工业机器人技术基础-课件 单元4 操作臂的运动

单元4操作臂的运动4.1关节变量和连杆坐标系4.2自由度4.3关节空间和直角坐标空间4.4奇异构型目录CONTENTS4.5工作空间4.1关节变量和连杆坐标系单元4操作臂的运动一、什么是关节变量？关节变量有何作用？关节变量关节转角转动关节的控制变量关节偏距移动关节的控制变量技术实践：完成教材中的操作，通过调整操作臂连杆的关节转角，使对应的连杆运动。4.1关节变量和连杆坐标系单元4操作臂的运动二、连杆坐标系、工具坐标系和基座坐标系1.连杆坐标系有何作用？

确定各个连杆之间的相对运动关系和位姿关系。

2.工具坐标系有何作用？

通常用来描述操作臂的位姿。3.基座坐标系有何作用？

它通常与绝对坐标系重合，作为其他坐标系共同的参考坐标系技术实践：完成教材中的操作，观察连杆坐标系的组成。4.2自由度单元4操作臂的运动一、三维空间中的物体最多可以有多少个自由度？技术实践：完成教材中的操作，观察三维空间中物体的6个自由度。三维空间中的物体独立运动的自由度移动自由度分别沿X、Y和Z轴移动转动自由度分别绕X、Y和Z轴转动4.2自由度单元4操作臂的运动二、操作臂的自由度是如何定义的？

1.对于一个典型的工业机器人来说，其操作臂每个连杆的位姿都由一个独立关节变量来定义，所以操作臂有多少个关节，就有多少个自由度。2.如果三维空间中物体有6个自由度，控制其运动的操作臂就需要有6个自由度。

4.2自由度单元4操作臂的运动二、操作臂的自由度是如何定义的？

3.操作臂的自由度应该与工业机器人作业所需的自由度相匹配。

（1）工具具有对称回转轴

1）采用回转式刀具铣削球形体：操作臂需要具有5个自由度。

技术实践：完成教材中的操作，观察具有1个回转自由度的工具与具有5个自由度的工业机器人配合，满足作业所要求的6个自由度。4.2自由度单元4操作臂的运动二、操作臂的自由度是如何定义的？

3.操作臂的自由度应该与工业机器人作业所需的自由度相匹配。

（1）工具具有对称回转轴

2）采用回转式刀具铣削平面工件：操作臂需要具有3个自由度。

技术实践：完成教材中的操作，观察装有回转式铣削刀具的3自由度机器人在平面工件上进行需要4个自由度才能完成的铣削作业。4.2自由度单元4操作臂的运动二、操作臂的自由度是如何定义的？

3.操作臂的自由度应该与工业机器人作业所需的自由度相匹配。

（2）具有主动定位装置（变位机）主动定位装置（变位机）能够提供额外的自由度，既可以增强工业机器人作业的柔性，又可以使用少于6个自由度的操作臂完成作业。技术实践：完成教材中的操作，观察利用变位机额外提供的2个自由度使3自由度工业机器人完成需要5个自由度的铣削作业。4.2自由度单元4操作臂的运动三、冗余自由度是如何定义的？有何作用？当操作臂具有的自由度超过工业机器人完成作业所需的自由度时，工业机器人就具有冗余自由度。技术实践：完成教材中的操作，观察冗余自由度使工业机器人的工作空间变大。冗余自由度的作用扩大灵巧工作空间穿越奇异构型改善操作臂的动力学性能4.3关节空间和直角坐标空间单元4操作臂的运动一、直角坐标空间是如何定义的？关节空间是如何定义的？关节空间是由操作臂所有关节转角变量组成的空间

直角坐标空间用直角坐标系来描述。

技术实践：完成教材中的操作，实现操作臂在关节空间和直角坐标空间中的运动。4.3关节空间和直角坐标空间单元4操作臂的运动二、操作臂的构型是如何定义的？

1.通常把由一组关节转角确定的各个连杆位姿所组成的几何位形称为操作臂的构型。2.针对操作臂在直角坐标空间中的同一个位姿，在关节空间中可能存在多种构型与其对应。

技术实践：完成教材中的操作，观察操作臂以不同的构型运动到同一个工具位姿，且运动路径不同。操作臂在直角坐标空间中的同一个位姿对应在关节空间中的八种构型4.3关节空间和直角坐标空间单元4操作臂的运动二、操作臂的构型是如何定义的？

