2022年机器人复习题及参考答案.docx

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1、精品学习资源一、名词说明题 ：1. 自由度：2. 机器人工作载荷：3. 柔性手：4. 制动器失效抱闸：5. 机器人运动学： 动力学：7. 虚功原理：8. PWM驱动：9. 电机无自转： 调剂特性：11. 直流伺服电机的调速精度：12. PID 掌握：13. 压电元件：14. 图像锐化：15. 隶属函数：16. BP 网络：17. 脱机编程：18. AUV：二、简答题：课程考试复习题及参考答案机器人学导论欢迎下载精品学习资源1. 机器人学主要包含哪些讨论内容？2. 机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？3. 拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义？4. 机器人掌握系统的基本单元有哪些？5

2、. 直流电机的额定值有哪些？6. 常见的机器人外部传感器有哪些？7. 简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理；8. 机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？图像的预处理？机器视觉常用的预处理步骤有哪些？ 模糊掌握器的组成及各组成部分的用途；11. 从描述操作命令的角度看，机器人编程语言可分为哪几类？12. 仿人机器人的关键技术有哪些？ 三、论述题 ：1. 试论述机器人技术的进展趋势；2. 试论述精度、重复精度与辨论率之间的关系；轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合；论述机器人静力学、动力学、运动学的关系；单关节伺服掌握中，位置反馈增益和速度反馈增益是如何确定的？6. 试论述工业机器人的应

3、用准就；四、运算题： 需写出运算步骤，无运算步骤不能得分：1. 已知点 u 的坐标为 7,3,2 T ，对点 u 依次进行如下的变换： 1绕 z 轴旋转 90得到点 v； 2绕 y轴旋转 90得到点 w；3沿 x 轴平移 4 个单位，再沿 y 轴平移 -3 个单位，最终沿 z 轴平移 7 个单位得到点 t；求 u, v, w, t 各点的齐次坐标；欢迎下载精品学习资源ztvwOyxu2. 如下图为具有三个旋转关节的3R 机械手，求末端机械手在基坐标系 x0, y0 下的运动学方程；3L 32y0L 2L 11Ox0旋转关节机械手，已知机器人末端的坐标值 x, y ，试求其关节旋转变量1 和 2

4、.P2yL2L 11x两自由度机械手在如图位置时1= 0 , 2= /2，生成手爪力FA = fx0 T 或 FB = 0f y T；求对应的驱动力 A 和 B ；欢迎下载精品学习资源0yF Bfy欢迎下载精品学习资源PL 22 1FAf x0x欢迎下载精品学习资源L 15. 如下图的两自由度机械手，手部沿固定坐标系在手上X0 轴正向以1.0m/s的速度移动，杆长 l 1 =l 2=0.5m；设在某时刻 1=30， 2=-6 0，求该时刻的关节速度；已知两自由度机械手速度雅可比矩阵为欢迎下载精品学习资源l1s 1Jl1c 1l2 s12l2c12l2 s12l2c12欢迎下载精品学习资源y0欢

5、迎下载精品学习资源l1 1l2Ox0-2y3v3 x3欢迎下载精品学习资源6. 如下图的三自由度机械手两个旋转关节加一个平移关节，简称RPR 机械手，求末端机械手的运动学方程；L 2L3d23L 11欢迎下载精品学习资源一、名词说明题 ：参考答案欢迎下载精品学习资源1. 自由度：指描述物体运动所需要的独立坐标数；2. 机器人工作载荷：机器人在规定的性能范畴内，机械接口处能承担的最大负载量包括手部；3. 柔性手：可对不同外形物体实施抓取，并使物体外表受力比较匀称的机器人手部结构；4. 制动器失效抱闸：指要放松制动器就必需接通电源，否就，各关节不能产生相对运动；5. 机器人运动学：从几何学的观点来

6、处理手指位置与关节变量的关系称为运动学；6. 机器人动力学： 机器人各关节变量对时间的一阶导数、二阶导数与各执行器驱动力或力矩之间的关系， 即机器人机械系统的运动方程；7. 虚功原理： 约束力不作功的力学系统实现平稳的必要且充分条件是对结构上答应的任意位移虚位移施力所作功之和为零；8. PWM驱动：脉冲宽度调制Pulse Width Modulation驱动；9. 电机无自转：掌握电压降到零时，伺服电动机能立刻自行停转；10. 直流伺服电机的调剂特性：是指转矩恒定时，电动机的转速随掌握电压变化的关系；11. 直流伺服电机的调速精度：指调速装置或系统的给定角速度与带额定负载时的实际角速度之差，与

