機器人技術(shù)基礎(chǔ)[課后習題集答案]

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1、0.1 簡述工業(yè)機器人的定義，說明機器人的主要特征。 答：機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具、或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程動作來執(zhí)行種 種任務并具有編程能力的多功能機械手。 1.機器人的動作結(jié)構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能。 2.機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變。 3.機器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學習等。 4.機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預。 0.2工業(yè)機器人與數(shù)控機床有什么區(qū)別？ 答：1.機器人的運動為開式運動鏈而數(shù)控機床為閉式運動鏈；

2、 2.工業(yè)機器人一般具有多關(guān)節(jié)，數(shù)控機床一般無關(guān)節(jié)且均為直角坐標系統(tǒng)； 3.工業(yè)機器人是用于工業(yè)中各種作業(yè)的自動化機器而數(shù)控機床應用于冷加工。 4.機器人靈活性好，數(shù)控機床靈活性差。 0.5簡述下面幾個術(shù)語的含義：自有度、重復定位精度、工作圍、工作速度、承載能力。 答：自由度是機器人所具有的獨立坐標運動的數(shù)目，不包括手爪（末端執(zhí)行器）的開合自由度。 重復定位精度是關(guān)于精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，指機器人重復到達某一確定位置準確的概率， 是重復同一位置的圍，可以用各次不同位置平均值的偏差來表示。 工作圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合，也叫工作區(qū)域。

3、 工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的穩(wěn)定速度，也可以定義為 手臂末端最大的合成速度（通常在技術(shù)參數(shù)中加以說明）。 承載能力是指機器人在工作圍的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。 0.6什么叫冗余自由度機器人？ 答： 從運動學的觀點看，完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機器人稱為冗余自由度機器人。 0.7題0.7圖所示為二自由度平面關(guān)節(jié)型機器人機械手，圖中L1=2L2，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角圍是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,畫出該機械手的工作圍（畫圖時可以設(shè)L2=3cm）。 1.1 點矢量v為，相對參考系作如下齊次坐標變換：

4、 A= 寫出變換后點矢量v的表達式，并說明是什么性質(zhì)的變換，寫出旋轉(zhuǎn)算子Rot及平移算子Trans。 解：v，=Av== 屬于復合變換： 旋轉(zhuǎn)算子Rot（Z，30?）= 平移算子Trans（11.0，-3.0，9.0）= 1.2 有一旋轉(zhuǎn)變換，先繞固定坐標系Z0軸轉(zhuǎn)45?，再繞其X0軸轉(zhuǎn)30?，最后繞其Y0軸轉(zhuǎn)60?，試求該齊次坐標變換矩陣。 解：齊次坐標變換矩陣R=Rot(Y，60?）Rot（X，30?）Rot(Z，45?） == 1.3 坐標系{B}起初與固定坐標系{O}相重合，現(xiàn)坐標系{B}繞ZB旋轉(zhuǎn)30?，然后繞旋轉(zhuǎn)后的動坐標系的

5、XB軸旋轉(zhuǎn)45?，試寫出該坐標系{B}的起始矩陣表達式和最后矩陣表達式。 解：起始矩陣：B=O= 最后矩陣：B′=Rot(Z，30?）B Rot（X，45?）= 1.4 坐標系{A}及{B}在固定坐標系{O}中的矩陣表達式為 {A}= {B}= 畫出它們在{O}坐標系中的位置和姿勢； A=Trans（0.0，10.0，-20.0）Rot（X，30?）O B=Trans(-3.0，-3.0，3.0）Rot(X，30?）Rot（Z，30?）O 1.5 寫出齊次變換陣，它表示坐標系{B}連續(xù)相對固定坐標系{A}作以下變換： （1） 繞軸

6、旋轉(zhuǎn)90?。 （2） 繞軸旋轉(zhuǎn)-90?。 （3） 移動。 解：=Trans（3，7，9）Rot（X，-90?）Rot（Z，90?）=== 1.6 寫出齊次變換矩陣，它表示坐標系{B}連續(xù)相對自身運動坐標系{B}作以下變換： （1） 移動。 （2） 繞軸旋轉(zhuǎn)90?。. （3） 繞軸轉(zhuǎn)-90?。. =Trans（3，7，9）Rot（X，90?）Rot（Z，90?）= = 1.7 對于1.7圖（a）所示的兩個楔形物體，試用兩個變換序列分別表示兩個楔形物體的變換過程，使最后的狀態(tài)如題1.7圖（b)所示。 (a)

7、 (b) 解：A= B= A′=Trans(2，0，0）Rot（Z，90?）Rot（X，90?）Trans（0，-4，0）A= == B′=Rot（X，90?）Rot（Y，90?）Trans（0，-5，0）B= === 1.8 如題1.8圖所示的二自由度平面機械手，關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)變量為θ1；關(guān)節(jié)2為移動關(guān)節(jié)， 關(guān)節(jié)變量為d2。試： （1） 建立關(guān)節(jié)坐標系，并寫出該機械手的運動方程式。 （2） 按下列關(guān)節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的位置值。 θ1 0? 30?

