。0.7題0.7圖所示為二自由度平面關(guān)節(jié)型機器人機械手，圖中L1=2L2，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍是01180,-902180,畫出該機械手的工作范圍（畫圖時可以設(shè)L2=3cm）。1.1 點矢量v為，相對參考系作如下齊次坐標(biāo)變換： A=寫出變換后點矢量v的表達式，并說明是什么性質(zhì)的變換，寫出旋轉(zhuǎn)算子Rot及平移算子Trans。解：v，=Av=屬于復(fù)合變換：旋轉(zhuǎn)算子Rot（Z，30）= 平移算子Trans（11.0，-3.0，9.0）=1.2 有一旋轉(zhuǎn)變換，先繞固定坐標(biāo)系Z0 軸轉(zhuǎn)45，再

10、繞其X0軸轉(zhuǎn)30，最后繞其Y0軸轉(zhuǎn)60，試求該齊次坐標(biāo)變換矩陣。解：齊次坐標(biāo)變換矩陣R=Rot(Y，60）Rot（X，30）Rot(Z，45） = 1.3 坐標(biāo)系B起初與固定坐標(biāo)系O相重合，現(xiàn)坐標(biāo)系B繞ZB旋轉(zhuǎn)30，然后繞旋轉(zhuǎn)后的動坐標(biāo)系的XB軸旋轉(zhuǎn)45，試寫出該坐標(biāo)系B的起始矩陣表達式和最后矩陣表達式。解：起始矩陣：B=O=最后矩陣：B=Rot(Z，30）B Rot（X，45）=1.4 坐標(biāo)系A(chǔ)及B在固定坐標(biāo)系O中的矩陣表達式為 A= B=畫出它們在O坐標(biāo)系中的位置和姿勢；A=Trans（0.0，10.0，-20.0）Rot（X，30）OB=Trans(-3.0，-3.0，3.0）Rot(X

11、，30）Rot（Z，30）O1.5 寫出齊次變換陣，它表示坐標(biāo)系B連續(xù)相對固定坐標(biāo)系A(chǔ)作以下變換：（1） 繞軸旋轉(zhuǎn)90。（2） 繞軸旋轉(zhuǎn)-90。（3） 移動。解：=Trans（3，7，9）Rot（X，-90）Rot（Z，90）= 1.6 寫出齊次變換矩陣，它表示坐標(biāo)系B連續(xù)相對自身運動坐標(biāo)系B作以下變換：（1） 移動。（2） 繞軸旋轉(zhuǎn)90。.（3） 繞軸轉(zhuǎn)-90。.=Trans（3，7，9）Rot（X，90）Rot（Z，90）= 1.7 對于1.7圖（a）所示的兩個楔形物體， 試用兩個變換序列分別表示兩個楔形物體的變換過程，使最后的狀態(tài)如題1.7圖（b)所示。 (a) (b) 解：A= B=A

12、=Trans(2，0，0）Rot（Z，90）Rot（X，90）Trans（0，-4，0）A= =B=Rot（X，90）Rot（Y，90）Trans（0，-5，0）B= =1.8 如題1.8圖所示的二自由度平面機械手，關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)變量為1；關(guān)節(jié)2為移動關(guān)節(jié)， 關(guān)節(jié)變量為d2。試：（1） 建立關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，并寫出該機械手的運動方程式。（2） 按下列關(guān)節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的位置值。 1 0 30 60 90 d2/m 0.50 0.80 1.00 0.70解：建立如圖所示的坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿 d 11000200d20 機械手的運動方程式：當(dāng)1=0 ， d2=0.5時：手部中心位置值

13、當(dāng)1=30 ， d2=0.8時手部中心位置值 當(dāng)1=60 ， d2=1.0時手部中心位置值當(dāng)1=90 ， d2=0.7時手部中心位置值1.11 題1.11圖所示為一個二自由度的機械手，兩連桿長度均為1m，試建立各桿件坐標(biāo)系，求出，的變換矩陣。解：建立如圖所示的坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿 d 11002100A1=Rot(Z, 1) Trans(1,0,0) Rot(X, 0)=A2= Rot(Z, -2)Trans(l, 0, 0)Rot(X, 90)1.13 有一臺如題1.13圖所示的三自由度機械手的機構(gòu)，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角正向均由箭頭所示方向指定，請標(biāo)出各連桿的D-H坐標(biāo)系，然后求各變換矩陣，。解：

