工業(yè)機器人技術(shù)課程總結(jié)

1、工業(yè)機器人技術(shù)課程總結(jié)班級： 學號： 姓名：關(guān)知識。以下是課程總結(jié)。全面呈現(xiàn)學習機器人的框架。機器人，對譬如軍用機器人等涉及不多。機器人的機構(gòu)方面，主要介紹了操作臂的工作空間形式、手腕、手爪、和閉鏈結(jié)構(gòu)操作臂。工作空間形式常見的有直角坐標式機器人、圓柱坐標式機器人、球（極）SCARA自動插補放大、坐標軸數(shù)、工作空間、承載能力、速度和循環(huán)時間、定位基準和重復性以及機器人的運行環(huán)境。第一章的內(nèi)容主要是對機器人各個方面有個簡單的介紹使機器人更形象化和具體化。實際應用較少。圓柱坐標型：結(jié)構(gòu)簡單；剛性好；空間利用率低；用于重物的裝卸和搬運。球坐標型：結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間較小。關(guān)節(jié)坐標型：動作范圍寬。第二章

2、主要講述了位姿描述和齊次變換。剛體的位姿是指剛體參考點的位置。對組成工業(yè)機器人的每一個連桿都可以看作是一個剛體若給定了剛體上某一點的位置和該剛體在空間的姿態(tài)，則這個剛體在空間上是完全確定的。設有一剛體Q，如圖2-4所示，在剛體上選任一點O，建立與剛體固連的坐標系OXYZ ，稱為動坐標系。動坐標系位姿的描述就是相對固定坐標系對動坐標系原點位置的描述以及對動坐標系三個坐標軸方向的描述剛體的姿態(tài)描述方 法主要分為齊次變換法，矢量法，旋量法，四元數(shù)法等，它們的作用都是將運動、變換和映射與陣運算聯(lián)系起來。位置的描（位置矢量）對于不同的坐標系比如直角坐標系，圓柱坐標和球面坐標都有特定的位置矢量來描述。而方

3、位的描述可以用旋轉(zhuǎn)矩陣來表示剛體B相對于坐標系A(chǔ)的方位坐標系B的三個單位主矢量相對于坐標系A(chǔ)的方向余弦其中正交矩陣滿足關(guān)系應該如下如 果 只 表 示 方 位 時 ， 坐 標 系 B 的 形 式 為BA以只表示位置或者方向， 但是坐標系B 的相應的形式會有不同。如果只表示位置時，如 果 只 表 示 方 位 時 ， 坐 標 系 B 的 形 式 為。對于手爪的描述大致可分為手爪坐標系與手爪固接一起的坐標系。za(approach)yo(orientation)xn=oa，n(normal)。而坐標變換可分為坐標平移和坐pwPTB相對于A的位姿（位置加方位）。齊次變換矩陣也代表坐標平移與坐標旋轉(zhuǎn)的復合

4、將其分解成兩B相對A希望得到B相對A。對于手爪的描述大致可分為手爪坐標系與手爪固接一起的坐BTBTG TG T S T1B T1B TW TWTSGGSW。至于歐拉角與RPY 角，引入R933 about z axis about new y axis about new x axis rotationBBABzByBxBAz，yx 歐拉角Az，yx z-y-z（歐拉角）。旋轉(zhuǎn)變換通式可表示為： k kVersck k Ver s k sk k Ver s szzR(,) kzzxxk Ver s k syxyk k Very czxyzyk kVersk szy xy x kxk Versk

5、 zyk k Ver syzk xk kVersczzVer s (1cos),s sin,c cos,kx a , k a , k a旋轉(zhuǎn)變換，小時，由于式2.650180找新方法?？梢宰C明：任何一組繞過原點的軸線的復合轉(zhuǎn)動總是等效于繞某一過原點的軸線轉(zhuǎn)動R(k,)自由矢量：維數(shù)、大小和方向，如速度矢量和純力矩矢量。線矢量：維數(shù)、大小、方向和，作用線，如力矢量。速度矢量在不同坐標系RAv ARBv B而與坐標原定的位置A pB0 無關(guān)。純力矩矢量在不同坐標系BA之間的映射只與 R 相關(guān)。即An 有ARBn B，而與坐標原定的位置A pB0 無關(guān)。有關(guān)線矢量的描述比較復雜，超出本課程范圍，需要

