机器人学考试资料

一．简答题1．工业机器人定义？工业机器人的定义：一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置的，可通过可编程序动作来执行各种任务的，并且具有各种编程能力的多功能的机械手。

2. 按机器人的用途分类，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，主要用在制造业，进行焊接、喷漆、装配、搬运、检验、农产品的加工等产业。

2)探索机器人用于进行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探索。

3)服务机器人一种半自主或全自主的机器人，其所从事的服务工作可使人类生存的更好，使制造业以外的设备工作的更好。

4)军用机器人用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。

3. 什么叫“机器人的三守则”？它的重要意义是什么？1)机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人类将受伤害而袖手旁观2)机器人必须绝对服从人类，除非这种服从有害于人类3)机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者人类命令它做出牺牲等意义：给机器人社会附以新的伦理性，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、设计制造厂家和用户，提供了十分有意义的指导方针。

4. 机器人系统一般有哪些程序功能？（1）运算：可以使机器人自己做出判断，在下一步把机器手或工具置于何处。

（2）决策：机器人系统会根据输入信息做出决策，而不必执行任何运算。

（3）通信：机器人与操作人员之间的通信能力，允许机器人要求操作人员提供信息，告知操作者下一步该做什么，以及机器人打算下一步做什么。

（4）机械手运动：使复杂的多的运动变为可能；使运动传感器控制机器手成为可能；能独立存储工具位置（5）工具指令：可以对机器人进行比较复杂的控制。

（6）传感器数据处理：机器人的通用计算机必须与传感器连接起来，才能发挥全部作用。

5. 有哪几种重要的机器人高层规划系统？它们各有什么特点？1)积木世界的机器人规划2)基于消解原理的机器人规划3)基于专家系统的机器人规划4)机器人路径规划6. 机器人传感器的作用和特点为何？（1）机器人传感器的作用：机器人的通用计算机必须与传感器连接起来，才能发挥全部作用。

机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

（2）特点：机器人感觉是把相关的特性或相关的物体特性转换为执行某一种机器人功能所需的信息，这些物体特征包括几何的、光学的、机械学的、声音的、材料的、电气的、磁性的、放射性的和化学的，这些特征形成符号以表示系统，进而构成与给定工作任务有关的世界状态知识。

传感器的分类内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度等）的传感器。

外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。

外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。

末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。

相当于触觉。

环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人的距离。

相当于视觉7. 什么是变结构系统？为什么要采用变结构控制？变结构系统的定义：系统各部分间的连续关系发生变化；系统的参数产生变化等等，这样的系统称为变结构系统。

在动态控制过程中，变结构控制系统的结构根据系统当时的状态偏差及其各阶导数的变化，以跃变的方式按照设定的规律做相应改变，它是一类特殊的非线性控制系统。

为什么要采用变结构系统？因为一般的程序控制在系统运行的过程中改变系统的结构是预先设定好的，而往往有些异常的突发情况，使得它达不到要求，而变结构控制的话，可以根据误差及其导数的变化情况来确定。

若控制对象参数不变化，自适应控制逐渐退化为定常控制，而变结构控制并不会退化为定常控制，始终保持微变结构控制。

8. 旋转矩阵的几何意义是什么？旋转矩阵的几何意义：为了研究机器人的运动和操作，往往不仅要表示空间某一点的位置，而且需要表示物体的方位，物体的方位可由某个固接于物体的坐标系表述。

为了规定空间某物体B 的方位，设置一直角坐标系｛B ｝与此刚体固接，而此时也有一个参考坐标系｛A ｝，而为了表示B 相对于坐标系A 的方位就引入了旋转矩阵。

1) 可以表示固定于刚体上的坐标系{B}对参考坐标系的姿态矩阵。

2) 可作为坐标变换矩阵.它使得坐标系{B}中的点的坐标 变换成{A}中点的坐标 。

3) 可作为算子,将{B}中的矢量或物体变换到{A}中。

二．已知坐标系{B}的初始位姿与{A}重合,首先{B}相对于{A}的Z A 轴转60°,再沿{A}的X A 轴移动10单位,并沿{A}的Y A 轴移动4单位.求位置矢量A P B0和旋转矩阵B A R.设点P 在{B}坐标系中的位置为B P=[5,9,0],求它在坐标系{A}中的位置。

