《仿人机器人制作》考试试卷

五年级上学期信息技术考试试题(1)一、填空题：（每题4分）1、人类智能是人与生俱来的一种自然智能，它主要包含三个方面（感知能力），思维能力和行为能力。

2、只要具备一些与人或生物相似的（智能）的自动化机器，都属于机器人。

3、制作一个教育机器人一般要经过搭建机器人、（编写程序）、仿真、下载程序到微电脑等步骤。

4、人能看见东西、听到声音、感觉出环境及光线的变化，是因为人有眼、耳朵和皮肤等( 感觉) 器官。

5、机器人的感觉器官是（传感器）部分。

6、机器人本体就是机械部分，包括（运动机械）和非运动机械，相当于人体骨骼。

7、机器人的大脑是（微电脑）部分。

8、在机器人的头部前方，安装一个类似人眼的高灵敏度红外避障传感器，它的功能主要是识别周围有没有（障碍）。

6、红外避障传感器相当我们的（眼睛）。

7、声音传感器相当于我们的（耳朵）。

8、机器人的智慧来源于（程序）。

9、在诺宝RC软件中，我们可以进入（仿真）环境，进行机器人的模拟运行。

10、当红外避障传感器检测到障碍物时，它传送（1 ）值到红外避障变量。

11、关于机器人的组成中，机器人的感知能力由（传感器）来表达。

12、关于机器人的组成中，机器人的思维能力由（微电脑）来表达。

13、关于机器人的组成中，机器人的行为能力由（机械部分）来表达。

14、诺宝RC的仿真环境中可以添加（障碍物）、色带和传感源。

15、给机器人装嘴巴——唱歌曲需要用到输出模块中的（音乐）模块。

二、选择题（每题4分）1、以下哪种能力不是人工智能所包含的（C ）A．感知能力B．思维能力C．表达能力2、以下说法中不正确的是（C ）A．人类智能是与生俱来的B．人工智能是人类赋予的C．机器人不属于人工智能3、以下哪个不是微电脑的作用（C ）A．处理外界传来的信息B．发出控制指令C．执行命令4、以下机器人程序中不需要用到永久循环的是（C ）A．自动风扇B．避障机器人C．画五角星机器人5、以下条件判断中的表达式正确的是（ A ）A．人体红外变量= = 1 B．0= =光感变量C．轨迹变量= 1 6、红外避障传感器相当于机器人的眼睛，它是由（A）组成，主要功能是识别前言是否有物体的存在。

2023届北京市丰台区高三一模语文试题（原卷版）一、非连续性文本阅读（2023·北京丰台·统考一模）阅读下面的材料，完成小题。

材料一1950年，“图灵测试”给出判定机器是否具有智能的方法，即机器是否能够模仿人类的思维方式来生成内容继而与人交互。

某种程度来说，人工智能从那时起就被寄予了用于内容创造的期许。

随着数据快速积累、算力性能提升和算法效力增强，今天的人工智能已经可以进行写作、编曲等创意工作。

人工智能越来越多地被应用于内容创作，AIGC的概念随之悄然兴起。

从创作者的角度看,机器内容生态的发展大致可以分成四个阶段：专业生成内容(PGC)、用户生成内容(UGC)、AI辅助生产内容、AI生成内容(AIGC)。

目前，对于AIGC 这一概念，尚无统一规范的定义。

国内产学研各界大都认为，AIGC是继专业生成内容和用户生成内容之后，利用人工智能技术自动生成内容的新型生产方式。

AI绘画、AI写作等都属于AIGC的应用分支。

2022年8月，AI自动生成的画作《太空歌剧院》获得了数字艺术类冠军。

该画作恢宏细腻的画风很难让人相信它是由AI自动生成的作品，而它的夺冠也大大冲击了人们过往对于“人工智能的创造力远逊于人”的固有认知。

自此，AIGC从看似遥远的概念逐步以生动有趣的方式走入人们的生活。

11月30日，微软旗下的OpenAI发布了名为ChatGPT的超级AI语言模型，再次引爆人们对于AIGC的讨论热潮。

ChatGPT不仅可以理解并回答用户的问题，还能完成一些复杂任务，包括按照特定文风撰写诗歌、假扮特定角色对话、修改错误代码等。

此外，因为ChatGPT被加入了预先设计的“道德”准则，即人类反馈强化学习(RLHF)技术，所以它还能表现出一些人类特质，例如承认自己的错误、按照设定的道德准则拒绝不怀好意的请求等。

上线短短几个月，ChatGPT 即火爆全网，并影响着人们惯有的参与生产、生活的模式和框架，有些行业已然将ChatGPT等相关技术融入并应用于现有工作或生产中。

矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。

如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。

㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。

(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。

如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。

对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。

二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。

2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。

㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。

2、矿产品价格稳定性及变化趋势。

三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。

2、矿区矿产资源概况。

3、该设计与矿区总体开发的关系。

㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。

2、矿床开采技术条件及水文地质条件。

中国青少年机器人信息技术等级考试参考（一、二）机器人常识1.机器人历史事件及重要理论古代机器人西周时期伶人汉代地动仪，记里鼓车（张衡）三国时期木牛流马2.机器人产生1920年捷克斯洛伐克卡雷尔.恰佩克robot1939年美国西屋电气公司家用机器人1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出机器人三大定律{1.机器人不应该伤害人类 2. 机器人应遵守人类命令与第一条违背的命令除外 3.机器人应该保护自己与第一第二条相抵触者除外}1948年洛伯特维纳出版《控制论》，以计算机为核心自动化工厂1954年美国约瑟夫英格伯格与德沃尔制作第一台工业机器人约瑟夫英格伯格-----工业机器人之父1966年斯坦福大学------谢客机器人，移动机器人1969年日本机器人专家森昌弘-----恐怖谷理论{恐怖谷理论：人形玩具或机器人的仿真度越高，越过95%人们越有好感，担当超过一个临界点时，这种好感度会突然降低越像越人越反感恐惧，直至谷底}3.国际上机器人比赛（1）机器人世界杯RobotCup1997.8.23-29 日本名古屋（首届）2008.6 中国苏州第十二届（2）微型机器人世界杯足球比赛1996.11 韩国一年一次4.机器人三代发展第一代：示教再现型机器人只有记忆存储能力工业机器人第二代：感知型机器人可获得作业环境和作业对象部分有关信息，进行实时处理第三代；智能机器人具有更完善环境感知能力，还具有逻辑思维，判断，决策能力，自主工作4.主流机器人电影黑客帝国矩阵我、机器人（i robot）尼桑机器管家安德鲁机器人与弗兰克机器人机器人总动员瓦力霹雳五号number5变形金刚汽车人霸天虎超能查派查派星球大战C3-PO R2-D2机器人历险记罗德尼异形艾什（ash）主教5.机器人定义机器人：自动执行工作的机器装置机器人系统基本结构：机械部分，传感部分，控制部分机器人组成：执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统、复杂机械机器人驱动：电力驱动、液压驱动、气压驱动人类对电机要求：体积小、高速高精度6.机器人特点工业机器人：1. 对环境有很强的适应能力，代替人类在有害场所从事危险工作2.动作准确性高，可保证产品质量的稳定性3.能高强度在环境中从事单调简单的劳动4.具有很广泛的通用性医用机器人：1. 不能发生错误2.非专业人员也可以正确使用3.对医生提供有效帮助4.可以直接与人接触（一级）三角形三角形特点：三角形具有稳定性，有着稳固、坚定耐压的特点关于重心一个结构是否稳定，除了考虑结构外还要考虑放置的位置与物体的重心1.与地面接触越大，物体越稳2.重心越低，物体越稳3.通过重心做竖直向下的直线与地面交点垂线，交点在地面稳定，交点不在地面不稳定力力的作用效果：改变物体的运动状态，改变物体的形状力的符号：F 单位牛顿：N二力平衡平衡：运动状态不发生改变静止或匀速直线运动平衡条件；两个力大小相同，方向相反{同一物体，同一直线}常见力介绍重力：G G=mg g=9.8N/kg 或g=10N/kg摩擦力f摩擦力产生的两个条件：1.相互接触2.物体间发生相对运动或有相对运动趋势摩擦力可分为：滑动摩擦力、静摩擦力、滚动摩擦力同一物体同环境下：静摩擦力>滑动摩擦力>滚动摩擦力简单机械斜面斜面工作原理：斜面与平面倾角越小，斜面越长，省力越大，但是距离越长楔形也是斜面的应用螺旋斜面二度应用杠杆一边重量×物体用支点距离=另一边重量×另一边物体到支点距离杠杆五要素：动力、动力臂、支点、阻力臂、阻力齿轮齿轮特点：优点 1.准确传递动力2.传动力大3.结构紧凑缺点噪音大、易损坏滑轮滑轮分为动滑轮和定滑轮定滑轮：改变力的方向，但不省力动滑轮：不改变里的方向，但省力滑轮组：既改变力的方向又能省力区分定滑轮与动滑轮：滑轮中心是否移动齿轮组大齿轮带动小齿轮加速转速1：X 齿数X:1小齿轮带动大齿轮减速转速X:1 齿数1：X能量能量守恒定律：能量不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程重，能量总和保持不变。

