开式链机构及工业机器人

1、作者潘存云 第第10章章 开式链机构及工业机器人开式链机构及工业机器人 101 开式链机构及工业机器人开式链机构及工业机器人 102 工业机器人操作机分类及其自由度工业机器人操作机分类及其自由度 103 工业机器人操作机机构的设计工业机器人操作机机构的设计 104 开式链机构的运动分析方法开式链机构的运动分析方法 105 开式链机构的应用举例开式链机构的应用举例 作者潘存云 101 开式链机构及工业机器人开式链机构及工业机器人 一、开式链机构及其特点一、开式链机构及其特点 开式链机构开式链机构开式运动链所组成的机构。开式运动链所组成的机构。 作者：潘存云教授 作者潘存云 特点：特点： 1 1）

2、采用转动副，或移动副依次串联构成；）采用转动副，或移动副依次串联构成； 2 2）单个运动副称为关节，每个关节至少含一个）单个运动副称为关节，每个关节至少含一个 自由度，一般含关节数目为：自由度，一般含关节数目为：3 36 6个；个； 3 3）驱动源个数与自由度相等；）驱动源个数与自由度相等； 4 4）开式链末端装有作业工具，运动路径为一空间）开式链末端装有作业工具，运动路径为一空间 曲线，其运动空间区域称为工作空间；曲线，其运动空间区域称为工作空间； 5 5）运动分析方法较复杂；）运动分析方法较复杂； 6）采用计算机控制系统，可实现复杂的空间作业）采用计算机控制系统，可实现复杂的空间作业 运动

3、。运动。 应用：应用：开式链机构被广泛用于机器人的执行机构。开式链机构被广泛用于机器人的执行机构。 作者潘存云 二、二、机器人及其分类、应用和发展机器人及其分类、应用和发展 机器人机器人通过编程来实现对作业运动进行自动控制通过编程来实现对作业运动进行自动控制 的机电一体化智能机械装置。的机电一体化智能机械装置。 工业机器人工业机器人 特种机器人特种机器人 所谓工业机器人就是面向工业 领域的多自由度机器人 焊接机器人焊接机器人 搬运机器人搬运机器人 喷涂机器人喷涂机器人 装配机器人装配机器人 服务机器人服务机器人 排险机器人排险机器人 表演机器人表演机器人 仿生机器人仿生机器人 水下机器人水下机

4、器人 农林机器人农林机器人 分类分类 1）机器人的类型）机器人的类型 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 工业机器人工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。面向工业领域的多自由度机器人。 是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应 用于工业生产的各个领域：用于工业生产的各个领域： （1）机器人的）机器人的应用应用 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 工业机器人工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。面向工业领域的多自由度机器人。 是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应是应用最广，技术最为成熟的机器人，已

5、经成功应 用于工业生产的各个领域：用于工业生产的各个领域： （1）机器人的）机器人的应用应用 潘存云教授研制 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 工业机器人工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。面向工业领域的多自由度机器人。 是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应 用于工业生产的各个领域：用于工业生产的各个领域： （1）机器人的）机器人的应用应用 潘存云教授研制 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 工业机器人工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。面向工业领域的多自由度机器人。 是应用最广，技术最为成熟

6、的机器人，已经成功应是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应 用于工业生产的各个领域：用于工业生产的各个领域： （1）机器人的）机器人的应用应用 潘存云教授研制 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 工业机器人工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。面向工业领域的多自由度机器人。 是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应 用于工业生产的各个领域：用于工业生产的各个领域： （1）机器人的）机器人的应用应用 潘存云教授研制 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 工业机器人工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。

7、面向工业领域的多自由度机器人。 是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应 用于工业生产的各个领域：用于工业生产的各个领域： （1）机器人的）机器人的应用应用 潘存云教授研制 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 （1）机器人的）机器人的应用应用 特种机器人特种机器人面向特殊领域专用的机器人。面向特殊领域专用的机器人。 是发是发 展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。 家政服务机器人家政服务机器人 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 （1）机器人的）机器人的应用应用 特种机

8、器人特种机器人面向特殊领域专用的机器人。面向特殊领域专用的机器人。 是发是发 展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。 排险机器人排险机器人 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 （1）机器人的）机器人的应用应用 特种机器人特种机器人面向特殊领域专用的机器人。面向特殊领域专用的机器人。 是发是发 展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。 神奇的神奇的“大狗大狗” 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 （1）机器人的）机器人的应用应用 特种机器人特种机器人面向特殊领域专用的机器人。面向特殊

