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？
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：（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？
答：就是用机座坐标系、关节坐标系、末端执行器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. 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.
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
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