第十三章工业机器人机构学

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1、第十三章工业机器人机构学提要介绍了T业机器人的组成原理、分类与工作性能特点。研究了坐标变换与空间物体的位姿与位移的齐次坐标表达；研究了已知各个关节的相对运动时，如何确定工业机器人末端操作器的位姿；研究了已知目标对象的位姿时，如何确定工业机器人各个关节的相对运动量。13.1概述工业机器人是用来搬运材料、零件与工具，进行焊接与喷涂的可再编程的多功能机械手，通过调用不同的程序來完成预设的多种工作任务。13.2工业机器人的组成工业机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分.传感部分和控制部分。六个系统是驱动系统、机构与结构系统、感觉系统、机器人与环境交互系统、人机交互系统和控制系统。L机器

2、人的机构与结构系统工业机器人的机械部分由三部分组成，即机身、手臂和末端操作器。机身可以是固定的，也可以是移动的。手臂进一步划分为上臂和下臂，上臂与机身形成肩关节，上臂与下臂形成肘关节，下臂与末端操作器形成碗关节，如图13.3所示。图13・3机器人的机构与结构2-机器人手部的机构与结构系统1）具有一个相对口由度的末端操作器13.3工业机器人的分类与性能1)直角坐标型直角坐标型操作机如图13.6所示，它有三个移动关节(PPP),可使末端操作器作三个方向的独立位移。该种型式的工业机器人，定位精度较高，空间轨迹规划与求解相对较容易，计算机控制相对较简单。它的不足是空间尺寸较大，运动的灵活性相对较差

3、，运动的速度相对较低。末端操作器'2）圆柱坐标型圆柱坐标型操作机如图13.7所示，它有两个移动关节和一个转动关节（PPR）,末端操作器的安装轴线之位姿由（乙研坐标予以表示。该种型式的工业机器人,空间尺寸较小，工作范围较大，末端操作器可获得较高的运动速度。它的缺点是末端操作器离Z轴愈远，H切向线位移的分辨精度就愈低。3）球坐标型球坐标型操作机如图13.8所示，它有两个转动关节和一个移动关节（RRP）,末端操作器的安装轴线之位姿由©（P，「）坐标予以表示。该种型式的工业机器人,空间尺寸较小,工作范围较大。4)关节型关节型操作机如图13.9所示，它冇三个转动关节(RRR),即机身上部相对于下部的

4、转动9yo,启关节的转动ezi和肘关节的转动ez2o空间尺寸相对较小，工作范围相腕关节的转动0Z3M于末端操作器的自山度。该种结构的T业机務人,对较大，还可以绕过机座周围的障碍物，是II前W用较多的-•种机型。13.4工业机器人的运动学基础工业机器人是山若于个关节所联系起來的一种丿］：链，其一端尚结在机座上，另一端安装有末端操作器。确定工业机器人末端操作器安装轴线的方位，确定末端操作器的位姿与位移「确定.匸业机器人的操作对象,即目标物体的位姿与位移，构成了工业机器人运动学基础应该研究的一•部分工作。(«)13.4.1目标物体的空间转动矩阵-个通过处标原点的矢鼠VI绕通过处标原点的单位矢鼠U

5、转动（P角到达V2,要求确定V2的位姿。为了确定矢量V1绕通过坐标原点的单位矢量U转动（P角到达V2的位姿，将它作如下转动。1）平而内单位矢虽绕坐标轴的转动矩阵100_0cosy-sin/-0sinycos/COS00sinp血，丿二010-sin/?0cos/COS0--sin(p001COS00lR^fZ]=sin©0(13.2)(13.3)图13.4F02空间内单位矢量绕坐标轴线的转动(13.4)矢量叫绕通过坐标原点的单位矢量汹专动0角的矩阵^2=[«p,」3x3%=[«+“][&』[人+0,z][«+“][&期]%(13.1)u2xV(f>+C(p[心」垃=uxiiyv(p^uzs

6、(puxiizV(p+iiyS(puxuyV(p-uzS(puxiizV(p+uyS(pii2yV(p+C(puyiizV(p-uxS(p2uyiizV(p+uxS(puzV(p+C(p(13.5)ti2xV(p+C(puxu/(p-uzS(puxiizV(p+iiyS(p(13.6)uxu/(p-uzS(piPyV(p+Cq>uyuy(p+uxS(puxuzV(p+uyS(puyiizV(p-iixS(pii2zV(p+C(p矢量匕绕通过坐标原点的单位矢量汹专动0角的矩阵77当式(13.7)中的每一个元素为已知时，利用式(13.5)中的元素与式(13.7)中的前3行3列元素对应相等，即

7、可求出矢量匕绕矢量"转动的转0命和矢量"的姿态。矢量厂］绕矢量〃扌专动的0角和矢量“的姿态为sin©=±斗—0)2+(2—N)+(的—(13.8)tan(p-+J(陋-S2+(2-曲+g-A"Nx+My+Qz-1(13.9)"42sin©y2sin(pN-Mnz=2sin0(13.10)［例13・1］图13.11为单愕操作机械手，手怦相对丁•机身拥有一个转动自由度，手腕和对于手怦拥有一个转动自山度。已知手腕上的处标系ox