1、機器人課程考試復習題庫機器人課程復習、名詞解釋 工作空間：工業機器人執行任務時，其腕軸交點能在空 間活動的范圍 剛體自由度：物體能夠對坐標系進行獨立運動的數目 機器人的自由度：機器人末端構件所具有的獨立運動的 數目。機器人工作載荷：機器人在規定的性能范圍內，機械接 口處能承受的最大負載量（包括手部） 。 機器人運動學正、逆問題：機器人正動力學問題 已知機器人各關節驅動力或力矩， 求機器人各關節軌跡或末端執行器（位姿）軌跡。 機器人逆動力學問題 已知機器人各關節軌跡或末端執 行器（位姿）軌跡，求機器人各關節驅動力或力矩。雅可比矩陣：研究機器人操作空間速度與關節空間速度 間的線性映射關系即雅克比矩

2、陣機器人運動學：從幾何學的觀點來處理手指位置與關節 變量的關系稱為運動學。機器人動力學：機器人各關節變量對時間的一階導數、 二階導數與各執行器驅動力或力矩之間 的關系，即機器人機械系統的運動方程。PWM 驅動：脈沖寬度調制（ Pulse Width Modulation ）驅動 直流伺服電機的調節特性：是指轉矩恒定時，電動機的 轉速隨控制電壓變化的關系。給定轉速之直流伺服電機的調速精度：指調 帶置額或定系負之差，與 示教再現：一種可重復再現通過示教編程存儲起來的作業程序的機器人。示教有直接示教和間接示教 兩種方法。直接示教是操作人員使用插入機器 人手臂內的操作桿，按給定運動順序示教動作 內容，

3、機器人自動把順序、 位置和時間等具體 數值記錄在存儲器中。 再現時，依次讀出存儲 的信息，重復示教的動作過程。 間接示教是采 用示教盒 (或稱示教器 )示教。操作者通過示教 盒按鍵操縱完成空間作業軌跡點及其有關速 度等信息的示教，然后用操作盤對機器人語言 命令進行用戶工作程序的編輯， 并存儲在示教 數據區。再現時，機器人的計算機控制系統自 動逐條取出示教命令與位置數據，進行解讀、 運算并作出判斷，將各種控制信號送到相應的 驅動系統或端口 ,使機器人忠實地再現示教動 作。PID 控制：指按照偏差的比例( P, proportional )、積 分（ I, integral ）、微分（ D, de

4、rivative ） 進行控制。脫機編程：指用機器人程序語言預先進行程序設計，而 不是用示教的方法編程。二、填空題1、機器人按機構特性可以劃分為（關節機器人） 和 （非關節機器人） 兩大類。2、機器人系統大致由 （驅動系統） 、 （機 械系統） 、 （感知系統） 和 （人機交互系統、 機器 -環境交互系統、控制系統等部分組成。3、機器人的重復定位精度是指 （機器人末端執行 器為重復到達同一目標位置（理想位置）而實際到達位 置之間的接近程度） 。4、齊次坐標 0 0 1 0T 表示的內容是z 方向。5、機器人的運動學是研究機器人末端執行器 位姿 和 運動 與關節空間之間的關系。6、如果機器人相鄰

5、兩關節軸線相交， 則聯接這兩個 關節的連桿長度為 零 。7、常用的建立機器人動力學方程的方法有牛頓和 拉格朗日 。8、6 自由度機器人有解析逆解的條件是機器人操作手的獨立關節變量多于末端執行器的運動自由度 數。9、機器人的驅動方式主要有 （液壓） 、 （氣動） 和 （電動） 三種。10、機器人上常用的可以測量轉速的傳感器有 測速發電機 和 增量式碼盤 。11、機器人控制系統按其控制方式可以分為程序 控制方式、 適應性 控制方式和 人工智能 控 制方式。三、選擇題（ 4 選 1）1、機器人三原則是由誰提出的。 （D）（A ）森 政 弘（ B）約 瑟 夫 英 格 伯 格（ C）托莫維奇（D）阿西莫

6、夫2、當代機器人大軍中最主要的機器人為： （A） （A ）工業機器人（B）軍 用機器人（ C）服務機器人（ D）特種機器人3、手部的位姿是由哪兩部分變量構成的？（ B）（ A ）位置與速度 （B ）姿態與位置 （ C）位置與運行狀態（D）姿態與速度4、運動學主要是研究機器人的： （B）（A ）動力源是什么（ B ）運動和時間的關系（ C）動力的傳遞與轉換（D）運動的應用5、動力學主要是研究機器人的： （C）（A ）動力源是什么（ B ）運動和時間的關系（ C）動力的傳遞與轉換（D）動力的應用6、傳感器的基本轉換電路是將敏感元件產生的易測 量小信號進行變換，使傳感器的信號輸出符合具體工業 系統的

7、要求。一般為： （A）（A）420mA 、55V（B）020mA 、05V （C）-20mA 20mA 、55V （D）-20mA 20mA、05V7、傳感器的輸出信號達到穩定時， 輸出信號變化與 輸入信號變化的比值代表傳感器的 參數。（D）（A ）抗干擾能力（B）精度（C）線性度（D）靈敏度86 維力與力矩傳感器主要用于（ D）（A ）精密加工（B）精密測量（C）精密計算（ D）精密裝配9、機器人軌跡控制過程需要通過求解 獲得各個關節角的位置控制系統的設定值。 （B）（A ）運動學正問題（B）運動學逆問題（C）動力學正問題（ D）動力學逆問題10模擬通信系統與數字通信系統的主要區別是什 么？

