工业机器人技术基础及其应用没章思考题练习题参考答案.docx

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工业机器人技术基础及其应用没章思考题练习题参考答案

《工业机器人技术基础及其应用》（戴凤智，乔栋主编）

的每章思考与练习题及其参考答案

第1章工业机器人概述

1.机器人系统由哪四部分组成？

答：

（教材第2页）机器人系统由以下四部分组成：

机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统。

2.工业机器人有哪些基本特点？

答：

（教材第3页）工业机器人主要有以下三个基本特点：

可编程、拟人化、通用性。

3.工业机器人的传感部分有哪些子系统组成？

答：

（教材第12页）机器人的传感部分相当于人类的五官，机器人可以通过传感部分来感觉自身和外部环境状况，帮助机器人工作更加精确。

工业机器人的传感部分主要分为两个子系统：

感受（传感）系统、机器人与环境交互系统。

4.工业机器人的机械部分有哪些子系统组成？

答：

（教材第11页）机械部分是机器人的硬件组成，也称为机器人的本体。

工业机器人的机械部分主要分为两个子系统：

驱动系统、机械结构系统。

5.工业机器人的控制部分有哪些子系统组成？

答：

（教材第11页）控制部分相当于机器人的大脑，可以直接或者通过人工对机器人的动作进行控制。

工业机器人的控制部分分为两个子系统：

人机交互系统、控制系统。

6.工业机器人一般有哪些主要技术指标？

答：

（教材第12页）工业机器人的技术指标是机器人生产厂商在产品供货时所提供的技术数据，反映了机器人的适用范围和工作性能，是选择机器人时必须考虑的问题。

工业机器人的主要技术指标一般包括：

自由度、工作精度、工作范围、额定负载、最大工作速度等。

7.工业机器人是如何进行分类的？

答：

（教材第14页）工业机器人的分类方法有很多，本书主要介绍了以下三种分类方法。

（1）按机械结构可以分为串联机器人和并联机器人。

（2）按机器人的机构特性可以分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、多关节坐标机器人。

（3）按程序输入方式可以分为编程输入型机器人、示教输入型机器人。

第2章工业机器人的机械结构系统和驱动系统

1.工业机器人的机械系统有哪三部分组成？

答：

（教材第22页）工业机器人的机械系统由手部、手臂、基座三部分组成。

2.工业机器人手部有哪些特点？

答：

（教材第22页）工业机器人的手部具有如下四个特点：

手部与手腕相连处可拆卸（便于根据夹持对象的不同更换手部装置）、手部是机器人的末端操作器、手部的通用性比较差（一般是专用装置，如果更换了作业则需要更换手部装置）、手部是一个独立的部件。

3.工业机器人的手部是如何分类的？

答：

（教材第23页）按照不同的分类标准可以将工业机器人的手部分类如下：

（1）按用途可分为手爪和专用操作器两类。

（2）按夹持方式可以分为外夹式、内撑式和内外夹持式三类。

（3）按智能化程度可以分为普通式手爪和智能化手爪两类。

（4）按工作原理可分为夹持类手部和吸附类手部两类。

4.确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个自由度分别是什么？

答：

（教材第26页）要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个自由度分别为臂转、腕摆、手转。

5.关节由什么组成？

答：

（教材第27页）工业机器人中连接运动部分的机构称为关节。

关节有转动型和移动型，分别称为转动关节和移动关节。

转动关节在机器人中简称为关节，关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。

移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直线导向作用的直线导轨组成。

6.工业机器人中轴承的作用是什么？

答：

（教材第27页）工业机器人中轴承起着重要作用，用于转动关节的轴承有多种形式，球轴承是机器人结构中最常用的轴承。

球轴承能够承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。

7.工业机器人驱动系统常用的三种驱动方式是什么？

答：

（教材第28页）工业机器人驱动系统常用的三种驱动方式是液压驱动、气压驱动、电气驱动。

8.工业机器人对驱动电动机有哪些要求？

答：

（教材第34页）工业机器人对驱动电动机的要求包括：

快速性、起动转矩和转动惯量、控制特性的连续性和直线性、调速范围、体积与质量、工作条件等。

9.各种机器人驱动系统的设计选用原则是什么？

答：

（教材第35页）对各种机器人驱动系统的设计选用原则包括：

控制方式、作业环境的要求、操作运行的速度。

第3章工业机器人的传感系统

1.简述工业机器人内部传感器的分类和原理。

答：

（教材第40页）工业机器人的内部传感器安装在操作机上，用于检测机器人操作机内部状态，包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器。

