機器人技術基礎[課后習題的答案]

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1、 ...wd... 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、或專用裝置，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.機器人的動作構造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，完整的機器人系統在工作中可

2、以不依賴于人的干預。 0.2工業(yè)機器人與數控機床有什么區(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)，數控機床一般無關節(jié)且均為直角坐標系統； 3.工業(yè)機器人是用于工業(yè)中各種作業(yè)的自動化機器而數控機床應用于冷加工。 4.機器人靈活性好，數控機床靈活性差。 0.5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計數據，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

3、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〔通常在技術參數中加以說明〕。 承載能力是指機器人在工作范圍內的任何位姿上所能承受的最大質量。 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節(jié)型機器人機械手，圖中L1=2L2，關節(jié)的轉角范圍是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜

4、,畫出該機械手的工作范圍〔畫圖時可以設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，并說明是什么性質的變換，寫出旋轉算子Rot及平移算子Trans。 解：v，=Av== 屬于復合變換： 旋轉算子Rot〔Z，30?〕= 平移算子Trans〔11.0，-3.0，9.0〕= 1.2 有一旋轉變換，先繞固定坐標系Z0軸轉45?，再繞其X0軸轉30?，最后繞其Y0軸轉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?〕

5、 == 1.3 坐標系{B}起初與固定坐標系{O}相重合，現坐標系{B}繞ZB旋轉30?，然后繞旋轉后的動坐標系的XB軸旋轉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?〕

6、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） 繞軸旋轉90?。 （2） 繞軸旋轉-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90?。. （3） 繞軸轉-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

7、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，關節(jié)1為轉動關節(jié)，關節(jié)變量為θ1；關節(jié)2為移動關節(jié)， 關節(jié)變量為d2。試： （1） 建設關節(jié)坐標系，并寫出該機械手的運動方程式。 （2） 按

8、以下關節(jié)變量參數求出手部中心的位置值。 θ1 0? 30? 60? 90? d2/m 0.50 0.80 1.00 0.70 解：建設如以以下圖的坐標系 參數和關節(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

9、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，試建設各桿件坐標系，求出，的變換矩陣。 解：建設如以以下圖的坐標系 參數和關節(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，各關節(jié)轉角正向均由箭頭所示方向指定，請標出各連桿的D

10、-H坐標系，然后求各變換矩陣，，。 解：D-H坐標系的建設 按D-H方法建設各連桿坐標系 參數和關節(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假設干個點，將其經運動學反解映射到關節(jié)空間，對關節(jié)空間中的相應點建設運動方程，然后按這些運動方程對關節(jié)進展插值，從而實現作業(yè)空間的運動要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。 （1）

11、示教—再現運動。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q(t)；再現時，按內存中記錄的各點的值產生序列動作。 （2） 關節(jié)空間運動。這種運動直接在關節(jié)空間里進展。由于動力學參數及其極限值直接在關節(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表達的運動。 3.2 設一機器人具有6個轉動關節(jié)，其關節(jié)運動均按三次多項式規(guī)劃，要求經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

12、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? 答：共需要3個獨立的三次多項式； 需要72個系數。 3.3 單連桿機器人的轉動關節(jié)，從q = –5°靜止開場運動，要想在4 s內使該關節(jié)平滑地運動到q =+80°的位置停頓。試按下述要求確定運動軌跡： (1)關節(jié)運動依三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規(guī)劃其運動。代入可得系數為 運動軌跡： （2） 運動按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃： 根據題意，定出加速度的取值范圍： 如果選，算出過渡時間， =[]=0.594s

13、計算過渡域終了時的關節(jié)位置和關節(jié)速度，得 = 4.1 機器人本體主要包括哪幾局部以關節(jié)型機器人為例說明機器人本體的 基本構造和主要特點。 答：機器人本體：(1)傳動部件(2)機身及行走機構(3)機身及行走機構〔4)腕部(5)手部 基本構造：機座構造、腰部關節(jié)轉動裝置、大臂構造、大臂關節(jié)轉動裝置、小臂結 構、小臂關節(jié)轉動裝置、手腕構造、手腕關節(jié)轉動裝置、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，這決定了機器人的構造剛度不高，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

14、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)行器反響信號有關。連桿的驅動屬于伺服控制型，因而對機械傳動系統的剛度、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)生振動或出現其他不穩(wěn)定現象。 4.2 若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.材料經濟性 常用材料：1.碳素構造鋼和合金鋼 2.鋁、鋁合金及其

15、他輕合金材料 3.纖維增強合金 4.陶瓷 5.纖維增強復合材料 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，構件質量越小，則構件的慣性力越小，剛度越大。所以E/r大些好。 4.4 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，防止卡死。 (3) 驅動方式適宜。 (4) 構造布置合理。 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

16、：(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；當時立柱依靠自重下降就不會引起卡死現象。 〔2〕要使升降立柱在導套內下降自由，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，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

17、：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 何謂自適應吸盤及異形吸盤 答：自適應吸盤：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，適應工件外表傾角的變化。 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。 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隙嚙合； 3) 對稱傳動消隙：一個傳動系統設置兩個對稱的分支傳動，并且其中有一個具有回彈能力。

18、 4) 偏心機構消隙：當有齒輪磨損等原因造成傳動間隙增加時，利用中心距調整機構調整中心距。 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層壓材料，通過對相嚙合的一對齒輪加以預載，來完全消除嚙合側隙。 4.16 簡述機器人行走機構構造的 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，步行式為連續(xù)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。運行車式行走機構用得

19、對比多，多用于野外作業(yè)，對比成熟。步行式行走機構正在開展和完善中。 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，再通過適當的軟件系統，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，再現過程快。 缺點：(1) 示教相對于再現所需的時間較長； (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

20、軌跡的重復性差； (4) 無法承受傳感器信息； (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)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)開場位置、作業(yè)完畢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：對比簡單，編程容易。 缺點：功能有限，無法進展繁復的數學運算，不承受浮點數和字符

21、串，子程序不含有自變量；不能承受復雜的傳感器信息，只能承受傳感器開關信息；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) 數字計算和數據處理能力強； 3.任務級編程語言：構造十分復雜，需要人工智能的理論根基和大型知識庫、數據庫的支持。 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，在計算機上提供一個和機器人進展交互作用的虛擬現實環(huán)境。 功能：利用機器人圖形學的成果，建設起機器人及其作業(yè)環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)

22、劃算法，通過對圖形的操作和控制，在離線的情況下進展軌跡規(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、產品檢驗和裝配。 7.3 完整的焊接機器人系統一般由哪幾個局部組成 答：機器人操作機、變位機、控制器、焊接系統、焊接傳感器、中央控制計算機和相應的安 全設備等。 7.4 簡述變位機在焊接生產線或焊接柔性加工單元中的作用。 答：將被焊工件旋轉(平移)到最正確的焊接位置。 7.5 簡述焊接機器人按用途、構造、受控方式及驅動方法等進展分類的情況。 答：按用途：弧焊和點焊； 按構造：關節(jié)型和非關節(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備協調運動的工作站。 7.7 自動搬運工作站由哪些局部組成 答：組成：搬運機器人和周邊設備〔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。