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机器人技术试题及答案


第1章

绪论

1、国际标准化组织(ISO)对机器人的定义是什么? 国际标准化组织(ISO)给出的机器人定义较为全面和准确,其涵义为: 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官(肢体、感官等)的功能; 机器人具有通用性,工作种类多样,动作程序灵活易变; 机器人具有不同程度的智能性,如记忆、感知、推理、决策、学习等; 机器人具有独立性,完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人类的干预。 2、工业机器人是如何定义的? 工业机器人是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由 度的、多用途的操作机,能搬运材料、工件或操持工具,用以完成各种作业。且这种操作机 可以固定在一个地方,也可以在往复运动的小车上。 3、按几何结构,机器人可分为那几种? 直角坐标型 圆柱坐标型 球坐标型 关节坐标型 4、机器人的参考坐标系有哪些? 全局参考坐标系 关节参考坐标系 工具参考坐标系 5、什么是机器人的自由度和工作空间? 机器人的自由度(Degree of Freedom, DOF)是指其末端执行器相对于参考坐标系能够独立 运动的数目,但并不包括末端执行器的开合自由度。自由度是机器人的一个重要技术指标, 它是由机器人的结构决定的,并直接影响到机器人是否能完成与目标作业相适应的动作。 机器人的工作空间(Working Space)是指机器人末端上参考点所能达到的所有空间区域。 由于末端执行器的形状尺寸是多种多样的, 为真实反映机器人的特征参数, 工作空间是指不 安装末端执行器时的工作区域。 第2章 1、机器人系统由哪三部分组成?答:操作机、驱动器、控制系统 2、什么是机器人的操作机?分为哪几部分? 答: 机器人的操作机就是通过活动关节 (转动关节或移动关节) 连接在一起的空间开链机构, 主要由手部、腕部、臂部和机座构成。 3、简述机器人手部的作用,其分为哪几类? 答:作用:机器人的手部又称为末端执行器,它是机器人直接用于抓取和握紧(或吸附)工 件或操持专用工具(如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等)进行操作的部件,它具有模仿人手动作 的功能,并安装于机器人手臂的最前端。 分类:1.机械夹持式手 2.吸附式手 3.专用手 4.灵巧手 4、机器人机械夹持式手按手爪的运动方式分为哪两种?各有何典型机构? 答: 按手爪的运动方式分为回转型和平移型。 平移型可分两类: 它分为直线式和圆弧式两种。 典型机构:a 齿轮齿条式 b 螺母丝杠式 c 凸轮式 d 平行连杆式 .回转型典型:a 楔块杠杆式 b 滑槽杠杆式 c 连杆杠杆式 d 齿轮齿条式 e 自重杠杆式 5、机器人吸附式手分为哪两种?各有何特点? 答:根据吸附力的产生方法不同,将其分为:气吸式,磁吸式 (1)气吸式:气吸式手是利用 吸盘内的压力与外界大气压之间形成的压力差来工作的, 根据压力差形成的原理不同, 可分 为:a 挤压排气式 b 气流负压式 c 真空抽气式 (2)磁吸式:磁吸式手是利用磁场产生的磁吸力 来抓取工件的,因此只能对铁磁性工件起作用(钢、铁等材料在温度超过 723℃时就会失去 磁性) ,另外,对不允许有剩磁的工件要禁止使用,所以磁吸式手的使用有一定的局限性。 根据磁场产生的方法不同,磁吸式手可分为:a 永磁式 b 励磁式

