机器人系统设计及其应用

填空题

机器人系统组成与基本特征

1. 工业机器人系统一般包括机械系统、驱动系统、控制系统三个基本组成部分。
2. 机器人本体也称操作机。它是用来完成各种作业任务的执行机构，主要由机械臂、驱动与传动装置以及传感器三大部分组成。
3. 工业机器人基本特征一般是指机器人的应用范围、机器人的技术特征或机器人的特有功能等。
4. 工作半径作为工业机器人的基本特征参数时,表示工业机器人的工作范围。
5. 由于重复定位精度不受工作载荷变化的影响,故通常将其作为衡量示教再现工业机器人水平的重要指标。

机器人结构与分类

6. 关节型机器人主要由回转和旋转自由度构成。从肘到手臂根部的部分称为上臂，从肘到手腕的部分称为前臂。
7. 极坐标型机器人,具有平移、旋转和摆动三个自由度,动作空间形成球面的一部分。
8. 臂部按运动和布局、驱动方式、传动和导向装置可分为伸缩型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，驱伸型臂部结构，机械传动臂部结构四种结构类型。
9. 按手臂的运动形式,可分为直线运动型臂部结构、回转运动型臂部结构和复合运动型臂部结构等三种类型。
10. 臂部按手臂的结构形式，可分为单臂式臂部结构、双臂式臂部结构和悬挂式臂部结构等三类。
11. 多关节型机器人根据摆动方向的不同,可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人两种类型。
12. 按照工业机器人的机械结构可以分为:串联结构、并联结构和混合结构三种。
13. 直角坐标机器人具有空间上相互垂直的多个直线移动轴,通常为3个轴,一般动作空间为一个长方体。

机器人驱动与传动

14. 两种常用的机器人关节减速器包括RV减速器和谐波减速器。
15. 谐波齿轮减速器通常由3个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个带有外齿的柔轮和一个波形发生器。
16. 臂部回转运动的驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。
17. 手臂作水平伸缩运动时，需要克服摩擦阻力和启动过程中的惯性力。
18. 交叉滚子轴承和薄壁轴承是工业机器人的应用中较为主要的两类轴承。
19. 工业机器人采用电动驱动方式时,经常使用的电机包括交流伺服电动机、直流伺服电动机、步进带电动机。
20. 液压驱动系统通常是由液压传动系统和液压控制系统所组成。
21. 工业机器人伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机。
22. 对于工业机器人来说,操作机结构的重要元件是执行机构的导轨和支撑。
23. 工业机器人驱动系统主要指机械系统的驱动装置,它用以使执行机构产生相应的动作。

机器人控制系统

24. 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号来控制机器人的执行机构,使其完成规定的运动和功能。
25. 工业机器人的控制装置是由控制器、驱动装置、测量系统等组成。
26. 工业机器人的程序控制装置是指可通过编制软件程序来实现柔性控制操作的装置。
27. 主控制计算机关键作用是负责机器人运动学的计算、轨迹规划等,这部分对实时性要求非常高,是系统可靠运行的关键。
28. 控制器软件系统分为三个层次,分别是:硬件驱动层、核心层、应用层。
29. 机器人控制系统按其控制方式可分为集中控制系统、主从控制系统和分散控制系统。
30. 工业机器人的控制系统由硬件电路系统和软件系统两部分组成。
31. 工业机器人的控制系统是机器人的重要组成部分,用于对操作对象的控制,以完成特定的工作任务。

机器人语言与示教

32. 机器人语言按照作业描述水平的高低可以分为三类:动作级、对象级、任务级。
33. 为使机器人完成规定的任务，在工作前由操作者把作业要求的内容预先教给机器人，进行这种操作称为示教。把示教的内容保存下来称为记忆。使机器人按示教的内容动作称为再现。
34. 在线示教可以通过手动牵引的直觉示教、基于多传感器融合的示教和基于人工演示的直觉示教等方法完成。

坐标系与运动模式

35. 目前常用的机器人坐标系形式主要包括:基坐标系、大地坐标系、工件坐标系、工具坐标系等。
36. 工件坐标系拥有两个框架:用户框架和工件框架。
37. 机器人运动模式包括:单轴运动模式、线性运动模式、重定位运动模式。

末端执行器与手部

38. 机器人末端执行器中，控制阀将来自气泵的压缩空气自喷嘴通入，形成高速射流，将吸盘内腔中的空气带走而形成负压，使吸盘吸住物体称为气流负压式吸盘。
39. 机器人末端执行器中，利用电磁控制阀将吸盘与真空泵相联，当抽气时，吸盘腔内的空气被抽出，形成负压而吸住物体的称为真空泵排气式吸盘。
40. 机器人末端执行器中，靠向下挤压力将吸盘内的空气排出，使其内部形成负压，将工件吸住称为挤压排气式吸盘。
41. 根据工业机器人手部的夹持原理，一般可以分为手指式和吸盘式两大类。
42. 磁力吸附式手部在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住，又分为电磁吸盘和永磁吸盘两种。
43. 根据工业机器人手部的智能程度可以分为普通式手部和智能式手部。
44. 机器人手臂的主要作用是支承手部和腕部,并改变末端执行器在空间的位置。

