機器人技術基礎

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。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. 工業(yè)機器人一般具有多關節(jié)，數(shù)控機床一般無關節(jié)且均為直角坐標系統(tǒng)；3.

2、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。簡述下面幾個術語的含義：自有度、重復定位精度、工作范圍、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。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（通常在技術參數(shù)中加以說明）。承

3、載能力是指機器人在工作范圍內(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。題圖所示為二自由度平面關節(jié)型機器人機械手，圖中L1=2L2，關節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍是0 1180 ,-90 2 180, 畫出該機械手的工作范圍（畫圖時可以設L2=3cm）。點矢量 v 為 10.0020.0030.00 T ，相對參考系作如下齊次坐標變換：0. 8660.500 0.000 11.00. 500 0.866 0.0003.0A=0.0000.0001.0009.00001寫出變換后點矢量v 的表達式，并說明是什么性質(zhì)

4、的變換，寫出旋轉(zhuǎn)算子Rot 及平移算子Trans 。0.8660.5000.00011.010.009.66解： v， =Av=0.5000.8660.0003.020.00=19.320.0000.0001.0009.030.0039000111屬于復合變換：0.8660.500旋轉(zhuǎn)算子 Rot （ Z， 30?） =0.50.86600001000011 0 0 11.00 103.0平移算子Trans （，） =0019.00001有一旋轉(zhuǎn)變換， 先繞固定坐標系 Z軸轉(zhuǎn) 45?，再繞其 X 軸轉(zhuǎn) 30?，最后繞其 Y 軸轉(zhuǎn) 60?，000試求該齊次坐標變換矩陣。解：齊次坐標變換矩陣R=R

5、ot(Y ， 60?） Rot （ X ， 30?） Rot(Z， 45?）0.500.866010000.7070.70700=010000.8660.500.7070.707000.86600.5000.50.8660001=00001000100010.6600.0470.75000.6120.6120.500.4360.4360.43300001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 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。10000100解：起始矩陣：B=O=001000010.866

6、0.353000.50.6120.6120最后矩陣： B =Rot(Z ， 30?） B Rot （X， 45?） =00.7070.70700001坐標系 A 及 B 在固定坐標系 O 中的矩陣表達式為1.0000.0000.0000.00.0000.8660.50010.0A=0.5000.86620.00.00000010.8660.5000.0003.00.4330.7500.5003.0B=0.4330.8663.00.2500001畫出它們在 O 坐標系中的位置和姿勢；A=Trans （，） Rot （X， 30?） OB=Trans ，） Rot(X ，30?）Rot （ Z，

7、30?） O寫出齊次變換陣BAH ，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 ZA 軸旋轉(zhuǎn) 90?。（ 2）繞 X A 軸旋轉(zhuǎn) -9 0?。（ 3）移動 3 7 9T。解：BAH=Trans（ 3，7， 9）Rot（X ， -90?）Rot（Z ，90? ）1003100001001003010001070010100000171000=01901000010=109001=000000100010001000100010103001710090001寫出齊次變換矩陣BB H ，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 3 7 9T。（ 2）繞 X

8、 B 軸旋轉(zhuǎn) 90?。 .（ 3）繞 ZB 軸轉(zhuǎn) -9 0?。 .BB H =Trans （ 3， 7，9） Rot （X， 90?）Rot （ Z， 90?） =10031000010001070010100000190100001=0000100010001100301000103001710000017010900101009000100010001對于圖 （ 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)如題圖（ b) 所示。(a)(b)111111111111004400559955解： A=00022B=0002200111111111111

9、A =Trans(2， 0 ， 0 ） Rot （ Z ， 90?） Rot （ X ， 90?） Trans （ 0 ， -4 ， 0 ） A=10020100100010000100100000100104001000100100001000010001000100011111110012111111004400=1000004400=00002201040000221111110001111111222200111111440044111111B =Rot（ X， 90?） Rot（ Y， 90?） Trans（0， -5，0） B=100000101000111111001001000

10、105559955=01001000001000002200010001000111111100101000111111001010000105559955=1000010000100000220105000100011111110001111111000022559955111111000022=044000111111111111如題圖所示的二自由度平面機械手，關節(jié)1 為轉(zhuǎn)動關節(jié)，關節(jié)變量為；關節(jié)2 為移動1關節(jié)， 關節(jié)變量為 d2。試：（ 1）建立關節(jié)坐標系，并寫出該機械手的運動方程式。（ 2）按下列關節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的位置值。 10?30?60?90?d2/m解：建立如圖所示的坐