全国大学生人工智能知识竞赛原题资料（满分版考试原题）大数据的价值重在挖掘，而挖掘就是分析（正确）3.机器人能与人对话，主要是用了人工智能中的（D ）机器翻译自然语言处理多媒体技术语音识别5.工业机器人最早出现在日本。

（否）是否12.深度学习不是机器学习。

（否）是否15.机器人之父是指：（D ）阿兰.图灵伯纳斯.李莎佩克英格伯格和德沃尔16.世界上第一个将芯片植入体内的人是（A）凯文·沃里克布鲁克斯罗斯·昆兰杰弗里·辛顿17.大数据仅仅是指数据的体量大。

（否）是否18.（B）被誉为信息论的创始人。

诺伯特·维纳克劳德·香农贝塔朗菲查尔斯·巴贝奇1.以下哪些不是人工智能概念的正确表述（D）人工智能是为了开发一类计算机使之能够完成通常由人类所能做的事人工智能是研究和构建在给定环境下表现良好的智能体程序人工智能是通过机器或软件展现的智能人工智能将其定义为人类智能体的研究3.不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业是数控型机器人。

（是）是否5.人工智能研究的先驱者认为人的智能主要表现在人能学习知识和运用知识上，知识是智能的基础。

于是学者们把专门的知识集、规则集和附加过程组成知识库，开发出许多专家系统（英文缩写为ES），在领域获得成功。

（是）是否7.（A）年，捷克剧作家Capek在他的《罗萨姆万能机器人公司》剧本中，第一次用了机器人Robot这个词。

192019591930194010.大数据会带来机器智能，提升计算机的智能程度，但它永远不会超过人类的智能。

（否）是否11.被称为“神经网络之父”和“人工智能教父”的是（A ）。

辛顿赫布明斯基鲁梅尔哈特12.人工智能的发展历程可以划分为（B）。

诞生期和成长期形成期和发展期初期和中期初级阶段和高级阶段13.1943年，神经网络的开山之作《A logical calculus of ideas immanent in nervous activity》,由（A）和沃尔特.皮茨完成。

2022年6月青少年机器人技术等级考试理论综合试卷（二级）分数：100 题数：45一、单选题(共30题，共60分)1.我们常用到的5号电池，它的电压是？（）A. 1.5VB. 3VC. 36VD. 220V2.以下哪种方式可以实现遥控小车左转？（）A. 左轮前进，右轮后退B. 左轮后退，右轮前进C. 左轮前进，右轮停转D. 左右轮均前进3.骑自行车的人遇到紧急情况刹车时，用力捏闸的目的是？（）A. 增大压力以增大摩擦B. 使接触面粗糙以增大摩擦C. 减小摩擦D. 使接触面光滑来增大摩擦4.下列属于连杆机构的是？（）A. aB. bC. cD. d5.下列哪个是反向双曲柄机构？（）A. aB. bC. cD. d6.下列哪个是内啮合棘轮机构？（）A. aB. bC. cD. d7.下图为尺蠖，搭建一个机械尺蠖为了使其只能向前运动，下列选项正确的是？（）A. 一般使用凸轮机构B. 一般使用滑轮C. 一般使用棘轮机构D. 一般会使用皮带8.如图，下列机械包含了哪个机械结构？（）A. 双摇杆机构B. 曲柄滑块机构C. 曲柄摇杆机构D. 双曲柄机构9.关于凸轮机构，下列说法错误的是？（）A. 凸轮的转速决定从动件运动的快慢B. 凸轮和从动件都有不同的形状C. 按凸轮形状不同，凸轮机构可以分为盘形凸轮、滚子凸轮和移动凸轮D. 凸轮机构可以将匀速圆周运动转化为直线往复运动10.下图槽轮机构中的主动件是？（）A. 黄色零件B. 绿色零件C. 两者都是D. 两者都不是11.下列选项中，不属于间歇运动机构的是？（）A. 槽轮机构B. 凸轮机构C. 棘轮机构D. 齿轮机构12.以下必须在同一平面内安装的机械零件是？（）A. 传动链B. 齿轮C. 连杆D. 滑杆13.凸轮机构一般包括？（）A. 凸轮，主动件和机架B. 凸轮，从动件和机架C. 凸轮，主动件和从动件D. 主动件，从动件和机架14.以下不属于棘轮机构实际应用的是？（）A. 自行车飞轮B. 单向腰带扣C. 千斤顶D. 撬棍15.如图，该机构为？（）A. 内啮合摩擦式棘轮机构B. 内啮合齿式棘轮机构C. 外啮合摩擦式棘轮机构D. 外啮合齿式棘轮机构16.皮带传动与链传动共同的优点是？（）A. 噪声小B. 能够保护机械C. 适合远距离传动D. 可精确地传递动力17.谁提出了机器人三定律？（）A. 美国科幻家艾萨克·阿西莫夫B. 乔治·德沃尔C. 意大利作家卡洛·洛伦齐尼D. 捷克剧作家卡尔·恰佩克18.第二代机器人是？（）A. 示教再现型机器人B. 感知型机器人C. 智能机器人D. 仿真机器人19.下列可以清洁地面的机器人是？（）A. aB. bC. cD. d20.如果只能安装主动轮和从动轮两个轮，下列哪个传动方式不适合远距离传递动力？（）A. 齿轮传动B. 链条传动C. 皮带平行传动D. 皮带交叉传动21.齿轮传动、链传动、皮带传动三种传动方式中，主动轮和从动轮转向不同的是？（）A. 齿轮平行啮合、皮带平行传动B. 齿轮平行啮合、皮带交叉传动C. 链传动、皮带平行传动D. 链传动、皮带交叉传动22.关于棘轮机构，说法错误的是？（）A. 摩擦式棘轮机构动程可以无级调节B. 棘轮机构一定有主动棘爪和止回棘爪两个棘爪C. 外啮合棘轮机构比内啮合棘轮机构更容易维修安装D. 齿式棘轮机构动程只能有级调节23.家用自行车主要采用的传动方式是？（）A. 链传动B. 皮带传动C. 齿轮传动D. 无法确定24.发电机的能量转化方式是？（）A. 机械能转化为电能B. 核能转化为化学能C. 化学能转化为电能D. 热能转化为电能25.如果在水平的沙地上、水泥路上、光滑的木板上和玻璃上分别给一个物体相同的初速度，物体会在哪种平面上滑行得更远？（）A. 沙地上B. 水泥路上C. 光滑的木板上D. 玻璃上26.当物体与地面之间产生了滑动摩擦力，以下哪个因素会影响摩擦力大小？（）A. 物体体积大小B. 物体的颜色C. 物体高度D. 接触面的粗糙程度27.一台静止在斜面上的汽车，轮胎与地面会？（）A. 不产生摩擦力B. 有静摩擦力C. 有滚动摩擦力D. 有滑动摩擦力28.我国铁路大提速后，站台上的乘客与列车间的空气流速和压强也发生了变化，为了有效地防止安全事故的发生，站台的安全线距离由原来的1m变为2m。