传感器与测量

45. 测量直线位移的直线位移传感器有电位计式传感器和可调变压器两种。

其他

46. 行程开关是根据运动部件的行程位置进行切换电路的电气装置,起到控制机械装备的行程和限位保护作用。

名词解释

1. 工业机器人承载能力

工业机器人承载能力是指机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。

2. 工业机器人作业范围

工业机器人作业范围是指机器人运动时手臂末端或手腕中心所能达到的位置点的集合。

3. 位姿

机器人系统在管理和操作机器人时,其末端执行机构必须处于合适的空间位置和姿态,简称位姿。

4. 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。

5. 定位精度

指机器人末端执行器的实际位置与目标位置之间的偏差。

6. 冗余自由度

大于6个的自由度称为冗余自由度。冗余自由度增加了机器人的灵活性，可方便机器人避开障碍物和改善机器人的动力性能。

7. 伺服控制

指对物体运动的位置、速度及加速度等变化量的有效控制。这种控制已在各领域得到普及。

8. 当量夹紧力

把质量为m的工件，按某一方位夹紧，其拉紧油缸具有的最小驱动力所产生的夹紧力，称为工件在这个方位的当量夹紧力。

9. 操作机

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

10. 精度

是一个位置量相对于其参照系的绝对度量，指机器人手部实际到达位置与所需要到达的理想位置之间的差距。

11. 并联机器人

并联机构作为其结构形式的机器人称为并联机器人。

重复定位精度

指重复定位精度是指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。它是衡量一系列误差值的密集程度,即重复度。

简答题

1. 请说明真空吸附式手部系统设计的关键问题有哪些？

（1）真空源的选择

真空源是真空系统的“心脏”部分，分为真空泵和真空发生器。空泵是比较常用的真空源，其结构和工作原理与空气压缩机相似，不同的是真空泵的进气口是负压，排气口是大气压。直空发生器是一种新型真空源，以压缩空气为动力源，利用在文丘里管中流动、喷射的高速气体对周围气体的卷吸作用来产生真空。

（2）吸盘的结构

吸盘按结构可分为普通型与特殊型两大类。普通型吸盘一般用来吸附表面光滑平整的工件。普通型吸盘橡胶部分的形状一般为碗状。吸盘的形状可分为长方形、圆形和圆弧形。特殊型吸盘是为了满足特殊应用场合而专门设计的。

（3）吸盘的吸附能力

真空吸附技术以大气压为作用力，通过真空源抽出一定量的气体分子，使吸盘与工件形成的密闭容积内压力降低，从而使吸盘的内外形成压力差。在这个压力差的作用下，吸盘被压向工件，从而把工件吸起。

2. 试说明普通丝杠驱动和滚珠丝杠驱动在运动方式及特点方面的区别。

(1)普通丝杠驱动

运动方式:一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动

特点:摩擦力较大,效率低,惯性大,易出现爬行现象,精度低,回差大

应用:低成本工业机器人

(2)滚珠丝杠驱动

运动方式:装有循环球的螺母通过与丝杠的配合来将旋转运动转换成直线运动

特点:容易与线性轴匹配

3. 用于工业机器人的滚珠导轨及滚柱导轨形式主要有哪些,在应用方面有何区别?

(1)带循环滚子的滚柱导轨

这种滚动支承可用于操作机执行机构的直线位移导轨上,它具有较高的接触刚度、耐久性、低摩擦系数和较高的位移精度。

(2)带滚珠的活动托架-轨道式滚动导轨

导轨的结构特点是滚珠与具有特殊纵向槽的固定轨道间是线接触。同时能产生预紧力,增加了作用在导轨上的许用载荷,提高了耐久性。棱柱形导轨能承受垂直的、水平横向的、弯曲的及扭转形式的载荷。

(3)带滚珠轴套式线性滚动导轨

导轨滑杆为圆柱形截面并带有纵向槽,滚珠可在槽中滚动。安装滚珠时相对于轴套加有预紧力。在导轨滑杆运动时,为使滚珠返回,在轴套体上开槽。

4. 说明电磁铁与永久磁铁作为吸盘时，在取下工件时有何区别？

电磁吸盘一旦断电，电磁吸力即消失，工件因此被松开；若采用永久磁铁作为吸盘，则必须强制性取下工件。

5. 导向装置一般根据臂部的安装形式，具体的结构及抓取重量等因素来确定。目前常见的导向装置包括哪三类？

1)导向杆（单导向杆、双导向杆、四柱导向杆等）式

2)键（单键、花键）式

3)导轨（矩形导轨、V型导轨、燕尾导轨等）式。

6. 试述典型工业机器人控制器的组成及各部分功能。

典型的工业机器人控制器采用多CPU计算机结构,分为主控制计算机、数字位置伺服控制卡和编程示教盒等。

(1)主控制计算机完成机器人的运动规划、插补和主控逻辑、数字1/0以及通信联网等功能;

(2)数字位置伺服控制卡完成机器人的位置运动控制;