8、（B）（A ）載波頻率不一樣（ B）信道傳送的信號不一樣（C）調制方式不一樣（ D）編碼方式不一樣四、判斷題（回答 Y/N ） 1機械手亦可稱之為機器人。 Y2完成某一特定作業時具有多余自由度的機器人稱 為冗余自由度機器人。 Y3、關節空間是由全部關節參數構成的。 Y4、任何復雜的運動都可以分解為由多個平移和繞軸 轉動的簡單運動的合成。 Y5、關節 i 的坐標系放在 i-1 關節的末端。 N6手臂解有解的必要條件是串聯關節鏈中的自由度 數等于或小于 6。 N7對于具有外力作用的非保守機械系統， 其拉格朗 日動力函數 L 可定義為系統總動能與系統總勢能之和。 N8由電阻應變片組成電橋可以構成測量

9、重量的傳感 器。Y9激光測距儀可以進行散裝物料重量的檢測。 Y10運動控制的電子齒輪模式是一種主動軸與從動 軸保持一種靈活傳動比的隨動系統。 Y11諧波減速機的名稱來源是因為剛輪齒圈上任一 點的徑向位移呈近似于余弦波形的變化。 N9五、簡答題 /問答題1、國內外機器人技術的發展有何特點？答： 1、傳感器智能機器人發展較快2、新型智能技術的概念和應用研究正醞釀著新 的突破 3、采用模塊化設計技術4、機器人工程系統呈上升趨勢5、微型機器人的研究有所突破 6、應用領域向非 制造業和服務業擴展7、行走機器人研究引起重視 8、開發敏捷制造生產系 統 9 、軍事機器人將裝備部隊2、有哪幾種機器人分類方法？

10、是否還有其他的分類 方法？答： 1、按機械手的幾何結構來分2、按機器人的控制方式分3、按機器人控制器的信息輸入方式分 4、按機器人的智能程度分 5、按機器人的移動性分6、按機器人的用途分103、什么叫做 “機器人三守則 ”？它的重要意義是什 么？4、工業機器人和智能機器人的定義分別是什么？ 工業機器人 是面向工業領域的多關節 機械手 或多自由度 的機器人。 工業機器人 是自動執行工作的機器裝置，是 靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它 可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行， 現代的 工業機器人 還可以根據 人工智能 技術制定的原則 綱領行動。 到目前為止，在世界范圍內還沒

11、有一個統一的 智能機器 人定義。大多數專家認為 智能機器人 至少要具備以下三 個要素：一是感覺要素，用來認識周圍環境狀態；二是 運動要素，對外界做出反應性動作；三是思考要素，根 據感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動作。115、智能機器人的含義是什么？智能機器人具備形形色色的內部信息傳感器和外部 信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受 器外，它還有效應器，作為作用于周圍環境的手段。這 就是筋肉， 或稱自整步電動機， 它們使手、腳、長鼻子、 觸角等動起來。由此也可知，智能機器人至少要具備三 個要素：感覺要素，運動要素和思考要素。6、分析一個空間激光切割機械手至少需要多少自由 度？

12、要求能使激光束的焦點定位，并可切割任意曲面。 定位需要三個自由度，切割曲面需要三個自由度，共計 六個7、機器人的靈活度、 自由度和冗余度的概念及其相 互關系是什么？靈活度 =自由度 +冗余度8、為了將圓柱形的零件放在平板上，機器人至少應 具有幾個自由度？答：一共需要 5個：定位3 個，放平穩 2個129、機器人的精度、重復精度及空間分辨度的含義及 其區別？ 答：精度、重復精度和分辨率用來定義機器人手部的定 位能力。精度是一個位置量相對于其參照系的絕對度量，指 機器人手部實際到達位置與所需要到達的理想位置之間 的差距。機器人的精度決定于機械精度與電氣精度。重復精度指在相同的運動位置命令下，機器人

13、連續 若干次運動軌跡之間的誤差度量。如果機器人重復執行 某位置給定指令，它每次走過的距離并不相同，而是在 一平均值附近變化，該平均值代表精度，而變化的幅度 代表重復精度。分辨率是指機器人每根軸能夠實現的最小移動距離 或最小轉動角度。精度和分辨率不一定相關。一臺設備 的運動精度是指命令設定的運動位置與該設備執行此命 令后能夠達到的運動位置之間的差距，分辨率則反映了 實際需要的運動位置和命令所能夠設定的位置之間的差 距。工業機器人的精度、重復精度和分辨率要求是根據 其使用要求確定的。機器人本身所能達到的精度取決于 機器人結構的剛度、運動速度控制和驅動方式、定位和 緩沖等因素。13由于機器人有轉動關

