《机器人机构学课件》PPT课件
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机器人机构学基础课件第5章
• 牛顿-欧拉方法：以递归方式建立模型，由基于运动坐标系和 达朗贝尔原理来建立相应的动力学方程，没有多余信息，计算 效率高。
1
本章中包括的内容如下：
➢ 操作臂力雅可比与静力计算； ➢ 操作臂动力学-拉格朗日方法； ➢ 操作臂动力学-牛顿-欧拉方法； ➢ 操作臂动力学方程求解问题； ➢ 操作臂动力学参数辨识。
5.1 操作臂力雅可比与静力计算
为什么要进行机械臂静力计算：机械臂与外界环境之间的交互---力
和力矩。过程为：机械臂各关节的驱动装置提供关节力（或力矩），通过连 杆传递到末端执行器，克服外界作用力和力矩。
因此，各关节的驱动力（或力矩）与末端执行器施加的力（广义力，包括 力和力矩）之间的关系是机器人操作臂力控制的基础。
fi1,i fi,i1 mi g 0
ni1,i ni,i1 ri1,i ri,Ci fi1,i ri,Ci fi,i1 0
式中：ri1,i 为坐标系 i 的原点相对于坐标系i 1的位置矢量； ri,Ci 为质心相对于坐标系 i的位置矢量。
假设已知外界环境对操作臂末端执行器的作用力和力矩，那么可以由最后 一个连杆向零连杆（基座）依次递推，从而计算出每个连杆上的受力情况。
执行器（驱动器）输入的驱动动能总和给出：
n
Ek
Ekli Emi
i 1
我们采用微元的思想：在连杆i上取
一微元，其执行位置向量用 p*i 来表示， 微元体积为 dV ，当在整个连杆区域内
积分时，则微元可以表示整个连杆的运 行性能。
连杆i的动能分量可由下式给出：
1
E 2 kli
Vli
p*i T p*i dV
【例5-2】 下面以图5-4中所示的RP机械臂为例说明建立操作臂动力学方程的
1
本章中包括的内容如下：
➢ 操作臂力雅可比与静力计算； ➢ 操作臂动力学-拉格朗日方法； ➢ 操作臂动力学-牛顿-欧拉方法； ➢ 操作臂动力学方程求解问题； ➢ 操作臂动力学参数辨识。
5.1 操作臂力雅可比与静力计算
为什么要进行机械臂静力计算：机械臂与外界环境之间的交互---力
和力矩。过程为：机械臂各关节的驱动装置提供关节力（或力矩），通过连 杆传递到末端执行器，克服外界作用力和力矩。
因此，各关节的驱动力（或力矩）与末端执行器施加的力（广义力，包括 力和力矩）之间的关系是机器人操作臂力控制的基础。
fi1,i fi,i1 mi g 0
ni1,i ni,i1 ri1,i ri,Ci fi1,i ri,Ci fi,i1 0
式中：ri1,i 为坐标系 i 的原点相对于坐标系i 1的位置矢量； ri,Ci 为质心相对于坐标系 i的位置矢量。
假设已知外界环境对操作臂末端执行器的作用力和力矩，那么可以由最后 一个连杆向零连杆（基座）依次递推，从而计算出每个连杆上的受力情况。
执行器（驱动器）输入的驱动动能总和给出：
n
Ek
Ekli Emi
i 1
我们采用微元的思想：在连杆i上取
一微元，其执行位置向量用 p*i 来表示， 微元体积为 dV ，当在整个连杆区域内
积分时，则微元可以表示整个连杆的运 行性能。
连杆i的动能分量可由下式给出：
1
E 2 kli
Vli
p*i T p*i dV
【例5-2】 下面以图5-4中所示的RP机械臂为例说明建立操作臂动力学方程的
机器人机身及行走机构ppt课件
控制特点：
使机器人的重心 经常在接地的脚 掌上，一边不断 取得准静态平衡， 一边稳定的步行。
结构特点：
为了能变换方向 和上下台阶，一 定要具备多自由 度。
编辑版pppt
32
两足ห้องสมุดไป่ตู้行机器人图例：
主要构成：
1—框架 2—大腿 3—小腿 4—脚 5—肩 6—肘 7—手 8—液压缸
编辑版pppt
33
按行走机构的特点分：
对于无固定轨迹机器人，可分为轮式、履 带式和步行式等。前两者与地面连续接触， 后者与地面为间断接触。
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22
3．固定轨道式机器人运动的实现：
机器人机身底座，安装在一个可移动 的拖板上，依靠丝杆螺母副的运动将 来自电机的旋转运动转化为直线运动。
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23