(3)编程示教器则实现机器人控制器的人机交互功能。

7. 说明目前常用的工业机器人的坐标形式及特点。

(1)基坐标系:基坐标系在机器人中的基座中有相应的零点,使用该方式,机器人的移动具有可预测性,对于将机器人从一个位置移动到另一个位置时很有帮助。

(2)大地坐标系:大地坐标系在工作单元或工作站中的固定位置均有其相应的零点。默认情况下,大地坐标系与基坐标系是一致的。

(3)工件坐标系:工件坐标系是拥有特定附加属性的坐标系。主要功能是简化编程,工件坐标系拥有两个框架:用户框架和工件框架。

(4)工具坐标系:工具坐标系将工具中心点(TCP)设为零点,由此定义工具的位置和方向。执行程序时,机器人就是将TCP移至编程位置。如果要更改工具,机器人的移动也将随之改变,以便新的TCP可以到达目标。

8. 简述机器人手臂的特点。

（1）2-3个自由度

即伸缩、回转、俯仰(或升降)，而专用机械手的臂部一般有1~2个自由度，为伸缩、回转和直行。

（2）重量大，受力复杂

在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的动、静载荷，特别是高速运动时，将产生较大的惯性力，引起冲击，影响定位的准确性。

（3）安装在机身上

工业机器人的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身上。

9. 图示为丝杆螺母传动的手臂升降机构,试述其工作原理及特点。

如图所示为采用丝杠螺母传动的手臂升降机构。由电动机1带动蜗杆2使涡轮5回转,依靠涡轮内孔的螺纹带动丝杠4作升降运动。为了防止丝杠的转动,在丝杠上端铣有花键与固定在箱体6上的花键套7组成导向装置。

10. 试说明机器人的哪些基本参数决定了工业机器人的工艺性和结构特点?

(1)承载能力;

(2)动作自由度;

(3)工作空间的外形和尺寸;

(4)定位误差;

(5)控制系统形式。

11. 叙述说明机器人关节减速器的特点及作用。

(1)特点:传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等。
(2)作用:使机器人伺服电动机在一个合适的速度下运转并精确地将转速降到工业机器人各部分需要的速度,在提高机械本体刚性的同时输出更大的转矩。

12. 钳爪式手部按照夹取方式的不同，可以分为哪两种类型，并说明两者的主要区别。

答：钳爪式手部按照夹取方式的不同，可分为内撑式和外夹式两种。内撑钳爪式手部和外夹钳爪式手部的主要区别在于夹持工件或工具的部位不同，夹持时手部动作的方向相反。

13. 工业机器人的电驱动需要计算的内容包括哪些?。

(1)电机功率;(2)电机扭矩;(3)电机转速;(4)减速机减速比;(5)电机惯量/负载惯量的匹配关系。

14. 说明直角坐标机器人、圆柱坐标机器人和球坐标机器人三种类型的机器人各自的特点?

(1)直角坐标型机器人结构简单、刚性好,但缺点是在机器人动作范围内,必须有沿轴线前后方向的移动空间,空间利用率较低。

(2)圆柱坐标机器人结构简单,定位精度高,空间轨迹易于求解;动作范围相对较小,设备的空间因数较低。

(3)球坐标机器人结构紧凑,所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人。

15. 试说明钳爪式手部由哪几部分结构组成？

（1）手指（手爪）；

（2）驱动机构；

（3）传动机构；

（4）连接元件；

（5）支承元件；

16. 选择工业机器人执行机构的电驱动装置时需要满足哪些条件?

(1)在最大加速度情况下,启动速度快。

(2)在过渡工作状态下,电流或力矩的过载能力强。

(3)功率大,损耗少。

(4)调节速度范围大。

17. 试述工业机器人和操作机的区别。

工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机,能搬运材料、工件或挟持工具,用以完成各种作业;

操作机具有和人手臂相似的动作功能,是一种可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。

18. 试述典型工业机器人控制器的组成及各组成部分之间的通信方式。

典型的工业机器人控制器采用多CPU计算机结构,分为主控制计算机、数字位置伺服控制卡和编程示教盒等。

主计算机和编程示教器可通过串口进行异步通信,主计算机和数字位置伺服控制卡实现实时通信,传递运动控制信息。

19. 按照作业描述水平的高低可以将机器人语言分为哪几种类型,有何区别?

机器人语言按照作业描述水平的高低可以分为三类:动作级、对象级和任务级。

(1)动作级语言一般以机器人的动作行为为描述中心,由一系列命令组成,一般一个命令对应一个动作,语言简单,易于编程,但是不能进行复杂的数学运算;

(2)对象级语言是以描述操作物之间的关系为中心的操作语言。

(3)任务级语言是比较高级的机器人语言,只要按照某种原则给出最初的环境模型和最终的工作状态,机器人可自动进行推理计算,生成机器人的动作。

20. 试说明滚珠丝杠内循环与外循环两种循环方式的区别。

(1)内循环

内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。

(2)外循环

外循环方式中的滚珠在循环返向时,离开丝杠螺纹滚道,在螺母体内或体外作循环运动。

21. 为什么串联机器人在进行结构设计时需要进行刚度设计?提高机器人刚度可以采取哪些措施?