全国高中生创新能力大赛试卷 《全国高中生创新能力大赛试卷》 一、选择题（每题3分，共30分） 1. 以下哪种思维方式对于创新最为关键？（ ） A. 逻辑思维 B. 发散思维 C. 线性思维 D. 集中思维 2. 在创新过程中，发现问题和（ ）同样重要。 A. 解决问题的速度 B. 界定问题的范围 C. 忽视问题的难度 D. 绕过问题 3. 当你想要改进一个传统产品，你首先应该做的是（ ） A. 直接设计新方案 B. 进行市场调研 C. 模仿其他类似产品 D. 寻求专家意见 4. 以下哪项不属于创新的特点？（ ） A. 新颖性 B. 价值性 C. 重复性 D. 风险性 5. 对于高中生来说，在学校的哪个场景中最容易激发创新灵感？（ ） A. 课堂听讲 B. 考试过程 C. 社团活动 D. 课间休息 6. 创新能力的核心要素不包括（ ） A. 知识储备 B. 好奇心 C. 想象力 D. 执行力 7. 如果要开发一款新的手机APP，以下哪个步骤是最基础的？（ ） A. 界面设计 B. 功能规划 C. 市场推广 D. 确定名字 8. 以下哪种情况不利于创新思维的培养？（ ） A. 多阅读不同类型的书籍 B. 只接受一种固定的观点 C. 参加创意工作坊 D. 与不同背景的人交流 9. 在创新过程中，错误和失败（ ） A. 是完全应该避免的 B. 可以提供宝贵的经验 C. 意味着创新的终结 D. 只对初学者有意义 10. 为了鼓励创新，学校应该（ ） A. 只注重成绩优秀的学生 B. 减少课外活动 C. 提供多样化的课程和实践机会 D. 限制学生的自由探索 二、简答题（每题10分，共30分）

1. 简述创新能力在现代社会中的重要性。 2. 请举例说明如何在日常生活中培养自己的创新能力。 3. 阐述你对创新与传统文化之间关系的理解。 三、论述题（40分） 请以“如何在高中校园中营造创新氛围”为主题，撰写一篇不少于300字的文章。 《答案与解析》 一、选择题答案 1. B。解析：发散思维是从一个目标出发，沿着各种不同途径去思考，探求多种答案的思维，它有助于产生多种创意和想法，对于创新最为关键。逻辑思维侧重于推理等，线性思维是一种直线的、单向的思维 方式，集中思维是在众多信息中寻求一个最佳答案，都不利于创新产生多种可能性。建议：多做一些发散思维训练，如头脑风暴等活动。 2. B。解析：准确地界定问题的范围有助于明确创新的方向，如果问题范围界定不清，后续的创新工作可能会偏离方向。解决问题的速度不是首要的，忽视问题难度不利于创新，绕过问题就无法创新。建议：遇到问题时先仔细分析问题的范围、边界等。 3. B。解析：进行市场调研可以了解产品的现状、用户需求、竞争情况等，从而为改进传统产品提供依据。直接设计新方案可能不符合市场需求，模仿不能体现真正的创新，寻求专家意见可以在调研之后进行。建议：学会运用多种调研方法，如问卷调查、访谈等。 4. C。解析：创新强调的是新颖、独特，不会是重复性的工作。新颖性是创新的直观体现，价值性表示创新要有意义和价值，风险性是因为创新面临很多未知。建议：在创新时要确保自己的想法不是简单重复已有的成果。 5. C。解析：社团活动提供了更多自由交流、合作和尝试新事物的机会，相比于课堂听讲、考试过程更能激发创新灵感，课间休息虽然放松但缺乏深度的创新激发因素。建议：积极参加感兴趣的社团活动并主动投入。 6. A。解析：虽然知识储备对创新有帮助，但不是创新能力的核心要素，好奇心驱使人们探索未知，想象力是产生创新想法的源泉，执行力能将创新想法变为现实。建议：不要认为知识多就一定创新能力强，更要注重其他方面的培养。 7. B。解析：功能规划确定了手机APP的核心价值和基本架构，是后续界面设计、市场推广等的基础，确定名字是相对较后的工作。建议：在开发任何项目时先确定核心功能规划。 8. B。解析：只接受一种固定的观点会限制思维的拓展，不利于创新思维的培养。多阅读不同书籍、参加创意工作坊和与不同背景的人交流都有助于开拓思维。建议：保持开放的心态，接受多元观点。 9. B。解析：错误和失败能让我们从中吸取教训，发现创新过程中的不足，从而调整方向，是宝贵的经验。完全避免是不现实的，也不意味着创新终结，对所有创新者都有意义。建议：正确看待失败，建立从失败中学习的态度。 10. C。解析：提供多样化的课程和实践机会可以满足不同学生的兴趣和需求，激发学生的创新潜力。只注重成绩优秀学生、减少课外活动、限制学生自由探索都不利于创新氛围的营造。建议：学校应重视多种教育资源的提供。 二、简答题答案 1. 创新能力在现代社会中的重要性： - 经济发展方面，创新能力推动产业升级和新兴产业的诞生。例如，互联网产业的发展就是创新的结果，创造了大量的就业机会和经济价值。 - 社会进步方面，创新有助于解决社会面临的各种问题，如环保创新技术可以应对环境问题。 - 文化领域，创新能让传统文化焕发出新的活力，同时催生新的文化形式，丰富人们的精神生活。