B A R=R(Z, 600)=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡︒︒︒-︒100060cos 60sin 060sin 60cos =⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10021******* 0B A P = ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡0410 因此可得： 0*B AB B A A P P R P +==⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10021********⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡095+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡0410 p B p A= ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-0410083.8294.5 = ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡083.12706.4三． 矢量U=7i+3j+2k ，绕Z 轴转90度后，再绕Y 轴转90度。

在上述基础上再平移（9，-6，8），求最后得到的新的点矢量。

解：绕z 旋转90度得：V=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000010000010010*⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡1237=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1273绕y 旋转90度得：W=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000000100100100*⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1273=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡1372再平移（9，-6，8）T 得：t=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡111111四．一坐标系{B}与参考系重合,现将其绕通过q=[1,2,3]T 的轴转30°,求转动后的{B}。

以 []T f 0707.0707.0=oz y x f f f 0.300.0707.0====θ代入算式,有五． 坐标系{B}初始与{A}重合,让{B}绕Z B 旋转θ角;然后再绕X B 转φ角.求把B P 变为AP 的旋转矩阵。

六． 下图图（A ）表示两个楔形物体，试用两个变换序列分别表示物体的变换过程，使最后的状态如（B ）图所示。

（10分）321===z y x q q q ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=100004.0866.0354.0354.013.1354.0933.0067.013.1354.0067.0933.0)30,(o k Rot 分）（分分20)2(1000000001)1(),(),(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-==→φφθφθφφθφθθθθθθθφφφφθφc s c s s s c c c s s c c s s c c s s c z Rot x Rot R A B()⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=︒︒=111111002444110111220022111111002200440000111111100040100001210011111100220044000011111110000011000001001000410000102001111111002200440000111111100001000001001010000001001001001000410000102001)90,()90,(4,0,2'A z Rot y Rot Trans A()⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=-︒︒=11111144000011111100220011111100220044000011111110004010000101001111110022009955551111111000010050100001100000100100000110000100000100100,5,0)90,()90,('B Trans x Rot z Rot B七．已知坐标系{A}和其对基系的微分平移和旋转,求微分变换dA.，并求坐标系{A}的等价微分平移和旋转（10分）解：首先据机器人微分平移公式可得：⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=∆005.0001.0000011.000 再根据dT=T ∆,有：dA=A ∆,即：dA=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-005.0001.0000011.000*⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡10000010500110100=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-00005.01.0000000101.00坐标系｛A ｝的这一微分变化如下图所示：kj i k j i A 01.005.001,10000010500110100++=++=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=δd八．综合题（共15分）机器人智能是否会超过人类智能？为什么？人类是否面临机器人的挑战？为什么？如何迎接这一挑战？请写一篇不低于300字的论述文。

所谓人工智能（英文缩写为AI）既是是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。

就算人工智能再厉害，它只不过是无限接近于人的智能而已，而不能超越人的智能，但是不可否认的是从宏观上和具体应用的方面来看，人工智能的确要比人厉害，因为在控制设备方面它可以面面俱到，而人可能会有疏忽，但是人工智能却缺少智能的最基本也是最重要的三件能力，那就是创造、思考和情感，就此看来人工智能还是远不及人类智能的。

眼下还不可能，毕竟当前的计算机智能还不具备复杂的自学习功能，所以学习内容也不会超过人类教给它的范围（受人类编制的程序所限）。

但不排除将来的智能系统能够自学人类未教给它的东西（自编程功能），那时才可以说超越人类智能的问题。