机器人操作机工作空间
基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算
基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算一、本文概述随着空间探索活动的深入和空间技术的不断发展，空间机器人的应用日益广泛，其在空间操作、维护、建设等方面发挥着重要作用。
空间机器人的工作空间是其执行任务和完成操作的关键指标，准确计算和评估空间机器人的工作空间具有重要意义。
本文旨在探讨基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算方法，以期为空间机器人的设计与优化提供理论支持和实践指导。
蒙特卡洛法是一种以概率统计理论为指导的数值计算方法，具有计算精度高、适用范围广等优点，特别适用于处理多维、复杂的空间机器人工作空间计算问题。
本文首先简要介绍了空间机器人及其工作空间的概念，阐述了工作空间计算的重要性和挑战性。
详细介绍了蒙特卡洛法的基本原理及其在空间机器人工作空间计算中的应用方法。
接着，通过实例分析，展示了蒙特卡洛法在空间机器人工作空间计算中的具体应用和效果。
对本文的研究方法和结果进行了总结，并指出了未来的研究方向和可能的改进点。
本文的研究不仅有助于深入理解空间机器人工作空间的计算原理和方法，而且为空间机器人的设计和优化提供了有效的工具和技术支持。
同时，本文的研究方法和成果也可为其他相关领域的研究提供借鉴和参考。
二、蒙特卡洛法的基本原理蒙特卡洛法（Monte Carlo Method）是一种以概率统计理论为指导的数值计算方法，其基本思想是利用随机数（或更常见的伪随机数）来解决很多计算问题。
该方法得名于著名的赌城蒙特卡洛，因为赌博常常涉及大量随机性，而这正是蒙特卡洛法的核心。
在空间机器人工作空间计算中，蒙特卡洛法的基本原理可以表述为：建立一个概率模型或随机过程，使其参数等于问题的解通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值。
具体到空间机器人工作空间计算，这意味着我们可以生成大量的随机位姿（位置和姿态），并检查这些位姿是否满足机器人的运动学和动力学约束。
通过统计满足约束的位姿数量，我们可以估计机器人在其工作空间内可达到的区域。
工业机器人的工作空间绘制方法
工业机器人的工作空间及与结构尺寸的相关性1．工作空间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。
图1表示了几种不同形式的工作空间。
工作空间是操作机的一个重要性能指标，是操作机机构设计要研究的基本问题之一。
当给定操作机结构尺寸时，要研究如何确定其工作空间，而当给定工作空间时，则要研究操作机应具有什么样结构。
2．确定工作空间的几何法采用改变某个关节变量而固定其他关节变量的方法，用几何作图法可画出工作空间的部分边界，然后改变其他关节变量，又可得到部分边界。
重复此方法，可得到完整的工作空间。
图2示出一台电动喷漆机器人的工作范围，图a为XOZ剖面上的工作范围，图b为XOY剖面上的工作范围，由此可求出该机器人的工作空间范围。
下面介绍该两张图的制作方法。
先看图2a，已知机器人的立臂向下运动的极限位置与调轴的夹角为10º，向上运动的极限位置与调轴的夹角为：120º；机器人的横臂与立臂的最大夹角为160º，最小夹角为20º。
保持机器人横臂与立臂的夹角为160º不变，让立臂以其下支点为圆心，从下极限位置运动到上极限位置，可画出AB段弧；再让机器人的立臂位于下极限位置保持不动，让横臂从与立臂的最大夹角运动到最小夹角，画出BC段弧；则弧ABC为机器人的未端在XOZ剖面上所能够达到的工作范围的最外部的边界。
再让机器人的立臂位于上极限位置保持不动，让横臂从与立臂的最大夹角运动到最小夹角，画出AD段弧；然后让横臂保持与立臂的最小角，让立臂以其下支点为圆心从其上极限位置运动到下极限位置，画出DC段弧；则弧ADC为机器人的未端在XOZ剖面上所能够达到的工作范围的最内部的边界。
由弧ABCDA所包络的空间中的任何一点，该机器人都可达到，但是位于该空间外部的点，该机器人均不可达到。
再看图2b，已知机器人转塔的最大转角为180º，即相对于调轴为±90º。
工业机器人的基本参数和性能指标知识讲解
工业机器人的基本参数和性能指标工业机器人的基本参数和性能指标表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。
(1)工作空间（Work space）工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。
工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小。
理解机器人的工作空间时，要注意以下几点：1)通常工业机器人说明书中表示的工作空间指的是手腕上机械接口坐标系的原点在空间能达到的范围，也即手腕端部法兰的中心点在空间所能到达的范围，而不是末端执行器端点所能达到的范围。
因此，在设计和选用时，要注意安装末端执行器后，机器人实际所能达到的工作空间。
2)机器人说明书上提供的工作空间往往要小于运动学意义上的最大空间。
这是因为在可达空间中，手臂位姿不同时有效负载、允许达到的最大速度和最大加速度都不一样，在臂杆最大位置允许的极限值通常要比其他位置的小些。
此外，在机器人的最大可达空间边界上可能存在自由度退化的问题，此时的位姿称为奇异位形，而且在奇异位形周围相当大的范围内都会出现自由度进化现象，这部分工作空间在机器人工作时都不能被利用。
3)除了在工作守闻边缘，实际应用中的工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工作空间的内部也存在着臂端不能达到的区域，这就是常说的空洞或空腔。