对于工业机器人操作机来说,大多为串联型多关节结构。在这种结构下,机器人操作机是一个多关节、多自由度的复杂机械装置,当受到外力作用时,执行器坐标原点就会产生一个小的位移偏差,偏差量的大小不仅与外力的大小、方向和作用点有关,而且还与执行机构末端所处的位置和姿态有关,这就是机器人的刚度。串联机器人的结构较弱,刚度较小等问题成为影响其末端定位精度及加工动态性能的首要因素。

提高刚度的措施:

(1)悬臂尽量短,拉伸压缩轴用实心轴,扭转轴用空心轴,并控制连接间隙;

(2)采用矩形截面的小臂结构设计,保障具备更高的抗拉、抗扭、抗弯曲性能。

22. 试述机器人转动机构的设计流程。

转动机构设计流程的内容包括运动性能、力学特性、机械结构、精度要求、详细设计、验证与修改等。

(1)方案制定

明确转动机构在机器人整机中的作用及位置,制定转动机构的方案。

(2)运动性能及参数

确定机器人转动机构的运动性能及参数要求,绘制转动机构的传动链或运动原理简图。

(3)力学特性

针对转动机构的设计对象,制定满足其结构的力学特性与参数。对转动机构的关键零部件还应进行强度、刚度、稳定性等计算。

(4)零部件建模与设计

在满足运动性能计算、力学特性分析的前提下,进行转动机构的零部件建模与设计。该设计应包括关键转动零件的设计,也应包括部分零件、部件的详细设计、优化设计等。

(5)精度要求

在转动机构的零部件结构设计时,必须考虑选用件的匹配及零部件间的配合,也包括传动误差分析,以满足精度要求。

(6)详细设计、验证与修改

在上述基础上进行转动机构及全部零部件的详细设计。验证转动机构的运动性能、力学特性及精度要求,修改零件的机械结构,直至满足各项技术要求。

23. 吸附式手部的主要工作原理是什么？根据吸附力的不同可以分为哪几种，其主要区别有哪些？

（1）吸附式手部主要靠吸附力来控制工件；

（2）根据吸附力的不同可以分为磁力吸附式和真空吸附式两种。

（3）区别：

磁力吸附式在手部上安装电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。只能吸住由铁磁料制成的工件，且被吸取过的工件上会有剩磁，只适用于工件对磁性要求不高的场合。

真空式吸附式用于搬运体积大、重量轻、易碎等的物体，在工业自动化生产中得到了广泛应用。

24. 试述机器人手臂机构的设计流程。

手臂机构设计流程的内容包括运动性能、力学特性、机械结构、精度要求、详细设计、验证与修改等。

(1)方案制定

明确手臂机构在机器人整机中的作用及位置,制定手臂机构的方案。

(2)运动性能及参数

确定机器人手臂机构的运动性能及参数要求,绘制手臂机构的传动链和运动原理简图。

(3)力学特性

针对手臂机构的设计对象,制定满足其结构的力学特性与参数。对手臂机构的关键零部件还应进行强度、刚度、稳定性等计算。

(4)零部件建模与设计

在满足运动性能计算、力学特性分析的前提下, 进行手臂机构的零部件建模与设计。该设计应包括手臂关键零件及专用零部件的详细设计、优化设计等。

(5)精度要求

在手臂机构的零部件结构设计时,必须考虑选用件的匹配及零部件间的配合,也包括传动误差分析,以满足精度要求。

(6)工作节拍

针对机器人作业任务,按照工作顺序设计不同时间的节拍。

(7)详细设计、验证与修改

在上述基础上进行手臂机构及全部零部件的详细设计。验证手臂机构的运动性能、力学特性及精度要求,修改零件的机械结构,直至满足各项技术要求。

25. 试述机器人升降机构的设计流程。

升降机构设计流程的内容包括运动性能、力学特性、机械结构、精度要求、详细设计、验证与修改等。

(1)方案制定

明确升降机构在机器人整机中的作用及位置,制定升降机构的方案。

(2)运动性能及参数

确定机器人升降机构的运动性能及参数要求,绘制升降机构的传动链和运动原理简图。

(3)力学特性

针对升降机构的设计对象,制定满足其结构的力学特性与参数。对升降机构的关键零部件还应进行强度、刚度、稳定性等计算。

(4)零部件建模与设计

在满足运动性能计算、力学特性分析的前提下, 进行升降机构的零部件建模与设计。该设计应包括关键传动零件的设计,也应包括部分零件、部件的详细设计、优化设计等。

(5)精度要求

在升降机构的零部件结构设计时,必须考虑选用件的匹配及零部件间的配合,也包括传动误差分析,以满足精度要求。

(6)详细设计、验证与修改

在上述基础上进行升降机构及全部零部件的详细设计。验证升降机构的运动性能、力学特性及精度要求,修改零件的机械结构,直至满足各项技术要求。

26. 试说明谐波齿轮减速器的工作原理及特点。

谐波齿轮减速器的波发生器装入柔轮后,迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形,当波发生器沿某一方向连续转动时,柔轮的变形不断改变,使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变,啮入—啮合—啮出—脱开—再啮入……,周而复始地进行,柔轮的外齿数少于刚轮的内齿数,从而实现柔轮相对刚轮沿发生器相反方向的缓慢旋转。

特点:

(1)结构简单,体积小,重量轻;

(2)传动比范围大;

(3)谐波齿轮减速器在啮合中其齿侧间隙可以调整,传动的回差很小,而且谐波齿轮减速器的高、低速轴位于同一轴线上,同轴性好,可实现高增速运动。与普通减速器相比,谐波齿轮减速器使用的材料要少50%,因此其体积及重量至少减少1/3,具有高精度、高承载力等优点。

(4)运动平稳,无冲击,噪声小。

(5)传动效率高,可实现高增速运动。

(6)可实现差速传动。

27. 机器人的作业示教的信息分为哪几种,分别描述哪些信息?

