1、精品文檔第四章工業機器人設計思考題與習題1. 工業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工業機器人詞匯將工業機器人定義為“是一種能 自動控制、可重復編程、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”；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. 工業機器人由哪幾部分組成？并比較它與數控機床組成的區別 。 答：工業機器人由操作機、驅動單元和控制裝置組成。數控機床一般由機床本體、伺服系統和數控裝置組成。 二者組成的區別主要在于機械本體， 機器人操作機通常由末端執行器、 手腕、

2、手臂和機座組成，而數控機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. 工業機器人的基本功能和基本工作原理是什么？它與機床主要有何相同和不同之 處？答：工業機器人基本功能是提供作業所需的運動和動力，其基本工作原理是通過操作機 上各運動構件的運動，自動地實現手部作業的動作功能及技術要求。在基本功能及基本工作原理上，工業機器人與機床有如下相同之處：二者的末端執行器 都有位姿變化要求；二者都是通過坐標運動來實現末端執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，而機器人是以關節形式運動為主；機床對剛 度、精度要求很高，其靈活性相對較低

3、；而機器人對靈活性要求很高，其剛度、精度相對較 低4. 工業機器人的結構類型有哪幾類？各種類型的特點如何？ 答：工業機器人的結構類型有如下四類： 關節型機器人，其特點是關節一般為回轉運動副，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PUM

4、A機器人的坐標系是如何確 定的？答：坐標系按右手定則確定。絕對坐標系 X-Y-Z,機座坐標系XO-YO-ZO和機械接坐標系 Xm-Ym-Zm勺取法參考GB-T16977-1997工業機器人坐標系和運動命名。關節坐標系 Xi-Yi-Zi 以下簡明的方法確定： （1） 確定基準狀態 般可取機器人處 精品文檔于機械原點時的狀態作為基準狀態。也可以取機器人各關節軸線（ 或大部分關節軸線 ） 與機座直角坐標系軸線平行時的狀態作為基準狀態。 （2） 關節坐標軸軸線位置的選取 取 Zi 軸與 i 關節的運動方向一致。對于回轉關節，取 Zi 軸與 i 關節的軸線重合；對于移 動關節，取 Zi 軸與 i 關節的

5、運動方向平行 （或重合 ）。（3） 關節坐標方向的選取 采用右 手坐標系，規定 Xi、Zi 軸的方向， Yi 軸方向就自然確定了。原則上 Xi、Zi 軸的正向可 視方便任意選取，但應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？它與機床中的軸數和原動件是否相等？ 答：自由度是表示工業機器人動作靈活程度的參數，以直線運動和回轉運動的獨立運動 數表示 （ 一般末端執行器本身的動作不包括在內， 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相當于機床的軸數， 都表示運動的個 數。機器人的自由

6、度數與原動件數目相等。7. 工業機器人的設計內容與步驟大致如何？答：（ 1）. 總體設計：1）基本技術參數設計。在總體方案設計階段首先要確定的主要參數有如下幾種： 用途，額定負載，工作空間，額定速度，驅動方式的選擇，性能指標；2）總體方案設計 包括：運動功能方案設計，傳動系統方案設計，結構布局方案設計，參數設計，控制系統方案設計，總體方案評價；（2）詳細設計 詳細設計內容包括：裝配圖設計、零件圖設計和控制系統設計。（3）總體評價 總體設計階段所得的設計結果，是各構件及關節的概略形狀及尺寸，通過詳細設計將其 細化了，而且總體設計階段尚未考慮的細節也具體化了，因此各部分尺寸會有一些變化，需 要對設

7、計進行總體評價，檢測其是否能滿足所需設計指標的要求。8. 機器人的運動如何用齊次坐標變換來表示？ 答：機器人個關節的運動是坐標運動，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. 工業機器人的位姿的含義是什么？ 答：是指機器人末端執行器在指定坐標系中的位置和姿態。10. 如何用作業動作功能要求來描述機器人位姿？ 答：可用作業軌跡對末端執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動作功 能要求，而末端執行器可用機械接口坐標系表示，所以對末端執行器的位姿要求可直接用機 械接口坐標系與機座坐標系或絕對坐標系間的齊次變換來表示

8、。11. 如何用關節運動來描述機器人的位姿？精品文檔答：就是用機座坐標系、關節坐標系、末端執行器坐標系間的坐標關系來描述末端執行器在 機座坐標系下的位姿。12. 什么是機器人正運動學解析？可以用來解決什么問題？ 答：已知關節運動位移變量，求作業位姿，是是機器人正運動學解析，可以用于求解機 器人工作空間、進行作業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解析？它可以用來解決什么問題？

9、答：已知作業位姿要求（即已知作業變量） ，求關節運動位移變量，是機器人的逆運動學 解析。各關節運動量的計算是機器人控制程序設計必須的。在機器人設計中，可以根據作業 位姿的極限，用逆解求出關節的運動極限，用來指導關節運動極限范圍設計。15. 機器人構件的運動速度、 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而成，每一連桿相對前一連桿運動。根據這一結構 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： ；分析關節驅動力或

10、力矩和與末端施加的 力和力矩的關系；為分析操作臂的受力變形提供基礎。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方面問題即動力學正問題和動力學逆問題， 動力學正問題與機器人的仿真有關，而逆問題是為了實時控制的需要，以期達到良好的動態 性能。動力學分析的基本思路是，首先采用拉格朗日方法、牛頓歐拉方法等建立機器人 手臂的動力學方程，然后根據具體問題進一步分析。18. 機器人正動力學和逆動力學解析分別用來解決什么問題？答： 機器人正動力學是根據關節驅動力矩或力，計算機器人的運動（關節的

