機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)

1、簡(jiǎn)述工業(yè)機(jī)器人的定義，說明機(jī)器人的主要特征。答：機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具、或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程動(dòng)作來執(zhí)行種 種任務(wù)并具有編程能力的多功能機(jī)械手。1. 機(jī)器人的動(dòng)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(jī)器人具有通用性，工作種類多樣，動(dòng)作程序靈活易變。3. 機(jī)器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等。4. 機(jī)器人具有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。 工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床有什么區(qū)別？答：1. 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)為開式運(yùn)動(dòng)鏈而數(shù)控機(jī)床為閉式運(yùn)動(dòng)鏈；2. 工業(yè)機(jī)器人一般具有多關(guān)節(jié)，數(shù)控機(jī)床一般無關(guān)節(jié)且均為直角坐標(biāo)系統(tǒng)；3.

2、 工業(yè)機(jī)器人是用于工業(yè)中各種作業(yè)的自動(dòng)化機(jī)器而數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于冷加工。4. 機(jī)器人靈活性好，數(shù)控機(jī)床靈活性差。簡(jiǎn)述下面幾個(gè)術(shù)語的含義：自有度、重復(fù)定位精度、工作范圍、工作速度、承載能力。 答：自由度是機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包括手爪（末端執(zhí)行器）的開合自由 度。重復(fù)定位精度是關(guān)于精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一確定位置準(zhǔn)確的概率， 是重復(fù)同一位置的范圍，可以用各次不同位置平均值的偏差來表示。工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也叫工作區(qū)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

3、以說明） 。承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。什么叫冗余自由度機(jī)器人？答： 從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，完成某一特定作業(yè)時(shí)具有多余自由度的機(jī)器人稱 為冗余自由度機(jī)器人。題圖所示為二自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手，圖中L1=2L2，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍是 01 180 ,-90 0 2 180 ,畫出該機(jī)械手的工作范圍（畫圖時(shí)可以設(shè)L2=3cm）。點(diǎn)矢量 v 為 10.00 20.0030.00 T相對(duì)參考系作如下齊次坐標(biāo)變換：A=寫出變換后點(diǎn)矢量 vTrans 。0.8660.5000.000的表達(dá)式，0.5000.8660.0000.0000.0001.00011.03.09.0并

4、說明是什么性質(zhì)的變換，寫出旋轉(zhuǎn)算子Rot 及平移算子0.8660.5000.00011.010.009.660.5000.8660.0003.020.0019.320.0000.0001.0009.030.00= 39000111解： v =Av=屬于復(fù)合變換：0.8660.5旋轉(zhuǎn)算子 Rot（ Z，30?)0.50.86611.0平移算子 Trans（, ,）= 003.09.0Z0軸轉(zhuǎn)45?,再繞其X0軸轉(zhuǎn)30?,最后繞其 Yo軸轉(zhuǎn)60?,0.500.866010000.7070.70700010000.8660.500.7070.707000.866 00.5000.50.8660001

5、00001000100010.6600.0470.75000.6120.6120.500.4360.4360.43300001有一旋轉(zhuǎn)變換, 先繞固定坐標(biāo)系 試求該齊次坐標(biāo)變換矩陣。解 ：齊 次 坐標(biāo) 變換 矩陣 R=Rot(Y , 60? ) Rot( X,30? ) Rot(Z ,45? )坐標(biāo)系B起初與固定坐標(biāo)系0相重合，現(xiàn)坐標(biāo)系B繞Zb旋轉(zhuǎn)30?,然后繞旋轉(zhuǎn)后的 動(dòng)坐標(biāo)系的Xb軸旋轉(zhuǎn)45?，試寫出該坐標(biāo)系B的起始矩陣表達(dá)式和最后矩陣表達(dá)式。10000100解：起始矩陣： B=O=0010BAH ，它表示坐標(biāo)系 B 連續(xù)相對(duì)固定坐標(biāo)系 A 作以下變換：00010.8660.35300最后

6、矩陣：B =Rot(Z , 30?) B Rot (X, 45?)= 0.50.6120.6120=00.7070.70700001坐標(biāo)系A(chǔ)及B在固定坐標(biāo)系0中的矩陣表達(dá)式為1.0000.0000.0000.00.0000.8660.50010.0A=0.0000.5000.86620.000010.8660.500 0.0003.00.4330.7500.5003.0B=0.2500.4330.8663.00001畫出它們?cè)?0 坐標(biāo)系中的位置和姿勢(shì)；A=Trans (， ， ) Rot (X，30?)0B=Trans ，) Rot(X ， 30?) Rot(Z， 30?)0寫出齊次變換陣1