6、引入旋量法等。i-1是由關(guān)節(jié)軸線i-1和i的公法線長度ai-1和夾角i-1所規(guī)定的。特殊情況：兩軸線平行得：i-10。兩軸線相交得i-1指向不定。連桿i-1：長度ai-1關(guān)節(jié)軸線i-1指i（恒為正。 扭角 i-1i-1i（可ii1T ii1iii0i1ai1d sii1isd 正可負）。連桿的變換通式：i0i0i10ii1 1PUMA 560各個連桿變換；寫出手臂變換矩陣和運動學方程可簡單表示為運動學正解（where）：根據(jù)關(guān)節(jié)變量 qi 的值，計算機器人末端抓手或工具相對于工作站的位姿。（對于每一組關(guān)節(jié)變量值，有唯一確定的解，求解簡單。）運動學反解b（與執(zhí)行的形體有關(guān)PaulPieper6（

7、Pieper、Stanford 機器人）(2) 三個相鄰關(guān)節(jié)軸相互平行；（ASEA，MINIMOVER 機器人）對于滿足條件（ 1）的機器人（如 PUMA），運動學方程可分解為003TTT636式中：規(guī)定腕部參考點的位置，規(guī)定腕部的方位。求解步驟腕部位置的反解，依次解出 321，主要利用消元法和三角函數(shù)中的幾何代換公式，將超越方動學反解的數(shù)目決定于：關(guān)節(jié)數(shù)目連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量的活動范圍。 一般而言，非零連桿參數(shù)愈PUMA560關(guān)節(jié)空間速度 之間的線性映射關(guān)系 雅可比矩陣 J (q)動力之間的線性映射關(guān)系力雅可比矩陣 JT(q)操作臂的雅可比矩陣是指操作速度與關(guān)節(jié)速度的線性變換。奇異形位(sin

8、gularconfiguration)：操作臂的雅可比矩陣的秩減少的形位（數(shù)學上）；操作臂det(J(q) l l s在操作空間的自由度將減少（物理上）。雅可比矩陣的行列式判別奇異形位：1 22 。當2=0 或2=180時，雅可比行列式為0，矩陣秩為1，因而處于奇異狀態(tài)。從幾何上看，機械手完全伸直(2=0)，或完全縮回( 2=180)，機械手末端不能實現(xiàn)徑向自由度，只能沿切 和微分轉(zhuǎn)動 。d 由沿三個坐標軸的微分移動組成；由繞三個坐標軸的微分轉(zhuǎn)動組成。雅可比矩陣的構(gòu)造法：雅可比矩陣J(q)J(q)分塊，J q J q v Jl1Jl21ln2 v Jq qJq J l1l22lnna1aan

9、w Jq qJqna11a2a nnPUMA560 的雅可比的計算有一、用微分變換法計算TJ(q)二、用矢量積方法計算J(q)。力雅可比末 f F D 端廣義力矢量n微分移動，在靜態(tài)條件下，廣義操作力矢量應與各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力相平衡 表示關(guān)節(jié)數(shù)，m 表示操作空間的維數(shù)。對于給定的 q，J(q)空間 R(J(q)表示關(guān)節(jié)運動能夠產(chǎn)生的全部操作速度的集合第五章主要學習了操作臂動力學。動力學研究的是速度和加速度LagrangeNewton-EulerGauss 方法， 凱恩 Kane 方法， 旋量對偶數(shù)方法， 羅伯遜- 魏登堡 Roberson-Wittenburg 方法。牛頓-歐拉Newton-Eul

10、er控制，以期達到良好的動態(tài)性能和最優(yōu)指標操作臂動力學：復雜的動力學系統(tǒng)多連桿、多輸入、多輸出系統(tǒng)，耦合關(guān)系和非線性。多體系統(tǒng)動力學多剛體系統(tǒng)和剛-柔耦合多體系統(tǒng)。由旋轉(zhuǎn)通(2.58)可知可看成R(t)時間間隔t內(nèi)繞某軸k轉(zhuǎn)動微分角度得 k kVer s ck k Ver s k sk kVersszzR(,) zzxxkk Verk k syxyk k Ver y czxyzyk k Versk szy xy x kxkVersk zyk k Veryzk xk k Verszz 兩端除以t，并AvAv Av AR Bv2S( ) ARBvS( )ARB pS( )S( )ARBppB0Bp

