工業(yè)機器人知識要點

機器人三大特征：1.擬人功能，機器人是模仿人或動物肢體動作的機器，能像人那樣使用工具,

因此數(shù)控機床和汽車不屬于機器人；2.可編程，一般的電動玩具沒有智力或具有感覺和識別

能力，不能再編程，因此不能稱為真正的機器人。3.通用性一般機器人在執(zhí)行不同作業(yè)任務(wù)時,

具有較好的通用性。比如，通過更換機器人末端操作器（手爪工具等）便可執(zhí)行不同的任

務(wù)。

機器人一詞是1920年由捷克作家卡雷爾?恰佩克在他的諷刺劇《羅莎姆的萬能機器人》中

首先提出的。劇中描述了一個與人類相似，但能不知疲倦工作的機器人奴仆Robot。從那時

起，robot一詞就被沿用下來，中文翻譯成機器人。

機器人按控制方式分類：1.操作機器人2.程序機器人3.示教-再現(xiàn)機器人4.數(shù)控機器人5智

能機器人。

按機器人關(guān)節(jié)連接布置形式分類：分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人。

五種坐標(biāo)形式的機器人：二.直角坐標(biāo)型機器人2.圓柱坐標(biāo)型機器人3.球（極）坐標(biāo)型機器人

4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人5.SCARA型機器人。

工業(yè)機器人系統(tǒng)的組成：1.機械系統(tǒng)：工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)包括機身，臂部，手腕。末端操

作器利行走機構(gòu)等部分，每一部分都有若干個自由度，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。2.驅(qū)動

系統(tǒng)：主要是指機械系統(tǒng)動作的驅(qū)動裝置。3控制系統(tǒng)：任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序及

從傳感器反饋回來的信號，控制機器人的執(zhí)行機構(gòu)，使其完成規(guī)定的任務(wù)和功能。4.感知系統(tǒng):

由內(nèi)部傳感器和外部傳感相組成，其作用是獲取機器人內(nèi)部和外部環(huán)境信息，并把這些信息反

饋給控制系統(tǒng).

工業(yè)機器的技術(shù)參數(shù)：1自由度：是指機器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目，不包括末端

操作器的開合自由度。一般為3~6個。2.定位精度和重復(fù)定位精度：是機器人的兩個精度指標(biāo)。

3.作業(yè)范圍：機器人運動時手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點的集合，也稱為工作區(qū)域。

4最大工作速度。5.承載能力：指機器人在作業(yè)范I制內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。

逆運動學(xué)的特性：1.解可能不存在2.解的多重性3.求解方法的多樣性。

工業(yè)機器人編程方式：1.機器人語言編程2.示教編程3.離線編程

機器人語言分為三級：1ZJ作級語言MOVETP〈destination〉代表是VAL語言2.對象級語言

3.任務(wù)級語言焊接機器人種類：1焊接機器人2.弧焊機器人3.點焊機器人：由機器人本體，

焊鉗，點焊控制箱，水（氣）管路，焊鉗修磨器夾具，循環(huán)水冷箱及相關(guān)電纜等組成。

驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動方式，氣壓驅(qū)動方式，電器驅(qū)動。

諧波齒輪傳動的特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量小。（2）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。（3）運動精度高，承受能力大。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，受載能力也大大提高。

（4）運動平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小。（5）齒側(cè)間隙可以調(diào)整。

擺線針輪傳動減速器特點（RV）：（1）如果傳動機構(gòu)置于行星架的主支承軸承內(nèi)，那么，這種

傳動的軸尺寸將大大縮小,（2）采用二級減速機構(gòu)時，處于低速的針擺動更加平穩(wěn)。同時，

轉(zhuǎn)臂軸承因個數(shù)增多且內(nèi)、外相對轉(zhuǎn)速下降，其壽命可大大提高。（3）只要設(shè)計合理，就可

獲得很高的運動精度和很小的同差。（4）擺線針輪傳動的輸出機構(gòu)是采用兩端支承的盡可能

大的剛性圓盤輸出結(jié)構(gòu)，比一般半仙減速器的輸出機構(gòu)具有更大的剛度，且坑沖性能也有很媲

高。（5）傳動比范圍大。i=31—171.（6）傳動效率高，q=0.85—0.92o

設(shè)計機身時要注意的問題：（1）機身要有足夠的剛度、強度和穩(wěn)定性。（2）運動要靈活，用

于實現(xiàn)升降運動的導(dǎo)向套長度不宜過短，以避免發(fā)生卡死現(xiàn)象。（3）驅(qū)動方式要適宜。（4）

結(jié)構(gòu)布置要合理。

臂部實際得基本要求：（L）手臂應(yīng)具有足夠的承受能力和剛度。（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。

手腕的分類：按臼由度數(shù)目分類分單自由度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕。

按驅(qū)動分類分直接驅(qū)動手腕、遠(yuǎn)距離傳動手腕。

RPY：把手腕的回轉(zhuǎn)成為Roll,俯仰稱為Pitch,偏轉(zhuǎn)稱為Yawo

手部定義：工業(yè)機器人的手部是裝在工業(yè)機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。

