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机器人学是一门交叉学科，涉及机器人结构、机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器人外部传感器、机器人视觉、机器人编程语言等多个方面。本文将对机器人学导论的相关知识点进行总结和分析。
一、名词解释题
1. 自由度：自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。它是机器人学中一个重要的概念，涉及到机器人的运动学和动力学。
2. 机器人工作载荷：机器人工作载荷是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）。这是机器人设计和制造中需要考虑的一个重要因素。
3. 柔性手：柔性手是一种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。它是机器人学中的一种重要的机械结构。
4. 制动器失效抱闸：制动器失效抱闸是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。这是一个机器人控制系统中需要注意的问题。
5. 机器人运动学：机器人运动学是从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系。它是机器人学中的一门重要学科，涉及到机器人的运动和控制。
6. 机器人动力学：机器人动力学是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。这是一个机器人学中的重要概念。
7. 虚功原理：虚功原理是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。这是一个机器人学中的重要原理。
8. PWM 驱动：PWM 驱动是一种脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）驱动方式，常用于机器人控制系统中。
9. 电机无自转：电机无自转是控制电压降到零时，伺服电动机能立即自行停转。这是一个机器人控制系统中的重要概念。
10. 直流伺服电机的调节特性：直流伺服电机的调节特性是指转矩恒定时，电动机的转速随控制电压变化的关系。这是一个机器人学中的重要概念。
11. 直流伺服电机的调速精度：直流伺服电机的调速精度是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。这是一个机器人学中的重要概念。
12. PID 控制：PID 控制是指按照偏差的比例（P, proportional）、积分（I, integral）和微分（D, derivative）进行控制。这是一个机器人控制系统中的重要概念。
13. 压电元件：压电元件是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。这是一个机器人学中的重要概念。
14. 图像锐化：图像锐化是指突出图像中的高频成分，使轮廓增强。这是一个机器人视觉中的重要概念。
15. 隶属函数：隶属函数是指表示论域 U 中的元素 u 属于模糊子集 A 的程度，在[0, 1]闭区间内可连续取值。这是一个机器人学中的重要概念。
16. BP 网络：BP 网络是基于误差反向传播算法的人工神经网络。这是一个机器人学中的重要概念。
17. 脱机编程：脱机编程是指用机器人程序语言预先进行程序设计，而不是用示教的方法编程。这是一个机器人学中的重要概念。
18. AUV：AUV 是 Autonomous Underwater Vehicle 的缩写，指的是无缆自治水下机器人，或自动海底车。
二、简答题
1. 机器人学主要包含哪些研究内容？
机器人学主要包含机器人结构、机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器人外部传感器、机器人视觉、机器人编程语言等多个方面。
2. 机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？
机器人常用的机身和臂部的配置型式有SCARA 机器人、Cartesian 机器人、Cylindrical 机器人、Polar 机器人、Jointed-Arm 机器人等。
3. 拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义？
拉格朗日运动方程式的一般表示形式是：
$$\frac{d}{dt}\frac{\partial L}{\partial \dot{q}}-\frac{\partial L}{\partial q}=F$$
其中，L 是拉格朗日量，q 是广义坐标，F 是广义力。
4. 机器人控制系统的基本单元有哪些？
机器人控制系统的基本单元有：机器人控制器、执行器、传感器和驱动器。
5. 直流电机的额定值有哪些？
直流电机的额定值有：额定电压、额定电流、额定功率、额定转速等。
6. 常见的机器人外部传感器有哪些？
常见的机器人外部传感器有：摄像头、激光雷达、超声波传感器、惯性测量单元等。
7.简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理。
脉冲回波式超声波传感器的工作原理是：发射超声波脉冲，并检测回波信号，根据回波信号的时间延迟计算距离。
8. 机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？
机器人视觉的硬件系统由摄像头、图像处理器、计算机等部分组成。
9. 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？
图像预处理的目的是为了提高图像质量，去除噪声和 artifact，增强图像特征。机器视觉常用的预处理步骤有图像滤波、图像阈值化、图像二值化等。
10. 请简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。
模糊控制器的组成包括：模糊化单元、规则库、推理单元和解模糊单元。模糊化单元将输入信号转换为模糊信号，规则库存储了控制规则，推理单元根据规则库和模糊信号进行推理，解模糊单元将模糊信号转换为确定信号。
11. 从描述操作命令的角度看，机器人编程语言可分为哪几类？
机器人编程语言可分为：教导式语言、指令式语言和过程式语言。
12. 仿人机器人的关键技术有哪些？
仿人机器人的关键技术有：机器人结构设计、机器人运动控制、机器人感知和机器人智能等。
三、论述题
1. 试论述机器人技术的发展趋势。
机器人技术的发展趋势是：从工业机器人到服务机器人，从单机器人到多机器人系统，从模块化到集成化，从离线编程到在线编程。
2. 试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。
精度、重复精度与分辨率之间的关系是：精度是机器人执行任务的准确性，重复精度是机器人执行相同任务的准确性，分辨率是机器人感知和执行的精度。
3. 试论述轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合。
轮式行走机构和足式行走机构是两种常见的机器人行走机构。轮式行走机构适用于平坦的道路，足式行走机构适用于崎岖的道路。
4. 试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。
机器人静力学、动力学、运动学是相互关联的三个方面。机器人静力学研究机器人的静态平衡，机器人动力学研究机器人的运动规律，机器人运动学研究机器人的运动轨迹。
5. 机器人单关节伺服控制中，位置反馈增益和速度反馈增益是如何确定的？
机器人单关节伺服控制中，位置反馈增益和速度反馈增益是通过实验和理论分析确定的。
六、计算题
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。
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{x0,y0}下的运动学方程。
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.
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 FA = [ fx 0 ]T 或 FB = [ 0fy ]T。求对应的驱动力 τA和 τB .
5. 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。
6. 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。