11、BBpBBBBB根據(jù)不同的情況可以對上式進行簡化：A固定不動，剛體與B固接；B只相對于A移動；B只相對于A 滾動衡， 一些分量由各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力或力矩所平衡i，矩陣遞推法操作臂動力學的研究有很多方法拉格朗日 Lagrange 方法牛頓- 歐拉 Newton-EulerGaussKane（速度和加速度）討論動力學逆問題的求解方法一、牛頓-歐拉方程：操作臂=剛體 質(zhì)心加速度，總質(zhì)量 m 與產(chǎn)生這一加速度的作用力 f 之間滿足牛頓第二定理：f mvc 當剛體繞過質(zhì)心的軸線旋轉(zhuǎn)時，角速度，角加速度，慣性張量 ，與作用力矩之間滿足歐拉方程：n c IcI慣性張量 表示剛體質(zhì)量分布的特征，其c 的方位使各慣

12、性積均為零慣性張量變成對角型 則此坐標系的各軸稱為慣性主軸，相應的質(zhì)量慣性矩稱為主慣性矩。動力學逆問題根據(jù)關(guān)節(jié)位度和加速度。，由牛頓-歐拉公式計算各連桿的慣性力和力矩。向內(nèi)遞推：計算各連桿相互作用的力和力矩，以及關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩封閉形式的動力學方程。遞推公式(5.645.72)有兩種用途 2R跡。軌跡規(guī)劃器從一類函數(shù)中選取參數(shù)化軌跡，對結(jié)點進行插值，并滿足約束條件。2）給出運動路徑是對關(guān)節(jié)變量的插值運算。確定路徑點上的關(guān)節(jié)速度，可有以下三種方法規(guī)定：（1）根據(jù)工具坐標系在直角坐標空間中的瞬時線速度和角速度來確定每個路徑點的關(guān)節(jié)速度；（2）在直角坐標空間或關(guān)節(jié)空間中采用適當?shù)膯l(fā)式方法，由控制系

13、統(tǒng)自動地選擇路徑點的速度。（3）為了保證每個路徑點上的加速度連續(xù)，由控制系統(tǒng)按此要求自動地選擇路徑點的速度。方法（1），利用操作臂在此路徑點上的雅可比，把該點的直角坐標速度映射為所要求的關(guān)節(jié)速度。當然，如果操作臂的某個路徑點是奇異點，這時就不能任意設置速度值。按照方法（1）生成的軌跡雖然能滿足用戶設置速度的需要，但是逐點設置速度畢竟要耗費很大的工作量。因此，機器人的控制系統(tǒng)最好具有方法（2）和（3）的功能，或者二者兼而有之方法（2），統(tǒng)采用某種啟發(fā)式方法自動選取合適的路徑。方法（3），保證路徑點處的加速度連續(xù)設法用續(xù)設所經(jīng)過的路徑點處的關(guān)節(jié)角度到 v 的插值三次多項式為從v v與該點相鄰的前后兩點的關(guān)節(jié)角分別為0和g 從 g 的插值三次多項式為兩個三次多項式的時間區(qū)間分別為0,tf1和0, tf2。對這兩個多項式的約束是：對于差值，對于給定的起始點和終止點的關(guān)節(jié)角度，可選擇直線插值函數(shù)來表示路徑的形狀。單純線性插值將導致在結(jié)點處關(guān)節(jié)運動速度不連續(xù)， 加速度無限大。 在每個結(jié)點的鄰域內(nèi)增加一段拋物線的緩沖區(qū)。（線性函數(shù)+兩端拋物線函數(shù)）形成的軌跡= 帶有拋物線過度域的線性軌跡。示抓手位姿的齊次變換矩陣。作業(yè)是用操作臂終端抓手位姿的笛卡爾坐標結(jié)點序列規(guī)定的結(jié)點是指表示抓手位姿的齊次變換矩陣。性模型。 推導傳遞函數(shù)和比例函數(shù) PD 控制規(guī)律， SISO 系統(tǒng)， MIMO 系統(tǒng)， P