《工业机器人》（吴振彪、王正家）课后习题（部分）
第一章 概论
1-1 简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特点是什么？
答：工业机器人的定义：工业机器人是用来搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程度的调用来完成各种工作任务的特种装置。
工业机器人的特点：可编程、拟人化、通用性、机电一体化。
1-2 工业机器人与数控机床有什么区别？
答：相似点：在运动控制和编程方面很相似；
区别点：工业机器人在抓握、操纵、定位对象物时比传统的数控机床更灵巧，在工业生产领域里具有更广泛的用途。
1-3 工业机器人与外界环境有什么关系？
答：工业机器人与外部环境的交互包括硬件环境和软件环境。其中与硬件环境的交互主要是与外部设备的通信、工作域中障碍和自由空间的描述、操作对象物的描述；与软件环境的交互主要是与生产单元监控计算机所提供的管理信息系统的通信。
1-4 说明工业机器人的基本组成及三大部分之间的关系。
答：工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统。其中机械部分包括驱动系统和机械结构系统；传感部分包括感受系统和机器人-环境交互系统；控制部分包括人机交互系统和控制系统。
1-5 简述下面几个术语的含义：自由度，重复定位精度，工作范围，工作速度，承载能力。
答：自由度：自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪（末端操作器）的开合自由度。
重复定位精度：重复定位精度是指机器人重复定位其手部与同一目标位置的能力。 工作范围：机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。 工作速度：有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度；有的厂家指手臂末端最大的合成速度。
承载能力：承载能力是指机器入在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端操作器的质量。
1-6 什么叫冗余自由度机器人？
答：冗余自由度机器人指在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，也可简称为冗余度机器人。
1-8 工业机器人怎样按机械系统的基本结构来分类？
答：分为：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、平面关节式、柔软臂式、冗余自由度式和模块式。
1-9 工业机器人怎样按控制方式来分类？
答：分为：人工操纵机器人、固定程序机器人、可变程序机器人、重演式示教机器人、计算机数控机器人和智能机器人。
1-10什么是SCARA机器人，应用上有何特点？
答：SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）机器人是一种平面关节式机器人，只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。这种机器人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，在装配作业中能获得良好的应用。
1-11 总结一下机器人的应用情况。
答：工业机器人主要用于三个方面；1、恶劣工作环境，危险工作场合。这个领域的作
业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业，用工业机器人去干是最适宜的。2、特殊作业场合。这个领域对人来说是力所不能及的，只有机器人才能去进行作业。3、自动化生产领域。早期工业机器人再生产上主要用于：机床上下料，点焊和喷漆。随着柔性自动化的出现，机器人扮演了更重要的角色。
第二章 工业机器人运动学
2-11 什么是机器人运动学逆解的多重性？
答：机器人运动学逆解的多重性是指对于给定的机器人工作域内，手部可以以多个方向
达到目标点，因此，对于给定的在机器人工作域内的手部位置可以得到多个逆解。
第三章 工业机器人静力学计算及动力学分析
3-7 机器人雅可比矩阵和速度雅可比矩阵有何关系？
答：机器人雅可比矩阵是速度雅可比矩阵的转置矩阵。
3-10 什么叫做机械臂连杆之间的耦合作用？
答：机械臂连杆之间的耦合作用就是机械臂两关节之间的相互作用，例如：一个关节
的加速度会对第二个关节引起耦合惯性力矩。
第四章 工业机器人机械系统设计
4-2
4-24试解释图4-42所示远距离传动手腕各有何特点？
答：图4-42所示是一种远距离传动的RBR手腕。Ⅲ轴的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节运动。Ⅱ轴的转动使整个手腕获得俯仰运动，即第二个B关节运动。Ⅰ轴的转动即第三个R关节运动。当C轴一离开纸平面后，RBR手腕便在三个自由度轴上输出RPY运动。这种远距离传动的好处是可以把尺寸、重量都较大的驱动源放在远离手腕处，有时放在手臂的后端做平衡重量用，不仅减轻手腕的整体质量，而且改善了机器人整体结构的平衡性。