6、什么是机器人的换接器?有何作用? 答:换接器一般由两部分组成:换接器插座和接器插头,它们分别装在机器人的手部和机器 人的腕部,能够使机器人快速自动的更换手部。 7、机器人腕部的作用是什么?有哪些典型机构? 答:作用:改变或调整机器人手部在空间的姿态(方向),并连接机器人的手部和臂部。2) 自由度:分别为回转(x)俯仰(y)偏摆(z)由三个回转关节组合而成。典型机构:1)液 压摆动缸 2)轮系机构—2 自由度(诱导运动) 、轮系机构—2 自由度(差动式) 、轮系机构 —3 自由度 (正交、斜交) 8、机器人柔顺腕部结构的作用是什么?柔顺装配有那两种方法?如何实现?答:作用:消 除机器人在进行装配作业时的装配误差,装配误差:①角度误差 ②位置误差 实现:主动柔 顺——边检测,边修正。被动柔顺 角度误差——回转运动-回转机构位置误差——平移运 动-平移机构 9、机器人臂部的作用是什么?实现两种运动方式的典型机构有哪些? 答:作用:改变机器人手在空间的位置。 (2)关节类型:平移关节和回转关节。 机器人臂 部的伸缩、升降和纵(横)向的移动均 属于平移运动,其实现的典型机构主要有: (1)活塞油缸、活塞气缸(2)齿轮齿条机构(3) 丝杠螺母机构(4)曲柄滑块机构(5)凸轮机构 机器人臂部回转运动常用的典型机构 有: (1)油马达、气马达、摆动液压缸(2)各种轮系机构(3)齿条齿轮机构(4)滑块曲 柄机构(5)活塞缸加连杆机构(机器人臂部的俯仰运动) 10、机器人机座的作用是什么?可分为哪两类? 答:作用:支承着机器人自身重量及作业时的负载。 分类:固定式和移动式 11、机器人的机构简图如何绘制? 机器人的机构运动简图是为了用简洁的线条和符号来表 达机器人的各种运动及结构特征。在国标 GB/T12643-90 中规定了机器人有关的各种运动功 能的图形符号。 55 页 56 12、机器人常见的驱动器有哪些? 答:驱动器是用来驱动机器人操作机工作的动力装置。常见的驱动器主要有电动驱动器、液 压驱动器和气动驱动器。 13、机器人电动驱动器有哪几种? 答:电动驱动器是利用电能来实现旋转运动的驱动器,常见主要有:步进电机(stepping motor) 、直流(DC)伺服电机、交流(AC)伺服电机、直接驱动电机 14、直接驱动(DD)电机有何特点?有几种类型? 答:DD 电机没有减速器,但要求能提供大输出转矩(推力),可控性好。 它被广泛地应用于 装配 SCARA 机器人、自动装配机、加工机械、检测机器及印刷机械等。 DD 电机的类型: 转动型 DD 电机(分为:HB 型转动 DD 电机和 VR 型转动 DD 电机) 、直线型 DD 电机、平 面型 DD 电机 15、机器人控制系统的组成包括哪些部分? 答:机器人的控制系统主要是由硬件系统、控制软件、输入/输出设备、传感器等构成。硬 件包括控制器、执行器、伺服驱动器。软件包括各种控制算法。Ppt86 16、机器人传感器如何分类?方式和种类有哪些? 答: 传感器的主要作用就是给机器人输入必要的信息。 根据输人信息源是位于机器人的内部 还是外部, 传感器可以分为两大类: 一类是为了感知机器人内部的状况或状态的内部测量传 感器(简称内传感器) 。它是在机器人本身的控制中不可缺少的部分,虽然与作业任务无关, 却在机器人制作时将其作为本体一个组成部分, 并进行组装; 另一类是为了感知外部环境的

状况或状态的外部测量传感器 (简称外传感器) 它是机器人适应外部环境所必需的传感器, 。 按照机器人作业的内容.分别将其安装在机器人的头部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。 Ppt88\89 17、机器人最基本的控制方法有哪些? 答:1)关节的运动控制及转矩(力)控制 2)轨迹控制 3)利用传感器反馈的运动调整 18、机器人轨迹控制的两种方式是什么? 答:如果要求机器人沿着一定的目标轨迹运动则是轨迹控制。对于工业生产线上的机械臂, 轨迹控制常用示教再现方式。示教再现分两种:点位控制(PTP) ,用于点焊、更换刀具 等情况;连续路径控制(CP) ,用于弧焊、喷漆等作业。如果机器人本身能够主动地决定 运动,那么可经常使用路径规划加在线路径跟踪方式进行控制。 19、机器人的现代控制方法有哪些? 答:1)自适应控制 自适应控制分为模型参考自适应控制和校正自适应控制 2)智能控制 技术 智能机器人系统具有以下特征①模型的不确定性; ②系统的高度非线性; ③控制任 务复杂性。 学习控制是人工智能技术应用到机器人领域的一种智能控制方法。 已提出多种机 器人控制方法,如模糊控制、神经网络控制、基于感知器的学习控制、基于小脑模型的学习 控制等。 除了上述控制方法之外,人们也正在模仿生物体的控制机理,研究仿生型的而非 模型的控制法,目前基于神经振子所生成和引入的节奏模式已经实现了稳定的四足机器人、 双足机器人的步行控制, 基于行为的控制方法已和集中式控制方法相结合, 应用到足球机器 人的控制系统中。 20、机器人系统设计的基本原则有哪些? 答:机器人系统是一个典型的完整机电一体化系统,是一个包括机械结构、控制系统、传感 器等的整体。对于机器人这样一个结合了机械、电子、控制的系统,在设计时首先要考虑的 是机器人的整体性、整体功能和整体参数,然后再对局部细节进行设计. 控制系统设计优 先于机械结构设计(理论设计优先于实际设计)原则: 设计机器人之初, 首先考虑的是机器人要实现的功能, 然后根据功能要求来设计机器人 的性能参数。控制系统的设计更多的是对现有资源的整合和集成,总体方案设计完成之后, 先确定控制系统的基本方案, 在进行理论推导及实验仿真等验证是否满足设计要求后, 根据 控制硬件的尺寸才能进行机械结构设计。 这一设计原则的缺点是机械设计部分放在最后,机械加工周期影响了机器人的总体研制进 度,总体设计周期比较长。 21、机器人系统设计分为哪三个阶段?答:1)总体方案设计 2)详细设计 3)制造、安装、 调试和编写设计文档 第三章 1,什么是齐次坐标?与直角坐标有何区别?30\31 2 齐次变换矩阵的意义是什么?37 3,联合变换与单步变换的关系是什么?43\44\45 4 已知齐次变换矩阵,如何计算逆变换矩阵?50-57 5 机器人运动学解决什么问题?什么是正问题和逆问题?2 6 机器人的坐标系有哪些?如何建立?10 7 建立运动学方程需要确定哪些参数?如何辨别关节变量?66-68 8 第一种和第二种杆件坐标系下,相邻杆件位姿矩阵计算有何区别?81-98 9 机器人运动学方程的正解和逆解有何特征?各应用在什么场合?逆解如何计算?100-101 10-11(141-142) 第四章

