焊接机器人技术与系统 课件全套 黎文航 第1-9章 绪论、虚拟仿真操作-焊接机器人工作站

焊接机器人技术与系统本课程的学习目的了解焊接机器人的发展现状；理解焊接机器人的组成和各部分的作用；掌握机器人运动学的基本原理；掌握焊接机器人编程的原理和流程；了解机器人系统集成；了解其他焊接机器人；熟悉一种机器人仿真软件；第一章焊接机器人概述

本章内容焊接自动化与焊接机器人焊接机器人的发展

焊接机器人的结构

焊接机器人分类

焊接机器人的特点焊接机器人安全操作1.1焊接自动化与焊接机器人1.2.1焊接自动化发展概况焊接是制造业中最重要的工艺技术之一传统的手工焊接不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求焊接自动化是趋势，焊接机器人是其发展的代表最初：手工焊接其次：机械化焊接然后：自动化焊接焊接专机焊接机器人焊接自动化技术设计材料、机械、电子、信息、控制等多学科交叉领域根据材料选择焊接工艺机械化，自动化：各种传感器、顺序控制电子化：弧焊电源、通讯技术、人机界面自动控制：弧长控制、焊缝跟踪、缺陷监测焊接自动化生产过程包括备料、切割、装配、焊接、检验等工序只有实现这一全过程的机械化和自动化才能得到稳定的焊接产品质量和均衡的生产节奏，同时获得较高的劳动生产率。

焊接自动化两种类型1焊接专机焊接自动化两种类型2焊接机器人相比焊接专机通用性、灵活性更好焊接机器人是焊接自动化的革命性进步突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化生产方式专机：刚性，适合中、大批量机器人：柔性，适合中、小批量“机器换人”已成为势不可挡趋势优秀焊工越来越少焊接作业环境的恶劣，工人不愿从事培训一名成熟焊工的成本越来越高传统手工焊接难以满足要求焊接产品的质量要求提升焊接产品升级速度加快机器人越来越便宜焊接机器人的优点1)稳定和提高焊接质量，保证其均匀性2)提高劳动生产率，一天可24小时连续生产3)改善工人劳动条件，可在有害环境下工作；4)降低对工人操作技术的要求：5)缩短产品改型换代的准备用期，减少相应的设备投资；6)可实现小批量产品的焊接自动化；7)能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业8)为焊接柔性生产线提供技术基础。焊接机器人不是简单的自动化可以使用更大的规范相比人可以承受更强的弧光和更高的温度可以使用更快的焊接速度能更快更稳地移动焊枪需要对大规范和高速焊接工艺进行研究大规范、高速度会带来新的工艺问题需要提高生产管理水平对工件的要求不一样了1.2焊接机器人的发展焊接机器人是一种工业机器人工业机器人+焊接装备工业机器人一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机具有三个或更多可编程的轴用于工业自动化领域。

1.2.1工业机器人发展历史最初是一种幻想

1910年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik(波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。。1912年

美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。第一法则：机器人不得伤害人类，且确保人类不受伤害；第二法则：在不违背第一法则的前提下，机器人必须服从人类的命令；第三法则：在不违背第一及第二法则的前提下，机器人必须保护自己。1954年：美国人George.C.Devol申请“可编程序的关节型搬运装置”发明专利1956年：约瑟夫恩格尔伯格购买了德沃尔的专利，创造了世界上第一个制造机器人的公司—Unimation1959年：推出了第一台工业机器人后又圆柱机器人

美国最早发明机器人斯坦福臂1969年维克多·沙因曼在斯坦福大学发明全电动、6轴关节型机器人能利用触摸和压力传感器的反馈进行小零件组装日本欧洲等引进消化提升机器人技术Unimation公司将技术授权给川崎重工和GKN，分别在日本和英国生产Unimates工业机器人。日本公司1969年成功开发了Kawasaki-Unimate2000，这是日本有史以来第一台工业机器人。KUKA从使用Unimate机器人发展为开发自己的机器人，他们1973年的机器人Famulus是第一个具有六个机电驱动轴的机器人。80年代日本机器人在世界占主要地位，占世界总产量的一半以上各种工业机器人：SCARA1978年日本山梨大学HiroshiMakino开发了一种可选择柔顺装配机械手各种工业机器人：双手操作机器人第一个由Motoman公司2005年推出，它具有13个运动轴——每条手臂6个，外加一个基础旋转轴，可以实现夹持、加工协作。各种工业机器人：轻量化机器人2006年，德国库卡推出首台轻型机器人，重量仅为16公斤2009年，ABB推出其轻型多功能工业机器人各种工业机器人：并联式机器人轻质且高载高速度、高精度各种工业机器人：重型机器人2007年德国Kuka公司推出了首台有效载荷为1000kg的远程机器人和重型机器人2008年日本发那科（Fanuc）公司推出了一种有效载荷接近1200千克的重型机器人各种工业机器人：协作式机器人机器人从事精度与重复性高的作业流程工人在其辅助下进行创意性工作。机器人的表面光滑、平整能感知周围环境，改变自身的动作行为具有敏感的力反馈特性工业机器人控制系统的发展1994年Motoman推出了第一个机器人控制系统（MRC），该系统可同时控制两个机器人。1996年，德国库卡引入了第一台基于PC机的机器人控制系统2004年Motoman推出改进的机器人控制系统，可同步控制38个轴/4个机器人同步控制；2009年实现对多达72个轴/8个机器人进行完全同步控制。工业机器人的分代从60年代诞生和发展到现在，工业机器人可大致分为3代：第一代是指基于示教再现工作方式的焊接机器人，由于其只有操作简便、不需要环境模型、示教时可修正机械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用；第二代是指基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人，得益于焊接传感器技术和离线编程技术的不断改进，这类机器人现己进入应用研究的阶段；第三代是指装有多种传感器，接收作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应性智能焊接机器人，由于人工智能技术的发展相对滞后，这一代机器人正处于试验研究阶段。工业机器人市场运营的工业机器人：2018年是244万2019年是273.1万2020年是301.5万。未来发展双碳战略：3060传统汽车--》电动汽车带来发展新机遇2008～2020年洲机器人装机量亚洲是最大工业机器人市场洲中国是最大工业机器人市场国2020年主要国家/地区机器人安装量约3/4的机器人安装在5个主要国家中国从2013年成为全球第一工业机器人市场工业机器人行业分布自1961年新泽西州的通用汽车工厂安装第一台商用机器人以来，汽车行业一直是工业机器人最重要的客户。受新冠疫情影响，2020年电子电气行业超越汽车行业成为最大客户。工业机器人应用领域分布工业机器人密度：机器人数/万人世界主要工业国家在制造业的工业机器人密度ABB、发那科（FANUC），库卡（KUKA）和安川电机（YASKAWA）占全球约50％市场份额国产机器人任重道远1.2.2焊接机器人的发展1964年，通用汽车为其俄亥俄州洛兹敦的新装配厂订购了66个Unimates用作点焊机器人1971，KUKA为戴姆勒-奔驰建造了欧洲第一条由机器人运行的焊接流水线（图）。1972年，意大利的FIAT和日本的日产汽车安装了点焊机器人的生产线。1974年，日本川崎基于Unimate设计创建了一个弧焊机器人（图118），用于制造摩托车车架1975年，ASEA公司（现在的ABB公司）开发了一种工业机器人IRB601975年日本日立公司开发了第一台基于传感器的电弧焊接机器人“Mr.AROS”，配有微处理器和间隙传感器，可通过检测工件的精确位置来纠正电弧焊接路径。1979年，日本那智开发了第一台电机驱动的点焊机器人，取代了以前的液压驱动，开创了新时代2007年日本Motoman推出了超高速电弧焊接机器人，该机器人将周期时间缩短了15％，这是当时最快的焊接机器人。通过增加40％的轴运动来达到高速度，可减少30％的焊接/切割时间。焊接机器人新技术：焊枪电缆内置将第四轴和第六轴设计成空心结构，将焊枪电缆布置于其中，送丝机安装在第四轴的后方消除了焊枪电缆与工件和周边设备的干涉；焊枪能够360°旋转，更加容易实现工件内部的焊接、连续焊接和圆周焊接等；同时，送丝稳定性提高，焊接质量得到保障。焊接机器人新技术：7自由度额外的轴允许机器人躲避某些特定的目标，便于末端执行器到达特定的位置，可以更加灵活的适应某些特殊工作环境。能够弥补传统机器人因与工件或焊接夹具的干涉而造成无法进入焊接的缺憾焊接机器人新技术：与焊机协作将弧焊电源与机器人融为一体，即机器人控制模块和焊接电源控制模块共用一个CPU，使机器人和焊接电源在物理上和逻辑上融为一个整体，大幅提升综合性能焊接机器人新技术：焊枪的改进电弧焊枪上增加伺服电机，一方面可与后方的推丝装置配合，实现更加准确、稳定的送丝，进而实现精密的焊接过程控制，减少飞溅；实现喷嘴冷却的焊接机器人专用焊枪中国焊接机器人的发展中国的焊接机器人研究工作始于20世纪70年代1985年成功研制华宇1型弧焊机器人1987年又成功研制出华宇点焊机器人1989年我国国产机器人为主的汽车焊接生产线投入生产国家“863”高技术计划9家公司和单位列为智能机器人主题的产业化基地中国制造2025的实施，国产机器人蓬勃发展，不断时间关键部件的自主化。1.3工业机器人的组成

