工業(yè)機器人課程內(nèi)容

1、請為工業(yè)機器人和智能機器人給出定義。答：工業(yè)機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程動作來完成各種任務(wù)并具有編程能力的多功能機械手。智能機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。2、簡述工業(yè)機器人的組成部分及其作用。答：工業(yè)機器人是由機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)四部分組成。其中，機械系統(tǒng)由機身、肩部、手腕、末端操作器和行走機構(gòu)組成；工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)的作用相當(dāng)于人的身體。驅(qū)動系統(tǒng)可分為電氣、液壓、氣壓驅(qū)動系統(tǒng)以及它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)組合；該部分的作用相當(dāng)于人的肌肉?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序及從傳感器反饋回來的信號，控制機器人的執(zhí)行機構(gòu)，使其完成規(guī)定的運動和功能；該部分的作用相當(dāng)于人的大腦。感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成。其中，內(nèi)部傳感器用于檢測各關(guān)節(jié)的位置、速度等變量，為閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)提供反饋信息；外部傳感器用于檢測機器人與周圍環(huán)境之間的一些狀態(tài)變量，如距離、接近程度、接觸程度等，用于引導(dǎo)機器人，便于其識別物體并作出相應(yīng)的處理。該部分的作用相當(dāng)于人的五官。3、簡述工業(yè)機器人各參數(shù)的定義：自由度、重復(fù)定位精度、工作范圍、工作速度、承載能力。答：自由度：自由度是指機器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目，不包括手爪（末端操作器）的開合自由度。重復(fù)定位精度：工業(yè)機器人的精度指定位精度和重復(fù)定位精度。重復(fù)定位精度是指機器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位置的能力。工作范圍：工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能達到的的所有點的集合，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(shù)參數(shù)中加以說明）。承載能力：承載能力是指機器人的工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。4、工業(yè)機器人按坐標(biāo)形式分為哪幾類？各有什么特點？答：工業(yè)機器人的坐標(biāo)形式有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型。直角坐標(biāo)型：機器人的運動方程可獨立處理，且方程是線性的，容易通過計算機控制實現(xiàn)，工作范圍呈立方體形狀。圓柱坐標(biāo)型：機器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)一個角，工作范圍擴大，且計算簡單，工作范圍呈圓柱形狀。球坐標(biāo)型：這種機器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)，中心支架附近的工作范圍大，覆蓋空間大，但是坐標(biāo)復(fù)雜，難于控制，且直線驅(qū)動裝置仍尊在密封及工作死區(qū)問題。工作范圍呈球缺狀。關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：關(guān)節(jié)坐標(biāo)機器人關(guān)節(jié)全部旋轉(zhuǎn)，是工業(yè)機器人中最常見的結(jié)構(gòu)，工作范圍比較復(fù)雜。平面關(guān)節(jié)型：只有平行的肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線共面。5、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；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(biāo)系統(tǒng)；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(yīng)用于冷加工。機器人靈活性好，數(shù)控機床靈活性差。6、什么叫冗余自由度機器人？答：從運動學(xué)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。7、什么是SCARA機器人？應(yīng)用上有何特點？SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，選擇順應(yīng)性裝配機器手臂)有兩個并聯(lián)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以使其做平面運動，此外還有一個附加的滑動關(guān)節(jié)做垂直運動。SCARA機器人常用于裝配作業(yè)，其在XY平面有較好的柔性，而在Z軸有很大剛性，它具有選擇性柔性。8、機器人的三種驅(qū)動方式各自的優(yōu)缺點是什么？答：機器人常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種基本類型。液壓驅(qū)動方式液壓驅(qū)動的特點是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可以省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動的連桿相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄漏，故目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。優(yōu)點：液壓容易達到較高的單位面積壓力體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩。液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。缺點：油液的粘度隨溫度變化而變化，這將影響工作性能。