4．车轮式行走机器人：
分类：
车轮式行走机器人通常有三轮、四轮、六 轮之分。它们或有驱动轮和自位轮，或有 驱动轮和转向机构，用来转弯。
适用范围：
最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬 楼梯。
编辑版pppt
24
三轮行走机器人图例：
编辑版pppt
25
三轮行走机器人结构及驱动：
构成：三个车轮、转向叉、驱动装置等。
驱动方案：
编辑版pppt
18
回转与俯仰机身图例：
编辑版pppt
19
三、机器人行走机构
编辑版pppt
20
1．行走机构的构成：
机器人行走机构通常由驱动装置、传 动装置、位置检测装置、传感器、电 缆和管路等构成。
编辑版pppt
21
2．行走机构的分类：
按运行轨迹分：
分为固定轨迹式和无固定轨迹式两种。固 定轨迹式主要用于工业机器人
机器人机构学【ch04】串联机器人机构拓扑结构特征与综合 培训教学课件
3)同一连杆上两运动副轴线平行，两者之间用“//”表示，如R//R，R//P，R//H， P//P等。
串联机器人机构拓扑结构特征
4)同一连杆上两运动副轴线相交于 一点，两者共用“⌒”表示。
5)若干个P副平行于同一平面，用 (-P-P-…-P-)表示。
“
6)同一连杆上两运动副轴线垂直，两者之间用“⊥”表示。
i(扭角)：两相邻运动副轴线之间的夹角，即按右手坐标 系，绕xi轴线由zi到zi+1的转角。
串联机器人机构拓扑结构特征
1)两运动副轴线重合，即 αi=0，ai=0。
2)两运动副轴线平行，即 αi=0，ai≠0。
上述机器人连 杆的关节运动 副可特殊配置
如下：
3)两运动副轴线相交于一 点，即αi≠0，ai=0。
”
串联机器人机构拓扑结构特征
串联机器人机构的活动度公式
串联机器人机构的活动度公式为
m
F fi i1
式中，F为机构活动度；m为机构运动副数；fi为第i个运动副自由度数。
串联机器人机构拓扑结构特征
串联机器人机构运动输出特征矩阵
串联机器人机构的位移输出与速度输出
串联机器人机构的位移输出是末端连杆的位置与方向(位姿)，为机构运动输入的函数。串
串联机器人机构运动输出特征方程
4)相互平行(重合)的两个转动必相关， 只对应一个独立转动输出。
5)平行于同一平面的三个转动必 相关。
“ 6)不平行于同一平面的四个转动必相关，三维空间内最多有三个独立的转动输出。 ”
03
串联机器人机构运动 输出特征矩阵运算
串联机器人机构运动输出特征矩阵运算 运动输出特征矩阵运算规则
步骤1 选定单开链的运动 输出特征矩阵MS。
串联机器人机构拓扑结构特征
4)同一连杆上两运动副轴线相交于 一点，两者共用“⌒”表示。
5)若干个P副平行于同一平面，用 (-P-P-…-P-)表示。
“
6)同一连杆上两运动副轴线垂直，两者之间用“⊥”表示。
i(扭角)：两相邻运动副轴线之间的夹角，即按右手坐标 系，绕xi轴线由zi到zi+1的转角。
串联机器人机构拓扑结构特征
1)两运动副轴线重合，即 αi=0，ai=0。
2)两运动副轴线平行，即 αi=0，ai≠0。
上述机器人连 杆的关节运动 副可特殊配置
如下：
3)两运动副轴线相交于一 点，即αi≠0，ai=0。
”
串联机器人机构拓扑结构特征
串联机器人机构的活动度公式
串联机器人机构的活动度公式为
m
F fi i1
式中，F为机构活动度；m为机构运动副数；fi为第i个运动副自由度数。
串联机器人机构拓扑结构特征
串联机器人机构运动输出特征矩阵
串联机器人机构的位移输出与速度输出
串联机器人机构的位移输出是末端连杆的位置与方向(位姿)，为机构运动输入的函数。串
串联机器人机构运动输出特征方程
4)相互平行(重合)的两个转动必相关， 只对应一个独立转动输出。
5)平行于同一平面的三个转动必 相关。
“ 6)不平行于同一平面的四个转动必相关，三维空间内最多有三个独立的转动输出。 ”
03
串联机器人机构运动 输出特征矩阵运算
串联机器人机构运动输出特征矩阵运算 运动输出特征矩阵运算规则
步骤1 选定单开链的运动 输出特征矩阵MS。
机器人机构实用PPT课件PPT课件
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• 2.手臂:手臂件是机器人的主要执行部件. • 作用:支撑腕部和手部，带动手及腕在空间 • 特点:结构类型多,受力复杂.
