工业机器人习题课+答案

习题

第一章

一、国际标准化组织（ISO）对机器人的定义是什么？

1.机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；

2.机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；

3.机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等；

4.机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人类的干预。

二、工业机器人是如何定义的？

工业机器人：是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。且这种操作机可以固定在一个地方，也可以在往复运动的小车上。

三、按几何结构，机器人可分为那几种？

直角坐标型，圆柱坐标型，球坐标型，关节坐标型

四、机器人的参考坐标系有哪些？

全局参考坐标系：全局参考坐标系是一种通用的坐标系，由X，Y和Z轴所定义。

关节参考坐标系：关节参考坐标系是用来表示机器人每一个独立关节运动的坐标系。

工具参考坐标系：工具参考坐标系是用来描述机器人末端执行器相对于固连在末端执行器上的坐标系的运动。

五、什么是机器人的自由度和工作空间？

1，机器人的自由度（Degree of Freedom, DOF）：是指其末端执行器相对于参考坐标系能够独立运动的数目。

2，机器人的工作空间（Working Space）是指机器人末端上参考点所能达到的所有空间区域。

第二章

六、机器人系统由哪三部分组成？

操作机，驱动器，控制系统

七、什么是机器人的操作机？分为哪几部分？

1，操作机：也称为执行机构、机械本体等，它具有和人手臂相似的功能，是可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。

2，操作机：由手部、腕部、臂部和机座构成.

八、简述机器人手部的作用，其分为哪几类？

1，手部作用：机器人的手部又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专用工具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的最前端。

2，手部分类：

①机械夹持式手

②吸附式手

③专用手

④灵巧手

九、机器人机械夹持式手按手爪的运动方式分为哪两种？各有何典型机构？

1，按手爪的运动方式分为：回转型和平移型

2,回转型典型结构：楔块杠杆式.滑槽杠杆式.连杆杠杆式.齿轮齿条式.自重杠杆式.

3,平移型典型结构：齿轮齿条式.螺母丝杠式.凸轮式.平行连杆式.

十、机器人吸附式手分为哪两种？各有何特点？

1，机器人吸附式手分为：气吸式.磁吸式

2，气吸式特点：气吸式手是利用吸盘内的压力与外界大气压之间形成的压力差来工作的3，磁吸式特点：磁吸式手是利用磁场产生的磁吸力来抓取工件的，因此只能对铁磁性工件起作用（钢、铁等材料在温度超过723℃时就会失去磁性），另外，对不允许有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使用有一定的局限性。

十一、什么是机器人的换接器？有何作用？

1，换接器一般由两部分组成：换接器插座和,换接器插头。

2，换接器的作用：它们分别装在机器人的手部和机器人的腕部，能够使机器人快速自动更换的手部。

十二、机器人腕部的作用是什么？有哪些典型机构？

1,腕部作用：改变或调整机器人手部在空间的姿态(方向)，并连接机器人的手部和臂部。3，腕部典型机构：a.液压摆动缸,b.轮系机构—2自由度（诱导运动）,c.轮系机构—2自由度（差动式）,d. 轮系机构—3自由度(正交）e. 轮系机构—3自由度 (斜交）

十三、机器人柔顺腕部结构的作用是什么？柔顺装配有哪两种方法？如何实现？

1，机器人柔顺腕部结构的作用：消除机器人在进行装配作业时的装配误差

2，柔顺装配方法：①主动柔顺②被动柔顺

3，①主动柔顺——边检测，边修正。

②被动柔顺

角度误差

——回转运动

-回转机构

位置误差

——平移运动

-平移机构

十四、机器人臂部的作用是什么？实现两种运动方式的典型机构有哪些？

1，臂部作用：改变机器人手在空间的位置。

2，典型结构：

a.臂部的平移运动机构:（1）活塞油缸、活塞气缸

（2）齿轮齿条机构

（3）丝杠螺母机构

（4）曲柄滑块机构

（5）凸轮机构

b.机器人臂部回转运动机构：

（1）油马达、气马达、摆动液压缸

（2）各种轮系机构

（3）齿条齿轮机构

（4）滑块曲柄机构

（5）活塞缸加连杆机构

（机器人臂部的俯仰运动）

第三章

十五.什么是齐次坐标？与直角坐标有何区别？

1,齐次坐标定义：空间中任一点在直角坐标系中的三个坐标分量用 表示，若有四个不同时为零的数 与三个直角坐标分量之间存在以下关系： 则称 是空间该点的齐次坐标。

3， 与直角坐标的区别：空间中的任一点都可用齐次坐标表示;空间中的任一点的直角坐标是单值的，但其对应的齐次坐标是多值的;k 是比例坐标，它表示直角坐标值与对应的齐次坐标值之间的比例关系。

十六.齐次变换矩阵的意义是什么?