14、D-H坐標(biāo)系的建立按D-H方法建立各連桿坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿ad11900+22003300 = =3.1 何謂軌跡規(guī)劃？簡述軌跡規(guī)劃的方法并說明其特點。答：機器人的軌跡泛指工業(yè)機器人在運動過程中的運動軌跡，即運動點位移，速度和加速度。軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個點，將其經(jīng)運動學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)點建立運動方程，然后按這些運動方程對關(guān)節(jié)進行插值，從而實現(xiàn)作業(yè)空間的運動要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。（1） 示教再現(xiàn)運動。這種運動由人手把手示教機器人，定時記錄各關(guān)節(jié)變量，得到沿路徑運動時各關(guān)節(jié)的位移時間函數(shù)q(t)；再現(xiàn)時，按內(nèi)存中記錄的各點的值產(chǎn)生序列動作。（2

15、） 關(guān)節(jié)空間運動。這種運動直接在關(guān)節(jié)空間里進行。由于動力學(xué)參數(shù)及其極限值直接在關(guān)節(jié)空間里描述，所以用這種方式求最短時間運動很方便。（3） 空間直線運動。這是一種直角空間里的運動，它便于描述空間操作，計算量小，適宜簡單的作業(yè)。（4） 空間曲線運動。這是一種在描述空間中用明確的函數(shù)表達的運動。3.2 設(shè)一機器人具有6個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)運動均按三次多項式規(guī)劃，要求經(jīng)過兩個中間路徑點后停在一個目標(biāo)位置。試問欲描述該機器人關(guān)節(jié)的運動，共需要多少個獨立的三次多項式?要確定這些三次多項式，需要多少個系數(shù)?答：共需要3個獨立的三次多項式； 需要72個系數(shù)。3.3 單連桿機器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，從q = 5靜止開始運

16、動，要想在4 s內(nèi)使該關(guān)節(jié)平滑地運動到q =+80的位置停止。試按下述要求確定運動軌跡： (1)關(guān)節(jié)運動依三次多項式插值方式規(guī)劃。 (2)關(guān)節(jié)運動按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃。解：（1）采用三次多項式插值函數(shù)規(guī)劃其運動。已知代入可得系數(shù)為運動軌跡：（2） 運動按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃：根據(jù)題意，定出加速度的取值范圍：如果選，算出過渡時間，=0.594s計算過渡域終了時的關(guān)節(jié)位置和關(guān)節(jié)速度，得=4.1 機器人本體主要包括哪幾部分？以關(guān)節(jié)型機器人為例說明機器人本體的基本結(jié)構(gòu)和主要特點。答：機器人本體：(1)傳動部件 (2)機身及行走機構(gòu) (3)機身及行走機構(gòu) （4)腕部 (5)手部 基本結(jié)

17、構(gòu)：機座結(jié)構(gòu)、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、大臂結(jié)構(gòu)、大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、小臂結(jié) 構(gòu)、小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、手腕結(jié)構(gòu)、手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、末端執(zhí)行器。 主要特點：(1) 一般可以簡化成各連桿首尾相接、末端無約束的開式連桿系，連桿 系末端自由且無支承，這決定了機器人的結(jié)構(gòu)剛度不高，并隨連桿 系在空間位姿的變化而變化。 (2) 開式連桿系中的每根連桿都具有獨立的驅(qū)動器，屬于主動連桿系， 連桿的運動各自獨立，不同連桿的運動之間沒有依從關(guān)系，運動靈 活。 (3) 連桿驅(qū)動扭矩的瞬態(tài)過程在時域中的變化非常復(fù)雜，且和執(zhí)行器反 饋信號有關(guān)。連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型，因而對機械傳動系統(tǒng)的剛 度、間隙和運動精度都有較高的要求。 (

18、4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化 的，因此，極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。 4.2 如何選擇機器人本體的材料，常用的機器人本體材料有哪些？答：需滿足五點基本要求：1.強度大 2.彈性模量大 3.重量輕 4.阻尼小 5.材料經(jīng)濟性常用材料：1.碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼 2.鋁、鋁合金及其他輕合金材料 3.纖維增強合金 4.陶瓷 5.纖維增強復(fù)合材料 6.粘彈性大阻尼材料4.3 何謂材料的E/r？為提高構(gòu)件剛度選用材料E/r大些還是小些好，為什么？答：即材料的彈性模量與密度的比值；大些好，彈性模量E越大，變形量越小，剛度走越大；且密度r越小，構(gòu)件質(zhì)量越小，則構(gòu)件的慣