空腔是指在工作空间内臂端不能达到的完全封闭空间。
而空洞是指在沿转轴周围全长上臂端都不能达到的空间。
(2)运动自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。
自由物体在空间自六个自由度（三个转动自由度和三个移动自由度）。
工业机器人往往是个开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，因此通常机器人的自由度数目就等于其关节数。
机器人的自由度数目越多，功能就越强。
日前工业机器人通常具有4—6个自由度。
当机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，便出现了冗余自由度。
机器人工作空间的名词解释
机器人工作空间的名词解释机器人工作空间，是指机器人在其操作范围内可以自由移动和执行任务的三维空间。
它是机器人工作过程中的一个重要概念，对于机器人的路径规划、任务执行和人机协作都具有重要意义。
1. 机器人工作空间的定义和要素机器人工作空间是机器人在执行任务时所能够到达的空间范围。
一个机器人的工作空间通常由几个要素组成：- 可操作区域：指机器人的可移动区域，通常由机器人的运动范围和机构结构决定。
- 墙壁和障碍物：指机器人工作空间中的固定物体，可能会影响机器人的路径规划和任务执行。
- 人体工作区域：如果机器人需要与人进行协作，那么人的活动范围也需要考虑在机器人工作空间中。
2. 机器人工作空间的控制和规划机器人工作空间的控制和规划是确保机器人能够高效完成任务的重要环节。
工作空间控制通常包括以下方面：- 位置控制：机器人需要能够准确地控制自身在工作空间中的位置。
- 路径规划：机器人需要在考虑到工作空间中的障碍物和限制条件下，规划最优路径以完成任务。
- 动态障碍物避让：如果机器人在工作过程中遇到动态障碍物（如人体），需要能够及时避让以确保安全。
3. 机器人工作空间的优化与扩展随着机器人技术的不断发展和应用，人们对机器人工作空间的优化和扩展提出了更高的要求。
- 灵活性和可调性：机器人工作空间应能够根据不同任务和环境的需求进行灵活调整，以最大程度地发挥机器人的效能。
- 工作空间协调：当多个机器人共同工作时，需要保证各个机器人的工作空间之间互不干扰，避免冲突与碰撞。
- 联合工作空间：随着人机协作的不断深入，机器人的工作空间也需要考虑与人的工作空间的协调与融合。
4. 机器人工作空间的挑战和前景机器人工作空间的研究和应用面临诸多挑战和机遇：- 空间限制：机器人工作空间的大小和形状通常受到制约，如狭小的空间和复杂的环境。
- 动态环境：机器人在工作过程中可能会遇到动态环境和障碍物，如人体的移动。
- 多机器人协作：多个机器人在同一工作空间中协同工作，需要解决工作空间冲突和协调问题。
工业机器人的工作空间规划教程
工业机器人的工作空间规划教程工业机器人在现代制造业中扮演着重要的角色，它们能够提高生产效率、提升产品质量，甚至还能处理一些危险或重复性工作。
然而，为了确保机器人在工作中能够安全高效地操作，工作空间的规划是至关重要的。
本文将介绍工业机器人的工作空间规划教程，以帮助您合理规划机器人的工作环境。
一、确定机器人的工作区域首先，需要确定机器人的工作区域。
工作区域要足够大，以容纳机器人的移动和操作，并确保不会与其他设备或人员发生碰撞。
确定机器人的工作区域时，需要考虑以下因素：1. 机器人的运动范围：根据机器人的尺寸和工作任务，确定机器人需要的运动范围。
机器人通常具有可编程的轨迹和工作空间，可以根据具体需求进行调整。
2. 安全间距：要确保机器人的运动不会造成危险，应在机器人工作区域周围预留一定的安全间距，以防止碰撞事故的发生。
3. 操作人员的工作区域：机器人工作区域应与操作人员的工作区域相分离，并设置明确的安全标识。
尽量将操作人员与机器人的工作区域隔离开，以减少事故的发生。
二、安全措施的考虑在工业机器人的工作空间规划中，安全措施是必不可少的一部分。
以下是一些常见的安全措施：1. 安全围栏：对于高风险的工作环境，可以设置安全围栏来限制机器人的行动范围。
安全围栏应该具有足够的强度和稳定性，以保护工作人员免受机器人的伤害。
2. 机器人的安全装置：机器人通常配备有安全装置，如机器人手臂上的碰撞传感器或视觉传感器。
这些安全装置可以监测周围环境，并在检测到障碍物或人员时停止机器人的运动。
3. 安全标识和警示灯：在机器人的工作区域周围设置明显的安全标识和警示灯，以提醒工作人员注意机器人的运动和操作。
4. 培训和教育：在规划工业机器人的工作空间时，操作人员的培训和教育也是重要的。
他们应该了解与机器人操作相关的安全规范和标准，并掌握正确的操作方法。
三、考虑机器人与其他设备的协调在工业生产线上，机器人往往需要与其他设备和机械装置进行协调工作。
工业机器人基础
2、控制分辨率
是指位置反馈回路能 检测到的最小位移量。
当编程分辨率与控制分辨率相等时， 系统性能达到最高。
2.2.5 工业机器人的精度
机器人的精度主要体现在定位精 度和重复定位精度两个方面。
定位精度
指机器人末端操作器的实际位置 与目标位置之间的偏差，由机械误差、 控制算法误差与系统分辨率等部分组 成。
轴
运动方式
六轴联动
沿 用户定义的X 轴方向运动 沿用户定义的Y 轴方向运动
沿用户定义的Z 轴方向运动
末端点位置不变， 机器人分别绕 X 、Y、Z 轴转动
2.3.3 TCP运动轨迹
TCP为加上工具后工具的末端点机器人的工作其实就是实现TCP点在空间中 完成预定或指定的运动轨迹TCP。 （工具控制点）固定功能: 除了关节坐标系外，在其他坐标系下都有TCP固定 功能，即在工具控制点位置保持不变的情况下，只改变工具的方向(姿态)。 在TCP固定功能下各轴的运动方式见下表。
图4-15工业机器人绝对坐标系
主运动轴 腕运动轴
表4-2 绝对坐标系下机器人的运动方式
轴