7、给定转速之比；12. PID 掌握：指依据偏差的比例P, proportional、积分 I, integral、微分 D, derivative进行掌握；13. 压电元件：指某种物质上施加压力就会产生电信号，即产生压电现象的元件；14. 图像锐化：突出图像中的高频成分，使轮廓增强；15. 隶属函数：表示论域U中的元素 u 属于模糊子集 A的程度，在 0, 1闭区间内可连续取值；16. BP网络： BP Back Propagation神经网络是基于误差反向传播算法的人工神经网络；17. 脱机编程：指用机器人程序语言预先进行程序设计，而不是用示教的方法编程；18. AUV： Autonomou

8、s Underwater Vehicle无缆自治水下机器人，或自动海底车；二、简答题：1. 答：机器人讨论的基础内容有以下几方面：1空间机构学； 2机器人运动学； 3机器人静力学；4机器人动力学； 5机器人掌握技术；6机器人传感器； 7机器人语言；2. 答：目前常用的有如下几种形式：1横梁式；机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，具有占地面积小，能有效地利用空间，直观等优点；2立柱式；多采纳回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范畴大的特点；3机座式； 可以是独立的、 自成系统的完整装置，可随便安放和搬动；也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，

9、以扩大其活动范畴； 4 屈伸式；臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂，可以实现平面运动， 也可以作空间运动；3. 答：拉格朗日运动方程式一般表示为：dLLdtqq式中， q 是广义坐标； 是广义力； L 是拉格朗日算子，表示为LKP这里，K 是动能； P 是位能；4. 答：构成机器人掌握系统的基本要素包括：1 电动机，供应驱动机器人运动的驱动力；2 减速器， 为了增加驱动力矩、降低运动速度； 3驱动电路， 由于直流伺服电动机或沟通伺服电动机的流经电流较大，机器人常采纳脉冲宽度调制PWM 方式进行驱动； 4 运动特性检测传感器，用于检测机器欢迎下载精品学习资源人运动的位置、速度、加速

10、度等参数；5 掌握系统的硬件，以电脑为基础，采纳和谐级与执行级的二级结构； 6 掌握系统的软件， 实现对机器人运动特性的运算、机器人的智能掌握和机器人与人的信息交换等功能；5. 答：直流电动机的额定值有以下几项：1额定功率，是指依据规定的工作方式运行时所能供应的输出 功率；对电动机来说，额定功率是指轴上输出的机械功率，单位为kW ；2 额定电压，是电动机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V ； 3额定电流，是指电动机依据规定的工作方式运行时，电枢绕组答应流过的最大电流，单位为A ；4 额定转速，指电动机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情形下运行时，电动机的旋转速度，单位为

11、r/min ；6. 答：常见的外部传感器包括触觉传感器，分为接触觉传感器、压觉传感器、滑觉传感器和力觉传感器；距离传感器，包括超声波传感器，接近觉传感器，以及视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉 传感器等；7. 答：在脉冲回波式中，先将超声波用脉冲调制后发射，依据经被测物体反射回来的回波推迟时间t， 运算出被测物体的距离R，假设空气中的声速为v，就被测物与传感器间的距离R 为：Rvt / 2假如空气温度为 T ，就声速 v 可由下式求得：v331.50.607Tm/s8. 答：1景物和距离传感器， 常用的有摄像机、 CCD 图像传感器、 超声波传感器和结构光设备等；2 视频信号数字化设备，

12、 其任务是把摄像机或者CCD 输出的信号转换成便利运算和分析的数字信号；3 视频信号处理器，视频信号实时、快速、并行算法的硬件实现设备：如DSP 系统； 4电脑及其设备， 依据系统的需要可以选用不同的电脑及其外设来满意机器人视觉信息处理及其机器人掌握的需要；5 机器人或机械手及其掌握器；9. 答：预处理的主要目的是清晰原始图像中各种噪声等无用的信息，改良图像的质量，增强爱好的有用信息的可检测性；从而使得后面的分割、特点抽取和识别处理得以简化，并提高其牢靠性；机器视觉常用的预处理包括去噪、灰度变换和锐化等；10. 答：模糊规律掌握器由4 个基本部分组成，即模糊化、学问库、推理算法和逆模糊化；1模

