1、329第四章工业机器人设计思考题与习题1. 工业机器人的定义是什么？操作机的定义是什么？答：我国国家标准 GT/T12643-1997工业机器人词汇将工业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度操作机，能搬运物料、工件或夹持工具，用以完成各种作业” ；将操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置” 。2. 工业机器人由哪几部分组成？并比较它与数控机床组成的区别。答：工业机器人由操作机、驱动单元和控制装置组成。数控机床一般由机床本体、伺服系统和数控装置组成。二者组成的区别主要在于机械本体，机器人操作机通常由末端执行器、手腕、手臂和机座组
2、成，而数控机床机械本体通常包含主运动部件、进给运动部件 、支承部件、冷却润滑、排屑等部分。3. 工业机器人的基本功能和基本工作原理是什么？它与机床主要有何相同和不同之处？答：工业机器人基本功能是提供作业所需的运动和动力，其基本工作原理是通过操作机上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。在基本功能及基本工作原理上，工业机器人与机床有如下相同之处：二者的末端执行器都有位姿变化要求；二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。二者的主要不同之处有：机床是以直角坐标形式运动为主，而机器人是以关节形式运动为主；机床对刚度、精度要求很高，其灵活性相对较低；而机器人对灵活性要求很
3、高，其刚度、精度相对较低4. 工业机器人的结构类型有哪几类？各种类型的特点如何？答：工业机器人的结构类型有如下四类：关节型机器人，其特点是关节一般为回转运动副，灵活性好，工作空间范围大（同样占地面积情况下） ，但刚度和精度较低；球坐标型机器人，其特点是按球坐标形式动作（运动） ，灵活性好，工作空间范围大，但刚度、精度较差；圆柱坐标型机器人，其特点是按圆柱坐标形式动作，灵活性较好，工作空间范围较大，刚度、精度较好；直角坐标型机器人，其特点是按直角坐标形式动作，刚度和精度高，但灵活性差，工作空间范围小。5. 如何选择和确定机器人的坐标系？分析图 4-5 所示的 PUMA 机器人的坐标系是如何确定的
4、？答：坐标系按右手定则确定。绝对坐标系 X-Y-Z，机座坐标系 X0-Y0-Z0 和机械接坐标系 Xm-Ym-Zm 的取法参考 GB-T16977-1997工业机器人坐标系和运动命名 。关节坐标系 Xi-Yi-Zi 以下简明的方法确定： (1)确定基准状态 般可取机器人330处于机械原点时的状态作为基准状态。也可以取机器人各关节轴线(或大部分关节轴线)与机座直角坐标系轴线平行时的状态作为基准状态。(2)关节坐标轴轴线位置的选取 取 Zi 轴与 i 关节的运动方向一致。对于回转关节，取 Zi 轴与 i 关节的轴线重合；对于移动关节，取 Zi 轴与 i 关节的运动方向平行(或重合)。(3)关节坐标
5、方向的选取 采用右手坐标系，规定 Xi、Zi 轴的方向，Yi 轴方向就自然确定了。原则上 Xi、Zi 轴的正向可视方便任意选取，但应尽可能使各坐标系间的坐标变简单。图 4-5PUMA 机器人的坐标系就是按上述方法确定的。6. 机器人的自由度表示什么？它与机床中的轴数和原动件是否相等？答：自由度是表示工业机器人动作灵活程度的参数，以直线运动和回转运动的独立运动数表示(一般末端执行器本身的动作不包括在内，如夹持器手爪的开合运动，因为它不影响夹持器的位姿特性)。可以看出机器人的自由度数相当于机床的轴数，都表示运动的个数。机器人的自由度数与原动件数目相等。7. 工业机器人的设计内容与步骤大致如何？答：
6、（1）. 总体设计：1）基本技术参数设计。在总体方案设计阶段首先要确定的主要参数有如下几种：用途，额定负载，工作空间，额定速度，驱动方式的选择，性能指标；2）总体方案设计包括：运动功能方案设计，传动系统方案设计，结构布局方案设计，参数设计，控制系统方案设计，总体方案评价；（2）详细设计详细设计内容包括：装配图设计、零件图设计和控制系统设计。（3）总体评价总体设计阶段所得的设计结果，是各构件及关节的概略形状及尺寸，通过详细设计将其细化了，而且总体设计阶段尚未考虑的细节也具体化了，因此各部分尺寸会有一些变化，需要对设计进行总体评价，检测其是否能满足所需设计指标的要求。8. 机器人的运动如何用齐次坐
7、标变换来表示？答：机器人个关节的运动是坐标运动，坐标运动可以用齐次坐标变换来表示。机器人的运动可用运动后的坐标系相对于运动前坐标系的齐次坐标变换矩阵来表示。9. 工业机器人的位姿的含义是什么？答：是指机器人末端执行器在指定坐标系中的位置和姿态。10. 如何用作业动作功能要求来描述机器人位姿？答：可用作业轨迹对末端执行器在机座坐标系或绝对坐标系下的位姿要求来表示作业动作功能要求，而末端执行器可用机械接口坐标系表示，所以对末端执行器的位姿要求可直接用机械接口坐标系与机座坐标系或绝对坐标系间的齐次变换来表示。11. 如何用关节运动来描述机器人的位姿？331答：就是用机座坐标系、关节坐标系、末端执行器
