2022年新版机器人课程考试复习题库.doc

机器人课程复习
一、名词解释
工作空间：工业机器人实行任务时，其腕轴交点能在空间活动范畴
刚体自由度：物体可以对坐标系进行独立运动数目
机器人自由度：机器人末端构件所具有独立运动数目。
机器人工作载荷：机器人在规定性能范畴内，机械接口处能承受最大负载量（涉及手部）。
机器人运动学正、逆问题：
机器人正动力学问题 已知机器人各关节驱动力或力矩，求机器人各关节轨迹或末端实行器（位姿）轨迹。
机器人逆动力学问题 已知机器人各关节轨迹或末端实行器（位姿）轨迹，求机器人各关节驱动力或力矩。

雅可比矩阵：研究机器人操作空间速度和关节空间速度间线性映射关系即雅克比矩阵
机器人运动学：从几何学见解来解决手指位置和关节变量关系称为运动学。
机器人动力学：机器人各关节变量对时间一阶导数、二阶导数和各实行器驱动力或力矩之间关系，即机器人机械系统运动方程。
PWM驱动：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）驱动
直流伺服电机调节特性：是指转矩恒定期，电动机转速随控制电压变化关系。
直流伺服电机调速精度：指调速装置或系统给定角速度和带额定负载时实际角速度之差，和给定转速之比。
示教再现：一种可反复再现通过示教编程寄存起来作业程序机器人。示教有直接示教和间接示教两种措施。直接示教是操作人员使用插入机器人手臂内操作杆，按给定运动顺序示教动作内容，机器人自动把顺序、位置和时间等具体数值记录在寄存器中。再现时，依次读出寄存信息，反复示教动作过程。间接示教是采用示教盒(或称示教器)示教。操作者通过示教盒按键操纵完毕空间作业轨迹点及其有关速度等信息示教，然后用操作盘对机器人语言命令进行顾客工作程序编辑，并寄存在示教数据区。再现时，机器人计算机控制系统自动逐条取出示教命令和位置数据，进行解读、运算并作出鉴定，将多种控制信号送到相应驱动系统或端口,使机器人忠实地再现示教动作。

PID控制：指根据偏差比例（P, proportional）、积分（I, integral）、微分（D, derivative）进行控制。
脱机编程：指用机器人程序语言预优秀行程序设计，而不是用示教措施编程。

二、填空题
1、机器人按机构特性可以划分为 （关节机器人） 和 （非关节机器人） 两大类。
2、机器人系统大体由 （驱动系统） 、 （机械系统） 、 （感知系统） 和 （人机交互系统、机器-环境交互系统、控制系统 等部分构成。
3、机器人反复定位精度是指 （机器人末端实行器为反复达到同一目旳位置（抱负位置）而实际达到位置之间接近限度） 。
4、齐次坐标[0 0 1 0]T表达内容是 z方向 。
5、机器人运动学是研究机器人末端实行器 位姿 和 运动 和关节空间之间关系。
6、如果机器人相邻两关节轴线相交，则联接这两个关节连杆长度为 零 。
7、常用建立机器人动力学方程措施有 牛顿 和 拉格朗日 。
8、6自由度机器人有解析逆解条件是 机器人操作手独立关节变量多于末端实行器运动自由度数 。
9、机器人驱动措施核心有 （液压） 、 （气动） 和 （电动） 三种。
10、机器人上常用可以测量转速传感器有 测速发电机 和 增量式码盘 。
11、机器人控制系统按其控制措施可以分为 程序 控制措施、 适应性 控制措施和 人工智能 控制措施。

