西安交通大学2015年《工业机器人》期末考题

一、简答题（共 7 道试题，共 42 分。） 1. 工业机器人手爪有哪些种类，各有什么特点？ 答：1.机械手爪：依靠传动机构来抓持工件；

2.磁力吸盘：通过磁场吸力抓持铁磁类工件，要求工件表面清洁、平整、干燥，以保证可靠地吸附，不适宜高温条件；

3.真空式吸盘：利用真空原理来抓持工件，要求工件表面平整光滑、干燥清洁，同时气密性要好。

2. 工业机器人的机身设计应注意哪些问题？

答：(1)刚度和强度大，稳定性好。(2)运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。(3)驱动方式适宜。(4)结构布置合理。

3. 按机器人作业水平的程度分，机器人编程语言有哪几种？各有什么特点？ 答：1.动作级编程语言：优点：比较简单，编程容易。

缺点：功能有限，无法进行繁复的数算，不接受浮点数和字符串，子程序不含有自变量；不能接受复杂的传感器信息，只能接受传感器开关信息；与计算机的通信能力很差。

2.对象级编程语言：(1) 具有动作级编程语言的全部动作功能； (2) 有较强的感知能力； (3) 具有良好的开放性； (4) 数字计算和数据处理能力强；

3.任务级编程语言：结构十分复杂，需要人工智能的理论基础和大型知识库、数据库的支持。

4. 完整的焊接机器人系统一般由哪几个部分组成？

答：机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统、焊接传感器、控制计算机和相应的安 全设备等。

5. 工业机器人的机械系统可分为哪几部分？各自的作用是什么？

答：工业机器人机械系统包括:机身（包含机座、腰部以及行走机构）、臂部、腕部和手部等，其基本结构有：机座结构、腰部关节转动装置、大臂结构、大臂关节转动装置、小臂结构、小臂关节转动装置、手腕结构、手腕关节转动装置、末端执行器。

其中机身往往与机座做成一体，起连接、支承和传动的作用，既可以是固定式的，也可以是行走时的；臂部支承腕部和手部，并带动它们在空间运动，在工作中直接承受碗、手和工件的静、动载荷，自身运动又较多，故受力复杂；腕部是联接手部与臂部的部件，起支承手部的作用，手腕上的自由度主要是实现手部所期望的姿态；手部也叫末端操作器（End-effector）是用来握持工件或工具而在手腕上的装置的的操作机构。

6. 简述机器人行走机构结构的基本形式和特点。

答： 基本形式：固定轨迹式和无固定轨迹式（步行式、轮式和履带式）

固定轨迹式：机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移 动。

无固定轨迹式：在行走过程中，步行式为间断接触，轮式和履带式与地面为连续 接触；前者为类人(或动物)的腿脚式，后两者的形态为运行车式。运行车式行走机构用得比较多，多用于野外作业，比较成熟。步行式行走机构正在发展和完善中。

7. 简述工业机器人的定义，并说明其主要特征有哪些。

答：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装置，通过可编程动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。其主要特征如下：

（1）机器人的动作结构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能 （2）机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。

（3）机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。 （4）机器人具有性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。

二、计算题（共 5 道试题，共 58 分。）

1. 坐标系{B}起初与固定坐标系{O}相重合，现坐标系{B}绕ZB 旋转30度，然后绕旋转后的动坐标系的XB 轴旋转45°，试写出该坐标系{B}的起始矩 阵表达式和最后矩阵表达式。

10阵表达式和最后矩阵表达式。解：起始矩阵：B=O=00000100 01000100 0100.8660.3530.50.6120.612最后矩阵：B´=Rot(Z，30̊）B Rot（X，45̊）=00.7070.707000 2.

解：

ABH=Trans（3，7，9）Rot（X，-90̊）Rot（Z，90̊）=

100000310001070190100100000110100000010000001001=

10000100030110170900010000001001=

01001000

0317 09013. 设机械手的第一关节的起始关节角θ0 = 15o，并且机械手原来是静止的。要求在3 秒钟内平滑地运动到θf = 75o时停下来(即要求在终端时速度为零)。

规划出满足上述条件的平滑运动的轨迹，并画出关节角位置、角速度及角加速度随时间变化的曲线。

解：

根据所给约束条件，直接代入式(4-4)，可得：

a0=15， a1=0， a2=20， a3=-4.44 所求关节角的位置函数为

a0q0 23t1520t4.44ta10：

3 a22qfq0tf对上式求导，可以得到角速度和角加速度

2 t40t13.33t2a33qfq0

tf t4026.66t

根据式(4-5)～(4-7)可画出它们随时间的变化曲线如下图所示。由图看出，速度曲线为一抛物线，加速度则为一直线。

4.

下图所示为一个二自由度的机械手，两连杆长度均为1m，建立各杆件坐标系如图，求出A1 ， A2 的变换矩阵。

解：建立如图所示的坐标系 参数和关节变量 连杆 1 2

θ 1 2 α 1 1 а 0 0 d 0 0 cos1sin1A1=Rot(Z, θ1) Trans(1,0,0) Rot(X, 0º)=00s2c2A2= Rot(Z, -θ2)Trans(l, 0, 0)Rot(X, 90º)00

5.

sin10c1cos10s1 0100010s20c2000000 01

l1s1l2s12解：因为：Jl1c1l2c12l2s12 l2c121因此，逆雅可比矩阵为：J1l1l2s2l2c12lclc11212 l1s1l2s12l2s12因为，J1v，且v=[1, 0]T，即vX=1m/s，vY=0，因此

1l2c12l2s1211lclc0lslslls11212212211212c1112rad/s=-2rad/s

l1s20.52c1c124rad/sl2s2l1s2因此，在该瞬时两关节的位置分别为， θ1=30°，θ2=-60°；速度分别为1=-2rad/s，

2=4 rad/s；手部瞬时速度为1m/s。

sθ=sinθ11+θ) 式中：s12=sin(θ12