9、领域专用的机器人。 是发是发 展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。 拉面馆大厨拉面馆大厨 作者潘存云 2）机器人的）机器人的应用和发展应用和发展 （1）机器人的）机器人的应用应用 特种机器人特种机器人面向特殊领域专用的机器人。面向特殊领域专用的机器人。 是发是发 展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。 医疗手术机器人医疗手术机器人 作者潘存云 （2）机器人的发展趋势）机器人的发展趋势 机械结构向机械结构向模块化、可重构化模块化、可重构化发展。例如关节模发展。例如关节模 块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由块

10、中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由 关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。国外 已有模块化装配机器人产品问市。 性能不断提高性能不断提高 高速度高速度 高精度高精度 高可靠性高可靠性 便于操作便于操作 维修简单维修简单 单价下降单价下降 作者潘存云 工业机器人控制系统向基于工业机器人控制系统向基于pc机的机的开放型控制器开放型控制器 方向发展，便于方向发展，便于标准化、网络化标准化、网络化；器件集成度提高，；器件集成度提高， 控制柜日见小巧，且采用模块化结构；控制柜日见小巧，且采用模块化结构； 大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修

11、性。 机器人中传感器作用日益重要机器人中传感器作用日益重要 潘存云教授研制 多传感器融合多传感器融合 位置位置加速度加速度速度速度 视觉视觉听觉听觉力觉力觉触觉触觉 作者潘存云 虚拟现实技术虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演在机器人中的作用已从仿真、预演 发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生 置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 遥控遥控+自治结合自治结合，自然人与机器人组成一个大闭，自然人与机器人组成一个大闭 环。美国发射到火星上的环。美国发射到火星上的“索杰纳索杰纳”机器人机器人(火星车

12、火星车) 就是这种系统成功应用的最著名实例。就是这种系统成功应用的最著名实例。 作者潘存云 执行机构 驱动传动 控制系统 感知决策 工业机器 人的组成 102 工业机器人操作机分类及其自由度工业机器人操作机分类及其自由度 一、工业机器人及操作机的组成一、工业机器人及操作机的组成 潘存云教授研制 用于完成各种作 业动作，一般为 开式链机构 。 作者潘存云 执行机构 驱动传动 控制系统 感知决策 工业机器 人的组成 102 工业机器人操作机分类及其自由度工业机器人操作机分类及其自由度 一、工业机器人及操作机的组成 驱动器：驱动器： 传动方式：传动方式： 步进电机步进电机 机械式机械式 伺服电机伺服

13、电机 电动式电动式 液压马达液压马达 液压式液压式 液液 压压 缸缸 启动式启动式 作者潘存云 执行机构 驱动传动 控制系统 感知决策 工业机器 人的组成 102 工业机器人操作机分类及其自由度工业机器人操作机分类及其自由度 一、工业机器人及操作机的组成 用于控制操作 机各关节内伺 服电机的运动 潘存云教授研制 示教盒示教盒控制器控制器 潘存云教授研制 作者潘存云 执行机构 驱动传动 控制系统 感知决策 工业机器 人的组成 102 工业机器人操作机分类及其自由度工业机器人操作机分类及其自由度 一、工业机器人及操作机的组成 用于感知外部环境 信息，或检测自身 运动状态并作出作 业运动决策。 作者

14、潘存云 机座机座 腰部腰部 臂部臂部 腕部腕部 手部手部 操作机操作机 的组成的组成 二、工业机器人操作机及其组成二、工业机器人操作机及其组成 操作机是机器人握持工具或工件，完成各种运操作机是机器人握持工具或工件，完成各种运 动和操作任务的机械部分。动和操作任务的机械部分。 结构特点结构特点：连杆：连杆1+关节关节1+连杆连杆n+关节关节n 开链机构开链机构 关节类型关节类型：转动副（：转动副（r）、移动副（）、移动副（p） 用来支撑手臂并安装驱动装置用来支撑手臂并安装驱动装置 等部件，有固定和移动两种。等部件，有固定和移动两种。 作者潘存云 连接机座和臂部的部分连接机座和臂部的部分 为腰部，