(1)位置与姿态信息:描述机器人动作路径和定位点的信息。

(2)顺序信息:描述机器人的动作顺序信息和机器人与周边装置的同步关系。

(3)动作与作业条件信息:描述机器人动作的速度、加速度以及作业条件。

28. 试写出五种机器人转动机构中常用的传动方式。

(写出其中五种即可)

(1)齿轮传动

(2)带传动

(3)链传动

(4)绳传动

(5)谐波减速器传动

(6)摆线针轮传动

(7)蜗杆减速器传动

29. 说明工业机器人伺服控制系统的组成及各部分功能。

工业机器人伺服控制系统一般是由给定环节、测量环节、比较环节、放大运算环节和执行环节所组成。

(1)给定环节:是给出输入信号的环节,用于确定被控制对象的“目标值”(或称为给定值),给定环节可以用各种形式(电量、非电量、数字量、模拟量等)发出信号。

(2)测量环节:用于测量被控量,并把被控制量转换为便于传送的另外一个物理量。

(3)比较环节:它是将输人信号与测量环节测量的被控制量的反馈量相比较,得到偏差信号,包括幅值比较、相位比较和位移比较等。

(4)放大运算环节:是控制器的运算功能的实现,对偏差信号进行必要运算,然后进行功率放大,推动执行环节。

(5)执行环节:接收放大运算环节送来的控制信号,驱动被控制对象按照预期的规律运行。

30. 试述工业机器人手腕的定义及其功能。

答：手腕是联接手臂和末端执行器的部件，其功能是通过机械接口连接并支撑末端执行器，在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标（自由度）的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态（方位）坐标，即实现三个旋转自由度。

通常腕能实现绕空间三个坐标轴的转动，即回转运动、左右偏摆运动和俯仰运动。当有特殊需要时，还可以实现小距离的横移运动。手腕的自由度愈多，结构和控制愈复杂。因此，应根据机器人的作业要求来决定其应具有的自由度数目。在多数情况下，手腕具有一两个自由度即可满足作业要求。

31. 试述机器人在线示教与离线示教的方法及各自的特点。

(1)在线示教是由技术人员引导,控制机器人运动,记录机器人作业的程序点并插人所需的机器人命令来完成程序的编制。其操作简单直观,技术人员在现场根据实际情况进行编程,基本上无需过多更改,错误率低,但编程效率低,难以满足频繁改变任务的场合。

(2)离线示教是指脱离机器人和实际的工作环境,通过计算机对机器人进行离线的编程,技术人员不对机器人实体进行控制,是在离线编程系统中进行编程或在模拟环境中进行仿真,生成示教数据,常用于工作人员对工作环境比较熟悉,所建立的3D模型能真实反映机器人的实际工作状态。此方法方便技术工作人员进行脱离实际的机器人示教,便于和CAD/CAM相结合,进而与机器人系统生成一体化操作,但对技术人员的技术水平要求高,实现也较在线示教复杂。

32. 机器人钳爪式手部机构的选择要求有哪些？

（1）应具有足够的夹紧力；

（2）应具有足够的张开角；

（3）应能保证工件的可靠定位；

（4）应具有足够的强度和刚度；

（5）应适应被抓取对象的要求；

（6）尽可能具有一定的通用性 ；

33. 写出工业机器人的三种主要驱动方式及其各自的应用特点。

工业机器人驱动方式主要有:液压式、气动式和电动式。

(1)液压驱动

适用于承载能力大,惯量大以及在防焊环境中工作的机器人。但液压系统需进行能量转换,速度控制多数情况下采用节流调速,效率比电动驱动系统低。

(2)气动驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人。但因难于实现伺服控制,多用于程序控制的机械人中,如在冲压机器人。

(3)电动驱动

由于具备低惯量,大转矩的优点,交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器被广泛采用,电动驱动系统在机器人中被大量应用。该类系统不需能量转换,使用方便,控制灵活。

34. 机器人手臂直线运动包括哪几种类型?实现手臂往复直线运动的机构有哪些,写出其中的四种?