三、选择题（4选1）
1、机器人三原则是由谁提出。（D）
（A）森政弘 （B）约瑟夫·英格伯格 （C）托莫维奇 （D）阿西莫夫
2、现代机器人大军中最核心机器人为：（A）
（A）工业机器人 （B）军用机器人 （C）服务机器人 （D）特种机器人
3、手部位姿是由哪两部分变量构成？（B）
（A）位置和速度 （B）姿态和位置 （C）位置和运营状态 （D）姿态和速度
4、运动学核心是研究机器人：（B）
（A）动力源是什么 （B）运动和时间关系 （C）动力传播和转换 （D）运动应用
5、动力学核心是研究机器人：（C）
（A）动力源是什么 （B）运动和时间关系 （C）动力传播和转换 （D）动力应用
6、传感器基本转换电路是将敏感元件产生易测量小信号进行变换，使传感器信号输出符合具体工业系统规定。一般为：（A）
（A）4～20mA、–5～5V （B）0～20mA、0～5V （C）-20mA～20mA、–5～5V （D）-20mA～20mA、0～5V
7、传感器输出信号达到稳定期，输出信号变化和输入信号变化比值代表传感器_______参数。（D）
（A）抗干扰能力 （B）精度 （C）线性度 （D）敏捷度
8．6维力和力矩传感器核心用于（D）
（A）精密加工 （B）精密测量 （C）精密计算 （D）精密装配
9、机器人轨迹控制过程需要通过求解__________获得各个关节角位置控制系统设定值。（B）
（A）运动学正问题 （B）运动学逆问题 （C）动力学正问题 （D）动力学逆问题
10．模拟通信系统和数字通信系统核心辨别是什么？（B）
（A）载波频率不同样 （B）信道传送信号不同样 （C）调制措施不同样 （D）编码措施不同样

四、鉴定题（答复Y/N）
1．机械手亦可称之为机器人。Y
2．完毕某一特定作业时具有多余自由度机器人称为冗余自由度机器人。Y
3、关节空间是由所有关节参数构成。Y
4、任何复杂运动所有可以分解为由多种平移和绕轴转动简朴运动合成。Y
5、关节i坐标系放在i-1关节末端。N
6．手臂解有解必需条件是串联关节链中自由度数等于或不不小于6。N
7．对于具有外力作用非保守机械系统，其拉格朗日动力函数L可定义为系统总动能和系统总势能之和。N
8．由电阻应变片构成电桥可以构成测量重量传感器。Y
9．激光测距仪可以进行散装物料重量检测。Y
10．运动控制电子齿轮模式是一种积极轴和从动轴保持一种灵活传动比随动系统。Y
11．谐波减速机名称来源是由于刚轮齿圈上任一点径向位移呈近似于余弦波形变化。N

五、简答题/问答题
1、中国外机器人技术发展有何特点？
答：1、传感器智能机器人发展较快 2、新型智能技术概念和应用研究正酝酿着新突破 3、采用模块化设计技术 4、机器人工程系统呈上升趋势 5、微型机器人研究有所突破 6、应用领域向非制造业和服务业扩展 7、行走机器人研究引起注重 8、开发敏捷制造生产系统 9、军事机器人将装备部队
2、有哪多种机器人分类措施？与否尚有其他分类措施？
答：1、按机械手几何构造来分 2、按机器人控制措施分 3、按机器人控制器信息输入措施分 4、按机器人智能限度分 5、按机器人移动性分 6、按机器人用途分
3、什么叫做“机器人三守则”？它核心意义是什么？

4、工业机器人和智能机器人定义分别是什么？
工业机器人是面向工业领域多关节机械手或多自由度机器人。工业机器人是自动实行工作机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现多种功能一种机器。它可以接受人类指挥，也可以根据预先编排程序运营，现代工业机器人还可以根据人工智能技术制定原则大纲行动。
到目前为止，在世界范畴内还没有一种统一智能机器人定义。大多数专家觉得智能机器人至少要具有如下三个要素：一是感觉要素，用来结识周边环境状态；二是运动要素，对外界做出反映性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到信息，思考出采用什么样动作。

5、智能机器人含义是什么？
智能机器人具有形形色色内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它尚有效应器，作为作用于周边环境手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。由此也可知，智能机器人至少要具有三个要素：感觉要素，运动要素和思考要素。
6、分析一种空间激光切割机械手至少需要多少自由度？规定能使激光束焦点定位，并可切割任意曲面。
定位需要三个自由度，切割曲面需要三个自由度，合计六个