运动。
第14页/共58页
机身和臂部设计的特点
• 自由度、结构类型、工作空间、负荷能力、精度等都取决于机身和手臂。 • 1.刚度 • 2.精度 • 3.平稳性 • 4.其他
第15页/共58页
机身和臂部的形式
•1.横梁式
• 运动形式大多为直移型 • (1)单臂悬挂式 • (2)双臂悬挂式 • (3)多臂悬挂式
第16页/共58页
•2.立柱式
• 这类机器人多采用回转型、俯仰型或曲伸型 • （1）单臂 • （2）双臂
第17页/共58页
•3.机座式
• 各种运动形式 • 均可设计成机座式
第42页/共58页
• 2)液压动力源
• 组成：a.直线液压缸
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•
b.旋转液压缸
单杆活塞液 压缸
•
c.电液伺服阀
•
d.液压源及各种辅助阀
• 优点:
• 缺点:
旋转液 压缸
电液压力流量 伺服阀
第43页/共58页
• 3)气压驱动
• 组成:a.直线气缸
•
b.旋转气缸
•
c.气源及各种阀门
• 优点:
• 缺点:
第44页/共58页
第55页/共58页
• 有关动力源和控制方面的性能指标
• (1)驱动方式和容量
• (2)程序存储容量
• (3)插补方式
• (4)编程方式
• (5)分辨率-操作机各轴可有效反应的最小距离或
角
度
第56页/共58页
• 2.手臂:手臂件是机器人的主要执行部件. • 作用:支撑腕部和手部，带动手及腕在空间 • 特点:结构类型多,受力复杂.
运动。
第14页/共58页
机身和臂部设计的特点
• 自由度、结构类型、工作空间、负荷能力、精度等都取决于机身和手臂。 • 1.刚度 • 2.精度 • 3.平稳性 • 4.其他
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机身和臂部的形式
•1.横梁式
• 运动形式大多为直移型 • (1)单臂悬挂式 • (2)双臂悬挂式 • (3)多臂悬挂式
第16页/共58页
•2.立柱式
• 这类机器人多采用回转型、俯仰型或曲伸型 • （1）单臂 • （2）双臂
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•3.机座式
• 各种运动形式 • 均可设计成机座式
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• 2)液压动力源
• 组成：a.直线液压缸
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•
b.旋转液压缸
单杆活塞液 压缸
•
c.电液伺服阀
•
d.液压源及各种辅助阀
• 优点:
• 缺点:
旋转液 压缸
电液压力流量 伺服阀
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• 3)气压驱动
• 组成:a.直线气缸
•
b.旋转气缸
•
c.气源及各种阀门
• 优点:
• 缺点:
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第55页/共58页
• 有关动力源和控制方面的性能指标
• (1)驱动方式和容量
• (2)程序存储容量
• (3)插补方式
• (4)编程方式
• (5)分辨率-操作机各轴可有效反应的最小距离或
角
度
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机器人机构学【ch07】3T-0R并联机器人机构拓扑结构综合与分类 培训教学课件
支路结构类型与支路组合
例如，表7-1中SOC栏第二列所给出的7种类型。
支路结构类型与支路组合
混合单开链支路结构类型
根据表6-1选定4种两支路并联机器人机构，如图7-1所示。
支路结构类型与支路组合
支路组合方案 基于并联机器人机构支路数目、主动副位置，同时考虑到并联机器人机构对 称性、SOC支路与HSOC支路结构特点和运动输出特征，由表7-1所示的支 路类型可设计很多组合方案，均可获得3T-0R并联机器人机构，这里仅列出 部分组合方案。
表7-2中No.22～No.24等并联机器人机构。该类机构在装配时，应满足ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ持瞬时运动
特性不变的条件。然而，制造与装配误差总会存在，故其运动敏感性较强。
”
谢谢观看
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
图7-9所示的3T-0R并联机器人机构。根据主动副判定准则，该并联机器人机构同一平台上的3个P副可 同时为主动副。
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
基于改变支路运动副次序或方向的类型扩展：图7-10所示的两种混合单开链支路运动输出特征等效， 其区别仅在于4R平行四边形回路在支路中位置不同。
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类 基于等效支路的完全取代扩展
① SOC{I-B(1)}，即SOC{-H//H//H//H-}。
② HSOC{I-B(1)}，即HSOC{-R(-P(4R))//R//P-}。
2024年度-机器人教学课件(共26张PPT)pptx
介绍了机器人常用传感器类型、 工作原理及在机器人感知中的应 用。
机器人自主导航与定位
阐述了机器人自主导航的基本原 理、定位方法及SLAM技术。
机器人基本概念与分类
机器人操作系统与编程
介绍了机器人的定义、发展历程 、分类及应用领域。
介绍了ROS的基本概念、功能特 点、常用命令及编程实践。
