工业机器人课程

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。

2、简述工业机器人的组成部分及其作用。

答：工业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。

3、简述工业机器人各参数的定义：自由度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。

答：自由度：自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度。

重复定位精度：工业机器人的精度指定位精度和重复定位精度。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力。

工作范围：工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的的所有点的集合，也叫工作区域。

工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳定速度，也可以定义为

手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。

承载能力：承载能力是指机器人的工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。

4、工业机器人按坐标形式分为哪几类？各有什么特点？

答：工业机器人的坐标形式有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。

直角坐标型：机器人的运动方程可独立处理，且方程是

线性的，容易通过计算机控制实现，工作范围呈立方体形状。

圆柱坐标型：机器人可以绕中心轴旋转一个角，工作范围扩大，且计算简单，工作范围呈圆柱形状。

球坐标型：这种机器人可以绕中心轴旋转，中心支架附近的工作范围大，覆盖空间大，但是坐标复杂，难于控制，且直线驱动装置仍尊在密封及工作死区问题。工作范围呈球缺状。

关节坐标型：关节坐标机器人关节全部旋转，是工业机器人中最常见的结构，工作范围比较复杂。

平面关节型：只有平行的肘关节和肩关节，关节轴线共面。

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、什么叫冗余自由度机器人？

答：从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。

7、什么是SCARA机器人？应用上有何特点？

SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，选择顺应性装配机器手臂）有两个并联的旋转关节，可以使其做平面运动，此外还有一个附加的滑动关节做垂直运动。

SCARA机器人常用于装配作业，其在XY平面有较好的柔性，而在Z轴有很大刚性，它具有选择性柔性。

8、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(1m／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0.4～0.6MPa,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。

9、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。

11、简述磁力吸盘的基本原理。

磁吸附式取料手是利用电磁铁通电之后产生的电磁吸力取料。对于磁力吸盘，铁心和磁盘之间用黄铜焊料焊接并构成隔磁环，即焊为一体又将铁心与磁盘分开，使铁心成为内

磁极，磁盘成为外磁极。其磁路由壳体的外圈，经磁盘、工件和铁心，再到壳体内圈形成闭合回路，以此吸附工件。12、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。

轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。

（1）示教—再现运动。这种运动由人手把手示教机器人，定时记录各关节变量，得到沿路径运动时各关节的位移时间函数q(t)；再现时，按内存中记录的各点的值产生序列动作。（2）关节空间运动。这种运动直接在关节空间里进行。由于动力学参数及其极限值直接在关节空间里描述，所以用这种方式求最短时间运动很方便。

（3）空间直线运动。这是一种直角空间里的运动，它便于描述空间操作，计算量小，适宜简单的作业。

（4）空间曲线运动。这是一种在描述空间中用明确的函数表达的运动。

13、工业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。

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。14、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

15、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，刚度就越大；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。

16、工业机器人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。

18、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。

19、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/下料等作业的工业机器人。

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。20、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。

21、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0.1ms，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=0.1×（120/2）ms=6ms

角速度为:w=(2π/1500)/0.006=0.698rad/s

22、说明接近传感器的应用、常见种类及工作原理。

答：接近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。

23、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。

24、工业机器人的视觉系统由哪几部分组成？各部分有

什么作用？

工业机器人的视觉系统由图像输入、图像处理和图像输出等几个部分组成。

图像输入：由视觉传感器将光信号转换为电信号，再由A/D转换成数字信号。

图像处理：由计算机和图像处理机将得到的图像信号根据各种目的输出处理得到结果。

图像输出：将最一开始的光信号转换为可操作信号。

25、工业机器人的控制系统与普通控制系统相比有哪些

特点？

机器人控制系统比普通控制系统要复杂得多，1）机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。2）机器人少则有3~5个自由度，多到几十个自由度。3）机器人控制系统必须得是一个计算机控制系统。4）描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型。5）机器人的动作路径要使用“最优”路径。

26、工业机器人控制系统的主要功能有哪些？

1）示教再现功能2）运动控制功能

27、示教编程方式有哪两类？各有什么特点？

手把手示教编程：主要用于喷漆、弧焊等要求实现连续

轨迹控制的工业机器人的示教编程。它只记录各轨迹程序移动的两端点位置，轨迹的运动速度则按各轨迹程序段对应的功能数据输入。

示教盒示教编程：人工利用示教盒上所具有的各种功能的按钮来驱动工业机器人的各关节轴，按作业所需的顺序单轴运动或多关节协调运动，从而完成位置和功能的示教编程。其编程方便，装置简单，但是精度不高，程序修改困难。

28、工业机器人的控制方式按作业任务不同可分为哪些

方式？

工业机器人按照作业任务不同可分为点位控制方式（PTP）、连续轨迹控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。

29、工业机器人的主要编程方式有哪几种？各有什么特点？答：（1）顺序控制的编程：在顺序控制的机器人中，所有的控制都是由机械或电器的顺序控制器实现的。此方法成本低，易于控制盒操作，但顺序控制的灵活性小。

