機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)(課后習(xí)題答案)

時間：二O二一年七月二十九日0.1簡述家產(chǎn)機(jī)器人的定義,說明機(jī)器人的主要特色.之邯鄲勺丸創(chuàng)作時間：二O二一年七月二十九日答：機(jī)器人是一種用于挪動各種資料、零件、東西、或?qū)Ｓ醚b置,經(jīng)過可編程動作來履行種種任務(wù)并擁有編程能力的多功能機(jī)械手.1.機(jī)器人的動作構(gòu)造擁有近似于人或其余生物體某些器官（肢體、感官等）的功能.機(jī)器人擁有通用性,任務(wù)種類多樣,動作程序靈巧易變.機(jī)器人擁有不合程度的智能性,如記憶、感知、推理、決議、學(xué)習(xí)等.機(jī)器人擁有獨(dú)立性,完好的機(jī)器人系統(tǒng)在任務(wù)中能夠不依靠于人的干預(yù).0.2家產(chǎn)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床有什么差別？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；家產(chǎn)機(jī)器人一般擁有多關(guān)節(jié),數(shù)控機(jī)床一般沒關(guān)節(jié)且均為直角坐標(biāo)系統(tǒng)；家產(chǎn)機(jī)器人是用于家產(chǎn)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.機(jī)器人靈巧性好,數(shù)控機(jī)床靈巧性差.時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日0.5簡述下邊幾個術(shù)語的含義：自有度、重復(fù)定位精度、任務(wù)規(guī)模、任務(wù)速度、承載能力.答：自由度是機(jī)器人所擁有的獨(dú)立坐標(biāo)運(yùn)動的數(shù)量,不包括手爪（末端履行器）的開合自由度.重復(fù)定位精度是對于精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù),指機(jī)器人重復(fù)抵達(dá)某一確立地點(diǎn)正確的幾率,是重復(fù)同一地點(diǎn)的規(guī)模,能夠用各次不合地點(diǎn)均勻值的誤差來暗示.任務(wù)規(guī)模是指機(jī)器人手臂尾端或手段中心所能抵達(dá)的所有點(diǎn)的會合,也叫任務(wù)地區(qū).任務(wù)速度一般指最大任務(wù)速度,能夠是指自由度上最大的穩(wěn)固速度,也能夠定義為手臂尾端最大的合成速度（往常在技術(shù)參數(shù)中加以說明）.承載能力是指機(jī)器人在任務(wù)規(guī)模內(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)動學(xué)的不雅點(diǎn)看,達(dá)成某一特定作業(yè)時擁有剩余自由度的機(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)角規(guī)模是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,畫出該機(jī)械手的任務(wù)規(guī)模（繪圖時能夠設(shè)L2=3cm）.1.1點(diǎn)矢量v為30.00]T,相對參照系作以下齊次坐標(biāo)時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日變換：A=

0.8660.5000.00011.00.5000.8660.0003.00.0000.0001.0009.00001寫出變換后點(diǎn)矢量v的表達(dá)式,并說明是什么性質(zhì)的變換,寫出旋轉(zhuǎn)算子Rot及平移算子Trans.0.8660.5000.00011.010.009.66解：v,=Av=0.5000.8660.0003.020.00=19.320.0000.0001.0009.030.0039000111屬于復(fù)合變換：0.8660.500旋轉(zhuǎn)算子Rot（Z,30?）=0.50.866000010000110011.0平移算子Trans（11.0,-3.0,9.0）=0103.00019.000011.2有一旋轉(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?）0.500.866010000.7070.70700=010000.8660.500.7070.70700=0.86600.5000.50.866000100001000100010.6600.0470.75000.6120.6120.500.4360.4360.43300001時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日1.3坐標(biāo)系{B}開初與固定坐標(biāo)系{O}相重合,現(xiàn)坐標(biāo)系{B}繞ZB旋轉(zhuǎn)30?,而后繞旋轉(zhuǎn)后的動坐標(biāo)系的XB軸旋轉(zhuǎn)45?,試寫出該坐標(biāo)系{B}的開端矩陣表達(dá)式和最后矩陣表達(dá)式.1000解：開端矩陣：B=O=0100001000010最后矩陣：B′=Rot(Z,30?）BRot（X,45?）=0.50.6120.612000.7070.707000011.4坐標(biāo)系{A}及{B}在固定坐標(biāo)系{O}中的矩陣表達(dá)式為{A}={B}=

