2022年机器人复习题及参考答案 .docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 课程考试复习题及参考答案 机器人学导论 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：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

2、哪些？5. 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

3、的应用准就；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 7,3,2T,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；1 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - ztv w2. 如下图为具有三个旋转关节的Oy x0, y0 下的运动学方程；xu3R机械手,求末端机械手在基坐标系 3L 3y0

4、2L 2L 1 1Ox01 和2. x, y ,试求其关节旋转变量旋转关节机械手,已知机器人末端的坐标值Py2L2L 1 1x两自由度机械手在如图位置时1= 0 , 2= /2,生成手爪力F A = fx0 T 或 FB = 0 f y T；求对应的驱动力A 和B ；2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - yF B0yfPFAxf0L221xL 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

5、时刻的关节速度；已知两自由度机械手速度雅可比矩阵为Jl s11l s 2 12l s 2 12l cl c 12l c 12y0Ol11x0l2- 2y3v3x36. 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 动学方程；RPR 机械手,求末端机械手的运L 1d2L 21L3 33 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 参考答案一、名词说明题：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

6、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

7、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 Propagatio

8、n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：Autonomous Underwater Vehicle 二、简答题：无缆自治水下机器人,或自动海底车；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

9、,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,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：dLLd tqq式中, q 是广义坐标； 是广义力； L 是拉格朗日算子,表示为L K P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,

10、 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4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 人运动的位置、速度、加速度等参数；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

11、 ；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 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,8.运算出被测物体的距离R,假设

12、空气中的声速为v,就被测物与传感器间的距离R为：2 视Rvt/ 2假如空气温度为T ,就声速 v 可由下式求得：v331.50.607 Tm/s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；频信号数字化设备, 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

13、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；确的掌握讯号,作为系统的输入值；4 逆模糊化：将推理所得到的模糊值转换为明11. 答：机器人编程语言可分为：1

14、 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,特别适用于组装作业；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

15、：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；2 机器人掌握5 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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 的关系；动力学研究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

21、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；6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5.答：二阶系统的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

22、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：R feffk kbk kv12k k JeffR a因而速度反馈增益k v 为：kv2 k k JeffR aaR feffk kbk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：6. n0.5 r依据这一要求来调整反馈

23、增益kp,可以求出：0kp2 J R a4k ak p 求出后,相应的速度反馈增益k v 可求得：kvR 0J Jeffk aR feffk kb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 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7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 12 页精选学习资

24、料 - - - - - - - - - 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 单、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

25、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的全部工人,并接替他们的工作,明显是不 可能的；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

26、手；四、运算题：1. 解：点 u 的齐次坐标为：7,3, 2,1T3L 1,2T =c 3s 30L201 0 07 v = Rotz,90 u = 100 0370 01 0220 00 11100 1 032 w = Roty,90 v = 01 0 0771 00 0230 00 11110 0426 t = Trans4,-3,7w = 0 1 037400 17310000 1112. 解：建立如图1 的参考坐标系,就s 20c 1s 100c 20T =s 1c 100,1T =s 2c 200s 3c 3000010001000100001000100018 名师归纳总结 - -

27、 - - - - -第 8 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - x3y3 x2y1y0y2x0Ox1图 1 其中c 1230T =0T 11T 22T =c 123s 123102L c 1 13L c 2 12s 123c 1230L s 1 1L s 2 120010cos123,0001s 123sin.3. 解：如图 2 所示,逆运动学有两组可能的解；Py2 211x图 2 第一组解：由几何关系得9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - xL 1cos1L 2cos121yL 1s

28、in1L 2sin1221式平方加 2式平方得x2y22 L 12 L 22L L 2cos22x2y 2L 21L 222arccos2 xy22 L 12 L 22L L 21arctanyarctanL 1L 2sin2xL 2cos其次组解：由余弦定理,arccos2 L L 222arctany1x4. 解：由关节角给出如下姿势：JL1sin1L 2sin12L2sin12l sL 2L2L 1cos1L2cos12L2cos12L 10由静力学公式T J FAT J F AL2L 1fxL fxL 200L fxl s 2 12l s 2 12BT J F BL 2L 10L fy

29、L20fy05. 解：由于：Jl s1l s 2 12l s 2 12l cl c 2 12l c 2 121因此,逆雅可比矩阵为：J112l c 12l l sl c1l c 2 121由于,J1v ,且 v=1, 0T,即 vX=1m/s,vY=0,因此10 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 11l c 2 12l s 2 1212l l s2l c 11l c 2 12l s 11l s 2 1201=-2rad/s ,2=4 rad/s ；1c 1221 rad/s=-2rad/s 0.5l s 12c1

30、2c 1224rad/sl s 2l s 1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 ；速度分别为手部瞬时速度为1m/s ；s1= sin 1式中：s 12= sin 1+ 26. 解：建立如图的坐标系,就各连杆的DH参数为：z1x1x2y3x3y1z2z3z0y0L 2x0连杆转角n偏距dn扭角i1杆长ia11 10 0L 12 0 d29003 3L 20 0由连杆齐次坐标变换递推公式i1 T icii1si10i11a i1i11s c ic c iisd s is si1c si1cid ci0001有0 1 Tc1s100,1 2 T10002,2

31、 3 Tc3s300s1c100001ds3c300001L 10100001L2000100010001故11 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - c c3c s3s1s L2s d2式中：0 3 T10 1 T T T 1 2s c3s s3c1c1L 2c d 2写出最终结果2 分s3c30L 1ssin10001c1cos1三连杆操作臂的逆运动学方程：第一组解：由几何关系得xL 2cos2L 3cos231yL 2sin2L 3sin232将 1式平方加 2式平方得x22 y2 L 22 L 32L 2L 3cos3由此式可推出3arccosx2y22 L 22 L 3,得2L2L32arctanyarctanL2L 3sin33xL 3cos其次组解：由余弦定理x2y22 L 22 L 32L 2L3cosarccos2 L 22 L 3x22 y2 2 L 22 L 33-arctany22x12 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 12 页