工业机器人韩建海复习

2-1.请为工业机器人和智能机器人给出定义。

答：工业机器人是一种用于移动各种材料、零件、工貝或专用装豐，通过町编程动作來完成各种任务并具有编程能力的多功能机械手。

智能机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种其有高度灵活性的自动化机器。

12简述机器人的组成部分及其作用。

答：机器人是由机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四部分组成。

其中，机械系统由机身、肩部、手腕、末端操作器和行走机构组成；工业机器人的机械系统的作用相当于人的身体。

驱动系统可分为电气、液压、气压驱动系统以及它们结介起來应用的综介系统组介：该部分的作用相当于人的肌肉。

控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使英完成规定的运动和功能：该部分的作用相当于人的人脑。

感知系统由内部传感器和外部传感器组成。

其中，内部传感器用于检测各关节的位置、速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息；外部传感器用于检测机器人与周圉坏境之间的一些状态变量，如距离、接近程度、接触程度等，用于引导机器人，便于其识别物体并作出相应的处理。

该部分的作用相当于人的五官。

2-1.工业机器人机械系统总体设计主要包括哪几个方面的内容？
答：工业机器人的设计过程是跨学科的综合设计过程，设计机械设计、传感技术、计算机应用和自动控制等多方面的内容。

2-2.机器人的三种驱动方式各自的优缺点是什么？
答：机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。

液压驱动方式
液压驱动的特点是功率人，结构简单，町以省去减速装置，能直接与被驱动的连杆相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄漏，故目前多用于特大功率的机器人系统。

优点：⑴液压容易达到较高的单位面积压力体积较小，可以获得较大的推力或转矩。

(2) 液压系统介质的町压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位总精度
(3) 液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制
(4) 液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率, 使
用寿命长。

缺点：(1)油液的粘度随温度变化而变化，这将影响工作性能。

高温容易引起燃烧、爆炸等危险
(2) 液体的泄漏难于•克服，要求液压元件有较高的柿度和质量，故造价较高(3) 需要
相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。

气压驱动方式
'(压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，同体枳条件卜•功率较小，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。

优点：(1)压缩空气粘度小，容易达到高速(1 IL/S)
(2) 利用工厂集中的空气乐缩机站供气，不必添加动力设备
(3) 空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业
(4) 气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。

缺点：⑴压缩空代常用压力为0.4〜0.6医°,若要获得较大的压力,其结构就要相对增大
(2)空P压缩性人，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很
困难。

（3）压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不肖会使钢类零件生锈， 导致机器人失灵。

此外，排气还会造成噪声污染。

电气驱动方式
电气驱动所用能源简单，机构速度变化范闱大，效率高，速度和位置精度都很高，且貝 有使用方便、噪声低利控制灵活的特点。

2-4. T 业机器人对臂部设计有什么基本要求？
答：（1）手臂应具有足够的承载能力和刚度。

（2） 导向性要好。

（3） 重量和转动惯量要小。

（4） 运动要平稳、定位精度要高。

3J.点矢量v 为[10.00 20.00 30.00] 丁，相对参考系作如下齐次坐标变换： 0.866 -0.500 0.000 11.0 0.500 0.866 0.000 -3.0 0.000
0.000 1.000 9.0 0
1
写出变换后点矢最V 的表达式•并说明是什么性质的变换•写出其经平移坐标变换和旋转变 换后的其次坐标变换矩阵（即写出旋转算了 Rot 及平移算子Trans ）o
试求该齐次坐标变换矩阵。

解：v =Av= 0.866 0.500
-0.500 0.000 11.0
0.866 0.000 -3.0 0.000 0.000
1.000 9.0
0 ■
1
属于复合变换：
0.866 -
0.5 (
旋转算子Rot （Z,
30)=
0.5 0.866 (
0 0 1
0 (
10 0 11.0_
0 1 0 -3.0
0 0 1
9.0
0 0 0
1
0 0
平移算子 Trans (11.0, -3.0, 9.0)= 0
1
再绕其X 。

轴转30.最后绕其Y 。

轴转60,
解： 齐次坐标变换矩阵
R=Rot(Y ■ 60)
Rot ( X , 30) Rot(Z , 45)
32有一旋转变换•先绕固定坐标系Z 。

轴转45.
_
0.5
0 0.866 o' 1
0 0_ r0.707 -0.707 0 0_
1 0
0 0 0.866
-0.5
0 0.707
0.707 0 0
-0.866 0 0.5
0 0
0.5
0.866 0 0
0 1 0
0 0 0
1.
1
- -0
1
'0.660 -0.047 0.750 0_
0.612
0.612
—0.5
-0.436 一 0.436 0.433 0
1
33坐标系｛B ｝起初与固定坐标系｛0｝相巫合，现坐标系｛B ｝绕Z B 旋
转30,
然后绕旋转后的动坐 标系的X B 轴旋转45.试写出该坐标系｛B ｝的起始矩阵表达式和最后矩阵衣达式。