14、節，不同回轉半徑時其直線分辨 率是變化的，因此造成了機器人的精度難以確定。由于 精度一般較難測定，通常工業機器人只給出重復精度。10、機器人學主要包含哪些研究內容？答 ：機器人研究的基礎內容有以下幾方面： (1)空 間機構學； (2)機器人運動學； (3)機器人靜力學； (4)機器 人動力學； (5)機器人控制技術； (6)機器人傳感器； (7) 機器人語言。11、機器人運動分析的一般過程是什么？為什么要進 行機器人的動力學分析？答： 1、建立坐標系2、確定連桿參數 3、寫出各個齊次矩陣4、寫方程機器人動力學研究目的，建立力、質量和加速度 之間以及力矩、慣量和角速度之間的關系。確定力和力矩，計

15、算每個驅動器所需的驅動力， 以便在機器人連桿和關節上產生期望的加速度。根據有關方程并考慮機器人的外部載荷計算出驅 動器可能承受的最大載荷， 設計出能提供足夠力14及力矩的驅動器。研究機器人不同部件之間的關系，合理地設計出機器人的部件。12、簡述建立工業機器人運動學方程的方法、 步驟。 建立各連桿坐標系， 確定各連桿 D-H 參數，寫出各齊 次矩陣（利用式 i 和 D-H 參數計算各連桿之間的 D-H 矩 陣），寫運動學方程（根據 Tn 1. i. n 建立機器人機構的 運動學方程）13、方向余弦矩陣的特點都有那些“方向余弦矩陣”是由兩組不同的標準正交基的基 底向量之間的方向余弦所形成的矩陣。方

16、向余弦矩陣可 以用來表達一組標準正交基與另一組標準正交基之間的 關系，也可以用來表達一個向量對于另一組標準正交基 的方向余弦。方向余弦矩陣為正交矩陣，其中每列或每行中各元素 平方之和為一，而兩個不同列或不同行中對應元素的乘 積之和則為零。1514、機器人雅可比矩陣的含義是什么？ 關節空間和操作空間的方程系數矩陣（ X? J ? ）15、什么是機器人的奇異狀態？ 機器人的雅克比矩陣的行列式等于零時的狀態，自由 度會減少，母線運動受限制16、簡述齊次變換矩陣的物理含義。x xwxpxy wy py z wz pz 001答： 1、起到坐標變換的作用。 2、代表物體的位置姿態17、工業機器人常用的驅

17、動器有那些類型，并簡要 說明其特點。（1）電動驅動器的能源簡單， 速度變化范圍大， 效率高，轉動慣性小，速度和位置精度都很高，但它們多16與減速裝置相聯，直接驅動比較困難。（ 2）液壓驅動器的優點是功率大， 可省去減速裝置而直 接與被驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快， 伺服驅動具有較高的精度。但需要增設液壓源，易產生 液體泄漏，不適合高、低溫及有潔凈要求的場合。故液 壓驅動器目前多用于特大功率的操作機器人系統或機器 人化工程機械。（ 3）氣動驅動器的結構簡單， 清潔，動作靈敏， 具有緩 沖作用。但也需要增設氣壓源，且與液壓驅動器相比， 功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用

18、于精度不高、但有潔凈、防爆等要求的點位控制機器人。18、常用的工業機器人的傳動系統有那些？ 齒輪傳動，蝸桿傳動，滾珠絲桿出傳動，同步齒形帶 傳動，鏈傳動和行星齒輪傳動19、在機器人系統中為什么往往需要一個傳動（減 速）系統？17因為現在的電機一般速度較高，力矩較小，需要通過傳 動系統降低轉速、提高力矩。20、機器人常用的機身和臂部的配置型式有哪些？答 ：目前常用的有如下幾種形式： ( 1)橫梁式。機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，具有占地面積小，能有效地利用空間，直觀等優點。 (2)立柱式。多采用回轉型、俯仰型或屈伸型的運動型式，一般臂部都可在水平面內回轉，具有占地面積小而工作范圍大的特點。

19、( 3)機座式。可以是獨立的、自成系統的完整裝置，可隨意安放和搬動。也可以具有行走機構，如沿地面上的專用軌道移動，以擴大其活動范圍。(4)屈伸式。臂部由大小臂組成，大小臂間有相對運動，稱為屈伸臂，可以實現平面運動，也可以作空間運動。21、直流電機的額定值有哪些？ 答 ：直流電動機的額定值有以下幾項： (1) 額定功率，是指按照規定的工作方式運行時所能提供的輸出功率。對電動機來說，額定功率是指軸 上輸出的機械功率，單位為 kW 。 (2)額定電壓，是電動機電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V。(3)額定電流，是指電動機按照規定的工作方式運行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為

20、A。 (4)額定轉速，指電動機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電動機的旋轉速度，單位為 r/min 。22、機器人上常用的距離與接近覺傳感器有哪些？。 超聲波，激光、紅外，霍爾傳感器23、常見的機器人外部傳感器有哪些？答 ：常見的外部傳感器包括觸覺傳感器，分為接觸覺傳感器、壓覺傳感器、滑覺傳感器和力覺傳感器。距離傳感器，包括超聲波傳感器，接 近覺傳感器，以及視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器等。24、機器人視覺的硬件系統由哪些部分組成？答 ：(1) 景物和距離傳感器，常用的有攝像機、 CCD 圖像傳感器、超聲波傳感器和結構光設備等； (2) 視頻信號數字化設備，其