高溫容易引起燃燒、爆炸等危險液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價較高需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會引起故障。氣壓驅(qū)動方式氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動相比，同體積條件下功率較小，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制系統(tǒng)。優(yōu)點：壓縮空氣粘度小，容易達到高速(1m/s)利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣，不必添加動力設(shè)備空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。缺點：壓縮空氣常用壓力為0.4?0.6MPa，若要獲得較大的壓力，其結(jié)構(gòu)就要相對增大空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準(zhǔn)確的位置控制很困難。壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。電氣驅(qū)動方式電氣驅(qū)動所用能源簡單，機構(gòu)速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高，且具有使用方便、噪聲低和控制靈活的特點。9、工業(yè)機器人對臂部設(shè)計有什么基本要求？答：(1)手臂應(yīng)具有足夠的承載能力和剛度。導(dǎo)向性要好。重量和轉(zhuǎn)動慣量要小。運動要平穩(wěn)、定位精度要高。11、簡述磁力吸盤的基本原理。磁吸附式取料手是利用電磁鐵通電之后產(chǎn)生的電磁吸力取料。對于磁力吸盤，鐵心和磁盤之間用黃銅焊料焊接并構(gòu)成隔磁環(huán)，即焊為一體又將鐵心與磁盤分開，使鐵心成為內(nèi)磁極，磁盤成為外磁極。其磁路由殼體的外圈，經(jīng)磁盤、工件和鐵心，再到殼體內(nèi)圈形成閉合回路，以此吸附工件。12、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(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)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。示教一再現(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。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(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間運動很方便?？臻g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)?？臻g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。13、工業(yè)機器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)。答：機器人本體：(1)傳動部件(2)機身及行走機構(gòu)(3)臂部(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。14、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.陶瓷5.纖維增強復(fù)合材料6.粘彈性大阻尼材料15、何謂材料的E/p？為提高構(gòu)件剛度選用材料E/p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￡越大，變形量越小，剛度就越大；且密度p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/p大些好。16、工業(yè)機器人機身設(shè)計應(yīng)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(dǎo)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。18、機器人力雅可比矩陣和速度雅可比矩陣有何聯(lián)系？答：力雅可比矩陣是速度雅克比矩陣的轉(zhuǎn)置。19、何謂點位控制和連續(xù)軌跡控制？舉例說明它們在工業(yè)上的應(yīng)用。答：點位控制：指只規(guī)定各點的位姿，不規(guī)定各點之間的運動軌跡的控制方式。應(yīng)用：從事在印刷電路板上安插元件'點焊'搬運及上/下料等作業(yè)的工業(yè)機器人。連續(xù)軌跡控制：指規(guī)定機器人定位位姿軌跡的控制方式。應(yīng)用：從事弧焊、噴漆、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人。20、光電編碼器可用于測量的模擬量有哪些？請說明絕對式與增量式光電編碼器各自適用的場合。答：光電編碼器可以測量的模擬量：轉(zhuǎn)角、直線位移、轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向適用場合：絕對式：用于長期定位控制的裝置和設(shè)備中增量式：廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標(biāo)測定儀器等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。21、利用增量式光電編碼器以數(shù)字方式測量機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速，若已知編碼器輸出為1500脈沖/轉(zhuǎn)，高速脈沖源周期為0?1ms，對應(yīng)編碼器的2個脈沖測得計數(shù)值為120，求關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角速度的值。解：時間增量為：t=0.1X（120/2）ms=6ms角速度為：w=（2n/1500）/0.006=0.698rad/s22、說明接近傳感器的應(yīng)用、常見種類及工作原理。答：接近傳感器用于判斷在一規(guī)定距離范圍內(nèi)是否有物體存在，主要用于物體抓取或避障類近距離工作的場合。常見的種類：常見的接近覺傳感器有電感式、電容式、光電式、霍爾效應(yīng)式、超聲波式和氣壓式五種。工作原理：電感式：利用渦流感知物體接近。電容式：利用物體接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化的情況來控制開關(guān)。光電式：利用被檢測物體對紅外光束的遮擋或反射，由同步回路選通來檢測物體的有無?