第五章 机器人操作机工作空间
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。
机器人操作机工作空间共34页
r r t,
rt r 0
式中
rt
r t
，r r
9
曲面族的包络： 设有曲面 用向量方程表示：
： rru,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:
： rru,v,
它们之间的环形面积即Wp(P)。
C2
4
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
长度(即H杆的长度)，则：
1) 2)
圆C圆1:C半4:径半为径为R R14ll11ll22hh，
，
3) 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 l1l2h， 圆C3:半径为 R1 l1l2h， C4 C3
C1
分别是灵活工作空间的边界。
曲面族的包络 的方程为：
：
r r u,v,
(ru rv ) ra 0
式中 ru r u，rv r v，r r
10
若 再以 为参数运动，得到曲面族 ，其包络（称为
作两类：
I类 —末端执行器以全方位到达的点所构成的灵活空间，
表示为 Wp1 (P) ；
II类 —只能以有限个方位到达的点所构成的灵活空间，
表示为 Wp2 (P)。
3
下面以平面3R操作机为例，说明上述基本概念。
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。
机器人操作机工作空间
式中 rt r
r r t , rt r 0
， r t r
9
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 。
15
腕点工作空间
16
PUMA560型机器人无结构限制时的工作空间轴剖面
17
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
23
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
工业机器人第五章
（2）在线示教（On －line Teaching）
在机器人工作现场操纵机器人完成全部操作运动，并记录 下位姿等参数的方法，称为～。
条件： 机器人各个关节采用闭环控制（？），具备获得位姿 值的条件（例如利用编码器可以获得关节转角值）。
手把手示教 示教装置示教
手把手示教：
操作员用手直接推动机器人经过一系列示教点。
条件：
编程工具（语言）和显示界面。
机器人控制柜（或示教盒）要含有输入界面（如键盘）和 显示界面（如显示屏）等！ 先进机器人基本采用混和示教方式！
四. 示教－再现原理（Teach－Playback)
借助于示教获得机器人的轨迹参数，然后再依靠控制系统 将运动复现出来的方法，称为示教－再现。 关键在于“示教”！再现功能的实现相对容易。 示教再现机器人：
轨迹参数； 示教再现原理； 关节控制曲线； 多轴协调； 轨迹插补； 学习基础： 电机学 古典控制理论 测试技术
§5.1 轨迹参数
从运动学的角度看，机器人控制的目的就是实现要求的运动！ 问题：如何向机器人描述希望的运动？
一.轨迹参数
轨迹： 机器人末端执行器标架在运动过程中的广义位移、 广义速度和广义加速度，称为～ 轨迹参数： 描述轨迹的参数，称为～ 主要参数 位姿－轨迹上各点位姿
使用机器人语言的目的是为了进行运动编程； 许多通用计算机语言都具备此类功能； 通用计算机语言功能更多； 现在的机器人控制器远比早期时强大。 对通用计算机编程语言进行改造，保留相关功能，剪裁无 用功能，增加新的函数，即可以快速得到一种不错的机器 人语言，例如ROBOC。
§5.2 轨迹实现
一. 控制方式 1. 点到点控制（PTP-Point To Point）
第五章
工业机器人工作空间规划与控制研究
工业机器人工作空间规划与控制研究工业机器人在制造业中的应用越来越广泛，随着科技的不断发展，工业机器人在生产中的作用和应用也越来越重要，因此关于工业机器人工作空间规划和控制的研究也日益受到重视。
一、工业机器人工作空间规划研究工业机器人的工作空间规划是指为工业机器人设计合理的工作空间，使其能够充分发挥其作用，同时确保工作环境的安全性和舒适性。
对于工业机器人的工作空间规划，需要考虑以下几个方面：1、工作现场的大小和高度由于工业机器人的工作范围和机器人臂的长度等因素，要求工作空间的大小和高度足够大，以便机器人能够自由移动并完成工作。
