第一章

1機(jī)器人組成系統(tǒng)的4大部分：機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分、信息解決部分

2機(jī)器人學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容：研究機(jī)器人的控制與被解決物體間的互相關(guān)系

3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式：液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)

4機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的基本形式：足式、蛇形式、輪式、履帶式

5機(jī)器人的定義：由各種外部傳感器引導(dǎo)的、帶有一個(gè)或多個(gè)末端執(zhí)行器、通過(guò)可編程運(yùn)動(dòng)，在其工

作空間內(nèi)對(duì)真實(shí)物體進(jìn)行操作的軟件可控的機(jī)械裝置

6機(jī)器人的分類(lèi)：1工業(yè)機(jī)器人2極限環(huán)境作業(yè)機(jī)器人3醫(yī)療福利機(jī)器人

7操作管工作空間形式：1直甭坐標(biāo)式機(jī)器人2圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人3球坐標(biāo)式機(jī)器人

4scara機(jī)器人5關(guān)節(jié)式機(jī)器人

8機(jī)器人三原則

第一條：機(jī)器人不得傷害人類(lèi).

第二章第二條：機(jī)器人必須服從人類(lèi)的命令，除非這條命令與第一條相矛盾。

第三章第三條：機(jī)器人必須保護(hù)自己，除非這種保護(hù)與以上兩條相矛盾。

第四章

1.什么是位姿：剛體參考點(diǎn)的位置和姿態(tài)

2、RPY角與歐拉角的共同點(diǎn)：繞固定軸旋轉(zhuǎn)的順序與繞運(yùn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的順序相反并且旋轉(zhuǎn)角度相同，能

得到相同的變換矩陣，都是用三個(gè)變量描述。歐拉角為左乘RPY角為右乘。

RPY中繞x旋轉(zhuǎn)為偏轉(zhuǎn)繞y旋轉(zhuǎn)為俯仰繞z旋轉(zhuǎn)為I可轉(zhuǎn)

3、矩陣的左乘與右乘：左乘（變換從右向左）一指明運(yùn)動(dòng)相對(duì)于固定坐標(biāo)系

右乘（變換從左向右）一指明運(yùn)動(dòng)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

4、齊次變換：表達(dá)同一點(diǎn)相對(duì)于不同坐標(biāo)系｛B｝和｛A｝的變換，描述｛B｝相對(duì)于｛A｝的位姿

5、自由矢量：完全由他的維數(shù)、大小、方向，三要素所規(guī)定的矢量

6、線矢量：由維數(shù)、大小、方向、作用線，四要素所規(guī)定的矢量

7、齊次變換矩陣

8、另一方面坐標(biāo)變換為旋轉(zhuǎn)矩陣”｛B｝的原點(diǎn)相對(duì)｛A｝的

位置矢量

9、旋轉(zhuǎn)矩陣：繞x軸y軸z軸

10、變換矩陣求逆：己知B相對(duì)于A的描述求A相對(duì)于B的描述

AnBnAnBn.An

小c"BK笈O+/)

II、行夕）=

01

第五章12.運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

第八章

1.操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的是手臂各連桿間的位移、速度、加速度關(guān)系

3、運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方法：反變換法、幾何法、pieper解法

4.大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人滿足封閉解的兩個(gè)充足條件之一

三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸，1交于一點(diǎn)2互相平行

5.連桿參數(shù)：1、

2.

3.

4.

6.連桿變換通式:

7、靈活空間：機(jī)器人手抓能以任意方位到達(dá)的目的點(diǎn)的集合

8、可達(dá)空間：機(jī)器人手抓至少一個(gè)方位到達(dá)的目的點(diǎn)的集合

工作空間：反解存在的區(qū)域就是工作空間

9、機(jī)器人操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解數(shù)決定于：關(guān)節(jié)數(shù)、連桿參數(shù)、關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍

10、操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方法有

I封閉解法（獲得封閉解的方法有代數(shù)解、幾何解）

2數(shù)值解法。

11.雅可比矩陣

第七章12、逆雅可比矩陣，，靜力學(xué)公式，

第八章

1、操作臂的雅可比矩陣：定義為操作速度與關(guān)節(jié)速度的線性變換，可當(dāng)作是從關(guān)節(jié)空間到操作空間運(yùn)動(dòng)

速度的傳動(dòng)比

2、操作臂奇異形位：對(duì)于這些形位操作臂的雅可比矩陣的秩減少

3、自動(dòng)生成雅可比環(huán)節(jié)（知道各連桿變換’7）

1.計(jì)算各連桿變換、、、、

2.計(jì)算各連桿到末端連桿的變換

爾3.計(jì)算雅可比矩陣J（q）的各列元素，第i列

5、末端廣義力矢量：機(jī)器人與外界環(huán)境互相作用時(shí)，在接觸的地方要產(chǎn)生力和力矩統(tǒng)稱(chēng)為末端廣義力矢

量

第/L章虛位移：滿足機(jī)械系統(tǒng)幾何約束的無(wú)限小位移

第十章

I、建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的方法：拉格朗日法、牛頓?歐拉法、高斯法、凱恩法、旋量對(duì)偶數(shù)法

2、研究機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的目的：動(dòng)力學(xué)問(wèn)題與操作臂的仿真研究有關(guān)，逆問(wèn)題是為了實(shí)行控制的需要，運(yùn)用

動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，以期達(dá)成良好的動(dòng)態(tài)性能和最優(yōu)指標(biāo)。

答：1.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)為開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈而數(shù)控機(jī)床為閉式運(yùn)動(dòng)鏈;

2.工業(yè)機(jī)器人一般具有多關(guān)節(jié)，數(shù)控機(jī)床一般無(wú)關(guān)節(jié)且均為直角坐標(biāo)系統(tǒng)；

3.工業(yè)機(jī)器人是用于工業(yè)中各種作業(yè)的自動(dòng)化機(jī)器而數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于冷加工。

4.機(jī)器人靈活性好，數(shù)控機(jī)床靈活性差。

0.5簡(jiǎn)述下面幾個(gè)術(shù)語(yǔ)的含義：自有度、反及定位精度、工作范圍、工作速度、承載能力。

答：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，不涉及手爪（末端執(zhí)行器）的開(kāi)合自由度。

反復(fù)定位精度是關(guān)于精度的記錄數(shù)據(jù)，指機(jī)器人反復(fù)到達(dá)某一擬定位置準(zhǔn)確的概率，

是反更同一位置的范圍，可以用各次不同位置平均值的偏差來(lái)表達(dá)。

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(shuō)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。

0.6什么叫冗余自由度機(jī)器人？

答：從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，完畢某?特定作業(yè)時(shí)具有多余自由度的機(jī)器人稱(chēng)為冗余自由度機(jī)器人。

