機械制造裝備設(shè)計第四章習(xí)題答案關(guān)慧貞

1、第四章工業(yè)機器人設(shè)計思考題及習(xí)題1. 工業(yè)機器人的定義是什么？操作機的定義是什么？答：我國國家標準GT/T12643-1997工業(yè)機器人詞匯將工業(yè)機器人定義為“是一種能自動控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度操作機，能搬運物料、工件或夾持工具，用以完成各種作業(yè)”；將操作機定義為“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置”。2. 工業(yè)機器人由哪幾部分組成？并比較它及數(shù)控機床組成的區(qū)別。答：工業(yè)機器人由操作機、驅(qū)動單元和控制裝置組成。數(shù)控機床一般由機床本體、伺服系統(tǒng)和數(shù)控裝置組成。二者組成的區(qū)別主要在于機械本體，機器人操作機通常由末端執(zhí)行器、手腕、手臂和機座組成，而數(shù)控機

2、床機械本體通常包含主運動部件、進給運動部件 、支承部件、冷卻潤滑、排屑等部分。3. 工業(yè)機器人的基本功能和基本工作原理是什么？它及機床主要有何相同和不同之處？答：工業(yè)機器人基本功能是提供作業(yè)所需的運動和動力，其基本工作原理是通過操作機上各運動構(gòu)件的運動，自動地實現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能及技術(shù)要求。在基本功能及基本工作原理上，工業(yè)機器人及機床有如下相同之處：二者的末端執(zhí)行器都有位姿變化要求；二者都是通過坐標運動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器的位姿變化要求。二者的主要不同之處有：機床是以直角坐標形式運動為主，而機器人是以關(guān)節(jié)形式運動為主；機床對剛度、精度要求很高，其靈活性相對較低；而機器人對靈活性要求很高，其剛度、

3、精度相對較低4. 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)類型有哪幾類？各種類型的特點如何？答：工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)類型有如下四類：關(guān)節(jié)型機器人，其特點是關(guān)節(jié)一般為回轉(zhuǎn)運動副，靈活性好，工作空間范圍大（同樣占地面積情況下），但剛度和精度較低；球坐標型機器人，其特點是按球坐標形式動作（運動），靈活性好，工作空間范圍大，但剛度、精度較差；圓柱坐標型機器人，其特點是按圓柱坐標形式動作，靈活性較好，工作空間范圍較大，剛度、精度較好；直角坐標型機器人，其特點是按直角坐標形式動作，剛度和精度高，但靈活性差，工作空間范圍小。5. 如何選擇和確定機器人的坐標系？分析圖4-5所示的PUMA機器人的坐標系是如何確定的？答：坐標系按右手定則確

4、定。絕對坐標系X-Y-Z，機座坐標系X0-Y0-Z0和機械接坐標系Xm-Ym-Zm的取法參考GB-T16977-1997工業(yè)機器人坐標系和運動命名。 關(guān)節(jié)坐標系Xi-Yi-Zi以下簡明的方法確定： (1)確定基準狀態(tài) 般可取機器人處于機械原點時的狀態(tài)作為基準狀態(tài)。也可以取機器人各關(guān)節(jié)軸線(或大部分關(guān)節(jié)軸線)及機座直角坐標系軸線平行時的狀態(tài)作為基準狀態(tài)。(2)關(guān)節(jié)坐標軸軸線位置的選取 取Zi軸及i關(guān)節(jié)的運動方向一致。對于回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，取Zi軸及i關(guān)節(jié)的軸線重合；對于移動關(guān)節(jié)，取Zi軸及i關(guān)節(jié)的運動方向平行(或重合)。(3)關(guān)節(jié)坐標方向的選取 采用右手坐標系，規(guī)定Xi、Zi軸的方向，Yi軸方向就自然確