第３４卷第２４期中国机械工程V o l ．３４㊀N o ．２４２０２３年１２月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．２９４６Ｇ２９５１一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作王铠迪１㊀陈岁繁１㊀唐㊀威２㊀秦可成２㊀李其朋１㊀杨㊀展１㊀刘㊀阳３㊀邹㊀俊２１．浙江科技学院机械与能源工程学院,杭州,３１００２３２．浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,杭州,３１００２７３．安徽理工大学机械工程学院,淮南,２３２００１摘要:为了提高小型机器人的机动性,增加运动步态的多样性,基于蝗虫的身体结构和运动机理设计了一款仿蝗虫弹跳的跳跃机器人,机身主体采用３D 打印制作而成.为了复现蝗虫的弹跳动作机理,在机器人主体的连接处安装了扭转弹簧来模拟蝗虫的S L P 机构(半月形储能机构),当机器人遇到障碍物时,扭转弹簧将储存的弹性势能释放,产生地面反作用力,实现机器人的弹跳从而越过障碍物.经实验验证,该机器人具有良好的跳跃性能,其跳跃距离可达１００c m ,跳跃高度可达１２０c m ,约为自身身长的１５倍.关键词:仿生;蝗虫;弹跳机构;扭转弹簧;三维打印中图分类号:T P ２４２D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４ １３２X．２０２３．２４．００６开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):AB i o n i cB o u n c i n g R o b o tD e s i g na n dM a d e I n s p i r e db y Lo c u s t s WA N G K a i d i １㊀C H E NS u i f a n １㊀T A N G W e i ２㊀Q I N K e c h e n g ２㊀L IQ i p e n g １㊀Y A N GZh a n １L I U Y a n g ３㊀ZO UJ u n ２１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE n e r g y E n g i n e e r i n g ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,H a n gz h o u ,３１００２３２．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f F l u i dP o w e r a n d M e c h a t r o n i cS y s t e m s ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y,H a n gz h o u ,３１００２７３．C o l l e g e o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,A n h u iU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,H u a i n a n ,A n h u i ,２３２００１A b s t r a c t :I n o r d e r t o i m p r o v e t h em o b i l i t y o f s m a l l r o b o t s a n d i n c r e a s e t h e d i v e r s i t y ofm o v e m e n t g a i t ,a j u m p i n g r o b o t i m i t a t i n g l o c u s t b o u n c i n g w a s d e s i g n e db a s e do n t h eb o d y st r u c t u r e a n dm o v e Ｇm e n tm e c h a n i s mo f l o c u s t s ,a n dt h e m a i nb o d y w a sm a d eb y ３D p r i n t i n g ．A n df o r r e p r o d u c i n g th e l o c u s t sb o u n c i n g m e c h a n i s m ,a t o r s i o n s p r i n g w a s i n s t a l l e d a t t h e j o i n t s o f t h e r o b o t b o d yt o s i m u l a t e t h e l o c u s t sS L P (s e m i l u n a r e n e r g y s t o r a ge )m e c h a n i s m．W h e n t h e r o b o tm e t a no b s t a c l e ,t h e t o r s i o n s p r i n g r e l e a s e d t h e s t o r e d e l a s t i c p o t e n t i a l e n e r g y an d g e n e r a t e da g r o u n dr e a c t i o n f o r c e ,w h i c hr e a l Ｇi z e d t h e r o b o t s b o u n c i n g a n d t h u s c r o s s e d t h e o b s t a c l e ．T h e r o b o tm i g h t i m i t a t e t h e l o c u s t s j u m p i n ga c t i o n s ,a n d s i m u l a t e t h e l o c u s t s f l e x ib i l i t y t o ac e r t a i n e x t e n t ．I tw a s e x p e r i m e n t a l l y ve r if i e d t h a t t h e r o b o th a sg o o d j u m p i n g p e r f o r m a n c e ,w i th a j u m pi n g d i s t a n c e o f u p t o １００c ma n d aj u m p i n g h e i gh t o f u p t o １２０c m w h i c h i s a b o u t １５t i m e s o f t h e o w n l e n gt h ．K e y wo r d s :b i o n i c ;l o c u s t ;b o u n c i n g m e c h a n i s m ;t o r s i o n s p r i n g ;３D p r i n t i n g 收稿日期:２０２３０１１２基金项目:全国博士后创新人才支持计划(B X ２０２２０２６７);浙江省科技厅领雁项目(２０２２C ０４０２２)０㊀引言经过数亿年的进化,生物已经形成了灵巧的运动机制和敏捷的运动模式[１Ｇ２].在仿生技术研究中,可以借鉴生物界中的各种生物体,如鸟类㊁昆虫类㊁鱼类等来设计具有特定功能的机器人[３Ｇ６].HU A N G 等[７]设计了一款模仿鸟类飞行的扑翼机器人,这个机器人通过模拟鸟类的翅膀运动,实现了较高机动性和灵活的飞行能力.王猛[８]设计了一种简化的单自由度菱形四杆仿生青蛙后肢机构,该机构利用电机拉动绳子储存弹簧能量.B A E K 等[９]基于瓢虫的运动规律,设计出一种可以在１１６m s 内展开,并且可以承受自身质量１５０倍的顺从折纸结构,该结构具有强大的能量存储能力和可靠的自锁能力.K U R N I AWA N 等[１０]设计了一款采用形状记忆合金弹簧来柔性驱动的仿昆虫跳跃机器人,该机器人体积轻巧质量仅为２１６m g.T A N G 等[１１]设计了一种采用柔性电流体泵驱动的仿生机器鱼,该机器鱼通过模拟鱼类的身体结构和尾鳍摆动,实现了优雅而高效的水中游动.６４９２腿部跳跃机器人利用仿生学原理[１２],将机器人的设计从生物形态或结构功能转变为工程领域的原型,在跨越障碍㊁危险工作环境和低重力空间环境的任务中发挥自身的移动优势,实现了更加灵活的自主运动[１３Ｇ１８].本文模仿的生物跳跃原型为蝗虫,蝗虫是一种具有良好跳跃能力的昆虫,它能够一次性地跳跃超过自身体长２０倍的距离[１２],从而使得它可以轻松地越过障碍物或迅速移动到新的位置.基于对蝗虫跳跃机理的研究,本文设计了一款具有一定仿生意义的弹跳机器人,且采用３D打印方法对其进行了制作,最后通过实验验证了该机器人有良好的跳跃性能.１㊀蝗虫生理分析蝗虫是一种具有优秀运动能力的生物,它能够快速地爬行和弹跳.蝗虫的弹跳机制与人类的弹跳机制有很大的不同,蝗虫的弹跳运动主要依靠它的后腿,蝗虫后腿表面是一层壳,分布在壳中的是后腿肌肉.如图１a所示[１８],蝗虫弹跳所使用的最主要的两块肌肉为胫节伸肌和胫节屈肌.伸肌控制腿的伸展,而屈肌控制腿的收缩,它们都连接在转节肌肉和基节肌肉上.图１b所示为高清显微镜下看到的蝗虫后足超清内部结构[１９],可以看到腿节和胫节是由关节连在一起的,且蝗虫的胫节和股节上都有锋利的小毛刺.这些毛刺的作用主要是吸附抓紧地面,增强腿部和地面之间的摩擦力,使整个身体牢牢抓紧在地面上.(a)后腿肌肉图[１８](b)高清后足图[１９]图１㊀蝗虫后腿结构图F i g．１㊀S t r u c t u r e d i a g r a mo f l o c u s t h i n d l e g s蝗虫在胫节伸肌和胫节屈肌的配合下,通过后腿[１９]的弯曲和折叠以及突然伸张来实现跳跃,如图２所示.蝗虫后腿的跳跃可分为３个阶段:①正常阶段.在跳跃之前,胫骨延伸到一定程度,此时胫节伸肌和胫节屈肌处于放松状态.②收缩阶段.蝗虫的收缩阶段细分为两个过程,刚开始收缩时,胫节伸肌不收缩,屈肌进行收缩,导致蝗虫胫骨向股骨挤压,形成折叠;第二个为共同收缩阶段,蝗虫胫节伸肌和胫节屈肌同时进行收缩,让半月形储能机构(S L P)弯曲,用来储存跳跃能量.③伸展阶段.胫节屈肌进行放松,推动伸肌和S L P 有力地伸张胫骨,骤然间释放能量,让蝗虫完成蹬地起跳.㊀㊀(a)正常阶段㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)收缩阶段(c)伸展阶段图２㊀蝗虫后腿跳跃机理F i g．２㊀J u m p i n g m e c h a n i s mo f l o c u s t h i n d l e g s本文基于以上原理,设计了一款仿蝗虫弹跳机器人.２㊀弹跳方案的确定对于已经给定质量的弹跳机器人,其目标是增加它的跳跃高度和跳跃距离.而跳跃设计分为两方面,一个是如何减小弹跳机器人的质量,另一个是如何增加弹跳存储的能量.减小弹跳机器人的质量以及缩小弹跳机器人的尺寸往往会带来以下几个结果:①该弹跳机构的动能由扭转弹簧的弹性能转化而来,质量的减小会生成更高的初速度v０;②在机构的弹性能保持不变的前提下,机器人质量的减小及其尺寸的缩小会导致结构中有较小的横截面,使机构承受的应力变大,增大机构在跳跃时的形变;③整体质量的减小缩小了可存放电池的尺寸及容量,导致机构运动时间缩短.