工业机器人复习

工业机器人复习第一章绪论1、机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。2、机器人最显著的特点：拟人功能、可编程、通用性、机电一体化的自动化装置。3、机器人三定律内容：（1）机器人不能伤害人类；（2）在不违反第一条的情况下，机器人必须遵守人类的命令；（3）在不违反第一、二条的情况下，机器人应能保护自己。4、按照机器人的应用领域划分，机器人可以分为产业用机器人、极限作业机器人、服务型机器人。5、按坐标形式来分：即按照P和R的不同组合，可以有直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型五种机器人。6、机器人（IR）的组成：（1）机械系统：机身、手臂、末端操作器（2）驱动系统：各种Actuators:电机、液压缸、气缸（3）控制系统：指挥系统（4）感知系统：传感器。7、IR的技术参数：（1）自由度：具有的独立坐标轴运动的数目。自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，自由度越多越灵活。工业机器人的自由度一般在3～6个之间。（2）定位精度和重复定位精度（3）作业范围（4）最大工作速度（5）承载能力第二章工业机器人机械系统设计1、机器人整机设计原则：（1）最小运动惯量原则（2）尺度规划优化原则

（3）高强度材料选用原则

（4）刚度设计的原则（5）可靠性原则（6）工艺性原则2、工业机器人总体设计分为系统分析和技术设计。3、驱动机构按实现的运动方式：直线驱动机构、旋转驱动机构按驱动方式：液压驱动、气压驱动、电气驱动4、电气驱动包括：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机5、交流伺服电机的特点没有电刷等磨损元件；外形尺寸小；可频繁起、制动；能在重载下高速运行；加速性能好；能实现动态控制和平滑运动；控制复杂，驱动器参数需要现场调整。6、谐波齿轮减速器由刚性齿轮、柔性齿轮、谐波发生器三部分组成。特点：（1）结构简单，体积小，重量轻（2）传动比范围大（3）运动精度高和承载能力大（4）运动平稳，无冲击，噪声小（5）齿侧间隙可以调整7、RV减速器主要特点（1）传动比范围大（2）运动精度高、回差小、刚度大、抗冲击能力强（3）体积小、结构紧凑（4）多齿啮合，承载能力大（5）传动效率高8、步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。结构：主要由定子、转子和励磁绕组三部分组成。第三章工业机器人运动学1、描述两个相邻坐标系之间的相互关系用齐次坐标变换。2、R由方向余弦构成的3×3阶矩阵，表示动坐标系相对固定坐标系的姿态，所以被称作姿态矩阵。3、齐次坐标变换P点相对于固定坐标系，坐标为（x，y，z）相对于动坐标系，坐标为（xb，yb，zb）进一步整理写成矢量形式为，可以进一步表示为。，，，叫做齐次坐标变换矩阵，包含了两级坐标变换之间的位置平移和角度旋转的两方面信息。4、齐次坐标变换举例（1）平移坐标变换（2）旋转坐标变换，绕x轴旋转（3）绕y轴旋转（4）绕Z轴旋转5、若每次的变换是相对于固定坐标系进行的，则矩阵左乘；若每次的变换是相对于动坐标系进行的，则矩阵右乘。6、多种坐标系的变换（1）通用/大地（世界）坐标系﹛U﹜，用于多台机器人的协调控制。在默认情况下，大地坐标系与基坐标系是一致的。（2）基（固定）坐标系﹛B﹜，也称为坐标系﹛O﹜，固定在机器人的基座上。（3）腕坐标系﹛W﹜，原点选在手腕中心（法兰盘中心），相对于基坐标定义，即﹛W﹜=BTW=0T6。（4）工具坐标系﹛T﹜，固定在工具的端部，相对于腕坐标定义，即﹛T﹜=WTT。（5）工作台（用户）坐标系﹛S﹜，固定在工作台的角上，相对于基坐标或大地定义，即﹛S﹜=UTS。（6）目标（工件）坐标系﹛G﹜，固定在工作台上，相对于﹛S﹜坐标系定义，即﹛G﹜=STG。机器人的作业可以描述成工具坐标系相对于工作台坐标系的一系列运动。7、机器人连杆D-H参数及其坐标变换（1）连杆坐标系的建立zi坐标轴沿i+1关节的轴线方向。xi坐标轴沿zi和zi-1轴的公垂线，且指向离开zi-1轴的方向。yi坐标轴的方向构成xiyizi右手直角坐标系。8、连杆参数单根连杆参数连杆长度ai为两关节轴线之间的距离，即zi轴与zi-1轴之间的公垂线长度，沿xi轴方向测量。ai总为正值，两关节轴线平行时，ai=li，li为连杆的长度；垂直时，ai=0。连杆扭角为两关节轴线之间的夹角，即zi轴与zi-1轴之间的夹角，绕xi轴从zi-1轴旋转到zi轴，符合右手规则的为正。当两关节轴线：平行时，。垂直时，。相邻连杆之间的参数相邻两连杆之间的参数，用两根公垂线之间的关系来描述。①连杆距离di 为两根公垂线ai与ai-1之间的距离，即两x轴xi与xi-1之间的距离，在zi-1轴上测量。对于转动关节，di=常数；对于移动关节，di=变量。②连杆转角 为两根公垂线ai与ai-1之间的夹角，即两x轴xi与xi-1轴之间的夹角，绕zi-1轴从xi-1轴旋转到xi轴，符合右手规则的为正。对于转动关节，变数；对于移动关节，常数。