轴1 轴2 轴3 轴4 轴5 轴6
运动方式 沿 X 轴方向运动 沿 Y 轴方向运动 沿 Z 轴方向运动
未端点位置不变，机器人 分别绕 X 、Y、Z 轴转动
3. 世界坐标系 图4-16所示，世界坐标系默认与基坐标系重合，位于机器人底部，可通过 配置软件更 改。其运动方式见表4-30。
第一章 工业机器人基础
工作空间
工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时，其手腕参
考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能掠过的空间，一般不 包括末端操作器本身所能到达的区域。
目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5 m 左右。
机器人的技术参数
机器人的技术参数机器人技术参数是指机器人在各个方面的性能指标和能力。
这些参数是评估和比较不同机器人的重要指标，也是使用者选择合适机器人的依据。
下面以工业机器人为例，介绍机器人的技术参数。
1. 负载能力：负载能力是指机器人能够承受的最大负载重量。
这个参数决定了机器人可以处理的工件的重量范围。
一般来说，工业机器人的负载能力在几十公斤到几百公斤之间。
2. 工作空间：工作空间是指机器人能够覆盖的三维空间范围。
这个参数决定了机器人可以操作的区域大小和形状，也影响机器人的灵活性和适用性。
工作空间可以通过定义机器人的关节数量、关节范围和机械结构来决定。
3. 重复定位精度：重复定位精度描述了机器人在相同任务下反复执行的精度。
这个参数反映了机器人的稳定性和精准度。
重复定位精度一般以毫米或者微米为单位。
4. 运动速度：运动速度是机器人的关节和执行器运动的速度。
高速度可以提高机器人的生产效率，但也会带来控制和安全的挑战。
运动速度一般以米/秒为单位。
5. 手臂长度：手臂长度是指机器人手臂从基座到末端执行器的长度。
手臂长度决定了机器人能够达到的物体距离，影响机器人的工作范围和运动能力。
6. 电源要求：机器人的电源要求是指机器人的电源电压和电流。
这个参数决定了机器人的电力供应方式和所需的电气设备。
7. 控制系统：控制系统是机器人的大脑，负责机器人的运动控制和任务执行。
控制系统包括硬件和软件两个方面，硬件包括控制器、传感器和执行器，软件包括控制算法和任务编程。
8. 安全功能：安全功能是机器人的保护机制，用于保障操作人员和机器人本身的安全。
常见的安全功能包括防碰撞传感器、急停按钮、安全围栏等。
9. 编程接口：编程接口是机器人与人类操作者或其他设备进行交互和通信的接口。
常见的编程接口包括图形化编程界面、编程语言接口和通信协议等。
10. 系统集成能力：系统集成能力是机器人与其他设备和系统进行协作和集成的能力。
这个参数反映了机器人的可扩展性和适应性，影响机器人在工业生产线上的应用。
机器人操作系统的开发与调试教程
机器人操作系统的开发与调试教程机器人操作系统（Robotic Operating System，ROS）是一个开源的、灵活的操作系统，专为机器人开发而设计。
它提供了一系列的工具、库和软件函数，用于帮助开发者创建、部署和管理机器人应用程序。
本文将介绍机器人操作系统的开发与调试教程，帮助读者快速上手ROS，并解决遇到的常见问题。
一、ROS的安装与配置1. 安装ROS首先，我们需要在开发机上安装ROS。
根据操作系统的不同版本，选择相应的ROS版本进行安装。
ROS官方网站提供了详细的安装教程和支持的操作系统版本列表。
我们可以按照教程依次执行命令，完成ROS的安装。
2. 配置工作空间安装完成后，我们需要创建一个ROS工作空间（Workspace）作为开发的基础。
在终端中执行以下命令：```$ mkdir -p ~/catkin_ws/src$ cd ~/catkin_ws/$ catkin_make```二、ROS的开发流程1. 创建ROS包在ROS中，我们使用包（Package）来组织和管理我们的代码。
执行以下命令来创建一个ROS包：```$ cd ~/catkin_ws/src$ catkin_create_pkg my_package std_msgs rospy roscpp```这个命令会在`~/catkin_ws/src`目录下创建一个名为`my_package`的包，并且指定了`std_msgs`、`rospy`和`roscpp`这三个依赖项。
2. 编写ROS节点ROS节点是ROS中最基本的执行单元，用于实现特定的功能。
在`my_package`包中创建一个新目录`scripts`，然后在该目录下创建一个Python文件`my_node.py`，编写自己的ROS 节点代码。
3. 编译运行在完成节点的编写后，我们需要将ROS包编译为可执行文件，并运行它。
在终端中执行以下命令：```$ cd ~/catkin_ws$ catkin_make$ source devel/setup.bash$ rosrun my_package my_node.py```三、ROS调试技巧与工具1. 使用ROS调试器（rqt）ROS提供了一个强大的调试器rqt，可用于监测和分析ROS系统的状态、消息和节点间的通信。
手术机器人的协同工作空间分析
机 器人 正 常运 行 时 ， 末端 执行 构 件 的坐 标 系原 点
人的设计、 控制 、 应用过程 中具有非常重要的作用。 机 驱 动 电机 和 相 应 结 构 构 成 ，可 以 保 证 装 备 的末 端 手 器人 的工 作 空 间定 义 为 ：机器 人 操作 机 正 常运 行 时 ， 术 刀有 足 够 的灵 活空 间 和 灵 活度 。 末 端 执行 器 坐标 系 的原点 能在 空 间活 动 的 最 大范 围 。 或 者 说末端 可达 点 占有 的空 间体积 。 这一 空 间又 称可 达 空 间 （ｅｃａｌ Ｗｏｋｐｃ）或 总 工 作 空 间 ， 作 Ｒ ａｈｂｅ ｒｓａｅ， 记 兀’ 。这 种关 系可 以视 为 关节 空 间变 量 与工 作 空 间 的 映 射 ， 示为 表 ＨＲ ＝ ｛ ｇ： ’ Ｐ（）ｇ∈ＱＣ ） Ｒ
