机械臂的机构与控制ppt课件.ppt

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1、机械臂的机构与控制2021/7/301主要内容机械臂的位置-姿态描述机械臂运动学机械臂动力学轨迹生成机械臂的机械设计机械臂的线性控制机械臂的非线性控制机械臂的力控制机械臂的编程系统2机械臂的位置-姿态描述坐标系连杆关节末端执行器基座工件3机械臂的位置-姿态描述位置描述位置矢量4机械臂的位置-姿态描述姿态描述旋转矩阵位置-姿态描述5机械臂的位置-姿态描述映射：从坐标系到坐标系的变换平移坐标的映射旋转坐标系的映射6机械臂的位置-姿态描述映射：从坐标系到坐标系的变换一般坐标系的映射7机械臂运动学研究机械臂的运动特性，而不考虑

2、使机械臂产生运动时施加的力。位置速度加速度位置变量的所有高阶导数机械臂是由一系列连杆通过关节连接而成的一个运动链。8机械臂运动学六种常见的低副关节机械臂常用关节转动关节移动关节转动关节移动关节9机械臂运动学连杆参数连杆长度a连杆转角α连杆偏距d关节角θ转动关节θ为变量移动关节d为变量10机械臂运动学建立连杆坐标系11机械臂运动学连杆变换相邻连杆间坐标系变换连续的连杆变换求出连杆n相对于连杆0（基座）的位置和姿态12机械臂运动学驱动器空间、关节空间和Cartesian空间（或操作（任务）空间）13机械臂运动学标准坐标系基

3、坐标系工作台坐标系腕部坐标系工具坐标系目标坐标系14机械臂运动学工具的定位所夹持工具相对于规范坐标系的位置和姿态计算工具坐标系{T}相对于工作台坐标系{S}的变换矩阵广义运动学方程15机械臂运动学-逆运动学运动学逆问题已知工具坐标系相对于工作台坐标系的位置和姿态，如何计算一系列满足期望轨迹的关节角？可解性解的存在性多重解问题解法数值解法封闭解法代数法几何法16机械臂运动学-速度位置矢量的微分{B}是进行微分运算的坐标系{A}是描述这个速度矢量的坐标系17机械臂运动学-速度坐标系{C}的原点相对于世界参考坐标系{U}的速

4、度坐标系{C}的原点相对于坐标系{A}的速度角速度矢量ΩAΩB是坐标系{B}相对于坐标系{A}的角速度C(AΩB)是坐标系{B}相对于坐标系{A}的角速度在坐标系{C}中的描述ωC=UΩC是坐标系{C}相对于世界参考坐标系{U}的角速度18机械臂运动学-速度刚体的线速度BQ19机械臂运动学-速度刚体的角速度线速度与角速度关系20机械臂运动学-速度连杆间的速度传递21机械臂运动学-速度雅克比在机器人学中，常使用雅克比矩阵将关节速度与机械臂末端的笛卡尔速度联系起来；ϴ是机械臂关节角矢量v是笛卡尔速度矢量奇异性雅克比矩阵非奇

5、异使雅克比矩阵奇异的ϴ值称为机构的奇异位形22机械臂动力学刚体的线加速度刚体的角加速度23机械臂动力学惯性张量惯量矩惯量积24机械臂动力学牛顿方程作用在质心上的力F引起刚体的加速度欧拉方程作用在刚体上的力矩N引起刚体的转动25机械臂动力学牛顿-欧拉迭代动力学方程已知连杆（关节）的位置、速度和加速度，结合机械臂运动学和质量分布，计算出驱动关节运动所需的力矩。计算速度和加速度的向外迭代法从连杆1向外迭代到连杆n计算力和力矩的向内迭代法从连杆n向内迭代到基座（连杆0）计算关节力矩旋转关节移动关节26机械臂动力学机械臂动力学方

6、程的结构状态空间方程形位空间方程笛卡尔状态空间方程27轨迹的生成机械手的运动看成是工具坐标系{T}相对于工作台坐标系{S}的运动。应用逆运动学，将工具相对于工作台的期望路径转换为一组期望的关节角的函数。28轨迹的生成关节空间规划方法以关节角的函数来描述轨迹（在空间和时间）三次多项式光滑关节函数ϴ(t)的约束条件高阶多项式29轨迹的生成笛卡尔空间规划方法用笛卡尔位姿关于时间的函数来描述路径形成轨迹的样条函数是描述笛卡尔变量随时间变化的函数在笛卡尔空间生成路径后，还要通过求解逆运动学计算出期望的关节角度路径的实时生成在实时

7、运行时，路径生成器不断生成用构造的轨迹，并且将此信息传送至机械臂控制系统。路径生成器以一定的路径更新率进行轨迹计算。30轨迹的生成机械人编程语言描述路径AL语言使用动力学模型的路径规划如何使机械手以最短时间到达目标点无碰撞路径规划31机械手的机械设计基于任务需求的设计自由度的数目工作空间负载能力速度重复精度和定位精度32机械臂的机械设计运动学构形笛卡尔机械臂关节型机械臂SCARA机械臂33机械臂的机械设计驱动方式直接驱动驱动器输出轴直接与关节相连减速系统与传动系统谐波减速器传动比大滚珠丝杆齿轮传动带34机械臂的机械设计

8、刚度与变形轴齿轮连杆驱动器液压缸气缸电动机步进电机无刷直流电动机永磁同步电动机35机械臂的机械设计位置检测旋转光学编码器增量编码器绝对编码器感应同步器速度计力检测直接测量力传感器（应变计、压电陶瓷）间接测量检测伺服电动机电流36机械臂的线性控制反馈与闭环控制37机械臂的线性控制控制律分解基于模型的控制部分伺服控制部分38机械臂的线