7、机器人灵活度、自由度和冗余度概念及其互相关系是什么？
灵活度=自由度+冗余度

8、为了将圆柱形零件放在平板上，机器人至少应具有多种自由度？
答：一共需要5个：定位3个，放平稳2个

9、 机器人精度、反复精度及空间辨别度含义及其辨别？
答：精度、反复精度和辨别率用来定义机器人手部定位能力。
精度是一种位置量相对于其参照系绝对度量，指机器人手部实际达到位置和所需要达到抱负位置之间差距。机器人精度决定于机械精度和电气精度。
反复精度指在相似运动位置命令下，机器人持续若干次运动轨迹之间误差度量。如果机器人反复实行某位置给定指令，它每次走过距离并不相似，而是在一平均值周边变化，该平均值代表精度，而变化幅度代表反复精度。
辨别率是指机器人每根轴可以实现最小移动距离或最小转动角度。精度和辨别率不一定有关。一台设备运动精度是指命令设定运动位置和该设备实行此命令后可以达到运动位置之间差距，辨别率则反映了实际需要运动位置和命令所可以设定位置之间差距。
工业机器人精度、反复精度和辨别率规定是根据其使用规定拟定。机器人自身所能达到精度取决于机器人构造刚度、运动速度控制和驱动措施、定位和缓冲等因素。
由于机器人有转动关节，不同样回转半径时其直线辨别率是变化，因此导致了机器人精度难以拟定。由于精度一般较难测定，一般工业机器人只给出反复精度。

10、机器人学核心涉及哪些研究内容？
[答]：机器人研究基本内容有如下几方面：(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。
11、机器人运动分析一般过程是什么？为什么要进行机器人动力学分析？
答：1、建立坐标系 2、拟定连杆参数 3、写出各个齐次矩阵 4、写方程
机器人动力学研究目旳，建立力、质量和加速度之间和力矩、惯量和角速度之间关系。
拟定力和力矩，计算每个驱动器所需驱动力，以便在机器人连杆和关节上产生盼望加速度。
根据有关方程并考虑机器人外部载荷计算出驱动器也许承受最大载荷，设计出能提供足够力及力矩驱动器。研究机器人不同样部件之间关系，合理地设计出机器人部件。

12、 简述建立工业机器人运动学方程措施、环节。
建立各连杆坐标系，拟定各连杆D-H参数，写出各齐次矩阵（运用式和D-H参数计算各连杆之间D-H矩阵），写运动学方程（根据建立机器人机构运动学方程）

13、方向余弦矩阵特点所有有那些
“方向余弦矩阵”是由两组不同样原则正交基基底向量之间方向余弦所形成矩阵。方向余弦矩阵可以用来表达一组原则正交基和另一组原则正交基之间关系，也可以用来表达一种向量对于另一组原则正交基方向余弦。
方向余弦矩阵为正交矩阵，其中每列或每行中各元素平方之和为一，而两个不同样列或不同样行中相应元素乘积之和则为零。

14、机器人雅可比矩阵含义是什么？
关节空间和操作空间方程系数矩阵（）

15、什么是机器人奇异状态？
机器人雅克比矩阵行列式等于零时状态，自由度会减少，母线运动受限制

16、简述齐次变换矩阵物理含义。

答：1、起到坐标变换作用。2、代表物体位置姿态

17、工业机器人常用驱动器有那些类型，并简要阐明其特点。
（1）电动驱动器能源简朴，速度变化范畴大，效率高，转动惯性小，速度和位置精度所有很高，但它们多和减速装置相联，直接驱动比较困难。
（2）液压驱动器长处是功率大，可省去减速装置而直接和被驱动杆件相连，构造紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温及有干净规定场合。故液压驱动器目前多用于特大功率操作机器人系统或机器人化工程机械。
（3）气动驱动器构造简朴，清洁，动作敏捷，具有缓冲作用。但也需要增设气压源，且和液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，因此多用于精度不高、但有干净、防爆等规定点位控制机器人。

18、 常用工业机器人传动系统有那些？
齿轮传动，蜗杆传动，滚珠丝杆出传动，同步齿形带传动，链传动和行星齿轮传动

19、在机器人系统中为什么往往需要一种传动（减速）系统？
由于目前电机一般速度较高，力矩较小，需要通过传动系统减少转速、提高力矩。

20、机器人常用机身和臂部配备型式有哪些？
[答]：目前常用有如下多种形式：（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，能有效地运用空间，直观等长处。（2）立柱式。多采用回转型、俯仰型或屈伸型运动型式，一般臂部所有可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范畴大特点。（3）机座式。可以是独立、自成系统完整装置，可随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上专用轨道移动，以扩大其活动范畴。（4）屈伸式。臂部由大小臂构成，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。
21、直流电机额定值有哪些？
[答]：直流电动机额定值有如下几项：(1)额定功率，是指根据规定工作措施运营时所能提供输出功率。对电动机来说，额定功率是指轴上输出机械功率，单位为kW。(2)额定电压，是电动机电枢绕组可以安全工作最大外加电压或输出电压，单位为V。(3)额定电流，是指电动机根据规定工作措施运营时，电枢绕组许可流过最大电流，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状况下运营时，电动机旋转速度，单位为r/min。
22、机器人上常用距离和接近觉传感器有哪些？。
超声波，激光、红外，霍尔传感器

