工业机器人

0.2工业机器人与数控机床有什么区别？答：1.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链；2.工业机器人一般具有多关节，数控机床一般无关节且均为直角坐标系统；3.工业机器人是用于工业中各种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。

4.机器人灵活性好，数控机床灵活性差。

0.7题0.7图所示为二自由度平面关节型机器人机械手，图中L1=2L2，关节的转角范围是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,画出该机械手的工作范围（画图时可以设L2=3cm）。

1.1 点矢量v为]00.3000.2000.10[T，相对参考系作如下齐次坐标变换：A=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10.9000.1000.0000.00.3000.0866.0500.00.11000.0500.0866.0写出变换后点矢量v的表达式，并说明是什么性质的变换，写出旋转算子Rot及平移算子Trans。

⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡115111111⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---11111122559955111111=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-15111⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---11111122559955111111=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---11111144111111221.8 如题1.8图所示的二自由度平面机械手，关节1为转动关节，关节变量为θ1；关节2为移动关节，关节变量为d2。

试：（1）建立关节坐标系，并写出该机械手的运动方程式。

（2）按下列关节变量参数求出手部中心的位置值。

解：建立如图所示的坐标系 参数和关节变量⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-==100000000000),(111111θθθθθC S S C Z Rot A ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡==10001000010001)0,0,(222d d Trans A机械手的运动方程式：当θ1=0，d 2=0.5时：手部中心位置值⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1000000000105.0001B 当θ1=30，d 2=0.8时手部中心位置值 ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=100000004.00866.05.0433.005.0866.0B 当θ1=60，d 2=1.0时手部中心位置值⎥⎥⎤⎢⎢⎡-866.005.0866.05.00866.05.012手部中心位置值⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=100000007.00010010B1.11 题1.11图所示为一个二自由度的机械手，两连杆长度均为1m ，试建立各杆件坐标系，求出1A ，2A 的变换矩阵。

解：建立如图所示的坐标系A1=Rot(Z , θ1) Trans(1,0,0)Rot(X , 0º)=A 2= Rot(Z , -θ2)Trans(l, 0, 0)Rot(X , 90º)有一台如题1.13图机构，各关节转角正向均由箭头所示方向指定，请标出各连杆的D-H 坐标系，然后求各变换矩阵1A ，2A ，3A 。

解：D-H 坐标系的建立 按D-H 方法建立各连杆坐标系参数和关节变量1A ==•=212A A T ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000100sin 0cos sin cos 0sin cos 12111211θθθθθθd d ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-100001000cos sin 0sin cos 111111θθθθθθs c ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-100000000002222θθθθc c s s ⎥⎥⎥⎥⎤⎢⎢⎢⎢⎡+-100100cos 0sin 0sin 0cos 211111L L θθθθ3A =3.1 何谓轨迹规划？简述轨迹规划的方法并说明其特点。

答：机器人的轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点位移，速度和加速度。

1a θ=οοο4.2)594.04221(52=⨯⨯+-s s a s t οο95.24)594.042(111=⨯==•••θθ4.1 机器人本体主要包括哪几部分？以关节型机器人为例说明机器人本体的基本结构和主要特点。

答：机器人本体：(1)传动部件 (2)机身及行走机构(3)机身及行走机构（4)腕部(5)手部基本结构：机座结构、腰部关节转动装置、大臂结构、大臂关节转动装置、小臂结 构、小臂关节转动装置、手腕结构、手腕关节转动装置、末端执行器。

主要特点：(1) 一般可以简化成各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系，连杆系末端自由且无支承，这决定了机器人的结构刚度不高，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。

(2) 开式连杆系中的每根连杆都具有独立的驱动器，属于主动连杆系，连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，运动灵 活。

(3) 连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常复杂，且和执行器反 馈信号有关。

连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。

(4) 连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化 的，因此，极容易发生振动或出现其他不稳定现象。

4.2 如何选择机器人本体的材料，常用的机器人本体材料有哪些？答：需满足五点基本要求：1.强度大 2.弹性模量大 3.重量轻 4.阻尼小 5.材料经济性 常用材料：1.碳素结构钢和合金钢 2.铝、铝合金及其他轻合金材料 3.纤维增强合金 4.陶瓷 5.纤维增强复合材料 6.粘弹性大阻尼材料4.3 何谓材料的E /ρ？为提高构件刚度选用材料E /ρ大些还是小些好，为什么？ 答：即材料的弹性模量与密度的比值；大些好，弹性模量E 越大，变形量越小，刚度走越大；且密度ρ越小，构件质量越小，则构件的惯性力越小，刚度越大。