0.7題0.7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U=2L2,關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍是01W180

°,-90°W02W180。，畫(huà)出該機(jī)械手的工作范圍（畫(huà)圖時(shí)可以設(shè)L2=3cm）。

1.1點(diǎn)矢量V為，相對(duì)參考系作如下齊次坐標(biāo)變換:

寫(xiě)出變換后點(diǎn)矢量V的表達(dá)式，并說(shuō)明是什么性質(zhì)的變換，寫(xiě)出旋轉(zhuǎn)算子Rol及平移算子Trans。

解：v,=Av==

屬于復(fù)合變換：

旋轉(zhuǎn)算子Rol(Z,300)=平移算子Trans(11.0,-3.0,9.0)=

i.2有一旋轉(zhuǎn)變換，先繞固定坐標(biāo)系Z0軸轉(zhuǎn)45□，再繞其X0軸轉(zhuǎn)30口最后繞其Y0軸轉(zhuǎn)60],試求該

齊次坐標(biāo)變換矩陣。

解：齊次坐標(biāo)變換矩陣R=Rol(Y,60)Rot(X,3OIJ)Rol(Z,45U)==

i.3坐標(biāo)系｛B｝起初與固定坐標(biāo)系｛0｝相重合，現(xiàn)坐標(biāo)系｛B｝繞ZB旋轉(zhuǎn)300，然后繞旋轉(zhuǎn)后的動(dòng)坐標(biāo)系的

XB軸旋轉(zhuǎn)45」試寫(xiě)出該坐標(biāo)系｛B｝的起始矩陣表達(dá)式和最后矩陣表達(dá)式。

解：起始矩陣:B=0=

最后矩陣：B=Rot(Z,30D)BRot(X,45C)=

1.4坐標(biāo)系｛A｝及｛B｝在固定坐標(biāo)系｛0｝中的矩陣表達(dá)式為

1()000.0000.0000.0-

0.0000.866-0.50010.0

A一

{rAi}-

0.0000.5000.866-20.0

0001

-0.866-0.5000.000-30

0.4330.750-0.500-3.0

』]⑴RI一一

0.2500.4330.8663.0

0001

畫(huà)出它們?cè)趝0}坐標(biāo)系中的位置和姿勢(shì)；

A=Trans(0.0,10.0,-20.0)Rot(X,30D)O

B=Trans(-3.0,-3.0,3.0)Rot(X,30□)Rot(Z,30ZI)O

(I)1.5寫(xiě)出齊次變換陣，它表達(dá)坐標(biāo)系｛B｝連續(xù)相對(duì)固定坐標(biāo)系｛A｝作以下變換:

(2)繞Z.軸旋轉(zhuǎn)90口。

(3)繞乂八軸旋轉(zhuǎn)-9()入

(4)移動(dòng)[379]\

解：=Trans(3,7,9)Rot(X,-90Q)Rot(Z,90D)===

(I)1.6寫(xiě)出齊次變換矩陣，它表達(dá)坐標(biāo)系｛B｝連續(xù)相對(duì)自身運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系｛B｝作以下變換:

⑵移動(dòng)[379]\

(3)繞Xs軸旋轉(zhuǎn)90Jo.

(4)繞Z8軸轉(zhuǎn)-90口。.

=Trans(3,7,9)Rot(X,90!J)Rot(Z,90D)=

1003l100oTo100

010700-10-1000

001901000010

lj[()00

000001

1.7對(duì)于1.7圖(a)所示的兩個(gè)楔形物體,試用兩個(gè)變換序列分別表達(dá)兩個(gè)楔形物體的變換過(guò)程，使最

2

(b)

解：A=B=

A，=Trans(2,0,0)Rot(Z,90口)Rot(X,90」)Trans(0,-4,0)A===

B=Rot(X,90J)Rot(Y,90Q)Trans(0,-5,0)B====

(1)1.8如題L8圖所示的二自由度平面機(jī)械手，關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)變量為。1;關(guān)節(jié)2為移動(dòng)關(guān)

節(jié)，關(guān)節(jié)變量為d2。試:

（2）建立關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，并寫(xiě)出該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程式。

（3）按下列關(guān)節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的位置值。

0.OU30U60□90U

d〃m0.500.8()LOO0.70

解：建立如圖所示的坐標(biāo)系

參數(shù)和關(guān)節(jié)變量

連桿0cad

10i000

200d20

~ce.-sqoo--100d~

so.co.000100

4=R°，（z，a）—11A=Trans(dfi,O)=

0000220010

00010001

機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程式:

co煙—sin^0d2co煙

Sin/3co電0&sin?

0010

一0O0

當(dāng)。1=0,d2=0.5時(shí)：

loo0.5-

0100

手部中心位置值8—

0000

0001

當(dāng)01=30d2=0.8時(shí)

0.866-0.500.433-

0.50.86600.4

B=

手部中心位置值0000

0001

當(dāng)<M=60,d2=1.0時(shí)

0.5-0.86600.5

0.8660.500.866

手部中心位置值3=

0000

0001

當(dāng)01=90,d2=0.7時(shí)

7)-10()一

1000.7

手部中心位置值用二

0000

0001

1.11題1.11圖所示為一個(gè)二自由度的機(jī)械手，兩連桿長(zhǎng)度均為1m,試建立各桿件坐標(biāo)系，求出

的變換矩陣。

解：建立如圖所示的坐標(biāo)系

參數(shù)和關(guān)節(jié)變量

連桿0cad

1a100

2100

cos4一sin40c61

sin<9,cosft0，

Ai=Rot(Z,0i)Trans(1,0,0)Rol(X,0°)=

0010

0001

s020s020

c0、0-cO,0

42=Rot(Z,-02)Trans(l,0,0)Rot(X,90°)=

0000

0001

1.13有一臺(tái)如題1.13圖所示的三自由度機(jī)械手的機(jī)構(gòu)，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角正向均由箭頭所示方向指定，請(qǐng)標(biāo)

出各連桿的DTI坐標(biāo)系，然后求各變換矩陣，，。

解:D-H坐標(biāo)系的建立

按D-H方法建立各連桿坐標(biāo)系

參數(shù)和關(guān)節(jié)變量

連桿0aad

i9030

*L|+L,

200

k

300

L4

co煙0sin?0

sig0—co泣0

A"

01()4+4

0001

co0—sinft0Z3co0co烏一siM014co4

si吆co嗎0Z3siiV^sin6^co嗎0Z^sin6^

4=&一0010

0010

0001L0001

3.1何謂軌跡規(guī)劃？簡(jiǎn)述軌跡規(guī)劃的方法并說(shuō)明其特點(diǎn)。

(2)答：機(jī)器人的物跡泛指工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，即運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位移，速度和加速度。