机器人手臂的伸缩、升降及横向(或纵向)移动均属于直线运动。

实现手臂往复直线运动的机构:

(1)活塞液压(气)缸;

(2)活塞缸和齿轮齿条机构;

(3)丝杠螺母机构;

(4)活塞缸和连杆机构。

35. 图示为带环形柔轮的外啮合复波式谐波传动机构,试述其工作原理及特点。

图示为外啮合复波式谐波传动原理简图。图中H为波发生器,G1为第一级固定刚轮,G2为第二级输出的活动刚轮,R1和R2为固连在一宽柔轮上的两个柔轮齿圈,在宽度上分别与刚轮G2和G1啮合。于是,波发生器H、柔轮R2和刚轮G2组成第一级谐波减速传动(波发生器主动,刚轮固定,柔轮从动)。而波发生器H、柔轮R2和刚轮G2组成第二级谐波减速传动(波发生器主动,柔轮相对固定,刚轮从动)。

复波式谐波齿轮传动使用于大传动比、高精度的减速装置中。其特点是结构简单、传动比范围大,精度高,但齿间磨损较大,传动效率约为65%。

36. 简述机器人控制器软件系统的基本功能。

(1)记忆功能

(2)示教功能

(3)与外围设备联系功能

(4)坐标设置功能

(5)人机接口模块输人输出功能

(6)传感器模块感知功能

(7)位置伺服功能

(8)故障诊断安全保护功能

(9)控制总线传输功能

(10)编程方式

37. 机器人结构设计时为什么要进行刚度设计？写出三种提高机器人刚度的措施？

工业机器人操作机大多为串联型多关节结构，是一个多关节、多自由度的复杂机械装置，当受到外力作用时，执行器坐标原点就会产生一个小的位移偏差，偏差量的大小不仅与外力的大小、方向和作用点有关，而且还与执行机构末端所处的位置和姿态有关，所以在进行机器人结构设计时需要进行刚度设计。

提高刚度的措施：

悬臂尽量短，拉伸压缩轴用实心轴，扭转轴用空心轴，并控制连接间隙；

采用矩形截面的小臂结构设计，保障具备更高的抗拉、抗扭、抗弯曲性能。

38. 运动协同配置主要包括哪两方面的内容,说明其特点和应用。

(1)多机械单元协调运动功能:可以支持多项运动任务、支持多种协同模式。

应用:多机器人独立运动;多机器人对同一个运动工件进行处理;一个机器人握持工具,一个机器人握持工件,协同处理。

(2)输送链跟踪功能:通过输送链跟踪板卡可以同时跟踪多个工件,同时支持圆弧跟踪。

应用:喷涂跟踪;拾料跟踪;线性跟踪;圆弧跟踪;步进跟踪。

39. 机器人结构设计时,机械强度校核的主要内容包括哪些,有哪些注意事项?

(1)挠度变形计算

涉及的参数有负载、定位单元长度、材料弹性模量、材料截面惯性矩及挠度形变。

注意:1)计算静态形变的挠度形变时,梁的自重按均布载荷计算。

2)计算由于加速、减速产生的惯性力所产生的形变。

(2)扭转形变计算

当一根梁的一端固定,另一端施加一个绕轴扭矩后,将产生扭曲变形。

40. 说明机器人的三种运动模式及其特点。

机器人运动模式包括单轴运动模式、线性运动模式及重定位运动模式。

①单轴运动模式:单独控制某一个关节轴运动,机器人末端轨迹难以预测,一般只用于移动某个关节轴至指定位置、校准机器人关节原点等场合。

②线性运动模式:控制机器人TCP沿着指定的参考坐标系的坐标轴方向进行移动,在运动过程中工具的姿态不变,常用于空间范围内移动机器人TCP位置。

③重定位运动模式:某些特定情况下,需要重新定位工具的方向,使其与工件保持特定的角度,以便获得最佳效果。

41. 叙述机器人操作机结构设计的步骤。

(1)明确与机器人相关联的工艺装备、检测设备等对操作机结构的影响因素。

(2)绘制机器人总体布置方案图,在图中明确机器人操作机的具体位置。

(3)分析机器人的特征参数、相关工艺参数及技术要求,设计机器人结构简图,进行机器人操作机的设计。

(4)机器人操作机设计初稿完成后,必须满足其基本功能需要。

(5)进行机器人操作机结构的详细设计、工艺设计等。

42. 试说明滚珠丝杠-螺母传动的特点。

(1)传动效率高;效率高达90%-95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。

(2)运动具有可逆性;既可将回转运动变为直线运动,又可将直线运动变为回转运动,逆传动效率几乎与正传动效率相同。

(3)系统刚度好;通过给螺母组件内施加预压力来获得较高的系统刚度,可满足各种机械传动要求,无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。

(4)传动精度高;经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身具有很高的制造精度,又由于摩擦小,丝杠副工作时温升小、热变形小,容易获得较高的传动精度。

(5)使用寿命长;滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,长期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高5-6倍。

(6)不能自锁;特别是垂直安装的滚珠丝杠,当运动停止后,螺母将在重力作用下下滑,故常需设置制动装置。

(7)工艺复杂;滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高,制造成本高。

43. 工业机器人使用气缸驱动时,调速方法有哪几种选择?

