机器人基础考试精彩试题重点(河南理工大学)

（二）简答题

1.智能机器人的所谓智能的表现形式是什么？

答:推理判断、记忆

2.机器人分为几类？

答:首先，机器人按应用分类可分为工业机器人、极限机器人、娱乐机器人。1)工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检验机器人，主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中。

2)极限机器人主要是指用在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，包括建筑、农业机器人。

3)娱乐机器人包括弹奏机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等。也有根据环境而改变动作的机器人。

其次，按照控制方式机器人可分为操作机器人、程序机器人、示教机器人、智能机器人和综合机器人。

3. 机器人由哪几部分组成？

机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交换系统、人机交换系统和控制系统。

4. 什么是自由度？

答:人们把构建相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度。

5. 机器人技术参数有哪些？各参数的意义是什么？

答:机器人技术参数有:自由度、精度、工作围、速度、承载能力

1）自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度。在三维空间里描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。但是，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，也可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。

2）精度：工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度（即重复度）。

3）工作围：是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。

4）速度；速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。

5)承载能力：是指机器人在工作围的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有

关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括机器人末端操作器的质量。

6. 机器人手腕有几种？试述每种手腕结构。

答：机器人的手臂按结构形式分可分为单臂式，双臂式及悬挂式按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的。如手臂的伸缩，升降及横向移动，有回转运动的如手臂的左右回转上下摆动有复合运动如直线运动和回转运动的组合。2直线运动的组合2回转运动的组合。手臂回转运动机构，实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片是回转缸，齿轮转动机构，链轮传动和连杆机构手臂俯仰运动机构，一般采用活塞油（气）缸与连杆机构联用来实现手臂复合运动机构，多数用于动作程度固定不变的专用机器人。

7. 机器人机座有几种？试述每种机座结构。

答：机器人几座有固定式和行走时2种

1)固定式机器人的级左右直接接地地面基础上，也可以固定在机身上

2)移动式机器人有可分为轮车机器人，有3组轮子组成的轮系四轮机器人三角论系统，全方位移动机器人，2足步行式机器人，履带行走机器人

8. 试述机器人视觉的结构及工作原理

答:机器人视觉由视觉传感器摄像机和光源控制计算器和图像处理机组成原理：由视觉传感器讲景物的光信号转换成电信号经过A/D转换成数字信号传递给图像处理器，同时光源控制器和32 摄像机控制器把把光线，距离颜色光源方向等等参数传递给图像处理器，图像处理器对图像数据做一些简单的处理将数据传递给计算机最后由计算器存储和处理。

9. 工业机器人控制方式有几种？

答：工业机器人的控制方式多种多样，根据作业任务的不同，主要分为点位控制方式、连续轨迹控制方式、力（力矩）控制方式和智能控制方式。

1）点位控制方式（PTP）

这种控制方式的特点是只控制工业机器人末端执行器在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹则不作任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间。

2）连续轨迹控制方式（CP）

这种控制方式的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度围运动，而且速度可控，轨迹光滑，运动平稳，以完成工作任务。

3）力（力矩）控制方式

在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号，因此系统中必须有力（力矩）传感器。有时也利用接近、滑动等传感功能进行自适应式控制。

4）智能控制方式

机器人的智能控制时通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身部的知识库做出相应的决策。采用智能控制技术，使机器人具有了较强的适应性及自学习功能。智能控制技术的发展有赖于近年来人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。

10. 机器人参数坐标系有哪些？各参数坐标系有何作用？

答:工业机器人的坐标形式有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。

1）直角坐标/笛卡儿坐标/台架型（3P）

这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通常还带有附加道德旋转关节，用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在X、Y、Z轴上的运动是独立的，运动方程可独立处理，且方程是线性的，因此，很容易通过计算机实现；它可以两端支撑，对于给定的结构长度，刚性最大：它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度。但是，它的操作围小，手

臂收缩的同时又向相反的方向伸出，即妨碍工作，且占地面积大，运动速度低，密封性不好。

2）圆柱坐标型（R3P）

圆柱坐标机器人由两个滑动关节和一个旋转关节来确定部件的位置，再附加一个旋转关节来确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转一个角，工作围可以扩大，且计算简单；直线部分可采用液压驱动，可输出较大的动力；能够伸入型腔式机器部。但是，它的手臂可以到达的空间受到限制，不能到达近立柱或近地面的空间；直线驱动器部分难以密封、防尘；后臂工作时，手臂后端会碰到工作围的其它物体。3）球坐标型（2RP）