1.机器人动力学解决什么问题?什么是动力学正问题和逆问题?2-3 2 什么是牛顿方程?什么是欧拉方程?有何作用?11-14 3 什么是惯性张量矩阵?如何计算? 4 正向递推的作用是什么?分哪几步实现? 5 反向递推的作用是什么?分哪几步实现? 6 正向递推和反向递推的初始条件各是什么?当考虑杆件自重或手部负载为重物时, 正向递 推初始条件有何变化? 7 写出机器人动力学模型,并简述各项的含义? 8(89) 第五章 1、控制系统的两大功能是什么?1、示教再现功能 2、运动控制功能 2、简述两种控制方式及其技术指标。8-9 3、简述控制系统的组成及各个部分的作用。12-21 4、示教再现控制如何实现?影响示教和记忆的因素有哪些?22 5、运动控制如何实现?可分为哪两步?29-31 6、什么是轨迹规划?不同控制方式下各在什么坐标空间进行?33-34 7、点位控制(PTP)下的轨迹规划如何实现?35 8、连续轨迹控制(CP)下的轨迹规划如何实现?57 9、关节运动伺服控制方法有哪些?各有何特点?75-80-90 10、11-(133) 第1章 绪论 重点掌握: 1、工业机器人的定义(国标) 。 国际标准化组织(ISO)给出的机器人定义较为全面和准确,其涵义为: 1)机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官(肢体、感官等)的功能; 2)机器人具有通用性,工作种类多样,动作程序灵活易变; 3)机器人具有不同程度的智能性,如记忆、感知、推理、决策、学习等; 4)机器人具有独立性,完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人类的干预。 2、工业机器人的分类。 1)按机器人发展时期分类:第一代机器人可以追溯到 70 年代,那时的机器人是由固定的、 非程序控制的、无感应器的电子机械设备,主要以示教再现方式工作;第二代机器人诞生于 80 年代,内置了感应器和由程序控制的控制器,通过反馈控制,使机器人能在一定程度上 适应环境的变化;第三代机器人是 90 年代以来到迄今为止发明的机器人。这种机器人带有 多种传感器,可以进行复杂的逻辑推理、判断及决策;第四代机器人还在研发中,预计具备 人工智能、自我复制、自动组装和尺寸像纳米一样大小等特点。 2)按机器人几何结构分类:直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型 3)按机器人驱动方式分类:电力驱动、液压驱动、气压驱动、新型驱动 4)按应用环境分类:工业机器人、特种机器人 5)按控制方式分类:非伺服控制机器人、伺服控制机器人 3、工业机器人的坐标系、自由度和工作空间 定义:参考坐标系是用来表示机器人旋转、移动等运动的坐标系。通常使用的有三种: a,全局参考坐标系 b,关节参考坐标系 c,工具参考坐标系 a 全局参考坐标系是一种通用的坐标系,由 X,Y 和 Z 轴所定义。其中机器人的所有运动都 是通过沿三个主轴方向的同时运动产生的。这种坐标系下,不管机器人处于何种位姿,运动 均由三个坐标轴表示而成。 这一坐标系通常用来定义机器人相对于其他物体的运动、 与机器

