機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 課件全套 項(xiàng)四通 第1-10章 概論、工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)-機(jī)器人技術(shù)變革

機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用Fundamentalsandapplicationsofrobotics第一章:概論21.1工業(yè)機(jī)器人的定義1.2工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r1.8機(jī)器人學(xué)的基本內(nèi)容1.9參考書目錄3美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)：工業(yè)機(jī)器人是用來(lái)進(jìn)行搬運(yùn)材料、零件、工具等可編程的多功能機(jī)械手，或通過(guò)不同程序的調(diào)用來(lái)完成各種工作任務(wù)的特種裝置；國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)：工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。工業(yè)機(jī)器人是一種在三維空間中具有較多自由度的，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器。1.1工業(yè)機(jī)器人的定義4擬人化可編程通用性機(jī)電一體化1.2工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)5機(jī)械部分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳感部分感受系統(tǒng)機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)信息處理及控制部分控制系統(tǒng)人-機(jī)器人交互系統(tǒng)1.3工業(yè)機(jī)器人的組成6功能：使各種機(jī)械部件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式液壓方式氣壓方式電動(dòng)方式綜合方式新型驅(qū)動(dòng)方式同機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的連接直接連接間接連接：同步帶、鏈條、齒輪系、諧波齒輪1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)7機(jī)器人的基本組成組成：機(jī)身、手臂、末端操作器。機(jī)身：具備行走機(jī)構(gòu)，構(gòu)成行走機(jī)器人（移動(dòng)式機(jī)器人）；不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，構(gòu)成單臂機(jī)器人（固定式機(jī)器人）。手臂：上臂（大臂）、下臂（小臂）、手腕末端操作器：手爪、噴槍、焊槍、激光頭。1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)8功能：獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中的有用信息。分類：內(nèi)部傳感器：檢測(cè)機(jī)器人各部分的狀態(tài)；外部傳感器：獲取外部環(huán)境的相關(guān)信息。外部傳感器觸覺(jué)傳感器：接近覺(jué)、接觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)、力覺(jué)視覺(jué)傳感器聽覺(jué)傳感器嗅覺(jué)傳感器味覺(jué)傳感器內(nèi)部傳感器位置傳感器速度傳感器加速度傳感器姿態(tài)傳感器1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.3感受系統(tǒng)9可實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.4機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)10功能：根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能?？刂品绞剑狐c(diǎn)位控制連續(xù)軌跡控制1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.5控制系統(tǒng)11功能：可使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系。組成：指令給定裝置信息顯示裝置1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.6人-機(jī)器人交互系統(tǒng)12自由度工作范圍承載能力最大工作速度定位精度與重復(fù)定位精度分辨率1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)13自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包括手爪(末端執(zhí)行器)的開合自由度；機(jī)器人的自由度越多，就越能接近人手的動(dòng)作機(jī)能，通用性就越好；但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)機(jī)器人的整體要求就越高；自由度的選擇與生產(chǎn)要求有關(guān)。1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.1自由度14工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合；由于末端執(zhí)行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為真實(shí)反映機(jī)器人的特征參數(shù)，所以工作范圍是指不安裝末端執(zhí)行器時(shí)的工作區(qū)域。

機(jī)器人的工作范圍1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.2工作范圍15承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量；承載能力不僅指負(fù)載質(zhì)量，且包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的質(zhì)量；承載能力不僅決定于負(fù)載的質(zhì)量，且與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)；為安全起見(jiàn)，承載能力這一技術(shù)指標(biāo)是指高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.3承載能力16廠家不同對(duì)最大工作速度規(guī)定的內(nèi)容亦有不同，有的廠家定義為工業(yè)機(jī)器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度；有的廠家定義為手臂末端最大的合成速度，通常在技術(shù)參數(shù)中加以說(shuō)明；工作速度愈高，工作效率愈高；但工作速度愈高，就要花費(fèi)更多的時(shí)間去升速或降速，或者對(duì)工業(yè)機(jī)器人最大加速度變化率及最大減速度變化率的要求更高。1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.4最大工作速度17定位精度：機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的偏差；重復(fù)定位精度：在相同條件下，重復(fù)多次所測(cè)的同一位姿的不一致程度。定位精度與重復(fù)定位精度1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.5定位精度與重復(fù)定位精度18分辨率是指機(jī)器人各軸所能實(shí)現(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.6分辨率19按坐標(biāo)形式按可移動(dòng)性按機(jī)構(gòu)原型按是否具有冗余自由度按驅(qū)動(dòng)方式按控制方式按智能程度1.5工業(yè)機(jī)器人的分類20直角坐標(biāo)型機(jī)器人圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.1按坐標(biāo)形式21直角坐標(biāo)型機(jī)器人直角坐標(biāo)型機(jī)器人手部空間位置的改變通過(guò)沿三個(gè)互相垂直的軸線的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；位置精度高，控制無(wú)耦合、簡(jiǎn)單，避障性好；但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，難與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)，移動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且占地面積較大。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變；位置精度僅次于直角坐標(biāo)型，控制簡(jiǎn)單，避障性好，難與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)較復(fù)雜。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人23球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)所組成；占地面積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，重量較輕，但避障性差，有平衡問(wèn)題，位置誤差與臂長(zhǎng)有關(guān)。球坐標(biāo)型機(jī)器人1.5工業(yè)機(jī)器人的分類24關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成；結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但位置精度較低，有平衡問(wèn)題，控制存在耦合，故比較復(fù)雜，這種機(jī)器人目前應(yīng)用得最多。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類25平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人可看成關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人的特例，只有平行的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線共垂面；在垂直平面內(nèi)具有很好的剛性，在水平面內(nèi)具有較好的柔順性。

1.5工業(yè)機(jī)器人的分類26固定式機(jī)器人移動(dòng)式機(jī)器人輪式履帶式足式（步行式）：?jiǎn)巫恪㈦p足、四足、六足和八足1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.2按可移動(dòng)性27串聯(lián)式機(jī)器人：以開環(huán)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人的機(jī)構(gòu)原型。ABB串聯(lián)機(jī)器人1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.3按機(jī)構(gòu)原型28并聯(lián)式機(jī)器人：以閉環(huán)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人的機(jī)構(gòu)原型。并聯(lián)式機(jī)器人與串聯(lián)式機(jī)器人相比，活動(dòng)空間較小，手部不夠靈活；但其具有剛度大等優(yōu)點(diǎn)，特殊于應(yīng)用領(lǐng)域，與串聯(lián)機(jī)器人形成互補(bǔ)，是機(jī)器人的拓展。ABB并聯(lián)機(jī)器人并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域：大扭矩螺栓連接；金屬切削加工機(jī)床；測(cè)量機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)的誤差補(bǔ)償器；微動(dòng)機(jī)構(gòu)或微型機(jī)構(gòu)，如手術(shù)機(jī)器人。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.3按機(jī)構(gòu)原型29冗余自由度機(jī)器人冗余自由度機(jī)器人擁有比它的末端操作器到達(dá)所要求的位置和方向所需要的自由度更多的自由度。冗余自由度機(jī)器人具有比非冗余自由度機(jī)器人更好的性能：后者在外部環(huán)境中有障礙物時(shí)受到非常大的限制，而前者則能很好地完成任務(wù)。非冗余自由度機(jī)器人冗余自由度機(jī)器人1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.4按是否具有冗余自由度30氣壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人：優(yōu)點(diǎn)是空氣來(lái)源方便，動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低；缺點(diǎn)是空氣具有可壓縮性，致使工作速度的穩(wěn)定性較差。適宜抓舉力要求較小的場(chǎng)合。液壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人：具有強(qiáng)大抓舉能力，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)且動(dòng)作靈敏的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是對(duì)密封要求高，不宜在高溫或低溫下工作，制造精度及成本要求高。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人：利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，獲得所需的位置、速度、加速度。其具有無(wú)環(huán)境污染，易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，成本低，驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。新型驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器人：靜電驅(qū)動(dòng)式、壓電驅(qū)動(dòng)式、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)式、人工肌肉驅(qū)動(dòng)式、光驅(qū)動(dòng)式等。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.5按驅(qū)動(dòng)方式31點(diǎn)位控制機(jī)器人：從一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。用于點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人；連續(xù)軌跡控制機(jī)器人：能夠平滑地跟隨某個(gè)規(guī)定的路徑。用于弧焊、噴漆、去毛刺、檢測(cè)機(jī)器人。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.6按控制方式32第一代機(jī)器人：只能以示教-再現(xiàn)方式工作，對(duì)外部信息不具備反饋能力。手把手示教：機(jī)器人根據(jù)人的操作方式記住一連串運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)自動(dòng)重復(fù)這些運(yùn)動(dòng)，從而完成給定位置的噴涂工作；通過(guò)控制面板示教：操作人員利用控制面板上的開關(guān)或鍵盤控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人自動(dòng)記錄下每一步并重復(fù)。第二代機(jī)器人：不僅具有內(nèi)部傳感器而且具有外部傳感器，能獲取外部環(huán)境信息。第三代機(jī)器人：是智能機(jī)器人，具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯推理、判斷及決策，在作業(yè)環(huán)境中能獨(dú)立行動(dòng)，具有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題且能自主地解決問(wèn)題的能力。