13、糊化： 将检测输入变量值变换成相应的论域，将输入数据转换成合适的语言值；2学问库：包含应用领域的学问和掌握目标，它由数据和模糊语言掌握规章组成；3推理算法：从一些模糊前提条件推导出 某一结论，这种结论可能存在模糊和确定两种情形；4逆模糊化：将推理所得到的模糊值转换为明确的掌握讯号，作为系统的输入值；11. 答：机器人编程语言可分为：1动作级：以机器人末端执行器的动作为中心来描述各种操作，要在程序中说明每个动作；2对象级：答应较粗略地描述操作对象的动作、操作对象之间的关系等，特殊适用于组装作业； 3任务级：只要直接指定操作内容就可以了，为此，机器人必需一边摸索一边工作；12. 答： 1 仿人机器

14、人的机构设计；2 仿人机器人的运动操作掌握，包括实时行走掌握、手部操作的最优姿势掌握、 自身碰撞监测、 三维动态仿真、 运动规划和轨迹跟踪； 3 仿人机器人的整体动力学及运动学建模； 4 仿人机器人掌握系统体系结构的讨论；5仿人机器人的人机交互讨论，包括视觉、语音及情感等方面的交互；6 动态行为分析和多传感器信息融合；三、论述题 ：1. 答：科学技术水平是机器人技术的基础，科学与技术的进展将会使机器人技术提高到一个更高的水平；将来机器人技术的主要讨论内容集中在以下几个方面：1 工业机器人操作机结构的优化设计技术；探究新的高强度轻质材料，进一步提高负载-自重比，同时机构向着模块化、可重构方向进展

15、；2 机器人掌握欢迎下载精品学习资源技术；重点讨论开放式、模块化掌握系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中；机器人掌握器的标准化和网络化以及基于PC 机网络式掌握器已成为讨论热点；3 多传感系统； 为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键；其讨论热点在于有效可行的多传感器融合算法，特殊是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法；4 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术；多机器人和操作者之间的和谐掌握，通过网络建立大范畴内的机器人遥控系统，在有时延的情形下，建立预先显示进行遥控等；5 虚拟机器人技术；基于多传感器、多媒体和虚拟现实

16、以及临场感应技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互；6 多智能体掌握技术；这是目前机器人讨论的一个崭新领域；主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法， 建模和规划、群体行为掌握等方面进行讨论；7微型和微小机器人技术；这是机器人讨论的一个新的领域和重点进展方向；过去的讨论在该领域几乎是空白，因此该领域讨论的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不行估量的影响，微型机器人技术的讨论主要集中在系统结构、运动方式、掌握方，法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面；8 软机器人技术；主要用于医疗、护理、休闲和消遣场合；传统机器人设计未考虑与

17、人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、掌握方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的；9 仿人和仿生技术；这是机器人技术进展的最高境域，目前仅在某些方面进行一些基础讨论；2. 答：精度、重复精度和辨论率用来定义机器人手部的定位才能；精度是一个位置量相对于其参照系的肯定度量，指机器人手部实际到达位置与所需要到达的抱负位置之间的差距；机器人的精度打算于机械精度与电气精度；重复精度指在相同的运动位置命令下，机器人连续假设干次运动轨迹之间的误差度量；假如机器人重复执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同，而是在一平均值邻近变化，该平

18、均值代表精度，而变化的幅度代表重复精度；辨论率是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度；精度和辨论率不肯定相关；一台设备的运动精度是指命令设定的运动位置与该设备执行此命令后能够到达的运动位置之间的差距，辨论率就反映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距；工业机器人的精度、重复精度和辨论率要求是依据其使用要求确定的；机器人本身所能到达的精度取决于机器人结构的刚度、运动速度掌握和驱动方式、定位和缓冲等因素；由于机器人有转动关节， 不同回转半径时其直线辨论率是变化的，因此造成了机器人的精度难以确定；由于精度一般较难测定，通常工业机器人只给出重复精度；3. 答：轮式行走机器人

19、是机器人中应用最多的一种机器人，在相对平整的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的；车轮的外形或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载才能；在轨道上运行的多采纳实心钢轮，室外路面行驶的采纳充气轮胎，室内平整地面上的可采纳实心轮胎；足式行走对坎坷路面具有很好的适应才能，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上挑选最优的支撑点，而轮式行走工具必需面临最坏的地势上的几乎全部点；足式运动方式仍具有主动隔震才能，尽管地面高低不平，机身的运动仍旧可以相当平稳；足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少；4. 答：静力学指在机器人的手爪接触环境时，在静止状态下处理手爪力F 与驱动力

