簡(jiǎn)答題

1.機(jī)器人內(nèi)部傳感器與外部傳感器的作用是什么，它們都包括哪些？

答：內(nèi)部傳感器主要用于檢測(cè)機(jī)器人自身狀態(tài)；包括位移傳感器角數(shù)字編碼器、角速度

傳感器；

外部傳感器主要用于檢測(cè)機(jī)器人所處的外部環(huán)境和對(duì)象狀況等；包括：力或力矩傳

感器觸覺傳感器、接近絕傳感器、滑覺傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、

味覺傳感器。

2.機(jī)器人的速度與加速度測(cè)■都常用哪些傳感器？

答：速度：測(cè)速發(fā)電機(jī)、增量式碼盤；

加速度：壓電式加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器。

3.機(jī)器人的力覺傳感器有哪幾種，機(jī)器人中哪些方面會(huì)用到力覺傳感器？

答：種類：電阻應(yīng)變片式、壓電式、電容式、電感式、各種外力式傳感器。

有三方面：

1.裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器。

2.裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器。

3.裝在機(jī)器人手抓指關(guān)節(jié)上的力傳感器。

4.機(jī)器人的視覺傳感器常用哪些方法，圖像如何獲取和處理？

答：圖像的獲取：1.照明2.圖像聚焦成像3.圖形處理形成輸出信號(hào)。處理：1.圖

像的增強(qiáng)2.圖像的平滑3.圖像的數(shù)據(jù)編碼和傳輸4.邊緣銳化5.圖像的分割。

5.能否設(shè)想一下，一個(gè)高智能類人機(jī)器人大約會(huì)用到哪些傳感器技術(shù)？

答：位置傳感器，速度傳感器，觸覺傳感器，接近覺傳感器，視覺傳感器，聽覺傳

感器，嗅覺傳感器，味覺傳感器。

6.編碼器有哪兩種基本形式？各自特點(diǎn)是什么？

兩種基本形式：增量式、絕對(duì)式

增量式：用來測(cè)量角位置和直線位置的變化，但不能直接記錄或指示位置的實(shí)際值。

在所有利用增量式編碼器進(jìn)行位置跟蹤的系統(tǒng)中，都必須在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)進(jìn)行復(fù)位。

絕對(duì)式：每個(gè)位置都對(duì)應(yīng)著透光與不透光弧段的惟一確定組合，這種確定組合有惟

一的特征。通過這特征，在任意時(shí)刻都可以確定碼盤的精確位置。

7.簡(jiǎn)述直流電動(dòng)機(jī)兩種控制的基本原理

答：直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式主要有兩種：一種是電樞電壓控制，即在定子磁場(chǎng)

不變的情況下，通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)

矩，定子磁場(chǎng)保持不變，其電樞電流可以達(dá)到額定值，相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩也可以達(dá)到額定

值，因而這種方式又被稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。

另一種是勵(lì)磁磁場(chǎng)控制，即通過改變勵(lì)磁電流的大小來改變定子磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而控

制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。由于電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行條件下磁場(chǎng)已接近飽和，因而只能

通過減弱磁場(chǎng)的方法來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于電樞電流不允許超過額定值，因而隨著

磁場(chǎng)的減弱，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，但輸出轉(zhuǎn)矩下降，輸出功率保持不變，所以這種方式又

被稱為恒功率調(diào)速方式。

8.簡(jiǎn)述直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理。

測(cè)速發(fā)電機(jī)(tachogenerator)是一種檢測(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置。它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變

換成電壓信號(hào)，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)際上是?種微型直流發(fā)電機(jī)。按勵(lì)磁方式可分為兩種型式。

1.電磁式表示符號(hào)如圖3-2(a)所示。定子常為二極，勵(lì)磁繞組由外部直流電源供

電，通電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)。目前，我國(guó)生產(chǎn)的CD系列直流測(cè)速發(fā)電機(jī)為電磁式。2.永磁