1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.7按智能程度33自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域：人可以做得到，讓機(jī)器人代替人去做；惡劣工作環(huán)境，危險(xiǎn)工作場(chǎng)合：人可以做得到，但非常危險(xiǎn)，讓機(jī)器人代替人去做；特殊作業(yè)場(chǎng)合：人不能做到，讓機(jī)器人代替人去做。1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域34加工機(jī)器人裝配機(jī)器人焊接機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人噴漆機(jī)器人檢測(cè)機(jī)器人其他：密封和粘接、清砂和拋光、熔模鑄造和壓鑄、鍛造1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域1.6.1自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域35加工機(jī)器人沖壓機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域36焊接機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域焊接機(jī)器人37噴漆機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域噴漆機(jī)器人38拋光機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域拋光機(jī)器人39不同技術(shù)、學(xué)科交叉、融合下的共融機(jī)器人移動(dòng)式混聯(lián)加工機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域40不同技術(shù)、學(xué)科交叉、融合下的共融機(jī)器人雙機(jī)鏡像銑加工機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域41不同技術(shù)、學(xué)科交叉、融合下的共融機(jī)器人自適應(yīng)磨拋機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域42美國(guó)1961年：Unimation公司研制出世界上第一臺(tái)機(jī)器人—Unimate機(jī)器人。用于壓鑄作業(yè)，五軸液壓驅(qū)動(dòng)。1961年：AMF公司研制出Versatran機(jī)器人。用于物料運(yùn)輸，液壓驅(qū)動(dòng)。Unimate機(jī)器人Versatran機(jī)器人1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r43美國(guó)1962年：斯坦福(Stanford)操作手問(wèn)世。1974年：辛辛那提·米拉克龍(CincinnatiMilacron)公司研制成功第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人未來(lái)工具(TheTomorrowtool)。斯坦福(Stanford)操作手問(wèn)世機(jī)器人未來(lái)工具(TheTomorrowtool)1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r44美國(guó)1978年：

Unimation公司開發(fā)出用于用于裝配的可編程萬(wàn)能機(jī)器人—PUMA機(jī)器人(ProgrammableUniversalManipulatorforAssembly)。PUMA機(jī)器人1967~1974年：

因?yàn)槊绹?guó)政府對(duì)機(jī)器人的發(fā)展不夠重視，且機(jī)器人處于發(fā)展初期，價(jià)格昂貴，實(shí)用性不強(qiáng)，所以發(fā)展緩慢。此后：鑒于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)潛力和日本在工業(yè)機(jī)器人方面取得的成就，美國(guó)意識(shí)到問(wèn)題的緊迫性并多方面采取措施，其機(jī)器人技術(shù)得以迅猛發(fā)展。ABB公司1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r45日本1967年：東京機(jī)械貿(mào)易公司首次從美國(guó)引進(jìn)Versatran機(jī)器人。1968年：川崎重工業(yè)公司從美國(guó)引進(jìn)Unimate機(jī)器人，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，增加了視覺(jué)功能，使其成為一種具有智能的機(jī)器人。20世紀(jì)70年代：為日本機(jī)器人的迅速發(fā)展時(shí)期，日本在機(jī)器人在產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用兩個(gè)方面超過(guò)美國(guó)，成為當(dāng)今世界第一的“機(jī)器人王國(guó)”。1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r46日本1979年：山梨大學(xué)牧野洋教授研制成功平面關(guān)節(jié)型SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)機(jī)器人。適合于垂直方向裝配作業(yè)。德國(guó)：KUKA公司平面關(guān)節(jié)型SCARA機(jī)器人1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r47我國(guó)：

70年代萌芽期、80年代開發(fā)期、90年代實(shí)用化期。70年代萌芽期

1972年開始研制工業(yè)機(jī)器人，數(shù)十家研究院所和高校分別開發(fā)了固定程序、液壓伺服型通用機(jī)器人，并開始了機(jī)構(gòu)學(xué)、控制與應(yīng)用方面的研究；80年代開發(fā)期

將機(jī)器人發(fā)展計(jì)劃列入國(guó)家攻關(guān)計(jì)劃和“863”高技術(shù)計(jì)劃中，進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)元器件的開發(fā)研究工作，研制出了噴涂、弧焊、點(diǎn)焊和搬運(yùn)機(jī)器人整機(jī)，且性能指標(biāo)達(dá)到80年代初國(guó)外同類產(chǎn)品的水平；90年代實(shí)用化期

由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，一些企業(yè)認(rèn)識(shí)到必須要用機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備來(lái)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，從而使機(jī)器人走向產(chǎn)業(yè)化。1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r48機(jī)器人空間機(jī)構(gòu)學(xué)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人靜力學(xué)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)機(jī)器人傳感技術(shù)機(jī)器人控制技術(shù)機(jī)器人規(guī)劃?rùn)C(jī)器人語(yǔ)言1.8機(jī)器人學(xué)的基本內(nèi)容49機(jī)器人空間機(jī)構(gòu)學(xué)關(guān)于機(jī)器人機(jī)身、臂部、腕部、手部、關(guān)節(jié)、行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，即機(jī)器人機(jī)構(gòu)的型綜合和尺寸綜合。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)各桿件之間以及系統(tǒng)與對(duì)象之間的相互位置和方向的關(guān)系。機(jī)器人靜力學(xué)討論機(jī)器人手部端點(diǎn)力與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入力的關(guān)系。1.8機(jī)器人學(xué)的基本內(nèi)容50機(jī)器人動(dòng)力學(xué)

研究機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的力或力矩同其位置、速度、加速度之間的關(guān)系。機(jī)器人傳感技術(shù)

研究機(jī)器人的外部和內(nèi)部傳感器。1.8機(jī)器人學(xué)的基本內(nèi)容51機(jī)器人控制技術(shù)關(guān)于機(jī)器人控制策略的設(shè)計(jì)。機(jī)器人規(guī)劃根據(jù)作業(yè)要求，在有障礙的環(huán)境內(nèi)，按照一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中的狀態(tài)（包括位置、姿態(tài)、速度、加速度等）進(jìn)行設(shè)計(jì)，尋找到一條從起始狀態(tài)到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)的無(wú)碰撞路徑。1.8機(jī)器人學(xué)的基本內(nèi)容52機(jī)器人語(yǔ)言具有作業(yè)內(nèi)容的描述性，不管作業(yè)內(nèi)容如何變化，都能準(zhǔn)確加以描述；具有環(huán)境模型的描述性，要能用簡(jiǎn)單的模型描述復(fù)雜的環(huán)境，要能適應(yīng)操作情況的變化改變環(huán)境的模型；具有人機(jī)對(duì)話功能，以便及時(shí)描述新的作業(yè)內(nèi)容及修改作業(yè)內(nèi)容；要求在出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)能及時(shí)報(bào)警并停止機(jī)器人動(dòng)作。1.8機(jī)器人學(xué)的基本內(nèi)容53劉極峰等.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社,2006.05.郭洪宏等.工業(yè)機(jī)器人技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社,2006.03.1.9參考書54作業(yè)習(xí)題：1-4、1-5、1-11、1-12。機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用Fundamentalsandapplicationsofrobotics機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用Fundamentalsandapplicationsofrobotics第二章:工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)562.1總體設(shè)計(jì)2.2傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)2.3臂部設(shè)計(jì)2.4腕部設(shè)計(jì)2.5手部設(shè)計(jì)2.6機(jī)身設(shè)計(jì)2.7行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目錄57主體結(jié)構(gòu)選擇傳動(dòng)方式選擇模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)材料選擇2.1總體設(shè)計(jì)58選擇工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式直角坐標(biāo)式圓柱坐標(biāo)式球坐標(biāo)式（極坐標(biāo)式）關(guān)節(jié)坐標(biāo)式2.1總體設(shè)計(jì)2.1.1主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)59直角坐標(biāo)式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；速度與定位精度高；無(wú)運(yùn)動(dòng)耦合，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與編程相對(duì)容易。60直角坐標(biāo)式缺點(diǎn)：導(dǎo)軌面的防護(hù)比較困難，不能像轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承那樣密封得很好；導(dǎo)軌的支撐結(jié)構(gòu)增加了機(jī)器人的重量，并減少了有效工作范圍；結(jié)構(gòu)尺寸與有效工作范圍相比顯得龐大；移動(dòng)部件的慣量較大，增加了驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸和能量消耗；為了減小摩擦需要滾動(dòng)導(dǎo)軌，價(jià)格高。61圓柱坐標(biāo)式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊；位置精度僅次于直角坐標(biāo)型；控制簡(jiǎn)單；當(dāng)機(jī)器人開始腰轉(zhuǎn)時(shí)可將手臂縮進(jìn)去，減小了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善了動(dòng)力學(xué)特性；除了簡(jiǎn)單的“抓-放”作業(yè)外還可用于其他生產(chǎn)領(lǐng)域，與直角坐標(biāo)式機(jī)器人相比增加了通用性。缺點(diǎn)：手部不能抵達(dá)底部，減小了機(jī)器人的工作范圍。62球坐標(biāo)式（極坐標(biāo)式）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積較??；工作范圍大；能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作；重量較輕。缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。63關(guān)節(jié)坐標(biāo)式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積較小；工作范圍大；具有很高的可達(dá)性；所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗少。缺點(diǎn)：當(dāng)大、小臂伸展成一條直線時(shí)雖能抵達(dá)很遠(yuǎn)的工作點(diǎn)，但機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度低；手部在工作范圍邊界上工作時(shí)有運(yùn)動(dòng)學(xué)上的退化行為。64選擇驅(qū)動(dòng)源與傳動(dòng)裝置同關(guān)節(jié)部件的連接形式與驅(qū)動(dòng)方式。工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)方式直接連接傳動(dòng)，分為直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)；遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)，也分為直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)。2.1總體設(shè)計(jì)2.1.2傳動(dòng)方式選擇65直接連接傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與能量消耗大。遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小；可以把電機(jī)作為一個(gè)平衡質(zhì)量，獲得平衡性良好的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)龐大，傳動(dòng)裝置占據(jù)了機(jī)器人其他子系統(tǒng)所需要的空間；產(chǎn)生額外的間隙和柔性，影響機(jī)器人的精度；能量消耗大。66間接驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)和關(guān)節(jié)之間有一個(gè)速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械傳動(dòng)裝置。優(yōu)點(diǎn)：可選用高速低轉(zhuǎn)距電機(jī)，有利于制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與選用，且制動(dòng)器尺寸?。豢山鉀Q傾斜軸之間、平行軸之間以及轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換；價(jià)格低。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)龐大；結(jié)構(gòu)剛性差。67直接驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)源不經(jīng)過(guò)中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過(guò)速比等于1