1.0000.0000.0000.00.0000.8660.50010.00.0000.5000.86620.000010.8660.5000.0003.00.4330.7500.5003.00.2500.4330.8663.00001畫出它們在{O}坐標(biāo)系中的地點(diǎn)和姿勢；A=Trans（0.0,10.0,-20.0）Rot（X,30?）O時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日B=Trans(-3.0,-3.0,3.0）Rot(X,30?）Rot（Z,30?）O1.5寫出齊次變換陣BAH,它示意坐標(biāo)系{B}連續(xù)相對固定坐標(biāo)系{A}作以下變換：1）繞ZA軸旋轉(zhuǎn)90?.2）繞XA軸旋轉(zhuǎn)-90?.3）挪動379T.解：BAH=Trans（3,7,9）Rot（X,-90?）Rot（Z,90?）10031000010010030100=010700101000=00171000=001901000010010900100001000100010001000101030170090011.6寫出齊次變換矩陣BBH,它示意坐標(biāo)系{B}連續(xù)相對自己運(yùn)動坐標(biāo)系{B}作以下變換：（1）挪動379T.2）繞XB軸旋轉(zhuǎn)90?..3）繞ZB軸轉(zhuǎn)-90?..BBH=Trans（3,7,9）Rot（X,90?）Rot（Z,90?）=100310000100010700101000=001901000010000100010001時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日1003010001030017100000170109001010090001000100011.7對于1.7圖（a）所示的兩個楔形物體,試用兩個變換序列辨別示意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)111111111111解：A=004400B=559955000022000022111111111111A′=Trans(2,0,0）Rot（Z,90?）Rot（X,90?）Trans（0,-4,0）A=10020100100010000100100000100104001000100100001000010001000100011111110012111111004400=1000004400=00002201040000221111110001111111222200111111440044111111B′=Rot（X,90?）Rot（Y,90?）Trans（0,-5,0）B=時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日100000101000111111001001000105559955=01001000001000002200010001000111111100101000111111001010000105559955=1000010000100000220105000100011111110001111111000022559955=1111110000220044001111111111111.8如題1.8圖所示的二自由度平面機(jī)械手,關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)變量為θ1；關(guān)節(jié)2為挪動關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)變量為d2.試：1）成立關(guān)節(jié)坐標(biāo)系,并寫出該機(jī)械手的運(yùn)動方程式.2）按以下關(guān)節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的地點(diǎn)值.θ10?30?60?90?d2/m0.500.801.000.70解：成立以下圖的坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿θαаd1θ1000200d20機(jī)械手的運(yùn)動方程式：當(dāng)θ1=0?,d2=0.5時：1000.50100手部中心地點(diǎn)值B00000001當(dāng)θ1=30?,d2=0.8時時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日0.8660.500.4330.50.86600.4手部中心地點(diǎn)值B00000001當(dāng)θ1=60?,d2=1.0時0.50.86600.5手部中心地點(diǎn)值B0.8660.500.86600000001當(dāng)θ1=90?,d2=0.7時0100手部中心地點(diǎn)值B1000.7000000011.11題1.11圖所示為一個二自由度的機(jī)械手,兩連桿長度均為1m,試成立各桿件坐標(biāo)系,求出A1,A2的變換矩陣.解：成立以下圖的坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿θαаd1110022100cossinA1=Rot(Z,θ1)Trans(1,0,0)Rot(X,0o)=00

11

sincos00

11

cs01

11scA2=Rot(Z,-θ2)Trans(l,0,0)Rot(X,90o)00

22

0s20c2000011.13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標(biāo)的目的指定,請標(biāo)出各連桿的D-H坐標(biāo)系,時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日而后求各變換矩陣A1,A2,A3.解：D-H坐標(biāo)系的成立按D-H方法成立各連桿坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿123cos1A1=sin100