9、建立机器人运动学方程实例对于一个六连杆的机器人，机器人手的末端（即连杆坐标系6）相对于固定坐标系的变换可表示为T60=T1T2T3T4T5T6。题2：求如图所示的极坐标机器人手腕中心P点的运动学方程。10、运动学方程建立总结（1）建立坐标系和确定4个D-H参数（2）计算两坐标系之间的齐次变换矩阵Ti（3）计算整个机器人的齐次坐标变换矩阵T（4）求机器人手部中心的运动学方程式11、机器人逆运动学（1）即在已知手部要到达的目标位姿的情况下如何求出所需的关节变量值，以驱动各关节的电机旋转，使手部的位姿得到满足，这就是机器人反向运动学问题，也称求运动学逆解，即由笛卡尔空间到关节空间的逆变换。由于机器人的手部作业是在笛卡尔空间中完成的，所以笛卡尔空间又称为操作空间。（2）逆运动学的特性①解可能不存在；②解的多重性；③求解方法的多样性（3）剔除多余解的方法：①根据关节运动空间来选择合适的解。②选择一个与前一采样时间最接近的解。③根据避障要求，选择合适的解。④逐级剔除多余解。第四章微分运动和速度1、雅克比矩阵的意义雅克比矩阵将单个关节的微分运动或速度转换为感兴趣点的微分运动或速度，也可以将单个关节的运动与整个机构的运动联系起来。2、雅克比矩阵假设有一组变量为xj的方程Yi：则变量和函数间的微分关系可以表示为：根据上述关系，我们可以建立机器人的关节微分运动和机器人手坐标系微分运动之间的关系。题3：给定某一时刻的机器人雅克比矩阵，给定关节的微分运动，求机器人手坐标系的线位移微分运动和角位移微分运动。3、微分平移：Trans(dx,dy,dz)微分旋转：绕一般坐标轴的三个微分运动可以表示为：题4：求绕三个坐标轴作微分旋转所产生的总微分变换。坐标系的微分变换坐标系的微分变换是微分平移和微分旋转运动的合成。如果用T表示原始坐标系，并假定由于微分变换所引起的坐标系T的变化量用dT表示，则有：可令：我们称为微分算子，用它乘以一个坐标系将导致坐标系的变化。进一步求得：题5：对如下的坐标系B,绕y轴做0.1弧度的微分转动，然后微分平移[0.1，0，0.2]，求微分变换的结果。题：假设手坐标系的位姿用如下的伴随矩阵来表示。若绕Z轴做0.15弧度的微分旋转，再做[0.1，0.1，0.3]的微分平移，思考这样的微分运动将产生怎样的影响，并求出手的新位置。第五章工业机器人静力计算及动力学分析1、动力学正问题：根据各关节的驱动力（或力矩），求解机器人的运动（关节位移、速度和加速度）。2、动力学逆问题：已知机器人关节的位移、速度和加速度，求解所需要的关节力矩/力。3、6R机器人奇异形位大体上分为边界奇异、内部奇异和腕部奇异3种情况。4、工业机器人动力学分析方法牛顿-欧拉法、拉格朗日法、高斯法、凯恩法、罗伯逊-魏登堡法等第六章机器人感觉系统1、传感器的性能指标（1）灵敏度：输出信号的变化与输入信号变化的比值.（2）线性度（3）测量范围（4）精度（5）重复性（6）分辨率（7）响应时间2、光电编码器（1）绝对式编码器绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。编码盘的结构：码盘上有许多同心圆环（码道n），整个圆盘又分为若干个（2n）等分的扇形区段。特点：①当掉电时，绝对型编码器的位置不会丢失，一旦电源接通，它即可读出现时准确的位置信号。②可以直接读出角度坐标的绝对值，没有累计误差。③.绝对型编码器读出的信号可以是格雷码等数字信号，其传输及计算的数据的可靠性高。④结构复杂、价格高。（2）增量式编码器设增量式码盘的规格为n线/转，分辨率（分辨角）α为：3、测速发电机测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置,它能把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系。实际上是一种精密的微型直流发电机。增量式光电编码器、微硅陀螺仪速度传感器包括：4、接近觉传感器通常只有二值输出，表明在一规定距离范围内是否有物体存在，用于判断物体的抓取或避障。类型：电感式、电容式、光电式、霍尔效应式、超声波式、气压式第七章机器人轨迹规划与编程操作1、三次多项式插值题：要求一个六轴机器人的第一关节在5秒钟内从初始角300运动到终端角750，且起始点和终止点速度均为零。用三次多项式规划该关节的运动，并计算在第1、2、3秒和第4秒时关节的角度。关节速度、静力的求解1、如图所示为具有三个旋转关节的3R机械手，求末端机械手在基坐标系{x0,y0}下的运动学方程。1、解：建立如图1的参考坐标系，则=====其中.2、如图所示的两自由度机械手，手部沿固定坐标系在手上X0轴正向以1.0m/s的速度移动，杆长l1=l2=0.5m。设在某时刻θ1=30°，θ2=-60°，求该时刻的关节速度。已知两自由度机械手速度雅可比矩阵为2、解：因为：因此，逆雅可比矩阵为：因为，，且v=[1,0]T，即vX=1m/s，vY=0，因此因此，在该瞬时两关节的位置分别为，θ1=30°，θ2=-60°；速度分别为=-2rad/s，=4rad/s；手部瞬时速度为1m/s。式中：求如图所示的2R机器人手腕中心P点的运动学方程。建立D-H坐标系:按D-H坐标系确立各连