的機(jī)械傳動(dòng)這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊；機(jī)械傳動(dòng)精度高；結(jié)構(gòu)剛度好，振動(dòng)??；機(jī)械傳動(dòng)損耗??；電氣時(shí)間常數(shù)小，短時(shí)間內(nèi)可產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬。68直接驅(qū)動(dòng)：缺點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)直接安裝在關(guān)節(jié)上，增加了臂的重量，并且對(duì)下一個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生干擾，使機(jī)器人的負(fù)載能力和效率下降；載荷變化、耦合轉(zhuǎn)距及非線性轉(zhuǎn)距對(duì)驅(qū)動(dòng)及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難、復(fù)雜；對(duì)位置、速度的傳感元件提出了相當(dāng)高的要求，傳感器精度為帶減速裝置（速比為i）間接驅(qū)動(dòng)的i倍以上；電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距/重量比、轉(zhuǎn)距/體積比小，需要開發(fā)小型實(shí)用的DD電動(dòng)機(jī)；DD電動(dòng)機(jī)的成本高。69模塊化機(jī)器人是由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過(guò)具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼搭的方式來(lái)構(gòu)成一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)；模塊化設(shè)計(jì)是指基本模塊設(shè)計(jì)結(jié)合部設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性好；靈活性好。缺點(diǎn)：因?yàn)槟K之間的結(jié)合是可方便拆卸的，所以整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的剛性相對(duì)差些；因?yàn)橛性S多機(jī)械接口及連接附件，所以機(jī)器人的整體重量會(huì)增加。2.1總體設(shè)計(jì)2.1.3模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)70平衡系統(tǒng)的作用：保證安全；可降低因機(jī)器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致重力距引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值；可降低因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致慣性力距引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值；可減少動(dòng)力學(xué)方程中內(nèi)部耦合項(xiàng)和非線性項(xiàng)，改進(jìn)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性；可減小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影響；可使機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，降低地面安裝要求。2.1總體設(shè)計(jì)2.1.4平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)71結(jié)構(gòu)材料選擇的基本要求：強(qiáng)度高；彈性模量大；重量輕；阻尼大；材料價(jià)格低。2.1總體設(shè)計(jì)2.1.5結(jié)構(gòu)材料選擇72常用結(jié)構(gòu)材料：碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼：強(qiáng)度好，彈性模量大；鋁、鋁合金及其他輕合金材料：E/

值可與鋼相比；纖維增強(qiáng)鋼：

E/

值非常高，但價(jià)格昂貴；陶瓷：具有良好的品質(zhì)，但脆性大，不易加工成具有長(zhǎng)孔的連桿；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：重量輕，剛度大，E/ρ值極好，阻尼大，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?、與金屬間連接困難等問(wèn)題；粘彈性大阻尼材料。73移動(dòng)關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)件的定位與消隙2.2傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)74移動(dòng)關(guān)節(jié)由直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)起直線導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌組成。導(dǎo)軌分為：普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓動(dòng)壓滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。對(duì)機(jī)器人導(dǎo)軌的要求：間隙小或能消除間隙；在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上要求剛度高；摩擦系數(shù)小且不隨速度變化；高阻尼、小尺寸和小慣量。2.2傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)2.2.1移動(dòng)關(guān)節(jié)75齒輪傳動(dòng)絲杠傳動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)連桿傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)鏈傳動(dòng)皮帶傳動(dòng)鋼帶傳動(dòng)鋼繩傳動(dòng)2.2傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)2.2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)76齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)：行星齒輪傳動(dòng)尺寸小，慣量低；一級(jí)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊；載荷分布在若干個(gè)行星齒輪上，內(nèi)齒輪也具有較高的承載能力。行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖77齒輪傳動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)：諧波齒輪傳動(dòng)在運(yùn)動(dòng)學(xué)上是一種具有柔性齒圈的行星齒輪傳動(dòng)，但它在機(jī)器人上獲得了更加廣泛的應(yīng)用。

剛輪不動(dòng)，諧波發(fā)生器為輸入，柔輪軸為輸出：

柔輪不動(dòng)，諧波發(fā)生器為輸入，剛輪軸為輸出：

諧波齒輪傳動(dòng)1-剛輪；2-剛輪內(nèi)齒圈；3-輸入軸；4-諧波發(fā)生器；5-輸出軸；6-柔輪；7-柔輪齒圈78齒輪傳動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，慣量低；誤差均布在多個(gè)嚙合點(diǎn)上，傳動(dòng)精度高；加預(yù)載嚙合，傳動(dòng)側(cè)隙非常??；多齒嚙合，傳動(dòng)具有高阻尼特性。

缺點(diǎn)：以輸入軸速度2、4、6倍的嚙合頻率產(chǎn)生振動(dòng)；柔輪的疲勞問(wèn)題；扭轉(zhuǎn)剛度低；諧波傳動(dòng)與行星傳動(dòng)相比具有較小的傳動(dòng)間隙和較輕的重量，但剛度比行星減速器差。

79齒輪傳動(dòng)RV齒輪傳動(dòng)：它是在傳統(tǒng)擺線針輪、行齒輪傳動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的一種新型傳動(dòng)裝置。RV減速器的基本結(jié)構(gòu)1-行星齒輪；2-芯軸；3-端蓋；4-卡簧；5-圓錐滾珠軸承；6-滾針7-曲軸；8-RV齒輪；9-針齒銷；10-針輪；11-密封圈；12-輸出法蘭80齒輪傳動(dòng)RV齒輪傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比范圍大，傳動(dòng)效率高；扭轉(zhuǎn)剛度大，彈性回差??；精度高和間隙回差??；傳動(dòng)平穩(wěn)、體積小、抗沖擊力強(qiáng)等；缺點(diǎn)：承載能力受限制；生產(chǎn)制造成本也相對(duì)較高，維護(hù)修理較困難；81絲杠傳動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)

滾珠絲杠在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用比滾柱絲杠多，因?yàn)楹笳呓Y(jié)構(gòu)尺寸大(徑向和軸向)，傳動(dòng)效率低。滾珠絲杠的基本組成1—絲杠；2—導(dǎo)向槽；3—滾珠；4—螺母82絲杠傳動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)優(yōu)點(diǎn)：絲杠螺母機(jī)構(gòu)是連續(xù)的面接觸，傳動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪聲，并且能自鎖；因絲杠的螺旋升角較小，所以用較小的驅(qū)動(dòng)力矩可獲得較大的牽引力。

缺點(diǎn)：絲杠螺母螺旋面之間的摩擦為滑動(dòng)摩擦，故傳動(dòng)效率低。

絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu)1-電動(dòng)機(jī)；2-蝸桿；3-臂架；4-絲杠；5-蝸輪；6-箱體；7-花鍵套83齒輪齒條傳動(dòng)氣缸和齒輪齒條增倍手臂機(jī)構(gòu)1-運(yùn)動(dòng)齒條；2-齒輪；3-活塞桿84連桿傳動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較大的位移。85凸輪傳動(dòng)特點(diǎn)：可靠性高，形式多樣。外凸輪機(jī)構(gòu)：借助于彈簧可得到較好的高速性能；內(nèi)凸輪機(jī)構(gòu)：驅(qū)動(dòng)時(shí)要求有一定的間隙，其高速性能劣于前者；圓柱凸輪機(jī)構(gòu)：用于驅(qū)動(dòng)擺桿，而擺桿在與凸輪回轉(zhuǎn)方向平行的面內(nèi)擺動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)86鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：噪聲小，效率高，具有較高的荷載/重量比。缺點(diǎn)：高速運(yùn)動(dòng)時(shí)滾子與鏈輪之間的碰撞會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)，只有在低速時(shí)才能得到滿意的效果，即鏈傳動(dòng)適合于低慣性負(fù)載的關(guān)節(jié)傳動(dòng)。鏈輪齒數(shù)少，摩擦力會(huì)增加，要得到平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，鏈輪的齒數(shù)應(yīng)大于17，并盡量采用奇數(shù)齒。

87皮帶傳動(dòng)同步帶形狀機(jī)器人中大多用同步帶；特點(diǎn)：與鏈輪傳動(dòng)相比，重量輕，傳動(dòng)均勻平穩(wěn)；傳動(dòng)時(shí)無(wú)滑動(dòng)，初始張力小，從動(dòng)軸的軸承不易過(guò)載；因無(wú)滑動(dòng)，它除了用做動(dòng)力傳動(dòng)外還適用于定位。同步帶傳動(dòng)屬于低慣性傳動(dòng)，適合于在電動(dòng)機(jī)和大速比減速器之間使用。88