5、定了。原則上Xi、Zi軸的正向可視方便任意選取，但應(yīng)盡可能使各坐標系間的坐標變簡單。圖4-5PUMA機器人的坐標系就是按上述方法確定的。6. 機器人的自由度表示什么？它及機床中的軸數(shù)和原動件是否相等？答：自由度是表示工業(yè)機器人動作靈活程度的參數(shù)，以直線運動和回轉(zhuǎn)運動的獨立運動數(shù)表示(一般末端執(zhí)行器本身的動作不包括在內(nèi)，如夾持器手爪的開合運動，因為它不影響夾持器的位姿特性)。可以看出機器人的自由度數(shù)相當于機床的軸數(shù)，都表示運動的個數(shù)。機器人的自由度數(shù)及原動件數(shù)目相等。7. 工業(yè)機器人的設(shè)計內(nèi)容及步驟大致如何？答：（1）. 總體設(shè)計：1）基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計。在總體方案設(shè)計階段首先要確定的主要參數(shù)有如

6、下幾種：用途，額定負載，工作空間，額定速度，驅(qū)動方式的選擇，性能指標；2）總體方案設(shè)計包括：運動功能方案設(shè)計，傳動系統(tǒng)方案設(shè)計，結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計，參數(shù)設(shè)計，控制系統(tǒng)方案設(shè)計，總體方案評價；（2）詳細設(shè)計詳細設(shè)計內(nèi)容包括：裝配圖設(shè)計、零件圖設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。（3）總體評價總體設(shè)計階段所得的設(shè)計結(jié)果，是各構(gòu)件及關(guān)節(jié)的概略形狀及尺寸，通過詳細設(shè)計將其細化了，而且總體設(shè)計階段尚未考慮的細節(jié)也具體化了，因此各部分尺寸會有一些變化，需要對設(shè)計進行總體評價，檢測其是否能滿足所需設(shè)計指標的要求。8. 機器人的運動如何用齊次坐標變換來表示？答：機器人個關(guān)節(jié)的運動是坐標運動，坐標運動可以用齊次坐標變換來表示。機

7、器人的運動可用運動后的坐標系相對于運動前坐標系的齊次坐標變換矩陣來表示。9. 工業(yè)機器人的位姿的含義是什么？答：是指機器人末端執(zhí)行器在指定坐標系中的位置和姿態(tài)。10. 如何用作業(yè)動作功能要求來描述機器人位姿？答：可用作業(yè)軌跡對末端執(zhí)行器在機座坐標系或絕對坐標系下的位姿要求來表示作業(yè)動作功能要求，而末端執(zhí)行器可用機械接口坐標系表示，所以對末端執(zhí)行器的位姿要求可直接用機械接口坐標系及機座坐標系或絕對坐標系間的齊次變換來表示。11. 如何用關(guān)節(jié)運動來描述機器人的位姿？答：就是用機座坐標系、關(guān)節(jié)坐標系、末端執(zhí)行器坐標系間的坐標關(guān)系來描述末端執(zhí)行器在機座坐標系下的位姿。12. 什么是機器人正運動學(xué)解析？

8、可以用來解決什么問題？答：已知關(guān)節(jié)運動位移變量，求作業(yè)位姿，是是機器人正運動學(xué)解析，可以用于求解機器人工作空間、進行作業(yè)功能位姿分析及機器人的軌跡解析。13. 確定機器人的工作空間有哪些方法？圖4-11所示的機器人工作空間是如何確定的？答：確定機器人的工作空間的方法有解析法和作圖法，圖4-11所示的機器人工作空間是用作圖法來確定的。14. 什么是機器人的逆運動學(xué)解析？它可以用來解決什么問題？答：已知作業(yè)位姿要求（即已知作業(yè)變量），求關(guān)節(jié)運動位移變量，是機器人的逆運動學(xué)解析。各關(guān)節(jié)運動量的計算是機器人控制程序設(shè)計必須的。在機器人設(shè)計中，可以根據(jù)作業(yè)位姿的極限，用逆解求出關(guān)節(jié)的運動極限，用來指導(dǎo)關(guān)

