《機(jī)器人基礎(chǔ)與數(shù)字孿生系統(tǒng)》 課件全套 褚明 第1-9章 緒論 - -數(shù)字孿生系統(tǒng)的生命周期管理

第1章緒論1.1機(jī)器人學(xué)介紹1.1.1機(jī)器人的起源機(jī)器人的起源可以追溯到3000多年前。我國(guó)西周時(shí)代，巧匠偃師獻(xiàn)給周穆王一個(gè)能歌善舞的木偶；公元前2世紀(jì)出現(xiàn)的書(shū)籍中，描寫(xiě)過(guò)一個(gè)具有類似機(jī)器人角色的機(jī)械化劇院；我國(guó)東漢時(shí)期，張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機(jī)器人雛形；公元618至907年間，四川能工巧匠楊行廉制作的能走會(huì)動(dòng)的“木僧”，江蘇馬待封制作的“酒山”；民間流傳十分廣泛的三國(guó)諸葛亮制作的木牛流馬。1.1機(jī)器人學(xué)介紹近代之后，人類期望發(fā)明各種機(jī)械工具和動(dòng)力機(jī)器，用以協(xié)助甚至代替人們從事各種體力勞動(dòng)的夢(mèng)想更加強(qiáng)烈。瑞士鐘表名匠德羅斯父子三人于1768—1774年間，設(shè)計(jì)制造出三個(gè)像真人一樣大小的機(jī)器人——寫(xiě)字偶人、繪圖偶人和彈風(fēng)琴偶人；德國(guó)梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龍哥雷姆”；日本物理學(xué)家細(xì)川半藏設(shè)計(jì)的各種自動(dòng)機(jī)械圖形；法國(guó)杰夸特設(shè)計(jì)的機(jī)械式可編程序織造機(jī)；加拿大摩爾設(shè)計(jì)的能行走的機(jī)器人“安德羅丁”；1.1機(jī)器人學(xué)介紹機(jī)器人一詞的起源1920年，捷克劇作家卡雷爾·恰佩克（KarelCapek）在他的科幻情節(jié)劇《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，第一次提出了“Robot”這個(gè)名詞，被認(rèn)為是機(jī)器人一詞的起源。機(jī)器人三守則美國(guó)著名科學(xué)幻想小說(shuō)家阿西莫夫于1950年在他的小說(shuō)《我是機(jī)器人》中，提出了有名的“機(jī)器人三守則”：機(jī)器人必須不危害人類，也不允許它眼看人將受害而袖手旁觀；機(jī)器人必須絕對(duì)服從于人類，除非這種服從有害于人類；機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害，除非為了保護(hù)人類或者是人類命令它做出犧牲。第一代機(jī)器人的誕生美國(guó)人喬治·德沃爾在1954年設(shè)計(jì)了第一臺(tái)電子程序可編的工業(yè)機(jī)器人，并于1961年發(fā)表了該項(xiàng)機(jī)器人專利。1962年，美國(guó)萬(wàn)能自動(dòng)化（Unimati-on）公司的第一臺(tái)機(jī)器人Unimate在美國(guó)通用汽車公司投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。1.1機(jī)器人學(xué)介紹1.1.2機(jī)器人學(xué)的發(fā)展1.國(guó)際機(jī)器人學(xué)的發(fā)展近年來(lái)，全球機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到294.1億美元，其中，工業(yè)機(jī)器人159.2億美元，服務(wù)機(jī)器人94.6億美元，特種機(jī)器人40.3億美元。2014—2019年的平均增長(zhǎng)率約為12.3％。此時(shí)全世界運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人總數(shù)在200萬(wàn)臺(tái)以上。2019年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模（單位：億美元）2.國(guó)內(nèi)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展1.1機(jī)器人學(xué)介紹中國(guó)于1972年開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人，雖起步較晚但進(jìn)步較快，已在工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人各方面取得明顯成績(jī)，為我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展打下基礎(chǔ)。工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)一段產(chǎn)業(yè)化過(guò)程后，其市場(chǎng)發(fā)展已呈井噴之勢(shì)。2019年，中國(guó)新增工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量為14.05萬(wàn)臺(tái)，累計(jì)裝機(jī)78.3萬(wàn)臺(tái)，總量居亞洲第一，年增長(zhǎng)率為12％。智能機(jī)器人1986年3月，中國(guó)啟動(dòng)實(shí)施了“國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“863”計(jì)劃）。按照“863”計(jì)劃智能機(jī)器人主題的總體戰(zhàn)略目標(biāo)，智能機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)工作的實(shí)施分為型號(hào)和應(yīng)用工程、基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)、實(shí)用技術(shù)開(kāi)發(fā)、成果推廣4個(gè)層次，通過(guò)各層次的工作體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)。特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，特種機(jī)器人的開(kāi)發(fā)包括管道機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、水下機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)引車和排險(xiǎn)機(jī)器人等。