其他的如倾斜角传感器、方位角传感器及振动传感器等也被用作机器人的内部传感器。

内部传感器的功能分类：

1）规定位置、规定角度的检测。

2）位置、角度测量。

3）速度、角速度测量。

4）加速度测量。

位置和位移传感器、速度和加速度传感器的原理参见教材第40～41页。

2.工业机器人的外部传感器分为哪几种？

答：

（教材第41页）工业机器人外部传感器的作用是检测作业对象及环境或与其他机器人的关系，分为触觉、力觉、视觉、听觉、距离（接近觉）等。

3.列举两种触觉传感器并简述其原理。

答：

（教材第42页）触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，机器人可以利用触觉来进行抓取，利用触觉还可以进一步感知物体的形状、软硬等物理性质。

触觉传感器包括接触觉、接近觉、滑觉等。

教材第42～43页给出了上述三种触觉传感器的原理。

4.简述机器人视觉系统的作用和特点。

答：

（教材第44页）机器人的视觉系统能够将对象物体或工件进行拍摄与图像处理。

一个高性能的机器人视觉图像处理系统的作用包括：

拍摄图像或视频数据、传送数据至控制器、完成预处理或主要处理过程、输出处理后的数据。

机器人视觉系统的特点包括：

是一种非接触测量、具有较宽的光谱响应范围、成本低并且效率高、机器视觉易于实现信息集成、精度高、灵活性高、适应性强。

5.列举两种工业机器人传感器的应用。

答：

（教材第46页）教材第46～48页介绍了多种工业机器人传感器的应用，可以参考。

此外，还可以借助网络和其他信息资源查询更广泛的、更新的应用事例。

第4章工业机器人的控制系统

1.简述工业机器人控制系统的特点。

答：

（教材第49页）工业机器人控制系统具有以下特点：

（1）机器人控制系统是一个多变量控制系统，简单的工业机器人也有3～5个自由度。

（2）它的运动描述比较复杂。

（3）工业机器人具有较高的重复定位精度，系统刚性好。

（4）信息运算量大。

（5）需采用加（减）速控制。

一般要求控制系统位置无超调，动态响应尽量快。

（6）工业机器人还有一种示教再现的控制方式。

2.简述工业机器人控制系统的功能。

答：

（教材第50页）工业机器人控制系统具有以下功能：

示教再现功能、坐标设置功能、与外围设备的联系功能、位置伺服功能。

3.工业机器人控制系统有哪几种控制方式？

答：

（教材第50页）工业机器人的控制方式是由工业机器人所执行的任务决定的。

一般可以按照以下方式来分类。

（1）按运动坐标控制的方式分为：

关节空间运动控制、直角坐标空间运动控制。

（2）按控制系统对工作环境变化的适应程度分为：

程序控制系统、适应性控制系统、人工智能控制系统。

（3）按同时控制机器人数目的多少分为：

单控系统、群控系统。

（4）按运动控制方式的不同分为：

位置控制、速度控制、力控制（包括位置/力混合控制）。

4.简述集中控制、主从控制和分布控制的特点。

答：

（教材第53页）工业机器人的集中控制是用一台计算机实现全部控制功能。

早期的机器人常采用这种结构。

集中式控制系统的优点为：

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。

其缺点为：

缺乏灵活性，一旦出现故障其影响面广，而且较难兼顾实时性和可靠性。

主从控制是采用主、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。

主从控制方式实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性仍较差，维修困难。

分布控制是指将系统分成几个模块，每一个模块有其自己的控制任务和控制策略，各模块之间可以是主从关系，也可以是平等关系。

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。

其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对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。