32
学生自我评价报告分享
第三代机器人
智能型机器人，具备自主 学习和决策能力，能够适 应复杂环境和任务。
5
未来趋势展望
人机协作
随着人工智能技术的发展，未来 机器人将更加注重与人类的协作 ，共同完成任务。
应用领域拓展
随着技术进步和应用需求增加， 机器人将在更多领域得到应用， 如医疗、教育、娱乐等。
自主化
机器人将具备更高的自主性和智 能化水平，能够独立完成复杂任 务。
以促进课程的不断完善和提高。
33
下一步学习计划和资源推荐
深入学习机器人相关领域知识
鼓励学生继续深入学习机器人相关领域知识，如机器视觉、深度学习在机器人中的应用等 。
参加机器人竞赛和项目实践
推荐学生参加各类机器人竞赛和项目实践，锻炼自己的实践能力和团队协作能力。
利用在线资源进行自主学习
推荐学生利用MOOCs、在线实验室等资源进行自主学习和实践操作，提高自己的学习效 果和兴趣。
01
学习成果展示
通过课程学习，学生能够掌握机器人基本概念、运动学与控制、传感器
与感知、自主导航与定位等关键知识点，并具备一定的实践操作能力。
02
学习方法分享
学生可以采用多种学习方法，如课前预习、课后复习、小组讨论、实践
操作等，以提高学习效果和兴趣。
工业机器人结构设计ppt课件
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
N
N
P
N=P/2 注：①两手指平移 ②增力比（N/P）小
齿轮齿条式手部结构
No.32
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
α
γB A β
P
C
EN
N
N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)
2、开式连杆系中的每根连杆都 具有独立的驱动器，属于主动连 杆系，连杆的运动各自独立，不 同连杆的运动之间没有依从关系， 运动灵活。
No.5
2.1 机器人本体的基本结构
二、机器人本体基本结构特点：
3、连杆驱动扭矩的顺态过程在 时域中的变化非常复杂，且和执 行器反馈信号有关。连杆的驱动 属于伺服控制型，因而对机械传 动系统的刚度、间隙和运动精度 都有较高的要求。
应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形 状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工 件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘 状吸头。
No.41
2.2.2 吸附式手部的设计
三、气吸式手部的吸力计算
吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或 负压的大小)与吸附面积的大小。
真空吸盘吸力F计算公式：
F nD2 ( H )
4K1K2K3 76
注：①AB＝DE，DB＝AE，L＝BC杆长，l＝AB杆长； ②两手指保持平行；③当α角较小时，可获得较大的力比。
平行连杆杠杆式手部结构
No.33
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
P
φ
α
c
bN
N
N=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ
机器人机构学基础课件第2章
对于给定的 ABT 求 BAT
步骤：
➢
利用旋转矩阵的正交性质，可以得出
B A
R
R A 1
B
Bபைடு நூலகம்RT
➢
求出原点 A pBo在坐标系
{B}中的描述：B pAo
B A
R
A
pBo
BART
A pBo
➢
得到 BAT 表达式:
BAT
BART 0
BART 1
A
pBo
2.4.3 变换方程
{B}代表基坐标系，{T} 工具坐标系，{S}是工作台 坐标系，{G}是目标坐标系， 则它们之间的位姿关系可 以用相应的齐次变换矩阵 来描述。
（3） 工作台（用户）坐标系（S）： 在工作台上建立用户坐标系---用 于示教编程。 （4） 工件坐标系（Work Object Coordinate System）： 表示的相对 位置—用于创建目标和路径。 （5） 腕坐标系（W）： 定义工具方向。 （6） 工具坐标系（T）： 与腕坐标系配合，确定两者之间的相对位姿。。 （7） 目标坐标系（T）： 描述机器人运动结束时工具的位置。
A B
R
I
当表示姿态时，有 AP 0
机器人末端手爪的位姿描述：选定一个参考坐标系{A}，另规定一坐标 系与手爪固连，称手爪坐标系{T}
n oa
手爪坐标系{T}这样规定的： 其z轴设在手爪接近物体的方向，z轴单位矢量称为接近矢量，用a表示；y 轴设在两手指的连线方向，y轴单位矢量称为方位矢量，用o表示；x轴方向 由右手法则确定，其单位矢量称为法向矢量，用n表示。
cos x,zb cos y,zb cos z,zb
按旋转的相对性，有：
B A
【课件】机器人机构学第一章1精品版
学理论及控制>>
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机器人的工作空间，机器人静态力学计算
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机器人动力学研究内容及建模方法，拉格朗日方程
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拉格朗日方程的一般形式，牛顿—欧拉方程
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2 刚性机器人动力学方程举例，弹性机器人动力学简介