式表示符號(hào)如圖3-2(b)所示。定子磁極是由永久磁鋼做成。由于沒有勵(lì)磁繞組，所

以可省去勵(lì)磁電源。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便等特點(diǎn)，近年來發(fā)展較快。其缺點(diǎn)是永磁

材料的價(jià)格較貴，受機(jī)械振動(dòng)易發(fā)生程度不同的退磁。為防止永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的

特性變壞，必須選用矯頑力較高的永磁材料。目前，我國(guó)生產(chǎn)的CY系列直流測(cè)速發(fā)電

機(jī)為永磁式。(a)(b)圖3-2直流測(cè)速發(fā)電機(jī)(a)電磁式；(b)永磁式永磁式

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)按其應(yīng)用場(chǎng)合不同，可分為普通速度型和低速型。前者的工作轉(zhuǎn)速一般

在每分鐘幾千轉(zhuǎn)以上，最高可達(dá)每分鐘一萬轉(zhuǎn)以上；而后者一般在每分鐘幾百轉(zhuǎn)以下，

最低可達(dá)每分鐘一轉(zhuǎn)以下,由于低速測(cè)速發(fā)電機(jī)能和低速力矩電動(dòng)機(jī)直接耦合，省去了

中間笨重的齒輪傳動(dòng)裝置，消除了由于齒輪間隙帶來的誤差，提高了系統(tǒng)的精度和剛度,

因而在國(guó)防、科研和工業(yè)生產(chǎn)等各種精密自動(dòng)化技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。

9.為什么要引進(jìn)齊次坐標(biāo)，它有什么優(yōu)點(diǎn)？

機(jī)器人的坐標(biāo)變換主要包括平移和旋轉(zhuǎn)變換,平移是矩陣相加運(yùn)算,旋轉(zhuǎn)則是矩陣

相乘,綜合起來可以表示為p'=ml*p+m2(ml旋轉(zhuǎn)矩陣,ni2為平移矩陣,p為原向量,p，

為變換后的向量).引入齊次坐標(biāo)的目的主要是合并矩陣運(yùn)算中的乘法和加法，合并后可

以表示為p，=M*p的形式.即它提供了用矩陣運(yùn)算把二維、三維甚至高維空間中的一個(gè)

點(diǎn)集從一個(gè)坐標(biāo)系變換到另一個(gè)坐標(biāo)系的有效方法.

10.定義

1.如果所有的變換都是相對(duì)于固定坐標(biāo)系中各坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)或平移，則依次左乘稱為絕

對(duì)變換.

2.如果動(dòng)坐標(biāo)系相對(duì)于自身坐標(biāo)系的當(dāng)前坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)或平移,則齊次變換為依次右乘,

稱為相對(duì)變換.

11.機(jī)器人動(dòng)力學(xué)：研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性與力的關(guān)系.有兩類問題：

動(dòng)力學(xué)正問題：已知機(jī)械手各關(guān)節(jié)的作用力或力矩，求各關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度

動(dòng)力學(xué)逆問題：已知機(jī)械手各關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度,求各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力和力矩。

拉格朗日函數(shù)L被定義為系統(tǒng)的動(dòng)能K和位能P之差，即：L=K-P

12.工業(yè)機(jī)器人的工作范圍：

工作范圍是指機(jī)器人于臂末端或于腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也叫工作區(qū)域。

13.工業(yè)機(jī)器人定義?

工業(yè)機(jī)器人的定義：一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或者專用裝置的，可通過

可編程序動(dòng)作來執(zhí)行各種任務(wù)的，并且具有各種編程能力的多功能的機(jī)械手。

14.機(jī)器人傳感器的作用和特點(diǎn)為何？

（1）機(jī)器人傳感潛的作用：機(jī)器人的通用計(jì)算機(jī)必須與傳感器連接起來，才能發(fā)

揮全部作用。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，正因?yàn)橛辛藗鞲衅?

