工業(yè)機(jī)器人-韓建海復(fù)習(xí)指導(dǎo)

機(jī)器人具有的三大特征：擬人功能、可編程、通用性機(jī)器人三大定律：效勞于人，自我保護(hù)，不危害人類工業(yè)機(jī)器人之父：英格伯格Shakey世界上第一臺智能機(jī)器人加藤一郎仿機(jī)器人之父按機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域分為：產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人，極限作業(yè)機(jī)器人，效勞型機(jī)器人操作臂：通常將機(jī)身，臂部，手腕和末端操作器〔如手爪〕稱為~，它由一系列的連桿通過關(guān)節(jié)順序相串聯(lián)而成。關(guān)節(jié)決定兩相鄰的連桿副之間的連接關(guān)系，也稱為運動副。機(jī)器人最常用的兩種關(guān)節(jié)是移動關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。五種坐標(biāo)形式的機(jī)器人：直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球〔極〕坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人、SCARA型機(jī)器人1-2.簡述機(jī)器人的組成局部及其作用。答：機(jī)器人是由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)四局部組成。其中，機(jī)械系統(tǒng)由機(jī)身、肩部、手腕、末端操作器和行走機(jī)構(gòu)組成；工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)的作用相當(dāng)于認(rèn)得身體。驅(qū)動系統(tǒng)可分為電氣、液壓、氣壓驅(qū)動系統(tǒng)以及它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)組合；該局部的作用相當(dāng)于人的肌肉?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序及從傳感器反應(yīng)回來的信號，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運動和功能；該局部的作用相當(dāng)于人的大腦。感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成。其中，內(nèi)部傳感器用于檢測各關(guān)節(jié)的位置、速度等變量，為閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)提供反應(yīng)信息；外部傳感器用于檢測機(jī)器人與周圍環(huán)境之間的一些狀態(tài)變量，如距離、接近程度、接觸程度等，用于引導(dǎo)機(jī)器人，便于其識別物體并作出相應(yīng)的處理。該局部的作用相當(dāng)于人的五官。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)分析：根據(jù)機(jī)器人的適用場合，明確機(jī)器人的目的和任務(wù)、分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括機(jī)器人與已有設(shè)備的兼容性、認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的根本功能和方案、進(jìn)行必要的調(diào)查研究，搜集國內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料，進(jìn)行綜合分析，找出可借鑒之處，了解設(shè)計過程中需要注意哪些問題。機(jī)器人根本參數(shù)的設(shè)定：自由度數(shù)目確實定、作業(yè)范圍確實定、運動速度確實定、承載能力確實定、定位精度確實定驅(qū)動方式：電氣驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動諧波齒輪傳動的特點:j結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量小、傳動比范圍大，單級諧波減速器傳動比可在50~300之間，優(yōu)選在75~250之間、運動精度高，承載能力大。由于多齒嚙合，與相同精度的普通齒輪相比，其運動精度能提高4倍左右，承載能力也大大提高、運動平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小、齒側(cè)間隙可以調(diào)整工業(yè)機(jī)器人主要由三大局部構(gòu)成:機(jī)身〔立柱〕，臂部〔包括手腕〕，手部機(jī)身一般用于實現(xiàn)升降回轉(zhuǎn)和俯仰等運動，常有1~3個自由度14.工業(yè)機(jī)器人對臂部設(shè)計有什么根本要求？答：〔1〕手臂應(yīng)具有足夠的承載能力和剛度。〔2〕導(dǎo)向性要好。〔3〕重量和轉(zhuǎn)動慣量要小〔4〕運動要平穩(wěn)、定位精度要高。15.工業(yè)機(jī)器人的臂部由大臂，小臂〔或多臂〕所組成，一般具有2個自由度，即伸縮，回轉(zhuǎn)，俯仰或升降。16.手腕按自由度數(shù)目可分為單自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕17.