2、机器人周围的安全空间为了保证工业机器人能够在安全的情况下完成工作，需要在机器人周围设置足够的安全空间，预留出人员和机器人之间的距离，防止机器人在运作时误伤人员。
3、机器人的维护空间工业机器人在运作过程中，需要对其进行维护和保养，因此需要设计合理的机器人维护空间，以方便技术工人对机器人进行维修和保养。
4、机器人与周围设备和设施的协作工业机器人在工作过程中，需要与周围的设备和设施协作，因此需要在工作空间环境中考虑这些因素，以保证机器人能够顺利完成工作。
基于以上几个方面的考虑，对于工业机器人的工作空间规划，需要在机器人的安装和运行前进行相关的设计和规划，以保证机器人在工作时能够顺利完成任务，并确保机器人的工作环境安全和舒适。
二、工业机器人控制研究工业机器人的控制是指对工业机器人进行指令和控制，以实现机器人的自主运作，同时确保机器人能够安全高效地完成工作。
工业机器人的控制主要包括以下几个方面：1、机器人的编程机器人编程是指对机器人进行程序设计，以指导机器人完成各种任务。
机器人编程需要涉及到机器人的运动控制、传感器控制、路径规划等方面，因此需要经过专业的编程培训和实践操作，以掌握机器人编程的技术和方法。
2、机器人的控制系统机器人的控制系统是机器人运作的核心，它包括机器人控制器、传感器、执行机构和通讯接口等，通过这些组成部分，可以实现对机器人的精确控制以及对机器人运作过程的监控。
简述工业机器人工作空间的定义
简述工业机器人工作空间的定义
嘿，你知道工业机器人工作空间是什么吗？这可太重要啦！它就像是机器人的活动范围，就好比我们人能在一定的区域里自由活动一样。
工业机器人的工作空间，可不是随随便便就确定的呀！它是经过精心设计和考量的呢。
想象一下，如果机器人的工作空间不合理，那会怎么样？那不就像一个人被限制在一个很小的地方，没法大展身手嘛！这工作空间就决定了机器人能做什么，能去到哪里。
它就如同一个隐形的舞台，机器人在上面尽情表演。
有的机器人工作空间大得惊人，可以在偌大的工厂里灵活穿梭，完成各种复杂的任务；而有的可能就相对小一些，但也能在自己的小天地里发挥重要作用。
这工作空间可不是固定不变的哟！它会受到很多因素的影响呢。
比如机器人的结构设计，不同的设计会带来不同大小和形状的工作空间。
还有它的关节活动范围，这就好像我们的胳膊能伸展的程度一样，决定了它能触及的范围。
而且呀，工作空间的确定可不是一件简单的事儿。
需要工程师们精心计算和测试，要考虑到各种实际情况。
这就好像给机器人打造一个最合适的家一样，得让它住得舒服，还能发挥出最大的本事。
那这工作空间到底有多重要呢？这还用说嘛！它直接关系到机器人能不能高效地完成工作呀！如果工作空间不够，机器人就会受到限制，没法充分发挥自己的能力。
但如果工作空间太大，又可能会造成浪费。
所以啊，我们一定要重视工业机器人工作空间这个概念。
它就像一把钥匙，能打开机器人高效工作的大门。
只有让机器人在合适的工作空间里，它才能为我们创造更大的价值，不是吗？这就是工业机器人工作空间，一个看似简单却又无比重要的概念！。
机器人操作空间模型的构建及应用
机器人操作空间模型的构建及应用随着科技的不断发展，机器人的应用越来越广泛。
机器人可以在极端环境下工作，或替代人类进行危险的操作。
在许多领域中，机器人已经成为不可或缺的工具，如航空航天、制造业、医疗保健等。
但是，机器人在操作过程中，操作空间的构建和管理却是一个重要而复杂的问题。
机器人操作空间模型的构建是指建立机器人执行任务时所能到达的点集合。
机器人操作空间模型的构建能够为机器人的路径规划、避障、姿态控制等提供基础。
在机器人操作空间模型中，通常需要考虑的问题包括机器人的连杆长度、工具长度、传感器的测量误差、机器人的关节限制等。
机器人操作空间模型的构建可以通过各种方法实现，例如基于几何体模型、基于网格模型和基于点云模型。
其中，基于几何体模型是一种基于文件格式的模型，由CAD软件创建并转化为机器人系统所需的文件格式。
这种模型可以有效地描述机器人操作空间的几何形态和轮廓，但对于机器人姿态控制方面较为困难，不能考虑机器人关节的限制等因素。
基于网格模型则是一种离散化的表达方式，可以对机器人操作空间进行建模。
该模型经常使用多边形网格来表示机器人操作空间中的障碍物，支持三维的空间模型表示。
该模型能够很好地处理机器人的姿态控制和碰撞检测等问题，但是需要较大的计算量，不适合实时应用。
基于点云模型则是一种对机器人操作空间建模的创新方法，在最近的研究中得到了越来越多的关注。
该模型通过激光扫描、相机摄像、脱式运动物体和可编程交互来获取点云数据。
点云模型的优势在于能够快速实现数据的采集和处理，能够实现更加快速和精确的建模，尤其是对于不规则和复杂的环境建模更具优势。
