(完整版)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)(課后習(xí)題答案)

1、0.1簡(jiǎn)述工業(yè)機(jī)器人的定義，說(shuō)明機(jī)器人的主要特征。答：機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具、或?qū)Ｓ醚b置，通過(guò)可編程動(dòng)作來(lái)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(dòng)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(dòng)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)。0.2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(dòng)為開式運(yùn)動(dòng)鏈而數(shù)控機(jī)床為閉式運(yùn)動(dòng)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(wú)關(guān)節(jié)且均為直角坐標(biāo)系統(tǒng)

2、；3. 工業(yè)機(jī)器人是用于工業(yè)中各種作業(yè)的自動(dòng)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。0.5簡(jiǎn)述下面幾個(gè)術(shù)語(yǔ)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(dòng)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(jì)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(lái)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)參數(shù)中

3、加以說(shuō)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。0.6什么叫冗余自由度機(jī)器人？答：從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，完成某一特定作業(yè)時(shí)具有多余自由度的機(jī)器人稱為冗余自由度機(jī)器人。0.7題0.7圖所示為二自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手，圖中L1=2L2，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍是0°WeiW180°,-90°WG2W180°,畫出該機(jī)械手的工作范圍（畫圖時(shí)可以設(shè)L2=3cm）。1.1點(diǎn)矢量v為10.0020.0030.00T，相對(duì)參考系作如下齊次坐標(biāo)變換：0.866-0.5000.00011.00.5000.8660.000-3.00.0000.0001.0

4、009.00001A=寫出變換后點(diǎn)矢量V的表達(dá)式，并說(shuō)明是什么性質(zhì)的變換，寫出旋轉(zhuǎn)算子Rot及平移算子Trans。0.8660.500-0.5000.8660.0000.00011.0-3.0V，=AV=0.0000.0001.0009.00001解：10.0020.0030.001屬于復(fù)合變換：9.6619.323910.8660.5旋轉(zhuǎn)算子Rot(Z,30)=0-0.50.86600000010010100平移算子Trans(11.0，-3.0，9.0)=100100011.0-3.09.011.2有一旋轉(zhuǎn)變換，先繞固定坐標(biāo)系Z0軸轉(zhuǎn)4$,再繞其X0軸轉(zhuǎn)30,最后繞其Y0軸轉(zhuǎn)60,試求該齊

5、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)_0.500.866°10010000.866-0.86600.5000.500000.660-0.0470.75000.6120.612-0.50-0.436-0.4360.4330_0001_000.707-0.70700_-0.50|10.7070.707000.8660|100100100011.3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(dòng)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。100解：起始矩陣：B=O=10010

6、000001最后矩陣：B'=Rot(Z,30)BRot(X,45)0.866-0.353000.50.612-0.612000.7070.707000011.4坐標(biāo)系A(chǔ)及B在固定坐標(biāo)系O中的矩陣表達(dá)式為1.0000.0000.0000.0-A=0.0000.866-0.50010.00.0000.5000.866-20.000010.866-0.5000.000-3.0B=0.4330.750-0.500-3.00.2500.4330.8663.00001畫出它們?cè)贠坐標(biāo)系中的位置和姿勢(shì)；A=Trans(0.0,10.0,-20.0)Rot(X,30)OB=Trans(-3.0,-3.

7、0,3.0)Rot(X,30)Rot/1.5寫出齊次變換陣AH,B(1) 繞Z軸旋轉(zhuǎn)90。A(2) 繞X軸旋轉(zhuǎn)-90。解：AHB=Trans(3,7,9)1003_1000_0-100107001010000190-10000100010001000(3) 移動(dòng)b79卜。01003_0-10000017100000-1090010100010001(X,-90T)Rot(Z,90)=A0-1030017-100900011.6寫出齊次變換矩陣BH，它表示坐標(biāo)系B連續(xù)相對(duì)自身運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系B作以下變換:(1) 移動(dòng)b79卜。(2) 繞X軸旋轉(zhuǎn)90。.B(3) 繞Z軸轉(zhuǎn)-90。.B1.7對(duì)于1.7圖(

8、a)所示的兩個(gè)楔形物體，試用兩個(gè)變換序列分別表示兩個(gè)楔形物體的變換過(guò)程，使最后的狀態(tài)如題1.7圖(b)所示。1,(11.1)0.C:、iHrUQrllf/L)0Z倔r-0.1)C1.5ta.i)氓SB(a)(b)1003_0100-0103_00-17-100000-1701090010-10090001000100011-1-111-1-1-111-004400B=559955000022000022111111111111解：A=0，A'=Trans(2，0)Rot(Z，90)Rot(X，90)Trans(0，-4，0)A=10020-10010001000010010000010

9、010-4001000100-100001000010001000100011-1-111-100121-1-111-00440010000044000000220-1040000221111110001111111222200B"=Rot(X，90)Rot(Y，90)Trans(0，-5，01000_0010_1000-1-1-111-1_00-100100010-55599550100-10000010000022000100010001111111111111)B=001010001-1-111-100101000010-5559955100001000010000022010

10、-50001000111111100011-1-111-1000022-5599551-1-111-1000022004400111111111111關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，1.8圖所示的二自由度平面機(jī)械手關(guān)節(jié)變量為J?。試：關(guān)節(jié)變量為91；關(guān)節(jié)21.8010306090d/mo0.500.801.000.70如題為移動(dòng)關(guān)節(jié)(1)建立關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，并寫出該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程式(2)按下列關(guān)節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的位置值。解：建立如圖所示的坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿eaad1e1000200do0C0-S000100d_112S0C000010011A=Trans(d,0,0)=00002200100001

11、0001A=Rot(Z,0)=11機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程式：cos01sin0100T二AA21-sin01cos0cos01d2dsin02當(dāng)e1=0,d=0.5時(shí)：21手部中心位置值B=當(dāng)e=30,d=0.8時(shí)120.866-0.50.433B=手部中心位置值0.866當(dāng)e=60,d=1.0時(shí)12手部中心位置值B=當(dāng)e=90,d=0.7時(shí)12手部中心位置值B=0.50.866000-1100000-0.8660.5000000.7000100000.50.86601001.11題1.11圖所示為一個(gè)二自由度的機(jī)械手，兩連桿長(zhǎng)度均為lm,試建立各桿件坐標(biāo)系,求出A!，A2的變換矩陣。解：建立如圖所

12、示的坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量A2=Rot(Z,_°2)Trans(l,0,0)Rot(X,90°)=s02c02000s020-c020000011.13有一臺(tái)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(qǐng)標(biāo)出各連桿的D-H坐標(biāo)系，然后求各變換矩陣A!，A?，A3。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cos92sin9A=220-sin90Lcos9232cos90Lsin9232010001cos93sin9A=3300-sin93cos93000Lcos9430Lsin94310013.1 何謂軌跡規(guī)劃？簡(jiǎn)述軌跡

13、規(guī)劃的方法并說(shuō)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(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，即運(yùn)動(dòng)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(gè)點(diǎn)，將其經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對(duì)關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)點(diǎn)建立運(yùn)動(dòng)方程，然后按這些運(yùn)動(dòng)方程對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間的運(yùn)動(dòng)要求，這一過(guò)程通常稱為軌跡規(guī)劃。1）示教再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)由人手把手示教機(jī)器人，定時(shí)記錄各關(guān)節(jié)變量，得到沿路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)各關(guān)節(jié)的位移時(shí)間函數(shù)q（t）；再現(xiàn)時(shí)，按內(nèi)存中記錄的各點(diǎn)的值產(chǎn)生序列動(dòng)作。（2）關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)直接在關(guān)節(jié)空間里進(jìn)行。由于動(dòng)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(shí)間運(yùn)動(dòng)很方便。（3）空間

14、直線運(yùn)動(dòng)。這是一種直角空間里的運(yùn)動(dòng)，它便于描述空間操作，計(jì)算量小，適宜簡(jiǎn)單的作業(yè)。（4）空間曲線運(yùn)動(dòng)。這是一種在描述空間中用明確的函數(shù)表達(dá)的運(yùn)動(dòng)。3.2 設(shè)一機(jī)器人具有6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)均按三次多項(xiàng)式規(guī)劃，要求經(jīng)過(guò)兩個(gè)中間路徑點(diǎn)后停在一個(gè)目標(biāo)位置。試問(wèn)欲描述該機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，共需要多少個(gè)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(gè)系數(shù)?答：共需要3個(gè)獨(dú)立的三次多項(xiàng)式；需要72個(gè)系數(shù)。3.3單連桿機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，從q=-5°靜止開始運(yùn)動(dòng)，要想在4s內(nèi)使該關(guān)節(jié)平滑地運(yùn)動(dòng)到q=+80°的位置停止。試按下述要求確定運(yùn)動(dòng)軌跡：（1）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)依三次多項(xiàng)式插值方式規(guī)劃。（

15、2）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)按拋物線過(guò)渡的線性插值方式規(guī)劃。解：采用三次多項(xiàng)式插值函數(shù)規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)。已知00一5。,0f-8°。，tf-4s'代入可得系數(shù)為a=5,a=0,a=15.94,a=2.660123運(yùn)動(dòng)軌跡：0（t）=-5+15.94t22.66t30（t）=31.88t7.98t20（t）=31.8815.96t（2）運(yùn)動(dòng)按拋物線過(guò)渡的線性插值方式規(guī)劃0=5。,0=80。,t=4s,0ff根據(jù)題意，定出加速度的取值范圍：0*>4x85。16=21.25。/S2，算出過(guò)渡時(shí)間ta1ta1=2y'422x424x42x852x42=0.594s計(jì)算過(guò)渡域終了時(shí)的關(guān)節(jié)位置0

16、和關(guān)節(jié)速度0，得a1110=5°+（2x42x0.5942）。=2.4°e=ETt=（42x0.594s）°=24.95/11a1ss4.1 機(jī)器人本體主要包括哪幾部分？以關(guān)節(jié)型機(jī)器人為例說(shuō)明機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)。答：機(jī)器人本體：(1)傳動(dòng)部件(2)機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)(3)機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)(4)腕部(5)手部基本結(jié)構(gòu)：機(jī)座結(jié)構(gòu)、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、大臂結(jié)構(gòu)、大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、小臂結(jié)構(gòu)、小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、手腕結(jié)構(gòu)、手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、末端執(zhí)行器。主要特點(diǎn)：(1) 一般可以簡(jiǎn)化成各連桿首尾相接、末端無(wú)約束的開式連桿系，連桿系末端自由且無(wú)支承，這決定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度不

17、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(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，屬于主動(dòng)連桿系，連桿的運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立，不同連桿的運(yùn)動(dòng)之間沒(méi)有依從關(guān)系，運(yùn)動(dòng)靈活。(3) 連桿驅(qū)動(dòng)扭矩的瞬態(tài)過(guò)程在時(shí)域中的變化非常復(fù)雜，且和執(zhí)行器反饋信號(hào)有關(guān)。連桿的驅(qū)動(dòng)屬于伺服控制型，因而對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。4.2 如何選擇機(jī)器人本體的材料，常用的機(jī)器人本體材料有哪些？答：需滿足五點(diǎn)基本要求：1.強(qiáng)度大2.彈性模量大3.重量輕4.阻尼小5.材料經(jīng)濟(jì)性常用材料：1.碳素

18、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(qiáng)合金4.陶瓷5.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料6.粘彈性大阻尼材料4.3何謂材料的E/p?為提高構(gòu)件剛度選用材料E/p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p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/p大些好。4.4 機(jī)身設(shè)計(jì)應(yīng)注意哪些問(wèn)題？答：(1)剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。(2)運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過(guò)短，避免卡死。(3)驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)度？解：(1)當(dāng)升降立柱的偏重力矩過(guò)大時(shí)，如果依靠

19、自重下降，立柱可能卡死在導(dǎo)套內(nèi)；當(dāng)h>2fL時(shí)立柱依靠自重下降就不會(huì)引起卡死現(xiàn)象。(2) 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Fm1及Fm2，因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件為W>F+F=2Ff=2-Wfm1m2N1h即11>2fL式中：h為導(dǎo)套的長(zhǎng)度(m)；f為導(dǎo)套與立柱之間的摩擦系數(shù)，/=0.0150.1,般取較大值；L為偏重力臂(m)。4.9機(jī)器人手爪有哪些種類，各有什么特點(diǎn)？答：1.機(jī)械手爪：依靠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)抓持工件；2. 磁力吸盤：通過(guò)磁場(chǎng)吸力抓持鐵磁類工件，要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附，不適宜高溫條件；

