劉紀(jì)峰版機(jī)器人參考答案

1、1.1 簡述工業(yè)機(jī)器人的定義，說明機(jī)器人的主要特征。答：機(jī)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(jī)械手。 1.機(jī)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(jī)器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變。 3.機(jī)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(jī)器人具有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。1.2工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床有什么區(qū)別？答：1.機(jī)器人的運(yùn)動為開式運(yùn)動鏈而數(shù)控機(jī)床為閉式運(yùn)動鏈； 2.工業(yè)機(jī)器人一般具有多關(guān)節(jié)，數(shù)控機(jī)床一般無關(guān)節(jié)且均為直角坐標(biāo)系

2、統(tǒng)；3.工業(yè)機(jī)器人是用于工業(yè)中各種作業(yè)的自動化機(jī)器而數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于冷加工。4.機(jī)器人靈活性好，數(shù)控機(jī)床靈活性差。1.5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(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)運(yùn)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(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一確定位置準(zhǔn)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(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)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)

3、參數(shù)中加以說明）。承載能力是指機(jī)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。1.6什么叫冗余自由度機(jī)器人？答： 從運(yùn)動學(xué)的觀點(diǎn)看，完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機(jī)器人稱為冗余自由度機(jī)器人。2.3 何謂材料的E/r？為提高構(gòu)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(gòu)件質(zhì)量越小，則構(gòu)件的慣性力越小，剛度越大。所以E/r大些好。2.4 機(jī)身設(shè)計應(yīng)注意哪些問題？答：(1) 剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。(2) 運(yùn)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。3.2 有一旋

4、轉(zhuǎn)變換，先繞固定坐標(biāo)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(biāo)變換矩陣。解：齊次坐標(biāo)變換矩陣R=Rot(Y，60）Rot（X，30）Rot(Z，45） = 3.3 坐標(biāo)系B起初與固定坐標(biāo)系O相重合，現(xiàn)坐標(biāo)系B繞ZB旋轉(zhuǎn)30，然后繞旋轉(zhuǎn)后的動坐標(biāo)系的XB軸旋轉(zhuǎn)45，試寫出該坐標(biāo)系B的起始矩陣表達(dá)式和最后矩陣表達(dá)式。解：起始矩陣：B=O=最后矩陣：B´=Rot(Z，30）B Rot（X，45）=3.5 寫出齊次變換陣，它表示坐標(biāo)系B連續(xù)相對固定坐標(biāo)系A(chǔ)作以下變換：（1） 繞軸旋轉(zhuǎn)90。（2） 繞軸旋轉(zhuǎn)-90。（3） 移動。解：=Trans（3，7，9）Ro

5、t（X，-90）Rot（Z，90）= 3.6 寫出齊次變換矩陣，它表示坐標(biāo)系B連續(xù)相對自身運(yùn)動坐標(biāo)系B作以下變換：（1） 移動。（2） 繞軸旋轉(zhuǎn)90。.（3） 繞軸轉(zhuǎn)-90。.=Trans（3，7，9）Rot（X，90）Rot（Z，90）= 3.103.13 有一臺如題1.13圖所示的三自由度機(jī)械手的機(jī)構(gòu)，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角正向均由箭頭所示方向指定，請標(biāo)出各連桿的D-H坐標(biāo)系，然后求各變換矩陣，。解：D-H坐標(biāo)系的建立按D-H方法建立各連桿坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿ad11900+22003300 = =4.9推導(dǎo)如圖所示的兩自由度系統(tǒng)的運(yùn)動方程。這種運(yùn)動機(jī)構(gòu)具有開式運(yùn)動鏈，與復(fù)擺運(yùn)動有許多相似之處。圖

6、中，m1和m2為連桿1和連桿2的質(zhì)量，且以連桿末端的點(diǎn)質(zhì)量表示； d1和d2分別為兩連桿的長度，1和2為廣義坐標(biāo)；g為重力加速度。解：先計算連桿1的動能K1和位能P1。因?yàn)椋?  所以有：   再求連桿2的動能K2和位能P2。 式中：  于是可求得： 這樣，二連桿機(jī)械手系統(tǒng)的總動能和總位能分別為： 二連桿機(jī)械手系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)L為： 對L求偏導(dǎo)數(shù)和導(dǎo)數(shù)： 則： 5.1 何謂軌跡規(guī)劃？簡述軌跡規(guī)劃的方法并說明其特點(diǎn)。答：機(jī)器人的軌跡泛指工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動過程中的運(yùn)動軌跡，即運(yùn)動點(diǎn)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(diǎn)，將其經(jīng)運(yùn)

7、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(diǎn)建立運(yùn)動方程，然后按這些運(yùn)動方程對關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間的運(yùn)動要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。（1） 示教再現(xiàn)運(yùn)動。這種運(yùn)動由人手把手示教機(jī)器人，定時記錄各關(guān)節(jié)變量，得到沿路徑運(yùn)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(diǎn)的值產(chǎn)生序列動作。（2） 關(guān)節(jié)空間運(yùn)動。這種運(yùn)動直接在關(guān)節(jié)空間里進(jìn)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(yùn)動很方便。（3） 空間直線運(yùn)動。這是一種直角空間里的運(yùn)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(yùn)動。這是一種在描述空間中用明確的函數(shù)表達(dá)的運(yùn)動。5.2 設(shè)一機(jī)器人具有6個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)運(yùn)動均按三次多項(xiàng)式規(guī)劃，要求經(jīng)過兩個中間路徑點(diǎn)后停在一個目標(biāo)位置。試問欲描述該機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動，共需要多少個獨(dú)立的三次多項(xiàng)式?要確定這些三次多項(xiàng)式，需要多少個系數(shù)?答：共需要3個獨(dú)立的三次多項(xiàng)式； 需要72個系數(shù)。5.3 單連桿機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，從q = 5°靜止開始運(yùn)動，要想在4 s內(nèi)使該關(guān)節(jié)平滑地運(yùn)動到q =+80°的位置停止。試按下述要求確定運(yùn)動軌跡： (1)關(guān)節(jié)運(yùn)動依三次多項(xiàng)式插值方式規(guī)劃。 (2)關(guān)節(jié)運(yùn)動按拋物線過渡