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中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案

机器人学导论

一、名词解释题：二、简答题：

机器人学主要包含哪些研究内容

机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些

拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义

机器人控制系统的基本单元有哪些三、论述题：

试论述机器人技术的发展趋势。

试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。

4.试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。四、计算题：（需写出计算步骤，无计算步骤不能得分）：

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

ztvwOyxuy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,

z

t

v

w

O

y

x

u

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,y}下的运动学方程。

0 0

θ

θ

3

L3

y

θ

2

0

L2

L1

θ

1

O

x

0

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

1

和θ.

2

P

θ

θ

y

2

L

2

L1

θ

1

x

4.如图所示两自由度机械手在如图位置时（θ=0,θ=π/2），生成手爪力F

=[f

0]T或F=

[0 f

y

1 2

]T。求对应的驱动力τ和τ。

A B

A x B

y?

y

?0?

F

B?

?f?

y?

P

F

A?

?

?

L2

τ2

τ1

x

L1

x?

0?

如图所示的两自由度机械手，手部沿固定坐标系在手上X轴正向以s的速度移动，杆长l=l=。设

0 1 2

在某时刻θ=30°，θ=-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

1 2

??ls??ls ?ls ?

J?? 1?1 212 212?

??lc ?lc

?

?

1 1 212

lc

212

y

y

0

l

-θ

2

1

θ

l2

y

3

1

v

3

O

x

0

x

3

如图所示的三自由度机械手（两个旋转关节加一个平移关节，简称RPR机械手），求末端机械手的运动学方程。

L

L

2

L

3

d

2

θ

3

L

1

θ

1

参考答案

一、名词解释题：二、简答题：

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。

答：目前常用的有如下几种形式：(1)横梁式。机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，具有占地面积小，能有效地利用空间，直观等优点。(2)立柱式。多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围大的特点。(3)机座式。可以是独立的、自成系统的完整装置，可随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。(4)屈伸式。臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂，可以实现平面运动，也可以作空间运动。

答：拉格朗日运动方程式一般表示为：

?L?

?L???L?

?q? ?q

?

?dt? τ

?

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。

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。

三、论述题：

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