手部特點：（1）手部與手腕相連處可拆卸。（2）手部是工業(yè)機器人的末端操作器。（3）手部

的通用性比較差。（4）手部是一個獨立的部件，假如把手腕歸屬于臂部，那么，工業(yè)機器人

機械系統(tǒng)的三大件就是機身、臂部和手部。

手部分類：機械鉗爪式手部結(jié)構(gòu)（1）齒輪齒條移動式手爪（2）重力式鉗爪（3）平行連桿

式鉗爪（4）撥桿杠桿式鉗爪（5）自動調(diào)整式鉗爪（6）特殊形式手指。

機器人控制方式：1.點位控制與連續(xù)軌跡控制2.力（力矩）控制方式3.智能控制方式4.示

教-再現(xiàn)控制。

單關(guān)節(jié)控制問題：由于機器人是耦合的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，嚴(yán)格來說，各關(guān)節(jié)的控制必須考慮

各關(guān)節(jié)之間的耦合作用，但對于工業(yè)機器人，通常還是按照獨立關(guān)節(jié)來考慮。這是因為工業(yè)機器

人運動速度不高（通常小F1.5m/s），由速度項引起的非線性作用可以忽略。另外，二業(yè)機

器人常用直流伺服電動機作為關(guān)節(jié)驅(qū)動器，由于直流伺服電動機轉(zhuǎn)矩不大，在驅(qū)動負(fù)載時通常

需要減速器，其減速比往往接近100,而負(fù)載的變化（如由于機器人關(guān)節(jié)角度的變化，使得轉(zhuǎn)

動慣量發(fā)生變化）折算到電動機軸上時要除以減速比的二次方，因此電動機軸上負(fù)載變化很小,

可以看做定常系統(tǒng)。各關(guān)節(jié)之間的耦合作用，也會因減速器的存在而極大地削弱，于是工業(yè)機器

人系統(tǒng)就變成「一個由多關(guān)節(jié)（多軸）組成的各自獨立的線性系統(tǒng)。

工業(yè)機器人用傳感器的分類：內(nèi)部傳感囂外部傳感器

位置和位移傳感器：光電編碼器有哪兩種：絕對式光電編碼器、增量式光電編碼器。速

度傳感器有哪幾種（角速度傳感器）：測速發(fā)電機、增帚式光電編碼器、微硅陀螺儀

接近覺傳感器有哪5種：電感式與電容式接近覺傳感器、光電式接近覺傳感器、霍爾接近覺傳

感器、超聲波傳感器、氣壓接近覺傳感器。

觸覺傳感器有哪幾種：接觸覺傳感器、力覺傳感器、滑覺傳感器。

機器人視覺系統(tǒng)的特點（優(yōu)點）（1）精度高優(yōu)秀的機器視覺系統(tǒng)能夠?qū)σ磺€或更多部件

的一個進(jìn)行空間測量。因為此種測量不需要接觸，因為此種測量不需要接觸目標(biāo)，所以對目標(biāo)

沒有損傷和危險，同時由于才用了計算機技術(shù)，因此具有極高的精確度。（2）連續(xù)性機器人視

覺系統(tǒng)可以使人們免受疲勞之苦。因為沒有人工操作者，也就沒有了人為造成的操作變化。

（3）靈活性機器視覺系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種不同信息的獲取或測量。當(dāng)應(yīng)用需求發(fā)生變化以后,

只需軟件做相應(yīng)變化或者升級以適應(yīng)新的需求。（4）標(biāo)準(zhǔn)性機器視覺系統(tǒng)的核心是視覺圖像

技術(shù)，因此不同廠商的機器視覺系統(tǒng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)是一致的，這為機器視覺的廣泛應(yīng)用提供了極

大的方便。

視覺系統(tǒng)的組成：1視覺傳感器（1.CCD傳感器2.CM0S傳感器）2.圖像采集/處理卡3.光源

4.計算機

圖像處理技術(shù)有哪6種：圖像增強、圖像平滑、邊緣銳化圖像分割、圖像識別、圖像編碼與

壓縮.

機器人軌跡規(guī)劃的概念：機器人軌跡是指工業(yè)機器人在工作過程中的運動軌跡，即運動點的位移、

速度和加速度。規(guī)劃是一種問題求解方法，即從某個特定問題的初始狀態(tài)出發(fā)，構(gòu)造一系歹J操作

步驟（或算子），以達(dá)到解決問題的目標(biāo)狀態(tài)。

而機器人的軌跡規(guī)劃是指根據(jù)機器人作業(yè)任務(wù)的要求（作業(yè)規(guī)劃），對機器人末端操作器在

工作過程中位姿變化的路徑、取向及其變化速度和加速度進(jìn)行人為設(shè)定。

為什么單臂機器人的自由度在3-6之間：

工業(yè)用6自由度機器人肯定至少有6個軸，實質(zhì)性的意義在于離機器人底座最遠(yuǎn)的那個軸

的中心點（如果沒有安裝工具）能做幾種運動。6自由度機器人的這個中心點可以做X、丫、Z

方向的直線運動和以X、Y、Z為軸的旋轉(zhuǎn)運動。這就是所謂的6個自由度。機器人的一個自

由度對應(yīng)一個關(guān)節(jié)，自由度是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)，自由度越多越靈活，但是結(jié)構(gòu)