＝
Ｙ０
ｎｏ
ｔ Ｚ
ｙ
，
Ｐ
ＹＰ
ｌ｛
Ｐ ：
ｚＰ
１ ｌ １ ｆ ｆ ｆ ０ ０ ０ ｌ
由 于 Ｐ 点 是 第 七 坐 标 系 的 原 点 ， 所 以
０
Ｐ
ｐｙ
｛ ｇ） （ ） ｇ∈ Ｃ （ ＝ ｇ ： ，Ｒ Ｑ） Ｒ ９
一
１ 微 创 手 术 机 器 人 整 体 结 构
该微 创手 术 机 器人 主要 由 ８ 部 分 组 成 ，如 图 个
ｌ 所示 。 分别是底座 １立柱部分 ２ ６ 、 及 个关节。 座 底 的作用 ， 是用来 固定整个微创手术机器人躯体 ， 底座
收 稿 日期 ：０ ０ １— １ ２ １— ２ ３ 作者简介： 王雪清（９ ３ ）男 ， １８ 一 ， 河南鹿 邑人 ， 硕士 ， 究方 向为 ： 研 机械设计及理论 。
工业机器人的基本参数和性能指标知识讲解
工业机器人的基本参数和性能指标工业机器人的基本参数和性能指标表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。
(1)工作空间(Work space)工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。
工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小。
理解机器人的工作空间时，要注意以下几点：1)通常工业机器人说明书中表示的工作空间指的是手腕上机械接口坐标系的原点在空间能达到的范围，也即手腕端部法兰的中心点在空间所能到达的范围，而不是末端执行器端点所能达到的范围。
因此，在设计和选用时，要注意安装末端执行器后，机器人实际所能达到的工作空间。
2)机器人说明书上提供的工作空间往往要小于运动学意义上的最大空间。
这是因为在可达空间中，手臂位姿不同时有效负载、允许达到的最大速度和最大加速度都不一样，在臂杆最大位置允许的极限值通常要比其他位置的小些。
此外，在机器人的最大可达空间边界上可能存在自由度退化的问题，此时的位姿称为奇异位形，而且在奇异位形周围相当大的范围内都会出现自由度进化现象，这部分工作空间在机器人工作时都不能被利用。
3)除了在工作守闻边缘，实际应用中的工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工作空间的内部也存在着臂端不能达到的区域，这就是常说的空洞或空腔。
空腔是指在工作空间内臂端不能达到的完全封闭空间。
而空洞是指在沿转轴周围全长上臂端都不能达到的空间（2）运动自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。
自由物体在空间自六个自由度（三个转动自由度和三个移动自由度）。
工业机器人往往是个开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，因此通常机器人的自由度数目就等于其关节数。
机器人的自由度数目越多，功能就越强。
日前工业机器人通常具有4—6个自由度。
当机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，便出现了冗余自由度。
实验八工业机器人作业空间测定实验
实验八工业机器人作业空间测定实验机器人工作空间：根据机器人的构型、连杆及腕关节的大小，机器人能到达的点的集合称为工作空间，简单机器人的工作空间可以通过列写方程通过数学表达式确定，工作空间也可以通过经验确定，通过实验使机器人每一个关节在其运动范围内运动，然后将其可以到达的所有区域连接起来，再除去机器人无法到达的区域就可以得到机器人的工作空间。
本实验将在对机器人进行深入操作研究前，先通过各个运动关节的单轴运动测定作业范围，熟悉6自由度机器人的作业空间，为后续实验做好准备，同时可以掌握机器人的正确操作方法。
一、实验设备REBot 6自由度工业机器人二、实验目的学习机器人控制软件的使用，掌握机器人示教重演的根本方法，通过单轴全范围运动，深入了解REBot 6自由度机器人的作业空间。
三、实验步骤1.在机器人动作时，所有人员不得进入机器人的运动范围内。
2.使用控制软件操作机器人时，应该确保机器人紧急停止操作盒放置在操作者面前，确保在发生紧急情况时能够快速通过急停按钮切断机器人关节电机电源。
3.在机器人正常运转过程中不能随意按下紧急停止按钮或者拔下机器人控制柜电源，只有在紧急情况发生时才可以在机器人运行过程中通过按下急停按钮切断机器人伺服电机强电。
4.运行机器人图形示教程序，依次执行“翻开控制器〞，“伺服上电〞和“自动回零〞操作，使机器人处于运动待命状态。
1、检查机器人本体到控制柜间连接电缆正确连接，检查控制柜到控制计算机间的网络电缆和串口电缆连接正确，检查控制柜前面板上的急停按钮和操作盒上的急停按钮能够正常按下和通过顺时针旋转解除急停状态。
2、检查机器人是否处于如下列图1所式停机位位姿。
每次机器人正常运行结束后通过“回到停机位〞操作指令机器人回到停机位置然后再退出控制程序，按下紧急停止按钮关闭机器人伺服电源。
如果机器人初始位置与图示停机位位姿差异较大〔主要比拟L，U两个关节〕，说明上一次机器人操作异常停止〔需要先查明异常停止原因并且排除故障后在关闭控制柜电源情况下手动缓慢推动机器人L，U两个关节到停机位硬件挡块位置〕或者机器人在停止后位置被人为移动。
三轴并联机械手工作范围
三轴并联机械手工作范围引言概述：三轴并联机械手是一种常见的工业机器人，其工作范围是指机械手能够覆盖的空间范围。
工作范围的大小直接影响机械手在生产线上的应用灵活性和效率。
本文将从五个大点来阐述三轴并联机械手的工作范围，包括机械手结构、关节限制、工作空间形状、末端执行器限制和运动范围的优化。