1.3.1与人体的比较RT軸：腰（回转）RW軸：手臂（旋转）FA轴：肩（前伸）UA軸：躯体（上举）BW轴：手腕（弯曲）TW轴：手腕（扭转）机器人：6个自由度人：7个自由度1.3.1机器人和人体手臂的比较比较对象人手臂机械臂决策机构大脑中央处理器CPU运动机构骨骼+关节连杆+关节运动副/直线运动副传感系统五官，触觉内部传感器，外部传感器操作机构手工具或末端执行器运动控制小脑运动控制器动力装置肌肉驱动器（电机、气压、液压）工业机器人的组成机械臂末端执行器驱动器传感器运动控制器处理器机器人接口软件组成：机械臂是机器人的主体部分，也称作机器人本体或操作臂，由连杆、活动关节以及其他结构部件构成。一般工业机器人有6个自由度前三个称为手臂机构：将被抓取的工件运送到给定的位置上后三个称为手腕机构：是手臂和末端工具间的衔接部分，用于改变工具在空间的位置和姿态组成：末端执行器

末端执行器通常也称为工具连接在机械臂末端法兰盘上，用来完成不同作业焊枪割具焊钳末端执行器作业的“点”称作工具中心点TCP（ToolCenterPoint），如电弧焊的电弧中心、钻头尖端、激光的聚焦处等。机器人运动主要是控制TCP点的运动。组成：驱动器驱动器是机械臂的“肌肉”液压驱动电机驱动气压驱动还包含相应的传动装置或者辅助装置，如减速机、运动传输装置等组成：传感器传感器用于收集机器人内部状态和外部环境信息。内部传感器：集成在机器人内部的传感器将每个关节和连杆的信息发送给机器人处理器，从而能获知机器人状态；外部传感器：根据需要配置，如视觉传感、电弧传感，目的是提高机器人对环境的适应性。

组成：运动控制器

运动学计算：根据期望的TCP点运动轨迹，生成机器人的关节运动函数；或者反之根据关节的运动函数，生成TCP点运动轨迹。运动驱动：将驱动指令发送给驱动器实现运动。组成：处理器是机器人的CPU通过输入接口获取内部和外部传感器的信息；分析机器人环境，并执行相应的程序；通过运动控制器来控制机器人运动通过输出接口来控制工具的操作等在许多机器人系统中运动控制器和处理器放置于一个单元中，统称为控制器组成：机器人接口机械连接电气连接通信连接组成：机器人接口示教器：用于示教编程监控状态控制机器人组成：软件①操作系统，用来操作计算机和各类硬件；②机器人软件，进行运动控制、力控制、输入输出控制等；③例行程序集合和应用程序：完成焊接等作业1.3.2焊接机器人的组成机器人系统+焊接系统焊接机器人的组成机器人机械臂：同上机器人控制器：同上固定或运动装置把机器入安装在一个合适的高度上，目的是获得的更好的工作范围或是合理利用空间。固定式：底座、龙门架行走式：导轨焊接机器人组成：变位机使焊接处坡口处在容易施焊的位置焊接机器人组成：变位机为了使机器人操作机充分发挥效能，焊接机器人系统通常使用两台变位机或两个工位。一台进行焊接作业另一台完成装卸焊接机器人组成：变位机变位机上附手动/自动家具：快速夹紧工件定位装置等：快速定位焊接机器人组成：焊接系统焊接机器人组成：焊枪服务中心焊枪清理器：清除喷嘴、导电嘴飞溅剪丝机构：去除焊丝端部小球、保持干伸长稳定工具中心位置TCP校正单元焊接机器人组成：焊接传感器起始位置导引焊缝跟踪熔透控制焊接机器人组成：安全设备