19、性力越小，剛度越大。所以E/r大些好。4.4 機身設(shè)計應(yīng)注意哪些問題？答：(1) 剛度和強度大，穩(wěn)定性好。(2) 運動靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死。(3) 驅(qū)動方式適宜。(4) 結(jié)構(gòu)布置合理。4.8手腕的作用及其三個自由度。 作用：改變或調(diào)整機器人手部在空間的姿態(tài)(方向)，并連接機器人的手部和臂部。 自由度：分別為回轉(zhuǎn)（x） 俯仰（y）偏擺（z）由三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組合而成。4.9 機器人手爪有哪些種類，各有什么特點？答：1.機械手爪：依靠傳動機構(gòu)來抓持工件；2.磁力吸盤：通過磁場吸力抓持鐵磁類工件，要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附，不適宜高溫條件；3.真空式吸盤：利用真空原理來抓持工

20、件，要求工件表面平整光滑、干燥清潔，同時氣密性要好。2、工業(yè)機器人是如何定義的？工業(yè)機器人是指在工業(yè)中應(yīng)用的一種能進行自動控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。且這種操作機可以固定在一個地方，也可以在往復(fù)運動的小車上。3、按幾何結(jié)構(gòu)，機器人可分為那幾種？直角坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型 球坐標(biāo)型 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型4、機器人的參考坐標(biāo)系有哪些？全局參考坐標(biāo)系 關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系 工具參考坐標(biāo)系 5.運動學(xué)方程的建立及其求解 1、建立坐標(biāo)系； 2、確定參數(shù)； 3、相鄰桿件的位姿矩陣； 4、建立運動學(xué)方程。 5、運動學(xué)方程的正解和逆解1、機器人系統(tǒng)由哪三

21、部分組成？答：操作機、驅(qū)動器、控制系統(tǒng)4.11 何謂自適應(yīng)吸盤及異形吸盤？答：自適應(yīng)吸盤：真空吸盤的一種新設(shè)計，增加了一個球關(guān)節(jié)，吸盤能傾斜自如，適應(yīng)工件表面傾角的變化。異形吸盤：真空吸盤的一種新設(shè)計，可以用于吸附雞蛋、錐頸瓶等非平整工件。4.15 傳動件消隙常有哪幾種方法，各有什么特點？答：1) 消隙齒輪：相嚙合的兩齒輪中有一為兩個薄齒輪的組合件，能過兩個薄齒輪的組合來消隙；2) 柔性齒輪消隙：對具有彈性的柔性齒輪加一預(yù)載力來保證無側(cè)隙嚙合；3) 對稱傳動消隙：一個傳動系統(tǒng)設(shè)置兩個對稱的分支傳動，并且其中有一個具有回彈能力。4) 偏心機構(gòu)消隙：當(dāng)有齒輪磨損等原因造成傳動間隙增加時，利用中心距

22、調(diào)整機構(gòu)調(diào)整中心距。5) 齒廓彈性覆層消隙：齒廓表面覆有薄薄一層彈性很好的橡膠層或?qū)訅翰牧?，通過對相嚙合的一對齒輪加以預(yù)載，來完全消除嚙合側(cè)隙。4.16 簡述機器人行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點。答： 基本形式：固定軌跡式和無固定軌跡式（步行式、輪式和履帶式） 固定軌跡式：機身底座安裝在一個可移動的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動，整個機器人沿絲杠縱向移動。 無固定軌跡式：在行走過程中，步行式為間斷接觸，輪式和履帶式與地面為連續(xù)接觸；前者為類人(或動物)的腿腳式，后兩者的形態(tài)為運行車式。運行車式行走機構(gòu)用得比較多，多用于野外作業(yè)，比較成熟。步行式行走機構(gòu)正在發(fā)展和完善中。6.1 試述機器人示教編程的過程