球坐标机器人采用球坐标系，它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转，中心支架附近的工作围大，两个转动驱动装置容易密封，覆盖工作空间较大。但该坐标复杂，难于控制，且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。

4）关节坐标型/拟人型（3R）

关节机器人的关节全都是旋转的，类似于人的手臂，是工业机器人中最常见的结构。

5）平面关节型

这种机器人可看作是关节坐标式机器人的特例，它只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。

11.机器人学主要包含哪些研究容？

答：机器人研究的基础容有以下几方面：(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。

12.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？

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回转，具有占地面积小而工作围大的特点。(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。

13.机器人控制系统的基本单元有哪些？

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（PWM）方式进行驱动。(4) 运动特性检测传感器，用于检测机器人运动的

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

14.常见的机器人外部传感器有哪些？

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。

15.机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？

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，其任务是把摄像机或者CCD输出的信号转换成方便计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) 计算机及其设备，根据系统的需要可以选用不同的计算机及其外设来满足机器人视觉信息处理及其机器人控制的需要；(5) 机器人或机械手及其控制器。

16.从描述操作命令的角度看，机器人编程语言可分为哪几类？

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：允许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：只要直接指定操作容就可以了，为此，机器人必须一边思考一边工作。

17. MOTOMAN 机器人示教盘模式旋钮上有三种模式，分别是哪三种，并写

出三种模式各自的特点。

答案：

示教模式人教机器人称作示教。

再现模式执行程序，机器人自动运行。

远程模式通过外部信号进行的操作，相当于遥控。

18. MOTOMAN 机器人上有三种安全模式，分别是哪三种，并写出三种模式各自的特点。

答案：

三种模式分别是：PLAY再现模式、TEACH示教模式、REMOTE远程模式。

再现模式可以用来对示教完的程序进行再现运行以及各种条件文件的设定、修改或删除，在此模式下外部设备发出的启动信号无效

示教模式可以用示教编程器进行轴操作和编辑，编辑、示教程序，修改已登录的程序，以及各种特性文件和参数的设定，在此模式下外部设备发出的启动信号

无效远程模式下机器人由外部信号进行操作，可以接通伺服电源、启动、调出主程序、设定循环等与开始运行有关的操作，数据传输功能有效，此时示教盘上的启动按钮无效。

（三）论述题

1.试论述机器人技术的发展趋势。

答：科学技术水平是机器人技术的基础，科学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的水平。未来机器人技术的主要研究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。探索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、可重构方向发展。(2) 机器人控制技术。重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。(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。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别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协调控制，通过网络建立大围的机器人遥控系统，在有时延的情况下，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) 多智能体控制技术。这是目前机器人研究的一个崭新领域。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、群体行为控制等方面进行研究。

(7) 微型和微小机器人技术。这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究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可估量的影响，微型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方，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、休闲和娱乐场合。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、控制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。这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。

试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。

答：精度、重复精度和分辨率用来定义机器人手部的定位能力。

精度是一个位置量相对于其参照系的绝对度量，指机器人手部实际到达位置与所需要到达的理想位置之间的差距。机器人的精度决定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，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。如果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，而是在一平均值附近变化，该平均值代表精度，而变化的幅度代表重复精度。

分辨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。精度和分辨率不一定相关。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达到的运动位置之间的差距，分辨率则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、重复精度和分辨率要根据其使用要求确定的。机器人本身所能达到的精度取决于机器人结构的刚度、运动速度控制和驱动方式、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分辨率是变化的，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.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。

答：轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人，在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。车轮的形状或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。在轨道上运行的多采用实心钢轮，室外路面行驶的采用充气轮胎，室平坦地面上的可采用实心轮

胎。足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力，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选择最优的支撑点，而轮式行走工具必须面临最坏的地形上的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔震能力，尽管地面高低不平，机身的运动仍然可以相当平稳；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.试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。

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τ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。而运动学研究从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系。

在考虑控制时，就要考虑在机器人的动作中，关节驱动力τ会产生怎样的关节位置θ、关节速度θ、关节加速度θ，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，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。

（四）计算题（需写出计算步骤，无计算步骤不能得分）：

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。

解：点u的齐次坐标为：[]

7,3,2,1T

v = Rot(z,90°)u =

010073 100037 001022 000111

--??????????????????

??????????????????

w = Rot(y,90°)v =

001032 010077 100023 000111

??????????????????

??????-

????????????

t = Trans(4,-3,7)w =

100426 010374 0017310 000111????????????