23、常用机器人外部传感器有哪些？
[答]：常用外部传感器涉及触觉传感器，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，涉及超声波传感器，接近觉传感器，和视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器等。
24、机器人视觉硬件系统由哪些部分构成？
[答]：(1) 景物和距离传感器，常用有摄像机、CCD图像传感器、超声波传感器和构造光设备等；(2) 视频信号数字化设备，其任务是把摄像机或CCD输出信号转换成以便计算和分析数字信号；(3) 视频信号解决器，视频信号实时、迅速、并行算法硬件实现设备：如DSP系统；(4) 计算机及其设备，根据系统需要可以选择不同样计算机及其外设来满足机器人视觉信息解决及其机器人控制需要；(5) 机器人或机械手及其控制器。
25、机器人控制系统基本单元有哪些？
[答]：构成机器人控制系统基本要素涉及： (1) 电动机，提供驱动机器人运动驱动力。(2) 减速器，为了增长驱动力矩、减少运动速度。(3) 驱动电路，由于直流伺服电动机或交流伺服电动机流经电流较大，机器人常采用脉冲宽度调制（PWM）措施进行驱动。(4) 运动特性检测传感器，用于检测机器人运动位置、速度、加速度等参数。(5) 控制系统硬件，以计算机为基本，采用协调级和实行级二级构造。(6) 控制系统软件，实现对机器人运动特性计算、机器人智能控制和机器人和人信息互换等功能。
26、请简述模糊控制器构成及各构成部分用途。
[答]：模糊逻辑控制器由4个基本部分构成，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论域，将输入数据转换成合适语言值。(2) 知识库：涉及应用领域知识和控制目旳，它由数据和模糊语言控制规则构成。(3) 推理算法：从部分模糊前提条件推导出某一结论，这种结论也许存在模糊和拟定两种状况。(4) 逆模糊化：将推理所得到模糊值转换为明确控制讯号，作为系统输入值。
27、从描述操作命令角度看，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：以机器人末端实行器动作为中心来描述多种操作，要在程序中阐明每个动作。(2) 对象级：许可较粗略地描述操作对象动作、操作对象之间关系等，特别适合用于组装作业。(3) 任务级：只要直接指定操作内容就可以了，为此，机器人必需一边思考一边工作。
28、什么是变构造系统？为什么要采用变构造控制？
一种系统数学模型构造参数是随位置、时间变化而变化；由于机器人是典型非线性变参数系统模型。

29、试述机器人滑模变构造控制基本原理。
滑模变构造控制原理，是根据系统所盼望动态特性来设计系统切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦达到切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面达到系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动过程称为滑模控制。
30、自适应控制器有哪多种构造形式？试简介其工作原理。
机器人自适应控制分为三类：模型参照自适应控制、自校正自适应控制和线性摄动自适应控制等。

(a)模型参照自适应控制器 ；它基本设计思想是：为机器人机械手状态方程（传动）综合一种控制信号u，或为状态方程（动力学）综合一种输入F。这种控制信号将以一定由参照模型所规定盼望措施，迫使系统具有需要特性。
(b)自校正自适应控制器 ；它和MRAC措施核心辨别在于：STAC用线性离散模型来表达操作机器人系统动力学特性，因此其控制器为一数字控制器。这种离散模型必需借助系统辨识技术，应用采样输入-输出数据来建立。