正文内容：1. 机械手结构1.1 三轴并联机械手通常由三个旋转关节组成，每个关节可以在一定范围内进行旋转运动。
1.2 机械手的结构决定了其工作范围的形状和大小，不同结构的机械手可能具有不同的工作范围。
2. 关节限制2.1 机械手的关节限制是指每个关节旋转的最大角度范围，这将直接影响机械手能够覆盖的空间范围。
2.2 关节限制的大小决定了机械手的工作范围的局限性，如果关节限制太小，机械手可能无法完成某些任务。
3. 工作空间形状3.1 机械手的工作空间形状是指机械手能够覆盖的空间的形状，通常为一个三维空间中的一个区域。
3.2 工作空间形状的大小和形状决定了机械手在生产线上能够操作的物体的大小和形状。
4. 末端执行器限制4.1 机械手的末端执行器是机械手用来进行物体抓取、放置等操作的部件，其大小和形状将直接影响机械手的工作范围。
4.2 末端执行器的限制包括其最大抓取范围、最大负载能力等，这些限制将决定机械手能够完成的任务类型和难度。
5. 运动范围的优化5.1 为了扩大机械手的工作范围，可以通过优化机械手的运动范围来实现。
5.2 运动范围的优化可以包括改变机械手的结构设计、增加关节的旋转范围、优化末端执行器的设计等。
总结：综上所述，三轴并联机械手的工作范围是通过机械手的结构、关节限制、工作空间形状、末端执行器限制和运动范围的优化来决定的。
了解和优化这些因素，可以提高机械手的工作范围，使其在生产线上具有更大的灵活性和效率。
工业机器人的主要技术参数
工业机器人的主要技术参数工业机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是设计、应用机器人必须考虑的问题。
机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、工作载荷等。
一、工业机器人自由度1、工业机器人具有的独立坐标轴运动的数目。
2、工业机器人的自由度是指确定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目。
3、工业机器人手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。
4、工业机器人的自由度数一般等于关节数目。
5、工业机器人常用的自由度数一般不超过5～6个。
二、工业机器人关节（Joint）：工业机器人关节即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。
三、工业机器人工作空间机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域。
其形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。
机器人的工作空间通常用图解法和解析法两种方法进行表示。
四、工业机器人工作速度机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。
五、工业机器人工作载荷工作载荷指机器人在工作范围内任何位置上所能承受的最大负载，一般用质量、力矩、惯性矩表示。
还和运行速度和加速度大小方向有关，一般规定高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。
六、工业机器人分辨率能够实现的最小移动距离或最小转动角度七、工业机器人精度重复性或重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。
或在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。
它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。
ros工作空间
ros工作空间ROS工作空间。
ROS（机器人操作系统）是一个灵活且强大的开源机器人操作系统，它为机器人软件开发提供了丰富的工具和库。
在ROS中，工作空间是一个非常重要的概念，它是用来组织和构建ROS软件包的地方。
在本文中，我们将介绍ROS工作空间的概念、创建和配置工作空间的步骤，以及在工作空间中进行软件包的开发和编译。
1. ROS工作空间的概念。
在ROS中，工作空间是一个包含了ROS软件包的目录，它是ROS软件开发的基本组织单元。
一个典型的ROS工作空间包含三个主要目录，src、devel和build。
src目录用来存放ROS软件包的源代码，devel目录用来存放编译后的软件包，build目录用来存放编译过程中生成的临时文件。
2. 创建和配置ROS工作空间。
要创建一个新的ROS工作空间，首先需要创建一个空的目录，然后在该目录下创建src、devel和build三个子目录。
接下来，需要使用catkin工具初始化工作空间，并配置环境变量。
在终端中执行以下命令：```。
mkdir -p ~/catkin_ws/src。
cd ~/catkin_ws/。
catkin_make。
```。
这样就创建了一个名为catkin_ws的ROS工作空间，并且配置好了环境变量。
现在可以在src目录下开始编写和组织ROS软件包了。
3. 在工作空间中进行软件包的开发和编译。
在src目录下创建一个新的ROS软件包，可以使用catkin_create_pkg工具来简化这个过程。
在终端中执行以下命令：```。
cd ~/catkin_ws/src。
catkin_create_pkg my_package rospy std_msgs。
```。
这样就创建了一个名为my_package的ROS软件包，并且指定了它的依赖关系。
接下来，在my_package目录下编写节点、服务、消息等代码，并在CMakeLists.txt 和package.xml文件中添加必要的配置信息。
4工业机器人的分类.
