工業(yè)機器人習題課+答案

1、習題第一章一、國際標準化組織（ISO）對機器人的定義是什么？1.機器人的動作機構(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類的干預。 二、工業(yè)機器人是如何定義的？工業(yè)機器人：是指在工業(yè)中應用的一種能進行自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。且這種操作機可以固定在一個地方，也可以在往復運動的小車上。三 、按幾何結(jié)構(gòu)，機器人可分為那幾種

2、？直角坐標型，圓柱坐標型，球坐標型，關(guān)節(jié)坐標型四、機器人的參考坐標系有哪些？全局參考坐標系：全局參考坐標系是一種通用的坐標系，由X，Y和Z軸所定義。關(guān)節(jié)參考坐標系：關(guān)節(jié)參考坐標系是用來表示機器人每一個獨立關(guān)節(jié)運動的坐標系。工具參考坐標系：工具參考坐標系是用來描述機器人末端執(zhí)行器相對于固連在末端執(zhí)行器上的坐標系的運動。五、什么是機器人的自由度和工作空間？1，機器人的自由度（Degree of Freedom, DOF）：是指其末端執(zhí)行器相對于參考坐標系能夠獨立運動的數(shù)目。2，機器人的工作空間（Working Space）是指機器人末端上參考點所能達到的所有空間區(qū)域。第二章六、機器人系統(tǒng)由哪三部分

3、組成？操作機，驅(qū)動器，控制系統(tǒng)七、什么是機器人的操作機？分為哪幾部分？1，操作機：也稱為執(zhí)行機構(gòu)、機械本體等，它具有和人手臂相似的功能，是可在空間抓放物體或進行其他操作的機械裝置。2，操作機：由手部、腕部、臂部和機座構(gòu)成.八、簡述機器人手部的作用，其分為哪幾類？1，手部作用：機器人的手部又稱為末端執(zhí)行器，它是機器人直接用于抓取和握緊（或吸附）工件或操持專用工具（如噴槍、扳手、砂輪、焊槍等）進行操作的部件，它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的最前端。2，手部分類： 機械夾持式手 吸附式手 專用手 靈巧手九、機器人機械夾持式手按手爪的運動方式分為哪兩種？各有何典型機構(gòu)？1，按手爪的運動方

4、式分為：回轉(zhuǎn)型和平移型2,回轉(zhuǎn)型典型結(jié)構(gòu)：楔塊杠桿式.滑槽杠桿式.連桿杠桿式.齒輪齒條式.自重杠桿式.3,平移型典型結(jié)構(gòu)：齒輪齒條式.螺母絲杠式.凸輪式.平行連桿式.十、機器人吸附式手分為哪兩種？各有何特點？1，機器人吸附式手分為：氣吸式.磁吸式2，氣吸式特點：氣吸式手是利用吸盤內(nèi)的壓力與外界大氣壓之間形成的壓力差來工作的3，磁吸式特點： 磁吸式手是利用磁場產(chǎn)生的磁吸力來抓取工件的，因此只能對鐵磁性工件起作用（鋼、鐵等材料在溫度超過723時就會失去磁性），另外，對不允許有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使用有一定的局限性。十一、什么是機器人的換接器？有何作用？1， 換接器一般由兩部分組成：

5、換接器插座和,換接器插頭。 2， 換接器的作用：它們分別裝在機器人的手部和機器人的腕 部，能夠使機器人快速自動更換的手部。十二、機器人腕部的作用是什么？有哪些典型機構(gòu)？1,腕部作用：改變或調(diào)整機器人手部在空間的姿態(tài)(方向)，并連接機器人的手部和臂部。3， 腕部典型機構(gòu)：a.液壓擺動缸,b.輪系機構(gòu)2自由度（誘導運動）,c. 輪系機構(gòu)2自由度（差動式）,d. 輪系機構(gòu)3自由度(正交）e. 輪系機構(gòu) 3自由度 (斜交） 十三、機器人柔順腕部結(jié)構(gòu)的作用是什么？柔順裝配有哪兩種方法？如何實現(xiàn)？1， 機器人柔順腕部結(jié)構(gòu)的作用：消除機器人在進行裝配作業(yè)時的裝配誤差2， 柔順裝配方法： 主動柔順 被動柔順