21、任務是把攝像 機或者 CCD 輸出的信號轉換成方便計算和分析的數字信號； (3) 視頻信號處理器，視頻信號實時、快速、并行算法的硬件實現設備：如 DSP 系統； (4) 計算機及其設備， 根據系統的需要可以選用不同的計算機及其外設來滿足機器人視覺信息處理及其機器人控制的需要； (5) 機器人或機械手及其 控制器。25、機器人控制系統的基本單元有哪些？答 ：構成機器人控制系統的基本要素包括： (1) 電動機，提供驅動機器人運動的驅動力。 (2) 減速器，為了增加驅動力矩、降低運動速度。 (3) 驅動電路， 由于直流伺服電動機或交流伺服電動機的流經電流較大， 機器人常采用脈沖寬度調制 (PWM )

22、方式進行驅動。 (4) 運動特性檢測傳感器， 用于檢測機器人運動的位置、 速度、 加速度等參數。 (5) 控制系統的硬件， 以計算機為基礎， 采用協調級與執行級的二級結構。 (6) 控制系統的軟件， 實現對機器人運動特性的計算、機器人的智能控制和機器人與人的信息交換等功能。26、請簡述模糊控制器的組成及各組成部分的用途。(1) 模糊化：將檢測輸入變量值變換成相應的論域，將答 ：模糊邏輯控制器由 4 個基本部分組成，即模糊化、知識庫、推理算法和逆模糊化18輸入數據轉換成合適的語言值。 (2) 知識庫：包含應用領域的知識和控制目標，它由數據和模糊語言控制規則組成。 (3) 推理算法：從一些模糊前提

23、 條件推導出某一結論，這種結論可能存在模糊和確定兩種情況。 (4) 逆模糊化：將推理所得到的模糊值轉換為明確的控制訊號，作為系統的輸入值。27、從描述操作命令的角度看，機器人編程語言可 分為哪幾類？答 ：機器人編程語言可分為： (1) 動作級：以機器人末端執行器的動作為中心來描述各種操作，要在程序中說明每個動作。 (2) 對象級：允許 較粗略地描述操作對象的動作、操作對象之間的關系等，特別適用于組裝作業。 (3) 任務級：只要直接指定操作內容就可以了，為此，機器人必須 一邊思考一邊工作。28、什么是變結構系統？為什么要采用變結構控 制？ 一個系統的數學模型的結構參數是隨位置、時間變化而 變化的

24、；因為機器人是典型的非線性變參數系統模型。29、試述機器人滑模變結構控制的基本原理。滑模變結構控制的原理，是根據系統所期望的動態特 性來設計系統的切換超平面，通過滑動模態控制器使系 統狀態從超平面之外向切換超平面收束。系統一旦到達 切換超平面，控制作用將保證系統沿切換超平面到達系 統原點，這一沿切換超平面向原點滑動的過程稱為滑模 控制。30、自適應控制器有哪幾種結構形式？試簡介其工作原理19機器人自適應控制分為三類：模型參考自適應控制、自校正自適應控制和線性攝動自適應控制等。(a)模型參考自適應控制器 ；它的基本設計思想是： 為機器人機械手的狀態方程(傳動)綜合一個控制信號u，或為狀態方程(動

25、力學)綜合一個輸入 F 。這種控制 信號將以一定的由參考模型所規定的期望方式，迫使系 統具有需要特性。(b) 自校正自適應控制器 ；它與 MRAC 方法的主要區 別在于： STAC 用線性離散模型來表示操作機器人系統 的動力學特性，因而其控制器為一數字控制器。這種離 散模型必須借助系統辨識技術， 應用采樣輸入 -輸出數據 來建立。20線性攝動自適應控制器 六、論述題 /綜合題1、試論述機器人技術的發展趨勢。答：科學技術水平是機器人技術的基礎， 科學與技術的發展將會使機器人技術提高到一個更高的水平。 未來機器人技術 的主要研究內容集中在以下幾個方面： (1) 工業機器人操作機結構的優化設計技術。

26、探索新的高強度輕質材料，進一步提高 負載 -自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發展。(2) 機器人控制技術。重點研究開放式、模塊化控制系統，人機界面更加友好， 語言、圖形編程界面正在研制之中。 機器人控制器的標準化和網絡化以及基于 PC 機網絡式控制器已成為研究 熱點。 (3) 多傳感系統。為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有 效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩、非正態分布的情形下的多傳感器融合算法。 (4) 機器人遙控及監控 技術，機器人半自主和自主技術。多機器人和操作者之間的協調控制，通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統，

27、在有時 延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。 (5) 虛擬機器人技術。基于多傳感器、多媒體和虛擬現實以及臨場感應技術，實現 機器人的虛擬遙控操作和人機交互。 (6) 多智能體控制技術。這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體 體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規劃、群體行為控制等方面進行研究。 (7) 微型和微小機器 人技術。這是機器人研究的一個新的領域和重點發展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究的進展將會 引起機器人技術的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產生不可估量的影響，微型機器人技術的研究主要集 中在系統結構、運動方式、控制