8、坐标系间的坐标关系来描述末端执行器在机座坐标系下的位姿。12. 什么是机器人正运动学解析？可以用来解决什么问题？答：已知关节运动位移变量，求作业位姿，是是机器人正运动学解析，可以用于求解机器人工作空间、进行作业功能位姿分析及机器人的轨迹解析。13. 确定机器人的工作空间有哪些方法？图 4-11 所示的机器人工作空间是如何确定的？答：确定机器人的工作空间的方法有解析法和作图法，图 4-11 所示的机器人工作空间是用作图法来确定的。14. 什么是机器人的逆运动学解析？它可以用来解决什么问题？答：已知作业位姿要求（即已知作业变量） ，求关节运动位移变量，是机器人的逆运动学解析。各关节运动量的计算是机
9、器人控制程序设计必须的。在机器人设计中，可以根据作业位姿的极限，用逆解求出关节的运动极限，用来指导关节运动极限范围设计。15. 机器人构件的运动速度、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连杆串联而成，每一连杆相对前一连杆运动。根据这一结构特点，从基座开始，就可依次计算出个各个连杆的速度和角速度，加速度和角加速度。16. 进行机器人静力分析的目的是什么？分析方法的基本思路是什么？答：进行机器人静力分析的目主要有以下几点：；分析关节驱动力或力矩和与末端施加的力和力矩的关系；为分析操作臂的受力变形提供基础。分析方法的基本思路就是列力平衡方程或采用虚功原理。17.
10、 进行机器人动力分析的目的是什么？分析方法的基本思路是什么？答：进行机器人动力分析的目的是为了解决两方面问题即动力学正问题和动力学逆问题，动力学正问题与机器人的仿真有关，而逆问题是为了实时控制的需要，以期达到良好的动态性能。动力学分析的基本思路是，首先采用拉格朗日方法、牛顿欧拉方法等建立机器人手臂的动力学方程，然后根据具体问题进一步分析。18. 机器人正动力学和逆动力学解析分别用来解决什么问题？答： 机器人正动力学是根据关节驱动力矩或力，计算机器人的运动（关节的位移、速度和加速度） ；逆动力学解析是为了根据已知轨迹对应的关节位移、速度和加速度，求出所需要的关节力矩或力。19. 谐波减速器的工作
11、原理是什么？特点是什么？答：谐波齿轮传动的工作原理如图 4-16 所示，若刚轮 G 为固定件，波发生器 H 为主动件，柔轮 R 为从动件。当将波发生器装入柔轮内孔时，由于波发生器两滚子外侧之间的距离略大于柔轮内孔直径，使原为圆形的柔轮产生弹性变形成为椭圆，使其长轴两端的齿与刚轮齿完全啮合。同时，变形后柔轮短轴两端的齿则与刚轮齿完全脱开，其余各处的齿，则视332回转方向不同分别处于“啮入”或“啮出”状态，当波发生器连续回转时，啮入区和啮出区将随着椭圆长短轴相位的变化而依次变化。于是柔轮就相对于不动的刚轮沿与波发生器转向相反的方向作低速回转，柔轮长轴和短轴相位的连续变化，使柔轮的变形在其圆周上是连
12、续的简谐波形，因此，这种传动称为谐波传动。若柔轮固定，刚轮从动，其工作过程完全相同，只是刚轮的转向与波发生器转向相同。谐波减速传动装置具有传动比大、承载能力强、传动精度高、传动平稳、效率高（一般可达 0.70-0.90） 、体积小、重量轻等优点，已广泛用于工业机器人中。20. 机器人的驱动方式有哪些？如何选用？答：工业机器人常用的驱动方式包括电机驱动、液压、气动三种。电机驱动方式目前额定负载在 1kN 以下的工业机器人中大多采用电力驱动系统。在机器人中直流伺服电动机和步进电动机应用广泛，交流伺服电动机驱动是新近发展起来的，由于其特点已开始在机器人驱动系统中应用。直流伺服电动机、交流伺服电动机和
13、直接驱动电动机都采用闭环控制，通常用于位置精度和速度要求高的机器人中，步进电动机主要和于开环控制系统，一般用于位置和速度精度要求不高、价格较低的简易机器人中。液压和气压驱动方式目前只在简易经济型、重型工业机器人和喷漆机器人(在喷漆环境中，存在易爆可燃物质；不允许使用电压超过 9V 的电器)中，才考虑采用液压驱动方式。对轻负荷的搬运，上、下料点位操作的工业机器人则可以考虑采用气压驱动方式。21. 机器人手臂的设计要求是什么？答：机器人手臂的设计要求：（1） 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。工作空间的形状和大小与手臂的长度、手臂关节的转角范围密切相关。（2）根据手臂所受