防止机器人伤人或周边设备的作用。驱动系统过热自断电保护动作超限位自断电保护超速自断电保护机器人系统工作空间干涉自断电保护人工急停断电保护等等各类触觉或接近传感器在过分接近工件件或发生碰撞时停止工作。1变位机2安全装置3机器人，送丝机、焊枪和软管束4焊接电源5控制柜6操作面板安全装置：围栏、光栅等安全光栅1.4工业机器人性能参数便于评价和选用工业机器人1.4工业机器人性能参数自由度精度工作范围最大工作速度承载能力性能参数承载能力10kg最大工作范围1.45m机器人重量250kg操作温度5～45℃重复定位精度0.05mm精度0.02mm自由度6轴1.4机器人性能参数：自由度指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目一般不包括工具的自由度。单个自由度：直线运动（P）旋转运动（R）。机器人一般具有6个自由度定位：3自由度定姿：3自由度焊接机器人至少需要5个自由度，多采用6自由度机器人为什么可以少一个自由度？1.4机器人性能参数：精度工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密度值（即重复度）。对点焊机器人来说，其精度应达到焊钳点击直径的1/2以下，即1～2mm。对弧焊机器人来说则应小于焊丝直径的1/2，即0.4～0.6mm。目前，机器人的重复定位精度为0.1～0.2mm。1.4机器人性能参数：工作范围是指机器人手臂末端或TCP所能到达的所有点的集合。注意：装上不同工具的工作范围不一样装上焊钳或焊钳后，又需要保证焊枪姿态，实际的可焊接空间要比工厂给出的小一些。1.4机器人性能参数：速度与加速度速度和加速度是表示机器人运动特征的主要参数产品说明书上给出的最大速度是各轴联动的情况下，机器人手腕末端所能达到的最大线速度。由于焊接需要的速度较低，最大速度只影响焊枪（或焊钳）的到位、空间行程和结束返回时间。一般情况下，焊接机器人的最高速度达1～1.5m/s就能满足要求。1.4机器人性能参数（5）承载能力承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指机器人高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括机器人末端操作器的质量。弧焊和切割机器人的负载能力一般为6～10kg；点焊机器人如采用一体式焊钳，其负载能力应为60～120kg，如采用分离式焊钳，负载能力为30～60kg。（6）用户内存容量指机器人控制器内主计算机存储器的容量大小，这反映了机器人能存储示教程序的长度，它关系到能加工焊件的复杂程度。即示教点的最大数量。（7）插补功能对弧焊、切割和电焊机器人，都应具有直线插补和圆弧插补功能。1.5工业机器人分类（1）按用途：焊接机器人、搬运机器人、装配机器人、喷涂机器人、处理机器人（如切割、研磨、抛光等）等。（2）按结构坐标系特点：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、多关节式等（3）按运动控制方式：点位控制型PTP、连续轨迹控制型CP。（4）按驱动方式：气压驱动，液压驱动，电气驱动。（5）串联机器人与并联机器人。串联机器人：后续分类主要针对此关节是串联的，关节轴之间会相互影响，一个关节的运动会改变其他关节轴的位置和姿态。并联机器人动平台：（用于安装工具）定平台：（并联机器人的安坐底座）两者之间至少使用两个独立的运动链并联1.5工业机器人分类按手臂结构：(1)直角坐标式(Cartesian)符号表示PPP(2)圆柱坐标式(Cylindrical)符号表示RPP

(3)球坐标式(Spherical)符号表示RRP

具有较大的动作范围，其坐标计算也比较简单。(4)多关节式(Jointed)符号表示RRR

其主要由回转和旋转自由度构成，可以看成仿人手臂的结构。这种结构对于确定三维空间内的任意位姿都是最有效的。它对于各种作业都具有良好的适应性，但是其缺点是坐标计算和控制比较复杂，很难达到高精度。(5)SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)关节轴线全平行由日本山梨大学牧野洋教授首先提出

这类机器人的结构轻便、响应快，某型号SCARA机器人运动速度可达10m/s，1.5.2按机器人控制方式

(1)非伺服控制机器人：这种机器人按照事先编好的程序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器控制机器人的工作。主要涉及“终点”、“抓放”或“开关”式机器人，尤其是有限顺序机器人。

(2)伺服控制机器人：通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置的给定信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，并带动末端执行装置以一定的运动规律运动，实现所要求的作业。伺服控制分为点位伺服控制和连续轨迹伺服控制两种。

a）点位伺服控制PTP：机器人以最快和最直接的路径（省时省力）从一个端点移到另一个端点。通常用于重点考虑终点位置，而对中间的路径和速度不做主要限制的场合。实际工作路径可能与示教时不一致。

b）连续轨迹伺服控制CP：机器人能够平滑地跟踪某个规定的路径。1.6焊接机器人的特点（1）柔性与适应性适应产品、适应焊缝/焊点（2）高质量与高效率大规范、高速度、快节奏（3）能忍受恶劣环境噪音、弧光、粉尘（4）焊接机器人的不足对工件加工精度和装配精度大为提高对生产管理的要求更高1.7焊接机器人的安全操作焊接的危险电弧、激光热源等机器人的危险机械臂能快速甩动变位机上的工件第二章焊接机器人的虚拟仿真操作江苏科技大学机械工业出版社2022.12目录焊接离线编程软件ABBRobotStudio机器人仿真软件焊接机器人虚拟仿真操作2.1焊接离线编程软件传统的示教-再现编程早期的机器人主要应用于大批量生产，如自动线上的点焊、喷涂等，因而编程所花费的时间相对比较少，示教编程可以满足这些机器人作业的要求。2.1焊接离线编程软件传统的示教-在线编程人：用示教器操作机器人，编写程序机器人：记录轨迹与操作，可以再现编写的程序示教编程方式的不足：不适应小批量、多品种的柔性生产的需要；复杂的机器人作业编程所需时间太多。编程的失误会导致碰撞，破坏生产、危害安全编程者安全性差，不适合太空、深水、核设施维修等极限环境下的焊接工作。2.1焊接离线编程软件离线编程2.1焊接离线编程软件离线编程人：在电脑上仿真编程机器人：导入程序、机器运行离线编程的优点：减少机器人不工作的时间；使编程者远离危险的工作环境；便于和CAD/CAM/Robotics一体化；可对复杂任务进行编程；便于编辑机器人程序。ABBRobotStudio机器人仿真软件RobotStudio是一款PC应用程序，用于机器人单元的建模、离线创建和仿真。当在未连接到真实控制器或在连接到虚拟控制器的情况下使用时，RobotStudio处于离线模式。RobotStudio还允许使用真实的物理IRC5控制器（简称为“真实控制器”）。当RobotStudio与真实控制器一起使用时，称它处于在线模式。焊枪垂直工件表面焊枪对齐某个轴软件的下载地址为：/products/robotics/robotstudio，焊接应用需要选择RobotStudio(含RobotWare)，ArcWeldingPowerPac下载ABBRobotStudio机器人仿真软件2.3焊接机器人虚拟仿真操作