机器人操作空间模型的构建对于机器人的应用具有十分重要的意义。
除了为机器人的路径规划、避障等提供基础，还有其他的应用场景。
例如在手术机器人中，通过3D点云重建人体表面，可以为手术提供更准确的目标；在制造业中，机器人操作空间模型的构建可以为生产线的优化提供支持，提高生产效率。
机器人工作空间规划与优化
机器人工作空间规划与优化随着科技的不断进步和人工智能的快速发展，机器人正成为现代工业生产的重要组成部分。
机器人的智能化和自主性能力不断提高，其能够在工厂、仓库等各种场景中完成各种复杂的工作任务。
然而，机器人的工作空间规划与优化问题也逐渐凸显出来。
机器人的工作空间规划主要是指如何合理地规划机器人在工作环境中的移动和操作范围，以提高其工作效率和灵活性。
对于机器人来说，工作空间是其日常工作的核心要素，不仅涉及到运动范围的限制，还包括与人和其他机器人的协同工作等方面的问题。
首先，机器人的工作空间必须考虑到其自身的运动能力和限制。
不同类型的机器人具有不同的运动方式和移动能力，因此在规划工作空间时必须充分考虑到机器人的这些特性。
例如，一些机器人可以自由移动，而另一些机器人则需要在固定轨道上运动。
在规划机器人的工作空间时，需要综合考虑机器人的机械结构限制、工作载荷和运动半径等因素。
其次，机器人的工作空间规划还需要考虑到与人的安全协同工作。
随着机器人在工业生产中的广泛应用，与之共同工作的人越来越多。
因此，机器人的工作空间规划必须确保机器人与人的安全距离，以避免潜在的伤害风险。
这可以通过设置传感器和防护装置等方式来实现。
此外，机器人的动作和路径规划也需要考虑到与人的协同工作，以确保工作的高效和安全。
另外，机器人的工作空间规划还需要综合考虑与其他机器人的协同工作。
在某些工业场景中，多个机器人可能需要在同一时间内完成各自的工作任务，因此机器人的工作空间规划也需要考虑到多机器人之间的协作问题。
在规划机器人的工作空间时，可以利用机器人之间的通信和协作技术，将各个机器人的工作区域分配合理，以避免冲突和重复。
这需要综合考虑机器人的工作负载、工作优先级和任务时限等因素，以确保多机器人的高效协同工作。
最后，机器人的工作空间规划还需要考虑到环境的动态性。
在工业生产环境中，机器人的工作空间往往会受到环境条件的变化和不确定性的影响。
例如，工作场所可能存在障碍物的移动和新增的情况，可能会影响机器人的工作范围和路径规划。
四自由度机器人手臂工作空间分析
四自由度机器人手臂设计---工作空间分析050696135 张东红指导老师：刘铁军讲师第1章绪论1．1 机器人的概念我们一直试图为自己的研究对象下一个明确的定义----就象其他所有的技术领域一样----始终未能如愿。
关于机器人的概念，真有点像盲人摸象，仁者见仁，智者见智。
在此，摘录一下有代表性的关于机器人的定义：牛津字典：Automation with human appearance or functioning like human科幻作家阿西莫夫（Asimov）提出的机器人三原则：第一，机器人不能伤害人类，也不能眼见人类受到伤害而袖手旁观；第二，机器人必须绝对服从人类，除非人类的命令与第一条相违背；第三，机器人必须保护自身不受伤害，除非这与上述两条违背；日本著名学者加藤一郎提出的机器人三要件：1．具有脑、手、脚等要素的个体；2．具有非接触传感器（眼、耳等）和接触传感器；3．具有用于平衡和定位的传感器；世界标准化组织（ISO）机器人是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务的机器。
细细分析以上定义，可以看出，针对同一对象+所做的定义，其内涵有很大的区别，有的注重其功能，有的则偏重与结构。
这也就难怪对同一国家关于机器人数量的统计，不同资料的数据会很大差别。
虽然现在还没有一个严格而准确的普遍被接受的机器人定义，但我们还是希望能对机器人做某些本质性的把握。
首先，机器人是机器而不是人，它是人类制造的替代人类从事某种作业的工具，它只能是人的某些功能的延伸。
在某些方面，机器人可具有超越人类的能力，但从本质上说机器人永远不可能全面超越人类。
其次，机器人在结构上具有一定的仿生性。
很多工业机器人模仿人的手臂或躯体结构，以求动作灵活。
海洋机器人则在一定程度上模仿了鱼类结构，以期待得到最小的水流阻力。
第三，现代机器人是一种机电一体化的自动装臵，其典型特征之一是机器人受微机控制，具有（重复）编程的功能。
机器人操作机工作空间ppt课件
越大，C4越小，总工作空 C4
间越大；但相应的灵活工
C3
作空间则由于C2的增大和
C3的减小而越小。
C1 C2