臂部的自由度臂部設(shè)計(jì)的基本要求臂部的常用結(jié)構(gòu)臂部運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算2.3臂部設(shè)計(jì)89臂部設(shè)計(jì)的基本要求承載能力足：不僅要考慮抓取物體的重量，還要考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷。剛度要高：為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，應(yīng)合理選擇手臂的截面形狀。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多，所以常用鋼管制作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼制作支承板。導(dǎo)向性好：為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。臂部的自由度工業(yè)機(jī)器人的臂部一般具有2~3個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。2.3臂部設(shè)計(jì)2.3.1臂部的自由度2.3.2臂部設(shè)計(jì)的基本要求90

運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位精度高：臂部運(yùn)動(dòng)速度越高，導(dǎo)致慣性力引起的沖擊越大，運(yùn)動(dòng)越不平穩(wěn)，定位精度低。因此要采用一定形式的緩沖措施。重量要輕、結(jié)構(gòu)要緊湊：減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量以提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，并使結(jié)構(gòu)緊湊，以減少整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位：臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力，而且還直接影響機(jī)器人的外觀。2.3臂部設(shè)計(jì)2.3.2臂部設(shè)計(jì)的基本要求91

臂部直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：行程小時(shí)，可采用油（氣）缸直接驅(qū)動(dòng)；行程較大時(shí)，可采用油（氣）缸驅(qū)動(dòng)齒條傳動(dòng)的倍增機(jī)構(gòu)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可采用絲杠螺母或滾珠絲杠傳動(dòng)。四導(dǎo)向柱式臂部伸縮機(jī)構(gòu)1-手部；2-夾緊缸；3-油缸；4-導(dǎo)向柱；5-運(yùn)行架；6-行走車輪；7-軌道；8-支座行程長(zhǎng)，抓重大；工件形狀不規(guī)則時(shí)，四根導(dǎo)向柱可防止產(chǎn)生較大的偏重力矩。多用于箱體加工線上。2.3臂部設(shè)計(jì)2.3.3臂部的常用結(jié)構(gòu)92

手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：回轉(zhuǎn)缸、活塞缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)連桿俯仰臂機(jī)構(gòu)1-手部；2-夾緊缸；3-升降缸；4-小臂；5、7-擺動(dòng)油缸；6-大臂；8-立柱雙臂機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)1-鉸接活塞油缸；2-連稈〔即活塞稈)；3-手臂(即曲柄)；4-支承架；5、6-定位螺釘93臂部水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算2.3臂部設(shè)計(jì)2.3.4臂部運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算94腕部設(shè)計(jì)的基本要求腕部的自由度腕部的分類腕部的典型結(jié)構(gòu)2.4腕部設(shè)計(jì)95結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；強(qiáng)度、剛度高；合理設(shè)計(jì)與臂和手部的連接部位以及傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的布局和安裝。2.4腕部設(shè)計(jì)2.4.1腕部設(shè)計(jì)的基本要求96手腕的坐標(biāo)系和自由度手腕關(guān)節(jié)的滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)2.4腕部設(shè)計(jì)2.4.2腕部的自由度97按自由度個(gè)數(shù)分單自由度手腕二自由度手腕三自由度手腕按驅(qū)動(dòng)方式分直接驅(qū)動(dòng)手腕遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)手腕2.4腕部設(shè)計(jì)2.4.3腕部的分類98單自由度手腕單自由度手腕99二自由度手腕二自由度手腕100三自由度手腕三自由度手腕101直接驅(qū)動(dòng)手腕驅(qū)動(dòng)器安裝在手腕運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的附近，直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因而傳動(dòng)路線短，傳動(dòng)剛度好，但腕部的尺寸和質(zhì)量大，慣量大。液壓直接驅(qū)動(dòng)BBR手腕102遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)手腕驅(qū)動(dòng)器安裝在機(jī)器人的大臂、基座或小臂遠(yuǎn)端上，通過(guò)連桿、鏈條或其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間接驅(qū)動(dòng)腕部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因而手腕的結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸和質(zhì)量小，對(duì)改善機(jī)器人的整體動(dòng)態(tài)性能有好處，但傳動(dòng)剛度低，傳動(dòng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。遠(yuǎn)距離傳動(dòng)RBR手腕103手腕具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，運(yùn)動(dòng)靈活，響應(yīng)快，精度高等特點(diǎn)，但回轉(zhuǎn)角度受限制，一般小于270

。回轉(zhuǎn)油缸直接驅(qū)動(dòng)的單自由度腕部結(jié)構(gòu)1-回轉(zhuǎn)油缸；2-定片；3-回轉(zhuǎn)軸；4-動(dòng)片；5-手腕2.4腕部設(shè)計(jì)2.4.4腕部的典型結(jié)構(gòu)104結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，傳動(dòng)扭矩大，可提高機(jī)器人的工作性能；但手腕有一個(gè)誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)要注意采取補(bǔ)償措施，消除誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的影響。

齒輪傳動(dòng)回轉(zhuǎn)和俯仰型腕部原理105齒輪鏈輪傳動(dòng)三自由度手腕原理圖1-油缸；2-鏈輪；3、4-錐齒輪；5、6-花鍵軸T；7-傳動(dòng)軸S；8-腕架；9-行星架；

10、11、22、24-圓柱齒輪；12、13、14、15、16、17、18、20-錐齒輪；19-擺動(dòng)軸；

21、23-雙聯(lián)圓柱齒輪；25-傳動(dòng)軸B106手部的特點(diǎn)手部的分類手爪設(shè)計(jì)的基本要求手爪的典型結(jié)構(gòu)2.5手部設(shè)計(jì)107手部與腕部相連處可拆卸。手部與腕部有機(jī)械接口，也有電、氣、液接頭，作業(yè)對(duì)象不同時(shí)，可方便地拆卸和更換手部。手部是機(jī)器人末端執(zhí)行器。它可以是類人的手爪，也可以是進(jìn)行專業(yè)作業(yè)的工具，如裝在機(jī)器人手腕上的噴漆槍、焊接工具等。手部的通用性比較差。機(jī)器人手部通常是專用的裝置，一種手爪往往只能抓握一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近似的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。手部是一個(gè)獨(dú)立的部件。假如把手腕歸屬于手臂，那么機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的三大件就是機(jī)身、手臂和手部(末端執(zhí)行器)。2.5手部設(shè)計(jì)2.5.1手部的特點(diǎn)108按用途分按夾持原理分按手指或關(guān)節(jié)數(shù)目分按智能性分2.5手部設(shè)計(jì)2.5.2手部的分類109按用途分手爪：具有一定的通用性，用于抓住、握持、釋放工件；

工具：進(jìn)行某種作業(yè)的專用工具，如噴漆槍、焊具等。專用工具(噴漆槍、焊具)110按夾持原理分手爪按夾持原理分類機(jī)械手爪有靠摩擦力夾持和吊鉤承重兩類，前者是有指手爪，后者是無(wú)指手爪。磁力類手爪及真空類手爪是無(wú)指手爪。111按手指或關(guān)節(jié)數(shù)目分

按手指數(shù)目二指手爪多指手爪按手指關(guān)節(jié)數(shù)目單關(guān)節(jié)手指手爪多關(guān)節(jié)手指手爪多關(guān)節(jié)柔性手指手爪三指手爪每個(gè)關(guān)節(jié)是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的。與二指手爪相比，可抓取類似立方體、圓柱體及球體等不同形狀的物體。每個(gè)關(guān)節(jié)不是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的；對(duì)物體形狀有一種適應(yīng)性。

112按智能性分

普通手爪：沒(méi)有傳感器；智能化手爪：有一個(gè)或多個(gè)傳感器，如力傳感器、觸覺(jué)傳感器、滑覺(jué)傳感器等。113被抓握的對(duì)象物幾何參數(shù)工件尺寸可能給予抓握表面的數(shù)目可能給予抓握表面的位置和方向夾持表面之間的距離夾持表面的幾何形狀機(jī)械特性質(zhì)量材料固有穩(wěn)定性表面質(zhì)量和品質(zhì)表面狀態(tài)工件溫度2.5手部設(shè)計(jì)2.5.3手爪設(shè)計(jì)的基本要求114物料饋送器或儲(chǔ)存裝置：對(duì)手爪最小爪鉗和最大爪鉗之間的距離以及夾緊力都有要求。機(jī)器人作業(yè)順序手爪和機(jī)器人匹配：機(jī)器人所能抓取的工件重量是機(jī)器人承載能力減去手爪重量，手爪重量要與機(jī)器人承載能力匹配。

環(huán)境條件：作業(yè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況很重要，如高溫、水、油等不同環(huán)境會(huì)影響手爪的工作。115機(jī)械式手爪磁力吸盤真空式吸盤2.5手部設(shè)計(jì)2.5.4手爪的典型結(jié)構(gòu)116機(jī)械式手爪驅(qū)動(dòng)：氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易維修，且開合迅速，重量輕，故目前得到了廣泛應(yīng)用；其缺點(diǎn)是空氣介質(zhì)的可壓縮性使爪鉗位置控制較復(fù)雜。液壓驅(qū)動(dòng)手爪成本稍高一些。電動(dòng)手爪手指開合電動(dòng)機(jī)的控制與機(jī)器人控制可以共用一個(gè)系統(tǒng)，但是夾緊力比氣動(dòng)手爪、液壓手爪小，開合時(shí)間比它們長(zhǎng)。電磁驅(qū)動(dòng)手爪控制信號(hào)簡(jiǎn)單，但是電磁夾緊力與爪鉗行程有關(guān)，故只用在開合距離小的場(chǎng)合。