(1)用电磁换向阀的排气口节流调速。

(2)用快速排气阀的排气口节流调速。因其排气阀的阀口比较大,换向快,所以如果把它装置在最接近气缸处,则可加快启动速度。

(3)在进气路或排气路上装置单向节流阀调速。采用节流调速时,应尽可能用排气节流,而不用进气口节流。因为排气节流可使气缸产生背压,可提高工作的平稳性。

(4)采用气液联合传动实现调速。因为油缸一端可以加入单向阀或采用端部阻尼结构,借以调速。

44. 试说明机器人在工业生产中的作用。

(1)提高生产过程的自动化程度;

(2)改善劳动条件、避免人身事故;

(3)减少人力,便于有节奏的生产。

45. 简述工业机器人中使用轴承的作用及特点。

轴承是支承元件,主要功能是支承机械旋转体,用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。工业机器人的轴承是其关键配套件之一,最适用于工业机器人的关节部位或者旋转部位。

特点:

(1)可承受轴向、径向、倾覆等方向综合载荷;

(2)一般采用薄壁型轴承;

(3)具有较高的回转定位精度。

46. 试述工业机器人的手腕设计应满足的要求。

（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，减小其质量和体积。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，运动控制难度加大。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三个自由度，某些动作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。

47. 工业机器人的手臂伸缩及升降运动机构上常设置导向装置，其目的有哪些？

答：（1）防止移动部件在伸缩及升降时产生不必要的转动，以保证手臂运动方位的准确性；

（2）增大移动部件的刚性，减少移动部件由于自重与抓取重量所引起的变形和位移；

（3）承受移动部件的部分自重和抓取工件(或工具)的部分重量。

48. 试说明电磁吸盘吸附式手部中电磁铁的工作原理？

答：当缠绕在铁芯外部的线圈通电后，在铁心内外产生磁场，磁力线经过铁心，空气隙和衔铁被磁化并形成回路，衔铁受到电磁吸力的作用被牢牢吸住。盘式电磁铁中，衔铁是固定的，在衔铁内用隔磁材料将磁力线切断，当衔铁接触由铁磁材料制成的工件时，工件将被磁化，形成磁力线回路并受到电磁吸力而被吸住。一旦断电，电磁吸力即消失，工件因此被松开。

49. 试述分布式控制系统的原理及特点。

分布式控制系统按系统的性质和方式分成几个模块,每一个模块各有不同的控制任务和控制策略,各模式之间可以是主从关系,也可以是平等关系。其主要思想是“分散控制,集中管理”,即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配,并通过子系统的协调工作来完成控制任务,整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的,所以又称为集散控制系统或分散控制系统。

这种方式实时性好,易于实现高速、高精度控制,易于扩展,可实现智能控制,是目前流行的方式。系统灵活性好,控制系统的危险性降低,采用多处理器的分散控制,有利于系统功能的并行执行,提高系统的处理效率,缩短响应时间。对于具有多自由度的工业机器人而言,当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时,其控制性能会恶化,甚至可能会导致系统的重新设计。

50. 机器人控制器的主要功能是什么？

（1）示教功能。主要包括在线示教和离线示教两种方式。

（2）记忆功能。存储作业顺序、运动路径和方式以及与生产工艺有关的信息等。

（3）位置伺服功能。机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。

（4）坐标设定功能。可在关节、直角、工具等常见坐标系之间进行切换。

（5）与外围设备联系功能。包括输入/输出投接口、通信接口、网络接口等。

（6）传感器接口。位置检测、视觉、触觉、力觉等。

（7）故障诊断安全保护功能。运行时的状态监视、故障状态下的安全保护和自诊断。

51. 试述机器人的驱动类型及各自的特点?

(1)气压驱动:优点空气来源方便,动作迅速,结构简单,造价低;缺点是空气具有可压缩性,工作速度的稳定性较差,因气源的压力较低,所以此类机器人适宜在对抓举力要求小的场合。

(2)液压驱动:相对于气压驱动,液压驱动的机器人具有大得多的抓举力,抓举质量可高达上百千克。液压驱动机器人结构紧凑,传动平稳且动作灵敏,但对密封的要求较高,且不宜在高温或低温的场合工作,要求的制造精度较高,成本较高。

(3)电力驱动:具有无污染、易于控制、运动精度高、成本低、驱动效率高等优点,其应用最广泛。

52. 试述集中式控制系统的原理及其优缺点。

由一台计算机实现全部控制功能。基于PC的集中控制系统里,充分利用PC资源开放性的特点,可以实现很好的开放性。多种控制卡,传感器设备等都可通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。

优点:结构简单,硬件成本较低,便于信息的采集和分析,易于实现系统的最优控制,整体性与协调性较好,基于PC的系统硬件扩展较为方便。

缺点:灵活性、实时性、可靠性较差。

53. 简述交叉滚子轴承的特点。

(1)具有出色的旋转精度

内外环是分割的结构,间隙可调整,即使被施加预压,也能获得高精度的旋转运动。

(2)操作安装简化

分割的内外环,在装入滚子和保持器后,被固定在一起,所以安装时操作非常简单。

(3)承受较大的轴向和径向负荷

滚子在呈90°的V型沟槽滚动面上通过间隔保持器被相互垂直排列,可承受较大的负荷。

(4)大幅节省安装空间

内外环尺寸被最小限度的小型化,特别是超薄结构接近极限的小型尺寸,并具有高刚性。

54. 按照工业机器人服务的生产形式可将其分为哪几种类型?

