工业机器人

1、机器人三大特征：拟人功能，可编程，通用性。来历：由捷克作家卡雷尔 恰佩克在《罗莎姆的万能机器人》中首先提出。埃萨克 阿西莫夫《我，机器人》 三定律：第一法则:机器人不得伤害人类，或坐视人类受到伤害；第二法则:除非违背第一法则，机器人必须服从人类的命令；第三法则在不违背第一及第二法则下，机器人必须保护自己。2、机器人应用领域分类：产业用机器人（工、农、林、医疗）、极限作业机器人、服务型机器人。3、坐标形式机器人：直角坐标型、圆柱坐标型、球（极）坐标型、关节坐标型、SCARA型机器人。4、工业机器人系统组成：机械系统、驱动系统、控制系统、感知系统。5、五个技术参数：自由度、定位精度和重复定位精度、作业范围、最大工作速度、承载能力。6、驱动方式：液压、气压、电气驱动。7、谐波齿轮传动特点：结构简单，体积小，质量小。传动比范围大，单级谐波减速器传动比可在50~300之间，优选在75~250之间。运动精度高，承载能力大。运动平稳，无冲击，噪声小。齿侧间隙可以调整。8、机器人上常见的减速器有RV减速器和谐波减速器：RV减速器的优点有：长期使用不需再加润滑剂、寿命长、刚度好、减速比大、低振动、传动效率高、运动精度高、回差小、抗冲击能力强、保养便利等；缺点是重量大，外形尺寸较大。谐波减速器的优点是重量较轻，外形尺寸较小，减速比范围大，精度高，但刚性较差。9、设计机身注意问题：机身要有足够的刚度、强度和稳定性；运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以避免发生卡死现象；驱动方式要适宜；结构布置要合理。11、腕部具有回转R、俯仰P和偏转Y3个自由度。12、手部：特点：手部与手腕相连处可拆卸。手部是工业机器人的末端操作器。手部的通用性比较差。手部是一个独立的部件。定义：工业机器人的手部是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。类型：按用途：手爪和工具；按夹持原理：机械钳手(按夹取方式分为内撑式和外夹式）、吸附式（有磁力、真空吸附式；13、齐次坐标变换：平移坐标变换和旋转坐标变换。14、逆运动学特性：解可能不存在；解的多重性；求解方法的多样性。15、为什么要研究单关节机器人模型：由于机器人是耦合的非线性动力学系统，各关节的控制必须考虑关节间的耦合作用，但对于工业机器人，通常还是按照独立关节来考虑。这是因为工业机器人运动速度通常不高（通常小于1.5m/s），由速度项引起的非线性作用可以忽略。驱动负载时通常需要减速器，其减速比往往接近100，使得负载的变化（例如由于机器人关节角度的变化使得转动惯量发生变化）折算到电动机轴上的变化幅度很小（要除以减速比的平方），因此可以看作定常系统处理。各关节之间的耦合作用，也因减速器的存在而极大地削弱。工业机器人系统就变成了一个由多关节（多轴）组成的各自独立的线性系统。16、机器人控制系统三大特点：本质上是一个非线性系统；由多关节组成的一个多变量控制系统，且各关节间具有耦合作用；是一个时变系统，其动力学参数随关节运动位置的变化而变化。17、机器人四种控制方式：点位控制与连续轨迹控制；力（力矩）控制方式；智能控制方式；示教—再控制。18、传感器分为内部传感器（由位置、速度及加速度传感器等组成）和外部传感器（有触觉、力觉、视觉、超声波传感器）。21、位置和位移传感器类型：根据其工作原理和组成的不同有多种形式，常见有电阻式、电容式、电感式、编码式、霍尔元件、磁栅式位移传感器。19、光电编码器分类：按检测原理（接触式和非接触式）、测量方式（直线和旋转型）、测出信号（绝对和增量式）20、绝对式光电编码器基本原理：光线通过码盘的透明区域，使光敏元件导通，产生低电平，代表二进制的“0”；不透明区域代表二进制的“1”。最外圈代表最低位、最内圈代表最高位。每组二进制编码对应一个确定的角度。根据检测信号的二进制码的输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。组成：多路光源、光敏元件、编码盘。23、增量式光电编码器在工业机器人用得较多的原因：原理结构简单，易于实现；非接触测量，无接触磨损，机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高，精度保证性好；光电转换，抗干扰能力强，信号传输距离较长，可靠性较高；允许测量转速高，精度较高；体积小、价廉、便于安装，适合于机床运行环境。