1工业机器人的基本知识1121

Q q1 q2
qn
T
J1 P
当n≠6时，J不是方阵，雅可比矩阵的逆用其伪逆
J JT (JJT )1
当采用计算机控制时，把速度表示为位置增量的形式
Q q1 q2
qn T J1P
当要求机器人沿某轨迹运动时，△P为已知，由上式求得关节变量的 增量△Q，于是可以确定各关节的变量值，由伺服系统实现位置控制。
4. 传感系统：除了关节伺服驱动系统的位置传感器（称作内部传感器）外， 还配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器（称作外部传感 器）。
5. 输入/输出系统接口：为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应 有各种通讯接口和人机通信装置。
第七部分—机器人的技术参数
•自由度：机器人所具有的独立运动坐标轴的数目，有时海包括手爪（末端操作 器）的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6个 自由度。工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于6个自由度，也 可能大于6个自由度。例如，A4020装配机器人具有4个自由度，可以在印刷电路 板上接插电子器件，PUMA562机器人具有6个自由度，可以进行复杂空间曲面的 弧焊作业。
国际上的主要机器人生产厂家
Nachi SH133
PI M-840 HexaLight
高速，重量1260kg，最大 载荷133kg，最大可达长 度2654mm，6轴驱动，适 用于拾取和放置操作。
6轴驱动，低惯量，动态特 性好，刚度高，无位置累 计误差，高重复定位精度 和可靠性。
第四部分—机器人的应用领域
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空间机械臂的结构特点
➢ 空间机械臂的关节
关节是空间机械臂运动的执行部件, 一个空间机械臂少则 3～4 个关节,多则十几个关节，每个关节要完成产生与传递动力、运动 感知、机械连接三个任务。它通常包括：驱动器（多为电机）、 传动装置、传感器、线束管理装置、数据采集处理电路等部分。 每个关节上还有热控需要的温度传感器、主动控温装置等,以及 涂层、包覆、导热、绝热等措施；也要有抗辐照加固和电磁性能 控制手段。 在有限的体积和重量下集成如此繁复的功能，多学科一体化设 计是解决关节设计与制造问题的关键，需要将电机、减速器、测 量元件等集成在一起并保证其相互协调与匹配。
高速铣头
机器人的应用领域
六杆并联机床
机器人的应用领域
六足行走机器人
第五部分—机器人的分类
串联机器人和并联机器人
串联机器人——直角坐标系机器人
两种基本关节形式
➢ 移动关节（Prismatic joint） ➢ 旋转关节（Revolute joint） （回转和旋转）
典型的关节自由度种类和图形符号
澳大利亚著名机构学教授Hunt 在1978年提出。可以应用 6自由度的Stewart平台机构作为机器人机构。到80年代末， 特别是90年代以来，并联式机器人才被广为主意，并成为了 新的热点。
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3—RPS机构
6—RSS机构
6—SPS机构
6—SPS双三角机构
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6—SPS单三角机构
机器人的发展概况
第一代机器人 19世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人 进入了实用阶段。1954年美国的G. C. Devol发表了“通用机器人” 专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可进 行点位和轨迹控制，这是世界上第一种应用于工业生产的机器人。 70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智 能技术的发展，机器人也得到了迅速的发展。1974年Cincinnati Milacron公司成功开发了多关节机器人；1979年，Unimation公司又 推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电机驱动、多CPU二级控 制的机器人，采用VAL专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器，在 当时是技术最先进的工业机器人。现在的工业机器人在结构上大体 都以此为基础。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in / Playback）型机器人，只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业， 对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。
一个刚体在三维空间中具有6个自由度，即3个移动自由度和3个转动自由 度。
旋转矩阵
平移坐标
齐次变换矩阵
nx ox ax px
T
ny
nz 0
oy oz 0
ay az 0
py pz 1
n 0
o 0
a 0
p 1
机器人运动学
雅可比矩阵在机器人技术中占有重要地位：利用雅可比矩阵可以
建立机器人末端执行器在笛卡儿坐标系中的速度与各关节速度间的关 系，以及外界环境对末端执行器的作用力/力矩与各关节力/力矩间的 关系。
机器人的发展概况
第二代机器人
进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器 （力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二 代机器人——有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部 分相关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代 机器人已进入了使用化，在工业生产中得到了广泛应用。
1. 机械本体：机器人的机械本体机构基本上分为两大类，一类是操作本体机 构，它类似人的手臂和手腕，另一类为移动型本体结构，主要实现移动功 能。
2. 驱动伺服单元：伺服单元的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载按预定 的轨迹运动。已广泛采用的驱动方式有：液压伺服驱动、电机伺服驱动， 气动伺服驱动。
3. 3. 计算机控制系统：各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各 采样周期给出。机器人通常采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算 机控制。
•精度：包括定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置 与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人手部重复定位于同一目标位置 的能力（用标准偏差表示）。
•工作空间：机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合（包括形状和 大小）。
