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23、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。
24、机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？
[答]：(1) 景物和距离传感器，常用的有摄像机、CCD图像传感器、超声波传感器和结构光设备等；(2) 视频信号数字化设备，其任务是把摄像机或者CCD输出的信号转换成方便计算和分析的数字信号；(3) 视频信号处理器，视频信号实时、快速、并行算法的硬件实现设备：如DSP系统；(4) 计算机及其设备，根据系统的需要可以选用不同的计算机及其外设来满足机器人视觉信息处理及其机器人控制的需要；(5) 机器人或机械手及其控制器。
25、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。
2、试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。
答：精度、重复精度和分辨率用来定义机器人手部的定位能力。
精度是一个位置量相对于其参照系的绝对度量，指机器人手部实际到达位置与所需要到达的理想位置之间的差距。机器人的精度决定于机械精度与电气精度。
重复精度指在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。如果机器人重复执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同，而是在一平均值附近变化，该平均值代表精度，而变化的幅度代表重复精度。
分辨率是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。精度和分辨率不一定相关。一台设备的运动精度是指命令设定的运动位置与该设备执行此命令后能够达到的运动位置之间的差距，分辨率则反映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。
工业机器人的精度、重复精度和分辨率要求是根据其使用要求确定的。机器人本身所能达到的精度取决于机器人结构的刚度、运动速度控制和驱动方式、定位和缓冲等因素。
由于机器人有转动关节，不同回转半径时其直线分辨率是变化的，因此造成了机器人的精度难以确定。由于精度一般较难测定，通常工业机器人只给出重复精度。
3、试论述工业机器人的应用准则。
[答]：设计和应用工业机器人时，应全面考虑和均衡机器人的通用性、环境的适应性、耐久性、可靠性和经济性等因素，具体遵循的准则如下。
(1) 从恶劣工种开始采用机器人
机器人可以在有毒、风尘、噪声、振动、高温、易燃易爆等危险有害的环境中长期稳定地工作。在技术、经济合理的情况下，采用机器人逐步把人从这些工作岗位上代替下来，将从根本上改善劳动条件。
(2) 在生产率和生产质量落后的部门应用机器人
现代化的大生产分工越来越细，操作越来越简单，劳动强度越来越大。机器人可以高效地完成一些简单、重复性的工作，使生产效率、产品质量获得明显的改善。
(3) 要估计长远需要
一般来讲，人的寿命比机械的寿命长，不过，如果经常对机械进行保养和维修，对易换件进行补充和更换，有可能使机械寿命超过人。另外；工人会由于其自身的意志而放弃某些工作，造成辞职或停工，而工业机器人没有自己的意愿，因此机器人的使用不会在工作中途因故障以外的原因停止工作，能够持续从事所交给的工作，直至其机械寿命完结。
(4) 机器人的投入和使用成本
虽说机器人可以使人类摆脱很脏、很危险或很繁重的劳动，但是工厂经理们极关心的是机器人的经济性。在经济方面所考虑的因素包括劳力、材料、生产率、能源、设备和成本等。
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可以用偿还期Y定量地衡量机器人使用的合理性。如果机器人的使用寿命大于其偿还期，使用机器人是有效益的。 (5) 应用机器人时需要人
在应用工业机器人代替工人操作时，要考虑工业机器人的现实能力以及工业机器人技术知识的现状和未来给予预测。用现有的机器人原封不动地取代目前正在工作的所有工人，并接替他们的工作，显然是不可能的。
在平均能力方面，与工人相比，工业机器人显得过于逊色；但在承受环境条件的能力和可靠性方面，工业机器人比人优越。因此要把工业机器人安排在生产线中的恰当位置上，使它成为工人的好助手。
4、如果让你设计一个机器人，你最希望制作一个什么样的机器人？它由哪几部分组成？制作它主要需要完成些什么工作？
答：机器人系统的结构由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分组成。机器人的外貌有的像人，有的却并不具有人的模样，但其组成与人很相似。机构 部分包括机械手和移动机构，机械手相当于人手一样，可完成各种工作；移动机构相当于人的脚，机器人靠它来\走路\。感知机器人自身或外部环境变化信息的传 感器是它的感觉器官，相当于人的眼、耳、皮肤等，它包括内传感器和外传感器。电脑是机器人的指挥中心，相当于人脑或中枢神经，它能控制机器人各部位协调动 作；信息处理装置（电子计算机），是人与机器人沟通的工具，可根据外界的环境变化、灵活变更机器人的动作
5、试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。