所以E /ρ大些好。

4.4 机身设计应注意哪些问题？答：(1) 刚度和强度大，稳定性好。

(2) 运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。

(3) 驱动方式适宜。

(4) 结构布置合理。

4.5 何谓升降立柱下降不卡死条件？立柱导套为什么要有一定的长度？ 解：(1)当升降立柱的偏重力矩过大时，如果依靠自重下降，立柱可能卡死在导套内；当2h fL >时立柱依靠自重下降就不会引起卡死现象。

（2）要使升降立柱在导套内下降自由，臂部总重量W 必须大于导套与立柱之间的摩擦力及，因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的条件⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10100sin 0cos sin cos 0sin cos 23222322θθθθθθL L ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10000100sin 0cos sin cos 0sin cos34333433θθθθθθL L m1F m2F1说明工业机器人的基本组成及三大部分之间的关系：三大部分是：机械部分，传感部分，控制部分。

六大系统是：驱动系统，机械结构系统，感受系统，机器人—环境交互系统，人—机交互系统，控制系统。

2 自由度是机器人所具有独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。

重复定位精度是机器人重复定位其手部于同一坐标位置的能力。

工作范围值机器人末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。

工作速度是指主要自由度上的最大稳定速度，也可以定义为手臂末端最大的合成速度。

承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。

3机器人的应用情况：工业机器人的应用领域主要在以下三方面：一，恶劣的工作环境，危险工作场合。

二，特殊作业场合.三自动化领域。

我国工业机器人的应用前景十分宽广，但由于我国工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富，低廉，给工业机器人的发展和应用带来一定的困难。

4并联机器人的结构特点是什么？它适用于哪些场合？并联机器人与串联机器人想不，它没有那么大的活动空间，活动上平台也远远不如串联机器人的手部来的灵活，但并联机器人有刚度大等优点。

应用领域如一，模拟运动。

二，对接动作。

三承载运动。

四，金属切削加工机床。

五，测量机构和其他机构误差补偿其。

六，微动机构或微型机构等。

5工业机器人与数控机床有什么区别？答：1.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链；2.工业机器人一般具有多关节，数控机床一般无关节且均为直角坐标系统；3.工业机器人是用于工业中各种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。

4.机器人灵活性好，数控机床灵活性差。

6 工业机器人的结构分类：五种基本坐标式机器人，两种余自由度结构机器人，模块化机器人，并联机器人。

1.1 点矢量v 为]00.3000.2000.10[T，相对参考系作如下齐次坐标变换：A=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000.9000.1000.0000.00.3000.0866.0500.00.11000.0500.0866.0 写出变换后点矢量v 的表达式，并说明是什么性质的变换，写出旋转算子Rot 及平移算子Trans 。

解：v ，=Av=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000.9000.1000.0000.00.3000.0866.0500.00.11000.0500.0866.0⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡100.3000.2000.10=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡13932.1966.9属于复合变换：旋转算子Rot （Z ，30̊）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000010000866.05.0005.0866.0平移算子Trans （11.0，-3.0，9.0）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10000.91000.30100.110011.4 坐标系{A}及{B}在固定坐标系{O}中的矩阵表达式为{A}=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000.20866.0500.0000.00.10500.0866.0000.00.0000.0000.0000.1{B}=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡----10000.3866.0433.0250.00.3500.0750.0433.00.3000.0500.0866.0画出它们在{O}坐标系中的位置和姿势；A=Trans （0.0，10.0，-20.0）Rot （X ，30̊）OB=Trans(-3.0，-3.0，3.0）Rot(X ，30̊）Rot （Z ，30̊）O 1.5 写出齐次变换阵HAB ，它表示坐标系{B}连续相对固定坐标系{A}作以下变换：（1）绕A Z 轴旋转90̊。

（2）绕A X 轴旋转-90̊。

（3）移动[]T 973。

解：HAB=Trans （3，7，9）Rot （X ，-90̊）Rot （Z ，90̊）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡100001000001001010000010010000011000910070103001=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10000100000100101000901071003001=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10009001710030101.6 写出齐次变换矩阵HB B，它表示坐标系{B}连续相对自身运动坐标系{B}作以下变换： （1）移动[]T 973。