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1、机器人复习题及参考答案课程考试复习题及参考答案 机器人学导论 一、名词解释题： 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： 6.机器人动力学： 7.虚功原理： 8.PWM驱动： 9.电机无自转： 10.直流伺服电机的调节特性： 11.直流伺服电机的调速精度： 12.PID控制： 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研究内容？ 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.机器人控制系统
2、的基本单元有哪些？ 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？ 9.为什么要做图像的预处理？机器视觉常用的预处理步骤有哪些？ 10.请简述模糊控制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发展趋势。 2.试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。 3.试论述轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合。 4.试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。 5.机器人单关节
3、伺服控制中，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用准则。 四、计算题： 1.已知点u的坐标为7,3,2T，对点u依次进行如下的变换：绕z轴旋转90得到点v；绕y轴旋转90得到点w；沿x轴平移4个单位，再沿y轴平移-3个单位，最后沿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 ztvwOxuy2.如图所示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。 3L3y0L12L21Ox03.如图所示为平面内的两旋转关节机械手，已知机器人末端的坐标值x,y，试求其关节旋转变量和2. P1yL12L21x4.如图所示两自
4、由度机械手在如图位置时，生成手爪力 FA = fx 0 T 或FB = 0 fy T。求对应的驱动力 A和B 。 2 yP210FBfyFAfx0L2x5.如图所示的两自由度机械手，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L1l1=l2=0.5m。设在某时刻1=30，2=-60，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 -l1sq1-l2s12J=l1cq1+l2c12y0l1-l2s12 l2c12-2l2x0y3v3x31O6.如图所示的三自由度机械手，求末端机械手的运动学方程。 L2d2L33L11 3 参考答案 一、名词解释题： 1. 自由度：指描述
5、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围内，机械接口处能承受的最大负载量。 3. 柔性手：可对不同外形物体实施抓取，并使物体表面受力比较均匀的机器人手部结构。 4. 制动器失效抱闸：指要放松制动器就必须接通电源，否则，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衡的必要且充分条件是对结构上允许的任意位移施力所作功之和为零。 8. PW
6、M驱动：脉冲宽度调制驱动。 9. 电机无自转：控制电压降到零时，伺服电动机能立即自行停转。 10. 直流伺服电机的调节特性：是指转矩恒定时，电动机的转速随控制电压变化的关系。 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控制：指按照偏差的比例、积分、微分进行控制。 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 (Ba
7、ck 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：Autonomous Underwater Vehicle 无缆自治水下机器人，或自动海底车。 二、简答题： 1. 答：机器人研究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) 机器人控制技术；(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
8、间，直观等优点。(2) 立柱式。多采用回转型、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围大的特点。(3) 机座式。可以是独立的、自成系统的完整装置，可随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。(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： dLL= -dtqq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：构成机器人控制系统的基本要素包括： (1) 电动机，提供驱动
9、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交流伺服电动机的流经电流较大，机器人常采用脉冲宽度调制方式进行驱动。(4) 运动特性检测传感器，用于检测机器4 人运动的位置、速度、加速度等参数。(5) 控制系统的硬件，以计算机为基础，采用协调级与执行级的二级结构。(6) 控制系统的软件，实现对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制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，是指按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。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，
10、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，是指电动机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，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况下运行时，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，根据经被测物体反射回来的回波延迟时间t，计算出被测物体的距离R，假设空气中的声速为v
11、，则被测物与传感器间的距离R为： R=vDt/2 如果空气温度为T。对于动力学来说，除了与连杆长度有关之外，还与各连杆的质量，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 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，我们希望系统具有临界阻尼或过阻尼，即要求系统的阻尼比1。把由二阶系统特征方程标准形式所求得的n代入可得： =Rafeff+kakb+kakv2kakpJeffRa1 因而速度反馈增益k v为： kv2kakpJe
12、ffRa-Rafeff-kakbka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，必须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XX年建议：闭环系统无阻尼自然频率n必须限制在关节结构共振频率的一半之内，即： n0.5r 根据这一要求来调整反馈增益kp，可以求出： 20J0Ra0q2=arccos 2LL12L2sinq2yq1=arctan-arctan xL+Lcosq1222-(x2+y2)+L1+L22第二组解：由余弦定理， a=arccos 2LL12
13、q=p+a 2q=1(p-a)+arctany2 x4.解：由关节角给出如下姿态： -L1sinq1-L2sin(q1+q2)J=L1cosq1+L2cos(q1+q2)由静力学公式t=JF T-L2sin(q1+q2)-L2-L2= L0L2cos(q1+q2)1-L2L1fx-L2fxtA=JFA=-Lf -L0202xT-L2L10L1fytB=JFB= f=-L02y0T-l1sq1-l2s125.解：因为：J=l1cq1+l2c12因此，逆雅可比矩阵为：J-l2s12 l2c12-11=l1l2sq2l2c12-lcq-lc11212 -l1sq1-l2s12l2s12因为，q=Jv
14、，且v=1, 0T，即vX=1m/s，vY=0，因此 -1 10 q1l2c12l2s1211=-lcq-lc0-lsq-lsllsqq11212112121222c1q1=12=rad/s=-2rad/s l1sq20.5q2=-cq1c-12=4rad/sl2sq2l1sq2q2=4 因此，在该瞬时两关节的位置分别为， 1=30，2=-60；速度分别为q1=-2rad/s，rad/s；手部瞬时速度为1m/s。 s1=sin1式中：s12=sin(1+2) 6.解：建立如图的坐标系，则各连杆的DH参数为： z1y1z0x1x2z2y3x3z3y0L2x0连杆 1 2 3 转角qn 偏距dn
15、扭角ai-1 0 90 0 杆长ai-1 0 0 0 q1 0 q3 L1 d2 L2 由连杆齐次坐标变换递推公式 -sqicqisqcacqicai-1i-1Ti=ii-1sqisai-1cqisai-100有 0-sai-1cai-10-disai-1 dicai-11-sq3cq300000 1L2010ai-1cq1sq0T=1100故 -sq10cq100010001，2T=01L1010000cq3sq0-1-d22，3T=301000010 11 cq1cq3sqcq130012T=TTT=3123sq30-cq1sq3-sq1sq3cq30sq1-cq100sq1L2+sq1d
16、2-cq1L2-cq1d2 L11sq1=sinq1式中：cq1=cosq1 三连杆操作臂的逆运动学方程： 第一组解：由几何关系得 x=L2cosq2+L3cos(q2+q3) y=L2sinq2+L3sin(q2+q3) 将式平方加式平方得 2222 x+y=L2+L3+2L2L3cosq3 由此式可推出 2x2+y2-L22-L3 q3=arccos 2LL23L3sinq3y q2=arctan-arctan xL+Lcosq3322222第二组解：由余弦定理x+y=L2L3-2L2L3cos，得 222L22L3-(x+y) =arccos 222LL23 q3=p+ q2= p-y+arctan 2x 12