15、通常做回转运为腰部，通常做回转运 动（腰关节）动（腰关节） 机座机座 腰部腰部 臂部臂部 腕部腕部 手部手部 操作机操作机 的组成的组成 二、工业机器人操作机及其组成二、工业机器人操作机及其组成 操作机是机器人握持工具或工件，完成各种运操作机是机器人握持工具或工件，完成各种运 动和操作任务的机械部分。动和操作任务的机械部分。 结构特点结构特点：连杆：连杆1+关节关节1+连杆连杆n+关节关节n 开链机构开链机构 关节类型关节类型：转动副（：转动副（r）、移动副（）、移动副（p） 作者潘存云 臂部（含大臂和小臂）臂部（含大臂和小臂） 用作用作 支撑腕部和手部，并带动它支撑腕部和手部，并带动它 们在

16、空间运动，从而使手部们在空间运动，从而使手部 按一定的运动轨迹由某一位按一定的运动轨迹由某一位 置达到另一指定位置。置达到另一指定位置。 机座机座 腰部腰部 臂部臂部 腕部腕部 手部手部 操作机操作机 的组成的组成 二、工业机器人操作机及其组成二、工业机器人操作机及其组成 操作机是机器人握持工具或工件，完成各种运操作机是机器人握持工具或工件，完成各种运 动和操作任务的机械部分。动和操作任务的机械部分。 结构特点结构特点：连杆：连杆1+关节关节1+连杆连杆n+关节关节n 开链机构开链机构 关节类型关节类型：转动副（：转动副（r）、移动副（）、移动副（p） 作者潘存云 机座机座 腰部腰部 臂部臂部

17、 腕部腕部 手部手部 操作机操作机 的组成的组成 二、工业机器人操作机及其组成二、工业机器人操作机及其组成 操作机是机器人握持工具或工件，完成各种运操作机是机器人握持工具或工件，完成各种运 动和操作任务的机械部分。动和操作任务的机械部分。 结构特点结构特点：连杆：连杆1+关节关节1+连杆连杆n+关节关节n 开链机构开链机构 关节类型关节类型：转动副（：转动副（r）、移动副（）、移动副（p） 连接臂部和手部的部件，其连接臂部和手部的部件，其 作用主要是改变和调整手部作用主要是改变和调整手部 在空间的方位，从而使手爪在空间的方位，从而使手爪 中所握持的工具或工件取得中所握持的工具或工件取得 某一指

18、定的姿态。某一指定的姿态。 作者潘存云 手部又称末端执行器，是操作机手部又称末端执行器，是操作机 直接执行操作的装置，其作用是直接执行操作的装置，其作用是 握持工件或抓取工件，其上可安握持工件或抓取工件，其上可安 装夹持器、工具、传感器等。装夹持器、工具、传感器等。 二、工业机器人操作机及其组成二、工业机器人操作机及其组成 操作机是机器人握持工具或工件，完成各种运操作机是机器人握持工具或工件，完成各种运 动和操作任务的机械部分。动和操作任务的机械部分。 结构特点结构特点：连杆：连杆1+关节关节1+连杆连杆n+关节关节n 开链机构开链机构 关节类型关节类型：转动副（：转动副（r）、移动副（）、移

19、动副（p） 机座机座 腰部腰部 臂部臂部 腕部腕部 手部手部 操作机操作机 的组成的组成 作者潘存云 潘存云教授研制 机座机座 腰部腰部 大臂大臂 小臂小臂 手腕手腕 手部手部 工业机器工业机器 人操作机人操作机 作者潘存云 三、工业机器人操作机的结构分类三、工业机器人操作机的结构分类 直角坐标型直角坐标型 圆柱坐标型圆柱坐标型 球坐标型球坐标型 关节型关节型 结构结构 分类分类 优点：优点：是定位精度高，是定位精度高， 空间轨迹易求解，计算空间轨迹易求解，计算 机控制简单。机控制简单。 缺点：缺点：操作机本身所占操作机本身所占 空间尺寸大，相对工作空间尺寸大，相对工作 范围小，操作灵活性较范

