2、如图所示的两自由度机械手，手部沿固定坐标系在手上X0轴正向以1.0m/s的速度移动，杆长l1=l2=0.5m。设在某时刻θ1=30°，θ2=-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
??ls??lsJ??11212?l1c?1?l2c12y0?l2s12? ?l2c12?l1-θ2l2x0y3v3x3
θ1O
- 6 -
参考答案及评分标准
参考答案
一、名词解释题：
1. 自由度：指描述物体运动所需要的独立坐标数。
2. 机器人工作载荷：机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量（包括手部）。 3. 柔性手：可对不同外形物体实施抓取，并使物体表面受力比较均匀的机器人手部结构。 4. 制动器失效抱闸：指要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。 5. 机器人运动学：从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系称为运动学。 二、简答题
1. 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。
2. 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。 3. 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。
4. 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。
5. 答：(1) 仿人机器人的机构设计；(2) 仿人机器人的运动操作控制，包括实时行走控制、手部操作的
最优姿态控制、自身碰撞监测、三维动态仿真、运动规划和轨迹跟踪；(3) 仿人机器人的整体动力学及运动学建模；(4) 仿人机器人控制系统体系结构的研究；(5) 仿人机器人的人机交互研究，包括视觉、语音及情感等方面的交互；(6) 动态行为分析和多传感器信息融合。
三、论述题
1. 答：二阶系统的特性取决于它的无阻尼自然频率ωn和阻尼比ξ。为了安全起见，我们希望系统具有临界阻尼或过阻尼，即要求系统的阻尼比ξ≥1（注意，系统的位置反馈增益kp＞0表示负反馈）。把由二阶系统特征方程标准形式所求得的ωn代入可得：
ξ?Rafeff?kakb?kakv2kakpJeffRa?1
因而速度反馈增益k v为：
kv?2kakpJeffRa?Rafeff?kakbka- 7 -
取方程等号时，系统为临界阻尼系统；取不等号时，为过阻尼系统。
在确定位置反馈增益k p时，必须考虑操作臂的结构刚性和共振频率，它与操作臂的结构、尺寸、质量分布和制造装配质量有关。
为了不至于激起结构的振盈和系统的共振，Paul于1981年建议：闭环系统无阻尼自然频率ωn必须限制在关节结构共振频率的一半之内，即：
ωn?0.5ωr
根据这一要求来调整反馈增益kp，可以求出：
2ω0J0Ra0?kp?
4kak p求出后，相应的速度反馈增益k v可求得：
kv?Raω0J0Jeff?Rafeff?kakbka
2. 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。
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。 四、计算题：
1、解：建立如图1的参考坐标系，则
- 8 -
?c1?s1?sc10T1=?1?00??00
00??c2?s00?1?,T2=?2?010???01??0?s2c2000L1??c3?s00?2?,T3=?3?010???01??0?s30L2?c300?? 010??001?x3y3y0y2x2y1x1O图1
x0
?c123?s0201T3=T1T2T3=?123?0??0?s123c123000L1c1?L2c12?0L1s1?L2s12??
?10?01?其中c123?cos??1??2??3?,s123?sin??1??2??3?. 2、解：因为：J????l1s?1?l2s12?l1c?1?l2c12?l2s12? ?l2c12?1l1l2s?2l2c12???lc??lc?11212l2s12?
?l1s?1?l2s12???1因此，逆雅可比矩阵为：J?因为，??Jv，且v=[1, 0]T，即vX=1m/s，vY=0，因此
?1??1?l2c12l2s12??1?1??????lc??lc??0??ls??lslls?????1121211212???122?2?c1 ?1?12?rad/s=-2rad/sl1s?20.5?2??c?1c?12?4rad/sl2s?2l1s?2- 9 -
（算出最后结果2分）
因此，在该瞬时两关节的位置分别为， θ1=30°，θ2=-60°；速度分别为?1=-2rad/s，rad/s；?2=4 手部瞬时速度为1m/s。
sθ1=sinθ1式中：s12=sin(θ1+θ2)
??????
- 10 -