线性摄动自适应控制器

六、论述题/综合题
1、试论述机器人技术发展趋势。
答：科学技术水平是机器人技术基本，科学和技术发展将会使机器人技术提高到一种更高水平。将来机器人技术核心研究内容集中在如下多种方面：(1) 工业机器人操作机构造优化设计技术。摸索新高强度轻质材料，进一步提高负载-自重比，同步机构向着模块化、可重构方向发展。(2) 机器人控制技术。核心研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加和谐，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器原则化和网络化和基于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智能和适应性，多种传感器使用是其问题解决核心。其研究热点在于有效可行多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布情形下多传感器融合算法。(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协调控制，通过网络建立大范畴内机器人遥控系统，在有时延状况下，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、多媒体和虚拟现实和临场感应技术，实现机器人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一种崭新领域。核心对多智能体群体体系构造、互相间通信和磋商机理，感知和学习措施，建模和筹划、群体行为控制等方面进行研究。(7) 微型和微小机器人技术。这是机器人研究一种新领域和核心发展方向。过去研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究进展将会引起机器人技术一场革命，并且对社会进步和人类活动各个方面产生不可估计影响，微型机器人技术研究核心集中在系统构造、运动措施、控制方，法、传感技术、通信技术和行走技术等方面。(8) 软机器人技术。核心用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。老式机器人设计未考虑和人紧密共处，因此其构造材料多为金属或硬性材料，软机器人技术规定其构造、控制措施和所用传感系统在机器人意外地和环境或人碰撞时是安全，机器人对人是和谐。(9) 仿人和仿生技术。这是机器人技术发展最高境界，目前仅在某些方面进行部分基本研究。
2、试论述精度、反复精度和辨别率之间关系。
答：精度、反复精度和辨别率用来定义机器人手部定位能力。
精度是一种位置量相对于其参照系绝对度量，指机器人手部实际达到位置和所需要达到抱负位置之间差距。机器人精度决定于机械精度和电气精度。
反复精度指在相似运动位置命令下，机器人持续若干次运动轨迹之间误差度量。如果机器人反复实行某位置给定指令，它每次走过距离并不相似，而是在一平均值周边变化，该平均值代表精度，而变化幅度代表反复精度。
辨别率是指机器人每根轴可以实现最小移动距离或最小转动角度。精度和辨别率不一定有关。一台设备运动精度是指命令设定运动位置和该设备实行此命令后可以达到运动位置之间差距，辨别率则反映了实际需要运动位置和命令所可以设定位置之间差距。
工业机器人精度、反复精度和辨别率规定是根据其使用规定拟定。机器人自身所能达到精度取决于机器人构造刚度、运动速度控制和驱动措施、定位和缓冲等因素。
由于机器人有转动关节，不同样回转半径时其直线辨别率是变化，因此导致了机器人精度难以拟定。由于精度一般较难测定，一般工业机器人只给出反复精度。
3、试论述工业机器人应用准则。
[答]：设计和应用工业机器人时，应全面考虑和均衡机器人通用性、环境适应性、耐久性、可靠性和经济性等因素，具体遵循准则如下。
(1) 从恶劣工种开始采用机器人
机器人可以在有毒、风尘、噪声、振动、高温、易燃易爆等危险有害环境中长期稳定地工作。在技术、经济合理状况下，采用机器人逐渐把人从这些工作岗位上替代下来，将从主线上改善劳动条件。
(2) 在生产率和生产质量落后部门应用机器人
现代化大生产分工越来越细，操作越来越简朴，劳动强度越来越大。机器人可以高效地完毕部分简朴、反复性工作，使生产效率、产品质量获得明显改善。
(3) 要估计长远需要
一般来讲，人寿命比机械寿命长，但是，如果常常对机械进行保养和维修，对易换件进行补充和更换，有也许使机械寿命超过人。此外；工人会由于其自身意志而放弃某些工作，导致辞职或停工，而工业机器人没有自己意愿，因此机器人使用不会在工作半途因故障以外因素停止工作，可以持续从事所交给工作，直至其机械寿命完结。
(4) 机器人投入和使用成本
虽说机器人可以使人类挣脱很脏、很危险或很繁重劳动，但是工厂经理们极关怀是机器人经济性。在经济方面所考虑因素涉及劳力、材料、生产率、能源、设备和成本等。
可以用归还期Y定量地衡量机器人使用合理性。如果机器人使用寿命不小于其归还期，使用机器人是有效益。
(5) 应用机器人时需要人
在应用工业机器人替代工人操作时，要考虑工业机器人现实能力和工业机器人技术知识现状和将来给估计。用既有机器人原封不动地替代目前正在工作所有工人，并接替她们工作，显然是不也许。
在平均能力方面，和工人相比，工业机器人显得过于逊色；但在承受环境条件能力和可靠性方面，工业机器人比人优越。因此要把工业机器人安排在生产线中合适位置上，使它成为工人好助手。

