机器人技术及其应用-谢存禧测试试卷答案

机器人技术测试试卷
班级：学号：姓名：分数：
一、填空题（1分*10=10分）
1、世界上第一台机器人于1954年诞生于美国，被称为世界第一的“机器人王国”是日本国。

2、大多数的机器人有四个共同的主要部件：1）机械部分，2）一个或多个传感器，3）控制器，4）驱动源。

3、要使机器人拥有智能，对环境变化做出反应，首先，必须使机器人具有感知环境的能力，用传感器采集信息是机器人智能化的第一步；其次，如何采取适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业，则是提高机器人智能程度的重要体现。

4、机器人的的视觉应用可以大致分为3类：视觉检验，视觉导引和过程控制，以及近年来迅速发展的移动机器人视觉导航。

其应用领域包括电子工业、汽车工业、航空工业，以及食品和制药等各个工业领域。

二、选择题（2分*5=10分）
1．当代机器人大军中最主要的机器人为：(1)
1)．工业机器人2)．军用机器人3)．服务机器人4)．特种机器人
2．一个刚体在空间运动具有几个自由度(4)
1)．3个2)．4个3)．5个4)．6个
3．手部的位姿是由哪两部分变量构成的(2)
1)．位置与速度2)．姿态与位置 3)．位置与运行状态4)．姿态与速度
4．传感器在整个测量范围内所能辨别的被测量的最小变化量，或者所能辨别的不同被测量的个数，被称之为传感器的_____3____。

1)．精度2)．重复性3)．分辨率4)．灵敏度
5．测速发电机的输出信号为(1)
1)．模拟量2)．数字量3)．开关量4)．脉冲量
三、名词解释题：（3分*5=15分）
1.自由度：指描述物体运动所需要的独立坐标数。

2.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。

3.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。

4.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。

5.图像锐化：突出图像中的高频成分，使轮廓增强。

四、简答题：（5分*5=25分）
1.机器人学主要包含哪些研究内容
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.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义 答：拉格朗日运动方程式一般表示为：
d d L L
τt q q
⎛⎫∂∂-
= ⎪∂∂⎝⎭ 式中，q 是广义坐标；τ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。

3.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。

4.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。

5.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
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。

五、解答题（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。

1.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。

2.解：建立如图1的参考坐标系，则
10
T =111
1000000100
001c s s c -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,21T =2
2
12200000100
01c s L s c -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢
⎥⎣⎦,32T =3
3
23300000100
01c s L s c -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
y
图1
30
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θ1和θ2.
P
3.解：如图2所示，逆运动学有两组可能的解。

图2
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⎡⎤-+++⎢
⎥=⎢⎥⎣⎦
2
'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 F A = [ f x 0 ]T 或F B = [ 0 f y ]T 。

求对应的驱动力 τA 和τB 。

0x f ⎤⎥⎦
4.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-⎡⎤⎡⎤
⎡⎤===⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦。