機器人技術基礎課后習題答案

1、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 .機器人的動作結構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的干預。0.2工業(yè)機器人與數(shù)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(shù)控機床為閉式運動鏈； I '2.工業(yè)機器人一般具有多關節(jié)，數(shù)控機床一般無關節(jié)且均

2、為直角坐標系統(tǒng)；| >. J /I I j 3 . I業(yè)機器人是用于I業(yè)中各種作業(yè)的臼動化機器而數(shù)控機床應用于冷加I。 ：八''11 I ,I -I | ；4 .機器人靈活性好，數(shù)控機床靈活性差。1 .riI .飛、". r - - - _ j I *.,1F|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。7_Ft_-1 _ 1j 二J / f答：自由度是機器人所具有的獨立坐標運動的數(shù)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(tǒng)計數(shù)據(jù)，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圍，可以用

3、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(shù)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° < 0 1<180° ,-90° < 0 2<

4、;180°，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10.00 20.00 30.00 T ,相對參考系作如下齊次坐標變換：0.866-0.5000.00011.00.5000.8660.000-3.0A=0.0000.0001.0009.0-0001_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。-0.866-0.5000.0000.5000.8660.0000.0000.0001.000一 000解：v =Av=11.010.009.66屬于復合變換:旋轉算子Rot (Z30?)0.8660.5-0.5

5、0.866平移算子 Trans (11.0 ,-3.0 , 9.0 )一1011.0-3.09.01.2 有一旋轉變換，先繞固定坐標系換矩陣。解：0.500.866一10-0.8660.51.3 坐標系B起初與固定坐標系J0乙軸轉45?,0.8660.5再繞其為軸轉30?,R=Rot(Y ,60?)Rot最后繞其丫0軸轉60?,試求該齊次坐標變h ； ,；30?)Rot(Z ,45?-0.50.8660.7070.707-0.7070.707O相重合，現(xiàn)坐標系B繞ZB旋轉30?,0.6600.612-0.436-0.0470.7500.612-0.436然后繞旋轉后的動坐標系的0.50.433

6、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=一10最后矩陣：B' =Rot(Z ,30?)"0.866-0.3530010.50.612-0.612000.7070.7070一 0001_BRot (X, 45?)=1.0000.0000.0000.00.0000.866-0.50010.00.0000.5000.866-20.01 0001 10.866-0.5000.000-3.0 10.4330.750-0.500-3.00.2500.4330.8663.01 0001 _1.4坐標系A及B在固定坐標系A二B=O中的矩陣表達

7、式為畫出它們在O坐標系中的位置和姿勢；A=Trans (0.0 , 10.0 , -20.0 ) Rot (X, 30?) OB=Trans(-3.0 , -3.0 , 3.0) Rot(X , 30?) Rot (Z, 30?) O1.5寫出齊次變換陣1AH ,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Za軸旋轉90?。, , _"f11(2)繞Xa軸旋轉-90?。中？if尸f(3)移動 3 7 9T。解:AH =Trans (3, 7,9) Rot (X, -90?) Rot (Z, 90?)00.0317 09 01一000-d0010001-0 -10 100 0

8、 01-000 00 01 00 1一 100900-100 9 00 119-1000001001 一。0 _ 00-111 -0-10 30170090011.6寫出齊次變換矩陣；H ,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 3 7 9T。(2)繞Xb軸旋轉90?。(3)繞 Zb軸轉-90?。.Bb H =Trans (3, 7, 9) Rot(X, 90?) Rot (Z, 90?)=-1-1-10 -1-11.7 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=-1-

9、1 1-11-1B=-1-11 1 -11A' =Trans(2Rot-10in90?)011Rot(X , 01-490? ) Trans (0,-41-1-110 04 4-1-1-1021-1-10-14-11 22-12 2 0-1 1 101-10ir 0011B' =Rot (X, 90?) Rot (Y, 90?) Trans (0, -5 , 0) B=-110011-50 -1-11 -10 0-0 0000 -50【00 -5一15-1-1-11 0-121-11；關節(jié)2為移動關節(jié)，關節(jié)變量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)

10、變量為。為d2。試：(1)建立關節(jié)坐標系，并寫出該機械手的運動方程式。(2)按下列關節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的位置值。010?30?60?90?d2/m0.500.801.000.70如圖 坐標解：建立 所示的 系參數(shù)和關節(jié)變量連桿0aad10 1000200d20機械手的運動方程式：手部中心位置值B一10.50當。1=0?, d2=0.5 時:當 0 1=30?, d2=0.80.866-0.500.43310.50.86600.40000J 0001 -0.5-0.86600.50.8660.50 0.8660000-0001當 0 1=60?, d2=1.0時手部中心位置值B手部中心位置值