；魻栃?yīng)式：利用霍爾效應(yīng)判斷是否接近鐵磁體。超聲波式：測量發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)目標(biāo)反射后沿原路返回接收器所需的時間來監(jiān)測物體。氣壓式：通過檢測氣流噴射遇到物體時的壓力變化來檢測和物體之間的距離。23、工業(yè)機器人的觸覺傳感器能感知哪些環(huán)境信息？答：廣義上，它包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等與接觸有關(guān)的感覺；狹義上，它是機械手與對象接觸面上的力感覺。24、工業(yè)機器人的視覺系統(tǒng)由哪幾部分組成？各部分有什么作用？工業(yè)機器人的視覺系統(tǒng)由圖像輸入、圖像處理和圖像輸出等幾個部分組成。圖像輸入：由視覺傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。圖像處理：由計算機和圖像處理機將得到的圖像信號根據(jù)各種目的輸出處理得到結(jié)果。圖像輸出：將最一開始的光信號轉(zhuǎn)換為可操作信號。25、工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)與普通控制系統(tǒng)相比有哪些特點？機器人控制系統(tǒng)比普通控制系統(tǒng)要復(fù)雜得多，1）機器人的控制與機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)。2）機器人少則有3~5個自由度，多到幾十個自由度。3）機器人控制系統(tǒng)必須得是一個計算機控制系統(tǒng)。4）描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型。5）機器人的動作路徑要使用“最優(yōu)”路徑。26、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主要功能有哪些？1）示教再現(xiàn)功能2）運動控制功能27、示教編程方式有哪兩類？各有什么特點？手把手示教編程：主要用于噴漆、弧焊等要求實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制的工業(yè)機器人的示教編程。它只記錄各軌跡程序移動的兩端點位置，軌跡的運動速度則按各軌跡程序段對應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。示教盒示教編程：人工利用示教盒上所具有的各種功能的按鈕來驅(qū)動工業(yè)機器人的各關(guān)節(jié)軸，按作業(yè)所需的順序單軸運動或多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動，從而完成位置和功能的示教編程。其編程方便，裝置簡單，但是精度不高，程序修改困難。28、工業(yè)機器人的控制方式按作業(yè)任務(wù)不同可分為哪些方式？工業(yè)機器人按照作業(yè)任務(wù)不同可分為點位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。29、工業(yè)機器人的主要編程方式有哪幾種？各有什么特點？答：（1）順序控制的編程：在順序控制的機器人中，所有的控制都是由機械或電器的順序控制器實現(xiàn)的。此方法成本低，易于控制盒操作，但順序控制的靈活性小。（2）示教方式編程（手把手示教）：大多數(shù)機器人還采用示教方式編程。示教方式是一項成熟的技術(shù)，易于被熟悉工作示教的人員所掌握，而且用簡單的設(shè)備和控制裝置即可進行。示教過程進行很快，即示教過后即可馬上使用。應(yīng)用靈活，可以重復(fù)過程，可調(diào)速。但是只能在人能所達到的速度下工作，難于傳感器的信息配合，不能用于某些危險的情況，不適用于操作大型機器人，難獲得高速度和直線運動且難以與其他操作同步。（3）示教盒：利用裝在控制盒上的與關(guān)節(jié)對應(yīng)的按鈕，可以驅(qū)動機器人按需要的順序進行操作。用于對大型機器人或危險作業(yè)條件下的機器人示教。但是這種方法難以獲得高的控制精度，也難于其他設(shè)備同步，且不易與傳感器信息配合。（4）脫機編程或預(yù)編程：是指用機器人程序語言預(yù)先進行程序設(shè)計，而不是用示教方法編程。這種方式效率高，可控制性強，可以進行仿真模擬，危險性小，且對于不同目的的工作只需替換部分待定程序。但是，在脫機編程中，所需的補償機器人系統(tǒng)誤差、坐標(biāo)數(shù)據(jù)很難得到，因此在機器人投入實際使用前，需要再做調(diào)整。30、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；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；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。31、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，增加了一個球關(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，可以用于吸附雞蛋、錐頸瓶等非平整工件。32、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，通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(yù)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(dāng)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(yù)載，來完全消除嚙合側(cè)隙。33、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(biāo)位置，且處于相應(yīng)的姿態(tài)，然后把這一位置、姿態(tài)所對應(yīng)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(fù)以上操作，就把整個作業(yè)過程記錄下來，再通過適當(dāng)?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(fù)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；很難示教復(fù)雜的運動軌跡及準(zhǔn)確度要求高的直線；示教軌跡的重復(fù)性差；無法接受傳感器信息；難以與其他操作或其他機器人操作同步。34、試舉例說明MOTOMANUP6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)；創(chuàng)建新的示教程序，用軸操作鍵將