4)工作空间同时受关节的转角限制。
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。
32
▪ 重复精度 指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅 与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的 精度及机器人的动态性能有关。 ▪ 控制模式 引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软 件编程模式；自主模式。 ▪ 运动速度 单关节速度；合成速度。 ▪ 其它动态特性 如稳定性、柔顺性等。
下面取两旋转关节进行图解讨论。
18
若 n1 0
Zn
Zn-1
Zn
Zn-1
Zn-1
Zn
19
若 n1 90
Zn-1
Zn-1
20
例2 用图解法考察Motorman型机器人操作机的工作空间。
21
22
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
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。
工业机器人现场编程-机器人的工作空间-课件
开笛卡尔空座空间窗口；
（2）为工作空间设定一个编号和名称，按需要输入值，并选择工作空间模式； （3）单击保存；
（4）单击信号，信号窗口被打开；
（5）在笛卡尔式一栏中：在工作空间编号处输入当超出工作空间时应赋值的输出端； （6）按下保存； （7）关闭窗口。
总结
• 学习了工作空间的相关知识，包括工作空间的特点握。 • 在日常的学习中多加练习，熟练的掌握相关知识。
有监控时间：提出进入要求时，将自己的区域锁闭，在经过了一段监控时间后才检查新的区域。如
果相关区域未锁闭，则机器人允许立即进入该区域。如果两个要求几乎同时提出，则锁闭区域。
带逻辑控制（优先级）的信号传递
进入要求与进入许可通过逻辑彼此相联。当同时出现进入要求时，优先级控制负责允许哪个机器人 进入共同的工作区域。除了优先级控制外，还可为进入许可检查机器人（TCP）是否在工作区域内， 为此须定义工作空间。
工作空间： 人员保护工作空间
为工作人员提供保护，只能借助于附加选项SafeOperation设置
设备保护工作空间
可在机器人系统软件8.x中配置，只用于保护设备
工作空间锁定和工作空间的原理
• 工作空间的锁定 • 直接耦合（无PLC）时的过程
直接传递信号（采用PLC时无逻辑控制）
无等待时间：有进入要求时，如果相关区域未锁闭，则机器人允许立即进入该区域。但如果两台机 器人同时收到了进入要求时，它们都得到进入许可，一般情况下会引起碰撞。
• 工作空间配置原理
• 工作空间模式
模式 OFF 说明
工作空间监控已关闭。 笛卡尔工作空间：当TCP或法兰坐标系位于工作空间内时，所定义的输出端被
INSIDE
机器人技术试题及答案.doc
机器人技术试题及答案第一章引言1。
国际标准化组织对机器人的定义是什么？国际标准化组织对机器人的定义是全面而准确的。
它的意思是:机器人的动作机制具有类似于某些器官（肢体、感官等）的功能。
）指人类或其他生物。
机器人多才多艺，有各种类型的工作和灵活多变的动作程序。
机器人有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等。
机器人是独立的，一个完整的机器人系统可以独立于人类干预而工作。
2.工业机器人是如何定义的？工业机器人是指应用于工业领域的一种自动控制、可重复编程、多功能、多自由度、多用途的机械手，能够搬运材料、工件或搬运工具来完成各种操作。
机械手可以固定在一个地方或往复小车上。
3.根据几何结构，机器人可以分为哪几种？直角坐标式圆柱坐标式球面坐标式关节坐标式4.机器人的参考坐标系是什么？全球参考坐标系联合参考坐标系工具参考坐标系5.机器人的自由度和工作空间是多少？机器人的自由度是指其末端执行器相对于参考坐标系独立运动的次数，但不包括末端执行器打开和关闭的自由度。
自由度是机器人的一项重要技术指标，它由机器人的结构决定，直接影响机器人能否完成适合目标操作的动作。
机器人的工作空间是指机器人末端的参考点可以到达的所有空间区域。
由于末端执行器的形状和尺寸各不相同，为了真实反映机器人的特征参数，工作空间指的是末端执行器未安装时的工作区域。
第二章1.机器人系统的三个部分是什么？回答: 操作员、驾驶员、控制系统2.什么是机器人操纵器？零件是什么？回答: 机器人的机械手是一种空间开链机构，通过活动关节（旋转关节或活动关节）连接在一起，主要由手、腕、臂和底座组成。