基本原理：把回转体的旋转方向、旋转速度和旋转角速度准确测量出来，然后通过光电转化为相应的脉冲数字量，然后由数控系统或计算器计数得到角位移或直线位移量24、速度传感器的输出有模拟式和数字式两种。速度传感器：测速发电机：检测机械转速的电磁装置，将机械转速变换成电压信号。按输出信号的形式分为交流和直流测速发电机。直流测速发电机工作原理基于法拉第电磁感应定律。线圈磁通量一定时，位于磁场中的线圈旋转，使线圈两端产生的电压（感应电动势）与线圈（转子）的转速成正比U=kn；旋转方向改变时，输出的电动势极性相应改变，在被测机构与测速发电机同轴连接时，只要测出直流发电机的输出电动势和极性，就能获得被测机构的转速和旋转方向；测速发电机线性度好、灵敏度高、输出信号强，目前检测范围20~40r/min，精度为0.2%~0.5%。增量式光电编码器：既可以作为位置传感器测量关节相对位置，又可以作为速度传感器测量关节速度，做速度传感器可在模拟、数字方式下使用；模拟方式必须有一个频率-电压（F/V）变换器，用来把编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的模拟电压。F/V变换器必须有良好的零输入、零输出特性和较小的温度偏移。25、增量式光电编码器作为速度传感器使用、原理：增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。26、接近觉传感器：电感式与电容式、光电式、霍尔效应式、超声波式和气压式。27、触觉传感器，广义上，它包括触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有关的感觉；狭义上它是机械手与对象接触面上的力感觉。有接触觉、力觉、滑觉传感器三种 28、六维力和力矩传感器结构特点：由一只直径为75cm的铝铣削而成；具有8个等长的弹性梁：4个竖直，4个水平，每一个梁的残部开有小槽以使残部只传递力；梁的另一个头两侧贴有应变片，连成差动形式的输出。29、机器视觉系统特点：精度高；连续性；灵活性；标准性。组成：视觉传感器、图像采集/处理卡、光源、计算机。31、图像处理技术名称：图像增强、图像平滑、边缘锐化、图像分割、图像识别、图像编码与压缩。32、机器人的轨迹规划是指根据机器人作业任务的要求（作业规划），对机器人末端操作器在工作过和中位姿变化的路径、取向及其变化速度和加速度进行人为设定。33、工业机器人三种编程方式：机器人语言编程、示教编程、离线编程。34、机器人三种语言的分类：动作级、对象级、任务级语言。35、工业机器人应用准则：在恶劣的工作环境中应用机器人；在生产率和生产质量落后的部门应用机器人；从长远考虑需要机器人；机器人的使用成本；应用机器人时需要人。36、机器人上常用的可以测量转速的传感器有测速发电机和增量式码盘37、语言属于哪个级：动作级：AL（斯坦福大学）、VAL（由AL演变）、 IML（日本九州大学）、RAFT（英国爱丁堡大学）。对象级：IBM公司的AUTOPASS语言、AML。1、简述工业机器人的组成部分及其作用？答：工业机器人系统包括机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统；机械系统包括机身、臂部、手腕、末端操作器和行走机构等，其作用相当于人的身体（骨骼、手、臂、腿等）；驱动系统指驱动机械系统动作的驱动装置，根据驱动源不同分为电气、液压、气压驱动及综合起来的系统，其作用相当于人的肌肉，提供动力；控制系统主要由计算机硬件和控制软件组成，它相当于人的大脑；感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统，它的作用相当于人的五官。2、什么是机器人的自由度？设计机器人是如何选择自由度？答：自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端操作器自由度，一个自由度对应一个关节。自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，自由度越多就越灵活，但结构也越复杂，控制难度越大，所以机器人的自由度要根据其用途设计，一般在3~6之间。3、SCARA机构机器人有哪些特点？它适用于哪些场合？答：特点：在垂直平面内具有很好的刚度，在水平面内具有较好的柔顺性，且动作灵活、速度快、定位精度高。场合：适宜于平面定位，以及在垂直方向上进行装配，又称装配机器人。4、机器人三种驱动方式的优缺点是什么？