氣動(dòng)手爪117機(jī)械式手爪傳動(dòng)：驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)使爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力，對(duì)于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有運(yùn)動(dòng)要求和夾緊力要求。四種手爪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)118機(jī)械式手爪V形爪鉗

爪鉗：是與工件直接接觸的部分，其形狀和材料對(duì)夾緊力有很大影響。夾緊工件的接觸點(diǎn)越多，所要求的夾緊力越小，對(duì)夾持工件來(lái)說(shuō)就越安全。119磁力吸盤分為電磁吸盤和永磁吸盤兩種。電磁吸盤結(jié)構(gòu)磁力吸盤只能吸住鐵磁材料制成的工件(如鋼鐵件)；磁力吸盤的缺點(diǎn)是被吸取工件有剩磁，吸盤上常會(huì)吸附一些鐵屑，致使不能可靠地吸住工件，而且只適用于工件要求不高或有剩磁也無(wú)妨的場(chǎng)合。對(duì)于不允許有剩磁的工件(如鐘表零件及儀表零件)，不能選用磁力吸盤；鋼、鐵等磁性物質(zhì)在溫度為723℃以上時(shí)磁性就會(huì)消失，故高溫條件下不宜使用磁力吸盤。磁力吸盤要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附。120真空式吸盤真空泵負(fù)壓吸盤氣流負(fù)壓吸盤擠氣負(fù)壓吸盤自適應(yīng)吸盤異形吸盤121真空泵負(fù)壓吸盤真空泵負(fù)壓吸盤采用真空泵抽吸空氣，能保證吸盤內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生負(fù)壓，所以這種吸盤比其他形式吸盤的吸力大。122氣流負(fù)壓吸盤

氣流負(fù)壓吸盤工廠一般都有空壓機(jī)站或空壓機(jī)，比較容易獲得空壓機(jī)氣源，不需專為機(jī)器人配置真空泵，所以氣流負(fù)壓吸盤在工廠內(nèi)使用方便。123擠氣負(fù)壓吸盤

擠氣負(fù)壓吸盤擠氣負(fù)壓吸盤的工作原理擠氣負(fù)壓吸盤不需真空泵系統(tǒng)，也不需壓縮空氣氣源，經(jīng)濟(jì)方便；但可靠性比真空吸盤和氣流負(fù)壓吸盤差。124自適應(yīng)吸盤

自適應(yīng)吸盤具有一個(gè)球關(guān)節(jié)，使吸盤能傾斜自如，適應(yīng)工件表面傾角的變化。125異形吸盤

異形吸盤可用來(lái)吸附雞蛋、錐頸瓶等物件。126機(jī)身的自由度機(jī)身設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)身的典型結(jié)構(gòu)機(jī)身驅(qū)動(dòng)力(力矩)計(jì)算2.6機(jī)身設(shè)計(jì)127要有足夠的剛度和穩(wěn)定性；運(yùn)動(dòng)要靈活，升降運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)套長(zhǎng)度不宜過(guò)短，避免發(fā)生卡死現(xiàn)象，一般要有導(dǎo)向裝置；結(jié)構(gòu)布置要合理。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)身通常具有1~3個(gè)自由度，即升降、回轉(zhuǎn)或俯仰。2.6機(jī)身設(shè)計(jì)2.6.1機(jī)身的自由度2.6.2機(jī)身設(shè)計(jì)的基本要求128機(jī)身通常具有回轉(zhuǎn)、升降、回轉(zhuǎn)與升降、回轉(zhuǎn)與俯仰、回轉(zhuǎn)與升降以及俯仰共5種運(yùn)動(dòng)方式，采用哪一種方式由工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)來(lái)定。圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人將回轉(zhuǎn)與升降2個(gè)自由度歸屬于機(jī)身；球坐標(biāo)式機(jī)器人將回轉(zhuǎn)與俯仰2個(gè)自由度歸屬于機(jī)身；關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人將回轉(zhuǎn)自由度歸屬于機(jī)身；直角坐標(biāo)式機(jī)器人將升降（Z軸）或水平移動(dòng)（X軸）一個(gè)自由度歸屬于機(jī)身。2.6機(jī)身設(shè)計(jì)2.6.3機(jī)身的典型結(jié)構(gòu)129回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身

回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身130回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身

回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身131垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算升降立柱下降不卡死(不自鎖)的條件計(jì)算2.6機(jī)身設(shè)計(jì)2.6.4機(jī)身驅(qū)動(dòng)力（力矩）計(jì)算132垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算Fm：各支承處的摩擦力（N）；Fg：?jiǎn)?dòng)時(shí)的總慣性力（N）；W：運(yùn)動(dòng)部件的總重力（N），上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。133回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算Mm：總摩擦阻力矩（N·m）；Mg：各回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件的總慣性力矩（N·m）。

：升速或制動(dòng)過(guò)程中的角速度增量（rad/s）；

t：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)升速過(guò)程或制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間（s）；J0：全部回轉(zhuǎn)零部件對(duì)機(jī)身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）。134升降立柱下降不卡死(不自鎖)的條件計(jì)算機(jī)器人手臂的偏重力矩135固定軌跡式無(wú)固定軌跡式輪式履帶式步行式（足式）其他方式2.7行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)136機(jī)身底座安裝在一個(gè)可移動(dòng)的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人沿絲杠縱向移動(dòng)；有時(shí)也采用類似起重機(jī)梁行走方式。主要用于作業(yè)區(qū)域較大的場(chǎng)合，如大型設(shè)備裝配，立體化倉(cāng)庫(kù)中的材料搬運(yùn)、材料堆垛和儲(chǔ)運(yùn)及大面積噴涂等。2.7.1固定軌跡式2.7行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)137輪式具有三組輪子的輪系與地面為連續(xù)接觸，形態(tài)為運(yùn)行車式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)既可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有三組輪子，也可以分別驅(qū)動(dòng)其中兩組輪子，從而使機(jī)器人能夠在任何方向上移動(dòng)。2.7.2無(wú)固定軌跡式2.7行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)138輪式輪式機(jī)器人用于柔性制造單元中進(jìn)行工件搬運(yùn)和裝配作業(yè)。機(jī)器人從材料儲(chǔ)存系統(tǒng)中挑選所需的零件并把它搬運(yùn)到裝配站；零件準(zhǔn)備好以后，兩個(gè)機(jī)器人手臂在傳感器系統(tǒng)監(jiān)控下把零件裝配成成品件。手部具有裝配工作不可少的力和力矩傳感器，以便測(cè)量裝配過(guò)程中零件之間的碰撞和力；由監(jiān)視覺(jué)系統(tǒng)監(jiān)視裝配過(guò)程；用超聲波傳感器探測(cè)可能存在的障礙物，并避開障礙物尋找安全路徑。139輪式可上臺(tái)階的機(jī)器人在平坦地面上，由小車輪回轉(zhuǎn)行走。當(dāng)前方輪子碰到臺(tái)階后，大輪(即小輪的支架)就帶著小輪一起轉(zhuǎn)，此時(shí)車架也逐漸被拾起一定的高度。140輪式輪腿結(jié)合式機(jī)器人平地上用四個(gè)輪子行走，跨越障礙時(shí)腿將車身抬起，實(shí)現(xiàn)跨越動(dòng)作。141輪式可跨越障礙的機(jī)器人每節(jié)小車有前進(jìn)自由度、升降自由度和轉(zhuǎn)向自由度，因此可使機(jī)器人在不平的地面上行走時(shí)保持應(yīng)有的車體姿態(tài)和行走曲線。可跨越地面障礙和溝坎，也適用于地面凹陷和凸起的狀況。142履帶式與地面為連續(xù)接觸，形態(tài)為運(yùn)行車式?？稍谟邪纪沟牡孛嫔闲凶?；可以跨越障礙物；能爬梯度不太高的臺(tái)階。由于沒(méi)有自定位輪，沒(méi)有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，只能靠左右兩個(gè)履帶的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，所以在橫向和前進(jìn)方向都會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)；轉(zhuǎn)彎阻力大，不能準(zhǔn)確地確定回轉(zhuǎn)半徑。

裝有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的履帶式機(jī)器人143履帶式變位履帶式機(jī)器人144步行式（足式）與地面為間斷接觸，形態(tài)為類人(或動(dòng)物)的腿腳式。二足步行機(jī)器人145六足縮放式腿步行機(jī)器人步行式（足式）146可在壁面上爬行的機(jī)器人其他方式車輪和腳混合式行走機(jī)器人147作業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用Fundamentalsandapplicationsofrobotics習(xí)題：2-1、2-15、2-16、2-18、

2-22、2-33、2-37、2-40。第三章:工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用Fundamentalsandapplicationsofrobotics1493.1齊次坐標(biāo)及動(dòng)坐標(biāo)系、對(duì)象物位姿的描述3.2齊次變換3.3工業(yè)機(jī)器人連桿坐標(biāo)系及其齊次變換矩陣3.4工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及其求解目錄150點(diǎn)的直角坐標(biāo)描述點(diǎn)的齊次坐標(biāo)描述坐標(biāo)軸方向的齊次坐標(biāo)描述動(dòng)坐標(biāo)系位姿的齊次坐標(biāo)描述對(duì)象物位姿的齊次坐標(biāo)描述3.1齊次坐標(biāo)及動(dòng)坐標(biāo)系、對(duì)象物位姿的描述151點(diǎn)的直角坐標(biāo)描述式中：Px、Py、Pz是點(diǎn)P在坐標(biāo)系{A}中的三個(gè)位置坐標(biāo)分量。3.1.1點(diǎn)的直角坐標(biāo)描述3.1齊次坐標(biāo)及動(dòng)坐標(biāo)系、對(duì)象物位姿的描述152齊次坐標(biāo)的表示不是惟一的，將其各元素同乘一非零因子

后，仍然代表同一點(diǎn)P，即：3.1.2點(diǎn)的齊次坐標(biāo)描述3.1齊次坐標(biāo)及動(dòng)坐標(biāo)系、對(duì)象物位姿的描述a=ω

Px；b=ω

Py；c=ω

Pz153坐標(biāo)軸方向的描述3.1.3坐標(biāo)軸方向的齊次坐標(biāo)描述3.1齊次坐標(biāo)及動(dòng)坐標(biāo)系、對(duì)象物位姿的描述154矢量位置與方向的描述4?