7、)繞 ZA 軸旋轉(zhuǎn) 90?。(2) 繞Xa軸旋轉(zhuǎn)-9 0?。3)移動(dòng) 3 7 9 T 。解：BAH=Trans(37，9)10031000010107001010=00190100000001000100Rot(X ，-90?)Rot(Z，90?)0010030100000017100010=0109001001000100010 1 0 30 0 1 71 0 0 90 0 0 1寫出齊次變換矩陣 BBH ，它表示坐標(biāo)系 B 連續(xù)相對(duì)自身運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系 B 作以下變換：1）移動(dòng) 3 7 9（2）繞Xb軸旋轉(zhuǎn)90?。3）繞 ZB 軸轉(zhuǎn) -9 0?。BBBH =Trans (3，7，9) Rot(X

8、，90?)Rot (Z，90?)=1 0 0 3 10107000190000101 0 0 30 0 1 70 1 0 90 0 0 10000 0 1 0 1 1000 00100 1 0 010000 0 1 00 0 0 11000000100010103 0 0 1 7 1 0 0 9 0001(a)(b)111111111111解：004400559955A=000022B=000022111111111111A=Trans(200)Rot（ Z ，90?)Rot ( X ，90?)Trans ( 0 ， -4 ， 0 ) A=100201001000100001001000001

9、0010400100010010000100001000100010001對(duì)于圖（a）所示的兩個(gè)楔形物體, 使最后的狀態(tài)如題圖（ b） 所示。試用兩個(gè)變換序列分別表示兩個(gè)楔形物體的變換過程，1111110012111111004400_ 1000004400 =00002201040000221111110001111111222200111111440044111111B=Rot（X，90?1 )Rot ( Y90?）Trans（0，-50 ) B=1 0 0 0 00101000010010001001001000001000100010000 0 1 0 1 0 0 0 1 110000

10、1055501000010000001000111011111155599550000022111111111110010995510000022010511110001111115599 5510 0 0 0 2 21 1 11110 04 4 0 0111111如題圖所示的二自由度平面機(jī)械手，關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)變量為B 1；關(guān)節(jié)2為移動(dòng)關(guān)節(jié)， 關(guān)節(jié)變量為d2。試：（1 ）建立關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，并寫出該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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。0 10?30?6 0?90?d 2/m解：建立如圖所示的坐標(biāo)系 參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿0aad10 1000200d20C 1S

11、100100d：S 1C 1000100A Rot( Z, 1)A2 Tran s(d2,0,0)0000001000010001機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程式:當(dāng) B i=0?, d2=時(shí):手部中心位置值B1000.50 10 000000001當(dāng)B 1=30?, d2=時(shí)手部中心位置值0.8660.500.4330.50.86600.400000001當(dāng)B 1=60?, d2=時(shí)手部中心位置值B當(dāng)B 1=90?, d2=時(shí)手部中心位置值B0.50.86600.50.8660.500.866000000010 10 01000.700000001題圖所示為一個(gè)二自由度的機(jī)械手,兩連桿長(zhǎng)度均為1m試建立各

12、桿件坐標(biāo)系， 求出A，A的變換矩陣。解：建立如圖所示的坐標(biāo)系 參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿0aad1110022100A=Rot(Z, 0 1)Trans(1,0,0) Rot(X, 0 o )=A2= Rot( Z - 0 2)Trans(l, 0, 0)Rot(X, 90 o )有一臺(tái)如題圖所示的三自由度機(jī)械手的機(jī)構(gòu)，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角正向均由箭頭所示方向指定，請(qǐng)標(biāo)出各連桿的D-H坐標(biāo)系，然后求各變換矩陣A, , A2 , A3。解：D-H坐標(biāo)系的建立按D-H方法建立各連桿坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿ad1190?0L1 + L2220L30330L40A =A2 = A3 =何謂軌跡規(guī)劃？簡(jiǎn)述軌跡規(guī)劃的方法并

13、說明其特點(diǎn)。答：機(jī)器人的軌跡泛指工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，即運(yùn)動(dòng)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)，將其經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對(duì)關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)點(diǎn)建立運(yùn)動(dòng)方程，然后按這些運(yùn)動(dòng)方程對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間的運(yùn)動(dòng)要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。（1 ）示教一再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)由人手把手示教機(jī)器人，定時(shí)記錄各關(guān)節(jié)變量，得到沿路 徑運(yùn)動(dòng)時(shí)各關(guān)節(jié)的位移時(shí)間函數(shù)q（t）;再現(xiàn)時(shí)，按內(nèi)存中記錄的各點(diǎn)的值產(chǎn)生序列動(dòng)作。（2）關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)直接在關(guān)節(jié)空間里進(jìn)行。由于動(dòng)力學(xué)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(shí)間運(yùn)動(dòng)很方便。（3）空間直