软件演示1软件环境2菜单项3鼠标和键盘导航4捕捉方式5构建一个带焊枪的仿真机器人6演示各个轴的运动2.3.1焊接机器人虚拟构建

1．导入机器人模型2．导入工具——焊枪

安装焊枪并更新位置

3.创建/导入变位机

设定变位置位置和方位4．创建/导入工件5．创建焊接机器人系统

2.3.2焊接机器人虚拟仿真操作

设置机器人系统后可虚拟操作机器人（1）Freehand操作模式手动关节移动变位机轴手动线性移动机器人（2）对话框操作模式2.3.3焊接机器人虚拟示教器操作

与实际中的示教器极其类似示教器界面设置成中文操作机器人的运动模式线性模式：TCP点按所选择坐标系进行直线移动重定向模式：TCP点位置不变，改变姿态手动关节模式：即每次选择一个关节轴，操作杆移动增量模式：点动模式踩油门模式：越久越快第三章机器人运动学江苏科技大学机械工业出版社2022.12目录运动学基础齐次变换及运算机器人的正逆运动学微分运动和速度动力学RobotStudio操作3.1运动学基础3.1.1机器人工作站中的坐标系1－TCP2－工具坐标系3－基础坐标系4－工件坐标系5－用户坐标系6－大地坐标系1全局坐标系和2基坐标系

全局坐标系：定位整体系统基坐标系：定位机器人3任务框在RobotStudio中，任务框表示机器人控制器在大地坐标系中的原点。如工作站中有多个控制器（或机器人），则任务框允许所连接的机器人在不同的坐标系中工作。4工件坐标系工件坐标是用来描述工件位置的坐标系。工件坐标由两个框架构成：对象框架、用户框架对象框架与用户框架关联用户框架与大地坐标系关联。对机器人进行编程时，所有目标点（位置）都与工作对象的对象框架相关。如果未指定其它工作对象，目标点将与默认的Wobj0关联，Wobj0默认情况下与机器人的基座保持一致。如果工件的位置已发生更改，可利用工件坐标系轻松地调整发生偏移的机器人程序。因此，工件坐标系可用于校准离线程序。5工具坐标系工具坐标系：用于表示工具的位姿将工具中心点TCP设为原点，并定义工具的方位没有安装工具时的工具坐标系安装了工具的工具坐标系

6用户坐标系UCS根据需要创建方便移动机器人、获取目标点、编程等。7关节参考坐标系用于描述机器人每一个独立关节（或者外部轴，如变位机.轴）的运动3.1.2工业机器人位姿描述目的：实现用矩阵表示位姿点向量坐标系刚体机器人1空间点的表示其中ax,by,cz是参考坐标系中表示该点的坐标。显然，也可以用其他坐标来表示空间点的位置。2空间向量的表示图中的向量P该怎样表示呢？向量可用三个起始和终止的坐标来表示。如果一个向量起始于A，终止于B，那么它可以表示为PAB=（Bx-Ax)i+(By-Ay)j+(Bz-Az)k如果一个向量的起点是原点，则上式就变成了点的表示形式，则有：P=axi+byj+czk其中ax,by,cz是该向量在参考坐标系中的分量。上述向量也可表示为若加入一个比例因子w,如果x,y,z各除以w,则得到ax,by,cz。于是，这时向量可以写为：其中，ax=x/w,by=y/w,cz=z/w随着w的变化，向量大小也随之发生变化，这类似于计算机图形学中对图片的放大或缩小。让我们来讨论一下w的取值w>1时，向量的所有分量都变大w=1时，各分量大小保持不变w<1时，向量的所有分量都变小w=0时，向量长度无穷大，方向由x,y,z确定注意：这就是矩阵表示法中方向向量的表示方法。接下来我们看这样一个例子例有一个向量P=3i+4j+5k,按如下要求将其表示成矩阵形式：（1）比例因子为3（2）将它表示为方向的单位向量解：该向量可以表示为比例因子为3的矩阵形式，当比例因子为0时，则可以表示为方向向量，结果如下：接下来我们将方向向量变为单位向量。我们只需把每一个分量都除以三个分量平方和的开方，最终的答案是3坐标系的表示