（2）示教方式编程（手把手示教）：大多数机器人还采用示教方式编程。示教方式是一项成熟的技术，易于被熟悉工作示教的人员所掌握，而且用简单的设备和控制装置即可进行。示教过程进行很快，即示教过后即可马上使用。应用灵活，可以重复过程，可调速。但是只能在人能所达到的速度下工作，难于传感器的信息配合，不能用于某些危险的情

况，不适用于操作大型机器人，难获得高速度和直线运动且难以与其他操作同步。

（3）示教盒：利用装在控制盒上的与关节对应的按钮，可以驱动机器人按需要的顺序进行操作。用于对大型机器人或危险作业条件下的机器人示教。但是这种方法难以获得高的控制精度，也难于其他设备同步，且不易与传感器信息配合。

（4）脱机编程或预编程：是指用机器人程序语言预先进行程序设计，而不是用示教方法编程。这种方式效率高，可控制性强，可以进行仿真模拟，危险性小，且对于不同目的的工作只需替换部分待定程序。但是，在脱机编程中，所需的补偿机器人系统误差、坐标数据很难得到，因此在机器人投入实际使用前，需要再做调整。

30、机器人手爪有哪些种类，各有什么特点？

答：

1.机械手爪：依靠传动机构来抓持工件；

2.磁力吸盘：通过磁场吸力抓持铁磁类工件，要求工件表面清洁、平整、干燥，以保证可靠地吸附，不适宜高温条件；

3.真空式吸盘：利用真空原理来抓持工件，要求工件表面平整光滑、干燥清洁，同时气密性要好。

31、何谓自适应吸盘及异形吸盘？

答：自适应吸盘：真空吸盘的一种新设计，增加了一个球关

节，吸盘能倾斜自如，适应工件表面倾角的变化。

异形吸盘：真空吸盘的一种新设计，可以用于吸附鸡蛋、锥颈瓶等非平整工件。

32、传动件消隙常有哪几种方法，各有什么特点？

答：1)消隙齿轮：相啮合的两齿轮中有一为两个薄齿轮的组合件，通过两个薄齿轮的组合来消隙；

2)柔性齿轮消隙：对具有弹性的柔性齿轮加一预载力来保证无侧隙啮合；

3)对称传动消隙：一个传动系统设置两个对称的分支传动，并且其中有一个具有回弹能力。

4)偏心机构消隙：当有齿轮磨损等原因造成传动间隙增加时，利用中心距调整机构调

整中心距。

5)齿廓弹性覆层消隙：齿廓表面覆有薄薄一层弹性很好的橡胶层或层压材料，通过对

相啮合的一对齿轮加以预载，来完全消除啮合侧隙。

33、试述机器人示教编程的过程及特点。

答：过程：操作者根据机器人作业的需要把机器人末端执行器送到目标位置，且处于相应的姿态，然后把这一位置、姿态所对应的关节角度信息记录到存储器保存。对机器人作业空间的各点重复以上操作，就把整个作业过程记录下来，再通过适当的软件系统，自动生成整个作业过程的程序代码。

优点：操作简单，易于掌握，操作者不需要具备专门知识，不需复杂的装置和设备，轨迹修改方便，再现过程快。

缺点：(1)示教相对于再现所需的时间较长；

(2)很难示教复杂的运动轨迹及准确度要求高的直线；

(3)示教轨迹的重复性差；

(4)无法接受传感器信息；

(5)难以与其他操作或其他机器人操作同步。

34、试举例说明MOTOMAN UP6机器人焊接作业时的示教编程过程。

答：S1.通过示教盒使机器人处于示教状态；

S2.创建新的示教程序，用轴操作键将机器人依次移动到准备位置、可作业姿态、作业开始位置、作业结束位置等位置并输入相应的插补方式及相应的操作命令；

S3.示教轨迹的确认。

35、按机器人作业水平的程度分，机器人编程语言有哪几种？各有什么特点？

答：

1.动作级编程语言：优点：比较简单，编程容易。

缺点：功能有限，无法进行繁复的数学运算，不接受浮点数和字符串，子程序不含有自变量；不能接受复杂的传感器信息，只能接受传感器开关信息；与计算机的通信能力很差。

2.对象级编程语言：(1)具有动作级编程语言的全部动作功能；(2)有较强的感知能力；(3)具有良好的开放性；(4)数字计算和数据处理能力强；

3.任务级编程语言：结构十分复杂，需要人工智能的理论基础和大型知识库、数据库的支持。

36、机器人离线编程的特点及功能是什么？

答：特点：在不接触实际机器人及机器人作业环境的情况下，通过图形技术，在计算机上提供一个和机器人进行交互作用的虚拟现实环境。

功能：利用机器人图形学的成果，建立起机器人及其作业环境的模型，再利用一些规划算法，通过对图形的操作和控制，在离线的情况下进行轨迹规划。

37、机器人的工业应用可分为哪四个方面？

答：材料加工、零件制造、产品检验和装配。

38、完整的焊接机器人系统一般由哪几个部分组成？

答：机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等。

39、简述焊接机器人按用途、结构、受控方式及驱动方法等进行分类的情况。

答：按用途：弧焊和点焊。

按结构：关节型和非关节型。

按受控方式：点位控制和连续轨迹控制。

40、机器人装配作业的主要操作过程是什么？

答：垂直向上抓起零部件，水平移动它，然后垂直放下插入。