20、的关系；动力学讨论机器人各关节变量对时间的一阶导数、二阶导数与各执行器驱动力或力矩之间的关系，即机器人机械系统的运动方程；而运动学讨论从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系；在考虑掌握时，就要考虑在机器人的动作中，关节驱动力会产生怎样的关节位置、关节速度 、关节加速度 ，处理这种关系称为动力学dynamics ；对于动力学来说，除了与连杆长度有关之外，仍与各连杆的质量，绕质量中心的惯性矩，连杆的质量中心与关节轴的距离有关；运动学、静力学和动力学中各变量的关系如以下图所示；图中用虚线表示的关系可通过实线关系的组合表示，这些也可作为动力学的问题来处理；欢迎下载精品学习资源5. 答：二阶系统的

21、特性取决于它的无阻尼自然频率n 和阻尼比 ；为了安全起见，我们期望系统具有临界阻尼或过阻尼， 即要求系统的阻尼比 1留意， 系统的位置反馈增益kp0 表示负反馈 ；把由二阶系统特点方程标准形式所求得的n 代入可得：欢迎下载精品学习资源Ra feffkakbkakv1欢迎下载精品学习资源2kakp J eff Ra因而速度反馈增益k v 为：欢迎下载精品学习资源2kakp J eff RakvkaRa feffkakb欢迎下载精品学习资源取方程等号时，系统为临界阻尼系统；取不等号时，为过阻尼系统；在确定位置反馈增益k p 时，必需考虑操作臂的结构刚性和共振频率，它与操作臂的结构、尺寸、质量分布和

22、制造装配质量有关；为了不至于激起结构的振盈和系统的共振，Paul 于 1981 年建议：闭环系统无阻尼自然频率n 必需限制在关节结构共振频率的一半之内，即：欢迎下载精品学习资源n 依据这一要求来调整反馈增益kp，可以求出：0.5r欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源0kp0 J 0 Ra24ka欢迎下载精品学习资源k p 求出后，相应的速度反馈增益k v 可求得：欢迎下载精品学习资源Ra0kvJ 0 J effRa feffkakakb欢迎下载精品学习资源6. 答：设计和应用工业机器人时，应全面考虑和均衡机器人的通用性、环境的适应性、耐久性、牢靠性和经济性等因素，详细遵循的准就如下；(1)

23、 从恶劣工种开头采纳机器人机器人可以在有毒、风尘、噪声、振动、高温、易燃易爆等危急有害的环境中长期稳固地工作；在技术、经济合理的情形下，采纳机器人逐步把人从这些工作岗位上代替下来，将从根本上改善劳动条件；(2) 在生产率和生产质量落后的部门应用机器人欢迎下载精品学习资源现代化的大生产分工越来越细，操作越来越简洁，劳动强度越来越大；机器人可以高效地完成一些简洁、重复性的工作，使生产效率、产品质量获得明显的改善；(3) 要估量长远需要一般来讲，人的寿命比机械的寿命长，不过，假如常常对机械进行保养和修理，对易换件进行补充和更换，有可能使机械寿命超过人；另外；工人会由于其自身的意志而舍弃某些工作，造成

24、辞职或停工，而工业机器人没有自己的意愿，因此机器人的使用不会在工作中途因故障以外的缘由停止工作，能够连续从事所交给的工作，直至其机械寿命完结；(4) 机器人的投入和使用成本虽说机器人可以使人类摆脱很脏、很危急或很繁重的劳动，但是工厂经理们极关怀的是机器人的经济性；在经济方面所考虑的因素包括劳力、材料、生产率、能源、设备和成本等；可以用归仍期Y 定量地衡量机器人使用的合理性；假如机器人的使用寿命大于其归仍期，使用机器人是有效益的；(5) 应用机器人时需要人在应用工业机器人代替工人操作时，要考虑工业机器人的现实才能以及工业机器人技术学问的现状和将来赐予猜测；用现有的机器人原封不动地取代目前正在工作

25、的全部工人，并接替他们的工作，明显是不行能的；在平均才能方面，与工人相比，工业机器人显得过于逊色；但在承担环境条件的才能和牢靠性方面， 工业机器人比人优越；因此要把工业机器人支配在生产线中的恰当位置上，使它成为工人的好助手；四、运算题：T1. 解：点 u 的齐次坐标为： 7,3, 2,1100037001022000111001032010077100023000111100426010374001731000011101 0 073v = Rotz,90 u =w = Roty,90 v =t = Trans4,-3,7w =2. 解：建立如图1 的参考坐标系，就欢迎下载精品学习资源c1s1