6、3， 主動柔順邊檢測，邊修正。被動柔順 角度誤差回轉(zhuǎn)運動 -回轉(zhuǎn)機構(gòu) 位置誤差平移運動 -平移機構(gòu)十四、機器人臂部的作用是什么？實現(xiàn)兩種運動方式的典型機構(gòu)有哪些？1， 臂部作用：改變機器人手在空間的位置。2， 典型結(jié)構(gòu)：a. 臂部的平移運動機構(gòu): （1）活塞油缸、活塞氣缸（2）齒輪齒條機構(gòu)（3）絲杠螺母機構(gòu)（4）曲柄滑塊機構(gòu) （5） 凸輪機構(gòu)b.機器人臂部回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)：（1）油馬達、氣馬達、擺動液壓缸 （2）各種輪系機構(gòu) （3）齒條齒輪機構(gòu) （4）滑塊曲柄機構(gòu) （5）活塞缸加連桿機構(gòu)（機器人臂部的俯仰運動）第三章十五.什么是齊次坐標？與直角坐標有何區(qū)別？1,齊次坐標定義：空間中任一點在直角坐標

7、系中的三個坐標分量用表示，若有四個不同時為零的數(shù)與三個直角坐標分量之間存在以下關(guān)系：則稱 是空間該點的齊次坐標。3， 與直角坐標的區(qū)別：空間中的任一點都可用齊次坐標表示;空間中的任一點的直角坐標是單值的，但其對應的齊次坐標是多值的;k是比例坐標，它表示直角坐標值與對應的齊次坐標值之間的比例關(guān)系。十六.齊次變換矩陣的意義是什么?意義：若將齊次坐標變換矩陣分塊，則有：意義：左上角的33矩陣是兩個坐標系之間的旋轉(zhuǎn)變換 矩陣，它描述了姿態(tài)關(guān)系；右上角的31矩陣是兩個坐標系之間的平移變換矩陣，它描述了位置關(guān)系，所以齊次坐標變換矩陣又稱為位姿矩陣。十七. 聯(lián)合變換與單步變換的關(guān)系是什么？經(jīng)觀察可得：任何一

8、個齊次坐標變換矩陣均可分解為一個平移變換矩陣與一個旋轉(zhuǎn)變換矩陣的乘積，即：十八. 已知齊次變換矩陣，如何計算逆變換矩陣？逆變換時： 變換順序顛倒； 先平移，后旋轉(zhuǎn)先旋轉(zhuǎn)，后平移。 變換參數(shù)取反。 旋轉(zhuǎn)（） （ -），平移（px，py，pz） （-px，-py，-pz）。 若齊次變換矩陣為：則：十九. 機器人運動學解決什么問題?什么是正問題和逆問題？1， 解決問題：機器人手在空間的運動與各個關(guān)節(jié)的運動之間的關(guān)系。2， 正問題：已知關(guān)節(jié)變量qi的值，求手在空間的位姿M0h。正解特征：唯一性。用處：檢驗、校準機器人。 3，逆問題：已知手在空間的位姿M0h，求關(guān)節(jié)變量qi的值。逆解特征分三種情況：多解

9、、唯一解、無解。多解的選擇原則：最接近原則。計算方法：遞推逆變換法二十.機器人的坐標系有哪些？如何建立？1，坐標系：機座坐標系0桿件坐標系i手部坐標系h絕對坐標系3， 建立方法：略二十一.建立運動學方程需要確定哪些參數(shù)？如何辨別關(guān)節(jié)變量？1， 確定參數(shù)有：a.桿件幾何參數(shù)：桿件長度l,桿件扭角；b.關(guān)節(jié)運動參數(shù)：關(guān)節(jié)平移量d，關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)量。2， 辨別關(guān)節(jié)變量方法：若關(guān)節(jié)是平移型的，則關(guān)節(jié)平移量為關(guān)節(jié)變量；若關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)型的，則關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)量是關(guān)節(jié)變量。二十二.機器人運動學方程的正解和逆解有何特征？各應用在什么場合？逆解如何計算？1， 正解特征：唯一性2， 逆解特征：多解，唯一解，無解3， 逆解計算方法