也越復(fù)雜，控制難度越大。所以機器人的自由度根據(jù)其用途設(shè)計，一般在3-6之間。

為什么不用絕對式光電編瑪器而用增量式光電編碼器？

為什么多用增量式光電編碼器：增量式：優(yōu)點：機械平均壽命長，可達(dá)幾萬小時以上；分辨率

高，抗干擾能力強，信號傳輸距離較長，可靠性高；價格便宜；技術(shù)上：為了提高分辨率，可以增

大碼盤光柵密度，但是這種方法受到制造工藝的限制。通常采用細(xì)分技術(shù)來實現(xiàn)，使

光柵每轉(zhuǎn)過一個棚距時，輸出均勻分布的m個脈沖，從而使分辨率提高到原來的m/lo絕對

式：無絕對誤差，可直接把被測轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，斷電不會失去位置信號，但

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，且不易做到高精度和高分辨率。

為什么研究單關(guān)節(jié)：

由于機器人是耦合的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，嚴(yán)格來說，各關(guān)節(jié)的控制必須考慮各關(guān)節(jié)之間的耦合

作用，但對于工業(yè)機器人來講，通常還是按照獨立關(guān)節(jié)來考慮。這是因為工業(yè)機器人運動速度不

高，由速度項引起的非線性作用也可以忽略，另外，工業(yè)機器人通常用直流伺服電動機作為關(guān)節(jié)

驅(qū)動，由于直流伺服電動機轉(zhuǎn)矩不大，在驅(qū)動負(fù)載時通常需要減速器，其減速比接近100,而

負(fù)載的變化折算到電動機軸上時要除以減速比的二次方，因此電動機軸上得負(fù)載變化很小，可

以看做定常系統(tǒng)。各關(guān)節(jié)之間的耦合作用，也會因減速器的存在而極大的消弱，于是，工業(yè)機器

人系統(tǒng)就變成了一個由多關(guān)節(jié)組成的各獨立的線性系統(tǒng)。

機器人T3；機器人PUMA；Stewart平臺；quattro并聯(lián)機器人；MOTOMANSV3機器人

六維力和力矩傳感器的結(jié)構(gòu)分析?：

請為工業(yè)機器人和智能機器人給出定義。

答：工業(yè)機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程動作來完成各

種任務(wù)并具有編程能力的多功能機械手。智能機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機

器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種

具有高度靈活性的自動化機器。

簡述機器人的組成部分及其作用。

答：機器人是由機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)四部分組成。其中，機械系統(tǒng)由機

身、啟部、手腕、末端操作器和行走機構(gòu)組成；工業(yè)機器人的機械系統(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：該部分的

作用相當(dāng)于人的肌肉。控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序及從傳感器反饋回來的信號,

控制機器人的執(zhí)行機構(gòu)，使其完成規(guī)定的運動和功能；該部分的作用相當(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)提供反饋信息；外部傳感器用于檢測機器人與周圍環(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)機瑞人，便于其識別物體并作出相應(yīng)的處理。該部分的

作用相當(dāng)于人的五官。

工業(yè)機器人機械系統(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)計機械設(shè)計、傳感技術(shù)、計算機應(yīng)用

和自動控制等多方面的內(nèi)容。

機器人的三種驅(qū)動方式各自的優(yōu)缺點是什么？

答：機器人常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種基本類型。

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「特大功率的機器人系統(tǒng)。優(yōu)點：⑴液壓容易達(dá)到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)可能，并可得到

較高的位置精度⑶液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(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⑵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,否則會引起故障。

氣壓驅(qū)動方式：氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動相比，同體積條件卜功率較

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，容易達(dá)到高速（1m/力2）利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣，

不必添加動力設(shè)備（3）空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，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：⑴壓縮空氣常用壓力為0.4?0.6MPa,

若要獲得較大的壓力，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，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難。（3）壓縮空氣的除水'可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。

工業(yè)機器人對臂部設(shè)計有什么基本要求？

（1）手臂應(yīng)具有足夠的承教能力和剛度。（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。

.什么是機器人運動學(xué)逆解的多重性？

答：機器人運動學(xué)逆解的多重性是指對于給定的機器人工作領(lǐng)域內(nèi)，手部可以多方向達(dá)到目標(biāo)點,

因此，對于給定的在機器人的工作域內(nèi)的手部位置可以得到多個解.

機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。

何謂點位控制和連續(xù)軌跡控制？舉例說明它們在工業(yè)上的應(yīng)用。

答：點位控制：指只規(guī)定各點的位姿，不規(guī)定各點之間的運動軌跡的控制方式。應(yīng)用：從事

在印刷電路板上安插元件'點焊'搬運及上/下料等作業(yè)的工業(yè)人連續(xù)軌跡控制：指規(guī)定

機器人定位位姿軌跡的控制方式。應(yīng)用：從事弧焊、噴漆、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人

光