8、 60? 90? d2/m 0.50 0.80 1.00 0.70 解：建立如圖所示的坐標系 參數(shù)和關(guān)節(jié)變量 連桿 θ α а d 1 θ1 0 0 0 2 0 0 d2 0 機械手的運動方程式： 當θ1=0?，d2=0.5時： 手部中心位置值 當θ1=30?，d2=0.8時 手部中心位置值 當θ1=60?，d2=1.0時 手部中心位置值 當θ1=90?，d2=0.7時 手部中心位置值 1.11 題1.11圖所示為一個二自由

9、度的機械手，兩連桿長度均為1m，試建立各桿件坐標系，求出，的變換矩陣。 解：建立如圖所示的坐標系 參數(shù)和關(guān)節(jié)變量 連桿 θ α а d 1 1 0 0 2 1 0 0 A1=Rot(Z, θ1) Trans(1,0,0) Rot(X, 0o)= A2= Rot(Z, -θ2)Trans(l, 0, 0)Rot(X, 90o) 1.13 有一臺如題1.13圖所示的三自由度機械手的機構(gòu)，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角正向均由箭頭所示方向指定，請標出各連桿的D-H坐標系，然后求各變換矩陣，，。 解：D-H坐標系的建立 按D-H方法建立各連桿坐標系

10、 參數(shù)和關(guān)節(jié)變量 連桿 a d 1 1 90? 0 + 2 2 0 0 3 3 0 0 = == 3.1 何謂軌跡規(guī)劃？簡述軌跡規(guī)劃的方法并說明其特點。 答：機器人的軌跡泛指工業(yè)機器人在運動過程中的運動軌跡，即運動點位移，速度和加速度。 軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個點，將其經(jīng)運動學反解映射到關(guān)節(jié)空間，對關(guān)節(jié)空間中的相應點建立運動方程，然后按這些運動方程對關(guān)節(jié)進行插值，從而實現(xiàn)作業(yè)空間的運動要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。 （1） 示教—再現(xiàn)運動。這種運動由人手把手示教機器人，定時記錄各關(guān)節(jié)變量，得到沿路徑運動時各關(guān)節(jié)的

11、位移時間函數(shù)q(t)；再現(xiàn)時，按存中記錄的各點的值產(chǎn)生序列動作。 （2） 關(guān)節(jié)空間運動。這種運動直接在關(guān)節(jié)空間里進行。由于動力學參數(shù)及其極限值直接在關(guān)節(jié)空間里描述，所以用這種方式求最短時間運動很方便。 （3） 空間直線運動。這是一種直角空間里的運動，它便于描述空間操作，計算量小，適宜簡單的作業(yè)。 （4） 空間曲線運動。這是一種在描述空間中用明確的函數(shù)表達的運動。 3.2 設(shè)一機器人具有6個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)運動均按三次多項式規(guī)劃，要求經(jīng)過兩個中間路徑點后停在一個目標位置。試問欲描述該機器人關(guān)節(jié)的運動，共需要多少個獨立的三次多項式?要確定這些三次多項式，需要多少個系數(shù)? 答：共需要3

12、個獨立的三次多項式； 需要72個系數(shù)。 3.3 單連桿機器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，從q = –5°靜止開始運動，要想在4 s使該關(guān)節(jié)平滑地運動到q =+80°的位置停止。試按下述要求確定運動軌跡： (1)關(guān)節(jié)運動依三次多項式插值方式規(guī)劃。 (2)關(guān)節(jié)運動按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃。 解：（1）采用三次多項式插值函數(shù)規(guī)劃其運動。已知代入可得系數(shù)為 運動軌跡： （2） 運動按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃： 根據(jù)題意，定出加速度的取值圍： 如果選，算出過渡時間， =[]=0.594s 計算過渡域終了時的關(guān)節(jié)位置和關(guān)節(jié)速度，得 = 4.1 機器