11、標系參數(shù)和關節(jié)變量連桿1 10200C 1S 1A1S1C 1Rot (Z , 1 )0000d00d2000100d200Trans (d201000A2,0,0)01000010001機械手的運動方程式：當 1=0?，d2=時：1000.50100手部中心位置值B00000001當 1=30?，d2=時0.8660.500.4330.50.86600.4B000手部中心位置值00001當 1=60?，d2=時0.50.86600.50.8660.500.866手部中心位置值B00000001當 1=90?， d2=時01001000.7手部中心位置值B00000001題圖所示為一個二自由度

12、的機械手，兩連桿長度均為1m，試建立各桿件坐標系，求出 A1 ，A2 的變換矩陣。解：建立如圖所示的坐標系參數(shù)和關節(jié)變量連桿d1110022100A =Rot( Z,) Trans(1,0,0) Rot(X, 0 o)=11)Trans(l, 0, 0)Rot(X, 90o )A = Rot( Z,2- 2有一臺如題圖所示的三自由度機械手的機構(gòu)，各關節(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A1 ， A2 ， A3 。解： D-H 坐標系的建立按 D-H 方法建立各連桿坐標系參數(shù)和關節(jié)變量連桿ad1190?0L1+L22200L33300L4A1 =A2 =

13、 A3=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節(jié)空間，對關節(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，定時記錄各關節(jié)變量，得到沿路徑運動時各關節(jié)的位移時間函數(shù)q(t)；再現(xiàn)時，按內(nèi)存中記錄的各點的值產(chǎn)生序列動作。（ 2）關節(jié)空間運動。這種運動直接在關節(jié)空間里進行。由于動力學參數(shù)及其極限值直接在關節(jié)空間里描述，所以用這種

14、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。設一機器人具有6 個轉(zhuǎn)動關節(jié)，其關節(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 個獨立的三次多項式；需要 72 個系數(shù)。單連桿機器人的轉(zhuǎn)動關節(jié)，從 q = 5°靜止開始運動，要想在動到 q =+80 °的位置停止。試按下述要求確定運動軌跡：(1) 關節(jié)運動依三

15、次多項式插值方式規(guī)劃。(2) 關節(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5 ,04 s 內(nèi)使該關節(jié)平滑地運f80 , t f4s, 代入可得系數(shù)為 a05, a10, a215.94, a32.66運動軌跡：t515.94t 22.66t 3?31.88t 7.98t 2t?t 31.88 15.96t（ 2）運動按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃：05 , f80 ,t f4s,根據(jù)題意，定出加速度的取值范圍：? 4 851621.25s2?42t a1 ，如果選s2 ，算出過渡時間t a1 =442 242442852242=?計算過渡域終了時的

16、關節(jié)位置a1 和關節(jié)速度1 ，得a1 =5( 1420.5942 )2.42?11t a1( 420.594s)s24.95 s機器人本體主要包括哪幾部分？以關節(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)、腰部關節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、大臂結(jié)構(gòu)、大臂關節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、小臂結(jié)構(gòu)、小臂關節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、手腕結(jié)構(gòu)、手腕關節(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

17、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依從關系，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。 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。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

18、材料3.4.陶瓷5.纖維增強復合材料6.粘彈性大阻尼材料5. 材料經(jīng)濟性纖維增強合金何謂材料的E/？為提高構(gòu)件剛度選用材料E/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，則構(gòu)件的慣性力越小，剛度越大。所以E/大些好。機身設計應注意哪些問題？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。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，如果依靠自重下降，立柱可能卡死在導套內(nèi)；當h2 fL

19、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內(nèi)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 =，一般取較大值；L 為偏重力臂 (m)。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，要求工件表面平整光滑、干燥清潔，同時氣密性要好。何謂自適應吸盤及異形吸盤？答：自適應

20、吸盤：真空吸盤的一種新設計，增加了一個球關節(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計，可以用于吸附雞蛋、錐頸瓶等非平整工件。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)訅翰牧希?/p>

21、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。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)，比較成熟。步行式行走機構(gòu)正在發(fā)展和完善中。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)，

22、然后把這一位置、姿態(tài)所對應的關節(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；(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。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。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， 子程序不含有自變量；不能接受復雜的傳