工业机器人原理与应用习题及答案

工业机器人原理与应用

习题及答案

第1章习题答案：

1、国际上公认的4个工业机器人生产标杆企业分为ABB,KUKA,

FANUC和YASKAWA。

2、工业机器人按照坐标分类可分为直角坐标型，球坐标型，圆柱坐标型，SCARA,

和关节型。

3、工业机器人传统驱动方式有气压驱动，液压驱动和电力驱动。

4、工业机器人一般由机械系统，驱动系统，控制系统，感知系统和软件系统组成。

5、工业机器人的技术参数一般包含且由度_，工作空间，负载，工作准确度和最大

工作速度。

6、SCARA机器人有哪些特点？

答：SCARA机器人具有3个转动关节和1个移动关节，其3个转动轴相互平行。其特点是

可以在平面内进行定位并能在垂直该平面上做上下移动，在垂直平面内具有很好的刚度，在

水平面内具有动作灵活、速度快且精度较高。

7、简述不同坐标型的工业机器人的优缺点？

答：

(1)直角坐标型机器人

直角坐标型机器人的三个关节均为移动关节，这三个移动关节相互垂直，坐标形式与笛

卡尔坐标相当。其多数为龙门式，刚度好，精度高，运动求解简单，适合大负载搬运。但其

运动范围为立方体，动作简单，灵活性较差，难与其他工业机器人协调工作。

(2)球坐标型机器人

球坐标型机器人有2个转动关节和1个移动关节，作业空间为空心球体。该类型机器人

优点在于其结构紧凑，动作灵活，可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或较低位置的工件,

缺点是结构复杂且定位精度较差。

(3)圆柱坐标型机器人

圆柱坐标型机器人有1个转动关节和2个移动关节，其作业空间为圆柱形状，范围较大。

其特点是结构简单，控制方便、位置精度较高，价格便宜。位置精度仅次于直角坐标型机器

人，不过其无法抓取靠近其附近或地面的物体。

(4)SCARA机器人

SCARA机器人具有3个转动关节和1个移动关节，其3个转动轴相互平行。其特点是

可以在平面内进行定位并能在垂直该平面上做上下移动，在垂直平面内具有很好的刚度，在

水平面内具有动作灵活、速度快且精度较高。

(5)关节型机器人

关节型机器人是串联结构，类似人的手结构，一般由底座、臂部、腕部和手部组成。具有多

个转动关节，因此作业范围大，能与其他工业机器人协调工作，且动作灵活，广泛应用于工

业领域，但其运动精度不高。

第2章习题答案：

1、工业机器人机械系统主要由宝座_,臂部，腕部，末端执行器以及驱动系统组成。

2、腕部一般具有3个自由度，分别是回转，偏转和俯仰。

3、工业机器人末端执行器可分为钳爪式，吸附式，专业操作器，换接器和柔顺手部。

4、新型驱动方式有磁致伸缩，形状记忆合金，超声电机,介电弹性体和流体弹性体。

5、工业机器人的旋转传动所主要采用的减速器有谐波齿轮减速器和摆线针轮(RV)

减速器.