分布控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。

第5章ABB工业机器人的硬件和基本操作

1.简述ABB工业机器人的型号及分类。

答：

（教材第56页）ABB工业机器人可以分为如下五类：

直角坐标机器人、平面关节型机器人、并联机器人、串联机器人、协作机器人。

ABB工业机器人的型号多以IRB开头，后面是数字。

它的型号有很多，功能各异。

详细内容参见教材第57～65页。

2.简述IRB140型机器人的特点。

答：

（教材第59页）IRB140机器人具有正常运行时间长、操作周期时间短、零件生产质量稳定、功率大、适合恶劣生产环境、易于柔性化集成和生产等特点。

它的到达范围是0.81m，承重能力为6kg。

3.简述ABB工业机器人的基本结构。

答：

（教材第65页）常用的小规格、轻量级垂直串联6轴关节型ABB工业机器人内部包括伺服驱动电机、减速器及其他机械传动部件等。

从外形结构上包括基座与腰关节、下臂与肩关节、上臂与肘关节、手腕。

4.ABB工业机器人的硬件连接中有哪些常见机构？

答：

（教材第65页）工业机器人的本体都是由若干关节和连杆通过不同的结构设计和机械连接所组成的机械装置。

机器人的运动主要包括整体回转（腰关节）、下臂摆动（肩关节）、上臂摆动（肘关节）及手腕运动。

硬件包括伺服驱动电动机、减速器等。

常见机构还包括连杆驱动结构、手腕后驱结构。

5.图5-88所示为工业机器人内部结构，各序号分别代表的是什么？

答：

（教材第66页）图5-88与教材中的图5-26是一样的。

各序号分别代表的结构为：

1-基座；2、8、9、12、13、20-伺服驱动电动机；3、7、10、14、17、21-减速器；4-腰关节；5-下臂；6-肘关节；11-上臂；15-腕关节；16-连接法兰；18-同步带；19-肩关节。