3.简要描述机械手的功能，它们分为哪些类别？回答:角色:机器人的手也被称为末端执行器。
它是机器人直接用来抓持（或吸附）工件或操作特殊工具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）的部件。
），具有模仿人手动作的功能，安装在机器人手臂的最前端。
分类:1.机械夹紧手2。
吸附手3。
特殊手4。
机器人路径规划与工作空间分析
机器人路径规划与工作空间分析引言：在机器人技术的不断发展与应用中，机器人路径规划与工作空间分析成为了一个关键的研究领域。
机器人路径规划是指在给定的环境下，寻找机器人从初始位置到目标位置的最优路径的过程。
而工作空间分析则是对机器人在执行任务时所占用的空间进行分析与评估，以保证机器人的安全与效率。
本文将深入探讨机器人路径规划与工作空间分析的原理与方法，以及在不同领域的应用。
一、路径规划的基本原理路径规划是指机器人在给定环境中，通过选择合适的运动轨迹来实现从起点到终点的移动过程。
路径规划的基本原理可以分为离散方法和连续方法两种。
离散方法主要基于图论的原则，将机器人的运动空间离散化为一个有向图，然后通过搜索算法来找到一条从起点到终点的最优路径。
常用的搜索算法有A*算法和D*算法等。
其中A*算法通过综合启发式函数和路径评估函数来确定最优路径，D*算法则是在路径规划的过程中，可以根据环境的动态变化来进行实时更新。
这些离散方法在规模较小的问题中表现出色，但在处理复杂的环境时效率可能较低。
连续方法则是通过数学建模的方法来描述机器人的运动规划问题。
最常见的方法是使用光滑曲线来表示机器人的路径，例如贝塞尔曲线和样条曲线等。
这些方法具有较好的光滑性和逼近性能，但对复杂环境的处理较为困难。
二、工作空间分析的意义与方法工作空间分析指的是对机器人工作过程中所占用的空间进行分析与评估。
这对于机器人的操作安全与效率至关重要。
工作空间分析可以分为静态分析和动态分析两种。
静态分析主要是对机器人的姿态和尺寸进行考虑，来确定机器人可行的工作区域。
这种方法可以通过几何模型和数学计算来实现。
例如，可以通过建立机器人和工作环境的几何模型，然后通过碰撞检测算法来判断机器人是否会与环境中的障碍物发生碰撞。
动态分析则是在考虑机器人运动的基础上进行的。
在这种情况下，需要考虑机器人执行任务时的速度、加速度以及轨迹等因素。
这可以通过动力学建模和仿真来实现。
机器人路径规划与工作空间分析研究
机器人路径规划与工作空间分析研究在现代社会，机器人技术的发展迅速，并得到广泛应用。
而机器人的路径规划和工作空间分析是其中的重要领域之一。
本文将从机器人路径规划、工作空间分析等方面展开讨论。
一、机器人路径规划机器人的路径规划是指在给定起点和终点的情况下，确定机器人在运动中经过的路径。
路径规划是机器人导航、自主移动和避障的基础，对于机器人在实际应用中的成功实现具有重要意义。
在机器人路径规划中，常用的方法有图搜索算法、局部搜索算法和遗传算法等。
其中，A*算法是一种基于图搜索的常用方法。
它通过建立状态图，使用启发式函数来评估状态节点的优劣，从而找到从起点到终点的最优路径。
局部搜索算法则是基于局部最优解的方法，通过不断优化当前解进行搜索。
而遗传算法则模拟生物进化过程，通过选择、交叉和变异等操作，逐渐寻找最优解。
二、工作空间分析工作空间分析是对机器人在工作过程中所需的空间进行分析和优化。
它考虑机器人的尺寸、动作范围以及障碍物等因素，通过对工作空间的合理规划，提高机器人的工作效率和安全性。
在工作空间分析中，首先需要确定机器人的尺寸和可动作范围。
机器人的尺寸直接影响其在工作空间中的自由度和运动灵活性。
而可动作范围则需要根据机器人的结构和控制方式进行规划。
同时，还需考虑工作空间中的障碍物。
障碍物的位置和形状对机器人的路径规划和工作效率具有重要影响。
因此，通过对障碍物进行识别和建模，可以在规划路径时避开障碍物，提高机器人的运动效率。
三、机器人路径规划与工作空间分析的应用机器人路径规划和工作空间分析在许多领域具有广泛的应用。
以自动化仓储系统为例，路径规划可以帮助机器人在仓库中高效地搬运货物，并避免与其他机器人或障碍物的碰撞。
在智能交通系统中，路径规划可以指导自动驾驶汽车在复杂的交通环境中安全行驶。
而在生产线上，工作空间分析可以优化机器人的布局，提高生产效率。
此外，机器人路径规划和工作空间分析还在医疗、农业、环境监测等领域得到广泛应用。
机器人操作机工作空间35页PPT
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