28、方，法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面。 (8) 軟機器人技術。主要用于醫療、護 理、休閑和娛樂場合。傳統機器人設計未考慮與人緊密共處，因此其結構材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術要求其 結構、控制方式和所用傳感系統在機器人意外地與環境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。 (9) 仿人和仿生技術。 這是機器人技術發展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎研究。2、試論述精度、重復精度與分辨率之間的關系。答：精度、重復精度和分辨率用來定義機器人手部的定位能力。 精度是一個位置量相對于其參照系的絕對度量，指機器人手部實際到達位置與所需要到達的理想位置之間的差距。機 器人的精度決定于機

29、械精度與電氣精度。重復精度指在相同的運動位置命令下，機器人連續若干次運動軌跡之間的誤差度量。如果機器人重復執行某位置給定 指令，它每次走過的距離并不相同，而是在一平均值附近變化，該平均值代表精度，而變化的幅度代表重復精度。21分辨率是指機器人每根軸能夠實現的最小移動距離或最小轉動角度。精度和分辨率不一定相關。一臺設備的運動精度 是指命令設定的運動位置與該設備執行此命令后能夠達到的運動位置之間的差距，分辨率則反映了實際需要的運動位置和 命令所能夠設定的位置之間的差距。工業機器人的精度、重復精度和分辨率要求是根據其使用要求確定的。機器人本身所能達到的精度取決于機器人結構 的剛度、運動速度控制和驅動

30、方式、定位和緩沖等因素。由于機器人有轉動關節，不同回轉半徑時其直線分辨率是變化的，因此造成了機器人的精度難以確定。由于精度一般 較難測定，通常工業機器人只給出重復精度。3、試論述工業機器人的應用準則。 答：設計和應用工業機器人時，應全面考慮和均衡機器人的通用性、環境的適應性、耐久性、可靠性和經濟性等因素， 具體遵循的準則如下。(1) 從惡劣工種開始采用機器人 機器人可以在有毒、風塵、噪聲、振動、高溫、易燃易爆等危險有害的環境中長期穩定地工作。在技術、經濟合理的 情況下，采用機器人逐步把人從這些工作崗位上代替下來，將從根本上改善勞動條件。(2) 在生產率和生產質量落后的部門應用機器人 現代化的大

31、生產分工越來越細，操作越來越簡單，勞動強度越來越大。機器人可以高效地完成一些簡單、重復性的工 作，使生產效率、產品質量獲得明顯的改善。(3) 要估計長遠需要 一般來講，人的壽命比機械的壽命長，不過，如果經常對機械進行保養和維修，對易換件進行補充和更換，有可能使 機械壽命超過人。另外；工人會由于其自身的意志而放棄某些工作，造成辭職或停工，而工業機器人沒有自己的意愿，因 此機器人的使用不會在工作中途因故障以外的原因停止工作，能夠持續從事所交給的工作，直至其機械壽命完結。(4) 機器人的投入和使用成本 雖說機器人可以使人類擺脫很臟、很危險或很繁重的勞動，但是工廠經理們極關心的是機器人的經濟性。在經濟

32、方面 所考慮的因素包括勞力、材料、生產率、能源、設備和成本等。可以用償還期 Y 定量地衡量機器人使用的合理性。如果機器人的使用壽命大于其償還期，使用機器人是有效益的。(5) 應用機器人時需要人 在應用工業機器人代替工人操作時，要考慮工業機器人的現實能力以及工業機器人技術知識的現狀和未來給予預測。 用現有的機器人原封不動地取代目前正在工作的所有工人，并接替他們的工作，顯然是不可能的。在平均能力方面，與工人相比，工業機器人顯得過于遜色；但在承受環境條件的能力和可靠性方面，工業機器人比人 優越。因此要把工業機器人安排在生產線中的恰當位置上，使它成為工人的好助手。4、如果讓你設計一個機器人， 你最希望

33、制作一個什 么樣的機器人？它由哪幾部分組成？制作它主要需要完 成些什么工作？ 答：機器人系統的結構由機器人的機構部分、 傳感器組、22控制部分及信息處理部分組成。 機器人的外貌有的像人， 有的卻并不具有人的模樣，但其組成與人很相似。機構 部分包括機械手和移動機構，機械手相當于人手一樣， 可完成各種工作；移動機構相當于人的腳，機器人靠它 來 走路 。感知機器人自身或外部環境變化信息的傳 感 器是它的感覺器官，相當于人的眼、耳、皮膚等，它包 括內傳感器和外傳感器。電腦是機器人的指揮中心，相 當于人腦或中樞神經，它能控制機器人各部位協調動 作；信息處理裝置 (電子計算機)，是人與機器人溝通的 工具，

34、可根據外界的環境變化、靈活變更機器人的動作5、試論述機器人靜力學、動力學、運動學的關系。 答：靜力學指在機器人的手爪接觸環境時， 在靜止狀態下處理手爪力 F 與驅動力 的關系。 動力學研究機器人各關節變 量對時間的一階導數、 二階導數與各執行器驅動力或力矩之間的關系，即機器人機械系統的 運動方程。而運動學研究從幾何學的觀點來處理手指位置與關節變量的關系。在考慮控制時，就要考慮在機器人的動作中，關節驅動力 會產生怎樣的關節位置 、 關節速度 &、關節加速度 &，處理這種關系稱為動力學( dynamics )。對于動力學來說，除 了與連桿長度有關之外，還與各連桿的質量，繞質量中心的慣性矩，連桿的質

