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机器人技术考试复习题资料
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B．急停模式
C．再现模式
D．远程模式
A．保持从正面观看机器人
B．遵守操作步骤
C．考虑机器人突然向自己所处方位运行时的应变方案
D．确保设置躲避场所，以防万一无标题文档
工业机器人
&&&& 一、工业机器人的组成及分类
&&&& 1.工业机器人的组成
&&&& 工业机器人一般由执行机构、控制系统、驱动机构及位置检测机构的等部分组成。
&&&& 1.执行机构
&&&& 执行机构是一种具有和人手脚相似动作功能的机械装置，又称操作机，有以下几个部分组成
&&&& 1)手部
称抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。若在手部安装专用工具，如焊枪、电钻、电动螺钉拧紧器等，就构成了专用的特殊手部。工业机器人手部有机械夹持式、真空吸附式、磁性吸附式等不同的结构形式。
&&&& 2）腕部
接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。
&&&& 3）臂部
撑手腕和手部的部件，由动力关节和连杆组成，用以承受工件或工具负荷。
&&&& 4）机座与立柱
是支撑整个机器人的基础件，起到连结和支承的作用，控制机器人的活动范围和改变机器人的位置。
&&&& 2.控制系统
&&&& 控制系统是机器人的大脑，控制与支配机器人按给定的程序动作，并记忆人们示教的指令信息，如动作顺序、运动轨迹、运动速度等，可再现控制所存储的示教信息。
3.驱动系统
是机器人执行作业的动力源，按照控制系统发来的控制指令驱动执行机构完成规定的作业。常用的驱动系统有机械式、液压式、气动式以及电气驱动等不同的驱动形式。
(4)位置检测装置
通过附设的力、位移、触觉、视觉等不同的传感器，检测机器人的运动位置和工作状态，并随时反馈给控制系统，以便执行机构以一定的精度和速度达到设定的位置。
2.工业机器人的分类
机器人分类方法很多，这里仅按机器人的系统功能、驱动方式以及机器人的结构形式进行分类。
(1)按系统功能分类
1)专用机器人：在固定地点以固定程序工作的机器人，其结构简单、工作对象单一、无独立控制系统、造价低廉，如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手。
2)通用机器人：具有独立控制系统，通过改变控制程序能完成多种作业的机器人。其结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。
3)示教再现式机器人：具有记忆功能，在操作者的示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。
4)智能机器人：采用计算机控制，具有视觉、听觉、触觉等多种感觉功能和识别功能的机器人，通过比较和识别，自主作出决策和规划，自动进行信息反馈，完成预定的动作。
(2)按驱动方式分类
1)气压传动机器人：以压缩空气作为动力源驱动执行机构运动的机器人，具有动作迅速、结构简单、成本低廉的特点，适用于高速轻载、高温和粉尘大的环境作业。
2)液压传动机器人：采用液压元器件驱动，具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点，适用于重载、低速驱动场合。
3)电气传动机器人：用交流或直流伺服电动机驱动的机器人，不需要中间转换机构，机械结构简单、响应速度快、控制精度高，是近年来常用的机器人传动结构。
(3)按结构形式分
1)直角坐标型机器人：这类机器人的手部在空间由三个相互垂直的方向X、Y、Z上作移动运动，运动是独立的。其控制简单，运动直观性强，易达到高精度，定位精度高，但操作灵活性差，运动的速度较低，操作范围较小而占据的空间相对较大。
2)圆柱坐标型机器人：这类机器人在水平转台上装有立柱，其立柱安装在回转机座上，水平臂可以自由伸缩，并可沿立柱上下移动。其工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。
3)球坐标型机器人：也称极坐标型机器人，由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成，具有两个旋转轴和一个平移轴。工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿手臂轴线作伸缩运动。其操作比圆柱坐标型更为灵活，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在未端执行器上的线位移分辨率是一个变量。