26、00c2s20L1c3s30L2欢迎下载精品学习资源10T =s1c100s21, T2 =c200s32, T3 =c300欢迎下载精品学习资源001000010010000100100001欢迎下载精品学习资源x3y3x2y0y2y1x1Ox0图 1欢迎下载精品学习资源010T3 = T1 T22T3 =c123 s123s123 c1230L1c10L1s1L2c12 L2 s12欢迎下载精品学习资源00100001欢迎下载精品学习资源其中 c123cos123, s123sin123.欢迎下载精品学习资源3. 解：如图 2 所示，逆运动学有两组可能的解；P22y 11x图 2第一组解：

27、由几何关系得欢迎下载精品学习资源x L1 cos 1L2 cos121欢迎下载精品学习资源y L1 sin 1L2 sin122欢迎下载精品学习资源1式平方加 2式平方得欢迎下载精品学习资源x2y2L2L22L Lcos欢迎下载精品学习资源12122x2y2L2L2欢迎下载精品学习资源2arccos122L1L2欢迎下载精品学习资源y1arctanarctanL2 sin2欢迎下载精品学习资源xL1L2 cos 2x2y2L2L2欢迎下载精品学习资源其次组解：由余弦定理，arccos122L1L2欢迎下载精品学习资源2arctany12x4. 解：由关节角给出如下姿势：欢迎下载精品学习资源L1

28、 sin 1JL1 cos 1L2 sin12L2 cos12L2 sin12L2 cos12L2L2L10欢迎下载精品学习资源由静力学公式J T F欢迎下载精品学习资源AAJT FL2 L1fxL2 f x欢迎下载精品学习资源L200L2 f x欢迎下载精品学习资源TBJ FBL2 L10L20f yL1 f y0欢迎下载精品学习资源5. 解：由于： Jl1s 1l1c 1l2 s12l 2c12l2 s12l2c12欢迎下载精品学习资源因此，逆雅可比矩阵为：J 11l 2c12l2 s12欢迎下载精品学习资源l1l2s 2l1c 1l 2c12l1s 1l2 s12欢迎下载精品学习资源由于

29、，J 1v ，且 v=1, 0 T，即 vX=1m/s， vY=0，因此欢迎下载精品学习资源11l2c12l 2 s121欢迎下载精品学习资源2l1l 2s 2l1c 1l2 c12l1 s 1l 2 s120欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源1c12 l1s 21 rad/s=-2rad/s 0.5欢迎下载精品学习资源c 12l 2 s 2c12l1s 24rad/s欢迎下载精品学习资源算出最终结果 2 分因此，在该瞬时两关节的位置分别为，1=30，2=-6 0；速度分别为1 =-2rad/s， 2 =4 rad/s ； 手部瞬时速度为 1m/s ；s1 = sin 1欢迎下载精品学习

30、资源式中：s12= sin 1+2 欢迎下载精品学习资源6. 解：建立如图的坐标系，就各连杆的DH参数为：z1y3x 1x 2x 3y1z2z3z0y0L 2x0欢迎下载精品学习资源连杆转角 n偏距 dn扭角i 1杆长 ai 1欢迎下载精品学习资源112033由连杆齐次坐标变换递推公式L100d2900L200欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源c iTi 1s i c i 1 is ic i c i 10s i 1ai 1di s i 1欢迎下载精品学习资源s i s i 1c i s i 1c i 1di c i 1欢迎下载精品学习资源有c 1s 10000011000c 3s 300

31、欢迎下载精品学习资源0s 1c 1001001d22s 3c 300欢迎下载精品学习资源001L10100001L2故0001000100011T， 2T， 3T欢迎下载精品学习资源0012c 1c 3s 1c 3c 1s 3s 1s 3s 1sc 1c1L21 L2s 1d2c 1d2欢迎下载精品学习资源3T1T 2T 3Ts 3c 30写出最终结果 2 分L1欢迎下载精品学习资源s 1式中： c 1sin1cos 10001欢迎下载精品学习资源三连杆操作臂的逆运动学方程：第一组解：由几何关系得欢迎下载精品学习资源x L2cos 2L3 cos 23 1欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源y L2 sin 2L3 sin 23 2欢迎下载精品学习资源22将 1式平方加 2式平方得欢迎下载精品学习资源222x2y2232L2 L3cos 3欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源LL由此式可推出3arccos xy23欢迎下载精品学习资源Ly2arctan2L2L3L2arctanL3 sin 3欢迎下载精品学习资源xL2L3 cos 3欢迎下载精品学习资源其次组解：由余弦定理x2y2L2 L22L Lcos，得欢迎下载精品学习资源2323L2 L2x2y2欢迎下载精品学习资源arccos232L2 L2欢迎下载精品学习资源23 32-arctany2x欢迎下载