?1列陣[a

b

cw]T中第四個(gè)元素不為零，則表示空間某點(diǎn)的位置；4?

?1列陣[abcw]T中第四個(gè)元素為零，且滿足a2?+?b2?+?c2?=?1，則表示某軸（矢量）的方向。a=cosα，b=cosβ，c=cosγ155用不同方向角表示方向矢量u、v、w

如圖所示，用齊次坐標(biāo)寫出矢量u、v、w的方向列陣。

u:

u=[00.7070.707]Tv:

v=[0.70700.707]Tw:

w=[0.50.50.707]T156連桿位置和姿態(tài)的描述剛體的位置和姿態(tài)3.1.4動(dòng)坐標(biāo)系位姿的齊次坐標(biāo)描述3.1齊次坐標(biāo)及動(dòng)坐標(biāo)系、對(duì)象物位姿的描述157連桿位置和姿態(tài)的描述動(dòng)坐標(biāo)系{B}的位姿描述如圖所示，固連于連桿的坐標(biāo)系{B}位于OB點(diǎn)，Xb?=?2，Yb?=?1，Zb?=?0。在XOY平面內(nèi)，坐標(biāo)系{B}相對(duì)固定坐標(biāo)系{O}有一個(gè)30

的偏轉(zhuǎn)，試寫出表示連桿位姿的坐標(biāo)系{B}的44矩陣表達(dá)式。158手部位置和姿態(tài)的描述手部位置及姿態(tài)的描述

159手部位置和姿態(tài)的描述抓握物體Q的手部手部抓握物體Q，物體是邊長(zhǎng)為2個(gè)單位的正立方體，寫出表達(dá)該手部位姿的矩陣表達(dá)式。1603.1.4對(duì)象物位姿的齊次坐標(biāo)描述3.1齊次坐標(biāo)及動(dòng)坐標(biāo)系、對(duì)象物位姿的描述161平移的齊次變換旋轉(zhuǎn)的齊次變換平移加旋轉(zhuǎn)的齊次變換3.2齊次變換162點(diǎn)的平移變換3.2齊次變換3.2.1平移的齊次變換163相對(duì)于固定坐標(biāo)系平移時(shí)，算子左乘；相對(duì)于動(dòng)定坐標(biāo)系平移時(shí)，算子右乘；亦適用于矢量、坐標(biāo)系、剛體的平移變換。164動(dòng)坐標(biāo)系{A}相對(duì)于固定坐標(biāo)系的X0、Y0、Z0軸作(–1，2，2)平移后到{A

}；動(dòng)坐標(biāo)系{A}相對(duì)于自身坐標(biāo)系的X、Y、Z軸分別作(–1，2，2)平移后到{A

}。A的矩陣表達(dá)式如下。寫出坐標(biāo)系{A

}、{A

}的矩陣表達(dá)式。坐標(biāo)系的平移變換165動(dòng)坐標(biāo)系{A}的平移變換算子：166點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)變換3.2齊次變換3.2.2旋轉(zhuǎn)的齊次變換167168169點(diǎn)的一般旋轉(zhuǎn)變換該式為一般旋轉(zhuǎn)齊次變換通式，概括了繞X、Y、Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換的情況；相對(duì)于固定坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)時(shí)，算子左乘；相對(duì)于動(dòng)定坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)時(shí)，算子右乘；亦適用于坐標(biāo)軸、矢量、坐標(biāo)系、剛體的旋轉(zhuǎn)變換。verθ=1-cosθ170當(dāng)θ為0

到180

時(shí)，式中取正號(hào)；當(dāng)θ很小時(shí)，很難確定轉(zhuǎn)軸；當(dāng)θ接近0

或180

時(shí)，轉(zhuǎn)軸完全不確定。171兩次旋轉(zhuǎn)變換如圖所示，已知坐標(biāo)系中點(diǎn)U的位置矢量U=[7321]T，將此點(diǎn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)90

，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)90

，求旋轉(zhuǎn)變換后所得的點(diǎn)W。172手臂轉(zhuǎn)動(dòng)和手腕轉(zhuǎn)動(dòng)如圖所示為單臂操作手，并且手腕也具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。已知手部起始位姿矩陣為G1。若手臂繞Z0軸旋轉(zhuǎn)+90

，則手部到達(dá)G2；若手臂不動(dòng)，僅手部繞手腕Z1軸旋轉(zhuǎn)+90

，則手部到達(dá)G3。寫出手部坐標(biāo)系{G2}及{G3}的矩陣表達(dá)式。173174用平移算子（或旋轉(zhuǎn)算子）乘上旋轉(zhuǎn)算子（或平移算子）；并不限定平移變換或旋轉(zhuǎn)變換的次數(shù)或先后順序；運(yùn)算規(guī)則同前，即凡相對(duì)于固定坐標(biāo)系變換則算子左乘，相對(duì)于動(dòng)定坐標(biāo)系平移變換則算子右乘；同樣適用于矢量、坐標(biāo)系、剛體的平移變換。3.2齊次變換3.2.3平移加旋轉(zhuǎn)的齊次變換175如圖所示，已知坐標(biāo)系中點(diǎn)U的位置矢量U=[7321]T，將此點(diǎn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)90

，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)90

，最后再作4i-3j+7k的平移，求變換后所得的點(diǎn)W。復(fù)合坐標(biāo)變換176連桿參數(shù)連桿坐標(biāo)系的建立連桿坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣3.3工業(yè)機(jī)器人連桿坐標(biāo)系及其齊次變換矩陣177尺寸參數(shù)3.3.1連桿參數(shù)3.3工業(yè)機(jī)器人連桿坐標(biāo)系及其齊次變換矩陣178關(guān)系參數(shù)每個(gè)連桿可以由四個(gè)參數(shù)所描述：其中兩個(gè)描述連桿尺寸，另外兩個(gè)描述連桿與相鄰連桿之間的連接關(guān)系；移動(dòng)關(guān)節(jié)：dn為關(guān)節(jié)變量，其他三個(gè)參數(shù)固定不變；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：

n為關(guān)節(jié)變量，其他三個(gè)參數(shù)固定不變。179連桿n坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱n系）的坐標(biāo)原點(diǎn)位于n+1關(guān)節(jié)軸線上，是關(guān)節(jié)n+1軸線與兩關(guān)節(jié)軸線公垂線的交點(diǎn)；n系的Z軸與n+1關(guān)節(jié)軸線重合；X軸與公垂線重合，從關(guān)節(jié)n指向關(guān)節(jié)n+1；Y軸按右手螺旋法則確定。3.3.2連桿坐標(biāo)系的建立3.3工業(yè)機(jī)器人連桿坐標(biāo)系及其齊次變換矩陣180令n-1系繞Zn-1軸旋轉(zhuǎn)

n角，使Xn-1與Xn平行，算子為Rot(z,

n)；沿Zn-1軸平移dn，使Xn-1與Xn重合，算子為Trans(0,0,dn)；沿Xn軸平移an，使兩坐標(biāo)原點(diǎn)重合，算子為Trans(an,0,0)；繞Xn軸旋轉(zhuǎn)

n角，使n-1系與n系重合，算子為Rot(x,

n)。3.3.3連桿坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣3.3工業(yè)機(jī)器人連桿坐標(biāo)系及其齊次變換矩陣181在進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，常常使某些連桿參數(shù)取特別值，如使

n=0或90

，或使dn=0，或使an=0，從而簡(jiǎn)化矩陣An的計(jì)算，同時(shí)也可簡(jiǎn)化控制。182機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程X=X(q)3.4工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及其求解183183A變換矩陣（A矩陣）：描述一個(gè)連桿坐標(biāo)系與下一個(gè)連桿坐標(biāo)系間相對(duì)關(guān)系（相對(duì)位姿）的齊次變換矩陣。3.4工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及其求解3.4.1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程184手部坐標(biāo)系相對(duì)于固定坐標(biāo)系的位姿等于各連桿坐標(biāo)系之間的變換矩陣的連乘，此即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。185正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解：已知關(guān)節(jié)變量