（3）軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個(gè)點(diǎn)，將其經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對(duì)關(guān)節(jié)空間中的

相應(yīng)點(diǎn)建立運(yùn)動(dòng)方程，然后按這些運(yùn)動(dòng)方程對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)定，這一過(guò)程通

常稱(chēng)為軌跡規(guī)劃。

（4）示教一再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)由人手把手示教機(jī)器人，定期記錄各關(guān)節(jié)變量，得到沿途徑運(yùn)動(dòng)時(shí)各關(guān)節(jié)

的位移時(shí)間函數(shù)q（l）;再現(xiàn)時(shí)，按內(nèi)存中記錄的各點(diǎn)的值產(chǎn)生序列動(dòng)作。

（5）關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)直接在關(guān)節(jié)空間里進(jìn)行。由于動(dòng)力學(xué)參數(shù)及其極限值直接在關(guān)節(jié)空間里描

述.所以用這種方式求最短時(shí)間運(yùn)動(dòng)很方便。

（6）空間直線運(yùn)動(dòng)。這是一種直角空間里的運(yùn)動(dòng)，它便于描述空間操作，計(jì)算量小，適宜簡(jiǎn)樸的作業(yè)。

（7）空間曲線運(yùn)動(dòng)。這是一種在描述空間中用明確的函數(shù)表達(dá)的運(yùn)動(dòng)。

3.2設(shè)一機(jī)器人具有6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)均按三次多項(xiàng)式規(guī)劃，規(guī)定通過(guò)兩個(gè)中間途徑點(diǎn)后停在一

個(gè)FI的位置。試問(wèn)欲描述該機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，共需要多少個(gè)獨(dú)立的三次多項(xiàng)式?要擬定這些三次多項(xiàng)式,

需要多少個(gè)系數(shù)？

答：共需要3個(gè)獨(dú)立的三次多項(xiàng)式；

需要72個(gè)系數(shù)。

3.3單連桿機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，Mq=-50靜止開(kāi)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=+80°

的位置停止。試按下述規(guī)定擬定運(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(guò)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)。已知代入可得系數(shù)為

運(yùn)動(dòng)軌跡:

g)=—5+15.94/一2.66-

汩=31.88-7.98/

汕=31.88-15.96/

運(yùn)動(dòng)按拋物線過(guò)渡的線性插值方式規(guī)劃:

%=_5°0=80"=4s,

根據(jù)題意，定出加速度的取值范圍：

^>±1^=21.25/。、

166

假如選，算出過(guò)渡時(shí)間，

V422X42-4X42X85

l=0.594s

2x42

計(jì)算過(guò)渡域終了時(shí)的關(guān)節(jié)位置和關(guān)節(jié)速度，得

二一5°+(gx42x0.5942)°=2.4°

4二即”=(42x0.594s)%=24.95%

4.1機(jī)器人本體重要涉及哪幾部分?以關(guān)節(jié)型機(jī)器人為例說(shuō)明機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)和重要特點(diǎn)。

答：機(jī)器人本體：(1)傳動(dòng)前件(2)機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)

(3)機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)(4)腕部(5)手部

基本結(jié)構(gòu)：機(jī)座結(jié)構(gòu)、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、大臂結(jié)構(gòu)、大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、小臂結(jié)

構(gòu)、小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、手腕結(jié)構(gòu)、手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置.、末端執(zhí)行器。

重要特點(diǎn)：(1)一般可以簡(jiǎn)化成各連桿首尾相接、末端無(wú)約束的開(kāi)式連桿系，連桿

系末端自由且無(wú)支承，這決定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度不高，并隨連桿

系在空間位姿的變化而變化。

(2)開(kāi)式連桿系中的每根連桿都具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，屬于積極連桿系，

連桿的運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立，不同連桿的運(yùn)動(dòng)之間沒(méi)有依從關(guān)系，運(yùn)動(dòng)靈

活。

(3)連桿驅(qū)動(dòng)扭矩的瞬態(tài)過(guò)程在時(shí)域中的變化非常更雜，且和執(zhí)行器反

饋信號(hào)有關(guān),連桿的驅(qū)動(dòng)屬于伺服控制型，因而對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛

度、間隙和運(yùn)動(dòng)精度都有較高的規(guī)定。

（4）連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動(dòng)態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化

的，因此，極容易發(fā)生振動(dòng)或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。

4.2如何選擇機(jī)器人木體的材料，常用的機(jī)器人木體材料有哪些？

答：需滿足五點(diǎn)基本規(guī)定：1.強(qiáng)度大2.彈性模量大3.重量輕4.阻尼小5.材料經(jīng)濟(jì)性

常用材料：I.碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼2.鋁、鋁合金及其他輕合金材料3.纖維增強(qiáng)合金

4.陶瓷5.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料6.粘彈性大阻尼材料

4.3何謂材料的E/?為提高構(gòu)件剛度選用材料隨大些還是小些好，為什么？

答：即材料的彈性模量與密度的比值；

大些好，彈性模量E越大，變形量越小，剛度走越大；且密度越小，構(gòu)件質(zhì)最越小，則構(gòu)件的慣性力越小,

剛度越大。所以日大些好。

4.4機(jī)身設(shè)計(jì)應(yīng)注意哪些問(wèn)題？

答：（1）剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。（2）運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過(guò)短，避免卡死。

（3）驅(qū)動(dòng)方式適宜。（4）結(jié)構(gòu)布置合理。

4.8手腕的作用及其三個(gè)自由度。

作用：改變或調(diào)整機(jī)器人手部在空間的姿態(tài)（方向），并連接機(jī)器人的手部和臂部。自由度：分別為回轉(zhuǎn)（x）

俯仰（y）偏搜（z）由三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組合而成。

4.9機(jī)器人手爪有哪些種類(lèi)，各有什么特點(diǎn)？

答：1.機(jī)械手爪：依靠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái):加持工件：

2.磁力吸盤(pán)：通過(guò)磁場(chǎng)吸力抓持鐵磁類(lèi)工件，規(guī)定工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附，不

適宜高溫條件:

3.真空式吸盤(pán)：運(yùn)用真空原理來(lái)抓持工件，規(guī)定工件表面平整光滑、干燥清潔，同時(shí)氣密性要好。

2.工業(yè)機(jī)器人是如何定義的？

工業(yè)機(jī)器人是指在工業(yè)中應(yīng)用的一種能進(jìn)行自動(dòng)控制的、可反復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、多用途

的操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、工件或操持工具，用以完畢各種作業(yè)。且這種操作機(jī)可以固定在一個(gè)地方，也可以