6.控制柜由哪些部分组成？

答：

（教材第70页）ABB工业机器人的第五代控制柜为IRC5，主要包括以下部分：

主计算机、驱动单元、I/O单元、开关、主线、服务器信息块。

7.示教器需要配置哪些必要的操作环境？

答：

（教材第71页）在示教器上，绝大多数的操作都是在触摸屏上完成的，同时也保留了必要的按钮和操作装置。

示教器上保留的按钮和功能主要包括：

链接电缆、触摸屏、急停开关、手动操纵摇杆、USB端口、使能器按钮、触摸屏用笔、示教器复位按钮。

在示教器上可以设置显示的语言和设定机器人系统的时间。

8.示教器使能按钮的作用是什么？

答：

（教材第74页）使能器按钮是为保证操作人员人身安全而设置的。

只有在按下使能器按钮，并保持在“点击开启”的状态下，才可对机器人进行手动操作与程序的调试。

当发生危险时人会本能地将使能器按钮松开或按紧，机器人则会马上停下来，保证安全。

9.简述ABB机器人数据进行恢复的操作。

答：

（教材第78页）单击左上角主菜单按钮并选择“备份与恢复”，然后点击“恢复系统…”后再选择以前备份过的文件存放的目录，最后选择“恢复”即可。

因此，只有先做过备份之后才能进行恢复的操作。

详细的图文介绍请参看教材第78～80页。

10.简述手动操作的几种方式。

答：

（教材第85页）手动操作包括单轴运动的手动操作、线性运动的手动操作、重定位运动的手动操作。

详细的图文介绍以及手动操作的快捷按钮和快捷菜单的介绍请参看教材第85～99页。

第6章工业机器人的虚拟仿真

1.简述在RobotStudio中可以实现的主要功能。

答：

（教材第102页）在RobotStudio中可以实现以下主要功能：

CAD导入、自动路径生成、自动分析伸展能力、碰撞检测、对实体机器人进行在线作业、模拟仿真、使用应用功能包、进行二次开发。

2.实践建立仿真工业机器人工作站的步骤。

答：

（教材第103页）建立仿真工业机器人工作站的步骤如下：

（1）如果尚未安装RobotStudio软件，就需要安装该软件。

这部分内容可以参见教材第103～106页。

（2）（教材第107页）导入机器人。

（3）（教材第108页）加载机器人的工具。

3.完成RobotStudio进行备份的操作。

答：

（教材第121页）在“控制器”中单击“备份”并选择“创建备份”。

详细的图文介绍请参看教材第121～122页。

4.完成RobotStudio进行恢复的操作。

答：

（教材第122页）将机器人状态钥匙开关切换到“手动”，在“控制器”菜单中单击“备份”并选择“从备份中恢复”。

详细的图文介绍请参看教材第122～123页。

第7章工业机器人应用1——搬运

1.填空题

（1）从结构形式上看，搬运机器人可以分为直角式搬运机器人和关节式搬运机器人两大类。

其中直角式搬运机器人又可以分为龙门式、悬臂式、摆臂式和侧壁式等。

（教材第130页）

（2）悬臂式搬运机器人的大多数结构为Z轴随着Y轴移动，但有时针对特定的场合，Y轴也可以在Z轴的下方，这一结构特点使其便于进入设备内部进行搬运操作，多用于机床内部的自动上下料。

（教材第131页）

（3）侧壁式搬运机器人专用性强，主要应用于立体库类场景的自动存取作业，如档案自动存取系统、全自动银行保管箱存取系统等。

（教材第134页）

（4）搬运机器人主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

（教材第134页）

（5）常见的搬运机器人末端执行器有吸附式、夹钳式和仿人式等。

（教材第134页）

（6）ABB标准I/O板挂在DeviceNet总线上面，常用型号有DSQ651和DSQ652。

（教材第138页）

（7）在ABB机器人的装配操作中，MoveL是线性运动指令，MoveJ是关节运动指令，MoveC是圆弧运动指令，MoveAbsj是绝对运动指令。

（教材第139页）

（8）常见的搬运机器人辅助设备有增加移动范围的滑移平台、合适的搬运系统装置和安全保护装置等。

（教材第153页）

2.简答题

（1）简述直角式搬运机器人的运动原理。

答：

（教材第131页）直角式搬运机器人具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，通常为沿着X、Y、Z轴三个独立自由度的线性运动确定其空间位置，一般X轴和Y轴是水平面内的运动轴，Z轴是上下运动轴，其动作空间似长方体。

（2）搬运机器人有什么优点？

答：

（教材第132页）搬运机器人主要具备以下优点：

1）可以改善物流管理和调度能力。

2）对场地要求非常柔性，能够满足特殊工作环境需求。

3）能够有效地优化工艺流程。

4）可以保障安全性。

5）有利于成本控制、可以合理利用现有占地面积、提升企业形象和车间整洁度，实现无人化生产。

（3）简述直角式搬运机器人的优缺点。

答：

（教材第133页）直角式搬运机器人针对不同的应用，可以方便快速地组合成不同维数、不同行程和不同带载能力的机器人。

其主要功能和特点如下：

1）可以任意组合成各种结构样式、负载能力和尺寸的机器人。

2）通过多根直线运动单元（直线导轨）级连和齿轮齿条传动，可以形成超大的行程。

3）负载能力强。

4）具有高动态特性和高精度。

5）简单经济、易维修、使用寿命长。

缺点：

直角式搬运机器人的动作范围相对较小，在绝大多数情况下，直角式搬运机器人的各个直线运动轴之间的夹角为直角，故适应范围相对较狭窄、针对性较强，所以不能满足对放置位置等有特殊要求的作业需求。

（4）简述关节式搬运机器人的功能及应用。

答：

（教材第134页）关节式搬运机器人具有结构紧凑、占地空间小、相对工作空间大、自由度高等特点，几乎适用于任何轨迹和角度的搬运工作，如对摆放位置有指定角度要求的玻璃搬运工作等。

