机器人学导论习题

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围内，机械接口处能承受的最大负载量（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（虚位

移）施力所作功之和为零。

8. PWM 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. 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。 17. AUV ：无缆自治水下机器人，或自动海底车。 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？ 4.机器人控制系统的基本单元有哪些？ 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？

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。(2)立柱式。(3)机座式。(4)屈伸式。

4.答：构成机器人控制系统的基本要素包括： (1) 电动机，(2) 减速器，(3) 驱动电路，(4) 运动特性检测传感器，(5) 控制系统的硬件，(6) 控制系统的软件，

5.答：直流电动机的额定值有以下几项：(1)额定功率，(2)额定电压，(3)额定电流，(4)额定转速，

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Δt ，计算出被测物体的距离R ，假设空气中的声速为v ，则被测物与传感器间的距离R 为：

/2R v t =??

如果空气温度为T （℃)，则声速v 可由下式求得：

()331.50.607m/s v T =+

8.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。

9.答：预处理的主要目的是清楚原始图像中各种噪声等无用的信息，改进图像的质量，增强兴趣的有用信息的可检测性。从而使得后面的分割、特征抽取和识别处理得以简化，并提高其可靠性。机器视觉常用的预处理包括去噪、灰度变换和锐化等。

10.答：模糊逻辑控制器由4个基本部分组成，即模糊化、知识库、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) 知识库：包含应用领域的知识和控制目标，它由数据和模糊语言控制规则组成。(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况。(4) 逆模糊化：将推理所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，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：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：只要直接指定操作内容就可以了，为此，机器人必须一边思考一边工作。

12.答：(1) 仿人机器人的机构设计；(2) 仿人机器人的运动操作控制，包括实时行走控制、手部操作的最优姿态控制、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) 仿人机器人控制系统体系结构的研究；(5) 仿人机器人的人机交互研究，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.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。

1.答：(1) 工业机器人操作机结构的优化设计技术。(2) 机器人控制技术。控制系统，人机界面更加(3) 多传感系统。(4) 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术。(5) 虚拟机器人技术。(6) 多智能体控制技术。(7) 微型和微小机器人技术。(8) 软机器人技术。(9) 仿人和仿生技术。

2.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。

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。工业机器人的精度、重复精度和分辨率要求是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.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，室内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.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。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。

5.答：二阶系统的特性取决于它的无阻尼自然频率ωn 和阻尼比ξ。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ξ≥1（注意，系统的位置反馈增益k p ＞0表示负反馈）。把由二阶系统特征方程标准形式所求得的ωn 代入可得：

a eff a

b a v

a p eff a

12R f k k k k ξk k J R ++=

≥

因而速度反馈增益k v 为：

a p eff a a eff a b

v a

2k k J R R f k k k k --≥

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1981年建议：闭环系统无阻尼自然频率ωn 必须限制在关节结构共振频率的一半之内，即：

n r 0.5ωω≤

根据这一要求来调整反馈增益k p ，可以求出：

2

00a

p a

04ωJ R k k <≤

k p 求出后，相应的速度反馈增益k v 可求得：

a 00eff a eff a b

v a

R ωJ J R f k k k k --≥

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、可靠性和经济性等因素，具体遵循的准则如下。 (1)从恶劣工种开始采用机器人

(2)在生产率和生产质量落后的部门应用机器人 (3)要估计长远需要 (4)机器人的投入和使用成本 (5)应用机器人时需要人

四、计算题：

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。

x

y

z

O

u

v

w

t

解：点u 的齐次坐标为：[]7,3,2,1T

v = Rot(z,90°)u = 0

100731

00037001022000111--?????????????

?????=??????

???????????? w = Rot(y,90°)v = 00

1032010077100023000111-??????

???????

?????=??????

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

t = Trans(4,-3,7)w = 100

4260

1037400173100

00111??????

??????-?

?????=??????

??????

??????

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{x 0,y 0}下的运动学方程。

θ1

θ2

θ3

L 2

L 1

L 3

x 0

y 0

O

解：建立如图1的参考坐标系，则

10

T =111

1000000100

00

1c s s c -????????????,21T =2

2

12200000100

01c s L s c -????????????,32T =3

3

23

30000

0100

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

????

图1

30

T =10T 21T 32T =1231231121212312311212000010

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

?????

??

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

6.解：建立如图的坐标系，则各连杆的DH 参数为：

L 2x 1

y 1

z 1

z 2x 2z 3

y 3

x 3

y 0z 0

x 0

连杆 转角n θ

偏距n d

扭角1i α-

杆长1i a -

1 1θ

1L 0 0 2 0

2d 90° 0 3

3θ

2L

由连杆齐次坐标变换递推公式

1

11111111100

00

1i

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

1

100000010

01c s s c T L θθθθ-??????=??

??

??，2121

00000101000

001d T ????--??=??????，3

33

32320

00000100

01c s s c T L θ

θθθ-??????=??

?

??? 故

13

13112121313112120012

31

23331

000

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==