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1、工业机器人相关企业工业机器人相关企业0.1 简述工业机器人的定义说明机器人的主要特征。答：ISO定义涵盖如下内容：(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的干预。0.2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

2、床应用于冷加工。4.机器人灵活性好数控机床灵活性差。0.5关节机器人按坐标形式可以分为几种类型？答：关节机器人依据坐标形式的不同通常可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型以及关节坐标型。0.6简述下面几个术语的含义：自由度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。答：自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。重复定位精度是关于精度的统计数据指机器人重复到达某一确定位置准确的概率是重复同一位置的范围可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达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

3、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）。承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。0.7什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。1.2 有一旋转变换先绕固定坐标系Z0轴转45再绕其_0轴转30最后绕其Y0轴转60试求该齐次坐标变换矩阵。解：齐次坐标变换矩阵1.3 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30然后绕旋转后的动坐标系的_B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。解：起始矩阵：最后矩阵：A=Trans(0.0,10.0, -20.0)R

4、ot(_, 30)OB= Trans(-3.0,-3.0, 3.0)Rot(_, 30)Rot(Z,30)O机器人技术复习题（补全）0.1 简述工业机器人的定义说明机器人的主要特征。答：ISO定义涵盖如下内容：(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的干预。0.2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

5、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。0.5关节机器人按坐标形式可以分为几种类型？答：关节机器人依据坐标形式的不同通常可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型以及关节坐标型。0.6简述下面几个术语的含义：自有度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。答：自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。重复定位精度是关于精度的统计数据指机器人重复到达某一确定位置准确的概率是重复同一位置的范围可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。工作范围是指机器人手臂末端

6、或手腕中心所能到达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）。承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。0.7什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。1.7 对于1.7图（a）所示的两个楔形物体 试用两个变换序列分别表示两个楔形物体的变换过程使最后的状态如题1.7图（b）所示。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1；关节2为移动关节 关节变量为d2。试： （1）建立关节坐

7、标系并写出该机械手的运动方程式。（2）按下列关节变量参数求出手部中心的位置值。解：建立如图所示的坐标系参数和关节变量机械手的运动方程式：当1=0d2=0.5时：手部中心位置值当1=30d2=0.8时：手部中心位置值当1=60 d2=1.0时手部中心位置值当1=90d2=0.7时：手部中心位置值1.11 题1.11图所示为一个二自由度的机械手两连杆长度均为1m试建立各杆件坐标系 求出A1A2的变换矩阵。解：建立如图所示的坐标系参数和关节变量1.13 有一台如题1.13图所示的三自由度机械手的机构各关节转角正向均由箭头所示方向指定请标出各连杆的D-H坐标系然后求各变换矩阵A1A2解：D-H坐标系的

8、建立按D-H方法建立各连杆坐标系 参数和关节变量3.1 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

9、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。3.2 设一机器人具有6个转动关节其关节运动均按三次多项式规划要求经过两个中间路径点后停在一个目标位置。试问欲描述该机器人关节的运动共需要多少个独立的三次多项式?要确定这些三次多项式需要多少个系数? 答：共需要3个独立的三次多项式； 需要72个系数。3.3 单连杆机器人的转动关节从q = 5静止开始运动要想在4 s内使该关节平滑地运动到q = 80的位置停止。试按下述要求确定运动轨迹： (1)关节运

10、动依三次多项式插值方式规划。(2)关节运动按抛物线过渡的线性插值方式规划。解：（1）采用三次多项式插值函数规划其运动。已知0=-5f=80tf=4s代入可得系数为a0=-5, a1=0, a2=15.94, a3=-2.66运动轨迹：（2）运动按抛物线过渡的线性插值方式规划：0= -5f=80tf=4s根据题意定出加速度的取值范围：如果选算出过渡时间ta1计算过渡域终了时的关节位置a1和关节速度得4.1 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和主要特点。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：

11、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。主要特点：(1) 一般可以简化成各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系连杆系末端自由且无支承这决定了机器人的结构刚度不高并随连杆系在空间位姿的变化而变化。(2) 开式连杆系中的每根连杆都具有独立的驱动器属于主动连杆系 连杆的运动各自独立不同连杆的运动之间没有依从关系运动灵活。(3) 连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常复杂且和执行器反 馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型因而对机械传动系统的刚 度、间隙和运动精度都有较高的要求。(4) 连杆系的受力状态、刚度条件和动

12、态性能都是随位姿的变化而变化的因此极容易发生振动或出现其他不稳定现象。4.2 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4.3 何谓材料的E/?？为提高构件刚度选用材料E/?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走越大；且密度?越小构件质量越小则构件的惯性力越小刚度越大。所以E/?大些好。4.4 机身设

13、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。4.5 何谓升降立柱下降不卡死条件？立柱导套为什么要有一定的长度？ 解：(1)当升降立柱的偏重力矩过大时如果依靠自重下降立柱可能卡死在导套内；当 h2fL?时立柱依靠自重下降就不会引起卡死现象。（2）要使升降立柱在导套内下降自由臂部总重量W必须大于导套与立柱之间的摩擦 力Fm1及Fm2因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的条件为W Fm1 Fm2=2FN1f=2WfL/h? 即 h2fL ? 式中：h为导套的长度(m)；f为导套与立柱之间的摩擦系数f=0.01