35、量中心與關節 軸的距離有關。運動學、靜力學和動力學中各變量的關系如下圖所示。圖中用虛線表示的關系可通過實線關系的組合表示，這些也可 作為動力學的問題來處理。6、試論述輪式行走機構和足式行走機構的特點和各 自適用的場合。答：輪式行走機器人是機器人中應用最多的一種機器人，在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當優越的。車輪的形狀或結構形式取決于地面的性質和車輛的承載能力。在軌道上運行的多采用實心鋼輪，室外路面行駛的采用充氣 輪胎，室內平坦地面上的可采用實心輪胎。足式行走對崎嶇路面具有很好的適應能力，足式運動方式的立足點是離散的點，23可以在可能到達的地面上選擇最優的支撐點，而輪式行走工具必須面

36、臨最壞的地形上的幾乎所有點；足式運動方式還具有主動隔震能力，盡管地面高低不平，機身的運動仍然可以相當平穩；足式行走在不平地面和松軟地面上的運動速度較高， 能耗較少7、機器人軌跡控制過程如圖所示。 試列出各步的主要內容解：（ 1）通過示教過程得到機器人軌跡上特征點的位姿。對于直線需要得到起始點和終點，對于圓弧需要得到弧上三點；（2）根據軌跡特征（直線 /園弧 /其它）和插補策略（定時 / 定距 /其它）進行相應的插補運算，求出該插補點的位姿值；（3）根據機器人逆運動學原理，求出手臂解，即對應于插補點位姿的全部關節角（ 1, , n）；（4）以求出的關節角為相應關節位置控制系統的設定值，分別控制n

37、 個關節驅動電機；（5）和關節驅動電機同軸連接的光軸編碼器給出該關節當前實際位置值，進行反饋， 位置控制系統根據此位置誤差 （設定值 反饋值）實施控制以消除誤差，使機器人達到所要求的位姿。8、機器人學是一門綜合性的學科， （ 1）試論述機器 人學重要的研究內容及其所需要解決的問題（至少 3 個 方面）。答：機器人學【 robotics 】與機器人設計、制造和應用相 關的科學。機器人學又稱為機器人技術或機器人工程學， 主要研究機器人的控制與被處理物體之間的相互關系。 機器人學涉及的科目很多， 主要內容有運動學和動力學、24系統結構、傳感技術、控制技術、行動規劃和應用工程 等。隨著工業自動化和計算

38、機技術的發展，到六十年代 機器人開始進入大量生產和實際應用階段。爾后由于自 動裝備海洋開發空間探索等實際問題的需要，對機器人 的智能水平提出了更高的要求。特別是危險環境，人們 難以勝任的場合更迫切需要機器人，從而推動了智能機 器人的研究。機器人學的研究推動了許多人工智能思想的發展， 有一些技術可在人工智能研究中用來建立世界狀態的模 型和描述世界狀態變化的過程。關于機器人動作規劃生 成和規劃監督執行等問題的研究，推動了規劃方法的發 展。此外由于機器人是一個綜合性的課題，除機械手和 步行機構外，還要研究機器視覺觸覺聽覺等信感技術， 以及機器人語言和智能控制軟件等。可以看出這是一個 設計精密機械信息

39、傳感技術人工智能方法智能控制以及 生物工程等學科的綜合技術。這一課題研究有利于促進 各學科的相互結合，并大大推動人工智能技術的發展。1、傳感器與感知系統 2、驅動、建模與控制 3、 自動規劃與調度 4、計算機系統 5、應用研究9、方向余弦矩陣是進行機器人運動學分析和動力學25分析的基礎，試論述方向余弦矩陣的性質和特點，并通 過具體的實例分析給予驗證。答：“方向余弦矩陣”是由兩組不同的標準正交基的 基底向量之間的方向余弦所形成的矩陣。方向余弦矩陣 可以用來表達一組標準正交基與另一組標準正交基之間 的關系，也可以用來表達一個向量對于另一組標準正交 基的方向余弦。方向余弦矩陣為正交矩陣，其中每列或每

40、行中各元素 平方之和為一，而兩個不同列或不同行中對應元素的乘 積之和則為零。“方向余弦矩陣”是由兩組不同的標準正交基的基底 向量之間的方向余弦所形成的矩陣。方向余弦矩陣可以 用來表達一組標準正交基與另一組標準正交基之間的關 系，也可以用來表達一個向量對于另一組標準正交基的 方向余弦。2610、對（工業）機器人進行位置和力的控制時，試比 較關節空間控制器設計和操作空間控制器設計的不同 點，并畫出一個機器人單關節的關節空間控制器和操作 空間控制器的控制系統框圖。27解：答：關節空間控制器再輸入與反饋的時候無正解 與反解，而操作空間控制器輸入與反饋時要有正解與反 解，如下圖所示。畫出一個機器人單關節