（1）若坐标系noa的原点在参考坐标系xyz的原点上坐标系noa就可以由三个向量以矩阵的形式表示法线(normal)，指向(oritentation)，和接近(approach)。F=nxoxaxnyoyaynzozaz（2）若坐标系noa的原点不在参考坐标系xyz的原点上前3个列向量是w=0的方向向量，表示该坐标系的3个坐标轴的单位向量n、o、a的方向，第4个w=1的列向量表示该坐标系原点相对于参考坐标系的位置。与单位向量不同，向量P的长度十分重要，因而使用比例因子为1。示例：某坐标系F的坐标系原点位于参考坐标系中3，4，5的位置，它的n轴与x轴平行，o轴相对于y轴的角度为60°，a轴相对于z轴的角度为60°。该坐标系可以表示为F坐标系位于参考坐标系的3，5，7的位置。n轴与x轴平行，o轴相对于y轴角度45°，a轴相对于z轴角度45°）F=00300.707-0.707500.7070.707700014．刚体的表示一个刚体在空间的表示可通过在它上面固连一个坐标系，再将该固连的坐标系在空间表示出来5工业机器人的位姿描述机器人运动操作的目的实际上是通过多个轴的运动去控制工具（如焊枪）的运动，即TCP点的运动。需要建立工具坐标系与各关节轴坐标系之间的关系，即对于一定的机械臂，可以根据各关节轴的角度（注：相对其关节坐标系）获知TCP的位姿（正运动学），或者反过来根据TCP的位姿，确定各关节轴的角度（逆运动学）。由于关节机器人的关节（含坐标系）是串联的，可以通过运动变换，从机器人的基坐标系一步一步构建其相对下一关节坐标系的运动变换，最终得到相对工具坐标系的运动变化，实现对机器人工具坐标系位姿的描述。3.2齐次变换及运算运动变换定义为空间的一个运动。当空间的一个坐标系F（注：也可以代表点、连杆、关节等）相对于固定的参考坐标系运动时，可以用类似于表示坐标系的方式来表示。Fnew=[T]×Fold其中T为变换矩阵变换矩阵[T]应写成方型形式理由：1计算方型矩阵的逆要比计算长方形矩阵的逆容易的多2为使两矩阵相乘，它们的维数必须匹配。由于要以不同顺序将许多矩阵乘在一起来得到机器人运动方程，因此应采用方阵进行计算。3.2齐次变换及运算F=nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0001具体做法：1加入比例因子使之成为4x4矩阵，既表示姿态又表示位置2只表示姿态，去掉比例因子得到3x3矩阵3加入第四列全为零的位置数据以保持矩阵为方阵。这种形式的矩阵称为齐次矩阵，它们写为：变换可为如下几种形式中的一种：1纯平移2绕一个轴的纯旋转3平移与旋转的结合3.2齐次变换及运算§3.2.1纯平移变换的表示如果一坐标系（它也可能表示一个物体）在空间以不变的姿态运动，那么该变换就是纯平移。所有方向单位向量保持同一个方向不变。所有的改变只是坐标系原点相对于参考坐标系的变换。相对于固定参考坐标系的新的坐标系的位置可以用原来坐标系的原点位置向量加上表示位移的向量求得。若用矩阵形式，新坐标系的表示可以通过坐标系左乘变换矩阵得到。由于在纯平移中方向向量不改变，变换矩阵T可以简单地表示为：T=00dx010dy001dz0001其中dx,dy和dz是纯平移向量d相对于参考坐标系x,y和z轴的三个分量。可以看到，矩阵的前三列表示没有旋转运动（等同于单位阵），而最后一列表示平移运动。新的坐标系位置为：Fnew=×100dx010dy001dz0001nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0001=nxoxaxpx+dxnyoyaypy+dynzozazpz+dz0001这个方程也可以用符号写为Fnew=Trans(dx,dy,dz)×Fold首先，如前面所看到的，新坐标系位置可通过在坐标系矩阵前面左乘变换矩阵得到，（后面将看到，无论以何种形式，这种方法对于所有的变换都成立）。其次可以注意到，方向向量经过纯平移后保持不变。但是，新的坐标系位置是d和p向量相加的结果，即d+p。最后应该注意到，齐次变换矩阵与矩阵乘法的关系使得到的新矩阵的维数和变换前相同。让我们来看这样一个例子坐标系F沿参考坐标系的x轴移动9个单位，沿z轴移动5个单位。求新的坐标系位置。F=0.527-0.5740.62850.3690.8190.4393-0.76600.64380001思路点拨：首先根据已知条件确定dx=9,dy=0,dz=5之后代入公式Fnew=Trans(dx,dy,dz)×Fold即可§3.2.2绕轴纯旋转变换的表示为简化绕轴旋转的推导，首先假设该坐标系位于参考坐标系的原点并且与之平行，之后将结果推广到其他的旋转以及旋转的组合。假设坐标系（n,o,a）位于参考坐标系（x,y,z）的原点，坐标系（n,o,a）绕参考坐标系的x轴旋转一个角度0，再假设旋转坐标系（n,o,a）上有一点P相对于参考坐标系的坐标为Px,Py和Pz，相对于运动坐标系的坐标为Pn,Po和Pa。当坐标系绕x轴旋转时，坐标系上的点P也随坐标系一起旋转。想一想旋转前后，P点坐标有何变化？如图所示，在旋转之前，P点在两个坐标系中的坐标是相同的（这时两个坐标系位置相同，并且相互平行）。旋转后，该点坐标Pn,Po和Pa在旋转坐标系（x,y,z）中保持不变，但在参考坐标系中Pn,Po和Pa却改变了让我们从x轴来观察在二维平面上的同一点的坐标结论：可以看出，Px不随坐标系统x轴的转动而改变，而Py和Pz却改变了可以证明PxPyPz000cos-sin0sincosPnPoPa=可见，为了得到在参考坐标系中的坐标，旋转坐标系中的点P（或向量P）的坐标必须左乘旋转矩阵。这个旋转矩阵只适用于绕参考坐标系的x轴做纯旋转变换的情况，它可表示为：Pxyz=Rot(x,)×Pnoa注意旋转矩阵的第一列表示相对于x轴的位置，其值为1，0，0，它表示沿x轴的坐标没有改变。声明为简化书写，习惯用符号C0表示cos0以及用S0表示sin0。因此，旋转矩阵也可写为：Rot(x,)=000c-s0sc例：旋转坐标系中有一点P（2，3，4），此坐标系绕参考坐标系x轴旋转90度。求旋转后该点相对于参考坐标系的坐标。T解：由于点P固连在旋转坐标系中，因此点P相对于旋转坐标系的坐标在旋转前后保持不变。该点相对于参考坐标系的坐标为：PxPyPz000c-s0scPnPoPa=2-43图形验证如下§3.2.3复合变换的表示复合变换是由固定参考坐标系或当前运动坐标系的一系列沿轴平移和绕轴旋转变换所组成的。任何变换都可以分解为按一定顺序的一组平移和旋转变换。例如，为了完成所要求的变换，可以先绕X轴旋转，再沿x,y,z轴平移，最后绕y轴旋转。在后面将会看到，这个变换顺序很重要，如果颠倒两个依次变换的顺序，结果将会完全不同。为了探讨如何处理复合变换，假定坐标系（n,o,a）相对于参考坐标系（x,y,z）依次进行了下面三个变换：（1）绕x轴旋转度度（2）接着平移[L1,L2,L3]（分别相对于x,y,z轴）；（3）最后绕y轴旋转度。比如点Pnoa固定在旋转坐标系，开始时旋转坐标系的原点与参考坐标系的原点重合。随着坐标系（n,o,a）相对于参考坐标系旋转或者平移时，坐标系中的P点相对于参考坐标系也跟着改变。如前面所看到的，第一次变换后，P点相对于参考坐标系的坐标可用下列方程进行计算。P1,xyz=Rot(x,a)×Pnoa其中，P1，xyz是第一次变换后该点相对于参考坐标系的坐标。第二次变换后，该点相对于参考坐标系的坐标是：

P2,xyz=Trans(l1,l2,l3)×P1,xyz=Trans(l1,l2,l3)×Rot(x,a)×Pnoa同样，第三次变换后，该点相对于参考坐标系的坐标为：Pxyz=P3,xyz=Rot(y,)×P2,xyz=Rot(y,)×Trans(l1,l2,l3)×Rot(x,)×Pnoa可见，每次变换后该点相对于参考坐标系的坐标都是通过用每个变换矩阵左乘该点的坐标得到的。当然，矩阵的顺序不能改变。同时还应注意，对于相对于参考坐标系的每次变换，矩阵都是左乘的。因此，矩阵书写的顺序和进行变换的顺序正好相反。例

固连在坐标系（n,o,a）上的点P（7，3，2）经历如下变换，求出变换后该点相对于参考坐标系的坐标。(1)绕z轴旋转90度；(2)接着绕y轴旋转90度；(3)接着再平移[4，-3，7]。1004010-30017000100100100-100000010-100100000100001732164101×××=解：表示该变换的矩阵方程为：Pxyz=Trans(4,-3,7)Rot(y,90)Rot(z,90)Pnoa=根据上例，假定(n,o,a)坐标系上的点P（7，3，2）经历相同变换，但变换按如下不同顺序进行，求出变换后该点相对于参考坐标系的坐标。（1）绕z轴旋转90度；（2）接着平移[4，-3，7]；（3）接着再绕y轴旋转90度。解：表示该变换的矩阵方程为：Pxyz=Rot(y,90)Trans(4,-3,7)Rot(z,90)Pnoa=01100100-100000011004010-3001700010-10000000100001732194-11×××=§3.2.4相对于旋转坐标系的变换到目前为止，本书所讨论的所有变换都是相对于固定参考坐标系。事实上，也有可能做相对于运动坐标系或当前坐标系的轴的变换。例如，可以相对于运动坐标系（也就是当前坐标系）的n轴而不是参考坐标系的x轴旋转90度。为计算当前坐标系中的点的坐标相对于参考坐标系的变化，这时需要右乘变换矩阵而不是左乘。假设与上例中相同的点P（7，3，2）现在进行相同的变换，但所有变换都是相对于当前的运动坐标系，具体变换出如下。求出变换完成后该点相对于参考坐标系的坐标。（1）绕a轴旋转90度；（2）然后沿n,o,a轴平移[4，-3，7]；（3）接着绕o轴旋转90度。解：在本例中，因为所作变换是相对于当前坐标系的，因此右乘每个变换矩阵，可得表示该坐标的方程为：Pxyz=Rot(a,90)Trans(4,-3,7)Rot(o,90)Pnoa=0-100000001000011004010-300170001