4)关节型机器人：
这类机器人由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成，大小臂之间用铰链联接形成肘关节，大臂和立柱联接形成肩关节，大小臂既可在垂直于机座的平面内运动，也可实现绕垂直轴的转动。其操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。它能抓取靠近机座的物件，也能绕过机体和目标间的障碍物去抓取物件，具有较高的运动速度和极好的灵活性，成为最通用的机器人。
3.工业机器人的性能特征
工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性，在机器人设计和选用时应考虑如下几个性能指标：
自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。所谓自由度是指运动件相对于固定坐标系所具有的独立运动。每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，因而自由度数越高，机器人可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但相应地带来的技术难度也越大。一般情况下，通用工业机器人有3―6个自由度。
(2)工作空间
是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。描述工作空间的手腕参考点可以选在手部中心、手腕中心或手指指尖，参考点不同，工作空间的大小、形状也不同。机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。工作空间是工业机器人的一个重要性能指标，是设计工业机器人机构的重要指标。
(3)承载能力
承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所承受的最大重量，承载能力的大小取决于负载的质量、运行的速度和加速度的大小和方向，根据承载能力不同工业机器人大致分为：①微型机器人―承载能力为10N以下；②小型机器人―承载能力为10-50N；③中型机器人―承载能力为50-300N；④大型机器人承载能力为300―500N；⑤重型机器人―承载能力为500N以上。
(4)运动速度
运动速度影响机器人的工作效率和运动周期，它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将承受着加减速时较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。就目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000mm／s以下，最大回转速度一般不超过120°/s。
(5)位置精度
它是衡量机器人工作质量的又一项技术指标。工业机器人的位置精度包括定位精度和重复定位精度，定位精度取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系。重复定位精度是机器人重复定位某一位置的准确性，典型的工业机器人定位精度一般在土O.02mm ～±5mm范围。
二、工业机器人的控制技术
控制系统是机器人的重要组成部分，使机器人按照指令要求去完成所希望的作业任务。机器人控制系统通常包括控制计算机、示教盒、操作面板、存储器、检测传感器、输入输出接口、通信接口等部分组成。
1.对机器人控制系统的分类
(1)按照控制回路分类
工业机器人控制系统分为开环系统和闭环系统。闭环系统由系统发出一个位置控制指令，与来自位置传感器的反馈信号进行比较，得到一个位置差值，将其差值加以放大驱动伺服电动机，控制机器人完成相应的运动和动作。而开环系统没有检测反馈装置。
(2)按照控制系统的硬件分类
有机械控制、液压控制、射流控制、顺序控制和计算机控制等。机器人的控制一般采用计算机控制形式。
(3)按自动化控制程度分类
工业机器人控制系统又分为顺序控制系统、程序控制系统、自适应控制系统、人工智能系统。
(4)若按编程方式分类
有物理设置编程控制系统、示教编程控制系统、离线编程控制系统。物理设置编程控制是由操作者设置固定的限位开关，实现启动、停车的程序操作，用于简单的抓取和放置作业；示教编程控制是通过人的示教来完成操作信息的记忆，然后再现示教阶段的动作过程；离线编程控制是通过机器人语言进行编程控制。