4、 如果让你设计一种机器人，你最盼望制作一种什么样机器人？它由哪几部分构成？制作它核心需要完毕些什么工作？
答：机器人系统构造由机器人机构部分、传感器组、控制部分及信息解决部分构成。机器人外貌有像人，有却并不具有人模样，但其构成和人很相似。机构 部分涉及机械手和移动机构，机械手相称于人手同样，可完毕多种工作；移动机构相称于人脚，机器人靠它来"走路"。感知机器人自身或外部环境变化信息传 感器是它感觉器官，相称于人眼、耳、皮肤等，它涉及内传感器和外传感器。电脑是机器人指挥中心，相称于人脑或中枢神经，它能控制机器人各部位协调动 作；信息解决装置（电子计算机），是人和机器人沟通工具，可根据外界环境变化、灵活变更机器人动作

5、试论述机器人静力学、动力学、运动学关系。

习题4-17图
答：静力学指在机器人手爪接触环境时，在静止状态下解决手爪力F和驱动力τ关系。动力学研究机器人各关节变量对时间一阶导数、二阶导数和各实行器驱动力或力矩之间关系，即机器人机械系统运动方程。而运动学研究从几何学见解来解决手指位置和关节变量关系。
在考虑控制时，就要考虑在机器人动作中，关节驱动力τ会产生如何关节位置θ、关节速度、关节加速度，解决这种关系称为动力学（dynamics）。对于动力学来说，除了和连杆长度有关之外，还和各连杆质量，绕质量中心惯性矩，连杆质量中心和关节轴距离有关。
运动学、静力学和动力学中各变量关系如下图所示。图中用虚线表达关系可通过实线关系组合表达，这些也可作为动力学问题来解决。
6、试论述轮式行走机构和足式行走机构特点和各自合用场合。
[答]：轮式行走机器人是机器人中应用最多一种机器人，在相对平坦地面上，用车轮移动措施行走是相称优越。车轮形状或构造形式取决于地面性质和车辆承载能力。在轨道上运营多采用实心钢轮，室外路面行驶采用充气轮胎，室内平坦地面上可采用实心轮胎。足式行走对崎岖路面具有较好适应能力，足式运动措施立足点是离散点，可以在也许达到地面上选择最优支撑点，而轮式行走工具必需面临最坏地形上几乎所有点；足式运动措施还具有积极隔震能力，尽管地面高下不平，机身运动仍然可以相称平稳；足式行走在不平地面和松软地面上运动速度较高，能耗较少。
7、机器人轨迹控制过程图所示。试列出各步核心内容。

习题4-17图

[解]：（1）通过示教过程得到机器人轨迹上特性点位姿。对于直线需要得到起始点和终点，对于圆弧需要得到弧上三点；
（2）根据轨迹特性（直线/园弧/其他）和插补方略（定期/定距/其他）进行相应插补运算，求出该插补点位姿值；
（3）根据机器人逆运动学原理，求出手臂解，即相应于插补点位姿所有关节角(q1, …, qn)；
（4）以求出关节角为相应关节位置控制系统设定值，分别控制n个关节驱动电机；
（5）和关节驱动电机同轴连接光轴编码器给出该关节目前实际位置值，进行反馈，位置控制系统根据此位置误差（设定值—反馈值）实行控制以消除误差，使机器人达到所规定位姿。
8、机器人学是一门综合性学科，（1）试论述机器人学核心研究内容及其所需要解决问题（至少3个方面）。
答：机器人学【robotics】和机器人设计、制造和应用有关科学。机器人学又称为机器人技术或机器人工程学，核心研究机器人控制和被解决物体之间互相关系。机器人学涉及科目诸多，核心内容有运动学和动力学、系统构造、传感技术、控制技术、行动筹划和应用工程等。
　　随着工业自动化和计算机技术发展，到六十年代机器人开始进入大量生产和实际应用阶段。尔后由于自动装备海洋开发空间摸索等实际问题需要，对机器人智能水平提出了更高规定。特别是危险环境，人们难以胜任场合更迫切需要机器人，从而推动了智能机器人研究。
　　机器人学研究推动了诸多人工智能思想发展，有部分技术可在人工智能研究中用来建立世界状态模型和描述世界状态变化过程。有关机器人动作筹划生成和筹划监督实行等问题研究，推动了筹划措施发展。此外由于机器人是一种综合性课题，除机械手和步行机构外，还要研究机器视觉触觉听觉等信感技术，和机器人语言和智能控制软件等。可以看出这是一种设计精密机械信息传感技术人工智能措施智能控制和生物工程等学科综合技术。这一课题研究有助于增进各学科互相结合，并大大推动人工智能技术发展。
1、传感器和感知系统  2、驱动、建模和控制  3、自动筹划和调度   4、计算机系统   5、应用研究