意义：若将齐次坐标变换矩阵分块，则有：

意义：左上角的3×3矩阵是两个坐标系之间的旋转变换 矩阵，它描述了姿态关系；右上角的3×1矩阵是两个坐标系之间的平移变换矩阵，它描述了位置关系，所以齐次坐标变换矩阵又称为位姿矩阵。

十七.

联合变换与单步变换的关系是什么？ 经观察可得：

任何一个齐次坐标变换矩阵均可分解为一个平移变 换矩阵与一个旋转变换矩阵的乘积，即：

??

????=?????

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???-=1010

1000cos sin 0sin cos ,ij z ij

z y x ij p R p p p M θθθθθ),,(z y x ),,,(k z y x '''k

z z k y y k x x '

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十八.

已知齐次变换矩阵，如何计算逆变换矩阵？ 逆变换时：

变换顺序颠倒；

先平移，后旋转→先旋转，后平移。

变换参数取反。 旋转（θ） →（ -θ），

平移（p x ，p y ，p z ） →（-p x ，-p y ，-p z ）。

若齐次变换矩阵为：

则：

十九.

机器人运动学解决什么问题?什么是正问题和逆问题？

1， 解决问题：机器人手在空间的运动与各个关节的运动之间的关系。 2，正问题：已知关节变量q i 的值，求手在空间的位姿M 0h 。

正解特征：唯一性。

用处：检验、校准机器人。

3，逆问题：已知手在空间的位姿M 0h ，求关节变量q i 的值。 逆解特征分三种情况：多解、唯一解、无解。 多解的选择原则：最接近原则。 计算方法：递推逆变换法

二十.机器人的坐标系有哪些？如何建立？ 1，坐标系：机座坐标系｛0｝

杆件坐标系｛i ｝ 手部坐标系｛h ｝ 绝对坐标系

3， 建立方法：略

二十一.建立运动学方程需要确定哪些参数？如何辨别关节变量？

1， 确定参数有：a.杆件几何参数：杆件长度l,杆件扭角；b.关节运动参数：关节平移量d ，关节回转量。

2， 辨别关节变量方法：若关节是平移型的，则关节平移量为关节变量；若关节是回转型的，则关节回转量是关节变量。

二十二.机器人运动学方程的正解和逆解有何特征？各应用在什么场合？逆解如何计算？

1， 正解特征：唯一性

2， 逆解特征：多解，唯一解，无解 3， 逆解计算方法：递推逆变换法

??

????=?

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??????=101000

ij ij

z z z z

y y

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x ij p R p a o n p a o n

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ij ij ji

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n i i n n

n i i n M M M M M M M M M M M M M M M M M M 113423010111211231201

011112010---------?=???=??=

?}j {302010{i}3?}i {302010{j}2{j}}i {130x 3245z 1}i {{j}10中的坐标分量是多少则其在，中有一矢量）若（中的坐标分量是多少则其在，

中有一矢量）若（之间的齐次变换矩阵；

与）计算：（。轴旋转）绕（平移；）沿矢量（；轴旋转）绕（经过以下变换来的：是由、已知k j i r k j i r k 7j 5i 3p i j

++=++=++=学表达式。写出计算关节变量的数，姿）若已知机器人手的位（

态是多少则机器人手的位置和姿，）若关节变量（器人运动学方程；）根据已知参数建立机（

计算：图所示、已知三关节机器人如?????

???????==1000M 3?,]100,6030[21,11T z z z z y y y y x x x x i p a o n p a o n p a o n q

第四章

二十三：机器人动力学解决什么问题？什么是动力学正问题和逆题？

1， 机器动力学解决的问题：机器人各个关节的运动与关节需要的驱动力（矩）之间的关系。

2， 动力学正问题：已知关节运动，求关节驱动力（矩）。 3，

二十四：什么是牛顿方程？什么是欧拉方程？有何作用？ 1,牛顿方程：

牛顿方程→惯性力

② 矢量。

③ 质心上的线加速度。

3， 欧拉方程：

欧拉方程→惯性力矩

① 矢量。

② 质心上的惯性张量矩阵。

二十五.

什么是惯性张量矩阵？如何计算？ 惯性张量矩阵： 理论计算方法：

实验测试法：

惯量摆仪器

二十六.

正向递推的作用是什么?分哪几步实现？

正向递推的作用：递推出每个杆件在自身坐标系中的速度和加速度 实现正向递推步骤：

① 杆件速度和加速度递推计算 ② 杆件质心上的速度和加速度

③ 杆件质心上的惯性力和惯性力矩

C

C a m F ?=)

(ωωε ??+?=C C I I M ??