20、围小，操作灵活性较 差，运动速度较低。差，运动速度较低。 作者潘存云 三、工业机器人操作机的结构分类三、工业机器人操作机的结构分类 直角坐标型直角坐标型 圆柱坐标型圆柱坐标型 球坐标型球坐标型 关节型关节型 结构结构 分类分类 优点：优点：是所占的空间尺寸较小，相对工作范围较大，是所占的空间尺寸较小，相对工作范围较大， 结构简单，手部可获得较高的速度。这是应用最广结构简单，手部可获得较高的速度。这是应用最广 泛的一种类型。泛的一种类型。 缺点：缺点：是手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分是手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分 辨精度愈低辨精度愈低 作者潘存云 三、工业机器人操作机的结构分类三、

21、工业机器人操作机的结构分类 直角坐标型直角坐标型 圆柱坐标型圆柱坐标型 球坐标型球坐标型 关节型关节型 结构结构 分类分类 优点：优点：是结构紧凑，是结构紧凑， 所占空间尺寸小。所占空间尺寸小。 作者潘存云 三、工业机器人操作机的结构分类三、工业机器人操作机的结构分类 直角坐标型直角坐标型 圆柱坐标型圆柱坐标型 球坐标型球坐标型 关节型关节型 结构结构 分类分类 优点：优点：结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间大，结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间大， 还能绕过机座周围的一些障碍物，应用较多。还能绕过机座周围的一些障碍物，应用较多。 缺点：缺点：是运动直观性更差，驱动控制比较复杂是运动直

22、观性更差，驱动控制比较复杂 作者潘存云 f：操作机的自由度； n：操作机活动构件的数目； i：i级运动副的约束数； pi：操作机i级运动副的数目； fi：操作机第i个运动部件自由度。 四、操作机的自由度四、操作机的自由度 pfpinf ii i i i 5 1 5 1 6 。 一般通用工业机器人：一般通用工业机器人：f= 5 ， 已能满足多种作业要求。已能满足多种作业要求。 自由度是反映操作机的通用性和适应性的一项重要指标。目前一般取 =6 作者潘存云 1. 臂部自由度组合及运动图形臂部自由度组合及运动图形 自由度为自由度为2时，两个直线时，两个直线 运动构成一个矩形区域运动构成一个矩形区域

23、自由度为自由度为3时，三个直线时，三个直线 运动构成一长方体区域运动构成一长方体区域 （1） 直线运动直线运动 （2）回转运动）回转运动 自由度为自由度为2时，两个回转时，两个回转 运动构成一个球面轨迹运动构成一个球面轨迹 作者潘存云 （3）直线运动与回转运动）直线运动与回转运动 自由度为自由度为2时，一个直线运时，一个直线运 动与一个回转运动组合，构动与一个回转运动组合，构 成一个圆柱面。成一个圆柱面。 自由度为自由度为3时，两个直线运时，两个直线运 动与一个回转运动组合，构动与一个回转运动组合，构 成一个圆柱体。成一个圆柱体。 自由度为自由度为2时，一个直线运时，一个直线运 动与一个回转运

24、动组合，构动与一个回转运动组合，构 成一个扇形。成一个扇形。 自由度为自由度为3时，两个回转运时，两个回转运 动与一个直线运动组合，构动与一个直线运动组合，构 成一个空心球体。成一个空心球体。 作者潘存云 臂部各运动自由度及对应的动作臂部各运动自由度及对应的动作 移动自由度移动自由度 回转自由度回转自由度 x 前后伸缩前后伸缩 x 一般不用一般不用（由手腕代替）（由手腕代替） y 前后伸缩前后伸缩 y 上下俯仰上下俯仰 z 前后伸缩前后伸缩 z 左右摆动左右摆动 2. 腕部的自由度腕部的自由度 腕部各运动自由度及对应的动作腕部各运动自由度及对应的动作 移动自由度移动自由度 回转自由度回转自由度

25、 x 不用不用 x1 自身旋转自身旋转 y 横向移动横向移动 y1 上下俯仰上下俯仰 z 纵向移动纵向移动 z1 左右摆动左右摆动 作者潘存云 潘存云教授研制 手部动作不计入机器人的自由度数目中。手部动作不计入机器人的自由度数目中。 3. 冗余自由度冗余自由度 潘存云教授研制 定义：定义：多于多于6的自由度称为冗余自由度。的自由度称为冗余自由度。 目的：目的：提高机器人运动的灵活性，提高机器人运动的灵活性， 以便绕过障碍满足更复杂的作业要求。以便绕过障碍满足更复杂的作业要求。 特性：特性：具有冗余自由度的机器人从具有冗余自由度的机器人从 一个位置移动到另外一处位置时，一个位置移动到另外一处位置