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工业机器人的工作空间及与结构尺寸的相关性
工业机器人的工作空间及与结构尺寸的相关性工业机器人的工作空间及与结构尺寸的相关性2014-11-12 16:08 作者:管理员11 来源:未知浏览: 78 次字号: 大中小摘要:工业机器人的工作空间及与结构尺寸的相关性 1机器人的工作空间工作空间是评价机器人工作能力的一个重要指标，工作空间分析是机构设计的重要基础，工作空间的大小决定了串联机构的活动空间。
因此，在一定的总体尺寸的约束下，希望机构能得到尽可能大的工作工业机器人的工作空间及与结构尺寸的相关性1机器人的工作空间工作空间是评价机器人工作能力的一个重要指标，工作空间分析是机构设计的重要基础，工作空间的大小决定了串联机构的活动空间。
因此，在一定的总体尺寸的约束下，希望机构能得到尽可能大的工作空间。
工作空间的求法分两类:一类是解析法，一类是数值法。
根据机器人学理论，机器人的工作空间是操作臂末端抓手能够到达的空间范围与能够到达的目标点集合。
工作空间可以分为两类。
1)灵活工作空间指机器人抓手能以任意方位到达的目标点集合。
2)可达工作空间指机器人抓手至少在某一个方位上能够到达的目标点集合。
灵活工作空间是可达工作空间的子集。
对于下面机器人，灵活工作空间是可能存在的，但是对于空间机器人或空间机构，由于受到结构限制.旋转关节的活动范围一般不可能达到360°，因此其灵活工作空间往往为零。
Kumar在对空间机构工作空间分类时提出了3种分类:可达工作空间;灵活工作空间;固定姿态工作空间。
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27.2-5表示了几种不同结构形式机器人的结构形式、结构简图和工作空间。
几种不同结构形式机器人的结构形式、结构简图和工作空间2确定工作空间的几何法采用改变某个关节变盈而固定其他关节变蛋的方法，用几何作图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。
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Zn
Zn-1
Zn
Zn-1
Zn-1
Zn
19
若 n1 90
Zn-1
Zn-1
20
例2 用图解法考察Motorman型机器人操作机的工作空间。
21
22
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
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 ， C4 C3
C1
分别是灵活工作空间的边界。
它们之间的环形面积即Wp(P)。
C2
4
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
其绕将各后关面节各运杆动（形4、成5的、曲6 面杆的）包划络为，另得一到组界，限在曲末面杆上 取W0(参P3) 考。点 P6(可取手心点)，求出其绕后面关节运动形成的曲面（线）的 包的络包让，络 W得面3(Pn到公) 沿界式限求W0曲出(P3)面末运杆动W上3，(P参n)就考。形点成的了工双作参空数间曲界面限族曲，面可用W0(相Pn)。应
P6 ap6 , 0, d p6
64 T64 P6 x42 y42 z42 aP6 2 dP6 2 R42
64 Rot(z4,4 ) 64
有了曲面族方程式，利用包络公式可求出包络条件，并与 上式联立，即得该球面方程
14
对于前三关节一组，腕点P3 = O4
P3 a3,d4,0
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。
六轮漫游机器人
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。 ▪ 精度 指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动 器的分辨率及反馈装置有关。
再设曲面 以 为参数运动，得到曲面族 ，其方程为:
uur uur
： r r u, v,
曲面族的包络 的方程为：
uur uur
：
r r u,v,
uuur uuur uuur
(ru rv ) ra 0
式中
uuur ru
uur r
u
，ruuuvr
uuur r
v，ruuur
uuur
r
5.2 工作空间的形成及确定 5.2.1 工作空间的形成
Zn-2
Zn-1