機(jī)器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。

（2）特點(diǎn)：機(jī)器人感覺是把相關(guān)的特性或相關(guān)的物體特性轉(zhuǎn)換為執(zhí)行某一種機(jī)器

人功能所需的信息，這些物體特征包括幾何的、光學(xué)的、機(jī)械學(xué)的、聲音的、材料的、

電氣的、磁性的、放射性的和化學(xué)的，這些特征形成符號(hào)以表示系統(tǒng)，進(jìn)而構(gòu)成與給定

工作任務(wù)有關(guān)的世界狀態(tài)知識(shí)。

傳感器的分類

內(nèi)部傳感器：檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)（手臂間角度等）的傳感器。

外部傳感器：檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境（是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)等）及

狀況（抓取的物體滑落等）的傳感器。

外部傳感器分為末端執(zhí)行器傳感器和環(huán)境傳感器。

末端執(zhí)行器傳感器：主要裝在作為末端執(zhí)行器的手上，檢測(cè)處理精巧作業(yè)的感

覺信息。相當(dāng)于觸覺。

環(huán)境傳感器：用丁識(shí)別物體和檢測(cè)物體與機(jī)器人的距離。相當(dāng)丁視覺

15.旋轉(zhuǎn)矩陣的幾何意義是什么？

旋轉(zhuǎn)矩陣的幾何意義：為了研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和操作，往往不僅要表示空間某一點(diǎn)

的位置，而且需要表示物體的方位，物體的方位可由某個(gè)固接于物體的坐標(biāo)系表述。為

了規(guī)定空間某物體B的方位，設(shè)置一直角坐標(biāo)系｛B｝與此剛體固接，而此時(shí)也有一個(gè)

參考坐標(biāo)系｛A｝,而為了表示B相對(duì)于坐標(biāo)系A(chǔ)的方位就引入了旋轉(zhuǎn)矩陣。

1）可以表示固定于剛體上的坐標(biāo)系｛B｝對(duì)參考坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣。

2）可作為坐標(biāo)變換矩陣.它使得坐標(biāo)系⑻中的點(diǎn)的坐標(biāo)?變換成｛A｝中點(diǎn)的坐

標(biāo)"o

3）可作為算子，將⑻中的矢量或物體變換到｛A｝中。

16.簡(jiǎn)述下面幾個(gè)術(shù)語的含義：自有度、重復(fù)定位精度、工作范圍、工作速度、承載能

力。

自由度是機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包括手爪（末端執(zhí)行器）的開合自由

度。

重復(fù)定位精度是關(guān)于精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一確定位置準(zhǔn)確的概率，

是重復(fù)同一位置的范圍，可以用各次不同位置平均值的偏差來表示。

工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也叫工作區(qū)域。

工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的穩(wěn)定速度，也可以定義為

手臂末端最大的合成速度（通常在技術(shù)參數(shù)中加以說明）。

承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。

17.什么叫冗余自由度機(jī)器人？

答：從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，完成某一特定作業(yè)時(shí)具有多余自由度的機(jī)器人稱為冗余自由度

機(jī)器人。

二.計(jì)算題

1.已知坐標(biāo)系⑻的初始位姿與｛A｝重合,首先｛B｝相對(duì)于｛A｝的ZA軸轉(zhuǎn)60°,再沿｛A｝的

XA軸移動(dòng)10單位,并沿｛A｝的YA軸移動(dòng)4單位.求位置矢量Ap^和旋轉(zhuǎn)矩陣點(diǎn).設(shè)點(diǎn)P

在｛B｝坐標(biāo)系中的位置為BP=[5,9,0],求它在坐標(biāo)系｛A｝中的位置。

-1ol

Acos60°-sin600022

DR=R(Z,60°)=sin60°cos6000二且10

B22

001001

10

4

0

510

A4

因此可得：'P='R”P+/O士9+

00

4.706

12.83

0

2.三.矢量U=7i+3j+2k,繞Z軸轉(zhuǎn)90度后，再繞Y軸轉(zhuǎn)90度。在上述基礎(chǔ)上再平

移（9,-6,8）,求最后得到的新的點(diǎn)矢量。

解：繞z旋轉(zhuǎn)90度得:

