工业机器人-韩建海复习指导

1.机器人具有的三大特征：拟人功能、灯编程、通用性

2.机器人三大定律：效劳于人，自我保护，不危害人类

3.工业机器人之父：英格伯格Shakey世界上第一台智能机器人加藤

一郎仿机器人之父

4.按机器人的应用领域分为：产业用机器人，极限作业机器人，效劳型机器

人

5.操作臂：通常将机身，臂部，手腕和末端操作器（如手爪）称为〜，它由一

系列的连杆通过关节顺序相串联而成。关节决定两相邻的连杆副之间的连

接关系，也称为运动副。机器人最常用的两种关节是移动关节和回转关节。

6.五种坐标形式的机器人：直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球（极）

坐标型机器人、关节坐标型机器人、SCARA型机器人

1-2.简述机器人的组成局部及其作用。

答：机器人是由机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四局部组成。

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；该局部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应回来的

信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能；该局部的作

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应信息；外部传

感器用丁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埋。该局

部的作用相当于人的五官。

7.工业机器人系统分析：根据机器人的适用场合，明确机器人的目的和任务、

分析机器人所在系统的工作环境，包括机器人与已有设备的兼容性、认真

分析系统的工作要求，确定机器人的根本功能和方案、进行必要的调查研

究，搜集国内外的有关技术资料，进行综合分析，找出可借鉴之处，了解

设计过程中需要注意哪些问题。

8.机器人根本参数的设定：自由度数目确实定、作业范围确实定、运动速度

确实定、承载能力确实定、定位精度确实定

9.驱动方式：电气驱动、液压驱动、气压驱动

10.谐波齿轮传动的特点:j结构简单，体积小，质量小、传动比范围大，单级

谐波减速器传动比可在50〜300之间，优选在75~250之间、运动精度高，

承载能力大。由于多齿啮合，与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能

提高4倍左右，承载能力也大大提高、运动平稳，无冲击，噪声小、齿侧

间隙可以调整

11.工业机器人主要由三大局部构成:机身（立柱），臂部（包括手腕），手部

12.机身一般用于实现升降回转和俯仰等运动，常有1〜3个自由度

14.工业机器人对臂部设计有什么根本要求？

答：（1）手臂应具有足够的承载能力和刚度。

⑵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。

15.工业机器人的臂部由大臂，小臂（或多臂）所组成，一般具有2个自由度,

即伸缩，回转，俯仰或升降。

16.手腕按自由度数目可分为单自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕

17.手部设计的特点：手部和手腕连接处可拆卸、手部是工业机器人的末端操

作器、手部的通用性比拟差、手部是一个独立的部件

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根本类

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)液压容易到达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、速度和方向比拟容易实现自动控制

(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、结构都比拟简单，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，容易到达高速(lm/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，使用平安，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,假设要获得较大的压力,

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，要到达准确的

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。

2-3.设计机身时要注意的问题：机身要有足够的刚度强度和稳定性、运动要灵

活，用于升降运动的导向套长度不宜过短，以免发生卡死现象、驱动方式要适

宜、机构布置要合理

2-4.工业机器人对臂部设计有什么根本要求？

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。

2-7.真空吸附系统的设计内容包括哪几个方面？

答：真空源的选择、吸盘的结构、吸盘的吸附能力

2-8.手爪的开合为什么常用气压驱动？

答：其所用的能源简单，机械速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很

高，且使用方便噪声低，和控制灵活

18.逆运动学的特性：解可能不存在，解的多重性，求解方法的多用性

3-1.点矢量V为[10.0020.0030.00]r,相对参考系作如下齐次坐标变换:

-0.866-0.5000.00011.0-

().5000.8660.000-3.0

rA\一-

0.0000.0001.0009.0

0001_

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)。

0.866-0.5000.00011.010.009.66

0.5000.8660.000-3.020.0019.32

解：v'=Av=

0.0000.0001.0009.030.00一39

000111

属于复合变换:

0.866-0.50o-

0.50.86600

旋转算子Rot（Z,30口）二平移算子Trans(11.0,-3.0,9.0)

0010

0001

-10011.0"

010-3.()

0019.0

0001

3-2.有一旋转变换，先绕固定坐标系Zo轴转45口，再绕其X。轴转30口，最

后绕其Y。轴转60口，试求该齐次坐标变换矩阵。

解：齐次坐标变换矩阵R=Rot（Y,60口）RotX,30口)Rot(Z,45口)

0.500.866010000.707-0.70700

010000.866-0.500.7070.70700

-0.86600.5000.50.86600010

000100010001

0.660-0.0470.7500

0.6120.612-0.50

-0.436-().4360.4330

000I

3-3.坐标系｛B｝起初与固定坐标系｛O｝相重合，现坐标系｛B｝绕ZB旋转300,

然后绕旋转后的动坐标系的XB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。

1000

(]00

解：起始矩阵：B二O=

0010

000

0.866-0.35300

0.50.612-0.6120

最后矩阵：B=Rot（Z,30口）BRot（X,45口）=

00.7070.7070

0001

3-5.写出齐次变换阵加,它表示坐标系｛B｝连续相对固定坐标系｛A｝作以下

变换:

(1)绕乙轴旋转901。

(2)绕X八轴旋转・90口。

(3)移动［37

解：二Trans(3,79)RotX，-90□)Rot(Z,90□)

100310000-1000-103

010700-10100000-17

0019010000101009

0001000100010001

3-6.写出齐次变换矩阵/，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[379]ro

(2)绕X〃轴旋转90口。.

(3)绕工口轴转-90口。.

IH=Trans（3,7,9）Rot（X,90口〕Rot⑵90口）=

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Hi；关节2为移动关节，关节变量为d2。试:

（1）建立关节坐标系，并写出该机械手的运动方程式。

（2）按以下关节变量参数求出手部中心的位置值。

%on3060□son

d2/m0.500.801.000.70

建

立如下图的坐标系

参数和关节变量

连杆0aad

1o.000

200d?0

机械手的运动方程式:

当。尸0口,d2=0.5时：

-1000.5-

0100

手部中心位置值8=

0000

0001

当。尸30口,小二0.8时

0.866-0.500.433-

0.50.86600.4

手部中心位置值'二

0000

0001

当0尸60口，ch=1.0时

0.5-0.86600.5

0.8660.500.866

手部中心位置值8=

0000

0001

当H尸90口,d2=0.7时

-o-1oo-

手部中心位置值3=；：：丫

0001

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

可以多方向到达目标点，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。

4-1.4.2略P97

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。

19.机器人控制系统的特点：本质上是一个非线性的系统、是有多关节组成的

一个变量控制的系统且各个关节具有耦合作用、是一个时变系统，其动力学参

数随着关节运动位置变化而变化

20.机器人的控制方式：点位控制与连续轨迹控制、力（力矩）控制方式、智

能控制方式、示教■再现控制

21.负载的阻抗与能源内部的阻抗一致，称为阻抗匹配

22.工业机器人用传感器的分类：内部