23、及特點。答：過程：操作者根據(jù)機器人作業(yè)的需要把機器人末端執(zhí)行器送到目標(biāo)位置，且處于相應(yīng)的姿態(tài)，然后把這一位置、姿態(tài)所對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度信息記錄到存儲器保存。對機器人作業(yè)空間的各點重復(fù)以上操作，就把整個作業(yè)過程記錄下來，再通過適當(dāng)?shù)能浖到y(tǒng)，自動生成整個作業(yè)過程的程序代碼。 優(yōu)點：操作簡單，易于掌握，操作者不需要具備專門知識，不需復(fù)雜的裝置和設(shè)備，軌跡修改方便，再現(xiàn)過程快。 缺點：(1) 示教相對于再現(xiàn)所需的時間較長； (2) 很難示教復(fù)雜的運動軌跡及準(zhǔn)確度要求高的直線； (3) 示教軌跡的重復(fù)性差； (4) 無法接受傳感器信息； (5) 難以與其他操作或其他機器人操作同步。6.2 試舉例說明MOT

24、OMAN UP6機器人焊接作業(yè)時的示教編程過程。答：S1.通過示教盒使機器人處于示教狀態(tài)； S2.創(chuàng)建新的示教程序，用軸操作鍵將機器人依次移動到準(zhǔn)備位置、可作業(yè)姿態(tài)、作業(yè)開始位置、作業(yè)結(jié)束位置等位置并輸入相應(yīng)的插補方式及相應(yīng)的操作命令； S3.示教軌跡的確認(rèn)。6.3 按機器人作業(yè)水平的程度分，機器人編程語言有哪幾種？各有什么特點？答：1.動作級編程語言：優(yōu)點：比較簡單，編程容易。 缺點：功能有限，無法進行繁復(fù)的數(shù)學(xué)運算，不接受浮點數(shù)和字符串，子程序不含有自變量；不能接受復(fù)雜的傳感器信息，只能接受傳感器開關(guān)信息；與計算機的通信能力很差。2.對象級編程語言：(1) 具有動作級編程語言的全部動作功能

25、；(2) 有較強的感知能力；(3) 具有良好的開放性；(4) 數(shù)字計算和數(shù)據(jù)處理能力強；3.任務(wù)級編程語言：結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要人工智能的理論基礎(chǔ)和大型知識庫、數(shù)據(jù)庫的支持。6.7 機器人離線編程的特點及功能是什么？答：特點：在不接觸實際機器人及機器人作業(yè)環(huán)境的情況下，通過圖形技術(shù)，在計算機上提供一個和機器人進行交互作用的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。功能：利用機器人圖形學(xué)的成果，建立起機器人及其作業(yè)環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過對圖形的操作和控制，在離線的情況下進行軌跡規(guī)劃。6.8 MOTOMAN UP6型機器人仿真軟件有哪些主要功能？答：編輯、仿真、檢測和示教。7.1 機器人的工業(yè)應(yīng)用可分為哪四個方面

26、？答：材料加工、零件制造、產(chǎn)品檢驗和裝配。7.3 完整的焊接機器人系統(tǒng)一般由哪幾個部分組成？答：機器人操作機、變位機、控制器、焊接系統(tǒng)、焊接傳感器、中央控制計算機和相應(yīng)的安全設(shè)備等。7.4 簡述變位機在焊接生產(chǎn)線或焊接柔性加工單元中的作用。答：將被焊工件旋轉(zhuǎn)(平移)到最佳的焊接位置。7.5 簡述焊接機器人按用途、結(jié)構(gòu)、受控方式及驅(qū)動方法等進行分類的情況。答：按用途：弧焊和點焊；按結(jié)構(gòu)：關(guān)節(jié)型和非關(guān)節(jié)型按受控方式：點位控制和連續(xù)軌跡控制7.6 弧焊機器人工作站按功能和復(fù)雜程度的不同可分為哪幾種。答：.無變位機的普通弧焊機器人工作站；.不同變位機與弧焊機器人組合的工作站；.弧焊機器人與周邊設(shè)備協(xié)調(diào)

27、運動的工作站。7.7 自動搬運工作站由哪些部分組成？答：組成：搬運機器人和周邊設(shè)備（工件自動識別裝置、自動啟動及自動傳輸裝置等）。7.12 機器人裝配作業(yè)的主要操作過程是什么？答：垂直向上抓起零部件，水平移動它，然后垂直放下插入。一、機器人的定義一種擬人功能的機械電子裝置。 A mechantronic device to imitate some human functions。 二、機器人三原則1.機器人不應(yīng)傷害人類；2.機器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條相抵觸的命令除外；3.機器人應(yīng)能保護自己，與第二條相抵觸者除外。三、解釋機器人的“通用性”和“適應(yīng)性”“通用性”：在機械結(jié)構(gòu)上允許機器人執(zhí)