14、線運(yùn)動(dòng)。這是一種直角空間里的運(yùn)動(dòng)，它便于描述空間操作，計(jì)算量小，適宜 簡(jiǎn)單的作業(yè)。（4）空間曲線運(yùn)動(dòng)。這是一種在描述空間中用明確的函數(shù)表達(dá)的運(yùn)動(dòng)。設(shè)一機(jī)器人具有 6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)均按三次多項(xiàng)式規(guī)劃，要求經(jīng)過兩個(gè)中間路徑 點(diǎn)后停在一個(gè)目標(biāo)位置。試問欲描述該機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，共需要多少個(gè)獨(dú)立的三次多項(xiàng)式 要確定這些三次多項(xiàng)式，需要多少個(gè)系數(shù)？答：共需要3個(gè)獨(dú)立的三次多項(xiàng)式；需要72個(gè)系數(shù)。單連桿機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，從q = - 5靜止開始運(yùn)動(dòng)，要想在4 s內(nèi)使該關(guān)節(jié)平滑地運(yùn)動(dòng)到q =+80 的位置停止。試按下述要求確定運(yùn)動(dòng)軌跡：（1）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)依三次多項(xiàng)式插值方式規(guī)劃。（2）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)按拋物線過

15、渡的線性插值方式規(guī)劃。解：（1 ）采用三次多項(xiàng)式插值函數(shù)規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)。已知05, f 80,tf 4s,代入可得系數(shù)為 a05, a1 0, a2 15.94, a32.66運(yùn)動(dòng)軌跡:t 5 15.94t2 2.66t3?t 31.88t 7.9 8t2?t 31.88 15.96t(2)運(yùn)動(dòng)按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃:05 , f 80 ,tf 4s,根據(jù)題意，定出加速度的取值范圍：?佯 21.25 s216?如果選42 s2 ，算出過渡時(shí)間ta1，ta1=2422 424 42 85=2 42計(jì)算過渡域終了時(shí)的關(guān)節(jié)位置al和關(guān)節(jié)速度1，得ai= 5 (丄 42 0.5942)22.4?

16、?24.95 s11ta1 (42 0.594s) s機(jī)器人本體主要包括哪幾部分？以關(guān)節(jié)型機(jī)器人為例說明機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)。答：機(jī)器人本體：(1)傳動(dòng)部件(2)機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)(3)機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)(4)腕部(5)手部 基本結(jié)構(gòu)：機(jī)座結(jié)構(gòu)、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、大臂結(jié)構(gòu)、大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、小臂結(jié)構(gòu)、小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、手腕結(jié)構(gòu)、手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、末端執(zhí)行器。主要特點(diǎn)：(1) 一般可以簡(jiǎn)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(jī)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(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，屬于主動(dòng)連桿系，連桿的運(yùn)動(dòng)各

17、自獨(dú)立，不同連桿的運(yùn)動(dòng)之間沒有依從關(guān)系，運(yùn)動(dòng)靈活。(3) 連桿驅(qū)動(dòng)扭矩的瞬態(tài)過程在時(shí)域中的變化非常復(fù)雜，且和執(zhí)行器反饋信號(hào)有關(guān)。連桿的驅(qū)動(dòng)屬于伺服控制型，因而對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。如何選擇機(jī)器人本體的材料，常用的機(jī)器人本體材料有哪些?答：需滿足五點(diǎn)基本要求：1.強(qiáng)度大2.彈性模量大 3.重量輕4.阻尼小5.材料經(jīng)濟(jì)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(qiáng)合金4.陶瓷5.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料6.粘彈性大阻尼材料何謂材料的 曰

18、？為提高構(gòu)件剛度選用材料 日 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；且密度越小，構(gòu)件質(zhì)量越小,貝肪勾件的慣性力越小，剛度越大。所以曰大些好。（2）運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死。（4）結(jié)構(gòu)布置合理。機(jī)身設(shè)計(jì)應(yīng)注意哪些問題？答：（1）剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。（3）驅(qū)動(dòng)方式適宜。何謂升降立柱下降不卡死條件？立柱導(dǎo)套為什么要有一定的長(zhǎng)度？ 解：（1）當(dāng)升降立柱的偏重力矩過大時(shí)，如果依靠自重下降，立柱可能卡死在導(dǎo)套內(nèi)；當(dāng)h 2fL時(shí)立柱依靠自重下降就不會(huì)引起卡死現(xiàn)象。（2）要使升降立柱在導(dǎo)套內(nèi)下降自由，臂部總重量W必須大于導(dǎo)套與