铸造生产中的工业机器人、锻压设备中的工业机器人、金属切削机床用的工业机器人、装配用工业机器人、金属电镀车间设备用工业机器人等。

55. 根据其自由的构成方法，关节型机器人可分为哪几种类型，试说明其特点？

（1）仿人关节型机器人，在标准手臂上再加一个自由度(冗余自由度)。

（2）平行四边形连杆关节型机器人。手臂采用平行四边形连杆，并把前臂关节驱动用的电动机安装在手臂的根部，可获得更高的运动速度。

（3）SCARA型机器人。手臂前端采用能够在二维空间自由移动的自由度，因此其在垂直方向具有刚性高，水平面内柔顺性好的特点。

56. 试述气吸式末端执行器的类型及各自特点。

答：气吸式末端执行器有挤压排气式吸盘、气流负压式吸盘和真空泵排气式吸盘三种。

(1) 挤压排气式吸盘靠向下挤压力将吸盘内的空气排出，使其内部形成负压，将工件吸住。结构简单、质量小，成本低的优点，但吸力不大，多用于吸取尺寸不大，薄而轻物体。

(2)气流负压式吸盘控制阀将来自气泵的压缩空气自喷嘴通人，形成高速射流，将吸盘内腔中的空气带走而形成负压，使吸盘吸住物体。这种吸盘比较方便，且成本低。

(3)真空泵排气式吸盘利用电磁控制阀将吸盘与真空泵相联，当抽气时，吸盘腔内的空气被抽出，形成负压而吸住物体。这种吸盘工件可靠，吸力大，但需配备真空泵及其控制系统，费用较高。

57. 机器人的机械结构配置可以由哪些特征来决定?

(1)机动性;

(2)支承系统的形式和结构;

(3)手臂数目;

(4)夹持器。

58. 什么是工业机器人的末端执行器，机器人末端执行器的特点有哪些？

末端执行器也叫手部，是直接装在工业机器人的手腕上用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的工作。

（1）和腕部相连处可拆卸 ；

（2）形态各异；

（3）通用性较差；

（4）是一个独立的部件；

59. 简述常用的机器人运动控制器有哪几种类型?

(1)以单片机为核心的机器人控制系统;

(2)以可编程控制器(PLC)为核心的机器人控制系统;

(3)基于工业个人计算机(IPC)+运动控制器的机器人控制系统。

60. 滚珠丝杠副常用的消除轴向间隙的方法哪些?

(1)双螺母螺纹预紧调隙式

(2)双螺母齿差预紧调隙式

(3)双螺母垫片预紧调隙式

(4)弹簧式自动调整预紧式

61. 试述工业机器人手臂机构设计的要求。

答：

1.手臂应具有足够的承受能力和刚度

    为防止工业机器人的臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字形截面构件的弯曲刚度一般比圆截面构件的要大；空心轴的弯曲刚度和扭转刚度都比心轴大得多，所以常用钢管做臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢做支承板。

2. 导向性要好

    为防止工业机器人的臂部在直线运动过程中，沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置或设计方形、花键等形式的臂杆。导向装置的具体结构形式一般应根据载荷大小、手臂长度、行程以及手臂的安装形式等因素来决定。导轨的长度不宜小于其间距的2倍，以保证导向性良好。
   

3. 重量要轻、转动惯量要小

    为提高工业机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。此外，为防止工业机器人臂部在升降过程中发生卡死或爬行现象，还意减小偏重力矩，尽量减小臂部运动部分的重量，使臂部的重心与立柱中心尽量靠近，此外还可以采取“配重”的方法来减小和消除偏重力矩。
   

4. 运动要平稳、定位精度要高

    由于工业机器人的臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，导致运动既不平稳，定位精度又不高。因此，除了臂部设计上要力求结构紧凑、重量轻外，还要采用一定形式的缓冲措施。工业机器人常用的缓冲装置有弹性缓冲元件、液压(气)缸端部缓冲装置、缓冲回路和液压缓冲器等。按照在机器人或机械手结构中设置位置的不同，可分为内部缓冲装置和外部缓冲装置两类。
   

5.合理设计与腕和机身的连接部位

    因为工业机器人臂部的安装形式和位置不仅关系到工业机器人的强度、刚度和承载能力，还直接影响工业机器人的外观，在结构设计中应全面地考虑所采用的各元器件与机构的特点和特性、作业和控制要求，进行合理布局，处理具体结构。

62. 什么是手臂的偏重力矩，偏重力矩何时达到最大？偏重力矩对手臂升降运动的灵活性有何影响？

（1）偏重力矩是指臂部全部零部件与抓取的总重量对手臂回转轴的静力矩。

（2）手臂悬伸最长行程时,其偏重力矩为最大,故偏重力矩应按悬伸最大行程、最大抓重时进行计算。

（3）如果偏重力矩过大，可能会使手臂立柱被卡死在导套内而不能作升降运动

63. 柔顺装配包含几种类型？各有何特点？

（1）主动柔顺装配

从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。

特点：需装配一定功能的传感器，价格较贵；另外，由于反馈控制响应能力的限制，装配速度较慢。

（2）被动柔顺装配

从机械结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。

特点：结构比较简单，价格比较便宜，装配速度较快。

64. 试述主从控制系统的原理及特点。

采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等;从CPU实现所有关节的动作控制。主从控制方式系统实时性较好,适于高精度、高速度控制,但其系统扩展性较差,维修困难。

65. 试述工业机器人机座结构设计的要求。

（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力和工作载荷，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。