4-25试解释图4-44所示轮系传动手腕的工作原理。
答：图
模块化结构设计
模块化工业机器人：是有一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人系统 。
模块化设计：指基本模块设计和结合部设计。
模块化工业机器人的特点：
优点：
（1） 经济性
（2） 灵活性
缺点：
（1） 整个机械系统的刚度比较差
（2） 整体重量增加
（3） 模块化分析和设计不够
材料的选择
材料选择的基本要求：
（1） 强度高
（2） 弹性模量大
（3） 重量轻
（4） 阻尼大
a.碳素结构钢：1）强度大；2）弹性模量大
b.铝、铝合金及其他轻合金材料：重量轻，弹性模量并不大，但E/ρ可与钢相比。 c.纤维增强合金：具有非常高的E/ρ，又无无机复合材料的缺点，但价格昂贵。 d.陶瓷：具有良好品质，但脆性大。
e.纤维增强复合材料：具有极好的E/ρ，但存在老化、蠕变、高温膨胀、与金属连接困难等难题。
平衡系统设计
工业机器人平衡系统良好设计的主要三条途径 ：
（1 ） 质量平衡技术
（2 ） 弹簧力平衡技术
（3 ） 可控力平衡技术
在工业机器人设计中采用平衡系统的理由 ：
（1 ） 安全 。
（2 ） 借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力引起的关节驱动力矩变化的峰值 （3 ） 借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值 （4 ） 借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项 ， 改进机器人动力特性 （5 ） 借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响 。
（6 ） 借助平衡系统能使机器人运行稳定 ， 降低地面安装要求
机器人按大类分
1. 直角坐标式（3P）：其运动是解耦的，控制简单，但运动灵活性较差，自身占据空间最
大。
2. 圆柱坐标式（R2P）：其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好，但自身占据
空间也较大。
3. 极坐标式（2RP）：其运动耦合性较强，控制也较复杂，但运动灵活性好，自身占据空间
小。
4. 关节坐标式（3R）：其运动耦合性较强，控制较复杂，但灵活性最好，自身占据空间也
最小。
5. 平面关节型（SCARA）:仅平面运动由耦合性，控制较通用关节型简单，但运动灵活性更
好，千锤平面刚度好。
《工业机器人》（吴振彪、王正家）课后习题（部分）
第一章 概论
1-1 简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特点是什么？
答：工业机器人的定义：工业机器人是用来搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程度的调用来完成各种工作任务的特种装置。
工业机器人的特点：可编程、拟人化、通用性、机电一体化。
1-2 工业机器人与数控机床有什么区别？
答：相似点：在运动控制和编程方面很相似；
区别点：工业机器人在抓握、操纵、定位对象物时比传统的数控机床更灵巧，在工业生产领域里具有更广泛的用途。
1-3 工业机器人与外界环境有什么关系？
答：工业机器人与外部环境的交互包括硬件环境和软件环境。其中与硬件环境的交互主要是与外部设备的通信、工作域中障碍和自由空间的描述、操作对象物的描述；与软件环境的交互主要是与生产单元监控计算机所提供的管理信息系统的通信。
1-4 说明工业机器人的基本组成及三大部分之间的关系。
答：工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统。其中机械部分包括驱动系统和机械结构系统；传感部分包括感受系统和机器人-环境交互系统；控制部分包括人机交互系统和控制系统。
1-5 简述下面几个术语的含义：自由度，重复定位精度，工作范围，工作速度，承载能力。
答：自由度：自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪（末端操作器）的开合自由度。
重复定位精度：重复定位精度是指机器人重复定位其手部与同一目标位置的能力。 工作范围：机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。 工作速度：有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度；有的厂家指手臂末端最大的合成速度。
承载能力：承载能力是指机器入在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端操作器的质量。
1-6 什么叫冗余自由度机器人？
答：冗余自由度机器人指在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，也可简称为冗余度机器人。
1-8 工业机器人怎样按机械系统的基本结构来分类？