1.3.1 工业机器人的分类1按作业用途分类依据工业机器人具体的作业用途。
可分为点焊机器人、搬运机器人、喷漆机器人、涂胶机器人以及装配机器人等。
2按操作机的运动形态分类按工业机器人操作机运动部件的运动坐标把机器人区分为直角坐标式机器人、极(球)坐标式机器人、圆柱坐标式机器人和关节式机器人，如图１－3又所示。
另外，还有少数复杂的机器人是采用以上方式组合的组合式机器人。
3按机器人的负荷和工作范围分类工业机器人可分为:大型机器人--负荷为1～10kN，工作空间为10m3中型机器人--负荷为10～1000N，工作空间为1～10m3小型机器人--负荷为1～100N，工作空间为0.1～1m3超小型机器人--负荷为小于1N，工作空间小于0.1m3以上所谓负荷是指机器人在规定的性能条件下，机器人所能搬移的质量，其中包括了机器人末端执行器的质量。
4按机器人具有的运动自由度数分类机器人的自由度数的定义:操作机各运动部件独立运动的数目之和。
这种运动只有两种形态:直线运动和旋转运动。
机器人腕部的任何复杂运动都可由这两种运动来合成。
工业机器人的自由度数一般为2-7个，简易型的为2-4个自由度，复杂型的为5---7个自由度。
自由度数越多，机器人的“柔性”越好，但结构和控制也就越复杂。
5按机.器人控制系统的编程方式分类直接示教――工人手把手示教或示教盒示教;离线示教(或离线编程)—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。
6按机器人控制系统的控制方式分类点位控制机器人――只控制到达某些指定点的位置精度，而不控制其运动过程。
连续轨迹控制机器人――对运动过程的全部轨迹进行控制。
7根据能量转换方式分类将驱动器划分为液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动装置。
8其他分类在工业发展史上还有一种按其发展阶段对机器人进行分类第一代机器人---不具备传感器反馈信息的机器人.如固定程序的机械手或主从式操作机。
机器人的技术参数
机器人的技术参数机器人是一种自动化装置，通常由机械、电子、计算机控制系统等部件组成。
它们可以执行各种任务，从工业生产到个人服务，从简单重复的任务到复杂的操作和决策，具有显著的灵活性和适应性。
下面是机器人的常见技术参数：1. 动力系统：机器人通常由电动机驱动，可以是直流电机、步进电机或伺服电机。
动力系统的性能直接影响机器人的运动速度和精度。
2. 关节数和自由度：机器人的关节是指连接不同构件的旋转或移动机构。
机器人的关节数量决定了其自由度的数量，自由度的增加可以增强机器人的灵活性和工作范围。
3. 工作空间：机器人可以在特定的空间内进行运动和操作，称为工作空间。
工作空间的大小和形状取决于机器人的结构和关节数量，通常以立方体或球形区域来描述。
4. 负载能力：机器人可以携带和操作的最大负载称为负载能力，通常以重量来表示。
负载能力是机器人设计的重要参数，决定了其应用范围和可靠性。
5. 精度和重复性：机器人的精度是指其执行任务时的准确性和稳定性。
重复性是指机器人在重复执行相同任务时的一致性。
精度和重复性的提高可以通过更先进的传感器和控制系统来实现。
6. 传感器系统：机器人通常配备各种传感器，如视觉传感器、力传感器、接触传感器等，以感知周围环境和与之交互。
传感器的种类和性能直接影响机器人的感知和决策能力。
7. 控制系统：机器人的控制系统包括硬件和软件两部分。
硬件通常包括控制器、传感器接口和执行器驱动等。
软件则包括机器人的操作系统、路径规划和动作控制算法等。
优秀的控制系统可以提高机器人的运动性能和智能化水平。
8. 操作界面：为了方便人类和机器人的交互，机器人通常配备图形用户界面（GUI）或其他操作界面。
这些界面可以是触摸屏、按钮、手柄等形式，用于设定任务、监控状态和进行操作。
除了以上常见的技术参数，机器人的设计和性能还受到其他因素的制约，如成本、安全性、可靠性等。
随着技术的不断进步，机器人愈发智能化和多功能化，能够适应更复杂和多样化的任务。
机器人技术 第五章-工作空间
腕点工作空间
15
PUMA560型机器人无结构限制时的工作空间轴剖面
16
2、图解法 用图解法求工作空间，得到的往往是工作空间的各类别 截面(或削截线)。它直观性强，便于和计算机结合，以显 示在可达点操作机的构形特征。 在应用图解法时．也将关节分为两组，即前三关节和后 三关节(有时为两关节或一关节)，前三关节称位置结构， 主要确定工作空间大小，后三关节称定向结构，主要决定 手部姿势。首先分别求出该两组关节所形成的腕点空间和 参考点在腕坐标系中的工作空间，再进行包络整合。 下面取两旋转关节进行图解讨论。
：
r r t , rt r 0
（3）
8
式中 rt rห้องสมุดไป่ตู้
， r t r
曲面族的包络： 设有曲面 用向量方程表示：
： r r u, v
（4）
式中 u，v 是曲面 的几何参数。 再设曲面 以 为参数运动，得到曲面族 ，其方程为:
17
若
Zn Zn-1
n1 0
Zn
Zn-1
Zn-1
Zn
18
若
n1 90
Zn-1
Zn
Zn-1
19
实际上，每个关节的运动范围通常都是有限的，机器人的工 作空间会受到影响。
例2 用图解法考察Motorman型机器人操作机的工作空间。
20
21
5.3 工作空间中的空洞和空腔
一、定义 空洞——在转轴 zi 周围，沿z的全长参考点Pn均不能达到 的空间。 空腔——参考点不能达到的被完全封闭在工作空间之内的
C3 C2
C1
4
5.1.2 工作空间的两个基本问题
机器人技术参数
３．工作速度
工作速度是指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接 口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。
确定机器人手臂的最大行程后，根据循环时间安排每个动作的时间， 并确定各动作同时进行或顺序进行，就可确定各动作的运动速度。
如图所示为球（极）坐标机器人，具有5个自由度。
R3 P
R4 R2 R1
图球（极）坐标机器人自由度