人通信的其他部件以及机器人运动路径。 b 关节参考坐标系是用来表示机器人每一个独立关节运动的坐标系。 机器人的所有运动都可 以分解为各个关节单独的运动, 这样每个关节可以单独控制, 每个关节的运动可以用单独的 关节参考坐标系表示。 c 工具参考坐标系是用来描述机器人末端执行器相对于固连在末端执行器上的坐标系的运 动。由于本地坐标系是随着机器人一起运动的,从而工具坐标系是一个活动的坐标系,它随 着机器人的运动而不断改变, 因此工具坐标系所表示的运动也不相同, 这取决于机器人手臂 的位置以及工具坐标系的姿态。 机器人的自由度(Degree of Freedom, DOF)是指其末端执行器相对于参考坐标系能够独立 运动的数目,但并不包括末端执行器的开合自由度。自由度是机器人的一个重要技术指标, 它是由机器人的结构决定的,并直接影响到机器人是否能完成与目标作业相适应的动作 机器人的工作空间(Working Space)是指机器人末端上参考点所能达到的所有空间区域。 由于末端执行器的形状尺寸是多种多样的, 为真实反映机器人的特征参数, 工作空间是指不 安装末端执行器时的工作区域。 第2章 机器人系统及设计方法 重点掌握: 1、机器人的系统组成。 操作机、驱动器、控制系统 2、手部的作用和分类。 作用:机器人的手部又称为末端执行器,它是机器人直接用于抓取和握紧(或吸附)工件或 操持专用工具(如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等)进行操作的部件,它具有模仿人手动作的功 能,并安装于机器人手臂的最前端。 分类:1.机械夹持式手 2.吸附式手 3.专用手 4.灵巧手 3、机械夹持式手和吸附式手。 4、手腕的作用及其三个自由度。 作用:改变或调整机器人手部在空间的姿态(方向),并连接机器人的手部和臂部。 自由度:分别为回转(x) 俯仰(y)偏摆(z)由三个回转关节组合而成。 5、柔顺手腕的作用及装配误差及消除方法。 作用: 消除机器人在进行装配作业时的装配误差, 装配误差: ①角度误差 ②位置误差 实现: 主动柔顺——边检测,边修正。被动柔顺 角度误差——回转运动-回转机构 位置误差 ——平移运动-平移机构 ②被动柔顺——典型结构 6、手臂的作用。 作用:改变机器人手在空间的位置。 7、操作机的机构简图。55-56 8、机器人系统设计的基本原则。 机器人系统是一个典型的完整机电一体化系统,是一个包括机械结构、控制系统、传 感器等的整体。对于机器人这样一个结合了机械、电子、控制的系统,在设计时首先要考虑 的是机器人的整体性、整体功能和整体参数,然后再对局部细节进行设计.1)机器人设计的 整体性原则 2)控制系统设计优先于机械结构设计(理论设计优先于实际设计)原则: 9、机器人系统设计的三个阶段。 1)总体方案设计 2)详细设计 3)制造、安装、调试和编写设计文档 第3章 机器人运动学 重点掌握: 一、齐次坐标变换及其运算 1、齐次变换矩阵的意义; 2、单步变换的齐次变换矩阵; 3、多步变换的齐次变换矩阵;

4、齐次变换的逆变换。 二、运动学方程的建立及其求解 1、建立坐标系; 2、确定参数; 3、相邻杆件的位姿矩阵; 4、建立运动学方程。 5、运动学方程的正解和逆解。 第4章 机器人动力学 重点掌握: 1、关节承受的力和力矩与关节驱动力(矩)的关系。 2、动力学模型及其各项含义。 3、牛顿方程、欧拉方程。 4、正向递推步骤及其计算公式。 5、反向递推步骤及其计算公式。 6、递推的初始条件。 第5章 机器人控制系统 重点掌握: 1、控制系统的两大功能。1)示教再现功能 2)运动控制功能 2、控制系统的组成及其各个部分的作用。 3、示教再现控制过程及示教与记忆的相关知识。 4、运动控制的两个步骤。 控制步骤: 第一步: 关节运动伺服指令的生成, 即将机器人手部在空间的位姿变化转换为关节变 量随时间按某一规律变化的函数。这一步一般可离线完成。 第二步: 关节运动的伺服控制, 即采用一定的控制算法跟踪执行第一步所生成的关节 运动伺服指令,这是在线完成的。 5、轨迹规划及其实现方法: (1)轨迹规划的概念: 机器人关节运动伺服指令的轨迹规划生成方法是指根据作 业任务要求的机器人手部在空间的位姿、 速度等运动参数的变化, 通过机器人运动学方程的 求解和各种插补运算等数学方法最终生成相应的关节运动伺服指令。 *示教再现控制生产 方法——示教生成 (2)PTP 下的轨迹规划步骤:第一步:由手的位姿得到对应关节的位移; 第二步:不同点对应关节之间位移的运动规划; 第三步:由关节运动变化计算关节驱动力(矩) 。 (3)CP 下的轨迹规划步骤:第一步:连续轨迹离散化。第二步:PTP 下的轨迹规划。 6、关节伺服驱动控制方法。 1)基于前馈和反馈的计算力(矩)的控制方法 注意:前馈指的是加速度,反馈指的是速度和 位移。 2)线性多变量控制方法 3)自适应控制 4)自学习控制(迭代自学习控制\重复自学习控制)


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