14、50.1一般取较大值；L为偏重力臂(m)。4.9 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。4.11 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。4.15 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

15、为两个薄齿轮的组合件能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。4.16 简述机器人行走机构结构的基本形式和特点。答： 基本形式：固定轨迹式和无固定轨迹式（步行式、轮式和履带式） 固定轨迹式：机身底座安装在一个可移动的拖板座上靠丝杠螺母驱动整个机器人沿

16、丝杠纵向移动。无固定轨迹式：在行走过程中步行式为间断接触轮式和履带式与地面为连续 接触；前者为类人(或动物)的腿脚式后两者的形态为运行车式。运行车式行走机构用得比较多多用于野外作业比较成熟。步行式行走机构正在发展和完善中。6.1 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

17、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。6.2 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。6.3 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

18、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。6.7 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

19、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。6.8 MOTOMAN UP6型机器人仿真软件有哪些主要功能？ 答：编辑、仿真、检测和示教。7.1 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。7.3 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。7.4 简述变位机在焊接生产线或焊接柔性加工单元中的作用。答：将被焊工件旋转(平移)到最佳的焊接位置。7.5 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

20、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 7.6 弧焊机器人工作站按功能和复杂程度的不同可分为哪几种。答：.无变位机的普通弧焊机器人工作站；.不同变位机与弧焊机器人组合的工作站；. 弧焊机器人与周边设备协调运动的工作站。7.7 自动搬运工作站由哪些部分组成？ 答：组成：搬运机器人和周边设备（工件自动识别装置、自动启动及自动传输装置等）。7.12 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。一、机器人的定义 一种拟人功能的机械电子装置。A mechantronic device to imitate some human f

21、unctions。二、机器人三原则 1.机器人不应伤害人类； 2.机器人应遵守人类的命令与第一条相抵触的命令除外； 3.机器人应能保护自己与第二条相抵触者除外。三、解释机器人的“通用性”和“适应性” “通用性”：在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工 作。包括机械系统的机动性与控制系统的灵活性。“适应性”:能自动执行这些未经完全指定的任务而不管任务执行过程中所发生 的没有预测到的环境变化。四、什么叫：基准坐标系？构件坐标系？ 基准坐标系称为参考坐标系。在变换中是不动的坐标系。构件坐标系其固接在物体或机器人上。其变换后相对参考坐标系发生位姿改变。中南大学网络教育课程考试复习

22、题及参考答案 二、简答题： 1.机器人学主要包含哪些研究内容？ 2.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？ 3.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义？ 4.机器人控制系统的基本单元有哪些？ 5.直流电机的额定值有哪些？ 6.常见的机器人外部传感器有哪些？ 7.简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理。8.机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？ 9.为什么要做图像的预处理？机器视觉常用的预处理步骤有哪些？ 10.请简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。11.从描述操作命令的角度看机器人编程语言可分为哪几类？ 12.仿人机器人的关键技术有哪些？三、论述题：1.试论述机器人技术的发展趋势。2.

23、试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。3.试论述轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合。4.试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。5.机器人单关节伺服控制中位置反馈增益和速度反馈增益是如何确定的？6.试论述工业机器人的应用准则。四、计算题：（需写出计算步骤无计算步骤不能得分）： 1.已知点u的坐标为7,3,2T对点u依次进行如下的变换：（1）绕z轴旋转90得到点v；（2）绕y轴旋转90得到点w；（3）沿_轴平移4个单位再沿y轴平移-3个单位最后沿z轴平移7个单位得到点t。求u, v, w, t各点的齐次坐标。2.如图所示为具有三个旋转关节的3R机械手求末端机械手在基坐标系_0,

24、y0下的运动学方程。3.如图所示为平面内的两旋转关节机械手已知机器人末端的坐标值_,y试求其关节旋转变量1 和2.4.如图所示两自由度机械手在如图位置时（1= 0 , 2=/2）生成手爪力 FA = f_ 0 T 或FB = 0 fy T。求对应的驱动力 TA和TB 。5.如图所示的两自由度机械手手部沿固定坐标系在手上_0轴正向以1.0m/s的速度移动杆长 l1=l2=0.5m。设在某时刻1=302=-60求该时刻的关节速度。已知两自由度机械手速度雅 可比矩阵为6.如图所示的三自由度机械手（两个旋转关节加一个平移关节简称RPR机械手）求末端机械手的运动学方程。参考答案 一、名词解释题： 1.