28、行不同的任務(wù)或以不同的方式完成同一工作。包括機械系統(tǒng)的機動性與控制系統(tǒng)的靈活性。“適應(yīng)性”:能自動執(zhí)行這些未經(jīng)完全指定的任務(wù)，而不管任務(wù)執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預(yù)測到的環(huán)境變化。四、什么叫：基準(zhǔn)坐標(biāo)系？構(gòu)件坐標(biāo)系？基準(zhǔn)坐標(biāo)系稱為參考坐標(biāo)系。在變換中是不動的坐標(biāo)系。構(gòu)件坐標(biāo)系其固接在物體或機器人上。其變換后相對參考坐標(biāo)系發(fā)生位姿改變。五、求點 繞z軸旋轉(zhuǎn)90后的坐標(biāo)，再繞y軸旋轉(zhuǎn)90后的坐標(biāo)六、有機器人各桿件的參數(shù)如下表，請推導(dǎo)出各個桿件的A矩陣連桿變量扭轉(zhuǎn)角公垂線長a連桿間距離dcossin1-90000-1290001300104-90000-15900001600010 二、簡答題：1.機器

29、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)的基本單元有哪些？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)由哪些部分組成？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部分的用途。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)的發(fā)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

30、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，位置反饋增益和速度反饋增益是如何確定的？6.試論述工業(yè)機器人的應(yīng)用準(zhǔn)則。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(biāo)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各點的齊次坐標(biāo)。2.如圖所示為具有三個旋轉(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.如圖所示為平面內(nèi)

31、的兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機械手，已知機器人末端的坐標(biāo)值x,y，試求其關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變量1和2. 4.如圖所示兩自由度機械手在如圖位置時（1= 0 , 2=/2），生成手爪力 FA = fx 0 T 或FB = 0 fy T。求對應(yīng)的驅(qū)動力 A和B 。5.如圖所示的兩自由度機械手，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1=30，2=-60，求該時刻的關(guān)節(jié)速度。已知兩自由度機械手速度雅可比矩陣為6.如圖所示的三自由度機械手（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：1. 自由度：指描述物體運動所需要的獨立

32、坐標(biāo)數(shù)。2. 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(fù)載量（包括手部）。3. 柔性手：可對不同外形物體實施抓取，并使物體表面受力比較均勻的機器人手部結(jié)構(gòu)。4. 制動器失效抱閘：指要放松制動器就必須接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對運動。5. 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)。6. 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。7. 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。8. PWM驅(qū)動：脈沖

33、寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）驅(qū)動。9. 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)。10. 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。11. 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(fù)載時的實際角速度之差，與給定轉(zhuǎn)速之比。12. 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。13. 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。14. 圖像銳化：突出圖像中的高頻成分，使輪廓增強。15. 隸

34、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。16. BP網(wǎng)絡(luò)：BP (Back Propagation)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)。17. 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。18. AUV：Autonomous Underwater Vehicle 無纜自治水下機器人，或自動海底車。二、簡答題：1.答：機器人研究的基礎(chǔ)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：目前機器人常用機身和

35、臂部的配置型式的有如下幾種形式：(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。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)；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：

36、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

37、，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

38、遲時間t，計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：如果空氣溫度為T（)，則聲速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

39、無用的信息，改進圖像的質(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)轉(zhuǎn)換成合適的語言值。(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)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

40、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

41、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)的基礎(chǔ)，科學(xué)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(shè)計技術(shù)。探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負(fù)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(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

42、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)?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w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)域和重點發(fā)展方向。過去的研

43、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(chǔ)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

44、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)若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(shè)定的位置之間的差距。工業(yè)機器人的精

45、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，

46、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，盡管地面高低不平，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)動力會產(chǎn)生怎樣的關(guān)節(jié)位置、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)（dyn

47、amics）。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n和阻尼比。為了安全起見，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1（注意，系統(tǒng)的位置反饋增益kp0表示負(fù)反饋）。把由二階系統(tǒng)特征方程標(biāo)準(zhǔn)形式所求得的n代入可得：因而速度反饋增益k v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)。在確定位置反饋增益k p時，必須考慮操作臂

48、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n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)整反饋增益kp，可以求出：k p求出后，相應(yīng)的速度反饋增益k v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)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(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