和d，求手部位姿各矢量n、o、a和p。平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解斯坦福機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解3.4工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及其求解3.4.2正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解186186平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解SCARA機(jī)器人的坐標(biāo)系連桿轉(zhuǎn)角（變量）θ兩連桿間距離d連桿長(zhǎng)度a連桿扭角α連桿1θ1d1=0a1=l1=100α1=0連桿2θ2d2=0a2=l2=100α2=0連桿3θ3d3=0a3=l3=20α3=0SCARA機(jī)器人連桿參數(shù)187平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解連桿轉(zhuǎn)角（變量）θ兩連桿間距離d連桿長(zhǎng)度a連桿扭角α連桿1θ1d1=0a1=l1=100α1=0連桿2θ2d2=0a2=l2=100α2=0連桿3θ3d3=0a3=l3=20α3=0188平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解c123=cos(θ1+θ2+θ3);s123=sin(θ1+θ2+θ3);c12=cos(θ1+θ2);s12=sin(θ1+θ2);c1=cosθ1;s1=sinθ1189斯坦福機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解斯坦福機(jī)器人及坐標(biāo)系(a)斯坦福機(jī)器人(b)坐標(biāo)系190斯坦福機(jī)器人手臀坐標(biāo)系斯坦福機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解191斯坦福機(jī)器人手臀坐標(biāo)系斯坦福機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解192斯坦福機(jī)器人手臀坐標(biāo)系斯坦福機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解193斯坦福機(jī)器人手腕關(guān)節(jié)斯坦福機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解194斯坦福機(jī)器人手腕坐標(biāo)系斯坦福機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解195斯坦福機(jī)器人手腕坐標(biāo)系斯坦福機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解196斯坦福機(jī)器人手腕坐標(biāo)系斯坦福機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解197斯坦福機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解198反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解：己知手部要到達(dá)的目標(biāo)位姿n、o、a和p，求關(guān)節(jié)變量

和d，以驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的馬達(dá)，使手部的位姿得到滿足。斯坦福機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解的注意事項(xiàng)3.4工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及其求解3.4.3反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解199斯坦福機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解已知斯坦福機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為T6=A1A2A3A4A5A6，以及T6矩陣與各桿參數(shù)a、

、d，求關(guān)節(jié)變量

1、

2、d3、

4~

6。求

1：200求

1：斯坦福機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解“+”號(hào)對(duì)應(yīng)右肩位姿，“-”號(hào)對(duì)應(yīng)左肩位姿。201求

2：斯坦福機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解202求d3：求θ4：斯坦福機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解展開后取左、右兩邊第三行第三列相等：203展開后取左、右兩邊第一行第三列相等、第二行第三列相等：求

5：斯坦福機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解204求

6：展開后取左、右兩邊第一行第二列相等、第二行第二列相等：斯坦福機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解205斯坦福機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解分離變量法：將一個(gè)未知數(shù)由矩陣方程的右邊移向左邊，使其與其他未知數(shù)分開，解出這個(gè)未知數(shù)，再把下一個(gè)未知效移到左邊，重復(fù)進(jìn)行，直至解出所有未知數(shù)。分離變量法的特點(diǎn)：首先利用運(yùn)動(dòng)方程的不同形式，找出矩陣中能夠簡(jiǎn)單表達(dá)某個(gè)未知數(shù)的元素，力求得到未知數(shù)較少的方程，然后求解。206反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解的注意事項(xiàng)解可能不存在工作城外逆解不存在207解的多重性逆解的多重性反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解的注意事項(xiàng)208解的多重性PUMA560機(jī)器人的四個(gè)逆解反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解的注意事項(xiàng)209解的多重性避免碰撞的一個(gè)可能實(shí)現(xiàn)的解反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解的注意事項(xiàng)210解析法：適用于簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)學(xué)方程數(shù)值法：適用于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)學(xué)方程運(yùn)算速度運(yùn)算精度求解方法的多樣性反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解的注意事項(xiàng)211角度設(shè)定法RPY角法和歐拉角法表示手部姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程X=X(q)3.4工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及其求解3.4.4運(yùn)動(dòng)學(xué)方程X=X(q)212角度設(shè)定法式中矩陣前三列分別是手部坐標(biāo)系的單位方向矢量n、o、a，規(guī)定了手部的姿態(tài)；這種方法在作變換運(yùn)算時(shí)十分方便，但利用它作手部姿態(tài)的描述并不方便，也不直觀；而且n=o

a，9個(gè)元素中只有三個(gè)是獨(dú)立的；這就存在如何用3個(gè)參數(shù)簡(jiǎn)便、直觀地描述手部姿態(tài)的問(wèn)題。通過(guò)連桿坐標(biāo)系之間的變換矩陣A確定手部位姿T的方法所建立的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：213角度設(shè)定法：采用相對(duì)于參考坐標(biāo)系或相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系作三次連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)規(guī)定姿態(tài)的方法。于是，機(jī)器人的手部位姿可用一個(gè)6維列矢量來(lái)表示：角度設(shè)定法式中：x、y、z表示手部位置；

x、

y、

z分別為繞X軸、Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)角。214RPY角法和歐拉角法表示手部姿態(tài)RPY角法（x-y-z角設(shè)定法）是手部相對(duì)于參考坐標(biāo)系軸作三次連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)獲得規(guī)定的姿態(tài)；先繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)

x角，稱為偏轉(zhuǎn)(Yaw)；再繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)

y角，稱為俯仰(Pitch)；最后繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)

z角，稱為翻轉(zhuǎn)(Roll)，得到相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為：215215RPY角法和歐拉角法表示手部姿態(tài)歐拉角法（z-y-x角設(shè)定法）是手部相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系軸作三次連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)獲得規(guī)定的姿態(tài)；如果轉(zhuǎn)動(dòng)順序?yàn)閦-y-x，則相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為：同RPY角法得到的結(jié)果完全相同；如果用其他順序進(jìn)行歐拉角三次連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果便不相同了。216216RPY角法和歐拉角法表示手部姿態(tài)知道了旋轉(zhuǎn)矩陣后，則可由以上兩式逆解出手部姿態(tài)的設(shè)定角

x、

y、

z。

x、

y、

z分別為：其中q為廣義關(guān)節(jié)變量：217217X=X(q)形式運(yùn)動(dòng)學(xué)方程當(dāng)用機(jī)器人各連桿坐標(biāo)系間的變換矩陣Ai來(lái)確定機(jī)器人手部位姿T6時(shí)，T6為4×4矩陣，手部的位置用p表示，p＝[px

py

pz]T，手部的姿態(tài)用手部坐標(biāo)系的n、o、a向量來(lái)表示；Ai是關(guān)節(jié)變量q的函數(shù)，于是用變換矩陣法表示手部姿態(tài)時(shí)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：該式表示了機(jī)器人手部位姿T與關(guān)節(jié)變量q之間的函數(shù)關(guān)系。218218X=X(q)形式運(yùn)動(dòng)學(xué)方程于是，用角度設(shè)定法表示手部姿態(tài)時(shí)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：當(dāng)用角度設(shè)定法表示手部姿態(tài)時(shí)，手部位置可用px、py、pz來(lái)表示，它們是關(guān)節(jié)變量的函數(shù)；手部姿態(tài)可用

x、

y、

z來(lái)表示，它們也是關(guān)節(jié)變量的函數(shù)，即：該式也表示了機(jī)器人手部位姿X與關(guān)節(jié)變量q之間的函數(shù)關(guān)系。219X=X(q)形式運(yùn)動(dòng)學(xué)方程兩式中右邊均是廣義關(guān)節(jié)矢量q（它構(gòu)成關(guān)節(jié)空間）的函數(shù)，左邊均是在直角坐標(biāo)空間即操作空間中描述的手部位姿；可見(jiàn)，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程T6=T(q)或X=X(q)就是關(guān)節(jié)空間向操作空間的映射；兩式僅僅是描述態(tài)姿的方法不同。220作業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用Fundamentalsandapplicationsofrobotics習(xí)題：3-4、3-9、3-10。機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用Fundamentalsandapplicationsofrobotics第四章:工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析2224.1工業(yè)機(jī)器人速度分析4.2工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算4.3工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析目錄223工業(yè)機(jī)器人速度雅可比矩陣工業(yè)機(jī)器人速度分析的兩類問(wèn)題4.1工業(yè)機(jī)器人速度分析224二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人4.1工業(yè)機(jī)器人速度分析4.1.1工業(yè)機(jī)器人速度雅可比矩陣225J為2×2的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，稱為二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人的速度雅可比矩陣，它反映了關(guān)節(jié)空間微小運(yùn)動(dòng)d

與手部作業(yè)空間微小位移dX的關(guān)系。J矩陣的值是

1、

2的函數(shù)。226轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)：qi=

i；移動(dòng)關(guān)節(jié)：qi=di。J(q)為6×n的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，稱為n自由度機(jī)器人的速度雅可比矩陣。其元素為：對(duì)于n自由度機(jī)器人，其關(guān)節(jié)變量可用廣義關(guān)節(jié)變量q表示，即：其微分：反映了關(guān)節(jié)空間的微小運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人末端在操作空間的位姿的位姿X是關(guān)節(jié)變量q的函數(shù)，即：由式(2-44)可知：其微分：反映了操作空間的微小運(yùn)動(dòng)，它由機(jī)器人末端微小線位移(dx,dy,dz)和微小角位移(

x,

y,

z)組成；于是式(3-8)可寫為：q=[q1

q2…qn]Tdq=[dq1dq2…dqn]TX=X(q)dX=[dxdydzδ?xδ?yδ?z]T227已知各關(guān)節(jié)速度，求手部速度已知手部速度，求各關(guān)節(jié)速度4.1工業(yè)機(jī)器人速度分析4.1.2工業(yè)機(jī)器人速度分析的兩類問(wèn)題228已知各關(guān)節(jié)速度，求手部速度V：機(jī)器人末端在操作空間中的廣義速度；