14、载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料；如常采用空心的薄壁矩形框体或圆管以提高其抗弯刚度和扭转刚度，减轻自身的重量。空心结构内部可以方便地安置机器人的驱动系统。（3）尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运转的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。（4）要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。22. 机器人机座设计要求是什么？答：1) 要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性。2) 机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力。3) 机座轴系及传动链的
15、精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。因此机座与手臂的联接要有可靠的定位基准面，要有调整轴承间隙和传动间隙的调整机构。33323. 机器人手腕的设计要求是什么？ 答：对工业机器人手腕设计的要求有：（1）由于手腕处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减少其重量和体积。为此腕部机构的驱动装置多采用分离传动，将驱动器安置在手臂的后端。（2）手腕部件的自由度愈多，各关节角的运动范围愈大，其动作的灵活性愈高，机器人对作业的适应能力也愈强。但增加手腕自由度，会使手腕结构复杂，运动控制加度加大。因此，设计时，不应盲目增加手腕的自由度数。通用目的机器手手腕多配置 3 个自由度，某些动作
16、简单的专用工业机器人的手腕，根据作业实际需要，可减少其自由度数，甚至可以不设置手腕以简化结构。（3）为提高手腕动作的精确性。应提高传动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。如齿轮传动中的齿侧间隙，丝杠螺母中的传动间隙；联轴器的扭转间隙等。对分离传动采用链、同步齿带传动或传动轴。（4）对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。24. 手腕的诱导运动的含义是什么？诱导运动的存在对什么有影响？答：如图 4-34 所示之手腕结构。当链 6 和链轮 4 不动，使链 7 和链轮 5 单独转动时，由于轴 10 不动，转动的壳体 8 将迫使圆锥齿轮 11 作行星运
17、动，即齿轮 11 随壳体 8 作公转(上下俯仰 )，同时还绕轴 14 作一附加的自转运动，称为“诱导运动” 。诱导运动的存在使得对手腕的运动控制变得复杂。25. 机器人末端执行器应满足的要求是什么？答：（1）不论是夹持或吸附，末端执行器需具有满足作业需要的足够的夹持(吸附)力和所需的夹持位置精度。 （2）应尽可能使末端执行器结构简单、紧凑，重量轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端执行器结构简单，工作效率高，而能完成多种作业的“万能”末端执行器可能带来结构复杂，费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器。26. 在机械制造系统中工业机器人的选择与布局设计原则是什么？答：在进
18、行工业机器人的选择和系统布局设计上应考虑以下原则：（1）满足作业技术参数要求；（2）性能价格比好；（3）满足系统的生产节拍要求；（4）单元的布局设计应尽可能紧凑，以减少对机器人工作空间的要求，减小制造系统的占地面积（或空间） ，缩短机器的运动路径；（5）机器人与系统中的相联接的装备控制应协调。27. AGV 运动原理图及运动自由度如何描述？334答：AGV 运动原理图是将其运动功能用简洁的符号和图形表达出来；AGV 物流小车运动数目用自由度表示，有 3 自由度 AGV 和 2 自由度 AGV。AGV 的各个运动是相对大地运动，属于并联运动形式，因此不能直接用它的实际运动轴的运动描述，需用虚拟轴
19、运动表示。AGV 的实轴运动有两种：驱动运动（车轮回转，驱动车体相对地面移动） ，操舵运动（转向机构驱动车轮相对车体偏转） 。AGV 的虚拟轴运动是将 AGV 的实轴运动等效为虚拟轴运动，如 2 自由度的 AGV 只要用车体坐标系虚拟轴运动 v 和 描述就可以了。28. AGV 运动转向方式有哪些？答：AGV 的转向方式有三种：AGV 操舵转弯转向是通过前轮上的转向机构驱动前轮相对车体偏转实现转弯转向；差速转向这种转向方式没有转向机构，是依靠两驱动轮的速度差实现转向；操舵平动转向是通过中间两个复合轮上的转向机构（转向轮）改变车体的平动方向。29. 了解工业机器人在柔性加工系统、装配系统、焊接、喷漆及极限作业中的例子。答：可参阅第六节内容及其他资料，略。