41、的關節空間控制器和操作空間控制器的控制系統框圖如下11、以多自由度工業機器人為例，分析討論機器人 的控制：28（1）分析討論工業機器人的位置控制、速度控制、 加速度控制和力控制的特點及其區別；答：位置控制：工業機器人位置控制的目的，就是要 使機器人各關節實現預先所規劃的運動，最終保證工業 機器人終端 （手爪 ）沿預定的軌跡運行。這類運動控制的 特點是連續控制工業機器人手爪 （或工具 ）的位姿軌跡 一般要求速度可控、軌跡光滑且運動平穩。軌跡控制的 技術指標是軌跡精度和平穩性。速度控制意味著各個關 節馬達的運動聯合進行，并以不同的速度同時運行以保 證夾手沿著笛卡爾坐標軸穩定運動。分解運動速度控制

42、先把期望的夾手運動分解為各個關節的期望速度，然后 對各個關節實行速度伺服控制。加速度控制分解運動加 速度控制首先計算出工具的控制加速度，然后把它分解 為相應的各個關節加速度，再按照動力學方程計算出控 制力矩。力控制除了在一些自由度方向進行位置控制外， 還需要在另一些自由度方向進行力控制。（2）給出操作空間及驅動空間的單個關節的機器人 控制框圖，并說明其控制過程。29機器人控制器的控制結構形式，常見的有：集中控制、 分散控制和遞階控制等。如圖表示 PUMA 機器人兩級遞階控制的結構圖。機器人控制系統以機器人作為控制對象，它的設計方 法及參數選擇，仍可參照一般計算機 /嵌入式控制系統。 現有的工業

43、機器人大多采用獨立關節的 PID 控制。如圖 所示 PUMA 機器人的控制結構即為一典型。 由于獨立關 節 PID 控制未考慮被控對象（機器人）的非線性及關節間的耦合作用，因而控制精度和速度的提高受到限制斯坦福機械手具有反饋控制，其一個關節控制方框圖如圖所示。從圖可見，它有個光學編碼器，與測速發電機30起組成位置和速度反饋。這種工業機器人是一種定位 裝置，它的每個關節都有一個位置控制系統。要提高響應速度，通常是要提高系統的增益以及由電動 機傳動軸速度負反饋把某些阻尼引入系統，以加強反電 勢的作用。要做到這一點，可以采用測速發電機，或者計算一定時 間間隔內傳動軸角位移的差值。傳遞函數：要提高響應

44、速度，通常是要提高系統的增益以及由電動 機傳動軸速度負反饋把某些阻尼引入系統，以加強反電 勢的作用。要做到這一點，可以采用測速發電機，或者 計算一定時間間隔內傳動軸角位移的差值。由于機器人 機械手是通過工具進行操作作業的，所以其末端工具的 動態性能將直接影響操作質量。又因末端的運動是所有 關節運動的復雜函數，因此，即使每個關節的動態性能 可行，而末端的動態性能則未必能滿足要求。（3）比較關節空間控制器設計和操作空間控制 器設計的不同點。答：操作空間控制器設計涉及運動學的正、反解3132七、計算題（需寫出計算步驟）1、已知 R 為旋轉矩陣， b 為平移向量， 試寫出相應3b25的齊次矩陣。100

45、R 0 0 10 1 0解 ：齊次矩陣為10030 0 1 2 A0 1 0 500012、矩陣x 0 1 0y 0 0 1z 1 0 2w001代表齊次坐標變換，求其中的未知元素值 x、y、z、w（第一列元素 ）333、寫出齊次變換矩陣 BAT ，它表示相對固定坐標系 A 作以下變換：（a）繞 zA 軸轉 900； （b）再繞 xA 軸轉 900； （c） 最后作移動 （3,7,9）T。解：ABH =Trans（37，9）Rot（X，-90)?Rot（Z，90）?10031000010010030100010700101000001710000019010000100109001000010

46、00100010001000101030 0 1 71 0 0 90 0 0 14、寫出齊次變換矩陣 BAT ，它表示相對運動坐標系 B 作以下變換：（a）移動（3,7,9）T； （b）再繞 xB 軸轉900； （c） 繞 zB 軸轉 900 。答： BAH =Rot（Z，90）? Rot （X ， -90）? Trans（3，7，9）340 0 1 91 0 0 30 1 0 70 0 0 15、求下面齊次變換0 1 0 100121 0 0 00 0 0 1的逆變換 T-1nxnynz解：1oxT=oyozaxayaz000p?n00-10p?o1001p?a = 0-102100016、

47、矢量 Ap 軸繞 ZA 軸旋轉 300 角，然后繞 XA 軸旋轉 450 角。試給出依次按上述次序完成旋轉的旋轉矩陣。解：7、坐標系 B 的位置變化如下： 初始時，坐標系 A與B重合，讓坐標系 B繞 ZB 軸旋轉 300 角；然后再35繞 XB 軸旋轉 450 角。給出把對矢量 Bp 的描述變為對 Ap描述的旋轉矩陣。8、面的坐標系矩陣 B 移動距離 d=(5，2，6)T：0 1 0 21 0 0 4 B0 0 1 60 0 0 1求該坐標系相對于參考坐標系的新位置解：10050102Bnew010210040016001600010001010710060011200019、求點 P=(2，