在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的小車(chē)上。

3、按幾何結(jié)構(gòu)，機(jī)器人可分為那幾種？

直角坐標(biāo)型

圓柱坐標(biāo)型球坐標(biāo)型關(guān)節(jié)坐標(biāo)型

4.機(jī)器人的參考坐標(biāo)系有哪些？

全局參考坐標(biāo)系關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系工具參考坐標(biāo)系

5.運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立及其求解

1.建立坐標(biāo)系；

2.擬定參數(shù)：

3.相鄰桿件的位姿矩陣；

4.建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

5.運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正解和逆解

1.機(jī)器人系統(tǒng)由哪三部分組成？答：操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制系統(tǒng)

4.11何謂自適應(yīng)吸盤(pán)及異形吸盤(pán)？

答：自適應(yīng)吸盤(pán)：真空吸盤(pán)的一種新設(shè)計(jì)，增長(zhǎng)了一個(gè)球關(guān)節(jié)，吸盤(pán)能傾斜自如，適應(yīng)工件表面傾角的變化。

異形吸盤(pán)：真空吸盤(pán)的一種新設(shè)計(jì)，可以用于吸附雞蛋、錐頸瓶等非平整工件。

4.15傳動(dòng)件消隙常有哪幾種方法，各有什么特點(diǎn)？

答：1）消隙齒輪：相嚙合的兩齒輪中有一為兩個(gè)薄齒輪的組合件，能過(guò)兩個(gè)薄齒輪的組合來(lái)消隙；

2）柔性齒輪消隙：對(duì)具有彈性的柔性齒綸加一預(yù)載力來(lái)保證無(wú)側(cè)隙嚙合;

3）對(duì)稱(chēng)傳動(dòng)消隙：一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)立兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的分支傳動(dòng)，并且其中有一個(gè)具有回彈能力。

4）偏心機(jī)構(gòu)消隙：當(dāng)有齒輪磨損等因素導(dǎo)致傳動(dòng)間隙增長(zhǎng)時(shí)，運(yùn)用中心距調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整中心距。

5）齒廓彈性卷層消隙：齒廓表面蒞有薄薄一層彈性很好的橡膠層或?qū)訅翰牧希ㄟ^(guò)對(duì)相嚙合的一對(duì)齒輪加

以預(yù)載，來(lái)完全消除嚙合側(cè)隙。

4.16簡(jiǎn)述機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)。

答：基本形式：固定軌跡式和無(wú)固定軌跡式（步行式、輪式和履帶式）

固定軌跡式：機(jī)身底座安裝在一個(gè)可移動(dòng)的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人沿絲杠縱向移動(dòng)。

無(wú)固定軌跡式：在行走過(guò)程中，步行式為間斷接觸，輪式和履帶式與地面為連續(xù)

接觸；前者為類(lèi)人（或動(dòng)物）的腿腳式，后兩者的形態(tài)為運(yùn)營(yíng)車(chē)式，運(yùn)營(yíng)車(chē)式行走機(jī)構(gòu)用得比較多，多用于野

外作業(yè)，比較成熟。步行式行走機(jī)構(gòu)正在發(fā)展和完善中。

6.1試述機(jī)器人示教編程的過(guò)程及特點(diǎn)。

答：過(guò)程：操作者根據(jù)機(jī)器人作業(yè)的需要把機(jī)器人末端執(zhí)行器送到目的位置，旦處在相應(yīng)的姿態(tài)，然后把

這一位置、姿態(tài)所相應(yīng)的關(guān)節(jié)角度信息記錄到存儲(chǔ)器保存。對(duì)機(jī)器人作業(yè)空間的各點(diǎn)反

復(fù)以上操作，就把整個(gè)作業(yè)過(guò)程記錄下來(lái)，再通過(guò)適當(dāng)?shù)能浖到y(tǒng)，自動(dòng)生成整個(gè)作業(yè)過(guò)

程的程序代碼。

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)樸，易于掌握，操作者不需要具有專(zhuān)門(mén)知識(shí)，不需復(fù)雜的裝置和設(shè)備，軌跡修改方便，再

現(xiàn)過(guò)程快。

缺陷：（1）示教相對(duì)于再現(xiàn)所需的時(shí)間較長(zhǎng)；

（2）很難示教復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡及準(zhǔn)確度規(guī)定高的直線；

（3）示教軌跡的反復(fù)性差；

（4）無(wú)法接受傳感器信息：

（5）難以與其他操作或其他機(jī)器人操作同步。

6.2試舉例說(shuō)明MOTOMANUP6機(jī)器人焊接作、山時(shí)的示教編程過(guò)程。

答:S1.通過(guò)示教盒使機(jī)器人處在示教狀態(tài)；

S2.創(chuàng)建新的示教程序，用軸操作鍵將機(jī)器人依次移動(dòng)到準(zhǔn)備位置、可作業(yè)姿態(tài)、作業(yè)開(kāi)始位置、作業(yè)

結(jié)束位置等位置并輸入相應(yīng)的插補(bǔ)方式及相應(yīng)的操作命令；

S3.示教軌跡的確認(rèn)。

6.3按機(jī)器人作業(yè)水平的限度分，機(jī)器人編程語(yǔ)言有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？

答：1.動(dòng)作級(jí)編程語(yǔ)言：優(yōu)點(diǎn)：比較簡(jiǎn)樸，編程容易。

缺陷：功能有限，無(wú)法進(jìn)行繁復(fù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，不接受浮點(diǎn)數(shù)和字符串，子程序不具有自變量：不

能接受復(fù)雜的傳感器信息，只能接受傳感器開(kāi)關(guān)信息；與計(jì)算機(jī)的通信能力很差。

2.對(duì)象級(jí)編程語(yǔ)言：(1)具有動(dòng)作級(jí)編程語(yǔ)言的所有動(dòng)作功能；

(2)有較強(qiáng)的感知能力；

(3)具有良好的開(kāi)放性；

(4)數(shù)字計(jì)算和數(shù)據(jù)解決能力強(qiáng)；

3.任務(wù)級(jí)編程語(yǔ)言：結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要人工智能的理論基礎(chǔ)和大型知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)的支持:。

6.7機(jī)器人離線編程的特點(diǎn)及功能是什么？

答：特點(diǎn)：在不接觸實(shí)際機(jī)器人及機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的情況下，通過(guò)圖形技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上提供一個(gè)和機(jī)器

人進(jìn)行交互作用的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,

功能：運(yùn)用機(jī)器人圖形學(xué)的成果，建立起機(jī)器人及其作業(yè)環(huán)境的模型，再運(yùn)用一些規(guī)劃算法，通過(guò)對(duì)圖形的

