中南大学最新机器人学导论复习题及参考答案

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z t v w O x u y
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。
θ3
L3
y0 L1
θ2
L2
θ1
O x0
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θ 和θ 2.P源自1y L1θ2
L2
θ1
x
4.如图所示两自由度机械手在如图位置时（θ 1= 0 , θ 2=π /2） ，生成手爪力 FA = [ fx fy ]T。求对应的驱动力 τ
A 和τ B
0 ]T 或 FB = [ 0
。
2
y P τ2 τ1
0 FB f y
FA f x 0
L2
x L1
5. 如图所示的两自由度机械手，手部沿固定坐标系在手上 X0 轴正向以 1.0m/s 的速度移动，杆长
d L L τ dt 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
LK P
这里， K 是动能；P 是位能。 4. 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
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技术。重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器 人控制器的标准化和网络化以及基于 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 机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融 合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。(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的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控 系统，在有时延的情况下，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 拟现实以及临场感应技术，实现机器人的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 器人研究的一个崭新领域。 主要对多智能体的群体体系结构、 相互间的通信与磋商机理， 感知与学习方法， 建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。(7) 微型和微小机器人技术。这是机器人研究的一个新的领 域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场 革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微型机器人技术的研究主要集中在系 统结构、运动方式、控制方，法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。(8) 软机器人技术。主要用 于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性 材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的， 机器人对人是友好的。(9) 仿人和仿生技术。这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一 些基础研究。 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。如果机器人重复 执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同，而是在一平均值附近变化，该平均值代表精度，而变 化的幅度代表重复精度。 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。一台 设备的运动精度是指命令设定的运动位置与该设备执行此命令后能够达到的运动位置之间的差距，分辨率 则反映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。 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。而运动学研究从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系。 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。
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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。 5. 答：直流电动机的额定值有以下几项：(1)额定功率，是指按照规定的工作方式运行时所能提供的输出 功率。对电动机来说，额定功率是指轴上输出的机械功率，单位为 kW。(2)额定电压，是电动机电枢 绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为 V。(3)额定电流，是指电动机按照规定的工作 方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为 A。(4)额定转速，指电动机在额定电压、额定电 流和输出额定功率的情况下运行时，电动机的旋转速度，单位为 r/min。 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Δ t， 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：
R v t / 2
如果空气温度为 T（℃)，则声速 v 可由下式求得：
v 331.5 0.607T m/s
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. 答： 科学技术水平是机器人技术的基础， 科学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的水平。 未来机器人技术的主要研究内容集中在以下几个方面：(1) 工业机器人操作机结构的优化设计技术。探索 新的高强度轻质材料，进一步提高负载-自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。(2) 机器人控制
l1=l2=0.5m。设在某时刻 θ 1=30°，θ 2=-60°，求该时刻的关节速度。已知两自由度机械手速度雅
可比矩阵为
l s l s J 1 1 2 12 l1c1 l2c12
y0 l1
l2 s12 l2c12
-θ 2 l2 x0
y3 v3 x3
θ1
O
中南大学现代远程教育课程考试复习题及参考答案