13、人本體主要包括哪幾部分？以關(guān)節(jié)型機器人為例說明機器人本體的基本結(jié)構(gòu)和主要特點。 答：機器人本體：(1)傳動部件 (2)機身及行走機構(gòu) (3)機身及行走機構(gòu)（4)腕部 (5)手部 基本結(jié)構(gòu)：機座結(jié)構(gòu)、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、大臂結(jié)構(gòu)、大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、小臂結(jié) 構(gòu)、小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、手腕結(jié)構(gòu)、手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、末端執(zhí)行器。 主要特點： (1) 一般可以簡化成各連桿首尾相接、末端無約束的開式連桿系，連桿系末端自由且無支承，這決定了機器人的結(jié)構(gòu)剛度不高，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。 (2) 開式連桿系中的每根連桿都具有獨立的驅(qū)動器，屬于主動連桿系，連桿的運動各自獨立，不同連桿的運動之間沒有

14、依從關(guān)系，運動靈活。 (3) 連桿驅(qū)動扭矩的瞬態(tài)過程在時域中的變化非常復雜，且和執(zhí)行器反饋信號有關(guān)。連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型，因而對機械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運動精度都有較高的要求。 (4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化 的，因此，極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。 4.2 如何選擇機器人本體的材料，常用的機器人本體材料有哪些？ 答：需滿足五點基本要求：1.強度大 2.彈性模量大 3.重量輕 4.阻尼小 5.材料經(jīng)濟性 常用材料：1.碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼 2.鋁、鋁合金及其他輕合金材料 3.纖維增強合金 4.瓷 5.纖

15、維增強復合材料 6.粘彈性大阻尼材料 4.3 何謂材料的E/r？為提高構(gòu)件剛度選用材料E/r大些還是小些好，為什么？ 答：即材料的彈性模量與密度的比值； 大些好，彈性模量E越大，變形量越小，剛度走越大；且密度r越小，構(gòu)件質(zhì)量越小，則構(gòu)件的慣性力越小，剛度越大。所以E/r大些好。 4.4 機身設(shè)計應注意哪些問題？ 答：(1) 剛度和強度大，穩(wěn)定性好。 (2) 運動靈活，導套不宜過短，避免卡死。 (3) 驅(qū)動方式適宜。 (4) 結(jié)構(gòu)布置合理。 4.5 何謂升降立柱下降不卡死條件？立柱導套為什么要有一定的長度？ 解：(1)當升降立柱的偏重力矩過大時，如果依

16、靠自重下降，立柱可能卡死在導套；當時立柱依靠自重下降就不會引起卡死現(xiàn)象。 （2）要使升降立柱在導套下降自由，臂部總重量W必須大于導套與立柱之間的摩擦力及，因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件為 即 式中：h為導套的長度(m)；f為導套與立柱之間的摩擦系數(shù)，f=0.015～0.1，一般取較大值；L為偏重力臂(m)。 4.9 機器人手爪有哪些種類，各有什么特點？ 答：1.機械手爪：依靠傳動機構(gòu)來抓持工件； 2.磁力吸盤：通過磁場吸力抓持鐵磁類工件，要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附，不適宜高溫條件； 3.真空式吸盤：利用真空原理來抓持工件，要求工件表

17、面平整光滑、干燥清潔，同時氣密性要好。 4.11 何謂自適應吸盤及異形吸盤？ 答：自適應吸盤：真空吸盤的一種新設(shè)計，增加了一個球關(guān)節(jié)，吸盤能傾斜自如，適應工件表面傾角的變化。 異形吸盤：真空吸盤的一種新設(shè)計，可以用于吸附雞蛋、錐頸瓶等非平整工件。 4.15 傳動件消隙常有哪幾種方法，各有什么特點？ 答：1) 消隙齒輪：相嚙合的兩齒輪中有一為兩個薄齒輪的組合件，能過兩個薄齒輪的組合來消隙； 2) 柔性齒輪消隙：對具有彈性的柔性齒輪加一預載力來保證無側(cè)隙嚙合； 3) 對稱傳動消隙：一個傳動系統(tǒng)設(shè)置兩個對稱的分支傳動，并且其中有一個具有回彈能力。 4) 偏心機構(gòu)消隙：當

18、有齒輪磨損等原因造成傳動間隙增加時，利用中心距調(diào)整機構(gòu)調(diào)整中心距。 5) 齒廓彈性覆層消隙：齒廓表面覆有薄薄一層彈性很好的橡膠層或?qū)訅翰牧?，通過對相嚙合的一對齒輪加以預載，來完全消除嚙合側(cè)隙。 4.16 簡述機器人行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點。 答：基本形式：固定軌跡式和無固定軌跡式（步行式、輪式和履帶式） 固定軌跡式：機身底座安裝在一個可移動的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動，整個機器人沿絲杠縱向移動。 無固定軌跡式：在行走過程中，步行式為間斷接觸，輪式和履帶式與地面為連續(xù) 接觸；前者為類人(或動物)的腿腳式，后兩者的形態(tài)為運行車式。運行車式行走機構(gòu)用得比較多，多用于野外作業(yè)，比較