操作和控制，在離線的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃。

6.8MOTOMANUP6型機(jī)器人仿真軟件有哪些重要功能？

答：編輯、仿真、檢測(cè)和示教。

7.1機(jī)器人的工業(yè)應(yīng)用可分為哪四個(gè)方面？

答：材料加工、零件制造、產(chǎn)品檢查和裝配。

7.3完整的焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由哪幾個(gè)部分組成？

答：機(jī)器人操作機(jī)、變位機(jī)、控制器、焊接系統(tǒng)、焊接傳感器、中央控制計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的安

全設(shè)備等。

7.4簡(jiǎn)述變位機(jī)在焊接生產(chǎn)線或焊接柔性加工單元中的作用。

答：將被焊工件旋轉(zhuǎn)（平移）到最佳的焊接位置。

7.5簡(jiǎn)述焊接機(jī)器人按用途、結(jié)構(gòu)、受控方式及驅(qū)動(dòng)方法等進(jìn)行分類(lèi)的情況。

答：按用途：弧焊和點(diǎn)焊；按結(jié)構(gòu)：關(guān)節(jié)型和非關(guān)節(jié)型

按受控方式：點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制

7.6弧焊機(jī)器人工作站按功能和復(fù)雜限度的不同可分為哪幾種。

答：①.無(wú)變位機(jī)的普通弧焊機(jī)器人工作站；②.不同變位機(jī)與弧焊機(jī)器人組合的工作站；③.弧焊機(jī)器人與

周邊設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的工作站。

7.7自動(dòng)搬運(yùn)工作站由哪些部分組成？

答：組成：搬運(yùn)機(jī)器人和周邊設(shè)備（工件自動(dòng)辨認(rèn)裝置、自動(dòng)啟動(dòng)及自動(dòng)傳輸裝置等）。

7.12機(jī)器人裝配作業(yè)的重要操作過(guò)程是什么？

答：垂直向上抓起零部件，水平移動(dòng)它，然后垂直放下插入。

一、機(jī)器人的定義

一種擬人功能的機(jī)械電子裝置。

Amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctionso

二、機(jī)器人三原則

1.機(jī)器人不應(yīng)傷害人類(lèi)；

2.機(jī)器人應(yīng)遵守人類(lèi)的命令，與第一條相抵觸的命令除外；

3.機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第二條相抵觸者除外。

三、解釋機(jī)器人的“通用性”和“適應(yīng)性”

“通用性”：在機(jī)械結(jié)構(gòu)上允許機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)或以不同的方式完畢同一工作。涉及機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)

動(dòng)性與控制系統(tǒng)的靈活性。

“適應(yīng)性”：能自動(dòng)執(zhí)行這些未經(jīng)完全指定的任務(wù)，而不管任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中所發(fā)生的沒(méi)有預(yù)測(cè)到的環(huán)境變

化。

四、什么叫：基準(zhǔn)坐標(biāo)系？構(gòu)件坐標(biāo)系？

基準(zhǔn)坐標(biāo)系稱(chēng)為參考坐標(biāo)系。在變換中是不動(dòng)的坐標(biāo)系。

構(gòu)件坐標(biāo)系其固接在物體或機(jī)器人上。其變換后相對(duì)參考坐標(biāo)系發(fā)生位姿改變。

五、求點(diǎn)①繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°后的坐標(biāo)，②再繞y軸旋轉(zhuǎn)90°后的坐標(biāo)

c90°-590°00一飛-0-100一-6--2

590°c90°002100026

==

00101001011

00011000111

一——

(?90°05-9000---2'-0010---2--1

01006010066

-.v90006*90001-100012

00011000111

次

變量扭轉(zhuǎn)角公垂線長(zhǎng)連桿間距離cosasina

有

aad

機(jī)

器

人

各

桿

件

的

參

數(shù)

如

下

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請(qǐng)

推

導(dǎo)

出

各

個(gè)

桿

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矩

陣

連

桿

1*-90°000-1

290°001

024

30°010

44

4-90°000-1

590°0001

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60。0010

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A=A=

0-1000100

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一%oo

%OO

As010

o001

二、簡(jiǎn)答題：

1.機(jī)器人學(xué)重要包含哪些研究?jī)?nèi)容？

2.機(jī)器人常用的機(jī)身和臂部的配置型式有哪些？

3.拉格朗FI運(yùn)動(dòng)方程式的一般表達(dá)形式與各變量含義？

4.機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元有哪些？

5.直流電機(jī)的額定值有哪些？

6.常見(jiàn)的機(jī)器人外部傳感器有哪些？

7.簡(jiǎn)述脈沖回波式超聲波傳感器的工作原理。

8.機(jī)器人視覺(jué)的硬件系統(tǒng)由哪些部分組成？

9.為什么要做圖像的預(yù)解決？機(jī)器視覺(jué)常用的預(yù)解決環(huán)節(jié)有哪些?

10.請(qǐng)簡(jiǎn)述模糊控制器的組成及各組成部分的用途。

11.從描述操作命令的角度看，機(jī)器人編程語(yǔ)言可分為哪幾類(lèi)？

12.仿人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？

三、論述題：

1.試論述機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.試論述精度、反復(fù)精度與分辨率之間的關(guān)系。

3.試論述輪式行走機(jī)構(gòu)和足式;行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和各自合用的場(chǎng)合。

4.試論述機(jī)器人靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)系。

5.機(jī)器人單關(guān)節(jié)伺服控制中，位置反饋增益和速度反饋增益是如何擬定的？

6.試論述工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用準(zhǔn)則。

四、計(jì)算題：(需寫(xiě)出計(jì)算環(huán)節(jié)，無(wú)計(jì)算環(huán)節(jié)不能得分)：

1.已知點(diǎn)u的坐標(biāo)為［7,3,2",對(duì)點(diǎn)u依次進(jìn)行如下的變換：(1)繞z軸旋轉(zhuǎn)90°得到點(diǎn)v；(2)繞y

軸旋轉(zhuǎn)90°得到點(diǎn)w；(3)沿x軸平移4個(gè)單位，再沿y軸平移-3個(gè)單位，最后沿z軸平移7個(gè)單位得

到點(diǎn)t。求u,V,w,t各點(diǎn)的齊次坐標(biāo)。

2.如圖所示為具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的3R機(jī)械手,求末端機(jī)械手在基坐標(biāo)系｛x0,yO｝下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

3.如圖所示為平面內(nèi)的兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械手,已知機(jī)器人末端的坐標(biāo)值｛x,y),試求其關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變量01

和02.

p

4.如圖所示兩自由度機(jī)械手在如圖位置時(shí)（。1二0,。2二元/2）,生成手爪力FA=[fx0]T或FB

=[0fy]To求相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力p人和113o

5.如圖所示的兩自由度機(jī)械手,手部沿固定坐標(biāo)系在手上X0軸正向以l.Om/s的速度移動(dòng)，桿長(zhǎng)