：機(jī)器人關(guān)節(jié)在關(guān)節(jié)空間中的速度；J(q)：確定關(guān)節(jié)空間速度與操作空間速度V之間關(guān)系的雅可比矩陣，即速度雅可比矩陣；根據(jù)此式，已知關(guān)節(jié)上的速度，可求出機(jī)器人末端（即手部）的速度。229已知各關(guān)節(jié)速度，求手部速度右邊第一項(xiàng)：表示僅由第一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)引起的端點(diǎn)速度；右邊第二項(xiàng)：表示僅由第二個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)引起的端點(diǎn)速度；總的端點(diǎn)速度：兩個(gè)速度矢量的合成。機(jī)器人速度雅可比矩陣的每一列表示其他關(guān)節(jié)不動(dòng)而某一關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的端點(diǎn)速度。230已知手部速度，求各關(guān)節(jié)速度如果希望機(jī)器人手部在空間按規(guī)定的速度進(jìn)行作業(yè)，則根據(jù)上式便可計(jì)算出沿路徑上每一瞬時(shí)相應(yīng)的關(guān)節(jié)速度。J-1出現(xiàn)奇異解的兩種情況：工作域邊界上奇異：當(dāng)機(jī)器人臂部全部伸展開或全部折回而使手部處于工作域的邊界上或邊界附近時(shí)，出現(xiàn)逆雅可比矩陣奇異。這時(shí)機(jī)器人相應(yīng)的形位叫做奇異形位；當(dāng)機(jī)器人處于奇異形位時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生退化現(xiàn)象，喪失一個(gè)或更多的自由度。這意味著在空間某個(gè)方向（或子域）上，不管機(jī)器人關(guān)節(jié)速度怎樣選擇，手部也不可能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)；工作域內(nèi)部奇異：是由兩個(gè)或更多個(gè)關(guān)節(jié)軸線重合所引起的。如果給定機(jī)器人的手部速度，則可解出相應(yīng)的關(guān)節(jié)速度，即：231

已知手部速度，求各關(guān)節(jié)速度如圖所示二自由度機(jī)械手，手部沿固定坐標(biāo)系X0軸正向以1.0m/s速度移動(dòng)，桿長(zhǎng)為l1＝l2＝0.5m。設(shè)在某瞬時(shí)

1＝30

，

2＝-60

，求相應(yīng)瞬時(shí)的關(guān)節(jié)速度。二自由度機(jī)械手手爪沿X0方向運(yùn)動(dòng)232已知手部速度，求各關(guān)節(jié)速度233工業(yè)機(jī)器人力雅可比矩陣工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算的兩類問(wèn)題4.2工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算234末端操作器及各關(guān)節(jié)的虛位移假定關(guān)節(jié)無(wú)摩擦，并忽略各趕建的重力，如果作用于機(jī)器人關(guān)節(jié)上的廣義關(guān)節(jié)力矩為

，機(jī)器人手部端點(diǎn)力（即機(jī)器人手部對(duì)外界環(huán)境的作用力）為F，則：4.2工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算4.2.1工業(yè)機(jī)器人力雅可比矩陣2354.2工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算4.2.1工業(yè)機(jī)器人力雅可比矩陣236已知機(jī)器人手部端點(diǎn)力F或外界環(huán)境對(duì)機(jī)器人手部的作用力F'(F=F')，求關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩；已知關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，求機(jī)器人手部對(duì)外界環(huán)境的作用力：這類問(wèn)題是第一類問(wèn)題的逆解。當(dāng)機(jī)器人的自由度不為6時(shí)，力雅可比矩陣就不是一個(gè)方陣，則JT就沒(méi)有逆解。所以，對(duì)這類問(wèn)題的求解就困難得多，在一般情況下不一定能得到唯一的解。4.2工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算4.2.2工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算的兩類問(wèn)題237如圖所示為一個(gè)二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)械手，已知手部端點(diǎn)力F＝[Fx

Fy]T，求相應(yīng)于端點(diǎn)力F的關(guān)節(jié)力矩（不考慮摩擦）。238在某瞬時(shí)

1＝0

，

2＝90

，則在該瞬時(shí)與手部端點(diǎn)力相對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)力矩為：239工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析的兩類問(wèn)題工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析的方法工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析4.3工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析240已知關(guān)節(jié)位置、速度、加速度，求關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩。這對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)控制是相當(dāng)有用的；已知關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，求關(guān)節(jié)位置、速度、加速度。這對(duì)模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是非常有用的。4.3工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析4.3.1工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析的兩類問(wèn)題241拉格朗日法：不僅能以最簡(jiǎn)單的形式求得非常復(fù)雜的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，而且具備顯式結(jié)構(gòu)，物理意義比較明確。牛頓-歐拉法高斯法凱恩法4.3工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析4.3.2工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析的方法242拉格朗日函數(shù)拉格朗日方程用拉格朗日法建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的步驟二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的簡(jiǎn)化關(guān)節(jié)空間與操作空間動(dòng)力學(xué)方程及二者的關(guān)系4.3工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析4.3.3工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析243拉格朗日函數(shù)：系統(tǒng)的動(dòng)能與勢(shì)能之差。拉格朗日方程用拉格朗日法建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的步驟選取坐標(biāo)系，選定廣義關(guān)節(jié)變量與廣義力；求各構(gòu)件的動(dòng)能與勢(shì)能，構(gòu)造拉格朗日函數(shù)；代入拉格朗日方程，求得系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。244二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程選定坐標(biāo)系、廣義關(guān)節(jié)變量與廣義力245二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程系統(tǒng)動(dòng)能：系統(tǒng)勢(shì)能：246拉格朗日函數(shù)：二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：247系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程248系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程249系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程250系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程251含有或

的項(xiàng)表示由加速度引起的關(guān)節(jié)力矩項(xiàng)，其中：含有或

的項(xiàng)表示由離心力引起的關(guān)節(jié)力矩項(xiàng)，其中：含有D11和D22的項(xiàng)分別表示由關(guān)節(jié)1加速度和關(guān)節(jié)2加速度引起的慣性力矩項(xiàng)；含有D12表示關(guān)節(jié)2的加速度對(duì)關(guān)節(jié)1的耦合力矩項(xiàng)；含有D21表示關(guān)節(jié)1的加速度對(duì)關(guān)節(jié)2的耦合力矩項(xiàng)。含有D122的項(xiàng)表示由關(guān)節(jié)2速度引起的離心力對(duì)關(guān)節(jié)1的耦合力矩項(xiàng)；含有D211的項(xiàng)表示由關(guān)節(jié)1速度引起的離心力對(duì)關(guān)節(jié)2的耦合力矩項(xiàng)。二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程252含有

的項(xiàng)表示由哥式力引起的關(guān)節(jié)力矩項(xiàng)，其中：只含有

1,

2的項(xiàng)表示由重力引起的關(guān)節(jié)力矩項(xiàng)，其中：含有D1的項(xiàng)表示連桿1、連桿2的質(zhì)量對(duì)關(guān)節(jié)1引起的重力矩項(xiàng)；含有D2的項(xiàng)表示連桿2的質(zhì)量對(duì)關(guān)節(jié)2引起的重力矩項(xiàng)。含有D112的項(xiàng)表示哥式力對(duì)關(guān)節(jié)1的耦合力矩項(xiàng)；含有D212的項(xiàng)表示哥式力對(duì)關(guān)節(jié)2的耦合力矩項(xiàng)。二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程253機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的簡(jiǎn)化當(dāng)桿件質(zhì)量不是很大，重量很輕時(shí)，動(dòng)力學(xué)方程中的重力矩項(xiàng)可以省略；當(dāng)關(guān)節(jié)速度不是很大，機(jī)器人不是高速機(jī)器人時(shí)，含有,,

的項(xiàng)可以省略；當(dāng)關(guān)節(jié)加速度不是很大，關(guān)節(jié)電機(jī)的升降速度不是很突然時(shí)，含有,

的項(xiàng)可以省略。254關(guān)節(jié)空間與操作空間動(dòng)力學(xué)方程及二者的關(guān)系關(guān)節(jié)空間與操作空間關(guān)節(jié)空間動(dòng)力學(xué)方程操作空間動(dòng)力學(xué)方程關(guān)節(jié)空間動(dòng)力學(xué)方程與操作空間動(dòng)力學(xué)方程的關(guān)系255關(guān)節(jié)空間與操作空間關(guān)節(jié)空間：n個(gè)自由度操作臂的末端位姿X由n個(gè)關(guān)節(jié)變量所決定，這n個(gè)關(guān)節(jié)變量也叫做n維關(guān)節(jié)矢量q，所有關(guān)節(jié)矢量q構(gòu)成了關(guān)節(jié)空間。操作空間：機(jī)器人末端操作器的作業(yè)是在直角坐標(biāo)空間中進(jìn)行的，即操作臂末端位姿X是在直角坐標(biāo)空間中描述的，把這個(gè)空間叫做操作空間。在關(guān)節(jié)空間和操作空間中操作臂動(dòng)力學(xué)方程及末端操作器動(dòng)力學(xué)方程有不同的表示形式，但兩者之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。256關(guān)節(jié)空間動(dòng)力學(xué)方程D(q)：n×n的正定對(duì)稱矩陣；：n×1的