工业机器人考点大全--习题答案

1-1.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、工具或专用装置，通过可编程动作来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，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

1-2.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认得身体。

驱动系统可分为电气、液压、气压驱动系统以及它们结合起来应用的综合系统组合；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，使其完成规定的运动和功能；该部分的作用相当于人的大脑。

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围环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大，结构简单，可以省去减速装置，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: (1) 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) 液压系统介质的可压缩性小, 工作平稳可靠, 并可得到较高的位置精度(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精度和质量, 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。

气压驱动方式气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，同体积条件下功率较小，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 m／s)(2) 利用工厂集中的空气压缩机站供气, 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: (1) 压缩空气常用压力为0.4～0.6 MPa, 若要获得较大的压力, 其结构就要相对增大(2) 空气压缩性大, 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, 处理不当会使钢类零件生锈, 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，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，且具有使用方便、噪声低和控制灵活的特点。

2-4.工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。

3-1.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 ，30）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000010000866.05.0005.0866.0 平移算子Trans （11.0，-3.0，9.0）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10000.91000.30100.110013-2 . 有一旋转变换，先绕固定坐标系Z 0 轴转45，再绕其X 0轴转30，最后绕其Y 0轴转60，试求该齐次坐标变换矩阵。

解：齐次坐标变换矩阵R=Rot(Y ，60）Rot （X ，30）Rot(Z ，45）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-1000010000707.0707.000707.0707.010000866.05.0005.0866.000001100005.00866.000100866.005.0=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡----10000433.0436.0436.005.0612.0612.00750.0047.0660.0 3-3. 坐标系{B}起初与固定坐标系{O}相重合，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表达式。

解：起始矩阵：B=O=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡1000010000100001最后矩阵：B´=Rot(Z ，30）B Rot （X ，45）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000707.0707.000612.0612.05.000353.0866.0 3-5. 写出齐次变换阵H AB ，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90。

（2）绕A X 轴旋转-90。

（3）移动[]T973。

解：H A B=Trans （3，7，9）Rot （X ，-90）Rot （Z ，90）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡10001000001001010000010010000011000910070103001=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--1000900171003010 3-6. 写出齐次变换矩阵H BB ，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[]T973。

（2）绕B X 轴旋转90。

.（3）绕B Z 轴转-90。

.H B B=Trans （3，7，9）Rot （X ，90）Rot （Z ，90）=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡10001000001001010000010010000011000910070103001⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=1000900171003010 3-7. 1.8 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d 2。

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 ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡==100001000010001)0,0,(222d d T r a n s A 机械手的运动方程式：=∙=212A A T ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-10000100sin 0cos sin cos 0sin cos 12111211θθθθθθd d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⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=10000000866.005.0866.05.00866.05.0B 当θ1=90 ， d 2=0.7时手部中心位置值⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=100000007.00010010B3-8. 3-9.3-10.什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重性是指对于给定的机器人工作领域内，手部可以多方向达到目标点，因此，对于给定的在机器人的工作域内的手部位置可以得到多个解。

4-4.机器人力雅可比矩阵和速度雅可比矩阵有何联系？ 答：力雅可比矩阵是速度雅克比矩阵的转置。

5-2.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。

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：从事弧焊、喷漆、切割等作业的工业机器人6-3.光电编码器可用于测量的模拟量有哪些？请说明绝对式与增量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、伺服传动、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。

6-4.利用增量式光电编码器以数字方式测量机器人关节转速，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: t=0.2×120ms=24ms角速度为:w==(22π/1500)/0.024=0.349 rad/s6-5.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围内是否有物体存在，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，由同步回路选通来检测物体的有无霍尔效应式：利用霍尔效应判断是否接近铁磁体超声波式：测量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来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。