11=12=0.5mo設(shè)在某時(shí)刻。1=30°,。2=-60°,求該時(shí)刻的關(guān)節(jié)速度。已知兩自由度機(jī)械手速度雅可比

矩陣為

—4S。］—/2sl2-2

6.如圖所示的三自由度機(jī)械手（兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)加一個(gè)平移關(guān)節(jié)，簡(jiǎn)稱(chēng)RPR機(jī)械手），求末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)

學(xué)方程。

參考答案

1.一、名詞解釋題：

2.自由度：指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。

3.機(jī)器人工作載荷：機(jī)器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機(jī)械接口處能承受的最大負(fù)載量（涉及手部）。

4.柔性手：可對(duì)不同外形物體實(shí)行抓取，并使物體表面受力比較均勻的機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)。

5.制動(dòng)器失效抱閘：指要放松制動(dòng)器就必須接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

6.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)：從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)解決手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)學(xué)。

7.機(jī)器人動(dòng)力學(xué)：機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)與各執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力或力矩之間的關(guān)系，

即機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。

8.虛功原理：約束力不作功的力學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平衡的必要且充足條件是對(duì)結(jié)構(gòu)上允許的任意位移（虛位移）

施力所作功之和為零。

9.PWM驅(qū)動(dòng)：脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）驅(qū)動(dòng)。

10.電機(jī)無(wú)自轉(zhuǎn)：控制電壓降到零時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)能立即自行停轉(zhuǎn)。

11,直流伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)特性：是指轉(zhuǎn)矩恒定期，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系。

12,直流伺服電機(jī)的調(diào)速精度：指調(diào)速裝置或系統(tǒng)的給定角速度與帶額定負(fù)載時(shí)的實(shí)際角速度之差，與給

定轉(zhuǎn)速之比。

13.PID控制：指按照偏差的比例（P,proportional）>積分（I,integral）>微分（D,derivative）

進(jìn)行控制。

14.壓電元件：指某種物質(zhì)上施加壓力就會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，即產(chǎn)生壓電現(xiàn)象的元件。

15.圖像銳化：突出圖像中的高頻成分，使輪廓增強(qiáng)。

16.從屬函數(shù)：表達(dá)論域U中的元素u屬于模糊子集A的限度，在［0,1］閉區(qū)間內(nèi)可連續(xù)取值。

17.BP網(wǎng)絡(luò)：BP（BackPropagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于誤差反向傳播算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

脫機(jī)編程：指用機(jī)器人程序語(yǔ)言預(yù)先進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，而不是用示教的方法編程。

AUV：AutonomousUnderwaterVehicle無(wú)纜自治水下機(jī)器人，或自動(dòng)海底車(chē)。

二、簡(jiǎn)答題：

1.答：機(jī)器人研究的基礎(chǔ)內(nèi)容有以下幾方面：（1）空間機(jī)構(gòu)學(xué)；（2）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)；（3）機(jī)器人靜力

學(xué)；（4）機(jī)器人動(dòng)力學(xué)；（5）機(jī)器人控制技術(shù)；（6）機(jī)器人傳感器；（7）機(jī)器人語(yǔ)言。

2.答：目前機(jī)器人常用機(jī)身和臂部的配置型式的有如下兒和形式：（1）橫梁式。機(jī)身設(shè)計(jì)成橫梁式，用

于懸掛手臂部件，具有占地面積小，能有效地運(yùn)用空間，直觀等優(yōu)點(diǎn)。（2）立柱式。多采用I口I轉(zhuǎn)型、俯仰

型或屈伸型的運(yùn)動(dòng)型式，一股臂部都可在水平面內(nèi)I可轉(zhuǎn)，具有占地面積小而工作范圍大的特點(diǎn)。（3）機(jī)座

式，可以是獨(dú)立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，可隨意安放和搬動(dòng)。也可以具有行走機(jī)構(gòu)，如沿地面上的專(zhuān)用

軌道移動(dòng)，以擴(kuò)大其活動(dòng)范圍。（4）屈伸式。臂部由大小臂組成，大小臂間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為屈伸臂，可

以實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，也可以作空間運(yùn)動(dòng)。

3.答：拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程式一股表達(dá)為：

d（dL}dL

了場(chǎng)廠訪*

式中,q是廣義坐標(biāo)；T是廣義力。L是拉格朗日算子，表達(dá)為

L=K-P

這里,K是動(dòng)能；P是位能。

4.答：構(gòu)成機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要素涉及：（1）電動(dòng)機(jī)，提供驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。（2）減

速器，為了增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力矩、減少運(yùn)動(dòng)速度。（3）驅(qū)動(dòng)電路，由于直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)的流經(jīng)

電流較大，機(jī)器人常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。（4）運(yùn)動(dòng)特性檢測(cè)傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器

人運(yùn)動(dòng)的位置、速度、加速度等參數(shù)。（b）控制系統(tǒng)的硬件，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，采用協(xié)調(diào)級(jí)與執(zhí)行級(jí)的二

級(jí)結(jié)構(gòu)。（6）控制系統(tǒng)的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的計(jì)算、機(jī)器人的智能控制和機(jī)器人與人的信息互

換等功能。

5.答：直流電動(dòng)機(jī)的額定值有以下幾項(xiàng)：（1）額定功率，是指按照規(guī)定的工作方式運(yùn)營(yíng)時(shí)所能提供的輸出

功率。對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，額定功率是指軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW。（2）額定電壓，是電動(dòng)機(jī)電樞繞組

可以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(dòng)機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)營(yíng)

時(shí)：電樞繞組允許流過(guò)的最大電流，單位為A。（4）額定轉(zhuǎn)速，指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定

功率的情況下運(yùn)營(yíng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。

6.答：常見(jiàn)的外部傳感器涉及觸覺(jué)傳感器，分為接觸覺(jué)傳感器、壓覺(jué)傳感器、滑覺(jué)傳感器和力覺(jué)傳感器。

距離傳感器，涉及超聲波傳感器，接近覺(jué)傳感器，以及視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器、味覺(jué)傳感

器等。

7.答：在脈沖回波式中，先將超聲波用脈沖調(diào)制后發(fā)射，根據(jù)經(jīng)被測(cè)物體反射回來(lái)的回波延遲時(shí)間△3

計(jì)算出被測(cè)物體的距離R,假設(shè)空氣中的聲速為v,則被測(cè)物與傳感器間的距離R為：

7?=vxA//2

假如空氣溫度為T(mén)（°C）,則聲速v可由下式求得：

v=（331.5+0.6077）m/s

8.答：（1）景物和距離傳感器，常用的有攝像機(jī)、CCD圖像傳感器、超聲波傳感器和結(jié)構(gòu)光設(shè)備等；

（2）視頻信號(hào)數(shù)字化設(shè)備，其任務(wù)是把攝像機(jī)或者CCD輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成方便計(jì)算和分析的數(shù)字信號(hào)；（3）