1 0 0 0~
解：起始矩阵：B=o=
0 0 10
0 0 0 1
(1) 绕Z A 轴旋转90。

(2) 绕乂八轴旋转 (3) 移动［3 7 9『。

解:
=Trans (3 • 7 ,
9 )
Rot (
X
-90) Rot (Z , 90)
'1
0 0
3_ '1
0 0
0- 「0 -1
0 0_
■
-1 0
3'
0 1 0 7
• 0 0 -1 0 1 0 0 0
0 0 -1 7
0 0 1 9 0 1 0 0 0 0 1 0
1
0 9
_0 0 0 1_ _0 0 0 1_ L0
0 L
_0 0
3-6.写出齐次变换矩阵；H ,它表示坐标系｛B ｝连续相对自身运动坐标系｛B ｝作以卜变换:
(2)移动［3 7 9『。

(2)绕X B 轴旋转90° .
0.866
0.5 - 0.353
0.612 0 -0.612
0 0 最后矩阵:B =Rot(Z, 30) BRot (X, 45)=
0.707 0.707 0
■
1
3-5.写出齐次变换阵百H ,
它表示坐标系｛B ｝连续相对周定坐标系｛A ｝作以卜•变换:
(3)绕Z B 轴转・90。

・
二Trans (3. 7> 9) Rot (X, 90) Rot (乙 90)=
'1 0 0 3~ '1
0 0 0_
「0 -1 0
o'
■
0 -1 0 3 0 1 0
7
1 0 0 _ 1 0 1 0 0 0
0 _ 1 7
1 0 0 1 9 0 1 0
0 0 0
1 0
1 0 0 9 _0 0 0 1_ _0 0 0 1-
0 0 1_
0 1
3-71.8如题2.8图所示的二口由度平面机械兀 关节2为转动关节，关节变量为8 u 关节 2为移动关
节，关节变量为&。

试：
(1) 建立关节坐标系，并写出该机械手的运动方程式。

(2) 按卜列关节变量参数求出手部屮心的位置值。

解：建立如图所示的坐标系 参数和关节变量
机械『的运动方程式:
coa6{ —siii6{ 0 cU cos6j
siii6{ 0 cos6{ 0 0 1
① siii6{
0 0 0 1
当 e 1=90 , d 2=0. 7 时
0-10 10 0
手部中心位置值8=
0 0 0 0 0 0
3-8
3-9.
3J0 •什么是机器人运动学逆解的多重性？
答：机器人运动学逆解的多垂性是指对于给定的机器人工作领域内，于•部可以多方向达 到冃标点，因此.对于给定的在机器人的工作域内的手部位置町以得到多个解。

44机器人力雅可比矩阵和速度雅可比矩阵冇何联系？ 答：力雅町比矩阵是速度雅克比矩阵的转
置。

52何谓点位控制和连续轨迹控制？举例说明它们在工业上的应用。

当e , <h=o.5 时:
1 0 手部中心位置值8= ° 1 0 0
0 0 0 0.5
0 0
0 0 0 1
当e x=30 • d 2=0. 8 时
手部中心位宣值
0.866 -0.5
0.5 0.866 0
B =
0 0 0 0
0・433
「 0.4 0
当e i=60 , d 2=i. o 时
手部中心位置
0.5
- 0.866 0 0.866 0.5 0 0 0 0 0
0 0.7 0 1
0.5 0.866 0
答：点位控制：指只规定各点的位姿，不规定各点之间的运动轨迹的控制方式。

应用：从事在印刷电路板上安插元件'点焊’搬运及上/下料等作业的工业人连续轨迹控制：指规定机器人定位位姿轨迹的控制方式。

应用：从班弧焊、喷漆、切割等作业的工业机器人
63比电编码器町用于测最的模拟呈有哪些？请说明绝对式与増最式光电编码器各自适用的场合。

答：光电编码器可以测量的模拟量：转角、直线位移、转轴的转速和转向
适用场合：
绝对式：用于长期定位控制的装置和设备中
增量式：广泛应用于数控机床、回转台、何服传动、机器人、雷达、军事目标测定仪器等需要检测角度的装置和设备中。

64利用增最式光电编码器以数字方式测最机器人关节转速，若已知编码器输出为1500脉冲/转，高速脉冲源周期为0.2ms,对应编码器的2个脉冲测得计数值为120,求关节转动角速度的值。

解：时间增量为：At二0. 2 X 120ms二24ms
角速度为:w二一二(2X2TT /1500)/0. 024=0. 349 rad/s
At
6-5.说明接近传感器的应用、常见种类及工作原理。

答：接触传感器用于判断在一规定距离范惘内是否有物体存在，主要用于物体抓取或避障类近距离工作的场合。

常见的种类：常见的接近觉传感器有电感式、电容式、光电式、霍尔效应式、超声波式和气压式五种
工作原理：
电感式：利用涡流感知物体接近
电容式：利用物体接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化的情况来控制开关光电式：利用被检测物体对红外光束的遮挡或反射，由同步回路选通來检测物体的冇无霍尔效应式：利用霍尔效应判断是否接近铁磁体
超声波式:测杲发射换能器发出的超声波经目标反射后沿原路返回接收器所需的时间来监测物体
气压式：通过检测气流喷射遇到物体时的压力变化來检测和物体之间的距离
6-6.工业机器人的触觉传感器能感知哪些环境信息？
答：广义上，它包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有关的感觉；
狭义上，它是机械手与对象接触面上的力感觉。