1.1機(jī)器人學(xué)介紹1.1.3機(jī)器人的定義至今還沒(méi)有對(duì)機(jī)器人的統(tǒng)一定義，要給機(jī)器人下一個(gè)合適的和為人們普遍接受的定義是困難的?，F(xiàn)在，世界上對(duì)機(jī)器人還沒(méi)有統(tǒng)一的定義，各國(guó)有自己的定義，專家們也采用不同的方法來(lái)定義這個(gè)術(shù)語(yǔ)。英國(guó)簡(jiǎn)明牛津字典的定義。機(jī)器人是“貌似人的自動(dòng)機(jī)，是具有智力的和順從于人的但不具人格的機(jī)器”。美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)的定義。機(jī)器人是“一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手（manipulator）”。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JapanRobotAssociation，JARA）的定義。工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（endeffecter）的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器”。1.1機(jī)器人學(xué)介紹美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）的定義。機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）的定義。機(jī)器人是“一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”?！吨袊?guó)大百科全書(shū)》對(duì)機(jī)器人的定義。能靈活地完成特定的操作和運(yùn)動(dòng)任務(wù)，并可再編程序的多功能操作器。而對(duì)機(jī)械手的定義為：一種模擬人手操作的自動(dòng)機(jī)械，它可按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操持工具完成某些特定操作。1.2機(jī)器人的分類1.2.1操作機(jī)器人操作型機(jī)器人通常是指機(jī)械手或機(jī)械臂。機(jī)械手工作空間是指末端執(zhí)行器可以達(dá)到的空間范圍。按照工作空間的幾何形狀，可將機(jī)械手劃分為笛卡爾、圓柱型、球形和關(guān)節(jié)機(jī)械手。通常，機(jī)械手由諸如PPP或RPP之類的序列指定，這些序列指示組成機(jī)器人的移動(dòng)（P）和轉(zhuǎn)動(dòng)（R）關(guān)節(jié)的類型和順序。例如，一個(gè)PPP機(jī)械手是由三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的，而一個(gè)RPP機(jī)器人是由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)連續(xù)的移動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成。1.2機(jī)器人的分類1.笛卡爾機(jī)械手笛卡爾機(jī)器人（Cartesianrobot）是由三個(gè)相互正交的移動(dòng)關(guān)節(jié)定義的PPP機(jī)械手，PPP手臂是最簡(jiǎn)單的機(jī)械手之一。特征模型以及用于定位和移動(dòng)這些機(jī)器人的控制定律都易于推導(dǎo)；系統(tǒng)趨向于剛性；可以承受和傳遞大負(fù)載，并實(shí)現(xiàn)高精度的定位；需要大面積的操作空間，并且工作空間小于機(jī)器人本身；用于移動(dòng)關(guān)節(jié)的導(dǎo)向裝置必須密封，以防異物進(jìn)入，這會(huì)使維護(hù)變得困難。實(shí)例Sepro集團(tuán)的笛卡爾機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類2.圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手假設(shè)笛卡爾機(jī)器人中的第一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)被轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)代替。通過(guò)適當(dāng)選擇旋轉(zhuǎn)軸的方向，RPP機(jī)器人就是圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人（cylindricalrobot）的示例。特征機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型容易推導(dǎo)，關(guān)聯(lián)的控制定律同樣非常容易確定；非常適合進(jìn)入具有型腔或其他類似復(fù)雜幾何形狀的工件；精度很高，可用于流水線上的拾取和放置操作；在某些構(gòu)形中，機(jī)器人的背面可能伸入工作空間，這可能會(huì)干擾工作空間并使路徑規(guī)劃和控制變得復(fù)雜；導(dǎo)向裝置表面必須清潔且無(wú)碎屑，使維護(hù)和保養(yǎng)更加困難。實(shí)例STRobotics的圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類3.SCARA機(jī)械手引人SCARA（SelectiveComplianceArticulatedRobotArm）RRP機(jī)器人是在高剛性機(jī)器人（例如笛卡爾機(jī)器人）和可訪問(wèn)幾何形狀復(fù)雜的工作空間（例如球形機(jī)械手）的機(jī)器人之間的折中方案。特征機(jī)器人在水平平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)中相對(duì)柔順，而在垂直于該平面的運(yùn)動(dòng)中剛度較大；工作空間是高度結(jié)構(gòu)化的；十分適用于精確的拾取和放置操作。