視頻信號(hào)解決器，視頻信號(hào)實(shí)時(shí).、快速、并行算法的硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)備：如DSP系統(tǒng)；（4）計(jì)算機(jī)及其設(shè)備，根

據(jù)系統(tǒng)的需要可以選用不同的計(jì)算機(jī)及其外設(shè)來(lái)滿足機(jī)器人視覺(jué)信息解決及其機(jī)器人控制的需要：（5）機(jī)

器人或機(jī)械手及其控制器。

9.答：預(yù)解決的重要目的是清楚原始圖像中各種噪聲等無(wú)用的信息，改善圖像的質(zhì)量，增強(qiáng)愛(ài)好的

有川信息的可檢測(cè)性。從而使得后面的分割、特性抽取和辨認(rèn)解決得以簡(jiǎn)化，并提高其可靠性。機(jī)器視覺(jué)

常用的預(yù)解決涉及去噪、灰度變換和銳化等。

10.答：模糊邏輯控制器由4個(gè)基本部分組成，即模糊化、知識(shí)庫(kù)、推理算法和逆模糊化。（1）模糊化：將

檢測(cè)輸入變量值變換成相應(yīng)的論域，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的語(yǔ)言值。（2）知識(shí)庫(kù)：包含應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)

和控制目的，它由數(shù)據(jù)和模糊語(yǔ)言控制規(guī)則組成。（3）推理算法：從一些模糊前提條件推導(dǎo)出某一結(jié)論,

這種結(jié)論也許存在模糊和擬定兩種情況。（4）逆模糊化：將推理所得到的模糊值轉(zhuǎn)換為明確的控制訊號(hào)，

作為系統(tǒng)的輸入值。

11.答：機(jī)器人編程語(yǔ)言可分為：（1）動(dòng)作級(jí)：以機(jī)器人末端執(zhí)行器的動(dòng)作為中心來(lái)描述各種操作，要在

程序中說(shuō)明每個(gè)動(dòng)作。（2）對(duì)象級(jí)：允許較粗略地描述操作對(duì)象的動(dòng)作、操作對(duì)象之間的關(guān)系等，特別合

用于組裝作業(yè)。（3）任務(wù)級(jí)：只要直接指定操作內(nèi)容就可以了，為此，機(jī)涉人必須一邊思考一邊工作。

12.答：（I）仿人機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)操作控制，涉及實(shí)時(shí)行走控制、手部操作的

最優(yōu)姿態(tài)控制、自身碰撞監(jiān)測(cè)、三維動(dòng)態(tài)仿真、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡跟蹤；（3）仿人機(jī)器人的整體動(dòng)力學(xué)及運(yùn)

動(dòng)學(xué)建模；（4）仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究；（5）仿人機(jī)器人的人機(jī)交互研究，涉及視覺(jué)、語(yǔ)音

及情感等方面的交互；（6）動(dòng)態(tài)行為分析和多傳感器信息融合。

三、論述題：

I.答：科學(xué)技術(shù)水平是機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)，科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展將會(huì)使機(jī)器人技術(shù)提高到一個(gè)更高的水平。

未來(lái)機(jī)器人技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容集中在以下幾個(gè)方面：（1）工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。探索

新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載-自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。（2）機(jī)器人控

制技術(shù)。重點(diǎn)研究開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加和諧，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)

器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器J成為研究熱點(diǎn)。（3）多傳感系統(tǒng)。為進(jìn)一步

提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感

器觸合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。（4）機(jī)器人遙控及監(jiān)

控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)。多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人

遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。（5）虛擬機(jī)器人技術(shù)?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w

和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。（6）多智能體控制技術(shù)。這是目

前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。重要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、互相間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)

方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。（7）微型和微小機(jī)器人技術(shù)。這是機(jī)器人研究的一個(gè)

新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)

的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微型機(jī)器人技術(shù)的研究重要

集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方，法、傳感技術(shù)、通佶技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。（8）軟機(jī)器人技術(shù)。

重要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂(lè)場(chǎng)合。傳統(tǒng)機(jī)謂人設(shè)計(jì)未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬

或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù)規(guī)定其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安

全的，機(jī)器人對(duì)人是和諧的。（9）仿人和仿生技術(shù)。這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面

進(jìn)行一些基礎(chǔ)研究。

2.答：精度、反復(fù)精度和分辨率用來(lái)定義機(jī)器人手部的定位能力。

精或是一個(gè)位置量相對(duì)于其參照系的絕對(duì)度量，指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與所需要到達(dá)的抱負(fù)位置之

間的差距。機(jī)器人的精度決定于機(jī)械精度與電氣精度。

反復(fù)精度指在相同的運(yùn)動(dòng)位置命令下，機(jī)器人連續(xù)若干次運(yùn)動(dòng)軌跡之間的誤差度量。假如機(jī)器人反復(fù)執(zhí)行

某位置給定指令，它每次走過(guò)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

的幅度代表反復(fù)精度。

分辨率是指機(jī)器人每根軸可以實(shí)現(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。一臺(tái)設(shè)備

的運(yùn)動(dòng)精度是指命令設(shè)定的運(yùn)動(dòng)位置與該設(shè)備執(zhí)行此命令后可以達(dá)成的運(yùn)動(dòng)位置之間的差距，分辨率則

反映了實(shí)際需要的運(yùn)動(dòng)位置和命令所可以設(shè)定的位置之間的差距。

工業(yè)機(jī)器人的精度、反復(fù)精度和分辨率規(guī)定是根據(jù)其使用規(guī)定擬定的。機(jī)器人自身所能達(dá)成的精度取決于

機(jī)器人結(jié)構(gòu)的剛度、運(yùn)動(dòng)速度控制和驅(qū)動(dòng)方式、定位和緩沖等因素。

由于機(jī)器人有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，不同回轉(zhuǎn)半徑時(shí)其直線分辨率是變化的，因此導(dǎo)致了機(jī)器人的精度難以擬

定，由于精度一般較難測(cè)定，通常工業(yè)機(jī)器人只給出反復(fù)精度。

3.答：輪式行走機(jī)器人是機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對(duì)平坦的地面上，用車(chē)蛇移動(dòng)方式行走

是相稱(chēng)優(yōu)越的。車(chē)輪的形狀或結(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)和車(chē)輛的承載能力。在軌道上運(yùn)營(yíng)的多采用實(shí)心