特点：灵活性好，工作空间大。
4） 关节机器人
（1）SCARA型关节机器人 SCARA型关节机器人有4个自由度，如图所示。
R
2
R
1
P
R
3
SCARA型关节机器人自由度
特点：适用于平面定位，在垂直方向进行装配作业。
机器人所具有的自由度数目及其组合不同，则其运动图形不同；而自由 度的变化量(即直线运动的距离和回转角度的大小)则决定着运动图形的 大小。如表2-1。
a) 垂直串联多关节机器人 MOTOMAN MH3F
b) 水平串联多关节机器人 MOTOMAN MPP3S
特别注意：装上末端执行器以后，需要同时保证工具的姿态，实际可达 空间会比厂家给出的要小一层。
机器人臂部位置 在xO1y面内有三个独立运动 • 升降(L1)、伸缩(L2)、和转动
(Φ1)，腕部在xO1y面内有一个 独立的运动 • 转动(Φ2)。 机器人手部位置 需要一个独立变量 • 手部绕自身轴线O3C的旋转Φ3。
目前，焊接和涂装作业机器人多为 6 或 7 自由度，而搬运、码垛和装 配机器人多为 4~6 自由度。
分配动作时间除考虑工艺动作要求外，还要考虑惯性和行程大小、 驱动和控制方式、定位和精度要求。
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式中 rt r
r r t , rt r 0
， r t r
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曲面族的包络： 设有曲面 用向量方程表示： ： r r u, v
式中 u，v 是曲面 的几何参数。 再设曲面 以 为参数运动，得到曲面族 ，其方程为: ：
P a3, d4 ,0 3
1 1 T3 P 3 3
0 3
1 Rot ( z1,1) 3
利用包络公式可求出包络条件，并与上式联立，即得该 曲面方程 。
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腕点工作空间
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PUMA560型机器人无结构限制时的工作空间轴剖面
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2、图解法 用图解法求工作空间，得到的往往是工作空间的各类别 截面(或削截线)。它直观性强，便于和计算机结合，以显 示在可达点操作机的构形特征。 在应用图解法时．也将关节分为两组，即前三关节和后 三关节(有时为两关节或一关节)，前三关节称位置结构， 主要确定工作空间大小，后三关节称定向结构，主要决定 手部姿势。首先分别求出该两组关节所形成的腕点空间和 参考点在腕坐标系中的工作空间，再进行包络整合。
空间。
1——空腔；2——空洞
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二、空洞及空腔约形成条件 1、空洞的形成条件及其判别
工作空间 Wn ( Pn )与其后级旋 转轴 zn 1 若不相交，则在该旋 转轴的周围形成空洞。 空洞存在与否可根据前级空 间Wn ( Pn ) 和后级旋转轴 zn 1之 间的最小距离来判断。 若 Rxmin 0 。 则不存在空 洞； 若 Rxmin 0 则存在空洞。
6.1 机器人静力学
一、杆件之间的静力传递 在操作机中，任取两连杆LJ， lfl，，如图7—1。设在杆Lf*，上 作用在点o‘t，有力矩肋lh和力扩 ft：；在杆』f上作用有自屋C 〔道质
Li
心c刀，rf和rcf分别为山o。到 o‘t*和cl的向径rl(或记为rj“l)和 r‘，(或记为rf．。l)。
式中
r u rLeabharlann u ，r v r
v
r r
，r r
11
若母线 和母面 ，以及 ， 都是参数方程形式给 ， 出的，则可从上三式导出更便于计算的形式，如：
v
，r r
10
若 再以 为参数运动，得到曲面族 ，其包络（称为 二次包络） 的方程为:
：
r r u , v, , (ru r v) r a 0 (ru r v) r 0
仿鱼机器人
仿鸟机器人
31
1.3.3 机器人的性能要素
自由度数 衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般 等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其 作业任务。 负荷能力 机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承 载的负荷重量。 运动范围 机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。 它是机器人关节长度和其构型的函数。
C4 C3 C2
4
C1
3）圆C1到圆C2之间；圆C3到圆C4之间两环形面积即为次工作 空间。
由此可以看出： 1) 在Wp(P)中的任意点为全 方位可达点。 2)在 C1 和 C4 圆上的任一点， 只可实现沿该圆的切线方 向的运动。 3)末杆H越长，即h越大，C1 越大， C4 越小，总工作空 C4 间越大；但相应的灵活工 作空间则由于 C2 的增大和 C3的减小而越小。 4)工作空间同时受关节的转角限制。
下面取两旋转关节进行图解讨论。
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若
Zn Zn-1
n1 0
Zn
Zn-1
Zn-1
Zn
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若
n1 90
Zn-1
Zn-1
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例2 用图解法考察Motorman型机器人操作机的工作空间。
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5.3 工作空间中的空洞和空腔
一、定义 空洞——在转轴 zi 周围，沿z的全长参考点Pn均不能达到 的空间。 空腔——参考点不能达到的被完全封闭在工作空间之内的