實(shí)例EpsonSynthisTMT3多合一SCARA機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類4.球形機(jī)械手RRP球形機(jī)械手（sphericalroboticmanipulator）由兩個(gè)垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)組成。對(duì)于某些關(guān)節(jié)之間固定偏置的選擇，工具或機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)可以用球坐標(biāo)表示，成為該機(jī)器人名字來(lái)源。特征適用于必須在復(fù)雜幾何形狀上執(zhí)行的各種任務(wù)；可容納的球形工作空間更大；運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型比笛卡爾或圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型更為復(fù)雜，控制定律也更加復(fù)雜；機(jī)器人的剛性要比笛卡爾機(jī)械手小，定位精度可能會(huì)降低；可能更適合于諸如焊接或噴漆之類的任務(wù)。實(shí)例Unimate球形機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類5.PUMA機(jī)械手歷史上，裝配線上使用最廣泛的機(jī)械手之一是PUMA（ProgrammableUniversalMachineforAssembly）RRR機(jī)器人。該機(jī)器人的第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)圍繞垂直軸，接下來(lái)的兩個(gè)平行的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)垂直于垂直軸。特征具有豐富的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性并且可以到達(dá)較大的半球形工作空間；剛性不如笛卡爾機(jī)器人；非常適合需要大型且可配置程度高的工作空間的應(yīng)用。實(shí)例PUMA機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類關(guān)節(jié)型機(jī)械臂（articulatedrobotarm）或仿人機(jī)械臂（anthropomorphicrobotarm）是一種能夠?qū)崿F(xiàn)類似人手臂動(dòng)作的機(jī)械手。所有仿人的機(jī)械手臂至少具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，并且通常有五個(gè)、六個(gè)或更多的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。特征可以進(jìn)入較大的工作空間，并且可以將位于其尖端的工具以任意方向擺放；在裝配線上的焊接和噴涂中得到了廣泛的應(yīng)用；該臂具有復(fù)雜的幾何形狀；描述此機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相應(yīng)方程式形式復(fù)雜，從這些模型得出的控制定律也是如此。實(shí)例KUKA關(guān)節(jié)型機(jī)器人6.關(guān)節(jié)型機(jī)器人1.2機(jī)器人的分類1.2.2移動(dòng)型機(jī)器人1.仿人機(jī)器人從出現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的最早階段開(kāi)始，設(shè)計(jì)師就夢(mèng)想著創(chuàng)造出外觀和功能都與人類相似的機(jī)器人。如今，仿人機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展到能夠執(zhí)行非常復(fù)雜任務(wù)的程度。2022年在泰國(guó)曼谷舉行的RoboCup機(jī)器人比賽上，來(lái)自德國(guó)波恩大學(xué)的NimbRo團(tuán)隊(duì)贏得了類人組中成人組的冠軍和最佳人形獎(jiǎng)。世界各地的研究人員目前也在開(kāi)發(fā)全尺寸仿人機(jī)器人，其潛在應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。右下圖為波士頓動(dòng)力公司研發(fā)的Atlas機(jī)器人，該款機(jī)器人經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)已能夠完成跑酷動(dòng)作。1.2機(jī)器人的分類2.自主地面車輛如右上圖所示，Waymo公司在舊金山的道路上測(cè)試全自動(dòng)駕駛車輛JaguarI-PACE。右下圖展示了百度第六代量產(chǎn)無(wú)人車ApolloRT6。該產(chǎn)品是百度面向未來(lái)出行自主研發(fā)、正向設(shè)計(jì)的量產(chǎn)車，整車針對(duì)乘客需求和無(wú)人駕駛出行場(chǎng)景進(jìn)行了深度設(shè)計(jì)。自主地面車輛（autonomousgroundvehicle，AGV）的設(shè)計(jì)、分析和制造已經(jīng)在美國(guó)和世界各地進(jìn)行了多年。近年來(lái)，AGV機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)接近成熟，并出現(xiàn)了一些可靠的、高性能的商用和軍事機(jī)器人。1.2機(jī)器人的分類3.無(wú)人機(jī)近幾年，無(wú)人機(jī)（autonomousaerialvehicle，AAV）的應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，已被提議用于農(nóng)業(yè)、救災(zāi)、警察監(jiān)視和邊境安全等領(lǐng)域。2022年11月，DJI大疆農(nóng)業(yè)正式發(fā)布T50、T25農(nóng)業(yè)無(wú)人飛機(jī)以及Mavic3多光譜版無(wú)人飛機(jī)。兩款全新農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)全面升級(jí)，針對(duì)大田噴灑、肥料播撒，果樹(shù)噴灑等應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行多項(xiàng)優(yōu)化。