７４９２一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作 王铠迪㊀陈岁繁㊀唐㊀威等此外,如将机器人看作是一个点质量,机器人的正面面积在弹道阶段是固定的,而且机器人在空中阶段不会旋转,由此可以得到机器人[２０]的运动方程为y㊆(t)＝－g－１２mρC d A s(y (t))２(１)式中,y(t)为机器人的垂直位置;g为重力加速度;ρ为空气密度;m为机器人的质量;C d为阻力系数;A s为机器人运动方向的正面面积.式(１)的初始条件为y(０)＝０,y (０)＝v０.由式(１)可得出机器人的垂直速度y (t)＝gαt a n(γ－αg t)(２)α＝ρC d A s/(２m)㊀㊀γ＝a r c t a n(v０α/g)和机器人的垂直位置y(t)＝１αl n(c o s(γ－αg t)c o sγ)(３)为了找到机器人跳跃的最高位置,设置y (０)＝０,t＝γ/αg,y (t)＝０,得到最高跳跃高度:h＝１αl n(１c o s[a r c t a n(αg v０)])(４)为了确定弹跳的初速度v０,假设弹跳机构的弹性能都转化成了动能,没有耗费损失,但这一假设并不反映现实中的情况,对于任何的弹跳机器人,都会由于摩擦损失一部分能量,然而这种假设能够帮助我们简单且清晰地观察到机器人的质量对跳跃高度的影响,可以得到能量方程为１２m v２０＝１２K n(Δθ)２(５)式中,K为弹簧的弹性系数,N m/r a d;n为并联的弹簧数量;Δθ为弹簧的偏转角.可以得到初速度v０＝K n mΔθ(６)将式(６)代入式(４),可以得到机器人的质量m与弹跳高度h(m)的关系:h(m)＝σm l n(１＋(δm)２)(７)δ＝ΔθρC d A s K n/(２g)㊀㊀σ＝１/(ρC d A s)式中,δ㊁σ为两个常量,由系统参数确定.式(７)表明质量的确对高度有一定的影响,且在d h(m)/h(m)＝０时达到最大高度,有mʈδ１．９８(８)将式(８)作为弹跳机器人的设计原则,可以适当调整机器人的尺寸㊁电池容量大小㊁驱动舵机样式等.３㊀仿生弹跳机器人的设计和制作综合国内外学者对弹跳机器人的研究,弹跳机器人的动力源可以选择弹簧驱动㊁气压驱动㊁液压驱动㊁电磁铁驱动和化学能驱动等多种方式.笔者最终选用扭转弹簧作为弹跳机器人的动力源,采用了５个１．２ˑ６ˑ３ˑ１２０(线径为１．２mm,外径为６mm,外径圈数为３,展开角为１２０ʎ)尺寸的扭转弹簧作为储能机构.采用扭转弹簧驱动有如下几个优势:①驱动效率高.当弹簧储存能量并释放时,能够提供高弹性力量,使机器人实现快速㊁高效的弹跳运动.相比之下,气压驱动和液压驱动可能存在能量损耗和能量传输效率较低的问题.②驱动能量少.弹簧可以通过外部施加的力进行预压,储存能量,并在释放时提供驱动力.相比之下,电磁铁驱动和化学能驱动可能需要更多的能量输入来实现相同的驱动效果.③设计简单.弹簧驱动的机器人相对于其他驱动方式设计较简单.弹簧作为一种简单㊁可靠的驱动元件,不需要复杂的控制系统或额外的能源供应,有助于减少机器人的复杂性㊁减小质量并提高可靠性.④成本较低.相比于一些高成本的驱动方式,弹簧驱动通常具有较低的制造和维护成本,弹簧本身的成本相对较低,且不需要复杂的附件或特殊材料.这使得弹簧驱动成为一个经济实用的选择.本文设计的弹跳机器人电机选择空心杯微型数码小舵机,将该舵机的控制线正确地连接到接收机上的一个空闲通道,再将接收机与遥控器所使用的频率和通道相匹配,以确保遥控器和接收机之间通信正常,通过遥控器的摇杆来控制舵机的输出.该舵机可以满足弹跳机构所需的电机高转速㊁大扭力㊁小质量的特点.在综合考虑市面上几种常见舵机的额定电压㊁转速㊁功率㊁额定转矩和质量等参数性能后,选择G DW R S０７０８空心杯舵机作为本文所设计弹跳机构的驱动电机,该电机可输入４．８~８．４V的电压,具体参数如表１所示.表１㊀G D W R S０７０８舵机参数表T a b．１㊀G D W R S０７０８s e r v o p a r a m e t e r l i s t名称参数范围电压范围４．８~８．４V适应温度－２０~６０ħ工作频率１５２０μs/３３３H z㊀㊀为了满足压缩５个扭转弹簧所需的扭力,在不同电压下分别对舵机的扭力㊁速度㊁快速持续电流等参数进行了测试,如表２所示.最终采用７．４V微型聚合物充电锂电池进行机器制作,该锂电池８４９２中国机械工程第３４卷第２４期２０２３年１２月下半月质量约为２７g ,具有安全性能高㊁尺寸小㊁质量小㊁容量大㊁内阻小㊁放电特性佳等优点.表２㊀G D W 不同电压下舵机性能T a b ．２㊀G D Ws e r v o p e r f o r m a n c e u n d e r d i f f e r e n t v o l t a ge s 电压(V )速度(s /６０ʎ)扭力(k g c m )快速持续电流(m A )死区(μs )４．８０．１７３．５２００２５．５０．１５４．７２８０２６．００．１２６．０４２０２７．４０．１０６．８５００２８．４０．０８７．５６００２㊀㊀本文设计的仿生弹跳机器人的传动机构包括微型舵机㊁丝杠和螺母㊁配合丝杠的圆筒㊁一个弹簧钩子㊁一个滑动导轨机构㊁两根类似肌腱状金属细丝和下股骨的碳棒.通过舵机配套的固定件使用紧定螺钉将舵机与圆筒进行固定;螺母配合在丝杠上,丝杠与圆筒通过ϕ３mm 螺杆螺母进行配合.其中,丝杠上螺母和弹簧钩子之间用一根金属丝进行连接,另一根金属丝连接在下肢的碳棒和圆筒之间;通过图３所示的滑动导轨机构将螺母的转动转变为移动,整体传动机构的三维图见图４.金属丝模拟的是胫节肌肉的伸缩:逆时针旋转时,模拟胫节屈肌,此时胫骨向股骨靠近;顺时针旋转时,模拟胫节伸肌㊁胫骨向股骨疏远,完成跳跃.原理如图５所示.图３㊀滑动导轨机构F i g．３㊀S l i d e r a i lm e c h a n i s m 图４㊀传动机构三维图F i g ．４㊀T h r e e Ｇd i m e n s i o n a l d i a gr a mo f t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m弹跳与复位的过程一共存在７个阶段:①初始阶段.将一枚６０ʎ扭转弹簧嵌入弹簧钩子内部,两者固连一体的,两根金属丝都处于绷紧状态.②小舵机逆时针旋转,带动螺母前进,第二个金属丝松开,将下肢的碳棒向弹簧钩子方向拉进,图５㊀跳跃原理图F i g ．５㊀J u m p sc h e m a t i c 直到弹簧钩子底部的斜面与圆碳棒相切.③此时再稍稍旋转舵机,弹簧钩子就会顺着斜面弹开.④在扭转弹簧的作用下,弹簧钩子会回弹,自动扣上碳棒.⑤舵机顺时针旋转,会拉动螺母往外移,在此期间,第一根金属丝会不断伸展,临界状态为拉紧第二根金属丝.⑥稍稍转动舵机,第二根金属丝就会将弹簧钩子拉开,完成跳跃.⑦此时再逆时针转动舵机,整个机构又会恢复到①状态.对于仿生弹跳机器人这一构型,除了机构的设计以及弹跳原理的把控之外,针对其样机的制作和组装对仿生机器人的研究也是至关重要的.在材料和加工的选择中,为了满足机构所需要的精度要求㊁强度要求和结构特点等要素,选择了３D 打印技术作为主要的加工方式.本文３D 打印所采用的材料有未来８２００p r o 树脂材料和未来７１００尼龙材料,部分树脂材料由于在弹跳的复位与变形过程中变形及承受的扭曲力比较大,容易破碎,因此采用尼龙材料.尼龙材料有较好的耐磨性和耐冲击性,且密度相对较小,两者的材料属性如表３和表４所示.表３㊀未来８２００pr o 树脂T a b ．３㊀F u t u r e ８２００pr o r e s i n 名称数值热变形温度(ħ)５８拉伸模量(M P a )２６００拉伸强度(M P a )５２．３断裂应变(％)１１屈服应变(％)３．４缺口冲击强度(k J /m )３６９４９２ 一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作王铠迪㊀陈岁繁㊀唐㊀威等表４㊀未来７１００尼龙T a b．４㊀F u t u r e７１００n y l o n名称数值热变形温度(ħ)１４５拉伸强度(M P a)４６拉伸模量(M P a)１６００弯曲强度(M P a)４６．３弯曲模量(M P a)１３００缺口冲击强度(k J/m)４．９无缺口冲击强度(k J/m)１３．２介电常数(６０H z)３．５㊀㊀使用３D打印技术进行加工的部件有:舵机的底座台㊁滑动导轨机构㊁扭转弹簧上下支撑板.其中上下支撑板由于承受扭转弹簧的变形,采用更坚硬的尼龙材料打印.在整体的材料配合中,选择碳纤维杆作为结构梁材料贯穿连接整个机身,碳纤维杆具有较高的抗拉强度,本身密度小,且更加经济实惠,可以承受因扭转弹簧压缩导致的弯曲变形而不破裂.整体完成组装后的弹跳机器人如图６所示,高４２m m,长８０m m,质量为７５g.图６㊀组装后的弹跳机构F i g．６㊀T h e b o u n c em e c h a n i s ma f t e r a s s e m b l y ４㊀仿生弹跳机器人仿真与实验本次虚拟样机仿真在A D AM S软件中进行,将机构模型进行简化,省去变形前的步骤,将扭转弹簧的弹力转换成地面对机构的反作用力,将整体的运作模式更改为MMK S模式,在整个环境中设置大小为９．８０６６５N/k g的Y轴负方向的重力加速度,并在底部建立一块平板作为地面,使弹跳机器人底端正好与平板接触.模型建立完成之后,再对模型各个部分的材料进行定义,全部设置完成后,整体的模型质量为８０g左右.在模型中添加运动副和驱动之后,得到的跳跃轨迹如图７所示.再通过实验来验证仿生弹跳机构的跳跃能力.为了测试跳跃机构的跳跃能力,对其进行了１５次跳跃测试.采用每秒１２０帧的高速摄像机进行拍摄,目的是为了检测跳跃的轨迹路线,拍摄的连续轨迹如图８所示.每一次跳跃大约产生６０(a)纵向位移(b)横向位移图７㊀跳跃轨迹模拟图F i g．７㊀J u m p t r a j e c t o r y s i m u l a t i o nd i a g r a m图８㊀跳跃轨迹图F i g．８㊀J u m p t r a j e c t o r y d i a g r a m个左右的快照,允许对每一个跳跃轨迹进行描绘,通过软件T r a c k e r进行轨迹的绘制,１５次跳跃结果的数据如表５所示.表５㊀跳跃实验数据T a b．５㊀J u m p i n g e x p e r i m e n t d a t a编号高度(m)长度(m)１１．３６１．０２２１．３４０．９５３１．２８０．９０４１．０００．８８５１．２２０．９６６１．２５０．８２７１．１６０．９１８１．２３１．０２９１．３４１．０６１０１．２６１．０３１１１．１８０．９７１２１．３０１．００１３１．４３１．１３１４１．０１１．０５１５１．１９１．１０平均１．２３１．０１０５９２中国机械工程第３４卷第２４期２０２３年１２月下半月５㊀结语对蝗虫后腿中的胫骨与股骨的运动机理进行分析,确定了本文设计的弹跳机器人的弹跳方案.建立了仿蝗虫弹跳机器人的三维模型,并通过３D 打印技术进行了零部件的制作及组装.通过样机仿真和实验验证了机构设计的合理性,经测试,机构具有良好的弹跳性能,其跳跃长度约１００c m,而跳跃高度可达１２０c m,约为自身身长的１５倍,具有一定的仿生意义.参考文献:[１]㊀E R O G L U A K,E R D E N Z,E R D E N A．B i o l o g i c a l S y s t e m A n a l y s i si n B i o i n s p i r e d C o n c e p t u a lD e s i g n(B I C D)f o r B i o i n s p i r e dR o b o t s[J]．