3.操作臂的同一个位姿可能存在多种构型与其对应，使得工业机器人的运动规划变得复杂，但这是工业机器人灵巧性的一种体现。技术实践：完成教材中的操作，观察操作臂在直角坐标空间中的同一个位姿，在关节空间中可能存在多种构型与其对应。操作臂以不同的构型到达同一个目标位姿4.4奇异构型单元4操作臂的运动一、奇异构型是如何定义的？当操作臂在直角坐标空间运动时，工具可能至少在一个方向上丧失运动能力，即失去一个或几个自由度，此时操作臂所有连杆的位姿组合而成的构型称为奇异构型。当操作臂处于奇异构型时，工具不能实现穿越奇异构型的连续直线运动。

4.4奇异构型单元4操作臂的运动一、奇异构型是如何定义的？腕部奇异构型此时J4和J6的轴线重合，工具不能沿平行于J5的轴线运动。

技术实践：完成教材中的操作，通过改变操作臂的关节转角，使操作臂处于腕部奇异构型。4.4奇异构型单元4操作臂的运动一、奇异构型是如何定义的？2.肘部奇异构型此时操作臂的连杆完全伸展，工具远离操作臂的基座。

技术实践：完成教材中的操作，通过改变操作臂的关节转角，使操作臂处于肘部奇异构型。4.4奇异构型单元4操作臂的运动一、奇异构型是如何定义的？3.肩部奇异构型当操作臂腕部的中心位于基座的轴线时，操作臂处于肩部奇异构型。此时，工具接近操作臂基座的轴线。

技术实践：完成教材中的操作，通过改变操作臂的关节转角，使操作臂处于肩部奇异构型。4.5工作空间单元4操作臂的运动一、三个工作空间的包含关系？

技术实践：完成教材中的操作，通过改变操作臂的关节转角，使操作臂处于肩部奇异构型。4.5工作空间单元4操作臂的运动一、三个工作空间的包含关系？1.几何工作空间机器人操作手册上经常几何图形来描述操作臂的工作区域。其最大范围定义在腕部中心与J1轴之间的最大距离处，蓝色区域所示为给定J1轴的转角范围后腕部中心可达的平面范围。

4.5工作空间单元4操作臂的运动一、三个工作空间的包含关系？1.几何工作空间机器人操作手册上经常几何图形来描述操作臂的工作区域。其最大范围定义在腕部中心与J1轴之间的最大距离处，蓝色区域所示为给定J1轴的转角范围后腕部中心可达的平面范围。

4.5工作空间单元4操作臂的运动一、三个工作空间的包含关系？1.几何工作空间几何图形来描述操作臂的工作区域。其最大范围定义在腕部中心与J1轴之间的最大距离处，蓝色区域所示为给定J1轴的转角范围后腕部中心可达的平面范围。

技术实践：完成教材中的操作，观察几何工作空间的变化。4.5工作空间单元4操作臂的运动二、灵巧工作空间和可达工作空间如何定义？灵巧工作空间指由工具能从各个方向到达的空间位置点组成的区域。可达工作空间指由工具至少能从一个方向到达的空间位置点组成的区域。比如二自由度平面操作臂的最大工作边界或最小工作边界。

技术实践：完成教材中的操作，观察工具在灵巧工作空间中的姿态变化。

4.5工作空间单元4操作臂的运动二、奇异构型对工作空间灵巧性和可达性有何影响？尽管在关节空间中可以控制工具以任意方向到达工作空间的任意位置，但在直角坐标空间中，当操作臂处于奇异构型时，工具至少在一个方向丧失运动能力，其位置点是组成可达工作空间的一个位置点，奇异构型将工具的连续路径运动区域分割成多个灵巧工作空间。

技术实践：完成教材中的操作，观察工具处于腕部奇异构型两侧的灵巧工作空间中的位置点。

4.5工作空间单元4操作臂的运动二、奇异构型对工作空间灵巧性和可达性有何影响？