00100100-1000000173210601×××=如所期望的，结果与其他各例完全不同，不仅因为所作变换是相对于当前坐标系的，而且也因为矩阵顺序的改变。下面的图展示了这一结果，应注意它是怎样相对于当前坐标来完成这个变换的。同时应注意，在当前坐标系中p点的坐标7，3，2是变换后得到相对于参考坐标系的坐标0，6，0的。例坐标系B绕x轴旋转90°，然后沿当前坐标系a轴做了3英寸的平移，然后在绕z轴旋转90，最后沿当前坐标系o轴做5英寸的平移。(a)写出描述该运动的方程。(b)求坐标系中的点p（1，5，4）相对于参考坐标系的最终位置。解：在本例中，相对于参考坐标系以及当前坐标系的运动是交替进行的。(a)相应地左乘或右乘每个运动矩阵，得到：TB=Rot（z,90)Rot(x,90)Trans(0,0,3)Trans(0,5,0)(b)带入具体的矩阵并将它们相乘，得到：UUUP=TB×P=B00170010101000013.3机器人的正逆运动学位置运动学正运动学∶逆运动学∶关节变量位姿位姿关节变量假设有一个构型已知的机器人，即它的所有连杆长度和关节角度都是已知的，那么计算机器人手的位姿就称为正运动学分析。换言之，如果已知所有机器人关节变量，用正运动学方程就能计算任一瞬间机器人的位姿。然而，如果想要将机器人的手放在一个期望的位姿，就必须知道机器人的每一个连杆的长度和关节的角度，才能将手定位在所期望的位姿，这就叫做逆运动学分析，H为工具坐标系、B为基础坐标系、E为工件坐标系、T为任务框架、U为大地坐标系（或称全局坐标系）实际应用中比较关心机器人工具坐标系相对于机器人基础坐标系的变换关系，即BTH

BTH=A1A2A3A4A5A6A7

=BT11T22T33T44T55T66TH

3.3.1机器人正运动学方程的D-H表示法

1955年，Denavit和Hartenberg提出了这一方法，后成为表示机器人以及对机器人建模的标准方法，应用广泛。首先给每个关节指定坐标系然后确定相邻关节变化步骤，将所有变化结合起来，就确定了末端关节与基座之间的总变化，从而建立运动学方程，进一步对其求解。1.坐标系的确定规则一关节，连杆命名规则：第一个关节指定为关节n,第二个关节为n+1,其余关节以此类推。连杆命名规则与关节相同。坐标系的确定坐标系Z轴的确定规则2.Z轴确定规则如果关节是旋转的，Z轴位于按右手规则旋转的方向，转角为关节变量。如果关节是滑动的，Z轴为沿直线运动的方向，连杆长度d为关节变量。关节n处Z轴下标为n-1。X轴确定规则情况2：两关节Z轴平行此时，两Z轴之间有无数条公垂线，可挑选与前一关节的公垂线共线的一条公垂线情况3：两关节Z轴相交取两条Z轴的叉积方向作为X轴。3.X轴确定规则情况1两关节Z轴既不平行也不相交取两Z轴公垂线方向作为X轴方向，命名规则同Z轴Y轴及变量确定规则4.Y轴确定原则取X轴，Z轴差积方向作为Y轴方向。（右手）5.变量选择原则用角表示绕Z轴的旋转角，d表示在Z轴上两条相邻的公垂线之间的距离，a表示每一条公垂线的长度(关节偏移)，角表示两个相邻Z轴之间的角度也叫关节扭转。通常情况下，只有和d是关节变量。※到达下一坐标系的标准运动我们可以通过以下几个运动，将一个参考坐标系变换到下一个参考坐标系。1绕Zn轴旋转，它使得Xn+1和Xn互相平行※到达下一坐标系的标准运动2沿Zn轴平移dn+1距离，使得Xn和Xn+1共线3沿Xn轴平移an+1的距离，使Xn和Xn+1的原点重合。※到达下一坐标系的标准运动4将Zn轴绕Xn+1轴旋转，使得Zn轴与Zn+1轴对准。这样就实现了从一个坐标系变换下一个坐标系所有的变换都是相对于当前坐标系的（相对于当前的本地坐标系来测量与执行的），因此所有的矩阵都是右乘。通过右乘表示4个运动的4个矩阵就可以得到变换矩阵A机器人的基座与手之间的总变换则为：示例：对下图所示简单机器人，根据D-H法，建立必要坐标系及参数表。第一步：根据D-H法建立坐标系的规则建立坐标系第二步：将做好的坐标系简化为我们熟悉的线图形式第三步：根据建立好的坐标系，确定各参数，并写入D-H参数表#da1009020030040-90500906000第四步：将参数代入A矩阵，可得到注：C代表Cos；S代表Sin第5步求出总变化矩阵D-H建模方法的不足所有的运动都是关于x轴和z轴的，无法表示关于y轴的运动也不能对y轴方向的误差建模。3.3.2机器人的逆运动学解在实际应用中，对运动学的求解是相当繁琐和耗时的，因此需要用计算机编程来实现。并且应尽量避免使用矩阵求逆或高斯消去法等相对繁琐的算法。正确的算法是：控制器所需要的计算如下：3.3.3机器人的退化和灵巧特性1退化定义：当机器人失去一个自由度，并因此不按所期望的状态运动。退化发生条件：机器人达到物理极限，不能进一步运动两个相似关节共线2不灵巧区域：能对机器人定位不定姿的区域称为不灵巧区域。退化状态下的机器人3.4微分运动和速度机器人的正逆运动学只局限于对静态位置的讨论而实际焊接时，需要控制焊枪（工具或末端执行器）的速度，这就涉及机器人的微分运动分析。在前面位姿分析的基础上进行微分处理，研究工具空间速度与关节空间速度的线性映射关系，这种关系用雅可比矩阵表示。在多自由度的机器人中，可将关节的微分运动（或速度）与手的微分运动（或速度）联系起来。假如有一组变量为（关节变量）的方程（工具位姿）：则即：假设有一组变量为的方程：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。机器人手沿x,y,z轴的微分运动机器人手绕x,y,z轴的微分旋转关节的微分运动注：矩阵两端都除以dt,就是速度，例题：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。