C o n t r o l E n g i n e e r i n ga n dA p p l i e d I n f o r m a t i c s,２０２２,１３(２):８１Ｇ８６．[２]㊀C O R A L W,R O S S I C,C U R E T M O,e t a l．D e s i g na n dA s s e s s m e n to f aF l e x ib l eF i s h R o b o tAc t u a t e db y S h a p eM e m o r y A l l o y s[J]．B i o i n s p i r a t i o n&B i o m i m eＧt i c s,２０１８,１３(５):０５６００９．[３]㊀Z HA N GJ,Y A N G X,S O N G G,e t a l．S t r u c t u r a lＧp a r a m e t e rＧb a s e d J u m p i n gＧh e i g h tＧa n dＧd i s t a n c e A dＧj u s t m e n ta n d O b s t a c l e S e n s i n g o fa B i oＧi n s p i r e dJ u m p i n g R o b o t[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f A dＧv a n c e dR o b o t i cS y s t e m s,２０１５,１２:６０５７９．[４]㊀李保江．跳跃式机器人机构设计与动力学分析[D]．南京:南京航空航天大学,２００６．L I B a o j i a n g．M e c h a n i s m D e s i g na n dD y n a m i cA n a l y s i so f J u m p i n g R o b o t[D]．N a n j i n g:N a n j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,２００６．[５]㊀HA L D A N ED W,P L E C N I K M,Y I MJK,e t a l．A P o w e r M o d u l a t i n g L e g M e c h a n i s m f o r M o n o p e d a lH o p p i n g[C]ʊI E E E/R S JI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n I n t e l l i g e n t R o b o t s a n dS y s t e m s(I R O S)．D a e j e o n:I E E E,２０１６:１６５０３８１３．[６]㊀HA L D A N E D W,P L E C N I K M M,Y I M JK,e ta l．R ob o t i cV e r t ic a l J u m p i n g A g i l i t y v i aS e r i e sＧe l a s t i cP o w e r M o d u l a t i o n[J]．S c i e n c e R o b o t i c s,２０１６,１(１):e a a g２０４８．[７]㊀H U A N G H,H E W,W A N G J,e t a l．A nA l l S e r v oＧd r i ve nB i r dＧl i k eF l a p p i n gＧw i n g A e r i a lA u t o n o m o u sF l i g h t[J]．I E E E/A S M E T r a n s a c t i o n so n M e c h aＧt r o n i c s,２０２２,２７(６):５４８４Ｇ５４９４．[８]㊀王猛．仿青蛙跳跃机器人的研制[D]．哈尔滨:哈尔滨工业大学,２００９．WA N G M e n g．T h e D e v e l o p m e n t o f a F r o gＧl i k eJ u m p i n g R o b o t[D]．H a r b i n:H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,２００９．[９]㊀B A E KS M,Y I M S,C HA ES H,e t a l．L a d y b i r dB e e t l eＧi n s p i r e dC o m p l i a n tO r i g a m i[J]．S c i e n c eR oＧb o t ic s,２０２０,５(４１):e a a z６２６２．[１０]㊀K U R N I AWA N R,F U K U D OM E T,Q I U H,e ta l．A n U n t e t h e r e d２１６Ｇm g I n s e c tＧs i z e d J u m p i n gR o b o tw i t h W i r e l e s sP o w e rT r a n s m i s s i o n[C]ʊI n t e rＧn a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t R o b o t s a n d S y s t e m s(I R O S)．L a sV e g a s:I E E E,２０２０:７８８１Ｇ７８８６．[１１]㊀T A N G W,Z HA N G C,Z HO N G Y,e ta l．C u sＧt o m i z i n g aS e l fＧh e a l i n g S o f tP u m p f o rR o b o t[J]．N a t u r eC o mm u n i c a t i o n s,２０２１,１２:２２４７．[１２]㊀K L E MM V,MO R R A A,S A L Z MA N N C,e t a l．A s c e n t o:aT w oＧw h e e l e d J u m p i n g R o b o t[C]ʊI nＧt e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n R o b o t i c sa n d A u t o m aＧt i o n(I C R A)．M o n t r e a l:I E E E,２０１９:１８９０３８６５．[１３]㊀B A E KS M,Y I M S,C HA ES H,e t a l．L a d y b i r dB e e t l eＧi n s p i r e dC o m p l i a n tO r i g a m i[J]．S c i e n c eR oＧb o t ic s,２０２０,５(４１):e a a z６２６２．[１４]㊀M I L N EN,G R A N A T O S K Y M C．U l n aC u r v a t u r ei nA r b o r e a l a n dT e r r e s t r i a l P r i m a t e s[J]．J o u r n a l o fM a mm a l i a nE v o l u t i o n,２０２１,２８(３):８９７Ｇ９０９．[１５]㊀C H E N G,T UJ J,T IXC,e t a l．AS i n g l eＧl e g g e d R o b o t I n s p i r e d b y t h e J u m p i n g M e c h a n i s mo f C l i c kB e e t l e sa n dI t s H o p p i n g D y n a m i c s A n a l y s i s[J]．J o u r n a l o fB i o n i cE n g i n e e r i n g,２０２０,１７(６):１Ｇ１７．[１６]㊀卢松明,郭策,戴振东．仿蝗虫脚掌的机器人脚结构设计及其优化[J]．科学通报,２０１２,５７(２６):２４６３Ｇ２４６８．L U S o n g m i n g,G U O C e,D A IZ h e n d o n g．S t r u cＧt u r a l D e s i g n a n dO p t i m i z a t i o n o f aR o b o t F o o t I m iＧt a t i n g aL o c u s tF o o t[J]．S c i e n c eB u l l e t i n,２０１２,５７(２６):２４６３Ｇ２４６８．[１７]㊀WO O DWA R D M A,S I T T I M．M u l t i M oＧB a t:aB i o l o g i c a l l y I n s p i r e d I n t e g r a t e d J u m p i n gＧg l i d i n gR o b o t[J]．T h eI n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f R o b o t i c sR e s e a r c h,２０１４,３３(１２):１５１１Ｇ１５２９．[１８]㊀王欣．仿蝗虫弹跳机器人的设计及动态性能分析[D]．武汉:武汉科技大学,２０１９．WA N G X i n．D e s i g n a n d D y n a m i c P e r f o r m a n c eA n a l y s i so fL o c u s tB o u n c i n g R o b o t[D]．W u h a n:W u h a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２０１９．[１９]㊀W E ID,G A O T,L I Z,e t a l．H y b r i d I n s p i r e dR eＧs e a r c ho nt h eF l y i n gＧj u m p i n g L o c o m o t i o no fL oＧc u s t s U s i n g R o b o tC o u n t e r p a r t[J]．F r o n t i e r si nN e u r o r o b o t i c s,２０１９,１３:８７．[２０]㊀蔡自兴,谢斌．机器人学[M]．北京:清华大学出版社,２０２２:２６Ｇ１２５．C A I Z i x i n g,X I EB i n．R o b o t i c s[M]．B e i j i n g:T s i n gＧh u aU n i v e r s i t y P r e s s,２０２２:２６Ｇ１２５．(编辑㊀王艳丽)作者简介:王铠迪,男,１９９８年生,硕士研究生.研究方向为仿生机器人.陈岁繁(通信作者),男,博士㊁副教授.研究方向为智能制造与机械结构创新设计.EＧm a i l:c h e n s u i f a n８１２１＠１６３．c o m.１５９２一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作 王铠迪㊀陈岁繁㊀唐㊀威等。