ad190?0L1+L220L3030L400sin100cos1010L1L2001cossinA2=00

22

sincos00

20L3cos2cos20L3sin2A3=sin100010

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sincos00

30L4cos330L4sin310013.1何謂軌跡規(guī)劃？簡述軌跡規(guī)劃的方法并說明其特色.答：機(jī)器人的軌跡泛指家產(chǎn)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,速度和加快度.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)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)成立運(yùn)動方程,而后按這些運(yùn)動方程對關(guān)節(jié)進(jìn)行插值,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間的運(yùn)動要求,這一過程往常稱為軌跡規(guī)劃.1）示教—再現(xiàn)運(yùn)動.這類運(yùn)動由人手把手示教機(jī)器人,準(zhǔn)時記錄各關(guān)節(jié)變量,獲得沿路徑運(yùn)動時各關(guān)節(jié)的位移時間函數(shù)q(t)；再現(xiàn)時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日時,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.這類運(yùn)動直接在關(guān)節(jié)空間里進(jìn)行.因?yàn)閯恿W(xué)參數(shù)及其極限值直接在關(guān)節(jié)空間里描繪,所以用這類方法求最短時間運(yùn)動很便利.3）空間直線運(yùn)動.這是一種直角空間里的運(yùn)動,它便于描繪空間操控,計算量小,適合簡單的作業(yè).4）空間曲線運(yùn)動.這是一種在描繪空間頂用明確的函數(shù)表達(dá)的運(yùn)動.3.2設(shè)一機(jī)器人擁有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)過兩此中間路徑點(diǎn)后停在一個目標(biāo)地點(diǎn).試問欲描繪該機(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?要確立這些三次多項(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).3.3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4s內(nèi)使該關(guān)節(jié)光滑地運(yùn)動到q=+80°的地點(diǎn)停止.試按下述要求確立運(yùn)動軌跡：(1)關(guān)節(jié)運(yùn)動依三次多項(xiàng)式插值方法例劃.(2)關(guān)節(jié)運(yùn)動按拋物線過渡的線性插值方法例劃.解：（1）采納三次多項(xiàng)式插值函數(shù)規(guī)劃其運(yùn)動.已知05,f80,tf4s,代入可得系數(shù)為a05,a10,a215.94,a32.66運(yùn)動軌跡：時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日2）運(yùn)動按拋物線過渡的線性插值方法例劃：依據(jù)題意,定出加快度的取值規(guī)模：假如選??,算出過渡時間ta1,422sta1=[44224244285]=0.594s2242?計算過渡域終了時的關(guān)節(jié)地點(diǎn)a1和關(guān)節(jié)速度1,得a1=5(1420.5942)2.424.1機(jī)器人本體主要包括哪幾部分？以關(guān)節(jié)型機(jī)器人為例說明機(jī)器人本體的基本構(gòu)造和主要特色.答：機(jī)器人本體：(1)傳動零件(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)手部基本構(gòu)造：機(jī)座構(gòu)造、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、大臂構(gòu)造、大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、小臂結(jié)構(gòu)、小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、手段構(gòu)造、手段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、尾端履行器.主要特色：一般能夠簡化成各連桿首尾相接、尾端無拘束的開式連桿系,連桿系尾端自由且無支承,這決定了機(jī)器人的構(gòu)造剛度不高,并隨連桿系在空間位姿的更改而更改.開式連桿系中的每根連桿都擁有獨(dú)立的驅(qū)動器,屬于主動連桿系,連桿的運(yùn)動各自獨(dú)立,不合連桿的運(yùn)動之間沒有允從關(guān)系,運(yùn)動靈巧.連桿驅(qū)動扭矩的瞬態(tài)過程在時域中的更改非常錯亂,且和履行器反響信號相關(guān).連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型,因此對機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度、空隙和運(yùn)動精度都有較高的要求.連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動向性能都是隨位姿的變更而更改的,所以,極簡單產(chǎn)生振動或出現(xiàn)其余不穩(wěn)固現(xiàn)象.4.2怎樣選擇機(jī)器人本體的資料,常常使用的機(jī)器人本體資料有哪些？時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日答：需知足五點(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.