10、：遞推逆變換法第四章二十三：機器人動力學解決什么問題？什么是動力學正問題和逆題？1， 機器動力學解決的問題：機器人各個關(guān)節(jié)的運動與關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動力（矩）之間的關(guān)系。2， 動力學正問題：已知關(guān)節(jié)運動，求關(guān)節(jié)驅(qū)動力（矩）。3， 動力學逆問題：已知關(guān)節(jié)驅(qū)動力（矩），求關(guān)節(jié)運動。二十四：什么是牛頓方程？什么是歐拉方程？有何作用？1,牛頓方程：牛頓方程慣性力 矢量。 質(zhì)心上的線加速度。3， 歐拉方程：歐拉方程慣性力矩 矢量。 質(zhì)心上的慣性張量矩陣。二十五. 什么是慣性張量矩陣？如何計算？慣性張量矩陣：理論計算方法：實驗測試法：慣量擺儀器二十六. 正向遞推的作用是什么?分哪幾步實現(xiàn)？正向遞推的作用：遞推出

11、每個桿件在自身坐標系中的速度和加速度實現(xiàn)正向遞推步驟： 桿件速度和加速度遞推計算 桿件質(zhì)心上的速度和加速度 桿件質(zhì)心上的慣性力和慣性力矩二十七.反向遞推的作用是什么?分哪幾步實現(xiàn)？反向遞推作用：遞推出機器人每個關(guān)節(jié)上承受的力和力矩實現(xiàn)反向遞推步驟： 關(guān)節(jié)承受的力和力矩遞推計算 關(guān)節(jié)驅(qū)動力（矩）二十八. 正向遞推和反向遞推的初始條件各是什么？當考慮桿件自重或手部負載為重物時，正向遞推初始條件有何變化？a.正向遞推初始條件：機座0的速度和加速度：*考慮桿件自重或手部負載為重物時：為描述在機座坐標系0中的標準重力加速度。b.反向遞推初始條件:機器人手部負載：二十九.寫出機器人動力學模型，并簡述各項的

12、含義?上式也稱為機器人的動力學模型。式中：是機器人動力學模型中的慣性力項；表示機器人操作機的質(zhì)量矩陣，它是nn階的對稱矩陣；是n1階矩陣，表示機器人動力學模型中非線性的耦合力項，包括離心力（自耦力）和哥氏力（互耦力）；也是n1階矩陣，表示機器人動力學模型中的重力項。 第五章三十. 控制系統(tǒng)的兩大功能是什么？示教再現(xiàn)功能，運動控制功能三十一. 簡述兩種控制方式及其技術(shù)指標。a.示教方式：機器人示教的方式種類繁多，總的可以分為集中示教方式和分離示教方式。 1、集中示教方式 將機器人手部在空間的位姿、速度、動作順序等參數(shù)同時進行示教的方式，示教一次即可生成關(guān)節(jié)運動的伺服指令。2、分離示教方式 將機器

13、人手部在空間的位姿、速度、動作順序等參數(shù)分開單獨進行示教的方式，一般需要示教多次才可生成關(guān)節(jié)運動的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。 b.記憶過程：1、記憶速度 取決于傳感器的檢測速度、變換裝置的轉(zhuǎn)換速度和控制系統(tǒng)存儲器的存儲速度。2、記憶容量 取決于控制系統(tǒng)存儲器的容量。 三十二. 簡述控制系統(tǒng)的組成及各個部分的作用。 機器人控制系統(tǒng)的組成a.硬件：b.軟件：c.上位機（個人微機或小型計算機）的功能：(1)人機對話：人將作業(yè)任務(wù)給機器人，同時機器人將結(jié)果反饋回來，即人與機器人之間的交流。(2)數(shù)學運算：機器人運動學、動力學和數(shù)學插補運算。(3)通信功能：與下位機進行數(shù)據(jù)傳送和相互交換。(

14、4)數(shù)據(jù)存儲：存儲編制好的作業(yè)任務(wù)程序和中間數(shù)據(jù)。d.下位機（單片機或運動控制器）的功能：伺服驅(qū)動控制：接收上位機的關(guān)節(jié)運動參數(shù)信號和傳 感器的反饋信號，并對其進行比較， 然后經(jīng)過誤差放大和各種補償，最終 輸出關(guān)節(jié)運動所需的控制信號。e.內(nèi)部傳感器的功能： 內(nèi)部傳感器的主要目的是對自身的運動狀態(tài)進行檢測，即檢測機器人各個關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度等運動參數(shù)，為機器人的控制提供反饋信號。機器人使用的內(nèi)部傳感器主要包括位置、位移、速度和加速度等傳感器。 f.外部傳感器的功能： 機器人要能在變化的作業(yè)環(huán)境中完成作業(yè)任務(wù)，就必須具備類似于人類對環(huán)境的感覺功能。將機器人用于對工作環(huán)境變化的檢測的傳感器稱為