关节式搬运机器人适用于柔性化生产、个性化定制生产的现代自动化流水生产线，在执行动作方面具有很好的通用性。

（5）什么是制动器？

制动器可以分为哪几类？

在什么情况下需要使用制动器？

答：

（教材第136页）制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置。

它可分为机械制动器和电气制动器两类。

在机器人机构中，需要使用制动器的情况如下：

①特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施时；②停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。

第8章工业机器人应用2——码垛

1.填空题

（1）码垛机器人在传统形式上可分为直角式码垛机器人和关节式码垛机器人两大类。

其中直角式码垛机器人又可以分为摆臂式码垛机器人和龙门式码垛机器人等。

（教材第155页）

（2）码垛机器人一般为3轴或者4轴机器人，分别为X轴、Y轴、Z轴，以及可以在Z轴上增加一个旋转轴R。

（教材第156页）

（3）机械臂式码垛机器人可以分为SCARA式码垛机器人和立体式码垛机器人。

（教材第156页）

（4）在工业生产领域，根据达到的堆放要求不同，还可以将码垛机器人分为单层码垛机器人、多层码垛机器人和排列码垛机器人三类。

（教材第155页）

（5）一般的码垛机器人具有四个自由度，分别为：

底座与主架构之间，主架构与大臂之间，大臂与小臂之间，腕部与末端执行器之间的四个旋转关节。

（教材第158页）

（6）码垛机器人本体结构如图8-22所示，分别填写各编号所代表的部位：

①腕部；②小臂；③连杆机构；④伺服电动机；⑤大臂；⑥竖直导轨；⑦水平导轨；⑧主架构；⑨底座。

（教材第158页）

（7）常见的码垛机器人末端执行器主要包括抓取式、夹板式、真空吸取式和混合抓取式等。

（教材第159页）

（8）在RAPID中定义二维数组如下，则num2被赋值为10。

（教材第164页）

VARnumnum1{3,4}:

=[[1,2,3,4]

[5,6,7,8]

[9,10,11,12]];

num2:

=num1{3,2};

（9）工业机器人码垛生产线包含输送单元、折边单元、封口单元、倒包压包单元、金属检测单元、重量检测单元、喷码打印单元、工业机器人码垛单元等。

（教材第165页）

2.简答题

（1）在实际生产中，码垛机器人一般为几轴？

多数码垛机器人带有的辅助连杆起什么作用？

答：

（教材第155页）在实际生产中，码垛机器人多为4轴。

多数码垛机器人带有的辅助连杆的作用是增加力矩和增加平衡。

（2）SCARA式码垛机器人与直角坐标式码垛机器人有什么区别？

答：

（教材第156页）SCARA式机器人是一种圆柱坐标系的工业机器人。

它相当于从直角坐标式码垛机器人到机械臂式码垛机器人的过渡。

SCARA式码垛机器人在相应关节处由直角坐标式码垛机器人的线性运动转变为旋转运动。

与此同时，SCARA式码垛机器人的夹具从起始位置移动到目标位置的运动也不再是X、Y、Z三个方向线性运动的叠加，而是几个旋转关节的扇形运动与最后执行机构垂直方向线性运动的叠加。

（3）码垛机器人的主要优势有哪些？

答：

（教材第157页）码垛机器人的主要优势如下：

1）结构简单、故障率低、性能可靠、保养维修方便。

占地面积少，操作范围大。

2）适应性强。

针对不同货物的尺寸、体积、形状及托盘的外形尺寸，只需要根据实际需求更换码垛机器人的抓手或者只需在控制柜屏幕上稍做修改，即可处理不同种类的产品。

3）智能程度高。

4）操作简单。

5）能耗低。

（4）码垛机器人未来发展的主要趋向有哪些方面？

答：

（教材第160页）码垛机器人的未来发展主要趋向有以下几个方面：

1）自动化程度的提高

2）模块集成化

3）功能多样化

（5）什么是中断程序？

答：

（教材第164页）在程序执行过程中，如果发生需要紧急处理的情况，这时就需要中断当前程序，并马上跳转到专门的程序中对紧急情况进行相应的处理，处理结束后还有返回到中断的地方继续往下执行程序。