•最大工作速度：指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，或手臂末端的最 大合成速度。
6—RSS机构
6—PSS机构
3—RRR球面机构
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机器人本体的材料
制作机器人的材料是多种多样的。选择制作材料时， 主要考虑以下几个方面：
1）材料要能满足机器人的强度和刚度要求； 2）材料的加工工艺性好； 3）材料的稳定性好； 4）材料的密度尽量小； 5）材料的成本尽可能低； 6）机器人的用途。
此外，对于一些特殊环境下的机器人，还要考虑环境 对材料性能的要求和影响。
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➢ 空间机械臂的手爪
手爪是完成抓握动作的主要工具,由动力源、传动副（常 采用连杆传动、齿轮传动、丝杠螺母传动等） 、手指机构 等主要部分构成。 空间机械臂的手爪常常根据作业需要而设计为多套组合 形式。
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➢ 模块化的空间机械臂
模块化设计是未来空间机械臂设计的一个发展方向。
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第六部分—机器人系统的基本结构
磨销机器人
高温喷涂机器人
机器人的应用领域
医用并联机器人
机器人的应用领域
天文望远镜
绳索机器人
机器人的应用领域
三杆并联机床
Tricept 1005 机器人及 主轴部件
机器人的应用领域
Tricept 1005机器人
伺服
机构简图
电动机
固定平台 （框架）
万向铰链
伸缩杆
框 架 伸缩杆
高速铣头机构简图
动平台
•日本工业机器人协会(JIRA):工业机器人是一种装备有记忆装置和末 端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。
•国际标准化组织(ISO):机器人是一种自动的、位置可控的、具有编 程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程 操作来处理各类材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。
•承载能力：指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。承载能 力不仅不仅决定于负载的质量，还与机器人运行的速度和加速度有关。
第八部分—机器人运动学
运动学正问题：已知机器人各杆件的几何参数和关节变量，求末端执行 器相对于笛卡儿坐标系的位置和姿态。
运动学逆问题：已知机器人各杆件的几何参数，给定末端执行器相对于 笛卡儿坐标系的位置和姿态，确定关节变量的大小。
移动关节P
回转关节R
旋转关节R
机器人的分类
串联机器人——圆柱坐标系机器人
机器人的分类
串联机器人——水平多关节机器人
机器人的分类
并联机器人
球铰
动平台
球铰或 万向铰
定平台
驱动杆 上半部分
驱动杆 下半部分
并联机构在1965年由Stewart提出．原是作为飞行模拟器 用于训练飞行员的。机舱由6个液压缸支撑和驱动，可以使 机舱获得任何需要的位姿。
专为快速的拾取和放置动作而 设计，适用于包装工业中快速 而准确地移动物体
国际上的主要机器人生产厂家
Panasonic VR-006ALII
Fanuc ArcMate 50iB
多功能，6轴驱动，可应 用于焊接、等离子切割、 物料输送，64位的CPU， 结构紧凑，工作范围广。
6轴驱动，安装灵活方便， 与主要品牌的焊接设备兼容， 先进的运动控制减少了机械 磨损。
机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原 理以及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最 高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。工程技术人员了 解和学习机器人学具有重要的意义。
第三部分—国际上的主要机器人生产厂家
Motoman UP500
ABB IRB 340
有效载荷500kg，最大可达长 度2542mm，6轴驱动，高可 靠性52000小时MTBF，重复 定位精度±0.5 mm
主要内容
1. 机器人的发展概况 2. 机器人的定义 3. 国际上的主要机器人生产厂家 4. 机器人的应用领域 5. 机器人的分类 6. 机器人系统的基本结构 7. 机器人的技术参数 8. 机器人运动学 9. 机器人动力学 10. 机器人的控制
第一部分—机器人的发展概况
“机器人”一词的由 来
1920年，捷克剧作家卡里洛·奇别克在其科幻剧本 《罗萨姆万能机器人制造公司》(Rossum’s Universal Robots)首次使用了ROBOT这个名词，意思是“人造的 人”。现在已被人们作为机器人的专用名词。
弧焊机器人
激光焊机器人
电阻焊机器人
自动化焊接机器人
点焊机器人
等离子切割机器人
清洁机器人
机器人的应用领域
上料机器人
物料输送机器人
材料去除机器人
包装机器人
喷漆机器人
机器人的应用领域
部件移动机器人
装配机器人
打保险机器人
自动钻孔机器人
设备维护机器人
包装机器人
堆跺机器人
机器人的应用领域
涂层机器人
去毛刺机器人
雅可比矩阵的应用之二：静力学分析
机器人末端执行器与外界环境的接触力为 F fx f y fz mx my mz T
n个关节的驱动力为 T 1 2
n T
则 T JTF
第九部分—机器人动力学
机器人动力学是研究机器人各关节的驱动力/ 力矩与机器人末端执行器的位姿、速度和加速度 之间的动态关系。由于机器人的复杂性，其动力 学模型通常是一个多自由度、多变量、高度非线 性、多参数耦合的复杂系统。建立机器人动力学 模型的方法主要有拉格朗日法和牛顿－欧拉法。
第三代机器人
目前正在研究的“智能机器人”，它不仅具有比第二代机器人 更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力， 可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。
第二部分—机器人的定义
•美国机器人协会(RIA):机器人是一种用于移动各种材料、零件、工 具或专用装置，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的 多功能操作机。可见，这里的机器人是指工业机器人。
对于n自由度的机器人，其关节变量为Q q1 q2 qn T,机器人末端执
行器在笛卡儿坐标系中的位姿 P x
y
z x
y
T
z
p1
p2
p6 T
P q1 q2 qn 求导可得
dP Q dt Q t
P JQ
p1
J
q1
Q
p6
q1
p1
qn
p6
qn 6n
机器人运动学
雅可比矩阵的应用之一：分离速度控制
机器人动力学
拉格朗日法
拉格朗日函数L定义为系统动能K和位能P之差，即 L K P
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➢ 空间机械臂的臂杆
臂杆是机械臂的主要结构部分，用来连接与支撑关节以 及机械臂端部的手爪、视觉的负载。电缆网通常沿臂杆布 置，有的在臂杆内部穿过,有的沿臂杆外壁布置。 空间机械臂的臂杆常常采用复合材料制作，以满足轻量 化要求。另外在满足强度、刚度要求的前提下，各部件材 料在温度变化下的延伸率也是要考虑的重要因素。