25、自由度：指描述物体运动所需要的独立坐标数。2. 机器人工作载荷：机器人在规定的性能范围内机械接口处能承受的最大负载量（包括手部）。3. 柔性手：可对不同外形物体实施抓取并使物体表面受力比较均匀的机器人手部结构。4. 制动器失效抱闸：指要放松制动器就必须接通电源否则各关节不能产生相对运动。5. 机器人运动学：从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系称为运动学。6. 机器人动力学：机器人各关节变量对时间的一阶导数、二阶导数与各执行器驱动力或力矩之间的关系 即机器人机械系统的运动方程。7. 虚功原理：约束力不作功的力学系统实现平衡的必要且充分条件是对结构上允许的任意位移（虚位移） 施力所作功之和

26、为零。8. PWM驱动：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）驱动。9. 电机无自转：控制电压降到零时伺服电动机能立即自行停转。10. 直流伺服电机的调节特性：是指转矩恒定时电动机的转速随控制电压变化的关系。11. 直流伺服电机的调速精度：指调速装置或系统的给定角速度与带额定负载时的实际角速度之差与给 定转速之比。12. PID控制：指按照偏差的比例（P, proportional）、积分（I, integral）、微分（D, derivative）进 行控制。13. 压电元件：指某种物质上施加压力就会产生电信号即产生压电现象的元件。14. 图像锐化：突出图像中的高频成分

27、使轮廓增强。15. 隶属函数：表示论域U中的元素u属于模糊子集A的程度在0, 1闭区间内可连续取值。16. BP网络：BP (Back Propagation)神经网络是基于误差反向传播算法的人工神经网络。17. 脱机编程：指用机器人程序语言预先进行程序设计而不是用示教的方法编程。18. AUV：Autonomous Underwater Vehicle 无缆自治水下机器人或自动海底车。二、简答题： 1.答：机器人研究的基础内容有以下几方面：(1) 空间机构学；(2) 机器人运动学；(3) 机器人静力学；(4)机器人动力学；(5)机器人控制技术；(6)机器人传感器；(7)机器人语言。2.答：目

28、前常用的有如下几种形式：(1)横梁式。机身设计成横梁式用于悬挂手臂部件具有占地面积小能有效地利用空间直观等优点。(2)立柱式。多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式一般臂部都可在水平面内回转具有占地面积小而工作范围大的特点。(3)机座式。可以是独立的、自成系统的完整装置可随意安放和搬动。也可以具有行走机构如沿地面上的专用轨道移动以扩大其活动范围。(4)屈伸式。臂部由大小臂组成大小臂间有相对运动称为屈伸臂可以实现平面运动也可以作空间运动。4.答：构成机器人控制系统的基本要素包括： (1) 电动机提供驱动机器人运动的驱动力。(2) 减速器为了增加驱动力矩、降低运动速度。(3) 驱动电路由于直流伺服

29、电动机或交流伺服电动机的流经电流较大机器人常采用脉冲宽度调制（PWM）方式进行驱动。(4) 运动特性检测传感器用于检测机器人运动的位置、速度、加速度等参数。(5) 控制系统的硬件以计算机为基础采用协调级与执行级的二级结构。(6) 控制系统的软件实现对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。5.答：直流电动机的额定值有以下几项：(1)额定功率是指按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机来说额定功率是指轴上输出的机械功率单位为kW。(2)额定电压是电动机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压单位为V。(3)额定电流是指电动机按照规定的工作方式运行时电枢

30、绕组允许流过的最大电流单位为A。(4)额定转速指电动机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时电动机的旋转速度单位为r/min。6.答：常见的外部传感器包括触觉传感器分为接触觉传感器、压觉传感器、滑觉传感器和力觉传感器。距离传感器包括超声波传感器接近觉传感器以及视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器等。7.答：在脉冲回波式中先将超声波用脉冲调制后发射根据经被测物体反射回来的回波延迟时间t计算出被测物体的距离R假设空气中的声速为v则被测物与传感器间的距离R为： R=vt/2如果空气温度为T（)则声速v可由下式求得 v=(331.5 0.607T) m/s8.答：(1) 景物和距离

31、传感器常用的有摄像机、CCD图像传感器、超声波传感器和结构光设备等；(2) 视频信号数字化设备其任务是把摄像机或者CCD输出的信号转换成方便计算和分析的数字信号；(3) 视频信号处理器视频信号实时、快速、并行算法的硬件实现设备：如DSP系统；(4) 计算机及其设备根据系统的需要可以选用不同的计算机及其外设来满足机器人视觉信息处理及其机器人控制的需要；(5) 机器人或机械手及其控制器。9.答：预处理的主要目的是清楚原始图像中各种噪声等无用的信息改进图像的质量增强兴趣的有用信息的可检测性。从而使得后面的分割、特征抽取和识别处理得以简化并提高其可靠性。机器视觉常用的预处理包括去噪、灰度变换和锐化等。10.答：模糊逻辑控制器由4个基本部分组成即模糊化、知识库、推理算法和逆模糊化。(1) 模糊化：将检测输入变量值变换成相应的论域将输入数据转换成合适的语言值。(2) 知识库：包含应用领域的知识和控制目标它由数据和模糊语言控制规则组成。(3) 推理算法：从一些模糊前提条件推导出某一结论这种结论可能存在模糊和确定两种情况。(4) 逆模糊化：将推理所得到的模糊值转换为明确的控制讯号作为系统的输入值。11.答：机器人编程