付京孙<<机器人学>> 蔡自兴<<机器人学>>
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机器人规划的作用与任务，机器人的轨迹规划
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机器人控制与感觉技术简介
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机器人控制与感觉技术简介，课程总结
付京孙<<机器人学>> 蔡自兴<<机器人学>>
第一章 绪论
4
四
5~ 6
D13 √
5
二
7~ 8
D13 √
5
四
5~ 6
D13 √
6
二
7~ 8
D13 √
6
四
5~ 6
D13 √
7
二
7~ 8
D13 √
7
四
5~ 6
D13 √
8
二
7~ 8
机器人机构学【ch09】移动机器人的运动机构 培训教学课件
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概述
图 9-2给出了各种移动机构在不同路面条件下的速度与功率对照情况。
概述
腿式移动机器人根据支撑腿数量可划分为单腿、双腿、三腿、四腿、六腿、八腿，甚至更 多腿的移动机器人。腿的数目越多，支撑能力越强，行走稳定性越好，这适用于重载和慢 速移动。但腿的数目多也会带来机器人臃肿，步态规划复杂的问题。在实际应用中，由于 双腿和四腿移动机器人具有最好的适应性和灵活性，也最接近人类和动物，所以用得最多。
腿的数目
如图9-4所示，一些大型动物(如哺乳动物和爬行动物)有4条腿，昆虫有6条腿或更多，而某些哺乳动物 仅靠2条腿行走已经很完美了。
腿式移动机器人
尤其是人类，平衡能力已经进化到可用单腿进行跳跃的水平。这种超乎寻常 的机动性对于移动机器人而言涉及更复杂的主动控制，需要以更高代价来保 持身体的平衡。相比之下，如果动物有3条腿且能保证其重心处于与地面接 触点所构成的三角区内，它就能够像3条腿的凳子一样展示静止、稳定的状 态。静态稳定意味着不需要通过运动而保持平衡。
运动的关键问题
接下来，介绍一下动态稳定。当刚体处于运动状态时，其平衡的充要条件是 所受重力和惯性力合力的延长线经过支撑区域内部。合力的延长线与支撑区 域的交点称为零力矩点(Zero Moment Point，ZMP)，换句话说，只要 ZMP落在支撑区域内，即可实现动态稳定。 上述是从机械学和物理学出发对移动机器人运动的基本原理进行的理论分析， 接下来，进一步探讨腿式移动机器人和轮式移动机器人。
腿式移动机器人
对于腿式移动机器人，一般要求至少有2个自由度，通过提腿和摆腿使机器人移动，如图9-5所示。
腿式移动机器人
稍复杂的腿，附加了第3个自由度，如图9-6所示。
腿式移动机器人 步态规划
机器人机构学基础课件第6章
0
1 2
tb2
联立两式，且 t 2th ，可以得到
tb2 ttb f 0 0
式中 t 是期望的运动时间，对于任意给定的 f 、 0 和 t ，可通过选取满足 上式的 和 tb 来获得任一路径。
以上仅考虑了操作臂在A和B点之间的运动，如果要求操作臂顺序平稳地通 过这些点，则必须包括中间点和过渡点。
假设操作臂从A点经过B点运动到C点。 一种方法是从A向B先加速，再匀速，接 近B点减速并在达到B点时停止，然后由 B到C重复这一过程（包括了不必要的停 止动作）。另一种方法是将B点两边的运 动进行平滑过渡：先接近B点，然后沿平 滑过渡的路径重新加速，最终抵达并停止 在C点。
的动力学，并用到各种逼近处理的方法来实现操作臂在运动过程中保持受控 的运动序列。
1
6.1 轨迹规划的基本原理
路径（path）表示在关节空间或操作空间中，操作臂在执行指定运动时必 须跟随的点的轨迹。因此，路径是运动的纯几何描述。
轨迹（trajectory）则是一条指定的、随时间变化的路径，例如在每一点的 速度和/或加速度。
例如如果要确定在路径曲线段的起始点和终止点的位置速度和加速度则需要用一个五次多项式进行插值即??2345012345taatatatatat???????00234501234501234123450223234523452261220fffffffffffffffaaatatatatataaatatatataaatatat????????????????????????????????????0010022000332000442000552202081232303014163221212662ffffffffffffffffffaaattatttatttat??????????????????????????????????????????624抛物线过渡的线性函数单纯的线性插值将导致在起始点和终止点的关节运动速度不连续
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① 运动自由度的定义 ② 以自由度分类的机器人 ③ 自由度的分布
整理ppt
8
机器人自由度的定义
定义：用来确定手部相对于机身位置的每个独立
变化的参数，称为机器人的自由度。
整理ppt
9
以自由度分类的机器人
任一自由的空间物体，须有六个自由度描述 其在空间的位置和姿态，三个正交移动轴，决 定物体的位置；三个绕坐标轴 的转动，决定物 体的姿态变化。
⑴ 伸缩型 ⑵ 伸缩与旋转型 ⑶ 屈伸型 ⑷ 弹性手臂 ⑸ 柔性手臂
称六个自由度机器人为满自由度机器人， 少于六个自由度机器人为欠自由度机器人， 多于六个自由度机 器人为冗余自由度机器人。
整理ppt
第一节10
自由度的分布
一般机器人的机身和手臂构成前三个关节， 具有三个自由度，可确定手部在空间的位置，
所构成的机构称位置机构；