20、3. 真空式吸盤：利用真空原理來(lái)抓持工件，要求工件表面平整光滑、干燥清潔，同時(shí)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(jì)，增加了一個(gè)球關(guān)節(jié)，吸盤能傾斜自如，適應(yīng)工件表面傾角的變化。異形吸盤：真空吸盤的一種新設(shè)計(jì)，可以用于吸附雞蛋、錐頸瓶等非平整工件。4.15傳動(dòng)件消隙常有哪幾種方法，各有什么特點(diǎn)？答：1)消隙齒輪：相嚙合的兩齒輪中有一為兩個(gè)薄齒輪的組合件，能過(guò)兩個(gè)薄齒輪的組合來(lái)消隙；2) 柔性齒輪消隙：對(duì)具有彈性的柔性齒輪加一預(yù)載力來(lái)保證無(wú)側(cè)隙嚙合；3) 對(duì)稱傳動(dòng)消隙：一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)對(duì)稱的分支傳動(dòng)，并且其中有一個(gè)具有回彈能力。4) 偏心機(jī)構(gòu)消隙：當(dāng)

21、有齒輪磨損等原因造成傳動(dòng)間隙增加時(shí)，利用中心距調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整中心距。5) 齒廓彈性覆層消隙：齒廓表面覆有薄薄一層彈性很好的橡膠層或?qū)訅翰牧希ㄟ^(guò)對(duì)相嚙合的一對(duì)齒輪加以預(yù)載，來(lái)完全消除嚙合側(cè)隙。4.16簡(jiǎn)述機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)。答：基本形式：固定軌跡式和無(wú)固定軌跡式(步行式、輪式和履帶式)固定軌跡式：機(jī)身底座安裝在一個(gè)可移動(dòng)的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人沿絲杠縱向移動(dòng)。無(wú)固定軌跡式：在行走過(guò)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(dòng)物)的腿腳式，后兩者的形態(tài)為運(yùn)行車式。運(yùn)行車式行走機(jī)構(gòu)用得比較多，多用于野外作業(yè)，比較成熟。步行式行走機(jī)構(gòu)正在發(fā)展和完

22、善中。6.1 試述機(jī)器人示教編程的過(guò)程及特點(diǎn)。答：過(guò)程：操作者根據(jù)機(jī)器人作業(yè)的需要把機(jī)器人末端執(zhí)行器送到目標(biāo)位置，且處于相應(yīng)的姿態(tài)，然后把這一位置、姿態(tài)所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度信息記錄到存儲(chǔ)器保存。對(duì)機(jī)器人作業(yè)空間的各點(diǎn)重復(fù)以上操作，就把整個(gè)作業(yè)過(guò)程記錄下來(lái)，再通過(guò)適當(dāng)?shù)能浖到y(tǒng)，自動(dòng)生成整個(gè)作業(yè)過(guò)程的程序代碼。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，易于掌握，操作者不需要具備專門知識(shí)，不需復(fù)雜的裝置和設(shè)備，軌跡修改方便，再現(xiàn)過(guò)程快。缺點(diǎn)：(1)示教相對(duì)于再現(xiàn)所需的時(shí)間較長(zhǎng)；(2)很難示教復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡及準(zhǔn)確度要求高的直線；(3) 示教軌跡的重復(fù)性差；(4) 無(wú)法接受傳感器信息；(5) 難以與其他操作或其他機(jī)器人操作同步。6.2試舉例說(shuō)明MOTOMANUP6機(jī)器人焊接作業(yè)時(shí)的示教編程過(guò)程。答：S1.通過(guò)示教盒使機(jī)器人處于示教狀態(tài)；S2創(chuàng)建新的示教程序，用軸操作鍵將機(jī)器人依次移動(dòng)到準(zhǔn)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(bǔ)方式及相應(yīng)的操作命令；S3.示教軌跡的確認(rèn)。6.3 按機(jī)器人作業(yè)水平的程度分，機(jī)器人編程語(yǔ)言有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？答：1.動(dòng)作級(jí)編程語(yǔ)言：優(yōu)點(diǎn)：比較簡(jiǎn)單，編程容易。缺點(diǎn)：功能有限，無(wú)法進(jìn)行繁復(fù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，不接受浮點(diǎn)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