資料經(jīng)濟(jì)性常常使用資料：1.碳素構(gòu)造鋼和合金鋼2.鋁、鋁合金及其余輕合金資料3.纖維加強(qiáng)合金陶瓷5.纖維加強(qiáng)復(fù)合資料6.粘彈性大阻尼資料4.3何謂資料的E/？為提升構(gòu)件剛度采用資料E/大些仍是小些好,為何？答：即資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/大些好.4.4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)固性好.(2)運(yùn)動靈巧,導(dǎo)套不宜太短,防止卡死.(3)驅(qū)動方法適合.(4)構(gòu)造安插合理.4.5何謂起落立柱降落不卡死條件？立柱導(dǎo)套為何要有必定的長度？解：(1)當(dāng)起落立柱的著重力矩過大時,假如依靠自重降落,立柱可能卡死在導(dǎo)套內(nèi)；當(dāng)h2fL時立柱依靠自重降落就不會惹起卡死現(xiàn)象.（2）要使起落立柱在導(dǎo)套內(nèi)降落自由,臂部總重量W一定大于導(dǎo)套與立柱之間的摩擦力Fm1及Fm2,所以起落立柱依靠自重降落而時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日不惹起卡死的條件為即h2fL式中：h為導(dǎo)套的長度(m)；f為導(dǎo)套與立柱之間的摩擦系數(shù),f=0.015～0.1,一般取較大值；L為著重力臂(m).4.9機(jī)器人手爪有哪些種類,各有什么特色？答：1.機(jī)械手爪：依靠傳動機(jī)構(gòu)來抓持工件；磁力吸盤：經(jīng)過磁場吸力抓持鐵磁類工件,要求工件大要潔凈、平坦、乏味,以擔(dān)保靠譜地吸附,不適合低溫條件；真空式吸盤：利用真空原理來抓持工件,要求工件大要平坦光滑、乏味潔凈,同時氣密性要好.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,增添了一個球關(guān)節(jié),吸盤能傾斜自如,適應(yīng)工件大要傾角的更改.異形吸盤：真空吸盤的一種新設(shè)計,能夠用于吸附雞蛋、錐頸瓶等非平坦工件.4.15傳動件消隙常有哪幾種方法,各有什么特色？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件,能過兩個薄齒輪的組合來消隙；柔性齒輪消隙：對擁有彈性的柔性齒輪加一預(yù)載力來擔(dān)保無側(cè)隙嚙合；對稱傳動消隙：一個傳動系統(tǒng)設(shè)置兩個對稱的分支傳動,而且此中有一個擁有回彈能力.時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日4)偏愛計構(gòu)消隙：當(dāng)有齒輪磨損等原由造成傳動空隙增添時,利用中心距調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整中心距.齒廓彈性覆層消隙：齒廓大要覆有薄薄一層彈性很好的橡膠層或?qū)訅嘿Y料,經(jīng)過對相嚙合的一對齒輪加以預(yù)載,來完好除去嚙合側(cè)隙.4.16簡述機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)構(gòu)造的基本形式和特色.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(jī)身底座裝置在一個可挪動的拖板座上,靠絲杠螺母驅(qū)動,整個機(jī)器人沿絲杠縱向挪動.無固定軌跡式：內(nèi)行走過程中,步行式為中斷接觸,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,后二者的形態(tài)為運(yùn)轉(zhuǎn)車式.運(yùn)轉(zhuǎn)車式行走機(jī)構(gòu)用得比許多,多用于野外作業(yè),比較成熟.步行式行走機(jī)構(gòu)正在成長和完美中.6.1試述機(jī)器人示教編程的過程及特色.答：過程：操控者依據(jù)機(jī)器人作業(yè)的需要把機(jī)器人尾端履行器送到目標(biāo)地點(diǎn),且處于相應(yīng)的姿態(tài),而后把這一地點(diǎn)、姿態(tài)所對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度信息記錄到儲存器保存.對機(jī)器人作業(yè)空間的各點(diǎn)重復(fù)以上操控,就把整個作業(yè)過程記錄下來,再經(jīng)過適合的軟件系統(tǒng),自動生成整個作業(yè)過程的程序代碼.時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日長處：操控簡單,易于掌握,操控者不需要具備特意知識,不需錯亂的裝置和設(shè)施,軌跡改正便利,再現(xiàn)過程快.弊端：(1)示教相對于再現(xiàn)所需的時間較長；很難示教錯亂的運(yùn)動軌跡及正確度要求高的直線；示教軌跡的重復(fù)性差；沒法接受傳感器信息；難以與其余操控或其余機(jī)器人操控同步.6.2試舉例說明MOTOMANUP6機(jī)器人焊接作業(yè)時的示教編程過程.答：S1.經(jīng)過示教盒使機(jī)器人處于示教狀態(tài)；S2.創(chuàng)立新的示教程序,用軸操控鍵將機(jī)器人挨次挪動到準(zhǔn)備地點(diǎn)、可作業(yè)姿態(tài)、作業(yè)開始地點(diǎn)、作業(yè)結(jié)束地點(diǎn)等地點(diǎn)并輸入相應(yīng)的插補(bǔ)方法及相應(yīng)的操控命令；S3.示教軌跡確實(shí)認(rèn).6.3按機(jī)器人作業(yè)水平的程度分,機(jī)器人編程語言有哪幾種？各有什么特色？答：1.動作級編程語言：長處：比較簡單,編程簡單.弊端：功能有限,沒法進(jìn)行復(fù)雜的數(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；不克不及接受錯亂的傳感器信息,只好接受傳感器開關(guān)信息；與計算機(jī)的通訊能力很差.對象級編程語言：(1)擁有動作級編程語言