19、成熟。步行式行走機構(gòu)正在發(fā)展和完善中。 6.1 試述機器人示教編程的過程及特點。 答：過程：操作者根據(jù)機器人作業(yè)的需要把機器人末端執(zhí)行器送到目標位置，且處于相應的姿態(tài)，然后把這一位置、姿態(tài)所對應的關(guān)節(jié)角度信息記錄到存儲器保存。對機器人作業(yè)空間的各點重復以上操作，就把整個作業(yè)過程記錄下來，再通過適當?shù)能浖到y(tǒng)，自動生成整個作業(yè)過程的程序代碼。 優(yōu)點：操作簡單，易于掌握，操作者不需要具備專門知識，不需復雜的裝置和設(shè)備，軌跡修改方便，再現(xiàn)過程快。 缺點：(1) 示教相對于再現(xiàn)所需的時間較長； (2) 很難示教復雜的運動軌跡及準確度要求高的直線； (3) 示教軌跡的重復性差； (

20、4) 無法接受傳感器信息； (5) 難以與其他操作或其他機器人操作同步。 6.2 試舉例說明MOTOMAN UP6機器人焊接作業(yè)時的示教編程過程。 答：S1.通過示教盒使機器人處于示教狀態(tài)； S2.創(chuàng)建新的示教程序，用軸操作鍵將機器人依次移動到準備位置、可作業(yè)姿態(tài)、作業(yè)開始位置、作業(yè)結(jié)束位置等位置并輸入相應的插補方式及相應的操作命令； S3.示教軌跡的確認。 6.3 按機器人作業(yè)水平的程度分，機器人編程語言有哪幾種？各有什么特點？ 答：1.動作級編程語言：優(yōu)點：比較簡單，編程容易。 缺點：功能有限，無法進行繁復的數(shù)學運算，不接受浮點數(shù)和字符串，子程序不含

21、有自變量；不能接受復雜的傳感器信息，只能接受傳感器開關(guān)信息；與計算機的通信能力很差。 2.對象級編程語言：(1) 具有動作級編程語言的全部動作功能； (2) 有較強的感知能力； (3) 具有良好的開放性； (4) 數(shù)字計算和數(shù)據(jù)處理能力強； 3.任務級編程語言：結(jié)構(gòu)十分復雜，需要人工智能的理論基礎(chǔ)和大型知識庫、數(shù)據(jù)庫的支持。 6.7 機器人離線編程的特點及功能是什么？ 答：特點：在不接觸實際機器人及機器人作業(yè)環(huán)境的情況下，通過圖形技術(shù)，在計算機上提供一個和機器人進行交互作用的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。 功能：利用機器人圖形學的成果，建立起機器人及其作業(yè)環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)劃算法，

22、通過對圖形的操作和控制，在離線的情況下進行軌跡規(guī)劃。 6.8 MOTOMAN UP6型機器人仿真軟件有哪些主要功能？ 答：編輯、仿真、檢測和示教。 7.1 機器人的工業(yè)應用可分為哪四個方面？ 答：材料加工、零件制造、產(chǎn)品檢驗和裝配。 7.3 完整的焊接機器人系統(tǒng)一般由哪幾個部分組成？ 答：機器人操作機、變位機、控制器、焊接系統(tǒng)、焊接傳感器、中央控制計算機和相應的安 全設(shè)備等。 7.4 簡述變位機在焊接生產(chǎn)線或焊接柔性加工單元中的作用。 答：將被焊工件旋轉(zhuǎn)(平移)到最佳的焊接位置。 7.5 簡述焊接機器人按用途、結(jié)構(gòu)、受控方式及驅(qū)動方法等進行分類的情況。 答：按用途：弧焊和點焊； 按結(jié)構(gòu)：關(guān)節(jié)型和非關(guān)節(jié)型 按受控方式：點位控制和連續(xù)軌跡控制 7.6 弧焊機器人工作站按功能和復雜程度的不同可分為哪幾種。 答：①.無變位機的普通弧焊機器人工作站；②.不同變位機與弧焊機器人組合的工作站；③.弧焊機器人與周邊設(shè)備協(xié)調(diào)運動的工作站。 7.7 自動搬運工作站由哪些部分組成？ 答：組成：搬運機器人和周邊設(shè)備（工件自動識別裝置、自動啟動及自動傳輸裝置等）。 7.12 機器人裝配作業(yè)的主要操作過程是什么？ 答：垂直向上抓起零部件，水平移動它，然后垂直放下插入。