機器人技術(shù)基礎(chǔ)(課后習(xí)題答案)

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(wù)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(xué)習(xí)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(yù)。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.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(yīng)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(fù)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(fù)定位精度是關(guān)于精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，指機器人重復(fù)到達某一確定位置準確的概率，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(shù)參數(shù)中加以說明〕。承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。0.6什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。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)角范圍是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,畫出該機械手的工作范圍〔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：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(fù)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?〕BRot〔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?〕OB=Trans(-3.0，-3.0，3.0〕Rot(X，30?〕Rot〔Z，30?〕O1.5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：繞軸旋轉(zhuǎn)90?。繞軸旋轉(zhuǎn)-90?。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：移動。繞軸旋轉(zhuǎn)90?。.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)(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：建立關(guān)節(jié)坐標系，并寫出該機械手的運動方程式。按以下關(guān)節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的位置值。θ10?30?60?90?d2/m0.500.801.000.70解：建立如下圖的坐標系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿θαаd1θ1000200d20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：建立如下圖的坐標系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿θαаd11002100A1=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參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿ad1190?0+22003300===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假設(shè)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—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。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4s內(nèi)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。代入可得系數(shù)為運動軌跡：運動按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃：根據(jù)題意，定出加速度的取值范圍：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=本體主要包括哪幾局部？以關(guān)節(jié)型機器人為例說明機器人本體的根本結(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)手部根本結(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(fù)雜，且和執(zhí)行器反應(yīng)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：需滿足五點根本要求：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4.3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，那么構(gòu)件的慣性力越小，剛度越大。所以E/大些好。4.4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，防止卡死。(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(dǎo)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(dǎo)套內(nèi)；當時立柱依靠自重下降就不會引起卡死現(xiàn)象?！?〕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)套的長度(m)；f為導(dǎo)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，要求工件外表清潔、平整、枯燥，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，要求工件外表平整光滑、枯燥清潔，同時氣密性要好。4.11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)，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(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：齒廓外表覆有薄薄一層彈性很好的橡膠層或?qū)訅翰牧希ㄟ^對相嚙合的一對齒輪加以預(yù)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)的根本形式和特點。答：根本形式：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)用得比擬多，多用于野外作業(yè)，比擬成熟。步行式行走機構(gòu)正在開展和完善中。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(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?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；(2)很難示教復(fù)雜的運動軌跡及準確度要求高的直線；(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器人操作同步。6.2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)；S2.創(chuàng)立新的示教程序，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(yīng)的插補方式及相應(yīng)的操作命令；S3.示教軌跡確實認。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：比擬簡單，編程容易。缺點：功能有限，無法進行繁復(fù)的數(shù)學(xué)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(fù)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(wù)級編程語言：結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要人工智能的理論根底和大型知識庫、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