9、方向余弦矩阵是进行机器人运动学分析和动力学分析基本，试论述方向余弦矩阵性质和特点，并通过具体实例分析给验证。
答：“方向余弦矩阵”是由两组不同样原则正交基基底向量之间方向余弦所形成矩阵。方向余弦矩阵可以用来表达一组原则正交基和另一组原则正交基之间关系，也可以用来表达一种向量对于另一组原则正交基方向余弦。
方向余弦矩阵为正交矩阵，其中每列或每行中各元素平方之和为一，而两个不同样列或不同样行中相应元素乘积之和则为零。
“方向余弦矩阵”是由两组不同样原则正交基基底向量之间方向余弦所形成矩阵。方向余弦矩阵可以用来表达一组原则正交基和另一组原则正交基之间关系，也可以用来表达一种向量对于另一组原则正交基方向余弦。

10、对（工业）机器人进行位置和力控制时，试比较关节空间控制器设计和操作空间控制器设计不同样点，并画出一种机器人单关节关节空间控制器和操作空间控制器控制系统框图。
解：答：关节空间控制器再输入和反馈时候无正解和反解，而操作空间控制器输入和反馈时要有正解和反解，如下图所示。

画出一种机器人单关节关节空间控制器和操作空间控制器控制系统框图如下

11、以多自由度工业机器人为例，分析讨论机器人控制：
（1）分析讨论工业机器人位置控制、速度控制、加速度控制和力控制特点及其辨别；
答：位置控制：工业机器人位置控制目旳，就是要使机器人各关节实现预先所筹划运动，最后保证工业机器人终端(手爪)沿预定轨迹运营。此类运动控制特点是持续控制工业机器人手爪(或工具)位姿轨迹。一般规定速度可控、轨迹光滑且运动平稳。轨迹控制技术指标是轨迹精度和平稳性。速度控制意味着各个关节马达运动联合进行，并以不同样速度同步运营以保证夹手沿着笛卡尔坐标轴稳定运动。分解运动速度控制先把盼望夹手运动分解为各个关节盼望速度，然后对各个关节实行速度伺服控制。加速度控制分解运动加速度控制一方面计算出工具控制加速度，然后把它分解为相应各个关节加速度，再根据动力学方程计算出控制力矩。力控制除了在部分自由度方向进行位置控制外，还需要在另部分自由度方向进行力控制。

（2）给出操作空间及驱动空间单个关节机器人控制框图，并阐明其控制过程。
机器人控制器控制构造形式，常用有：集中控制、分散控制和递阶控制等。
图表达PUMA机器人两级递阶控制构造图。

机器人控制系统以机器人作为控制对象，它设计措施及参数选择，仍可参照一般计算机/嵌入式控制系统。既有工业机器人大多采用独立关节PID控制。图所示PUMA机器人控制构造即为一典型。由于独立关节PID控制未考虑被控对象（机器人）非线性及关节间耦合伙用，因此控制精度和速度提高受到限制。

斯坦福机械手具有反馈控制，其一种关节控制方框图图所示。从图可见，它有个光学编码器，和测速发电机一起构成位置和速度反馈。这种工业机器人是一种定位装置，它每个关节所有有一种位置控制系统。
要提高响应速度，一般是要提高系统增益和由电动机传动轴速度负反馈把某些阻尼引入系统，以加强反电势作用。
要做到这一点，可以采用测速发电机，或计算一定期间间隔内传动轴角位移差值。
传播函数：