48、3，4)T 繞 x 軸旋轉 45 度后相對于參36考坐標系的坐標。1002200.7070.70730.70700.7070.70744.952解： HP Rot（ x，45） 3 410、寫出齊次變換矩陣 ABT ，它表示相對固定坐標系A 作以下變換：后做移動（ 3，7，9）a） 繞 Z 軸轉 90o；（b）再繞 X 軸轉 -90o；（c）最解：依題意，ABTTran (3,7,9) T ? xRot( x90o) ? zRot( z90o)1003T0107Tran (3,7,9) T 001900010103解得 BAT 0101710090001T11* 、如圖所示為二自由度機械手，已

49、知各桿長度 分別為 d1，d2。（ 1）進行機器人運動學分析的步驟有那些？結合如圖所示的二自由度機械手，通過建立坐標系及坐標變換矩題 21 圖 二連桿機械手陣 0T1，1T2 等，求出機械手末端 O3點的位置和速度方37程；2）對這類平面機器人，求機械手末端 O3 點的位置和速度方程還有什么別的方法？3）求解該機器人的運動學反解4）按集中質量，建立其動力學方程式。1）由題意已知，則：c10s1 0 0c1 0 00 1 00 0 1s20L1c3s30L2c2002s3c300010,T3=00100010001L2c10T3 = 0T1 1T2 2T3=s1230c123其中 c123cos

50、 12 3 , s123 sin 1 2 30 L1s1 L2s12382)如圖 1 示逆運動學有兩組可能的解。第一組解：由幾何關系得x d1cos 1 d2 cos 1 21)y d1 sind2 sin 1 22)1)式平方加( 2)式平方得x2y2 d12 d22 2d1d2 cos 22 2 2 2 arccos x y d1 d22d1d2arctan y arctan d2 sin 按機器人的用途分類，可以將機器人分為哪幾大類？試簡述之。1) 工業機器人或產業機器人 應用于工農業生產中， 主要用在制造業， 進行焊接、噴漆、 裝配、搬運、檢驗、農產品的加工等產業。2) 探索機器人 用

51、于進行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探索。3) 服務機器人 一種半自主或全自主的機器人， 其所從事的服務工作可使人類生存的更 好，使制造業以外的設備工作的更好。xd1 d2 cos 2第二組解：由余弦定理，arccos2222x yd1 d22d1d2yarctan2x1工業機器人定義？工業機器人的定義：一種用于移動各種材料、零件、工具或者專用裝置的，可通過可編 程序動作來執行各種任務的，并且具有各種編程能力的多功能的機械手。394）軍用機器人 用于軍事目的，或進攻性的，或防御性的。3. 什么叫“機器人的三守則”？它的重要意義是什么？1）機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人類將受傷害而袖

52、手旁觀2）機器人必須絕對服從人類，除非這種服從有害于人類3）機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者人類命令它做出犧牲等 意義：給機器人社會附以新的倫理性，并且機器人概念更加通俗化，更易于為人類社會 所接受，至今，它仍為機器人研究人員、設計制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導方 針。4. 機器人系統一般有哪些程序功能？（1）運算：可以使機器人自己做出判斷，在下一步把機器手或工具置于何處。（2）決策：機器人系統會根據輸入信息做出決策，而不必執行任何運算。（3）通信：機器人與操作人員之間的通信能力，允許機器人要求操作人員提供信息，告 知操作者下一步該做什么，以及機器人打算下一步做什么。（

53、4）機械手運動：使復雜的多的運動變為可能；使運動傳感器控制機器手成為可能；能 獨立存儲工具位置（5）工具指令：可以對機器人進行比較復雜的控制。（6）傳感器數據處理： 機器人的通用計算機必須與傳感器連接起來， 才能發揮全部作用5. 有哪幾種重要的機器人高層規劃系統？它們各有什么特點？1）積木世界的機器人規劃2）基于消解原理的機器人規劃3）基于專家系統的機器人規劃4）機器人路徑規劃6. 機器人傳感器的作用和特點為何？（ 1）機器人傳感器的作用： 機器人的通用計算機必須與傳感器連接起來， 才能發揮全部作用 機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了 類似人類的知

54、覺功能和反應能力。（2）特點：機器人感覺是把相關的特性或相關的物體特性轉換為執行某一種機器人功能所 需的信息，這些物體特征包括幾何的、光學的、機械學的、聲音的、材料的、電氣的、磁性 的、放射性的和化學的，這些特征形成符號以表示系統，進而構成與給定工作任務有關的世 界狀態知識。傳感器的分類內部傳感器：檢測機器人本身狀態（手臂間角度等）的傳感器。外部傳感器：檢測機器人所處環境（是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（抓 取的物體滑落等）的傳感器。40外部傳感器分為末端執行器傳感器和環境傳感器。 末端執行器傳感器：主要裝在作為末端執行器的手上，檢測處理精巧作業的感覺信息。相當于觸覺。 環境傳感器：用于識別物體和檢測物體與機器人的距離。相當于視覺7. 什么是變結構系統？為什么要采用變結構控制？ 變結構系統的定義：系統各部分間的連續關系發生變化；系統的參數產生變化等等，這樣的 系統稱為變結構系統。在動態控制過程中，變結構控制系統的結構根據系統當時的狀態偏差 及其各階導數的變化，以躍變的方式按照設定的規律做