假设有一个机器人要将两片工件焊接在一起，为了获得最好的焊接质量，要求机器人以恒速运动，也就是说要求指定的手坐标系的微分运动能表示按特定姿态的恒速运动。这就涉及到坐标系的微分运动，而该运动是由机器人产生的。如图所示：3.4.2坐标系的微分运动坐标系微分运动可以分为：●微分平移●微分旋转●微分变换我们首先研究坐标系的微分运动，然后研究机器人机构的微分运动，最后建立两者之间的联系。1微分平移微分平移就是坐标系平移一个微分量，因此它可以用Trans(dx,dy,dz)来表示，其含义是坐标系沿3条坐标轴做了微小量的运动。2微分旋转微分旋转是坐标系的小量旋转，它通常用来描述，即坐标系轴转动角度。绕三轴的转动分别定义为因为转动很小，所以另外我们还要注意矩阵乘法的顺序，不同的顺序会产生不同的结果。上述矩阵违反了每个向量长度为1的规定，例如。然而由于微分值很小，在数学上，高阶微分是可以忽略不计的。所以我们可以接受这样的向量长度。如果忽略掉所有的高阶微分变换，上述两式的结果是相同的，因此乘法的顺序并不重要。绕一般坐标轴的三个微分运动可以表示为：例题：求绕三个坐标轴作微分旋转所产生的总微分变换。3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：例题：

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。解：其中，dB矩阵表示坐标系B的变化，该矩阵的每个元素表示坐标系中相应元素的变化。如，本例中dB意味着该坐标系沿x轴移动了0.4个单位的微小量，沿y轴无运动，沿z轴移动了-0.8个单位的微小量。它也意味着坐标系的旋转使得向量没有改变，而在向量的分量上改变了0.1，在向量的分量上改变了-0.1。—微分变化的理解由此，我们可求上例中坐标系B运动后的位姿，如下：3.4坐标系之间的微分变化

前面介绍的微分算子是相对于固定参考坐标系来说的，同样的，我们可以定义另外一个微分算子，是相对于当前坐标系的，这样使得可以在该坐标系（当前）中计算同样的变换。由于是相对于当前坐标系的，必须用右乘该坐标系的。如下式所示：

因此，上式可以用来计算相对于本身坐标系的微分算子。将上式矩阵相乘并加以简化，得到的结果如下：3.4.3机器人的微分运动

前面介绍的都是坐标系的变换结果，而不涉及变换是如何实现的。现在我们就研究一下机器人手坐标系的变化是如何由机器人的运动转换来的。

我们要做的就是找出机器人关节的微分运动是如何与手坐标系的微分运动关联的，尤其是与dT的关系。这种关系取决于：机器人的构型和设计的函数；机器人即时位姿的函数。机器人手沿x,y,z轴的微分运动机器人手绕x,y,z轴的微分旋转关节的微分运动雅克比矩阵3.6RobotStudio中构建常用坐标系3.61工件坐标系的构建工作台及工件的构建3.6.1.2工具坐标系的构建

3.6.1.3工件坐标系的调整3.6.2工具坐标系的创建安装已有工具3.6.2创建新工具并安装主要包含以下3个步骤：构建工具模型，构建安装坐标系，构建工具坐标系。(1)构建模型（2）设定本地圆点（3）构建框架并移动至TCP处在布局浏览页①，右键点击之前创建的框架②（4）构建焊枪TCP点及工具坐标系点击“建模”标签页面上的“创建工具”图标

3.6.3工具数据的创建第4章机器人驱动器与轨迹规划驱动器就基本原理液压驱动器气压驱动器电气驱动器轨迹规划轨迹规划的原理目标点的获取运动规划焊接规划机器人执行机构驱动装置控制系统感知系统手部腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器基座（固定或移动）传动装置4.1驱动器基本原理1驱动器的概念如果连杆及关节相当于人的骨骼，那么驱动器相当于人体肌肉，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型。2驱动器的特征足够的功率、轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维护。3常用驱动器电气驱动器、液压驱动器、气压驱动器等。驱动系统的性能一、重量、功率-重量比和工作压强驱动系统的重量及功率-重量比至关重要，可以利用功率/重量来评价一个驱动系统。气动系统的功率-重量比最低。电子系统的功率-重量比属中等水平。同样功率情况下，步进电机通常比伺服电机重，具有较低的功率-重量比（电机压力越高，功率-重量比也越高）。液压系统具有最高的功率-重量比。注意：对液压系统，重量由液压驱动器和液压功率源两部分（驱动器起到驱动机器人关节的作用，而后者起到提供能量的作用）组成。同时对于液压系统来说，工作压强越高，功率越大，维护越困难，越易产生危险。二、刚度和柔性定义：刚度是材料对抗变形的阻抗，柔度正好与之相对。刚度越大，使它变形所需的负载越大，柔性越大，在负载作用下越容易变形。影响刚度和柔度的因素：弹性模量越大，刚度越大。如液压系统弹性模量大，刚性好；气动系统很容易压缩，柔性好。对系统的影响：刚性系统对变化负载和压力响应快，精度高，在负载作用下的弯曲或变形小，对位置保持的精度高。但刚性系统易损坏。必须在这两个矛盾的性能之间进行平衡。驱动系统的性能性能液压驱动电气驱动气压驱动适用场合适用于大型机器人和大负载适用所有尺寸机器人控制性能好，适用于高精度机器人适用于开关控制以及拾取和放置刚性和柔性刚性好缓冲作用差与液压系统相比，有较好的柔性柔性系统，容易变形；缓冲作用好功率－重量比最高中等最低减速齿轮不需要一般需要不需要控制精度高高很难控制线性位置响应速度快快慢其他需要泵、储液箱、电机、液管等装置；对灰尘及液体中的杂质敏感；油液黏度随温度而变化，且在高温与低温条件下很难应用不供电时，需要刹车装置，否则手臂会掉落噪声较大，需要气压机，过滤器等装置；若压缩空气含冷凝水，系统易锈蚀，低温下易结冰；气源方便；废气可直接排入大气不会造成污染241优点：是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。缺点：但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温及有洁净要求的场合。故液压驱动器目前多用于特大功率的操作机器人系统或机器人化工程机械。液压驱动器可分为以下几种类型。液压驱动液压马达液压缸回转马达摆动马达4.1.1液压驱动器242液压马达液压摆动马达液压控制阀液压泵液压缸液压系统的组成部分：直线或旋转液压缸和活塞——产生驱动关节的力和力矩高压液压泵——提供高压液体电机——驱动液压泵冷却系统——系统散热储液箱——储存系统所用的液体伺服阀——控制流向活塞的液量和流速安全阀——系统的安全保障连接管路——将高压液输送至活塞或流回储液箱传感器——控制控制液压缸的运动4.1.1液压驱动器液压系统及它的组成部件示意图液压驱动液压缸下图是平衡阀，也就是说两边的压强相等，于是即使它两边压强很高，也只需要很小的力就可以使滑柱运动。滑柱上下运动，就打开了注液口和回液口，根据阀门开度大小可对注入液体的流速进行控制，根据阀门开度大小可对注入液体的流速进行控制，同时也就控制了活塞速度。柱阀在打开位置的示意图活塞运动方向取决于所打开的回流/柱入口如果在阀上增加电子或机械反馈就可给伺服阀提供反馈具有比例反馈液压系统方块图柱阀由伺服电机控制，伺服电机的控制指令来自于控制器，控制器通过控制伺服电机的电流大小以及电流的持续时间以达到控制滑柱位置的目的。对机器人来说，控制器计算出关节的移动量和移动速度控制器设定伺服电机的控制电流和电流的持续时间，它们用来控制柱阀的位置和运动速度，也就控制了液体流动及注入液压缸的流速，进而由液压缸来驱动关节。传感器向控制器提供反馈信息以实现精确性和连续性的控制。液压马达原理优点：