C3 C2
C1
5
5.1.2 工作空间的两个基本问题
1)给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变 化范围，求工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。
2)给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和 关节变量的变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。
5.2 工作空间的形成及确定 5.2.1 工作空间的形成
下面以平面3R操作机为例，说明上述基本概念。
如图所示的3R操作机，由三杆L1，L2，和H组成。后两杆的 长度之和小于L1的长度。取手心点P 为末端执行器的参考点， 令l1，l2 分别为l1，l2 杆的长度，h为手心点P 到关节点O8 的 长度(即H杆的长度)，则： 1) 圆C1:半径为 R1 l1 l2 h ， 圆C4:半径为 R4 l1 l2 h ， 分别是该操作机的总工作空 间的边界。它们之间的环形 而积即W(P) 。 2）圆C2:半径为 R4 l1 l2 h ， 圆C3:半径为 R1 l1 l2 h ， 分别是灵活工作空间的边界。 它们之间的环形面积即Wp(P)。
式中t是曲线 的几何参数。
再设曲线 以 为参数运动，则在空间相应于不同的 ，就 形成了一系列的以 为母线的曲线族。记作，其方程为: ： r r t , x t , , y t , , z t , 式中 是曲线 的运动参数。 曲线族的包络方程为：
0 3 3 n 3 n 0 3 0 n
可见，求工作空间的问题，可以归结为求曲面（线）族的包 络问题。
8
； 分别用 、 ；、 、 表示母线、母面，曲线族、曲 面族以及它们的包络。 曲线族的包络： 设有曲线 用向量方程表示： ： r r t x t , y t , z t
r r u, v,
r r u , v, (r u r v ) r a 0
曲面族的包络 的方程为：
：
式中 r u r
， v r u r
Wn ( j 1) ( Pn ) Rot ( Z n j , n j ) Wn j ( Pn )
Zn-1 Zn-2
Zn
Pn — 末杆上的参考点； W(*) —参考点占据的工作空间。
工作空间边界上的界限点构成界限 曲面。界限曲面可以用不同方法求出。
6
Pn
5.2.2 工作空间的确定
24
2．空腔的形成条件及其判别
在Wn1 ( Pn ) 空间中形成空腔的必要条件是在 Wn ( Pn ) 工作 空间中存在空洞，但这还不是形成空腔的充分条件。
25
Zn-1
26
第六章 机器人静力学和动力学
静力学和动力学分析，是机器人操作机设计和动态性能分 析的基础。特别是动力学分析，它还是机器人控制器设计、 动态仿真的基础。 机器人静力学研究机器人静止或缓慢运动式，作用在机器 人上的力和力矩问题。特别是当手端与环境接触时，各关节 力（矩）与接触力的关系。 机器人动力学研究机器人运动与关节驱动力（矩）间的动 态关系。描述这种动态关系的微分方程称为动力学模型。由 于机器人结构的复杂性，其动力学模型也常常很复杂，因此 很难实现基于机器人动力学模型的实时控制。然而高质量的 控制应当基于被控对象的动态特性，因此，如何合理简化机 器人动力学模型，使其适合于实时控制的要求，一直是机器 人动力学研究者追求的目标。 27
1、解析法 由操作机工作空间的形成可以看出，其工作空间 W0 ( Pn ) 的 界限曲面 W0 ( Pn ) 可以看作是由末端参考点绕各关节运动形成 的曲线族或曲面族的包络。因此，多次运用单参数曲面族的 包络公式能够顺序求得工作空间的界限曲面。 若在空间有一条曲线 存在，它上面的每一个点都是与曲 线族 中的每一条曲线相切的切点，曲线中的不同的线与 相切于不同点，称 为该曲线族的包络。 若存在一曲面 ，与曲面族中的任一曲面都沿一条曲 线 Ct 相切，这时 就称作该曲面族的包络。
机器人技术
陶建国
哈尔滨工业大学机电学院 2005. 2.
第五章 5.1 概述
机器人操作机工作空间
工作空间是从几何方面讨论操作机的工作性能。B．Roth 在1975年提出了操作机工作空间的概念。
5.1.1 基本概念
操作机的工作空间：机器人操作机正常运行时，末端执 行器坐标系的原点能在空间活动的最大范围；或者说该原 点可达点占有的体积空间。这一空间又称可达空间或总工 作空间，记作W(P)。 灵活工作空间：在总工作空间内，末端执行器可以任意 姿态达到的点所构成的工作空间。记作Wp (P)。 次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作生间所余下的 部分。记作Ws (P)。 2
28
5、平面关节型 (SCARA) 仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动 灵活性更好，铅垂平面刚性好。
SCARA型装配机器人
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二、特种机器人
仿生型 自由度一般较多，具有更强的适应性和灵活性，但控制 更复杂，成本更高，刚性较差。
类人型机器人
蛇形机器人
仿狗机器人
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六足漫游机器人
六轮漫游机器人
式中
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例1 用解析法考察PUMA560型机器人在关节变量无结构限制 ＜360。。)的工作空间界限曲面 条件下(即0＜
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将O4= O5= O6= P3定为手腕点，6个关节分为两组：后三关 节(4，5，6)为轴线交于W 的旋转关节；前三关节另一组。
在末杆上取参考点P6(可取手心点)，对于后三关节一组