专门用来处理紧急情况的程序称作中断程序（TRAP）。

第9章工业机器人应用3——焊接

1.填空题

（1）从结构形式角度，可将焊接机器人分为直角坐标型焊接机器人、圆柱坐标型焊接机器人、球坐标型焊接机器人、全关节型焊接机器人等。

（教材第172页）

（2）从受控运动方式角度，焊接机器人可分为点位控制型焊接机器人、连续轨迹控制型焊接机器人等。

（教材第172页）

（3）从驱动方式角度，焊接机器人可分为气压驱动焊接机器人、液压驱动焊接机器人、电气驱动焊接机器人等3种。

（教材第172页）

（4）从工艺方法角度，焊接机器人可分为点焊机器人、弧焊机器人、激光焊接机器人、搅拌摩擦焊接机器人、等离子焊接机器人等。

（教材第172页）

（5）点焊机器人的末端执行器为焊钳，弧焊机器人的末端执行器焊枪，激光焊接机器人的末端执行器为激光加工头。

（教材第172页）

（6）弧焊机器人主要采用熔化极气体保护焊和非熔化极气体保护焊两种焊接方法。

（教材第172页）

（7）任何焊接程序都必须以ArcLStart（直线焊接）或者ArcCStart（圆弧焊接）开始，通常运用ArcLStart作为起始语句；任何焊接过程都必须以ArcLEnd或者ArcCEnd结束。

（教材第179页）

2.简答题

（1）从技术层次分类，焊接机器人可分为哪三代？

请分别对其进行简要描述。

答：

（教材第171页）从技术层次分类焊接机器人可分为以下三代：

第一代为“示教再现”型焊接机器人。

示教也称引导，此类机器人由用户按照实际任务逐步引导机器人执行整个过程，在此过程中机器人将记忆示教中的每个动作指令。

完成示教后给焊接机器人一个启动命令，机器人将按照示教动作精确地“再现”完成每一步操作。

第二代是基于传感技术的离线编程焊接机器人。

可以借助视觉、电弧、力矩等相关传感器获取焊接环境的信息，并根据传感器获取的相关信息进行自身运行轨迹的优化，以改善示教再现型机器人对焊接环境的适应能力。

第三代为智能焊接机器人。

它可以针对焊接任务进行智能规划、智能控制与优化管理，具有自主决策和灵活运动的类人思维与动作行为。

（2）焊接机器人有什么优势？

答：

（教材第173页）焊接机器人主要有以下优势：

1）稳定和提高了焊接质量，保证其均一性。

2）改善了劳动条件，提高了劳动生产率。

3）产品周期明确，容易控制产品产量。

（3）弧焊机器人的关键技术是什么？

答：

（教材第174页）弧焊机器人有以下几点关键技术：

1）系统优化集成技术。

2）协调控制技术。

3）精确的焊缝轨迹跟踪技术。

（4）请说出点焊机器人末端执行器在不同角度下的分类。

答：

（教材第174页）点焊机器人的末端执行器（焊钳）因工作场合等因素均有所不同，种类繁多且从不同角度有不同的分类：

1）按所使用的动力源，点焊机器人的焊钳可分为气动焊钳与伺服焊钳两类。

2）按外形结构，点焊机器人的焊钳可分为X型点焊钳和C型点焊钳两类。

3）按阻焊变压器与焊钳的结构关系，点焊机器人的焊钳可以分为分离式、内藏式和一体式三类。

（5）伺服焊钳与气动焊钳相比有哪些优点？

答：

（教材第175页）伺服焊钳与气动焊钳的主要区别就在于伺服焊钳动力源采用的是伺服电动机驱动，用伺服电动机代替气动焊钳中的气缸。

伺服焊钳与气动焊钳相比较有以下优点：

①提高了焊接质量；②降低了生产成本；③提高了生产效率；④改善了工作环境。

（6）简述焊接机器人未来的发展方向。

答：

（教材第