要提高响应速度，一般是要提高系统增益和由电动机传动轴速度负反馈把某些阻尼引入系统，以加强反电势作用。要做到这一点，可以采用测速发电机，或计算一定期间间隔内传动轴角位移差值。由于机器人机械手是通过工具进行操作作业，因此其末端工具动态性能将直接影响操作质量。又因末端运动是所有关节运动复杂函数，因此，虽然每个关节动态性能可行，而末端动态性能则未必能满足规定。

（3）比较关节空间控制器设计和操作空间控制器设计不同样点。
答：操作空间控制器设计涉及运动学正、反解。

七、计算题（需写出计算环节）
1、已知R为旋转矩阵，b为平移向量，试写出相应齐次矩阵。

[解]：齐次矩阵为

2、矩阵

代表齐次坐标变换，求其中未知元素值x、y、z、w(第一列元素)。

3、写出齐次变换矩阵，它表达相对固定坐标系{A}作如下变换：
（a）绕zA轴转900； （b）再绕xA轴转–900； （c）最后作移动(3,7,9)T。
解：=Trans（3，7，9）Rot（X，-90̊）Rot（Z，90̊）
===

4、写出齐次变换矩阵，它表达相对运动坐标系{B}作如下变换：
（a）移动(3,7,9)T； （b）再绕xB轴转–900； （c）绕zB轴转900。
答：=Rot（Z，90̊）Rot（X，-90̊）Trans（3，7，9）=
5、求下面齐次变换

逆变换T-1。
解：

6、矢量Ap轴绕ZA轴旋转300角，然后绕XA轴旋转450角。试给出依次按上述顺序完毕旋转旋转矩阵。
解：

7、坐标系{B}位置变化如下：初始时，坐标系{A}和{B}重叠，让坐标系{B}绕ZB轴旋转300角；然后再绕XB轴旋转450角。给出把对矢量Bp描述变为对Ap描述旋转矩阵。
解：

8、下面坐标系矩阵B移动距离d=(5，2，6)T：

求该坐标系相对于参照坐标系新位置。
[解]：

9、求点P=(2，3，4)T绕x轴旋转45度后相对于参照坐标系坐标。
[解]：
10、写出齐次变换矩阵，它表达相对固定坐标系{A}作如下变换：
（a） 绕Z轴转90º；（b）再绕X轴转-90º；（c）最后做移动（3，7，9）。
解：依题意，

解得
11**、图所示为二自由度机械手，已知各杆长度分别为d1，d2。

题21图 二连杆机械手
（1）进行机器人运动学分析环节有那些？结合图所示二自由度机械手，通过建立坐标系及坐标变换矩阵0T1，1T2等，求出机械手末端O3点位置和速度方程；
（2）对此类平面机器人，求机械手末端O3点位置和速度方程尚有什么别措施？
（3）求解该机器人运动学反解。
（4）按集中质量，建立其动力学方程式。
（1）由题意已知，则：
=,=,=

图1
==
其中
（2）图1示逆运动学有两组也许解。
第一组解：由几何关系得
（1）
（2）
（1） 式平方加（2）式平方得

第二组解：由余弦定理，

1．工业机器人定义？
工业机器人定义：一种用于移动多种材料、零件、工具或专用装置，可通过可编程序动作来实行多种任务，并且具有多种编程能力多功能机械手。

2. 按机器人用途分类，可以将机器人分为哪几大类？试简述之。
1) 工业机器人或产业机器人 应用于工农业生产中，核心用在制造业，进行焊接、喷漆、装配、搬运、检查、农产品加工等产业。
2) 摸索机器人 用于进行太空和海洋摸索，也可用于地面和地下摸索。
3) 服务机器人 一种半自主或全自主机器人，其所从事服务工作可使人类生存更加好，使制造业以外设备工作更加好。
4) 军用机器人 用于军事目旳，或攻打性，或防御性。
3. 什么叫“机器人三守则”？它核心意义是什么？
1) 机器人必需不危害人类，也不许可它眼看人类将受伤害而袖手旁观
2) 机器人必需绝对服从人类，除非这种服从有害于人类
3) 机器人必需保护自身不受伤害，除非为了保护人类或人类命令它做出牺牲等
意义：给机器人社会附以新伦理性，并且机器人概念更加通俗化，更易于为人类社会所接受，至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和顾客，提供了十分故意义指引方针。
4. 机器人系统一般有哪些程序功能？
（1