9、節(jié)運動極限范圍設(shè)計。15. 機器人構(gòu)件的運動速度、角速度、加速度、角加速度分析方法的基本思路是什么？答：由于操作臂是由一系列連桿串聯(lián)而成，每一連桿相對前一連桿運動。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)特點，從基座開始，就可依次計算出個各個連桿的速度和角速度，加速度和角加速度。16. 進行機器人靜力分析的目的是什么？分析方法的基本思路是什么？答：進行機器人靜力分析的目主要有以下幾點：；分析關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩和及末端施加的力和力矩的關(guān)系；為分析操作臂的受力變形提供基礎(chǔ)。分析方法的基本思路就是列力平衡方程或采用虛功原理。17. 進行機器人動力分析的目的是什么？分析方法的基本思路是什么？答：進行機器人動力分析的目的是為了解決兩

10、方面問題即動力學(xué)正問題和動力學(xué)逆問題，動力學(xué)正問題及機器人的仿真有關(guān)，而逆問題是為了實時控制的需要，以期達到良好的動態(tài)性能。動力學(xué)分析的基本思路是，首先采用拉格朗日方法、牛頓歐拉方法等建立機器人手臂的動力學(xué)方程，然后根據(jù)具體問題進一步分析。18. 機器人正動力學(xué)和逆動力學(xué)解析分別用來解決什么問題？答： 機器人正動力學(xué)是根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩或力，計算機器人的運動（關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度）；逆動力學(xué)解析是為了根據(jù)已知軌跡對應(yīng)的關(guān)節(jié)位移、速度和加速度，求出所需要的關(guān)節(jié)力矩或力。19. 諧波減速器的工作原理是什么？特點是什么？答：諧波齒輪傳動的工作原理如圖4-16所示，若剛輪G為固定件，波發(fā)生器H為主動

11、件，柔輪R為從動件。當將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時，由于波發(fā)生器兩滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑，使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成為橢圓，使其長軸兩端的齒及剛輪齒完全嚙合。同時，變形后柔輪短軸兩端的齒則及剛輪齒完全脫開，其余各處的齒，則視回轉(zhuǎn)方向不同分別處于“嚙入”或“嚙出”狀態(tài)，當波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時，嚙入?yún)^(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長短軸相位的變化而依次變化。于是柔輪就相對于不動的剛輪沿及波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的方向作低速回轉(zhuǎn)，柔輪長軸和短軸相位的連續(xù)變化，使柔輪的變形在其圓周上是連續(xù)的簡諧波形，因此，這種傳動稱為諧波傳動。若柔輪固定，剛輪從動，其工作過程完全相同，只是剛輪的轉(zhuǎn)向及波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相同。諧波減

12、速傳動裝置具有傳動比大、承載能力強、傳動精度高、傳動平穩(wěn)、效率高（一般可達0.70-0.90）、體積小、重量輕等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)機器人中。20. 機器人的驅(qū)動方式有哪些？如何選用？答：工業(yè)機器人常用的驅(qū)動方式包括電機驅(qū)動、液壓、氣動三種。電機驅(qū)動方式目前額定負載在1kN以下的工業(yè)機器人中大多采用電力驅(qū)動系統(tǒng)。在機器人中直流伺服電動機和步進電動機應(yīng)用廣泛，交流伺服電動機驅(qū)動是新近發(fā)展起來的，由于其特點已開始在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用。直流伺服電動機、交流伺服電動機和直接驅(qū)動電動機都采用閉環(huán)控制，通常用于位置精度和速度要求高的機器人中，步進電動機主要和于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于位置和速度精度要求不高

13、、價格較低的簡易機器人中。液壓和氣壓驅(qū)動方式目前只在簡易經(jīng)濟型、重型工業(yè)機器人和噴漆機器人(在噴漆環(huán)境中，存在易爆可燃物質(zhì)；不允許使用電壓超過9V的電器)中，才考慮采用液壓驅(qū)動方式。對輕負荷的搬運，上、下料點位操作的工業(yè)機器人則可以考慮采用氣壓驅(qū)動方式。21. 機器人手臂的設(shè)計要求是什么？答：機器人手臂的設(shè)計要求：（1） 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。工作空間的形狀和大小及手臂的長度、手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍密切相關(guān)。（2）根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料；如常采用空心的薄壁矩形框體或圓管以提高其抗彎剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，減輕自身的重量?？招?/p>