机器人技术基础11886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由4部分组成：1，生命系统；2，造型解质；3，人造肌肉；4，人造皮肤。

21920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。

在剧本中，构想了RUR机器人，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”。

3为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：1，机器人不应伤害人类；2，机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外;3，机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

4在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，提出了两个有代表性的定义。

一是森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。

51987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。

”6我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或动物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。

71988年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划任务的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”。

81662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶；1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭。

9现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，杰克·道罗斯制作于二百多年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。

10现代机器人现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。

学习-----好资料 更多精品文档 第1章 绪论 1、国际标准化组织（ISO）对机器人的定义是什么？ 国际标准化组织（ISO）给出的机器人定义较为全面和准确，其涵义为： 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能； 机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变； 机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等； 机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人类的干预。 2、工业机器人是如何定义的？ 工业机器人是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。且这种操作机可以固定在一个地方，也可以在往复运动的小车上。 3、按几何结构，机器人可分为那几种？ 直角坐标型 圆柱坐标型 球坐标型 关节坐标型 4、机器人的参考坐标系有哪些？ 全局参考坐标系 关节参考坐标系 工具参考坐标系 5、什么是机器人的自由度和工作空间？ 机器人的自由度（Degree of Freedom, DOF）是指其末端执行器相对于参考坐标系能够独立运动的数目，但并不包括末端执行器的开合自由度。自由度是机器人的一个重要技术指标，它是由机器人的结构决定的，并直接影响到机器人是否能完成与目标作业相适应的动作。 机器人的工作空间（Working Space）是指机器人末端上参考点所能达到的所有空间区域。由于末端执行器的形状尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，工作空间是指不安装末端执行器时的工作区域。 第2章 1、机器人系统由哪三部分组成？答：操作机、驱动器、控制系统 2、什么是机器人的操作机？分为哪几部分？ 答：机器人的操作机就是通过活动关节（转动关节或移动关节）连接在一起的空间开链机构，主要由手部、腕部、臂部和机座构成。 3、简述机器人手部的作用，其分为哪几类？ 答：作用：机器人的手部又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专用工具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的最前端。 分类：1.机械夹持式手2.吸附式手3.专用手4.灵巧手 4、机器人机械夹持式手按手爪的运动方式分为哪两种？各有何典型机构？ 答：按手爪的运动方式分为回转型和平移型。平移型可分两类：它分为直线式和圆弧式两种。 典型机构：a齿轮齿条式b螺母丝杠式c凸轮式d平行连杆式 .回转型典型:a楔块杠杆式b滑槽杠杆式c连杆杠杆式d齿轮齿条式e自重杠杆式 5、机器人吸附式手分为哪两种？各有何特点？ 答：根据吸附力的产生方法不同，将其分为：气吸式,磁吸式 （1）气吸式:气吸式手是利用吸盘内的压力与外界大气压之间形成的压力差来工作的，根据压力差形成的原理不同，可分为：a挤压排气式b气流负压式c真空抽气式 (2)磁吸式:磁吸式手是利用磁场产生的磁吸力来抓取工件的，因此只能对铁磁性工件起作用（钢、铁等材料在温度超过723℃时就会失去磁性），另外，对不允许有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使用有一定的局限性。根据磁场产生的方法不同，磁吸式手可分为：a永磁式b励磁式 学习-----好资料 更多精品文档 6、什么是机器人的换接器？有何作用？ 答：换接器一般由两部分组成：换接器插座和接器插头，它们分别装在机器人的手部和机器人的腕部，能够使机器人快速自动的更换手部。 7、机器人腕部的作用是什么？有哪些典型机构？ 答：作用：改变或调整机器人手部在空间的姿态(方向)，并连接机器人的手部和臂部。2）自由度：分别为回转（x）俯仰（y）偏摆（z）由三个回转关节组合而成。典型机构：1）液压摆动缸2）轮系机构—2自由度（诱导运动）、轮系机构—2自由度（差动式）、轮系机构—3自由度 (正交、斜交） 8、机器人柔顺腕部结构的作用是什么？柔顺装配有那两种方法？如何实现？答：作用：消除机器人在进行装配作业时的装配误差，装配误差：①角度误差 ②位置误差 实现：主动柔顺——边检测，边修正。被动柔顺 角度误差——回转运动-回转机构位置误差——平移运动-平移机构 9、机器人臂部的作用是什么？实现两种运动方式的典型机构有哪些？ 答：作用：改变机器人手在空间的位置。（2）关节类型：平移关节和回转关节。 机器人臂部的伸缩、升降和纵（横）向的移动均 属于平移运动，其实现的典型机构主要有：（1）活塞油缸、活塞气缸（2）齿轮齿条机构（3）丝杠螺母机构（4）曲柄滑块机构（5）凸轮机构 机器人臂部回转运动常用的典型机构有：（1）油马达、气马达、摆动液压缸（2）各种轮系机构（3）齿条齿轮机构（4）滑块曲柄机构（5）活塞缸加连杆机构（机器人臂部的俯仰运动） 10、机器人机座的作用是什么？可分为哪两类？ 答：作用：支承着机器人自身重量及作业时的负载。 分类：固定式和移动式 11、机器人的机构简图如何绘制？ 机器人的机构运动简图是为了用简洁的线条和符号来表达机器人的各种运动及结构特征。在国标GB/T12643-90中规定了机器人有关的各种运动功能的图形符号。 55页56 12、机器人常见的驱动器有哪些？ 答：驱动器是用来驱动机器人操作机工作的动力装置。常见的驱动器主要有电动驱动器、液压驱动器和气动驱动器。 13、机器人电动驱动器有哪几种？ 答：电动驱动器是利用电能来实现旋转运动的驱动器，常见主要有：步进电机（stepping motor) 、直流（DC）伺服电机、交流（AC）伺服电机、直接驱动电机 14、直接驱动（DD）电机有何特点？有几种类型？ 答：DD电机没有减速器，但要求能提供大输出转矩(推力)，可控性好。 它被广泛地应用于装配SCARA机器人、自动装配机、加工机械、检测机器及印刷机械等。 DD电机的类型： 转动型DD电机（分为：HB型转动DD电机和VR型转动DD电机）、直线型DD电机、平面型DD电机 15、机器人控制系统的组成包括哪些部分？ 答：机器人的控制系统主要是由硬件系统、控制软件、输入/输出设备、传感器等构成。硬件包括控制器、执行器、伺服驱动器。软件包括各种控制算法。Ppt86 16、机器人传感器如何分类？方式和种类有哪些？ 答：传感器的主要作用就是给机器人输入必要的信息。根据输人信息源是位于机器人的内部还是外部，传感器可以分为两大类：一类是为了感知机器人内部的状况或状态的内部测量传感器（简称内传感器）。它是在机器人本身的控制中不可缺少的部分，虽然与作业任务无关，却在机器人制作时将其作为本体一个组成部分，并进行组装；另一类是为了感知外部环境的学习-----好资料 更多精品文档 状况或状态的外部测量传感器（简称外传感器）。它是机器人适应外部环境所必需的传感器，按照机器人作业的内容．分别将其安装在机器人的头部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。Ppt88\89 17、机器人最基本的控制方法有哪些？ 答：1）关节的运动控制及转矩（力）控制2）轨迹控制3）利用传感器反馈的运动调整 18、机器人轨迹控制的两种方式是什么？ 答：如果要求机器人沿着一定的目标轨迹运动则是轨迹控制。对于工业生产线上的机械臂，轨迹控制常用示教再现方式。示教再现分两种：点位控制（ＰＴＰ），用于点焊、更换刀具等情况；连续路径控制（ＣＰ），用于弧焊、喷漆等作业。如果机器人本身能够主动地决定运动，那么可经常使用路径规划加在线路径跟踪方式进行控制。 19、机器人的现代控制方法有哪些？ 答：1）自适应控制 自适应控制分为模型参考自适应控制和校正自适应控制2）智能控制技术 智能机器人系统具有以下特征①模型的不确定性; ②系统的高度非线性; ③控制任务复杂性。学习控制是人工智能技术应用到机器人领域的一种智能控制方法。已提出多种机器人控制方法，如模糊控制、神经网络控制、基于感知器的学习控制、基于小脑模型的学习控制等。 除了上述控制方法之外，人们也正在模仿生物体的控制机理，研究仿生型的而非模型的控制法，目前基于神经振子所生成和引入的节奏模式已经实现了稳定的四足机器人、双足机器人的步行控制，基于行为的控制方法已和集中式控制方法相结合，应用到足球机器人的控制系统中。 20、机器人系统设计的基本原则有哪些？ 答：机器人系统是一个典型的完整机电一体化系统，是一个包括机械结构、控制系统、传感器等的整体。对于机器人这样一个结合了机械、电子、控制的系统，在设计时首先要考虑的是机器人的整体性、整体功能和整体参数，然后再对局部细节进行设计. 控制系统设计优先于机械结构设计（理论设计优先于实际设计）原则： 设计机器人之初，首先考虑的是机器人要实现的功能，然后根据功能要求来设计机器人的性能参数。控制系统的设计更多的是对现有资源的整合和集成，总体方案设计完成之后，先确定控制系统的基本方案，在进行理论推导及实验仿真等验证是否满足设计要求后，根据控制硬件的尺寸才能进行机械结构设计。 这一设计原则的缺点是机械设计部分放在最后，机械加工周期影响了机器人的总体研制进度，总体设计周期比较长。 21、机器人系统设计分为哪三个阶段？答：1）总体方案设计2）详细设计3）制造、安装、调试和编写设计文档 第三章 1，什么是齐次坐标？与直角坐标有何区别？30\31 2齐次变换矩阵的意义是什么?37 3,联合变换与单步变换的关系是什么？43\44\45 4已知齐次变换矩阵，如何计算逆变换矩阵？50-57 5机器人运动学解决什么问题?什么是正问题和逆问题？2 6机器人的坐标系有哪些？如何建立？10 7建立运动学方程需要确定哪些参数？如何辨别关节变量？66-68 8第一种和第二种杆件坐标系下，相邻杆件位姿矩阵计算有何区别？81-98 9机器人运动学方程的正解和逆解有何特征？各应用在什么场合？逆解如何计算？100-101 10-11(141-142) 第四章