(5)按机器人末端运动控制轨迹分类
有点位控制和连续轮廓控制。在点位控制中，机器人每个运动轴单独驱动，不对机器人末端操作的速度和运动轨迹作出要求，仅要求实现各个坐标的精确控制。机器人的轮廓控制是指在机器人控制系统中设有插补器，在示教编程时将机器人轮廓轨迹运动中的各个离散坐标点以及运动速度同时存储于控制系统存储器，再现时按照存储的坐标点和速度控制机器人完成规定的动作。
2.工业机器人的位置伺服控制
对于工业机器人的运动，手臂末端的运动最为关键，而末端运动往往又是以各关节的合成来实现的，因而必须关注手臂末端的位置和姿态与各关节位移的关系。
(1)关节伺服控制
关节伺服控制是以大多数非直角坐标机器人为控制对象。
(2)坐标伺服控制
在三维空间对手臂进行控制时，很多场合都要求直接给定手臂末端运动的位置和姿态，关节伺服控制系统中的各个关节是独立进行控制的，难以预测由各关节实际控制结果所得到的末端位置状态的响应，且难以调节各关节伺服系统的增益。因而，将末端位置矢量rd作为指令目标值所构成的伺服控制系统，称之为作业坐标伺服系统。这种伺服控制系统是将机器人手臂末端位置姿态矢量rd固定于空间内某一个作业坐标系来描述的。
3.工业机器人的自适应控制
(1)模型参考自适应控制
这种方法控制器的作用是使得系统的输出响应趋近于某指定的参考模型，因而必须设计相应的参数调节机构。Dubowsky等在这个参考系统中采用二维弱衰减模型，然后采用最陡下降法调整局部比例和微分伺服可变增益，使实际系统的输出和参考模型的输出之差为最小。然而，该方法从本质上忽略了实际机器人系统的非线性项和耦合项，是对单自由度的单输入单输出系统进行设计的。此外，该方法也不能保证用于实际系统时调整律的稳定性。
(2)自校正适应控制
在自适应控制方法中，除模型参考自适应之外，还有自校正方法。这种方法由表现机器人动力学离散时间模型各参数的估计机构与用其结果来决定控制器增益或控制输入的部分组成，采用输入输出数与机器人自由度相同的模型，把自校正适应控制法用于机器人。
三、工业机器人的编程技术
工业机器人的编程方法是与机器人所采用的控制系统相一致的，因而机器人运行程序的编制也有不同的方法。常用的机器人编程方法有示教编程法和离线编程法。
1.示教编程
目前机器人位姿的示教大致有两种方式：直接示教和离线示教，而随着计算机虚拟现实技术的快速发展，出现了虚拟示教。
（1）直接示教
就是指我们通常所说的手把手示教，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教，如示教盒示教或操作杆示教等。在这种示教中，为了示教方便以及获取信息的快捷而准确，操作者可以选择在不同坐标系下示教，例如，可以选择在关节坐标系、直角坐标系以及工具坐标系或用户坐标系下进行示教。
（2）离线示教
离线示教与直接示教不同，操作者不对实际作业的机器人直接进行示教，而是脱离实际作业环境生成示教数据，间接地对机器人进行示教。在离线示教法（离线编程）中，通过使用计算机内存储的机器人模型，不要求机器人实际产生运动，便能在示教结果的基础上对机器人的运动进行仿真，从而确定示教内容是否恰当及机器人是否按人们期望的方式运动。
（3）虚拟示教编程
直接示教面向作业环境，相对来说比较简单直接、适用于批量生产场合，而离线编程则充分利用计算机图形学的研究成果，建立机器人及其环境物模型，然后利用计算机可视化编程语言进行作业离线规划、仿真，但是它在作业描述上不能简单直接，对使用者来说要求较高。而虚拟示教编程充分利用了上述两种示教方法的优点，也就是借助于虚拟现实系统中的人机交互装置（例如：数据手套、游戏操纵杆、力觉笔杆等）操作计算机屏幕上的虚拟机器人动作，利用应用程序界面记录示教点位姿、动作指令并生成作业文件，最后下载到机器人控制器后，完成机器人的示教。
2．离线编程
机器人离线编程系统，是利用计算机图形学的成果建立起机器人及其工作环境模型，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行机器人的轨迹规划，完成编程任务。离线编程和仿真系统包括主控模块、机器人语言处理模块、运动学及规划模块、机器人及环境三维构型模块、机器人运动仿真模块和系统通信等不同模块组成。该系统的工作过程为：首先用系统提供的机器人语言，根据作业任务对机器人进行编程，所编好的程序经过机器人语言处理模块进行处理，形成系统仿真所需的第一级数据；然后对编程结果进行三维图形动态仿真，进行碰撞检测和可行性检测；最后生成所需的控制代码，经过后置处理将代码传到机器人控制柜，使机器人完成所给定的任务。
四、工业机器人半个世纪发展的回顾与展望
1.工业机器人发展回顾
2.工业机器人发展展望}