11、B當 0 1=90?, d2=0.70-1001000.70000.0001手部中心位置值B,A2的變換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,試建立各桿件坐標系，求出矩陣。解：建立如圖所示的坐標系參數(shù)和關節(jié)變量連桿0aad11002100A1=Rot( Z, 0 1)Trans(1,0,0)Rot(X,0o)=cos-1 sin» 0A2=Rot( Z, - 9 2)Trans(l,0,0)Rot(X,90o)=S92 |C920J 0-sin%0c-1cos%0s%0100010s匕00 - M 00000011.13有一臺如題1.13圖所示的三自由度

12、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-H坐標系，然后求各變換矩陣A, A2 , A3o解：D-H坐標系的建立按D-H方法建立各連桿坐標系參數(shù)和關節(jié)變量A1 =cos4sin40sin %-cos%L21cos 二2sin 920一sin zcos%0L3 cos %L3 sin %0cos飛sin為0-sin %3cos飛0L4 cos3L4 sin%03.1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若干個點,將其經運動學反解映射到關節(jié)空間，對關節(jié)空

13、間中的相應點建立運動方程，然后按這些運動方程對關節(jié)進行插值，從而實現(xiàn)作業(yè)空間的運動要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。(1)示教一再現(xiàn)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(shù)q(t);再現(xiàn)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)空間里進行。由于動力學參數(shù)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(4)空間曲線運動。這是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)。種在描述空間中用明確的函數(shù)表達的運動。3.2設一機器人具有6個轉動關節(jié)，其

14、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)的運動，共需要多少個獨立的三次多項式 系數(shù)？答：共需要3個獨立的三次多項式；需要72個系數(shù)。?要確定這些三次多項式，需要多少個3.3單連桿機器人的轉動關節(jié)，從 q=- 5°靜止開始運動，要想在 4s內使該關節(jié)平滑地運動到 q=+80。的位置停 止。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 )采用次多項式插值函數(shù)規(guī)劃其運動。已知e0 = -5：ef =80：tf =4s,代入可得系數(shù)為a0 = - 5,a1 =0,

15、a2 =15.94, a3 = - 2.66連桿ad10190?0L1 + L22820038300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(jù)題意，定出加速度的取值范圍：（2 ,算出過渡時間tai ,如果選；=42=0.594s4. 422 42 -4 42 85tai = - -22 42計算過渡域終了時的關節(jié)位置 ai和關節(jié)速度日：，得1.1 2%=_5（- 42 0.5942） =2.41.2 機器人本體主要包括哪幾部分？以關節(jié)型機器人為例說明機器人本體的基本結構和主要特點。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）手部基本結構

16、：機座結構、腰部關節(jié)轉動裝置、大臂結構、大臂關節(jié)轉動裝置、小臂結|構、小臂關節(jié)轉動裝置、手腕結構、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 人的結構剛度不高，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)行器反饋信號有關。連桿的驅動屬于伺服控 制型，因而對機械傳動系統(tǒng)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)、

17、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化I的，因此，極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。1.3 如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.碳素結構鋼和合金鋼 2.鋁、鋁合金及其他輕合金材料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 日?為提高構件剛度選用材料日,次些還是小些好，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.避小，構件質量越小，則構件的慣性力越小， 剛度越大。所以日大些好。4.4 機

18、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，避免卡死。（3）驅動方式適宜。（4）結構布置合理。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：（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hA2fL時立柱依靠自重下降就不會引起卡死現(xiàn)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F m1及Fm2,因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件為即 h 2fL式中：h為導套的長度（m）; f為導套與立柱之間的摩擦系數(shù)，f=0.0150.1 , 一般取較大值；L為偏重力臂（

19、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，要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附，不適宜 高溫條件；3 .真空式吸盤：利用真空原理來抓持工件，要求工件表面平整光滑、干燥清潔，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，適應工件表面傾角的變化。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

20、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(tǒng)設置兩個對稱的分支傳動，并且其中有一個具有回彈能力。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：齒廓表面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結構的基本形式和特點。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

21、式：在行走過程中，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比較多，多用于野外作 業(yè)，比較成熟。步行式行走機構正在發(fā)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(jù)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?shù)能浖到y(tǒng)，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

22、現(xiàn)過程快。 缺點：(1)示教相對于再現(xiàn)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)示教軌跡的重復性差；(4)無法接受傳感器信息；(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MOTOMANU叫人焊接作業(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)；52 .創(chuàng)建新的示教程序，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)開始位置、作業(yè)結束位置 等位置并輸入相應的插補方式及相應的操作命令；53 .示教軌跡的確認。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：比較簡單，編程容易。缺點：功能有限，無法進行繁復的數(shù)學運算，不接受浮點數(shù)和字符串，子程序不含有自變量；不能接受復雜的傳 感器信息，只能接受傳感器開關信息；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