东北大学22春“机械工程”《机器人技术》期末考试高频考点版（带答案）一.综合考核(共50题)1.动力学的研究内容是将机器人的__联系起来。

A、运动与控制B、传感器与控制C、结构与运动D、传感系统与运动参考答案：A2.轨迹规划与控制就是按时间规划和控制手部或工具中心走过的空间路径。

()A.正确B.错误参考答案：A3.运动正问题是实现如下变换：()A.从关节空间到操作空间的变换B.从操作空间到迪卡尔空间的变换C.从迪卡尔空间到关节空间的变换D.从操作空间到关节空间的变换参考答案：A4.工业机器人轨迹规划可以在关节空间进行插补，也可以在笛卡尔空间进行插补。

()A、正确B、错误参考答案：A所谓调制就是载波的某参数随基带信号规律而变化的一种过程。

可以调整载波的频率和幅值，但是无法调整载波的相位。

()A.错误B.正确参考答案：A6.用光纤制作接近觉传感器可以用来检测机器人与目标物间较远的距离。

()A.正确B.错误参考答案：A7.机器人轨迹控制过程需要通过求解__________获得各个关节角的位置控制系统的设定值。

A.运动学正问题B.运动学逆问题C.动力学正问题D.动力学逆问题参考答案：B8.用于检测物体接触面之间相对运动大小和方向的传感器是：__A、接近觉传感器B、接触觉传感器C、滑动觉传感器D、压觉传感器参考答案：C9.为改变三相反应式步进电机转子的运动方向，需要改变各相脉冲的频率。

()A、错误B、正确10.谐波减速器特别适用于工业机器人的哪几个轴的传动?()A.S轴B.L轴C.U轴D.R轴E.B轴F.T轴参考答案：DEF11.工业机器人轨迹规划可以在关节空间进行插补，也可以在笛卡尔空间进行插补。

()A、错误B、正确参考答案：B12.复合运动齐次矩阵的建立是由全部简单运动齐次矩阵求和所形成的。

()A、错误B、正确参考答案：A13.传感器的精度是指传感器的测量输出值与实际被测量值之间的误差。

()A.错误B.正确参考答案：B14.齐次变换矩阵的建立过程，便是在为机构建立运动模型的过程。

机器人概论试卷一、填空题1、机器人具有很多特征，其中（通用性）和（适应性）是机器人两个最主要的特征。

2、我国机器人专家将机器人分为（工业机器人）和（特种机器人）两大类。

3、指南车由（齿轮系统）构成，指南车让（马钧）成为中国古代科技史上最盛名的机械发明家之一。

4、今天全球四大机器人巨头有（瑞士ABB）、（日本发那科）、（德国库卡）、（日本安川中）这四个企业。

5、（1986）年，日本国内的工业机器人保有量约为10万台，已经成为名副其实的（机器人王国）。

6、工业机器人包括（喷漆机器人）、（焊接机器人）、（装配机器人）、（搬运机器人）、7、全球手术机器人主要分为（软组织手术机器人）和（骨科手术机器人）两类。

最著名的软组织手术机器人当属（美国）直觉外科公司研发的（达·芬奇机器人手术系统）。

8、人类最早的计时工具是（漏壶），为了提高计时精度，发明了（浮箭壶）。

9、（1952）年，美国（帕森斯）公司制造了一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，这标志着数控机床的诞生。

10、（Shakey）是世界上第一台带有人工智能的机器人，能够自主进行（感知）、（环境建模）、（行为规划）等任务。

11、（1999）年，（日本索尼）公司推出了犬型宠物机器人“爱宝”。

爱宝的出现不仅代表一台机器宠物的诞生，更重要的是标志着人工智能朝（生活化）、(娱乐化)方向发展。

12、（工业）机器人是最典型的机电一体化、数字化装备，是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。

13、（1954）年，美国（戴沃尔）最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。

14、（喷漆机）器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成。

该一般采用（液压驱动），具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示教来实现示教。

15、德国库卡公司（KUKA）于2009年推出了四款全新的码垛机器人（属于搬运机器人），型号分别是（KR300PA）、（KR470PA）、（KR700PA）、（KR1000 1300“titan”PA）。

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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。

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的环境中长期稳定地工作。

在技术、经济合理的情况下，采用机器人逐步把人从这些工作岗位上代替下来，将现代化的大生产分工越来越细，操作越来越简单，劳动强度越来越大。

机器人可以高效地完成一些简单、重复性的工作，使生产效率、产品质量获得明显的改善。