（1）容易获得比较大的扭矩和功率；

（2）功率/重量比大，可以减小执行装置的体积；

（3）刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；

（4）通过流量控制可以实现无级变速。缺点：

（1）必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；

（2）有因漏油而发生火灾的危险；

（3）液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。液压驱动的特点：机器人的直线液压电机4.1.2气压驱动器气压驱动系统的组成与液压系统有许多相似之处，它使用压缩空气作为气源驱动直线或旋转气缸，并用人工或电磁阀进行控制。气压驱动系统在以下两个方面与液压驱动有明显的不同：（1）空气压缩机输出的压缩空气首先储存于储气罐中，然后供给各个回路使用。（2）气动回路使用过的空气无须回收，而是直接经排气口排入大气，因而没有回收空气的回气管道。254气动回转马达气动摆动马达气缸气泵气动三大件气动控制阀255气压驱动器类型及特点气压驱动器可分为以下几种类型。气动驱动气动马达气缸回转马达摆动马达优点：（1）利用气缸可以实现高速直线运动；（2）利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制；

（3）无火灾危险和环境污染；

（4）系统结构简单，价格低。缺点：（1）由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控制都比较困难，驱动刚性比较差；

（2）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的动作速度很慢；（3）噪音大；气动驱动的特点：257电气驱动器类型和特点电气驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，转动惯性小，速度和位置精度都很高，但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。电气驱动器的类型很多，可分为以下几种类型。……电驱动交流伺服电机驱动直流伺服电机驱动（包括直线电机）步进电机伺服驱动有刷无刷4.1.3电气驱动器

步进电机及其控制步进电机是一种用电脉冲信号进行控制的电机将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制：步距角不受电压波动和负载变化的影响，不受环境条件的限制，仅与脉冲频率同步，能按控制脉冲的要求立即起动、停止、反转或改变转速。它每一转都有固定的步数，在不丢步的情况下运行时，步距误差不会长期积累。通过控制脉冲个数来控制角位移量，可达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，可达到调速的目的。步进电机驱动（steppingmotor）步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环控制，所以精度不高。步进电机有三种：永磁式PM:转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为7.5o~90o。反应式VR:用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁，上面有绕组。在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为0.9o~15o。混合式HB（hybrid），在永磁体转子和电磁铁定子的表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与PM式相同，转子和定子的形状与VR式相似，步距角一般为0.9o~15o。1.工作原理混合式步进电机结构：通常由两个绕组组成，带有四个磁极，定子和转子磁极上都加工有小齿。混合式步进电机混合式步进电机转子保持转距（HOLDINGTORQUE）或静转矩是指步进电机各相通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。比如，当说2Nm的步进电机时，在没有特殊说明的情况下一般是指保持转矩为2Nm的步进电机。定位转矩是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，定子锁住转子的力矩。由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位转矩远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于反应式步进电机的重要标志。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译。伺服电机控制器原理图所谓伺服系统，就是依照指示命令动作所构成的控制装置，应用于电机的伺服控制，将传感器装在电机与控制对象机器上，检测结果会返回伺服放大器与指令值做比较。

直流伺服电机及其控制

直流伺服电机及其控制直流伺服电机是用直流供电的伺服电机。其功能是将输入的受控电压/电流能量转换为电枢轴上的角位移或角速度输出。直流(DC)伺服电机转动惯性小，启停反应快，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高直流伺服电机有很多优点，具有很高的性价比，一直是机器人平台的标准电机。但它的电刷易磨损，且易形成火花。因而产生了无刷电机，采用霍尔电路来进行换向。8.1直流电机驱动（DCmotor）1.直流电机工作原理止口左手定则直流电动机通过换向器将直流转换成电枢绕组中的交流，从而使电枢产生一个恒定方向的电磁转矩。T=BILr换向器电刷直流伺服电机的机械特性控制电压电机结构常数每极磁通电枢回路电阻负载转矩转速电机转速的控制：“调压调速”（★）“调磁调速”2.矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲线。3.直流电机的控制方式改变电压或电流控制转速和转距。其中，KE为电动势常数，KF为转矩常数。PWM(PulseWidthModulation)控制是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压达到调节电机转速的目的。交流伺服电机及其控制长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是直流电机调速系统。但直流电机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制。此外，直流电机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。交流电机没有上述缺点且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。交流电机的容量可比直流电机造得大，达到更高的电压和转速现代数控机床和机器人都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。271交流(AC)伺服电机较直流伺服电机的功率大，无需电刷，效率高，维护方便，在工业机器人中有一定的应用。交流伺服电机驱动放大器交流伺服电机的主要技术参数与直流伺服电机相近。8.2交流电机驱动（ACmotor）1.工作原理ACservomotor止口同步电机：所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。可用作发电机。n=ns=60f/p异步电机：所谓异步是指转子磁场和定子间存在速度差（不是角度差）。只用于电动机。n=60f/p(1-s)它们的定子绕组是相同的，主要区别在于转子的结构。同步电机的转子上有直流励磁绕组，所以需要外加励磁电源，通过滑环引入直流电流；而异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流。相比之下，同步电机较复杂，造价高。2.矩频特性曲线同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人；机床领域。伺服电机的精度由编码器的精度决定。3.交流电机的特点4.交流电机的控制方式改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。特点：无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的驱动电路复杂、价格高。异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。用途：中等功率以上的伺服系统。

步进电机直流伺服电机交流伺服电机反馈方式开环控制闭环控制闭环控制控制方式脉冲频率和个数控制电机转速和转动角度。电流控制变频器控制成本