-0-100一7--3-

v=I000*37

001022

0001_11

繞y旋轉(zhuǎn)90度得:

再平移（9,-6,8）,得:

11

1

t=

11

1

3.一坐標(biāo)系｛B｝與參考系重合,現(xiàn)將其繞通過q=[1,2,3]T的軸f=[°-7°7°-707°卜轉(zhuǎn)

30。，求轉(zhuǎn)動(dòng)后的｛B｝。

以fx=f、,=0.707f:=0.0e=30.0”代入算式,有

紜=1q、=2/=3

■0.9330.0670.354-1.13-

0.0670.933-0.3541.13

Rot(kW)=

-0.3540.3540.8660.04

0001

4.五.坐標(biāo)系⑻初始與｛A｝重合,讓⑻繞ZB旋轉(zhuǎn)6角;然后再繞XB轉(zhuǎn)。角.求把BP

變?yōu)锳P的旋轉(zhuǎn)矩陣。

八f

BR=Rot(x,*Rot(z,0)（1分）

-100\cG-S00一

\sO

=0cO0（2分）

0s（1）[o01

cO-sO0■

—sOc(pc3c(/>-S(j)（2分）

s0s（t）cOs（f）

3.對(duì)于下列綜合變換矩陣，如何求所缺的值？列出步驟，不要求答案。

?0?5-

0.707??3

F=

??02

0001

解：根據(jù)R的性質(zhì)求解

5.圖所示為二自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手，圖中L1=2L2,關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍是0°

W61W180°,-90°W92W180二畫出該機(jī)械手的工作范圍（畫圖時(shí)可以設(shè)

L2=3cm）o

6.單連桿機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，從0=-5。靜止開始運(yùn)動(dòng)，要想在4s內(nèi)使該關(guān)節(jié)平

滑地運(yùn)動(dòng)到q二+80。的位置停止。試按下述要求確定運(yùn)動(dòng)軌跡:

（1）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)依三次多項(xiàng)式插值方式規(guī)劃。

（2）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃。

解：（1）采用三次多項(xiàng)式插值函數(shù)規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)。已知4=~5°,%=80°4=爾,代入可得

系數(shù)為%=-5,6/I=0,%=15.94,小=-2.66

運(yùn)動(dòng)軌跡：

附）=-5+15.94產(chǎn)一2.66/

2（。=31.88-7.98/

汕=31.88-15.961

（2）運(yùn)動(dòng)按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃:

%=-5'0=80",0=4s,

根據(jù)題意，定出加速度的取值范圍:

左喑=21.25%

9=42V

如果選//,算出過渡時(shí)間卻，

4“22x42—4x42x85

勒二［52x42>0,594s

*

計(jì)算過渡域終了時(shí)的關(guān)節(jié)位置%和關(guān)節(jié)速度q,得

n-5。+己x42x0.5942）°=2.4°

°小=2

4=即川=(42X0.5945)X=24.95/

?0-10

?001

?-102

7.齊次矩陣表示為〔？°01

利用齊次矩陣的性質(zhì)求出矩陣中“？”符號(hào)的元

素o

0-10

y001

解：設(shè)4=,根據(jù)齊次矩陣的性質(zhì)，故w=0.

z-102

00

X0-10

y001R

由于A=，因?yàn)镽正交矩陣,

z-1020

0001

x0-1xyzx2+1個(gè)'xz

RRT=1=y0000-1=xyy2

2

z0-100xz)'Zz+l

x2+l=1x=0

比較對(duì)角線元素，,/y=±1Zo

z2+l=lz=0

此時(shí)可以用直角坐標(biāo)三軸的相互關(guān)系決定取舍:Yo

00-10Xo

1001

（取正）A=

0-102

0001

X

符合右手關(guān)系，可以是解。取負(fù)則不對(duì)了。H

00-1()■

-1001

（取負(fù)）A=

0-102

0001

8.有一臺(tái)如題1.13圖所示的三自由度機(jī)械