机器人技术及其应用-谢存禧测试试卷答案

机器人技术测试试卷
班级：学号：姓名：分数：
一、填空题（1分*10=10分）
1、世界上第一台机器人于1954年诞生于美国，被称为世界第一的“机器人王国”是日本国。

2、大多数的机器人有四个共同的主要部件：1）机械部分，2）一个或多个传感器，3）控制器，4）驱动源。

3、要使机器人拥有智能，对环境变化做出反应，首先，必须使机器人具有感知环境的能力，用传感器采集信息是机器人智能化的第一步；其次，如何采取适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业，则是提高机器人智能程度的重要体现。

4、机器人的的视觉应用可以大致分为3类：视觉检验，视觉导引和过程控制，以及近年来迅速发展的移动机器人视觉导航。

其应用领域包括电子工业、汽车工业、航空工业，以及食品和制药等各个工业领域。

二、选择题（2分*5=10分）
1．当代机器人大军中最主要的机器人为：(1)
1)．工业机器人2)．军用机器人3)．服务机器人4)．特种机器人
'
2．一个刚体在空间运动具有几个自由度(4)
1)．3个2)．4个3)．5个4)．6个
3．手部的位姿是由哪两部分变量构成的(2)
1)．位置与速度2)．姿态与位置 3)．位置与运行状态4)．姿态与速度
4．传感器在整个测量范围内所能辨别的被测量的最小变化量，或者所能辨别的不同被测量的个数，被称之为传感器的_____3____。

1)．精度2)．重复性3)．分辨率4)．灵敏度
5．测速发电机的输出信号为(1)
1)．模拟量2)．数字量3)．开关量4)．脉冲量
三、名词解释题：（3分*5=15分）
1.自由度：指描述物体运动所需要的独立坐标数。

）
2.虚功原理：约束力不作功的力学系统实现平衡的必要且充分条件是对结构
上允许的任意位移（虚位移）施力所作功之和为零。

3.直流伺服电机的调速精度：指调速装置或系统的给定角速度与带额定负载时的实际角速度之差，与给定转速之比。

4.压电元件：指某种物质上施加压力就会产生电信号，即产生压电现象的元件。

5.图像锐化：突出图像中的高频成分，使轮廓增强。

四、简答题：（5分*5=25分）
1.机器人学主要包含哪些研究内容
答：机器人研究的基础内容有以下几方面：(1) 空间机构学；(2) 机器人运动学；(3) 机器人静力学；(4) 机器人动力学；(5) 机器人控制技术；(6) 机器人传感器；(7) 机器人语言。

2.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义 答：拉格朗日运动方程式一般表示为：
~
d d L L
τt 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
L K P =-
这里， K 是动能；P 是位能。

3.机器人控制系统的基本单元有哪些
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。

4.常见的机器人外部传感器有哪些
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。

~
5.为什么要做图像的预处理机器视觉常用的预处理步骤有哪些
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。

五、解答题（需写出计算步骤，无计算步骤不能得分）：
1.已知点u的坐标为[7,3,2]T，对点u依次进行如下的变换：（1）绕z轴旋转90°得到点v；（2）绕y轴旋转90°得到点w；（3）沿x轴平移4个单位，再沿y轴平移-3个单位，最后沿z轴平移7个单位得到点t。

求u, v, w, t各点的齐次坐标。

1.解：点u的齐次坐标为：[]
7,3,2,1T
v = Rot(z,90°)u =
010073 100037 001022 000111
--⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥
=
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
）
w = Rot(y,90°)v =
001032 010077 100023 000111
-
⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥
=
⎢⎥⎢⎥⎢⎥-
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
t = Trans(4,-3,7)w =
100426 010374 0017310 000111⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥
-
⎢⎥⎢⎥⎢⎥
=
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
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{x 0,y 0}下的运动学方程。

2.解：建立如图1的参考坐标系，则
10
T =1
11
1000000100
00
1c s s c -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,21T =2
2
12200000100
01c s L s c -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,32T =3
3
23300000100
01c s L s c -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
y
(
图1
30T =10T 21
T 32T =12312311212123
12311212000010
01c s L c L c s
c L s L s -+⎡⎤⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎣⎦
其中()()123123123123cos ,sin c s θθθθθθ=++=++.
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θ1和θ2.
P
3.解：如图2所示，逆运动学有两组可能的解。

图2
…
第一组解：由几何关系得
()11212cos cos x L L θθθ=++ （1）
()11212sin sin y L L θθθ=++ （2）
（1）式平方加（2）式平方得
222
2121222cos x y L L L L θ+=++
222
212
212arccos 2x y L L L L θ⎛⎫+--=>= ⎪⎝⎭
221122sin arctan arctan cos L y x L L θθθ⎛⎫⎛⎫
=- ⎪ ⎪+⎝⎭⎝⎭
第二组解：由余弦定理， ()222
212
12arccos 2x y L L L L α⎡⎤-+++⎢
⎥=⎢⎥⎣⎦
2
'θπα=+
()1
'arctan 2
y x παθ-⎛⎫
=
+ ⎪⎝⎭
"
4.如图所示两自由度机械手在如图位置时（θ1= 0 , θ2=π/2），生成手爪力
F A = [ f x 0 ]T 或F B = [ 0 f y ]T 。

求对应的驱动力 τA 和τB 。

0x f ⎤⎥⎦
4.解：由关节角给出如下姿态：
()()()
()11212212221
11212212sin sin sin 0cos cos cos L L L L L J L L L L θθθθθθθθθθ--+-+⎡⎤--⎡⎤
==⎢
⎥⎢⎥+++⎢⎥⎣⎦⎣⎦ 由静力学公式T
J F τ=
2212200x x T
A A x L f L L f J F L L f τ--⎡⎤
⎡⎤⎡⎤===⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦⎣⎦
1212000y T B B y L f L L J F f L τ-⎡⎤⎡⎤
⎡⎤===⎢⎥⎢⎥
⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦。