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机器人参考答案

0.1简述工业机器人的立义，说明机器人的主要特征。

答：

机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装程，通过可编程动作来执行种

种任务并具有编程能力的多功能机械手。

1.机器人的动作结构具有类似于人或英他生物体某些器官（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的干预。

0.2工业机器人与数控机床有什么区别？

答：

1•机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链：

2-工业机器人一般具有多尖节，数控机床一般无尖节且均为直角坐标系统：

3.工业机器人是用于工业中务种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。

4.机器人灵活性好，数控机床灵活性差。

0.5简述下面几个术语的含义：

自有度、重复左位精度、工作范围、工作速度、承载能力。

答：

自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。

重复立位精度是矢于精度的统汁数据，指机器人重复到达某一确定位置准确的概率，

是重复同一位苣的范用，可以用各次不同位程平均值的偏差来表示。

工作范用是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。

工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳左速度，也可以泄义为

手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。

承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。

0.6什么叫冗余自由度机器人？

答：

从运动学的观点看，完成某一特怎作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。

3.1何谓轨迹规划？

简述轨迹规划的方法并说明其特点。

答：

机器人的轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点位移，速度和加速度。

轨迹的生成一般是先给左轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到尖节空间，对尖节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对尖节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。

（1）示教一再现运动。

这种运动由人手把手示教机器人，立时记录各尖节变量，得到沿路径运动时各尖节的位移时间函数q（t）:

再现时，按内存中记录的各点的值产生序列动作。

（2）尖肖空间运动。

这种运动直接在尖节空间里进行。

由于动力学参数及英极限值直接在矢节空间里描述，所以用这种方式求最短时间运动很方便。

（3）空间直线运动。

这是一种直角空间里的运动，它便于描述空间操作，计算量小，适宜简单的作业。

（4）空间曲线运动。

这是一种在描述空间中用明确的函数表达的运动。

3.2设一机器人具有6个转动尖节，其尖节运动均按三次多项式规划，要求经过两个中间路径点后停在一个目标位垃。

试问欲描述该机器人尖节的运动，共需要多少个独立的三次多项式?

要确定这些三次多项式，需要多少个系数？

答：

共需要3个独立的三次多项式：

需要72个系数。

3.3单连杆机器人的转动尖节，从q=-5＞止开始运动，要想在4s内使该尖节平滑地运动到q=+80。

的位麗停止。

试按下述要求确定运动轨迹：

（D尖节运动依三次多项式插值方式规划。

（2）尖节运动按抛物线过渡的线性插值方式规划。

解：

（1）采用三次多项式插值函数规划苴运动。

已知仇二_5。

耳=80。

/严4$,代入可得系数为

=—5,同=0,a2=15-94,他=—2.66

运动轨迹：

（2）运动按抛物线过渡的线性插值方式规划：

根据题意，定岀加速度的取值范用：

如果选&=42%?

]=O.594s

r4^/422x42-4x42x85flI=I22x42

计算过渡域终了时的尖节位置為和尖节速度q,得

2严一5。

+（丄x42x0.5942）°=2.4°

4.1机濡人本体主要包括哪几部分？

以尖节型机器人为例说明机器人本体的基本结构和主要特点。

答：

机器人本体：

（1）传动部件⑵机身及行走机构

（3）机身及行走机构（4）腕部（5）手部

基本结构：

机座结构、腰部尖节转动装置、大臂结构、大臂尖节转动装置、小皆结构、小臂尖节转动装置、手腕结构、手腕尖节转动装置、末端执行器。

主要特点：

（D一般可以简化成齐连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系，连杆系末端自由且无支承，这决泄了机器人的结构刚度不高，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。

（2）开式连杆系中的每根连杆都具有独立的驱动器，属于主动连杆系，

连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从尖系，运动灵活。

（3）连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常复杂，且和执行器反

馈信号有尖。

连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。

（4）连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化

的，因此，极容易发生振动或出现其他不稳立现象。

4.2如何选择机器人本体的材料，常用的机器人本体材料有哪些？

答：

需满足五点基本要求：

1・强度大2.弹性模量大3・重量轻4.阻尼小5.材料经济性

常用材料：

1•碳素结构钢和合金钢2.铝、铝合金及其他轻合金材料3・纤维增强合金

4•陶瓷5・纤维增强复合材料6•粘弹性大阻尼材料

4.3何谓材料的£///?

为提高构件刚度选用材料E/p大些还是小些好，为什么？

答：

即材料的弹性模量与密度的比值；

大些好，弹性模量E越大，变形量越小，刚度走越大；且密度p越小，构件质量越小，则构件的惯性力越小，刚度越大。

所以巳p大些好。

4.4机身设计应注意哪些问题？

答：

（1）刚度和强度大，稳定性好。

（2）运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。

（3）驱动方式适宜。

（4）结构布置合理。

4.5何谓升降立柱下降不卡死条件？

立柱导套为什么要有一定的长度？

解：

（1）当升降立柱的偏重力矩过大时，如果依靠自重下降，立柱可能卡死在导套内：

当/7>2/L时立柱依靠自重下降就不会引起卡死现象。

（2）要使升降立柱在导套内下降自由，臂部总重戢W必须大于导套与立柱之间的摩擦力尸二及几“2,

因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的条件为

即

式中：

力为导套的长度（m）;/为导套与立柱之间的摩擦系数，>0.015〜0.1,—般取较大值：

厶为偏重力臂

（m）。

4.9机器人手爪有哪些种类，各有什么特点？

答：

1•机械手爪：

依靠传动机构来抓持工件：

2•磁力吸盘：

通过磁场吸力抓持铁磁类工件，要求工件表而淸洁、平整、干燥，以保证可靠地吸附，不适宜髙温条件：

3•貞•空式吸盘：

利用真空原理来抓持工件，要求工件表面平整光滑、干燥淸洁，同时气密性要好。

4.11何谓自适应吸盘及异形吸盘？

答：

自适应吸盘：

真空吸盘的一种新设汁，增加了一个球尖节，吸盘能倾斜自如，适应工件表而倾角的变化。

异形吸盘：

真空吸盘的一种新设计，可以用于吸附鸡蛋、锥颈瓶等非平整工件。

4.15传动件消隙常有哪几种方法，各有什么特点？

答：

1）消隙齿轮：

相啮合的两齿轮中有一为两个薄齿轮的组合件，能过两个薄齿轮的组合来消隙；

2）柔性齿轮消隙：

对具有弹性的柔性齿轮加一预载力来保证无侧隙啮合；

3）对称传动消隙：

一个传动系统设置两个对称的分支传动，并且其中有一个具有回弹能力。

4）偏心机构消隙：

当有齿轮磨损等原因造成传动间隙增加时，利用中心距调整机构调整中心距。

5）齿解弹性覆层消隙：

齿廉表而覆有薄薄一层弹性很好的橡胶层或层压材料，通过对相啮合的一对齿

轮加以预载，来完全消除啮合側隙。

4.16简述机器人行走机构结构的基本形式和特点。

答：

基本形式：

固定轨迹式和无固泄轨迹式（步行式、轮式和履带式）

固泄轨迹式：

机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠线杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。

无固泄轨迹式：

在行走过程中，步行式为间断接触，轮式和履带式与地面为连续

接触：

前者为类人（或动物）的腿脚式，后两者的形态为运行车式。

运行车式行走机构用得比较多，多用于野外作业，比较成熟。

步行式行走机构正在发展和完善中。

6.1试述机器人示教编程的过程及特点。

答：

过程：

操作者根据机器人作业的需要把机器人末端执行器送到目标位亂且处于相应的姿态，然后把这一位置、姿态所对应的尖节角度信息记录到存储器保存。

对机器人作业空间的各点重复以上操作，就把整个作业过程记录下来，再通过适当的软件系统，自动生成整个作业过程的程序代码。

优点：

操作简单，易于掌握，操作者不需要具备专门知识，不需复杂的装置和设备，轨迹修改方便，再现过程快。

缺点：

（1）示教相对于再现所需的时间较长：

（2）很难示教复杂的运动轨迹及准确度要求高的直线：

（3）示教轨迹的重复性差：

（4）无法接受传感器信息；

（5）难以与其他操作或其他机器人操作同步。

6.2试举例说明MOTOMANUP6机器人焊接作业时的示教编程过程。

答：

S1.通过示教盒使机器人处于示教状态；

S2•创建新的示教程序，用轴操作键将机器人依次移动到准备位垃、可作业姿态、作业开始位置、作业结束位置等位置并输入相应的插补方式及相应的操作命令；

S3.示教轨迹的确认。

6.3按机器人作业水平的程度分，机器人编程语言有哪几种？

各有什么特点？

答：

1.动作级编程语言：

优点：

比较简单，编程容易。

缺虫：

功能有限，无法进行繁复的数学运算，不接受浮点数和字符串，子程序不含有自变量；不能接受复杂的传感器信息，只能接受传感器开尖信息：

与计算机的通信能力很差。

2•对象级编程语言：

（1）具有动作级编程语言的全部动作功能；

（2）有较强的感知能力；

（3）具有良好的开放性；

（4）数字计算和数据处理能力强：

3•任务级编程语言：

结构十分复杂，需要人工智能的理论基础和大型知识库、数据库的支持。

6.7机器人离线编程的特点及功能是什么？

答：

特点：

在不接触实际机器人及机器人作业环境的情况下，通过图形技术，在讣算机上提供一个和机器人进行交互作用的虚拟现实环境。

功能：

利用机器人图形学的成果，建立起机器人及其作业环境的模型，再利用一些规划算法，通过对图形的操作和控制，在离线的情况下进行轨迹规划。

6.8MOTOMANUP6型机器人仿真软件有哪些主要功能？

答：

编辑、仿真、检测和示教。

7.1机器人的工业应用可分为哪四个方而？

答：

材料加工、零件制造、产品检验和装配。

7.3完整的焊接机器人系统一般由哪几个部分组成？

答：

机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等。

7.4简述变位机在焊接生产线或焊接柔性加工单元中的作用。

答：

将被焊工件旋转（平移）到最佳的焊接位垃。

7.5简述焊接机器人按用途、结构、受控方式及驱动方法等进行分类的情况。

答：

按用途：

弧焊和点焊；按结构：

尖节型和非尖节型

按受控方式：

点位控制和连续轨迹控制

7.6弧焊机器人工作站按功能和复杂程度的不同可分为哪几种。

答：

①•无变位机的普通弧焊机器人工作站：

②•不同变位机与弧焊机器人组合的工作站：

③・弧焊机器人与周边设备协调运动的工作站。

7.7自动搬运工作站由哪些部分组成？

答：

组成：

搬运机器人和周边设备（工件自动识别装苣、自动启动及自动传输装置等）。

7.12机器人装配作业的主要操作过程是什么？

答：

垂直向上抓起零部件，水平移动它，然后垂直放下插入。

0.7题0.7图所示为二自由度平而尖节型机器人机械手，图中L1二2L2,矢节的转角范囤是001W180

二相对参考系作如下齐次坐标变换:

写出变换后点矢量、•的表达式，并说明是什么性质的变换，写出旋转算子Rol及平移算子Transg

属于复合变换:

坐标变换矩阵°

■0.5

0.866

■

0.707

-0.707

0.866

-0.5

0.707

-0.866

0.5

0.866

0.660-0.0470.7500

0.6120.612-0.50

-0.436一0.4360.4330

1.3坐标系｛B｝起初与固左坐标系｛0｝相重合，现坐标系｛B｝绕ZB旋转3区然后绕旋转后的动坐标系的

XB轴旋转4咒试写出该坐标系｛B｝的起始矩阵表达式和最后矩阵表达式。

01°

001

0.866-0.3530

0.50.612-0.6120

BRot（X,4£）

00.7070.707

1.4坐标系｛A｝及｛B｝在固泄坐标系｛0｝中的矩阵表达式为

4.000

0.000

0.0-

{A}

0.000

0.866

-0.500

10.0

0.000

0.500

0.866

■20.0

r0.866

-0.500

0.000

-3.0

{B}

0.433

0.750

・0.500

-3.0

0.250

0.433

0.866

3.0

画出它们在{0}坐标系中的位置和姿势；

A=Trans（0.0,10.0,-20.0）Rot（X,3（f）0

B=Tr

ans（-3-0,•3.0,3.0）Rot（X,30）Rot（Z,30）0

｛A｝作以下变换：

1.5写出齐次变换阵；H,它表示坐标系（B｝连续相对固左坐标系

（1）绕乙轴旋转9伉

⑵绕X,（轴旋转・9亿

（3）移动［379『。

-0

■1

”1

03-

-0

-1

■1

解：

H=Trans（3,

7,9）Rot

（X,・9CT）Rot

1.6写出齐次变换矩阵,它表示坐标系｛B｝连续相对自身运动坐标系｛B｝作以下变换:

（1）移动［379『。

⑵绕X&轴旋转9克.

⑶绕ZB轴转・9亿・

=Traiis（3,7,9）Rot（X,905）Rot（乙90）=

1003*

400o*

”010o*

0107

00-10

-1000

0019

0100

0010

0001

0100

00-17

-1000

0-17

0010

-10

0001

1.7对于1.7图（a）所示的两个楔形物体，试用两个变换序列分别表示两个楔形物体的变换过程，使最后的状态如题1.7图（b）所示。

（b）

・1

-1

-f

■1

-1

-f

1■

解：

1.8如题1.8图所示的二自由度平面机械手，尖节1为转动尖节，尖节变量为（）讥尖节2为移动尖节，尖节变量为

&。

试：

（1）建立尖节坐标系，并写岀该机械手的运动方程式。

（2）按下列尖节变量参数求岀手部中心的位置值。

3CT

6CZ

9（f

d：

0.50

0.SO

1.00

0.70

如图

所示的坐标系参数和尖节变量

连杆

（）

机械手的运动方程式：

当

Oi=a,dm5时:

0.5n

手部中心位置值3二

当0i=3（y,d:

=0.8时

0.86645

0.433*

0.5

0.866

0.4

手部中心位置值

当01=6CP,d:

=L0时

0.5

0.866

-0.866

0.5

0.51

0.866

手部中心位置值3=

当01=9CT,d:

=0.7时

-1

0.7

手部中心位置值

1.11题1.11图所示为一个二自由度的机械手，两连杆长度均为Im,试建立各杆件坐标系，求出A,A2的变换矩阵。

解：

建立如图所示的坐标系

参数和尖节变量

3呂

Ai=Rot（Z.0i）Trans（IAO）Rot（X,O°）=；

连杆

（）

sO.0sO.0

cO.0-cO.0£=Rot（乙-Oz）Trans（L（X0）Rot（X.90°）=

0000

1.13有一台如题1・13图所示的三自由度机械手的机构「各矢节转角正向均由箭头所示方向指立、请标

出各连杆的D-H坐标系，然后求各变换矩阵晋。

解：

D・H坐标系的建立按D・H方法建立各连杆坐标系参数和尖节变量

连杆

ver

（）

厶+厶2

（）

sin©

CO昭一0SA

sii©°

0°

co足

厶

CO足

kog

_sinA

ZAcosA

sinA

co吆

厶

sinA

血二

sin@

cog

厶sii吸

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