机械原理教案ppt课件.ppt

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1、13工业机器人机构学13.1　概　述13.2　工业机器人的组成13.3　工业机器人的分类与性能13.4　工业机器人的运动学基础13.5　工业机器人的正向运动学13.6　工业机器人的逆向运动学提　要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。介绍了工业机器人的组成原理、分类与工作性能特点。Chapter13　KinematicsofIndustrialRo

2、bots13工业机器人机构学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来完成预设的多种工作任务。图13－1　工业机器人(a)(b)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。图13－2　汽车生产线上的工业机器人1.机器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

3、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(a)(b)图13F01喷涂机器人(1)喷涂机器的一种类型2.机器人手部的机构与结构系统图13-4单自由度操作器图13-5多自由度操作器(2)具有多个自由度的末端操作器(1)具有一个相对自由度的末端操作器13.3　工业机器人的分类与性能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

4、端操作器作三个方向的独立位移。1.直角坐标型yxzPxPzPy末端操作器123PPP图13－6　直角坐标型操作机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，运动的速度相对较低。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(z，r，θ)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

5、点是末端操作器离z轴愈远，其切向线位移的分辨精度就愈低。θrZ图13－7　圆柱坐标型操作机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(θ，φ，r)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。zθrxyRRPφ图13－8　球坐标型操作机4.关节型腕关节的转动θZ3属于末端操作器的自由度。该种结构的工业机器人，空间尺寸相对较小，工作范围相对较大，还可以绕过机座周围的障碍物，是目前应用较多的一种机型。控制系统Z

6、1Y0谐波减速器光电编码盘末端执行器X1伺服电机θY0θZ1θZ2θZ3上臂下臂RRRY1X0Z0图13－9　关节型操作机关节型操作机如图13－9所示，它有三个转动关节(RRR)，即机身上部相对于下部的转动θY0，肩关节的转动θZ1和肘关节的转动θZ2。13.4　工业机器人的运动学基础工业机器人是由若干个关节所联系起来的一种开链，其一端固结在机座上，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，确定工业机器人的操作对象，即目标物体的位姿与位移，构成了

7、工业机器人运动学基础应该研究的一部分工作。图13－3机器人的机构与结构末端操作器(a)13.4.1　目标物体的空间转动矩阵一个通过坐标原点的矢量V1绕通过坐标原点的单位矢量u转动φ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φ角到达V2的位姿，将它作如下转动。图13－10　目标物体的空间转动OV1uzyxuxuz②γ-β①④-γ③φφuyV2⑤+β1.平面内单位矢量绕坐标轴的转动矩阵UU'θxyUxUyU'yU'xθUxUyθ图13.4F01平面内单位矢量绕坐标

8、轴的转动2.空间内单位矢量绕坐标轴的转动矩阵Ouzyxuxuzφuyγβ图13－10(a)　空间内单位矢量绕坐标轴线的转动矢量V1绕通过坐标原点的单位矢量u转动φ角的矩阵矢量V1绕通过坐标原点的单位矢量u转动φ角的矩阵当式(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，即可求出矢量V1绕矢量u转动的转φ角和矢量u的姿态。矢量V1绕矢量u转动的φ角和矢量u的姿态为[例13-1]图13－11为单臂操作机械手，手臂相对于机身拥有一个转动自由度，