答：静力学指在机器人的手爪接触环境时，在静止状态下处理手爪力F与驱动力τ的关系。动力学研究机器人各关节变
量对时间的一阶导数、二阶导数与各执行器驱动力或力矩之间的关系，即机器人机械系统的运动方程。而运动学研究从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系。
在考虑控制时，就要考虑在机器人的动作中，关节驱动力τ会产生怎样的关节位置θ、关节速度θ、关节加速度θ，处理这种关系称为动力学（dynamics）。对于动力学来说，除了与连杆长度有关之外，还与各连杆的质量，绕质量中心的惯性矩，连杆的质量中心与关节轴的距离有关。
运动学、静力学和动力学中各变量的关系如下图所示。图中用虚线表示的关系可通过实线关系的组合表示，这些也可作为动力学的问题来处理。
7、机器人轨迹控制过程如图所示。试列出各步的主要内容。
[解]：（1）通过示教过程得到机器人轨迹上特征点的位姿。对于直线需要得到起始点和终点，对于圆弧需要得到弧上三点；
（2）根据轨迹特征（直线/园弧/其它）和插补策略（定时/定距/其它）进行相应的插补运算，求出该插补点的位姿值； （3）根据机器人逆运动学原理，求出手臂解，即对应于插补点位姿的全部关节角(?1, …, ?n)；
习题4-17图 8
（4）以求出的关节角为相应关节位置控制系统的设定值，分别控制n个关节驱动电机；
（5）和关节驱动电机同轴连接的光轴编码器给出该关节当前实际位置值，进行反馈，位置控制系统根据此位置误差（设定值—反馈值）实施控制以消除误差，使机器人达到所要求的位姿。
11、以多自由度工业机器人为例，分析讨论机器人的控制：
（1）分析讨论工业机器人的位置控制、速度控制、加速度控制和力控制的特点及其区别；
答：位置控制：工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的运动，最终保证工业机器人终端(手爪)沿预定的轨迹运行。这类运动控制的特点是连续控制工业机器人手爪(或工具)的位姿轨迹。一般要求速度可控、轨迹光滑且运动平稳。轨迹控制的技术指标是轨迹精度和平稳性。速度控制意味着各个关节马达的运动联合进行，并以不同的速度同时运行以保证夹手沿着笛卡尔坐标轴稳定运动。分解运动速度控制先把期望的夹手运动分解为各个关节的期望速度，然后对各个关节实行速度伺服控制。加速度控制分解运动加速度控制首先计算出工具的控制加速度，然后把它分解为相应的各个关节加速度，再按照动力学方程计算出控制力矩。力控制除了在一些自由度方向进行位置控制外，还需要在另一些自由度方向进行力控制。
七、计算题（需写出计算步骤）
1、已知R为旋转矩阵，b为平移向量，试写出相应的齐次矩阵。
?100??3?? b???2?
R??001???????0?10????5?? [解]：齐次矩阵为
?10?00A???0?1??00 2、矩阵
03?1?2?? 0?5??01??x0?y0??z?1??w0?10?01?? 02??01?代表齐次坐标变换，求其中的未知元素值x、y、z、w(第一列元素)。
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3、写出齐次变换矩阵A
BT，它表示相对固定坐标系{A}作以下变换：
（a）绕zA轴转900； （b）再绕xA轴转–900； （c）最后作移动(3,7,9)T。
解：ABH=Trans（3，7，9）Rot（X，- ）Rot（Z， ）
??1003???100??00??03??00??=?0107?00010??0?11000??100017??0?100??00??0019????0?100????010??=?09???1010??=???1?0001????0001???0?0001????0?1?0001????00?0001????0
4、写出齐次变换矩阵A
BT，它表示相对运动坐标系{B}作以下变换：
（a）移动(3,7,9)T； （b）再绕xB轴转–900； （c）绕zB轴转900。
??00?1?9?答：A1003?BH=Rot（Z， ）Rot（X，-9 ）Trans（3，7，9）=??? ?0?10?7??0001?? 5、求下面齐次变换
??010?1??00?12????1000?? ?0001??的逆变换T-1。
??nxnynz?p?n??0?解：T?1=?oxoyo?p?o??00-1z1001???axayaz?p?a??=?2?? ?0001??0-10???0001??
?103?017?009??001?? 10
6、矢量Ap轴绕ZA轴旋转300角，然后绕XA轴旋转450角。试给出依次按上述次序完成旋转的旋转矩阵。
解：
7、坐标系{B}的位置变化如下：初始时，坐标系{A}与{B}重合，让坐标系{B}绕ZB轴旋转300角；然后再绕XB轴旋转450角。给出把对矢量Bp的描述变为对Ap描述的旋转矩阵。
解
：
8、下面的坐标系矩阵B移动距离d=(5，2，6)T：
?0?1B???0??0求该坐标系相对于参考坐标系的新位置。 [解]：
10000?1002?4?? 6??1??1?0Bnew???0??0
?01?10???00??00005??0?1102???016??0??001??007?06???112??01?12?004??0?16??001?0
9、求点P=(2，3，4)T绕x轴旋转45度后相对于参考坐标系的坐标。
机器人学复习知识点