Wn( j1) (Pn ) Rot(Zn j ,n j ) Wn j (Pn ) 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。
Zn Pn
6
5.2.2 工作空间的确定
空间。
1——空腔；2——空洞
23
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 zn1 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 zn1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。
13 T31 P3
30 Rot(z1,1) 13
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 。
15
腕点工作空间 16
PUMA560型机器人无结构限制时的工作空间轴剖面 17
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。
作两类：
I类 —末端执行器以全方位到达的点所构成的灵活空间，
表示为 Wp1 (P) ；
II类 —只能以有限个方位到达的点所构成的灵活空间，
表示为 Wp2 (P)。
3
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
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
r r
t
xt
,
y
t
,
z
t
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uur u为ur 母线的曲线族。记作，其方程为:
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。
27
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)。
一般说来，工作空间都是一块或多块体积空间，它们都具
有一定的边界曲面(有时是边界线)。W(P) 边界面上的点所 对应的操作机的位置和姿态均为奇异位形。与奇异位形相应
的机器人的速度雅可比矩阵是奇异的，所以操作机的工作空
间边界面又常称作雅可比曲面，即雅可比矩阵的行列式等于 零所对应的曲面。
灵活空间内点的灵活程度受到操作机结构的影响，通常分
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
机器人技术
陶建国
哈尔滨工业大学机电学院 2005. 2.
第五章 机器人操作机工作空间
5.1 概述
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
uuuur r
uuuur r
uuuur
，r
uuuur 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： 式中
12
例1 用解析法考察PUMA560型机器人在关节变量无结构限制
条件下(即0＜ ＜360。。)的工作空间界限曲面
13
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
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▪ 重复精度 指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅 与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的 精度及机器人的动态性能有关。 ▪ 控制模式 引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软 件编程模式；自主模式。 ▪ 运动速度 单关节速度；合成速度。 ▪ 其它动态特性 如稳定性、柔顺性等。
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。
7
下面给出一种分组求解操作机工作空间 W0 (Pn ) 包络界限曲 面 W0(Pn) 的基本思想。
对于自由度 F 6 的机器人操作机，将操作机的前三杆(或前
三关节)划为一组，在第三杆上设置参考点P3(相当于腕点)，求
越大，C4越小，总工作空 C4
间越大；但相应的灵活工
C3
作空间则由于C2的增大和
C3角限制。
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。