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1、13工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)13.1 概 述13.2 工業(yè)機(jī)器人的組成13.3 工業(yè)機(jī)器人的分類與性能13.4 工業(yè)機(jī)器人的運動學(xué)基礎(chǔ)13.5 工業(yè)機(jī)器人的正向運動學(xué)13.6 工業(yè)機(jī)器人的逆向運動學(xué)提 要研究了坐標(biāo)變換與空間物體的位姿與位移的齊次坐標(biāo)表達(dá)；研究了已知各個關(guān)節(jié)的相對運動時，如何確定工業(yè)機(jī)器人末端操作器的位姿；研究了已知目標(biāo)對象的位姿時，如何確定工業(yè)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的相對運動量。介紹了工業(yè)機(jī)器人的組成原理、分類與工作性能特點。Chapter13 KinematicsofIndustrialRo
2、bots13工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)13.1 概 述工業(yè)機(jī)器人是用來搬運材料、零件與工具，進(jìn)行焊接與噴涂的可再編程的多功能機(jī)械手，通過調(diào)用不同的程序來完成預(yù)設(shè)的多種工作任務(wù)。圖13－1 工業(yè)機(jī)器人(a)(b)13.2 工業(yè)機(jī)器人的組成工業(yè)機(jī)器人由三大部分六個子系統(tǒng)組成。三大部分是機(jī)械部分、傳感部分和控制部分。六個系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感覺系統(tǒng)、機(jī)器人與環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。圖13－2 汽車生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人1.機(jī)器人的機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械部分由三部分組成，即機(jī)身、手
3、臂和末端操作器。機(jī)身可以是固定的，也可以是移動的。手臂進(jìn)一步劃分為上臂和下臂，上臂與機(jī)身形成肩關(guān)節(jié)，上臂與下臂形成肘關(guān)節(jié)，下臂與末端操作器形成碗關(guān)節(jié)，如圖13-3所示。圖13－3機(jī)器人的機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)(a)(b)圖13F01噴涂機(jī)器人(1)噴涂機(jī)器的一種類型2.機(jī)器人手部的機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖13-4單自由度操作器圖13-5多自由度操作器(2)具有多個自由度的末端操作器(1)具有一個相對自由度的末端操作器13.3 工業(yè)機(jī)器人的分類與性能直角坐標(biāo)型操作機(jī)如圖13－6所示，它有三個移動關(guān)節(jié)(PPP)，可使末
4、端操作器作三個方向的獨立位移。1.直角坐標(biāo)型yxzPxPzPy末端操作器123PPP圖13－6 直角坐標(biāo)型操作機(jī)該種型式的工業(yè)機(jī)器人，定位精度較高，空間軌跡規(guī)劃與求解相對較容易，計算機(jī)控制相對較簡單。它的不足是空間尺寸較大，運動的靈活性相對較差，運動的速度相對較低。2.圓柱坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型操作機(jī)如圖13－7所示，它有兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)(PPR)，末端操作器的安裝軸線之位姿由(z，r，θ)坐標(biāo)予以表示。該種型式的工業(yè)機(jī)器人，空間尺寸較小，工作范圍較大，末端操作器可獲得較高的運動速度。它的缺
5、點是末端操作器離z軸愈遠(yuǎn)，其切向線位移的分辨精度就愈低。θrZ圖13－7 圓柱坐標(biāo)型操作機(jī)3.球坐標(biāo)型球坐標(biāo)型操作機(jī)如圖13－8所示，它有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)(RRP)，末端操作器的安裝軸線之位姿由(θ，φ，r)坐標(biāo)予以表示。該種型式的工業(yè)機(jī)器人，空間尺寸較小，工作范圍較大。zθrxyRRPφ圖13－8 球坐標(biāo)型操作機(jī)4.關(guān)節(jié)型腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動θZ3屬于末端操作器的自由度。該種結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人，空間尺寸相對較小，工作范圍相對較大，還可以繞過機(jī)座周圍的障礙物，是目前應(yīng)用較多的一種機(jī)型?？刂葡到y(tǒng)Z
6、1Y0諧波減速器光電編碼盤末端執(zhí)行器X1伺服電機(jī)θY0θZ1θZ2θZ3上臂下臂RRRY1X0Z0圖13－9 關(guān)節(jié)型操作機(jī)關(guān)節(jié)型操作機(jī)如圖13－9所示，它有三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)(RRR)，即機(jī)身上部相對于下部的轉(zhuǎn)動θY0，肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動θZ1和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動θZ2。13.4 工業(yè)機(jī)器人的運動學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)機(jī)器人是由若干個關(guān)節(jié)所聯(lián)系起來的一種開鏈，其一端固結(jié)在機(jī)座上，另一端安裝有末端操作器。確定工業(yè)機(jī)器人末端操作器安裝軸線的方位，確定末端操作器的位姿與位移，確定工業(yè)機(jī)器人的操作對象，即目標(biāo)物體的位姿與位移，構(gòu)成了
7、工業(yè)機(jī)器人運動學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)該研究的一部分工作。圖13－3機(jī)器人的機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)末端操作器(a)13.4.1 目標(biāo)物體的空間轉(zhuǎn)動矩陣一個通過坐標(biāo)原點的矢量V1繞通過坐標(biāo)原點的單位矢量u轉(zhuǎn)動φ角到達(dá)V2，要求確定V2的位姿。為了確定矢量V1繞通過坐標(biāo)原點的單位矢量u轉(zhuǎn)動φ角到達(dá)V2的位姿，將它作如下轉(zhuǎn)動。圖13－10 目標(biāo)物體的空間轉(zhuǎn)動OV1uzyxuxuz②γ-β①④-γ③φφuyV2⑤+β1.平面內(nèi)單位矢量繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動矩陣UU'θxyUxUyU'yU'xθUxUyθ圖13.4F01平面內(nèi)單位矢量繞坐標(biāo)
8、軸的轉(zhuǎn)動2.空間內(nèi)單位矢量繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動矩陣Ouzyxuxuzφuyγβ圖13－10(a) 空間內(nèi)單位矢量繞坐標(biāo)軸線的轉(zhuǎn)動矢量V1繞通過坐標(biāo)原點的單位矢量u轉(zhuǎn)動φ角的矩陣矢量V1繞通過坐標(biāo)原點的單位矢量u轉(zhuǎn)動φ角的矩陣當(dāng)式(13－7)中的每一個元素為已知時，利用式(13－5)中的元素與式(13－7)中的前3行3列元素對應(yīng)相等，即可求出矢量V1繞矢量u轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)φ角和矢量u的姿態(tài)。矢量V1繞矢量u轉(zhuǎn)動的φ角和矢量u的姿態(tài)為[例13-1]圖13－11為單臂操作機(jī)械手，手臂相對于機(jī)身擁有一個轉(zhuǎn)動自由度，