手部設(shè)計的特點：手部和手腕連接處可拆卸、手部是工業(yè)機(jī)器人的末端操作器、手部的通用性比擬差、手部是一個獨立的部件2-1工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計主要包括哪幾個方面的內(nèi)容？答：工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計過程是跨學(xué)科的綜合設(shè)計過程，設(shè)計機(jī)械設(shè)計、傳感技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用和自動控制等多方面的內(nèi)容。2-2.機(jī)器人的三種驅(qū)動方式各自的優(yōu)缺點是什么？答：機(jī)器人常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種根本類型。液壓驅(qū)動方式液壓驅(qū)動的特點是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可以省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動的連桿相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄漏，故目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。優(yōu)點:(1)液壓容易到達(dá)較高的單位面積壓力體積較小,可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩。(2)液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小,工作平穩(wěn)可靠,并可得到較高的位置精度(3)液壓傳動中,力、速度和方向比擬容易實現(xiàn)自動控制(4)液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì),具有防銹性和自潤滑性能,可以提高機(jī)械效率,使用壽命長。缺點:(1)油液的粘度隨溫度變化而變化,這將影響工作性能。高溫容易引起燃燒、爆炸等危險(2)液體的泄漏難于克服,要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量,故造價較高(3)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng),尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置,否那么會引起故障。氣壓驅(qū)動方式氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比擬簡單，但與液壓驅(qū)動相比，同體積條件下功率較小，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制系統(tǒng)。優(yōu)點：(1)壓縮空氣粘度小,容易到達(dá)高速(1m／s)(2)利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣,不必添加動力設(shè)備(3)空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染,使用平安,可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)(4)氣動元件工作壓力低,故制造要求也比液壓元件低。缺點:(1)壓縮空氣常用壓力為0.4～0.6MPa,假設(shè)要獲得較大的壓力,其結(jié)構(gòu)就要相對增大(2)空氣壓縮性大,工作平穩(wěn)性差,速度控制困難,要到達(dá)準(zhǔn)確的位置控制很困難。(3)壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題,處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹,導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外,排氣還會造成噪聲污染。電氣驅(qū)動方式電氣驅(qū)動所用能源簡單，機(jī)構(gòu)速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高，且具有使用方便、噪聲低和控制靈活的特點。2-3.設(shè)計機(jī)身時要注意的問題：機(jī)身要有足夠的剛度強(qiáng)度和穩(wěn)定性、運動要靈活，用于升降運動的導(dǎo)向套長度不宜過短，以免發(fā)生卡死現(xiàn)象、驅(qū)動方式要適宜、機(jī)構(gòu)布置要合理2-4.工業(yè)機(jī)器人對臂部設(shè)計有什么根本要求？答：〔1〕手臂應(yīng)具有足夠的承載能力和剛度。〔2〕導(dǎo)向性要好?！?〕重量和轉(zhuǎn)動慣量要小?！?〕運動要平穩(wěn)、定位精度要高。2-7.真空吸附系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容包括哪幾個方面？答：真空源的選擇、吸盤的結(jié)構(gòu)、吸盤的吸附能力2-8.手爪的開合為什么常用氣壓驅(qū)動？答：其所用的能源簡單，機(jī)械速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高，且使用方便噪聲低，和控制靈活18.逆運動學(xué)的特性：解可能不存在，解的多重性，求解方法的多用性3-1.