手腕和手部构成后三个关节，具有三个自 由度，可确定手部在空间的姿态，所构成的机
（1）直移型：直线运动 L 伸缩运动 E
（2）回转型：扭角运动 T 摆角运动 R
整理ppt
第一节14
3、 机器人工作空间
1）定义：
手腕部坐标系原点PW能在空间活 动的最大活动范围。又称可达空间 ，或总 工作空间，记W(PW) 。
整理ppt
15
直角坐标机器人的工作空间示意图
整理ppt
16
圆柱坐标机器人的工作空间示意图
第二节 机身和臂部机构
1、机身和臂部的作用 2、机身和臂部机构设计的特点 3、机身结构 4、臂部结构
整理ppt
24
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、机身和臂部的作用
1）机身定义：机身是连接、支承手臂及行走机构的部件 作用：臂部的驱动装置或传动装置安装在机身上。 类型：机身有固定式和行走式两种。
2）手臂定义：手臂部件是连接机身和手腕的部件。 作用：支承腕部和手部，带动手及腕在空间运动。 特点：结构类型多、受力复杂。
圆柱坐标型
人图 1
四 种 坐 标 机 器
关节型
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第一节3
1、机器人机构的分类
1）直角坐标型机器人
沿着三个互相垂直的 轴线移动来改变手部的 空间位置。其前三关节 为移动关节（PPP）运 动形式如图：
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4
2）圆柱坐标型机器人
该类操作机是通过两个 移动和一个转动（RPP）来 实现手部的空间位置的变 化，运动形式如图所示：
① 运动部件力求结构紧凑、重量轻；
② 减少重心布置不当而造成的偏心附加力矩；
4）其他：对特殊要求的要有相应措施，如防爆、防尘、
防水、防真空、防辐射、防腐蚀等。
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3、机身和臂的配置形式及结构
机身是支承手、臂且带其运动的部件，由于机器 人的运动形式、使用条件 、负荷能力各不相同，所采 用的驱动装置，传动机构、导向装置亦不同，使机器 人机身有很大差异，结构十分复杂。
第二章 机器人机构学
第一节 概述 第二节 机身和臂部机构 第三节 手腕部机构 第四节 行走部机构 第五节 机器人关节的驱动、传动机构 第六节 机器人的各种性能指标 第七节 并联机器人
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1
第一节 概述
1 机器人机构的分类 2 机器人机构的运动 3 机器人工作空间
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2
直角坐标型 球坐标型
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20
3）奇异形位
W(P)总工作空间的边界点所对应的 机器人的位置和姿态，及机器人工作空 间内部使机械产生干涉的位置和姿态。
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21
4）两个基本问题
1）正问题：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， 称工作空间分析。
2）逆问题：给出某一限定的工作空间，求操作
定位精度。机器人终端执行器（手部）的精度与 臂和机身的位置精度密切相关。影响机器人精度 的因素有：
① 刚度
② 制造和装配精度
③ 手腕部在手臂上的连接和定位方式
④ 运动部件的导向精度
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3）平稳性 ：机身和臂部的运动多、质量较大、当负
荷大且高速运行时，由于运动状态变化，将产生冲击 和振动。应采取有效的缓冲装置以吸收冲击能量。
分类: 1)横梁式
2)立柱式 3)屈伸式 4)类人型;
垂直平面屈伸 水平平面屈伸（SCARA） 空间屈伸
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基座与立整柱理p结pt 构图
30
PUMA-262型机器人
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31
4、臂部结构
臂部主要包括臂杆，以及自身屈伸、伸缩、 自转等运动有关的传动、驱动、导向定位、支录、 位置检测元件等，主要结构有：
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5
3）球坐标型机器人
该类操作机用两个转动 和一个移动（RRP）来 改变手部的空间位置， 运动形式如图所示：
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6
4）关节型机器人
这类操作机是模拟 人的上臂而构成的。它 的前三个关节都是转动 关节（RRR），运动形 式如图所示：
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7
2、机器人机构的运动
1）机器人的运动自由度
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 。
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5）确定工作空间的方法
（1）解析法 用数学模型计算工作空间的边界 （2）图解法 国标规定了工作空间的几何作图法