鋼輪，室外路面行駛的采用充氣輪胎，室內(nèi)平坦地面上的可采用實(shí)心輪胎。足式行走對(duì)崎嶇路面具有很好

的適應(yīng)能力，足式運(yùn)動(dòng)方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以在也許到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式

行走工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有點(diǎn)；足式運(yùn)動(dòng)方式還具有積極隔震能力，盡管地面高低不平,

機(jī)身的運(yùn)動(dòng)仍然可以相稱(chēng)平穩(wěn)；足式行定在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，能耗較少。

4.答：靜力學(xué)指在機(jī)器人的手爪接觸環(huán)境時(shí)，在靜止?fàn)顟B(tài)下解決手爪力F與驅(qū)動(dòng)力T的關(guān)系。動(dòng)力學(xué)研究

機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量對(duì)時(shí)間的一階字?jǐn)?shù)、二階導(dǎo)數(shù)與各執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力或力矩之間的關(guān)系，即機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)

的運(yùn)動(dòng)方程。而運(yùn)動(dòng)學(xué)研究從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)解決手指位置與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系。

在考慮控制時(shí)，就要考慮在機(jī)器人的動(dòng)作中，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力T會(huì)產(chǎn)生如何的關(guān)節(jié)位置8、關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)

加速度，解決這種關(guān)系稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)（dynamics）。對(duì)于動(dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)，除了與連桿長(zhǎng)度有關(guān)之外，還與各

連桿的質(zhì)量，繞質(zhì)量中心的慣性矩，連桿的質(zhì)量中心與關(guān)節(jié)軸的距離有關(guān)。

運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)中各變量的關(guān)系如下圖所示。圖中用虛線表達(dá)的關(guān)系可通過(guò)實(shí)線關(guān)系的組合表達(dá)，

這些也可作為動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題來(lái)解決。

運(yùn)動(dòng)學(xué)

r?r,r6,令,。

5.答：二階系統(tǒng)的特性取決于它的無(wú)阻尼自然頻率3n和阻尼比g。為了安全起見(jiàn)，我們希望系統(tǒng)具有臨

界阻尼或過(guò)阻尼，即規(guī)定系統(tǒng)的阻尼比W21（注意，系統(tǒng)的位置反饋增益kp>0表達(dá)負(fù)反饋）。把由二

階系統(tǒng)特性方程標(biāo)準(zhǔn)形式所求得的3n代入可得：

人

2#人〃-_

因而速度反饋增益kv為：

取方程等號(hào)時(shí)，系統(tǒng)為臨界阻尼系統(tǒng)；取不等號(hào)時(shí)，為過(guò)阻尼系統(tǒng)。

在擬定位置反饋增益kp時(shí)，必須考慮操作臂的結(jié)構(gòu)剛性和共振頻率，它與操作臂的結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量

分布和制造裝配質(zhì)量有關(guān)。

為了不至于激起結(jié)構(gòu)的振盈和系統(tǒng)的共振,Paul于1981年建議：閉環(huán)系統(tǒng)無(wú)阻尼自然頻率3n必須限制在

關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)共振頻率的一半之內(nèi)，即：

3n＜（）.59

根據(jù)這一規(guī)定來(lái)調(diào)整反饋增益kp,可以求出；

kp求出后,相應(yīng)的速度反饋增益kV可求得:

'一又

6.答：設(shè)計(jì)和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人時(shí)，應(yīng)全面考慮和均衡機(jī)器人的通用性、環(huán)境的適應(yīng)性、耐久性、可靠性和

經(jīng)濟(jì)性等因素，具體遵循的準(zhǔn)則如下。

⑴從惡劣工種開(kāi)始采用機(jī)器人

機(jī)器人可以在有毒、風(fēng)塵、噪聲、振動(dòng)、高溫、易燃易爆等危險(xiǎn)有害的環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。在技術(shù)、

經(jīng)濟(jì)合理的情況下，采用機(jī)器人逐步把人從這些工作崗位上代替下來(lái)，將從主線上改善勞動(dòng)條件.

⑵在生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量落后的部門(mén)應(yīng)用機(jī)器人

現(xiàn)代化的大生產(chǎn)分工越來(lái)越細(xì)，操作越來(lái)越簡(jiǎn)樸，勞動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越大。機(jī)器人可以高效地完畢一些簡(jiǎn)樸、

反狂性的工作，使生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量獲得明顯的改善。

⑶要估計(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)需要

一般來(lái)講，人的壽命比機(jī)械的壽命長(zhǎng)，但是，假如經(jīng)常對(duì)機(jī)械進(jìn)行保養(yǎng)和維修，乂寸易換件進(jìn)行補(bǔ)充和更

換：有也許使機(jī)械壽命超過(guò)人。比外；工人會(huì)由于其自身的意志而放棄某些工作，導(dǎo)致辭職或停工，而工

業(yè)機(jī)器人沒(méi)有自己的意愿，因此機(jī)器人的使用不會(huì)在工作半途因故障以外的因素停止工作，可以連續(xù)從

事所交給的工作，直至其機(jī)械壽命完結(jié)。

⑷機(jī)器人的投入和使用成木

雖說(shuō)機(jī)器人可以使人類(lèi)擺脫很臟、很危險(xiǎn)或很繁重的勞動(dòng)，但是工廠經(jīng)理們極關(guān)心的是機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)性。

在經(jīng)濟(jì)方面所考慮的因素涉及勞力、材料、生產(chǎn)率、能源、設(shè)備和成本等。

可以用償還期Y定量地衡量機(jī)器人使用的合理性。假如機(jī)器人的使用壽命大于其償還期，使用機(jī)器人是有

效益的。

⑸應(yīng)用機(jī)器人時(shí)需要人

在應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人代替工人操作時(shí)，要考慮工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)能力以及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)知識(shí)的現(xiàn)狀和未

來(lái)給予預(yù)測(cè)。川現(xiàn)有的機(jī)器人原封不動(dòng)地取代FI前正在工作的所有工人，并接替他們的工作，顯然是不也

許的。

在平均能力方面，與工人相比，工業(yè)機(jī)器人顯得過(guò)于遜色；但在承受環(huán)境條件的能力和可靠性方面，工業(yè)

機(jī)器人比人優(yōu)越。因此要把工業(yè)機(jī)器人安排在生產(chǎn)線中的恰當(dāng)位置上，使它成為工人的好助手。

四、計(jì)算題:

1.解：點(diǎn)U的齊次坐標(biāo)為:

-

0-100一7-3

100037

v=Rot(z,900)u-

001022

000111

0010-32

010077

wRot(y,90°)v=

-100023

0001111

-J一—,