工業(yè)機器人習(xí)題課+答案

1、習(xí)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(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類的干預(yù)。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(yīng)用的一種能進行自動控制的、可重復(fù)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(fù)運動的小車上。三、按幾何結(jié)構(gòu)，機器人可分為那

2、幾種？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（DegreeofFreedom,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（WorkingSpace）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)由哪三部分組成

3、？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,按手爪的運動方式分為：回轉(zhuǎn)型

4、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723c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：換接器插座和，換

5、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(dǎo)運動)，c.輪系機構(gòu)一2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3,主動柔順邊檢測，邊修正。被動柔順角度誤差

6、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系中的三個坐標分量用（x,V,z）表示，若有四個不同時為零的數(shù)（x；y&#

7、39;,z；k）與三個直角坐標分量之間存在以下關(guān)系：FFrxvzx，y，z=kkk則稱（x'，y'，z'，k）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(yīng)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(yīng)的齊次坐標值之間的比例關(guān)系。cos"sin10I0-sin"cos7100十六.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：0Px0Pv二RPij1Pz0101矩陣，它描述了姿態(tài)關(guān)系；右上意義：左上角的3X3矩陣是兩個坐標系之間的旋轉(zhuǎn)變換角的3X1矩

8、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:cos1sin80J0-sin口cos1000Pxl1000Py1PzPxcosBPvsingPz1一-sinucos0000001001即：Mj=MpMzr任何一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：Mj=nv0VaVnzozaznxoxax000PxPvPz1Px-nxoxax0PvnV0VaV0Pznzozaz010001100010001000十八.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

9、移，后旋轉(zhuǎn)一先旋轉(zhuǎn)，后平移。變換參數(shù)取反。旋轉(zhuǎn)(。)一(-。)，平移(Px,Py,Pz)一(-Px,-Py,-Pz)。若齊次變換矩陣為：Mj=貽MlM小0nxOxaxPx)nyOyayPyRijnzOzazPz100001nxnynz-R；Pij=ox0yoz1 axayazPij1-Pn-Po-Pa1十九.機器人運動學(xué)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M°h。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M°h,求關(guān)節(jié)變量qi的值。逆解

10、特征分三種情況：多解、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(xué)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1,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(xué)方程的正解和逆解有何特征？各應(yīng)用在什么場合？逆解如何計算？1,2,3,正解特征：唯一性逆解特征：多解，唯一解，無解M&

11、#176;n=M。匍"FMM0為M0n=M12M23M-iMn_1nM0n-M23M34MJMnn0nz10、已知j是由i經(jīng)過以下變換來的:(。繞z軸旋轉(zhuǎn)45二；沿矢量p=3i5j7k平移；(3繞x軸旋轉(zhuǎn)300計算：(。i與j之間的齊次變換矩陣；(2)若j中有矢量rj=10i+20j+30k,則其在i中的坐標分量是多少？(3)若i中有矢量£=10i+20j+30k,則其在j中的坐標分量是多少？11、已知三關(guān)節(jié)機器人如圖所示，計算：(1)根據(jù)已知參數(shù)建立機器人運動學(xué)方程；(2)若關(guān)節(jié)變量qi=30,60,100T,則機器人手的位置和姿態(tài)是多少？(3若已知機器人手的位姿Oxax

12、PxOyAyPyOzazPz001第四章二十三：機器人動力學(xué)解決什么問題？什么是動力學(xué)正問題和逆題?1,2,3,機器動力學(xué)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。動力學(xué)正問題：已知關(guān)節(jié)運動，求關(guān)節(jié)驅(qū)動力（矩）.動力學(xué)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：FC=maC牛頓方程一慣性力矢量。質(zhì)心上的線加速度。3,歐拉方程：歐拉方程一慣性力矩M=Ic矢量。質(zhì)心上的慣性張量矩陣。1Cxx1Cxy1Cxz1Cxy1Cyy1CyzICxzICyzICzz1C卜五.什么是慣性張量矩陣？如何計算?慣性張量矩陣:理論

13、計算方法:ICxx1Cxyiii(y2z2)?dvV111xydvV1Cyy1CxzIII(z2x2)?dvVillxzdvVICzz=''I(x2y2)dv1CyzV!yzdvV實驗測試法：慣量擺儀器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

14、什么？當(dāng)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：0=；o=Vo=a。=0*考慮桿件自重或手部負載為重物時:10=0=vo=0，ao=g。go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：fh=fni,mh-mn1二十九.寫出機器人動力學(xué)模型，并簡述各項的含義F=D(q)qH(q,q)G(q)上式也稱為機器人的動力學(xué)模型。式中：D(q)q'是機器人動力學(xué)模型中的慣性力項;D(q)表示機器人操作機的質(zhì)量矩陣，它是nxn階的對稱矩陣;包括離心H(q，q)是nxi階矩陣，表示機器人動力學(xué)模型中非線性的

15、耦合力項,力(自耦力)和哥氏力(互耦力)；G(q)也是nxi階矩陣，表示機器人動力學(xué)模型中的重力項。8、已知二關(guān)節(jié)機器人如圖所示。若各個關(guān)節(jié)的速度和加速度分別為。，&和d2，d2,當(dāng)機器人手部負載為一質(zhì)量m時,試計算各個關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動力或驅(qū)動力矩。400400-177777第五章卜.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

16、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,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:'人機對話,“數(shù)學(xué)運算控制器上位機：個人微機、小型計算機j通信數(shù)據(jù)存儲下位機：單片機、運動控制器T'伺服驅(qū)動檢測傳感器J內(nèi)部傳感器：自身關(guān)節(jié):外部傳感器：外部環(huán)境運動狀態(tài)檢測參數(shù)變化檢測b.軟件：二'計算機操作系統(tǒng)T個人微機、小型計

17、算機八、系統(tǒng)初始化程序T單片機、運動控制器動作控制軟件T實時動作解釋執(zhí)行程序、運算軟件T運動學(xué)、動力學(xué)和插補程序編程軟件T作業(yè)任務(wù)程序編制環(huán)境程序監(jiān)控軟件T實時監(jiān)視、故障報警等程序C：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(xué)運算：機器人運動學(xué)、動力學(xué)和數(shù)學(xué)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。(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

18、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

19、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，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：4期王u手的運動關(guān)節(jié)產(chǎn)生運動反饋b.分為：第一步：關(guān)節(jié)運動伺服指令的生成，

20、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(xué)方程的求解和各種插補運算等數(shù)學(xué)方法最終生成相應(yīng)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

21、規(guī)劃如何實現(xiàn)？第一步：由手的位姿得到對應(yīng)關(guān)節(jié)的位移；第二步：不同點對應(yīng)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、線性多變量控制方法3、自適應(yīng)控制4、自學(xué)習(xí)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(xué)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(yīng)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(xué)習(xí)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