① 结构限制分析 ② 画出工作空间的主剖面（xoz剖面） ③ 画出工作空间的俯视剖面（xoy剖面）
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23
构称之为姿态机构。
位置机构确定机器人的 空间工作范围，
其运动称为 主运动 。
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图2-3 PUMA操作机的各个自由度 1—机座 2—腰部 3—臂部 4—腕部 5—手部
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2）机器人的运动范围
指机器人手腕在空间运动图形及其大小， 运动范围取决于臂部的自由度。
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13
3）机器人的各种运动形式
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2、机身和臂部机构设计的特点
1）刚度 ：为了得到较高的精度，机器人机身和手臂的
机械结构刚度比强度更重要。刚度可分为结构刚度、 支承刚度、伺服刚度等。
①根据受力情况，合理选择截面形状与尺寸； ②提高支承刚度和接触刚度； ③合理布置作用力的位置和方向；
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2）精度 ：机器人的精度可分为绝对精度和重复
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球坐标机器人的工作空间示意图
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18
PUMA机器人工作空间示意图
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2）灵活工作空间
灵活工作空间：末端执行器可以任意姿态达到 的工作空间，记作WP(P)。
Ⅰ类灵活工作空间以全方位到达， Ⅱ类灵活工作空间只能以有限个方位到达。
次灵活工作空间：总工作空间去掉灵活工作空 间的部分，WS(P)。
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8
机器人自由度的定义
定义：用来确定手部相对于机身位置的每个独立
变化的参数，称为机器人的自由度。
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以自由度分类的机器人
任一自由的空间物体，须有六个自由度描述 其在空间的位置和姿态，三个正交移动轴，决 定物体的位置；三个绕坐标轴 的转动，决定物 体的姿态变化。
⑴ 伸缩型 ⑵ 伸缩与旋转型 ⑶ 屈伸型 ⑷ 弹性手臂 ⑸ 柔性手臂
称六个自由度机器人为满自由度机器人， 少于六个自由度机器人为欠自由度机器人， 多于六个自由度机 器人为冗余自由度机器人。
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第一节10
自由度的分布
一般机器人的机身和手臂构成前三个关节， 具有三个自由度，可确定手部在空间的位置，
所构成的机构称位置机构；
手腕和手部构成后三个关节，具有三个自 由度，可确定手部在空间的姿态，所构成的机
（1）直移型：直线运动 L 伸缩运动 E
（2）回转型：扭角运动 T 摆角运动 R
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第一节14
3、 机器人工作空间
1）定义：
手腕部坐标系原点PW能在空间活 动的最大活动范围。又称可达空间 ，或总 工作空间，记W(PW) 。
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直角坐标机器人的工作空间示意图
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圆柱坐标机器人的工作空间示意图
第二节 机身和臂部机构
1、机身和臂部的作用 2、机身和臂部机构设计的特点 3、机身结构 4、臂部结构
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、机身和臂部的作用
1）机身定义：机身是连接、支承手臂及行走机构的部件 作用：臂部的驱动装置或传动装置安装在机身上。 类型：机身有固定式和行走式两种。
2）手臂定义：手臂部件是连接机身和手腕的部件。 作用：支承腕部和手部，带动手及腕在空间运动。 特点：结构类型多、受力复杂。
圆柱坐标型
人图 1
四 种 坐 标 机 器
关节型
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第一节3
1、机器人机构的分类
1）直角坐标型机器人
沿着三个互相垂直的 轴线移动来改变手部的 空间位置。其前三关节 为移动关节（PPP）运 动形式如图：
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2）圆柱坐标型机器人
该类操作机是通过两个 移动和一个转动（RPP）来 实现手部的空间位置的变 化，运动形式如图所示：
① 运动部件力求结构紧凑、重量轻；
② 减少重心布置不当而造成的偏心附加力矩；
4）其他：对特殊要求的要有相应措施，如防爆、防尘、
防水、防真空、防辐射、防腐蚀等。
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3、机身和臂的配置形式及结构
机身是支承手、臂且带其运动的部件，由于机器 人的运动形式、使用条件 、负荷能力各不相同，所采 用的驱动装置，传动机构、导向装置亦不同，使机器 人机身有很大差异，结构十分复杂。