????????=Czz Cyz Cxz Cyz Cyy Cxy Cxz Cxy Cxx C I I I I I I I I I I ???+=V Cxx dv z y I ρ)(22???+=V Cyy dv x z I ρ)(22???

+=V Czz dv

y x I ρ)(22???=V Cxy dv xy I ρ???=V Cxz dv xz I ρ???

=V Cyz dv yz I ρ

二十七.反向递推的作用是什么?分哪几步实现？ 反向递推作用：

递推出机器人每个关节上承受的力和力矩

实现反向递推步骤：

① 关节承受的力和力矩递推计算 ② 关节驱动力（矩）

二十八.

正向递推和反向递推的初始条件各是什么？当考虑杆件自重或手部负载为重物时，正向递推初始条件有何变化？ a.正向递推初始条件： 机座0的速度和加速度： *考虑杆件自重或手部负载为重物时：

为描述在机座坐标系{0}中的标准重力加速度。 b.反向递推初始条件: 机器人手部负载：

二十九.写出机器人动力学模型，并简述各项的含义?

上式也称为机器人的动力学模型。 式中： 是机器人动力学模型中的惯性力项； 表示机器人操作机的质量矩阵，它是n ×n 阶的对称矩阵；

是n×1阶矩阵，表示机器人动力学模型中非线性的耦合力项，包括离心

力（自耦力）和哥氏力（互耦力）；

也是n×1阶矩阵，表示机器人动力学模型中的重力项。

00

====a v εω00000,0g a v

====εω0g

1

1,++==n h n h m m f f

)(),()(q G q q H q

q D F ++= q q D )()(q D ),(q q H )(q G 驱动力矩。

需要的驱动力或试计算各个关节时，载为一质量当机器人手部负和为度和加速度分别若各个关节的速器人如图所示。、已知二关节机m d d ,,, 82

2

1

1

θθ

第五章

三十.

控制系统的两大功能是什么？ 示教再现功能，运动控制功能

三十一.

简述两种控制方式及其技术指标。

a.示教方式：机器人示教的方式种类繁多，总的可以分为集中示教方式和分离示教方式。 1、集中示教方式

将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数同时进行示教的方式，示教一次即可生成关节运动的伺服指令。 2、分离示教方式

将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数分开单独进行示教的方式，一般需要示教多次才可生成关节运动的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。 b.记忆过程： 1、记忆速度

取决于传感器的检测速度、变换装置的转换速度和控制系统存储器的存储速度。 2、记忆容量

取决于控制系统存储器的容量。

三十二.

简述控制系统的组成及各个部分的作用。 机器人控制系统的组成 a.硬件：

b.软件：

c.上位机（个人微机或小型计算机）的功能：

(1)人机对话：人将作业任务给机器人，同时机器人将结果反馈回来，即人与机器人之间的交流。

(2)数学运算：机器人运动学、动力学和数学插补运算。 (3)通信功能：与下位机进行数据传送和相互交换。

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??参数变化检测外部传感器：外部环境运动状态检测内部传感器：自身关节检测传感器伺服驱动控制器下位机：单片机、运动数据存储通信数学运算人机对话型计算机上位机：个人微机、小控制器????????

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??→→→→???→→程序实时监视、故障报警等监控软件程序作业任务程序编制环境编程软件程序运动学、动力学和插补运算软件实时动作解释执行程序动作控制软件应用软件单片机、运动控制器系统初始化程序个人微机、小型计算机计算机操作系统系统软件

(4)数据存储：存储编制好的作业任务程序和中间数据。

d.下位机（单片机或运动控制器）的功能：

伺服驱动控制：接收上位机的关节运动参数信号和传

感器的反馈信号，并对其进行比较，

然后经过误差放大和各种补偿，最终

输出关节运动所需的控制信号。

e.内部传感器的功能：

内部传感器的主要目的是对自身的运动状态进行

检测，即检测机器人各个关节的位移、速度和加速度

等运动参数，为机器人的控制提供反馈信号。机器人

使用的内部传感器主要包括位置、位移、速度和加速

度等传感器。

f.外部传感器的功能：

机器人要能在变化的作业环境中完成作业任务，

就必须具备类似于人类对环境的感觉功能。将机器人

用于对工作环境变化的检测的传感器称为外部传感

器，有时也拟人的称为环境感觉传感器或环境感觉器

官。目前，机器人常用的环境感觉技术主要有视觉、

听觉、触觉、力觉等。

三十三.示教再现控制如何实现？影响示教和记忆的因素有哪些？

a.示教方式：机器人示教的方式种类繁多，总的可以分为集中示教方式和分离示教方式。

1、集中示教方式

将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数同时进行示教的方式，示教一次即可生成关节运动的伺服指令。