答：分为：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、平面关节式、柔软臂式、冗余自由度式和模块式。
1-9 工业机器人怎样按控制方式来分类？
答：分为：人工操纵机器人、固定程序机器人、可变程序机器人、重演式示教机器人、计算机数控机器人和智能机器人。
1-10什么是SCARA机器人，应用上有何特点？
答：SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）机器人是一种平面关节式机器人，只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。这种机器人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，在装配作业中能获得良好的应用。
1-11 总结一下机器人的应用情况。
答：工业机器人主要用于三个方面；1、恶劣工作环境，危险工作场合。这个领域的作
业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业，用工业机器人去干是最适宜的。2、特殊作业场合。这个领域对人来说是力所不能及的，只有机器人才能去进行作业。3、自动化生产领域。早期工业机器人再生产上主要用于：机床上下料，点焊和喷漆。随着柔性自动化的出现，机器人扮演了更重要的角色。
第二章 工业机器人运动学
2-11 什么是机器人运动学逆解的多重性？
答：机器人运动学逆解的多重性是指对于给定的机器人工作域内，手部可以以多个方向
达到目标点，因此，对于给定的在机器人工作域内的手部位置可以得到多个逆解。
第三章 工业机器人静力学计算及动力学分析
3-7 机器人雅可比矩阵和速度雅可比矩阵有何关系？
答：机器人雅可比矩阵是速度雅可比矩阵的转置矩阵。
3-10 什么叫做机械臂连杆之间的耦合作用？
答：机械臂连杆之间的耦合作用就是机械臂两关节之间的相互作用，例如：一个关节
的加速度会对第二个关节引起耦合惯性力矩。
第四章 工业机器人机械系统设计
4-2
4-24试解释图4-42所示远距离传动手腕各有何特点？
答：图4-42所示是一种远距离传动的RBR手腕。Ⅲ轴的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节运动。Ⅱ轴的转动使整个手腕获得俯仰运动，即第二个B关节运动。Ⅰ轴的转动即第三个R关节运动。当C轴一离开纸平面后，RBR手腕便在三个自由度轴上输出RPY运动。这种远距离传动的好处是可以把尺寸、重量都较大的驱动源放在远离手腕处，有时放在手臂的后端做平衡重量用，不仅减轻手腕的整体质量，而且改善了机器人整体结构的平衡性。
4-25试解释图4-44所示轮系传动手腕的工作原理。
答：图
模块化结构设计
模块化工业机器人：是有一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人系统 。
模块化设计：指基本模块设计和结合部设计。
模块化工业机器人的特点：
优点：
（1） 经济性
（2） 灵活性
缺点：
（1） 整个机械系统的刚度比较差
（2） 整体重量增加
（3） 模块化分析和设计不够
材料的选择
材料选择的基本要求：
（1） 强度高
（2） 弹性模量大
（3） 重量轻
（4） 阻尼大
a.碳素结构钢：1）强度大；2）弹性模量大
b.铝、铝合金及其他轻合金材料：重量轻，弹性模量并不大，但E/ρ可与钢相比。 c.纤维增强合金：具有非常高的E/ρ，又无无机复合材料的缺点，但价格昂贵。 d.陶瓷：具有良好品质，但脆性大。
e.纤维增强复合材料：具有极好的E/ρ，但存在老化、蠕变、高温膨胀、与金属连接困难等难题。
平衡系统设计
工业机器人平衡系统良好设计的主要三条途径 ：
（1 ） 质量平衡技术
（2 ） 弹簧力平衡技术
（3 ） 可控力平衡技术
在工业机器人设计中采用平衡系统的理由 ：
（1 ） 安全 。
（2 ） 借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力引起的关节驱动力矩变化的峰值 （3 ） 借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值 （4 ） 借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项 ， 改进机器人动力特性 （5 ） 借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响 。
（6 ） 借助平衡系统能使机器人运行稳定 ， 降低地面安装要求
机器人按大类分
1. 直角坐标式（3P）：其运动是解耦的，控制简单，但运动灵活性较差，自身占据空间最
大。
2. 圆柱坐标式（R2P）：其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好，但自身占据
空间也较大。
3. 极坐标式（2RP）：其运动耦合性较强，控制也较复杂，但运动灵活性好，自身占据空间
小。
4. 关节坐标式（3R）：其运动耦合性较强，控制较复杂，但灵活性最好，自身占据空间也
最小。
5. 平面关节型（SCARA）:仅平面运动由耦合性，控制较通用关节型简单，但运动灵活性更
好，千锤平面刚度好。