6、简述机器人末端执行器的特点？

答：

(1)机器人末端执行器是与手腕相连接，可方便独立拆卸。同时根据需要设置气、电、

液的外置接头。

(2)机器人末端执行器的种类多样，由于机器人可以载体配上不同的末端执行器可以

完成不同的工作，因此所配备的末端执行器必然多种多样。例如焊接作业需要焊枪、打磨作

业需要打磨头等等。

(3)机器人末端执行器通用性差，一般不同的作业模式就需要不同的末端执行器，因

此机器人末端执行器具有专用性。

7、简述工业机器人精度校准流程？

答：

(1)在软件里输入机器人理论DH模型，添加仪器。根据工业机器人ABB4600出厂

参数资料，获得其初始DH模型。

(2)安装机器人末端测量工具(Tmac或者测量球)，添加校准空间，软件自动生成校

准点位，

(3)定义机器人校准空间点的关节坐标。

(4)编写机器人程序。

(5)连接激光跟踪仪，测量实际空间点位。

(6)测量完成，计算减速比和DH参数。

第3章习题：

1、通常采用RPY角和欧拉角来表示机器人末端执行器的方位。

2、常见的机器人逆运动学求解分为两类，一类是封闭解，另一类是

数值解。

3、机器人动力学主要研究机器人力和运动之间的关系。

4、简述如何利用D-H参数法建立连杆坐标系的规则？

答：

(1)z”轴沿着〃+1关节的轴线方向。

(2)先轴与公垂线重合，方向定义为从〃指向〃+1关节。

(3)为轴满足于用轴、轴构成右手直角坐标系的条件。

5、简述工业机器人正向运动学的求解步骤？

答

(1)首先建立工业机器人各个连杆关节处的坐标系。

(2)获得各个连杆的D-H参数。

(3)确定相邻连杆间的齐次坐标变换矩阵。

（4）将各个矩阵相乘，获得机器人末端执行器相对于基坐标系的总变换矩阵。

（5）构建包含末端执行器的位姿矩阵和总变换矩阵的机器人运动学方程，并求解。

6、他述逆运动学方程求解的特性？

答：

（1）逆运动学的解可能不存在

（2）逆运动学的解存在多重性

（3）求解方法的多样性

7、利用MATLABRobotic工具包实现六轴工业机器人的正向运动学分析？

开放性题目，没有参考答案

第4章习题：

1、工业机器人内部传感器多种多样，但最基本应包括位置，速度和加速度传感器。

2、滑觉传感器可分为压敏橡胶式，视觉原理，声电原理，力敏电阻式，电

容式以及触觉传感器阵列等。

3、接近觉传感器可分为电阻式，电容式，光电式，霍尔传感器式和电感式等。

4、常见的工业机器人视觉系统主要应用于目标判定，形位/尺寸测量，条码识别和

表面缺陷检测等场合。

5、机器人视觉伺服控制一般分为基于位置的视觉伺服，基于图像的视觉伺服和

2.5D视觉伺服。

6、常用的多传感器信息融合方法有人工智能，推理方法，分类方法和估计方法。

7、简述多传感器信息融合的基本原理？

答：

（1）多种不同类型的传感器数据；

（2）对各个传感器的输出数据，包括矢量数据、成像数据、时间函数数据等，进行变

换，形成观测数据特征矢量；

（3）通过模式识别对特征向量进行处理，实现对每个传感器的数据描述；

（4）按照同一目标，关联各个传感器的目标描述数据；

（5）利用融合算法合成每个目标传感器信息，获得对目标的完整一致描述。

8、简述机器人多传感器信息融合发展趋势？

笞；

（1）微型和智能化机器人传感器

（2）多传感器信息融合算法的改进

（3）多传感器综合化管理研究

（4）信息融合仿生机理研究

第5章习题：

1、采用工业控制计算机+运动控制卡的机器人控制系统的硬件主要由上位机，下位机，

伺服电机及驱动器，检测传感器和电源分配板等组成。

2、工业机器人常见的控制方式分为动作控制方式和示教控制方式。

3、PID控制是由比例单元，积分单元和微分单元组成。

4、机器人系统的伺服控制律可分解为模型控制部分和伺服控制部分。

5、机器人动力学模型需考虑科里奥利力，重力和摩擦力矩。

6、常用的机器人力控制方法有阻抗控制，位置/力混合控制，柔顺控制和

刚性控制。

7、简述机器人阻抗控制策略？

答：机器人阻抗控制策略按照其实现的方式可分为基于位置和力的阻抗控制。基于位置的阻

抗控制则是根据机器人与环境的接触力偏差调整机器人末端的位置/速度来实现。而基于力

的阻抗控制是通过控制关节驱动力矩来实现对末端接触力和位移的调整。

基于位置的阻抗控制由位置控制内环和阻抗控制外环构成，该方法是通过跟踪理想阻抗

模型的位置来实现的。通过检测机器人与环境交互过程中的位置、速度和接触力，并将测得

的力施加到理想阻抗模型，从而获得理想位置矢量，使用内部位置控制环来跟踪这个理想位

置矢量。

第6章习题：

1、运动轨迹的描述或生成有示教-再现运动，关节空间运动，空间直线运动和

空间曲线运动。

2、关节空间插补可采用定时插补，定距插补，三次多项式插补，抛光线过渡线性插补,

和五项式插补等方法。

3、目前工业机器人编程方式可分为示教编程，机器人语言编程和离线编程.

4、工业机器人编程语言可分为三级，即动作级，对象级和任务级。

5、什么是轨迹规划?简述轨迹规划的方法并说明其特点？

答：轨迹规划是指根据作业任务的要求，确定轨迹参数并实时计算和生成运动轨迹。它是工

业机器人控制的依据，所有控制的目的都在于精确实现所规划的运动。

轨迹规划方法一般是在机器人末端初始位置和FI标位置之间用多项式函数来“内插”或“逼近”

给定的路径，并沿时间轴产生一系列“控制设定点”，供机器人控制之用。

机器人应用的一个重要特点就在于它必须具有通用性，并具备可编程功能，因此用户和机器

人之间需要接口。为了提高编程效率，出现了机器人语言编程语言，它以一种通用的方式解

决了人-机通信问题。

6、要求一个六轴机器人的第一关节在5s内从初始角30。运动到终端角75°,且起始点和终

止点速度均为零。用三次多项式规划该关节的运动，并计算在第Is、2s、3s和第4s时关节

的角度。

解；将约束条件代人公式，可得

_

do=30,di=0,a2=5.4,a3=0.72

由此得关节位移、角速度和角加速度方程分别为

/t)=30+5.4户一0.72—

。⑴=10.8—2.16产

点=10.8—4.321

代入时间求得

火1)=34.68。外2)=45.84°6(3)=59.16。8(4)=70.32°

该关节的角位置、角速度和角加速度随时间变化的曲线如图所示。可以看出，本例中所

需要的的初始角加速度为10.8°/s2o

角度(°)/角速度(°角)/角加速度(°/s2)

7、根据以下旋转矩阵计算其对应的四元数。

解：

■oor

01o

_-io0_

将旋转矩阵代入四元数计算公式

7x,+y2+z3+l

得到其对应四元素(0.707,0,0.707,0)o

8、关于工业机器人运动指令，简述其在空间中进行运动方式？

答：工业机器人在空间中进行运动主要是四种方式，关节运动(MoveJ)、线性运动(MoveL)、

圆弧运动(MoveC)和绝对位置运动(MoveABSJ)o

第7章习题：

1、工业机器人控制器是由主计算机板，轴计算机板和机器人驱动器等组成。

2、示教器又称为示教编辑器，可实现编程，调试，运行程序，设定，

查看当前参数等功能。

3、利用示教器建立工件坐标系，最常见用3点法,其中Z轴用右手准则确定。

4、ABB机器人通讯可分为ABB标准通讯、总线通讯和PC数据通讯。

5^ABB的标准I/O板卡是基于DeviceNet总线协议。

6、当机器人出现转数计数器存储内容丢失、电池没电、更换电池、电路板与分解器断

更、更换分解器时，需要机器人进行原点校准。

7、利用“I+X”机器人实训平台完成搬运、码垛、循迹、打磨实验。

开放性题目，可参考配套视频和程序

第