第二章 机器人机构学
第一节 概述 第二节 机身和臂部机构 第三节 手腕部机构 第四节 行走部机构 第五节 机器人关节的驱动、传动机构 第六节 机器人的各种性能指标 第七节 并联机器人
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第一节 概述
1 机器人机构的分类 2 机器人机构的运动 3 机器人工作空间
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2
直角坐标型 球坐标型
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20
3）奇异形位
W(P)总工作空间的边界点所对应的 机器人的位置和姿态，及机器人工作空 间内部使机械产生干涉的位置和姿态。
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4）两个基本问题
1）正问题：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， 称工作空间分析。
2）逆问题：给出某一限定的工作空间，求操作
定位精度。机器人终端执行器（手部）的精度与 臂和机身的位置精度密切相关。影响机器人精度 的因素有：
① 刚度
② 制造和装配精度
③ 手腕部在手臂上的连接和定位方式
④ 运动部件的导向精度
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3）平稳性 ：机身和臂部的运动多、质量较大、当负
荷大且高速运行时，由于运动状态变化，将产生冲击 和振动。应采取有效的缓冲装置以吸收冲击能量。
分类: 1)横梁式
2)立柱式 3)屈伸式 4)类人型;
垂直平面屈伸 水平平面屈伸（SCARA） 空间屈伸
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基座与立整柱理p结pt 构图
30
PUMA-262型机器人
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31
4、臂部结构
臂部主要包括臂杆，以及自身屈伸、伸缩、 自转等运动有关的传动、驱动、导向定位、支录、 位置检测元件等，主要结构有：
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3）球坐标型机器人
该类操作机用两个转动 和一个移动（RRP）来 改变手部的空间位置， 运动形式如图所示：
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4）关节型机器人
这类操作机是模拟 人的上臂而构成的。它 的前三个关节都是转动 关节（RRR），运动形 式如图所示：
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2、机器人机构的运动
1）机器人的运动自由度
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 。
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5）确定工作空间的方法
（1）解析法 用数学模型计算工作空间的边界 （2）图解法 国标规定了工作空间的几何作图法
① 结构限制分析 ② 画出工作空间的主剖面（xoz剖面） ③ 画出工作空间的俯视剖面（xoy剖面）
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构称之为姿态机构。
位置机构确定机器人的 空间工作范围，
其运动称为 主运动 。
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图2-3 PUMA操作机的各个自由度 1—机座 2—腰部 3—臂部 4—腕部 5—手部
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2）机器人的运动范围
指机器人手腕在空间运动图形及其大小， 运动范围取决于臂部的自由度。
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3）机器人的各种运动形式
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2、机身和臂部机构设计的特点
1）刚度 ：为了得到较高的精度，机器人机身和手臂的
机械结构刚度比强度更重要。刚度可分为结构刚度、 支承刚度、伺服刚度等。
①根据受力情况，合理选择截面形状与尺寸； ②提高支承刚度和接触刚度； ③合理布置作用力的位置和方向；
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2）精度 ：机器人的精度可分为绝对精度和重复
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球坐标机器人的工作空间示意图
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PUMA机器人工作空间示意图
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2）灵活工作空间
灵活工作空间：末端执行器可以任意姿态达到 的工作空间，记作WP(P)。
Ⅰ类灵活工作空间以全方位到达， Ⅱ类灵活工作空间只能以有限个方位到达。
次灵活工作空间：总工作空间去掉灵活工作空 间的部分，WS(P)。