??????

??????????????????

2. 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。

解：建立如图1的参考坐标系，则

T =111

1000000100

001c s s c -????????

????,21T =2

212200000100

01c s L s c -?????????

???,32T =3

323

30000

0100

01c s L s c -??

??????

????

T =10T 21T 32T =12312311212123

12311212000010

01c s L c L c s

c L s L s -+????+??????

其中()()123123123123cos ,sin c s θθθθθθ=++=++.

3. 如图所示为平面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θ1和θ2.

解：如图所示，逆运动学有两组可能的解。

第一组解：由几何关系得

()11212cos cos x L L θθθ=++ （1） ()11212sin sin y L L θθθ=++ （2）（1）式平方加（2）式平方得

222

2121222cos x y L L L L θ+=++

222

212

212arccos 2x y L L L L θ??+--=>= ???

221122sin arctan arctan cos L y x L L θθθ????

=- ? ?+????

第二组解：由余弦定理， ()222

212

12arccos 2x y L L L L α??-+++?

?=????

'θπα=+

()1

'arctan 2

y x παθ-??

+ ???

4. 如图所示两自由度机械手在如图位置时（θ1= 0 , θ2=π/2），生成手爪力 FA = [ fx 0 ]T 或FB = [ 0 fy ]T 。求对应的驱动力 τA 和τB 。

0x f ???

解：由关节角给出如下姿态：

()()()()11212212221

11212212sin sin sin 0cos cos cos L L L L L J L L L L θθθθθθθθθθ--+-+??--??

==?

???+++?????

? 由静力学公式T J F τ=

2212200x x T A A x L f L L f J F L L f τ--??

????===???

???

--??????

1212000y T

B B y L f L L J F f L τ-????

??===??????-??????

5. 如图所示的两自由度机械手，手部沿固定坐标系在手上X 0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θ1=30°，θ2=-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

11212

21211212

212l s l s l s l c l c l c θθ---??

?+??

解：因为：11212

21211212212l s l s

l s l c l c l c θθ---??

=??+??

J 因此，逆雅可比矩阵为：212212111212

11212122

1l c l s l c l c l s l s l l s θθθ-?

??----??

因为，1-=J v θ，且v =[1, 0]T ，即v X =1m/s ，v Y =0，因此

1212212112121121212221211211222212

1101rad/s=-2rad/s 0.5

4rad/s l c l s l c l c l s l s l l s c l s c c

l s l s θθθθθθθθθθθ???

???=??????----????????

===-

（算出最后结果2分）

因此，在该瞬时两关节的位置分别为， θ1=30°，θ2=-60°；速度分别为

1θ=-2rad/s ，2θ=4 rad/s ；手部瞬时速度为1m/s 。

式中：??????

1212

s θ=sin θs =sin(θ+θ) 6. 如图所示的三自由度机械手（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。

解：建立如图的坐标系，则各连杆的DH 参数为：

由连杆齐次坐标变换递推公式

111

100

i i i i i i i i i i i i i i i i i i c s a s c c c s d s T s s c s c d c θθθαθαααθαθααα-----------??

??--??=??

???

有

11110

100000010

01c s s c T L θθθθ-??????=??

????，212100000101000001d T ????--??=??????，3

333

2320

0000010

01c s s c T L θθθθ-??????=??

???

故

1313112121313112120012

2333

1c c c s s s L s d s c s s c c L c d T T T T s c L θθθθθθθθθ

θθθθθθθ-+????----??==????

（写出最后

结果2分）

式中：11

11sin cos s c θθθθ==

三连杆操作臂的逆运动学方程：

第一组解：由几何关系得

)cos(cos 32322θθθ++=L L x （1） )sin(sin 32322θθθ++=L L y （2）将（1）式平方加（2）式平方得

3322

32222cos 2θL L L L y x ++=+

由此式可推出

???

??--+=322

3222232arccos L L L L y x θ ???? ??+-??? ??=332

332cos sin arctan arctan θθθL L L x y 第二组解：由余弦定理?-=+cos 2322

32222L L L L y x ，得

()??

????+-=?2

3222

223222arccos L L y x L L ?+=πθ'3 ??

??+?

x y arctan 2-'2πθ 7. 下面的坐标系矩阵B 移动距离d=(5，2，6)T ：

???

???-=1000

6100400120

B 求该坐标系相对于参考坐标系的新位置。

解：

100501020102100400160016000

101071006001120

001B ?????????

???=????-????????

??????=??

-??