2、分离示教方式

将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数分开单独进行示教的方式，一般需要示教多次才可生成关节运动的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。

b.影响因素：

1、记忆速度

取决于传感器的检测速度、变换装置的转换速度和控制系统存储器的存储速度。

2、记忆容量

取决于控制系统存储器的容量。

三十四.运动控制如何实现？可分为哪两步？

a.运动控制实现方式：

b.分为：第一步：关节运动伺服指令的生成，即将机器人手部在空间的位姿变化转换为关节变量随时间按某一规律变化的函数。这一步一般可离线完成。

第二步：关节运动的伺服控制，即采用一定的控制算法跟踪执行第一步所生成的关节运动伺服指令，这是在线完成的。

三十五.什么是轨迹规划？不同控制方式下各在什么坐标空间进行？

a.轨迹规划：机器人关节运动伺服指令的轨迹规划生成方法是指根据作业任务要求的机器人手部在空间的位姿、速度等运动参数的变化，通过机器人运动学方程的求解和各种插补运算等数学方法最终生成相应的关节运动伺服指令。

b.不同控制方式下的坐标：

PTP下的轨迹规划是在关节坐标空间进行。

CP下的轨迹规划是在直角坐标空间进行。

三十六.点位控制（PTP）下的轨迹规划如何实现？

第一步：由手的位姿得到对应关节的位移；

第二步：不同点对应关节之间位移的运动规划；

第三步：由关节运动变化计算关节驱动力（矩）。

三十七.连续轨迹控制（CP）下的轨迹规划如何实现？

第一步：连续轨迹离散化。

第二步：PTP下的轨迹规划。

三十八.关节运动伺服控制方法有哪些？各有何特点？

a.控制方法：

1、基于前馈和反馈的计算力(矩)的控制方法

注意：前馈指的是加速度，反馈指的是速度和位移。

2、线性多变量控制方法

3、自适应控制

4、自学习控制

b.控制方法特点：

1、基于前馈和反馈的计算力(矩)的控制方法：这种控制方法是基于关节变量加速度的前馈和速度、位移误差的反馈以及对耦合力项和重力项的补偿而实现的，其考虑的主要是位移和速度的误差对惯性力项的影响，所以适合于低速、重载的机器人。

它的缺点是计算的工作量大，且控制的精度主要依赖于机器人动力学模型的精确度。

2、线性多变量控制方法：

线性多变量控制选用的是一个比例微分（PD）控制器，其考虑的主要是位移和速度的误差对耦合力项和重力项的影响，所以适合于高速、轻载机器人的控制。

3、自适应控制：

这种控制方法对机器人控制系统的动态性能具有自我调整功能，并且可以达到全局的稳定。

4、自学习控制：它可利用结构简单的控制器实现高精度的控制。

三十九.机器人语言有哪些分类？VAL和AUTOPASS语言各有何特点？

a.机器人语言分类：

（1）根据机器人语言对作业任务描述水平的高低可分为动作级、对象级和任务级三大类。（2）根据机器人语言的实际应用水平可分为动作指示语言和作业指示语言两大类。

b.VAL 语言特点：

1979年美国Unimation 公司推出的VAL 语言，是在BASIC 语言的基础上扩展的机器人语言，它具有BASlC 语言的结构，在此基础上添加了机器人编程指令和VAL 监控操作系统。操作系统包括用户交联、编辑和磁盘管理等部分。VAL 语言适用于机器人两级控制系统，上级机是LSI —11／23小型计算机，机器人各关节则由6503微处理器控制。上级机还可以和用户终端、示教盒、I/O 模块和机器视觉模块等交联。

VAL 语言在调试过程中可以和BASIC 语言以及6503汇编语言联合使用。VAL 语言目前主用在各种类型的PUMA 机器人以及UNIMATE2000、UNIMATE4000系列机器人上。

在VAL 语言中，机器人终端位置和姿态用齐次变换表征。当精度要求较高时，可以用精确点的数据表征终端位置和姿态。

c.AUTOPASS 语言特点：AUTOPASS 语言是IBM 公司下属的一个研究所提出来的机器人语言，它像给人的组装说明书一样，是针对描述对机器人操作的语言。程序把工作的全部规划分解成放置部件、插入部件等宏功能状态变化指令来描述。

AUTOPASS 语言的编译，是用称作环境模型的数据库，一边模拟工作执行时环境的变化一边决定详细动作，作出对机器人的工作指令和数据。 化图形。

度和加速度随时间的变并作出关节的位移、速式规划该关节的运动，并停止。试用三次多项秒钟内移动到由静止开始在

节从、已知机器人的某一关

9051011e s ==θθ