19、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(dǎo)套的長(zhǎng)度（m）; f為導(dǎo)套與立柱之間的摩擦系數(shù)，f=，一般取較大值；L為偏重力臂（m）。機(jī)器人手爪有哪些種類，各有什么特點(diǎn)？答：1.機(jī)械手爪：依靠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來抓持工件；2. 磁力吸盤：通過磁場(chǎng)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，要求工件表面平整光滑、干燥清潔，同時(shí)氣 密性要好。何謂自適應(yīng)吸盤及異形吸盤？答：自適應(yīng)吸盤：真空吸盤的一種新設(shè)計(jì)，增加了一個(gè)球關(guān)節(jié)，吸盤能傾斜自如，適應(yīng)工件 表面傾角的變化。異形吸盤：真空吸盤的一種新設(shè)計(jì)

20、，可以用于吸附雞蛋、錐頸瓶等非平整工件。傳動(dòng)件消隙常有哪幾種方法，各有什么特點(diǎn)？答：1）消隙齒輪：相嚙合的兩齒輪中有一為兩個(gè)薄齒輪的組合件，能過兩個(gè)薄齒輪的組合 來消隙；2）柔性齒輪消隙：對(duì)具有彈性的柔性齒輪加一預(yù)載力來保證無側(cè)隙嚙合；3）對(duì)稱傳動(dòng)消隙：一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)對(duì)稱的分支傳動(dòng)，并且其中有一個(gè)具有回彈 能力。4）偏心機(jī)構(gòu)消隙：當(dāng)有齒輪磨損等原因造成傳動(dòng)間隙增加時(shí)，利用中心距調(diào)整機(jī)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(duì)相嚙合的一對(duì)齒輪加以預(yù)載，來完全消除嚙合側(cè)隙。簡(jiǎn)述機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)。答： 基本形式： 固定軌跡式和無

21、固定軌跡式(步行式、輪式和履帶式)固定軌跡式 ：機(jī)身底座安裝在一個(gè)可移動(dòng)的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)， 整個(gè)機(jī)器人沿絲杠縱向移動(dòng)。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(dòng)物)的腿腳式， 后兩者的形態(tài)為運(yùn)行車式。 運(yùn)行車式行走機(jī)構(gòu)用得比 較多，多用于野外作業(yè)，比較成熟。步行式行走機(jī)構(gòu)正在發(fā)展和完善中。試述機(jī)器人示教編程的過程及特點(diǎn)。答：過程： 操作者根據(jù)機(jī)器人作業(yè)的需要把機(jī)器人末端執(zhí)行器送到目標(biāo)位置，且處于相應(yīng)的姿態(tài)， 然后把這一位置、 姿態(tài)所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度信息記錄到存儲(chǔ)器保存。 對(duì)機(jī)器 人作業(yè)空間的各點(diǎn)重復(fù)以上操作， 就把整個(gè)作業(yè)過程記錄下

22、來， 再通過適當(dāng)?shù)能?件系統(tǒng)，自動(dòng)生成整個(gè)作業(yè)過程的程序代碼。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，易于掌握，操作者不需要具備專門知識(shí)，不需復(fù)雜的裝置和設(shè)備，軌跡修 改方便，再現(xiàn)過程快。缺點(diǎn)： (1) 示教相對(duì)于再現(xiàn)所需的時(shí)間較長(zhǎng)；(2) 很難示教復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡及準(zhǔn)確度要求高的直線；(3) 示教軌跡的重復(fù)性差；(4) 無法接受傳感器信息；(5) 難以與其他操作或其他機(jī)器人操作同步。試舉例說明MOTOMAN UP機(jī)器人焊接作業(yè)時(shí)的示教編程過程。答：S1.通過示教盒使機(jī)器人處于示教狀態(tài)；52. 創(chuàng)建新的示教程序，用軸操作鍵將機(jī)器人依次移動(dòng)到準(zhǔn)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(yīng)的插補(bǔ)方式及相應(yīng)的操作命令；53. 示教軌跡的確認(rèn)。按機(jī)器人作業(yè)水平的程度分，機(jī)器人編程語言有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？答： 1. 動(dòng)作級(jí)編程語言：優(yōu)點(diǎn)：比較簡(jiǎn)單，編程容易。缺點(diǎn)：功能有限， 無法進(jìn)行繁復(fù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算， 不接受浮點(diǎn)數(shù)和字符串， 子程序不含有自變量； 不能接受復(fù)雜的傳感器信息，只能接受傳