15、外部傳感器，有時也擬人的稱為環(huán)境感覺傳感器或環(huán)境感覺器官。目前，機器人常用的環(huán)境感覺技術(shù)主要有視覺、聽覺、觸覺、力覺等。三十三.示教再現(xiàn)控制如何實現(xiàn)？影響示教和記憶的因素有哪些？a.示教方式：機器人示教的方式種類繁多，總的可以分為集中示教方式和分離示教方式。 1、集中示教方式 將機器人手部在空間的位姿、速度、動作順序等參數(shù)同時進行示教的方式，示教一次即可生成關(guān)節(jié)運動的伺服指令。2、分離示教方式 將機器人手部在空間的位姿、速度、動作順序等參數(shù)分開單獨進行示教的方式，一般需要示教多次才可生成關(guān)節(jié)運動的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。b.影響因素： 1、記憶速度 取決于傳感器的檢測速度、變換裝

16、置的轉(zhuǎn)換速度和控制系統(tǒng)存儲器的存儲速度。2、記憶容量 取決于控制系統(tǒng)存儲器的容量。三十四.運動控制如何實現(xiàn)？可分為哪兩步？a.運動控制實現(xiàn)方式：b.分為：第一步：關(guān)節(jié)運動伺服指令的生成，即將機器人手部在空間的位姿變化轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)變量隨時間按某一規(guī)律變化的函數(shù)。這一步一般可離線完成。 第二步：關(guān)節(jié)運動的伺服控制，即采用一定的控制算法跟蹤執(zhí)行第一步所生成的關(guān)節(jié)運動伺服指令，這是在線完成的。 三十五.什么是軌跡規(guī)劃？不同控制方式下各在什么坐標空間進行？a.軌跡規(guī)劃：機器人關(guān)節(jié)運動伺服指令的軌跡規(guī)劃生成方法是指根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的機器人手部在空間的位姿、速度等運動參數(shù)的變化，通過機器人運動學方程的求解和各

17、種插補運算等數(shù)學方法最終生成相應的關(guān)節(jié)運動伺服指令。b.不同控制方式下的坐標： PTP下的軌跡規(guī)劃是在關(guān)節(jié)坐標空間進行。 CP下的軌跡規(guī)劃是在直角坐標空間進行。三十六.點位控制（PTP）下的軌跡規(guī)劃如何實現(xiàn)？第一步：由手的位姿得到對應關(guān)節(jié)的位移；第二步：不同點對應關(guān)節(jié)之間位移的運動規(guī)劃；第三步：由關(guān)節(jié)運動變化計算關(guān)節(jié)驅(qū)動力（矩）。三十七.連續(xù)軌跡控制（CP）下的軌跡規(guī)劃如何實現(xiàn)？第一步：連續(xù)軌跡離散化。第二步：PTP下的軌跡規(guī)劃。三十八.關(guān)節(jié)運動伺服控制方法有哪些？各有何特點？a.控制方法：1、基于前饋和反饋的計算力(矩)的控制方法注意：前饋指的是加速度，反饋指的是速度和位移。2、線性多變量控

18、制方法3、自適應控制4、自學習控制b.控制方法特點：1、基于前饋和反饋的計算力(矩)的控制方法：這種控制方法是基于關(guān)節(jié)變量加速度的前饋和速度、位移誤差的反饋以及對耦合力項和重力項的補償而實現(xiàn)的，其考慮的主要是位移和速度的誤差對慣性力項的影響，所以適合于低速、重載的機器人。 它的缺點是計算 的工作量大，且控制的精度主要依賴于機器人動力學模型的精確度。 2、線性多變量控制方法：線性多變量控制選用的是一個比例微分（PD）控制器，其考慮的主要是位移和速度的誤差對耦合力項和重力項的影響，所以適合于高速、輕載機器人的控制。3、自適應控制：這種控制方法對機器人控制系統(tǒng)的動態(tài)性能具有自我調(diào)整功能，并且可以達到全局的穩(wěn)定。 4、自學習控制：它可利用結(jié)構(gòu)簡單的控制器實現(xiàn)高精度的控制。三十九.機器人語言有哪些分類？VAL和AUTOPASS語言各有何特點？a.機器人語言分類：