11、位移、速度 和加速度）；逆動力學解析是為了根據已知軌跡對應的關節位移、速度和加速度，求出所需要 的關節力矩或力。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，波發生器H為主動 件，柔輪 R 為從動件。當將波發生器裝入柔輪內孔時，由于波發生器兩滾子外側之間的距離 略大于柔輪內孔直徑，使原為圓形的柔輪產生彈性變形成為橢圓，使其長軸兩端的齒與剛輪 齒完全嚙合。同時，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開，其余各處的齒，則視回 轉方向不同分別處于“嚙入”或“嚙出”狀態，當波發生器連續回轉時，嚙入區和嚙出區將精品文檔隨著橢圓長短軸相位的

12、變化而依次變化。于是柔輪就相對于不動的剛輪沿與波發生器轉向相 反的方向作低速回轉，柔輪長軸和短軸相位的連續變化，使柔輪的變形在其圓周上是連續的 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， 只是剛輪的轉向與波發生器轉向相同。諧波減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、效率高（一般 可達 0.70-0.90）、體積小、重量輕等優點，已廣泛用于工業機器人中。20. 機器人的驅動方式有哪些？如何選用？答：工業機器人常用的驅動方式包括電機驅動、液壓、氣動三種。電機驅動方式目前額定負載在 1kN 以下的工業機器人中大多采用電力驅動系統。在機器人中直

13、流伺服 電動機和步進電動機應用廣泛，交流伺服電動機驅動是新近發展起來的，由于其特點已開始 在機器人驅動系統中應用。直流伺服電動機、交流伺服電動機和直接驅動電動機都采用閉環 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控制系統，一 般用于位置和速度精度要求不高、價格較低的簡易機器人中。液壓和氣壓驅動方式目前只在簡易經濟型、 重型工業機器人和噴漆機器人 （在噴漆環境中， 存在易爆可燃物質； 不允許使用電壓超過 9V 的電器 ）中，才考慮采用液壓驅動方式。對輕負荷的搬運，上、下料 點位操作的工業機器人則可以考慮采用氣壓驅動方式。21. 機器人手臂的設計要求是什么？答：機器人手

14、臂的設計要求：（ 1） 手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業任務提出的工作空間要求。工作空間的 形狀和大小與手臂的長度、手臂關節的轉角范圍密切相關。（2）根據手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質材料；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剛度，減輕自身的重量。空心結構 內部可以方便地安置機器人的驅動系統。（ 3）盡量減小手臂重量和相對其關節回轉軸的轉動慣量和偏重力矩， 以減小驅動裝置的 負荷；減少運轉的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應速度。（4）要設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。22.23.

15、機器人機座設計要求是什么？精品文檔精品文檔答： 1） 要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩定性。2） 機座承受機器人全部重量和工作載荷，應保證足夠的強度、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行器的運動精度影響最大。 因此機座與手臂 的聯接要有可靠的定位基準面，要有調整軸承間隙和傳動間隙的調整機構。24.25. 機器人手腕的設計要求是什么？ 答：對工業機器人手腕設計的要求有： （1）由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應力求手腕部件的結構緊湊，減少其 重量和體積。為此腕部機構的驅動裝置多采用分離傳動，將驅動器安置在手臂的后端。（2）手腕部件的自由度愈多，各關節角的

16、運動范圍愈大，其動作的靈活性愈高，機器人 對作業的適應能力也愈強。但增加手腕自由度，會使手腕結構復雜，運動控制加度加大。因 此，設計時，不應盲目增加手腕的自由度數。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機器人的手腕，根據作業實際需要，可減少其自由度數，甚至可以不設 置手腕以簡化結構。（ 3）為提高手腕動作的精確性。應提高傳動的剛度，應盡量減少機械傳動系統中由于間 隙產生的反轉回差。如齒輪傳動中的齒側間隙，絲杠螺母中的傳動間隙；聯軸器的扭轉間隙 等。對分離傳動采用鏈、同步齒帶傳動或傳動軸。（4）對手腕回轉各關節軸上要設置限位開關和機械擋塊，以防止關節超限造成事故。26.

17、27. 手腕的誘導運動的含義是什么？誘導運動的存在對什么有影響？答：如圖 4-34 所示之手腕結構。當鏈 6和鏈輪 4 不動，使鏈 7和鏈輪 5單獨轉動時，由 于軸 10不動，轉動的殼體 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（上 下俯仰 ） ，同時還繞軸 14作一附加的自轉運動，稱為“誘導運動” 。誘導運動的存在使得對 手腕的運動控制變得復雜。28. 機器人末端執行器應滿足的要求是什么？ 答：（1）不論是夾持或吸附，末端執行器需具有滿足作業需要的足夠的夾持（吸附） 力和所需的夾持位置精度。 （2）應盡可能使末端執行器結構簡單、緊湊，重量輕，以減輕手 臂的負荷。專用

18、的末端執行器結構簡單，工作效率高，而能完成多種作業的“萬能”末 端執行器可能帶來結構復雜，費用昂貴的缺點，因此提倡設計可快速更換的系列化、通 用化專用末端執行器。29. 在機械制造系統中工業機器人的選擇與布局設計原則是什么？ 答：在進行工業機器人的選擇和系統布局設計上應考慮以下原則： （1）滿足作業技術參數要求；（2）性能價格比好；（3）滿足系統的生產節拍要求；（4）單元的布局設計應盡可能緊湊，以減少對機器人工作空間的要求，減小制造系統的 占地面積（或空間），縮短機器的運動路徑；（5）機器人與系統中的相聯接的裝備控制應協調。30. 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 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：驅動運動（車輪回轉，驅動車體相對地面移動