答：液压驱动方式 ：优点: (1) 液压容易达到较高的单位面积压力体积较小, 可以获得较大的推力或转矩(2) 液压系统介质的可压缩性小, 工作平稳可靠, 并可得到较高的位置精度 (3) 液压传动中, 力、 速度和方向比较容易实现自动控制(4) 液压系统采用油液作介质,具有防锈性和自润滑性能, 可以提高机械效率, 使用寿命长。缺点: (1) 油液的粘度随温度变化而变化, 这将影响工作性能。 高温容易引起燃烧、爆炸等危险(2) 液体的泄漏难于克服, 要求液压元件有较高的精度和质量, 故造价较高(3) 需要相应的供油系统, 尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置, 否则会引起故障。气压驱动方式：优点：(1) 压缩空气粘度小, 容易达到高速(1 m／s)(2) 利用工厂集中的空气压缩机站供气,不必添加动力设备 (3) 空气介质对环境无污染, 使用安全, 可直接应用于高温作业 (4) 气动元件工作压力低, 故制造要求也比液压元件低。缺点: (1)压缩空气常用压力为0.4～0.6 MPa, 若要获得较大的压力, 其结构就要相对增大(2) 空气压缩性大, 工作平稳性差, 速度控制困难, 要达到准确的位置控制很困难。(3) 压缩空气的除水问题是一个很重要的问题, 处理不当会使钢类零件生锈,导致机器人失灵。 此外, 排气还会造成噪声污染。电气驱动方式：所用能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，且具有使用方便、噪声低和控制灵活的特点。5、机身设计要注意什么？答：（1）机身要有足够的刚度、强度、稳定性；（2）运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以避免发生卡死现象；（3）驱动方式要适宜（4）结构布置要合理。6、对工业机器人臂部设计有什么基本要求？答：手臂应具有足够的承载能力和刚度；导向性要好；重量和转动惯量要小；运动要平稳、定位精度要高。7、机器人手腕的旋转自由度一般应如何布置？答：为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现绕空间三个坐标轴x,y,z的转动，即具有回转、俯仰和偏转三个自由度。8、机器人雅克比矩阵和速度雅克比矩阵有何关系？答：机器人雅克比矩阵J’是速度雅克比矩阵J的转置矩阵。9、何谓点位控制和连续控制？举例说明它们在工业上额应用？答：点位控制：指只规定各点的位姿，不规定各点之间的运动轨迹的控制方式。应用：从事在印刷电路板上安插元件‘点焊’搬运及上/下料等作业的工业人。连续轨迹控制：指规定机器人定位位姿轨迹的控制方式。应用：从事弧焊、喷漆、切割等作业的工业机器人。6-3.光电编码器可用于测量的模拟量有哪些？请说明绝对式与增量式光电编码器各自适用的场合。答：光电编码器可以测量的模拟量：转角、直线位移、转轴的转速和转向。适用场合：绝对式：用于长期定位控制的装置和设备中。增量式：广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定仪器等需要检测角度的装置和设备中。6-4.利用增量式光电编码器以数字方式测量机器人关节转速，若已知编码器输出为1500脉冲/转，高速脉冲源周期为0.2ms，对应编码器的2个脉冲测得计数值为120，求关节转动角速度的值。解：时间增量为: t=0.2×120ms=24ms角速度为:w==(22π/1500)/0.024=0.349 rad/s 。6-5.说明接近传感器的应用、常见种类及工作原理。答：接触传感器用于判断在一规定距离范围内是否有物体存在，主要用于物体抓取或避障类近距离工作的场合。常见的接近觉传感

器有电感式、电容式、光电式、霍尔效应式、超声波式和气压式；工作原理：电感式：利用涡流感知物体接近。电容式：利用物体接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化的情况来控制开关。光电式：利用被检测物体对红外光束的遮挡或反射，由同步回路选通来检测物体的有无。霍尔效应式：利用霍尔效应判断是否接近铁磁体。超声波式：测量发射换能器发出的超声波经目标反射后沿原路返回接收器所需的时间来监测物体。气压式：通过检测气流喷射遇到物体时的压力变化来检测和物体之间的距离。6-6.工业机器人的触觉传感器能感知哪些环境信息？答：广义上，它包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有关的感觉；狭义上，它是机械手与对象接触面上的力感觉。