14、結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以方便地安置機器人的驅(qū)動系統(tǒng)。（3）盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負荷；減少運轉(zhuǎn)的動載荷及沖擊，提高手臂運動的響應(yīng)速度。（4）要設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。22. 機器人機座設(shè)計要求是什么？答：1) 要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性。2) 機座承受機器人全部重量和工作載荷，應(yīng)保證足夠的強度、剛度和承載能力。3) 機座軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運動精度影響最大。因此機座及手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準面，要有調(diào)整軸承間隙和傳動間隙的調(diào)整機構(gòu)。23. 機器人

15、手腕的設(shè)計要求是什么？ 答：對工業(yè)機器人手腕設(shè)計的要求有：（1）由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應(yīng)力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少其重量和體積。為此腕部機構(gòu)的驅(qū)動裝置多采用分離傳動，將驅(qū)動器安置在手臂的后端。（2）手腕部件的自由度愈多，各關(guān)節(jié)角的運動范圍愈大，其動作的靈活性愈高，機器人對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但增加手腕自由度，會使手腕結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動控制加度加大。因此，設(shè)計時，不應(yīng)盲目增加手腕的自由度數(shù)。通用目的機器手手腕多配置3個自由度，某些動作簡單的專用工業(yè)機器人的手腕，根據(jù)作業(yè)實際需要，可減少其自由度數(shù)，甚至可以不設(shè)置手腕以簡化結(jié)構(gòu)。（3）為提高手腕動作的精確性。應(yīng)提高傳動的剛度，應(yīng)盡

16、量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。如齒輪傳動中的齒側(cè)間隙，絲杠螺母中的傳動間隙；聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等。對分離傳動采用鏈、同步齒帶傳動或傳動軸。（4）對手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開關(guān)和機械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。24. 手腕的誘導(dǎo)運動的含義是什么？誘導(dǎo)運動的存在對什么有影響？答：如圖4-34所示之手腕結(jié)構(gòu)。當鏈6和鏈輪4不動，使鏈7和鏈輪5單獨轉(zhuǎn)動時，由于軸10不動，轉(zhuǎn)動的殼體8將迫使圓錐齒輪11作行星運動，即齒輪11隨殼體8作公轉(zhuǎn)(上下俯仰)，同時還繞軸14作一附加的自轉(zhuǎn)運動，稱為“誘導(dǎo)運動”。誘導(dǎo)運動的存在使得對手腕的運動控制變得復(fù)雜。25. 機器人末端執(zhí)行器應(yīng)滿足的要求是什

17、么？答：（1）不論是夾持或吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)需要的足夠的夾持(吸附)力和所需的夾持位置精度。（2）應(yīng)盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，重量輕，以減輕手臂的負荷。專用的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，而能完成多種作業(yè)的“萬能”末端執(zhí)行器可能帶來結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費用昂貴的缺點，因此提倡設(shè)計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器。26. 在機械制造系統(tǒng)中工業(yè)機器人的選擇及布局設(shè)計原則是什么？答：在進行工業(yè)機器人的選擇和系統(tǒng)布局設(shè)計上應(yīng)考慮以下原則：（1）滿足作業(yè)技術(shù)參數(shù)要求；（2）性能價格比好；（3）滿足系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍要求；（4）單元的布局設(shè)計應(yīng)盡可能緊湊，以減少對機器人工作空間的要求，減小制造系統(tǒng)的占地面積（或空間），縮短機器的運動路徑；（5）機器人及系統(tǒng)中的相聯(lián)接的裝備控制應(yīng)協(xié)調(diào)。27. AGV運動原理圖及運動自由度如何描述？答：AGV運動原理圖是將其運動功能用簡潔的符號和圖形表達出來；AGV物流小車運動數(shù)目用自由度表示，有3自由度AGV和2自由度AGV。AGV的各個運動是相對大地運動，屬于并聯(lián)運動形式，因此不能直接用它的實際運動軸的運動描述，需用虛擬軸運動表示。AGV的實軸運動有兩種：驅(qū)動運動（車輪回轉(zhuǎn)，驅(qū)動車體相對地面移動），操舵