點矢量v為，相對參考系作如下齊次坐標(biāo)變換：A=寫出變換后點矢量v的表達(dá)式，并說明是什么性質(zhì)的變換，寫出其經(jīng)平移坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)變換后的其次坐標(biāo)變換矩陣〔即寫出旋轉(zhuǎn)算子Rot及平移算子Trans〕。解：v，=Av==屬于復(fù)合變換：旋轉(zhuǎn)算子Rot〔Z，30?〕=平移算子Trans〔11.0，-3.0，9.0〕=3-2.有一旋轉(zhuǎn)變換，先繞固定坐標(biāo)系Z0軸轉(zhuǎn)45?，再繞其X0軸轉(zhuǎn)30?，最后繞其Y0軸轉(zhuǎn)60?，試求該齊次坐標(biāo)變換矩陣。解：齊次坐標(biāo)變換矩陣R=Rot(Y，60?〕Rot〔X，30?〕Rot(Z，45?〕==3-3.坐標(biāo)系{B}起初與固定坐標(biāo)系{O}相重合，現(xiàn)坐標(biāo)系{B}繞ZB旋轉(zhuǎn)30?，然后繞旋轉(zhuǎn)后的動坐標(biāo)系的XB軸旋轉(zhuǎn)45?，試寫出該坐標(biāo)系{B}的起始矩陣表達(dá)式和最后矩陣表達(dá)式。解：起始矩陣：B=O=最后矩陣：B′=Rot(Z，30?〕BRot〔X，45?〕=3-5.寫出齊次變換陣，它表示坐標(biāo)系{B}連續(xù)相對固定坐標(biāo)系{A}作以下變換：繞軸旋轉(zhuǎn)90?。繞軸旋轉(zhuǎn)-90?。移動。解：=Trans〔3，7，9〕Rot〔X，-90?〕Rot〔Z，90?〕==3-6.寫出齊次變換矩陣，它表示坐標(biāo)系{B}連續(xù)相對自身運動坐標(biāo)系{B}作以下變換：移動。繞軸旋轉(zhuǎn)90?。.繞軸轉(zhuǎn)-90?。.=Trans〔3，7，9〕Rot〔X，90?〕Rot〔Z，90?〕=3-7.1.8如題1.8圖所示的二自由度平面機(jī)械手，關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)變量為θ1；關(guān)節(jié)2為移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)變量為d2。試：建立關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，并寫出該機(jī)械手的運動方程式。按以下關(guān)節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的位置值。θ10?30?60?90?d2/m0.500.801.000.70解：建立如下圖的坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿θαаd1θ1000200d20機(jī)械手的運動方程式：當(dāng)θ1=0?，d2=0.5時：手部中心位置值當(dāng)θ1=30?，d2=0.8時手部中心位置值當(dāng)θ1=60?，d2=1.0時手部中心位置值當(dāng)θ1=90?，d2=0.7時手部中心位置值3-10.什么是機(jī)器人運動學(xué)逆解的多重性？答：機(jī)器人運動學(xué)逆解的多重性是指對于給定的機(jī)器人工作領(lǐng)域內(nèi)，手部可以多方向到達(dá)目標(biāo)點，因此，對于給定的在機(jī)器人的工作域內(nèi)的手部位置可以得到多個解。4-1.4.2略P974-4.機(jī)器人力雅可比矩陣和速度雅可比矩陣有何聯(lián)系？答：力雅可比矩陣是速度雅克比矩陣的轉(zhuǎn)置。19.機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點：本質(zhì)上是一個非線性的系統(tǒng)、是有多關(guān)節(jié)組成的一個變量控制的系統(tǒng)且各個關(guān)節(jié)具有耦合作用、是一個時變系統(tǒng)，其動力學(xué)參數(shù)隨著關(guān)節(jié)運動位置變化而變化20.機(jī)器人的控制方式：點位控制與連續(xù)軌跡控制、力〔力矩〕控制方式、智能控制方式、示教-再現(xiàn)控制21.負(fù)載的阻抗與能源內(nèi)部的阻抗一致，稱為阻抗匹配22.工業(yè)機(jī)器人用傳感器的分類：內(nèi)部傳感器：用于測量機(jī)器人自身狀態(tài)參數(shù)〔如手臂間的角度等〕的功能元件。外部傳感器：用于測量與機(jī)器人作業(yè)有關(guān)的外部消息，這些外部信息通常與機(jī)器人的目標(biāo)識別，作業(yè)平安等有關(guān)。23．速度傳感器分為：測速發(fā)電機(jī)、增量式光電編碼器、微硅陀螺儀6-1.工業(yè)機(jī)器人傳感器分為哪幾類？他們分別有什么作用？觸覺傳感器屬于哪一類？答：.工業(yè)機(jī)器人用傳感器的分類：內(nèi)部傳感器：用于測量機(jī)器人自身狀態(tài)參數(shù)〔如手臂間的角度等〕的功能元件。外部傳感器：用于測量與機(jī)器人作業(yè)有關(guān)的外部消息，這些外部信息通常與機(jī)器人的目標(biāo)識別，作業(yè)平安等有關(guān)。觸覺傳感器屬于外部傳感器。6-2選擇工業(yè)機(jī)器人傳感器時主要需考慮哪些因素？答：靈敏度、線性度、測量范圍、精度、重復(fù)性、分辨率、響應(yīng)時間、抗干擾能力6-3.光電編碼器可用于測量的模擬量有哪些？請說明絕對式與增量式光電編碼器各自適用的場合。答：光電編碼器可以測量的模擬量：轉(zhuǎn)角、直線位移、轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向適用場合：絕對式：用于長期定位控制的裝置和設(shè)備中增量式：廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定儀器等需要檢