26、时， 操作机的位形具有多种形态。操作机的位形具有多种形态。 手部动作主要是开闭，用来夹持工件或工具。由于其运动并不改变工件或工具在空间的位置和姿态，故其运动自由度一般不计入操作器的自由度数目中 f=7 作者潘存云 103 工业机器人操作机机构的设计工业机器人操作机机构的设计 二、操作机手臂机构的设计二、操作机手臂机构的设计 一、操作机自由度的选择一、操作机自由度的选择 完成空间特定位姿作业的操作机完成空间特定位姿作业的操作机f6 由作业所需运动数目确定操作机的自由度。由作业所需运动数目确定操作机的自由度。 自由度自由度一般取一般取23个个 运动形式运动形式回转、俯仰、升降或伸缩三种。回转、俯仰

27、、升降或伸缩三种。 自由度数自由度数 运动形式运动形式 承受载荷承受载荷 运动精度运动精度 结构形式结构形式 作者潘存云 三、操作机手腕机构的设计三、操作机手腕机构的设计 四、末端执行器的设计四、末端执行器的设计 自由度自由度一般取一般取23个个 运动形式运动形式回转、偏转或摆转和俯仰三种。回转、偏转或摆转和俯仰三种。 结构紧凑结构紧凑 自身重量自身重量 定向精度定向精度 设计要求设计要求 根据不同作业任务要求进行专门设计根据不同作业任务要求进行专门设计 。 机械式夹持器机械式夹持器 吸附式执行器吸附式执行器 专用工具专用工具(如焊枪、喷嘴、电磨头等如焊枪、喷嘴、电磨头等) 类型类型 作者潘存

28、云 104 开式链机构的运动分析方法开式链机构的运动分析方法 一、开式链机构运动分析研究的主要问题一、开式链机构运动分析研究的主要问题 1）正向运动学问题（输入）正向运动学问题（输入输出）输出） 3 1 2 yc x c 1 2 3 y yc c y yc c o y x l1 l2 l3 a b c 2）反向运动学问题）反向运动学问题 1 2 3 y yc c y yc c 输输 入入 输输 出出 作者潘存云 11212 11212 coscos() sinsin() b b xll yll 二、平面两连杆关节型操作机正向运动学分析二、平面两连杆关节型操作机正向运动学分析 11212 cos

29、cos() b xll 2 1 1 11212 sinsin() b yll 1）位置分析）位置分析 xb o y x l1 l2 b a yb 写成矩阵形式写成矩阵形式 12 末端执行器的姿态角末端执行器的姿态角 作者潘存云 2）速度分析）速度分析 对位置方程求导得：对位置方程求导得： 矩阵矩阵 j 称为操作机的雅可比矩阵。称为操作机的雅可比矩阵。 作者潘存云 xb yb 三、平面两连杆关节型操作器反向运动学分析三、平面两连杆关节型操作器反向运动学分析 o y x l1 l2 b a 已知末端参数已知末端参数 （xb , yb）（1 , 2） （xb , yb）（1 , 2） 2 1 112

30、12 coscos() b xll 11212 sinsin() b yll 将位置方程两边平方相加将位置方程两边平方相加 22 22 1121211212 :coscos()sinsin() bb xyllll得 22 121 22 2coslll l 2222 12 2 1 2 cos 2 bb xyll l l 由此可得：由此可得： 作者潘存云 2 22 : sin1cos 由 2 2 2 sin arctan cos 得 : 222222 211 2cos bbbb lxyllxy 2222 12 22 1 :arccos 2 bb bb xyll lxy 求 得 1 arctan b b y x 求解求解1 xb yb o y x l1 l2 b a 2 1 由余弦定律：由余弦定律： 作者潘存云 （2）速度分析 两边同乘以雅可比矩阵的逆矩阵 j-1可得： 速度方程： 由矩阵可逆充要条件：是其行列式的值不为零 2 1 211221212 2 1 2112212121 22 sincos()sin()cos() cossin()sin()cos()sin j