如右上圖所示，T50農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)正在執(zhí)行噴灑作業(yè)。右下圖展示了弗吉尼亞理工大學(xué)的CraigWoolsey教授在各種研究活動(dòng)中使用的SPAARO自主無(wú)人機(jī)。這款無(wú)人機(jī)支持從農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和氣載病原體遙感到自主無(wú)人機(jī)梯隊(duì)的協(xié)調(diào)控制等方面的研究。1.2機(jī)器人的分類4.自主海上航行器自主海上航行器的發(fā)展如同AGV、AAV一樣面臨著特殊挑戰(zhàn)，這些障礙在過(guò)去幾年里開(kāi)發(fā)的許多自主水面船舶（autonomoussurfacevehicle，ASV）和自主水下機(jī)器人（autonomousunderwatervehicle，AUV）中得到了說(shuō)明。如右上圖所示，美國(guó)在ASV上安裝了武器，并于2016年試航了一艘名為“SeaHawk”的新型無(wú)人反潛艦艇。如右下圖所示，海豚一號(hào)是一種小型AUV，搭載浙江大學(xué)研制的合成孔徑聲納，主要用于探測(cè)水下小目標(biāo)和掩埋目標(biāo)。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹1.3.1數(shù)字孿生的發(fā)展歷程數(shù)字孿生國(guó)外發(fā)展進(jìn)程如下圖所示。美國(guó)NASA在1969年阿波羅計(jì)劃時(shí)就開(kāi)始利用鏡像系統(tǒng)來(lái)管理航空和航天設(shè)備；2003年，數(shù)字孿生技術(shù)概念，由MichaelGrieves教授提出；經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)外的一些大公司開(kāi)始針對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了大量的研究，全球著名IT研究機(jī)構(gòu)Gartner在2017年至2019年連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略性科技趨勢(shì)之一。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹公司數(shù)字孿生平臺(tái)功能優(yōu)勢(shì)GEPredix物理機(jī)械和分析技術(shù)結(jié)合，利用虛實(shí)互聯(lián)，構(gòu)建飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生使維修過(guò)程變得更加細(xì)致、透明ANSYSTwinBuilder構(gòu)建真實(shí)世界系統(tǒng)的完整虛擬模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的調(diào)度維護(hù)，對(duì)響應(yīng)進(jìn)行反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品和資產(chǎn)的全生命周期管理，防止計(jì)劃外停機(jī)，降低成本SiemensTeamcenterX部署產(chǎn)品、生產(chǎn)和性能數(shù)字孿生，構(gòu)建多域和材料集成的數(shù)字孿生減少物理原型的需求、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、提高質(zhì)量PTCThingWorx可視化物聯(lián)網(wǎng)收集的重要信息，并與ANSYS連接可布置于云端和本地，可視化方式更加靈活VuforiaEngineAreaTargets實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化沉浸式互動(dòng)，進(jìn)行機(jī)械虛擬操作提高效率，具有強(qiáng)大的擴(kuò)增環(huán)境能力和靈活性SAPSAPLeonardo實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化部署數(shù)字孿生，進(jìn)行數(shù)據(jù)快速計(jì)算采用邊云協(xié)同方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸和反饋MicrosoftAzureDigitalTwins實(shí)現(xiàn)物理世界業(yè)務(wù)流程的構(gòu)建，輔助更好的優(yōu)化產(chǎn)品和管理采用物聯(lián)網(wǎng)，打破連接孤島，建立于可信的企業(yè)級(jí)平臺(tái)Dassault3DEXPERIENCE快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造之間的無(wú)縫銜接，并提供對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造間的協(xié)同，確保產(chǎn)品的可追溯性AutodeskInfraWorks、Tandem面向工程建筑等，提供更好的決策和前瞻性洞察創(chuàng)建最新的易于訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，提供更智能的決策IBMDigitalTwinExchange智能評(píng)估管理、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)維護(hù)，確保安全性和可靠性可下載3DCAD文件、工程手冊(cè)等，建立信息模型，更靈活右表所示為部分國(guó)外企業(yè)在數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究成果。顯而易見(jiàn)，國(guó)外著名工業(yè)或軟件企業(yè)緊跟潮流，分別通過(guò)不同的方式探索數(shù)字孿生概念與應(yīng)用場(chǎng)景。從諸多企業(yè)的競(jìng)相追逐中也不難看出，數(shù)字孿生具有深厚的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹相較于國(guó)外，在國(guó)內(nèi)也有學(xué)者在數(shù)字孿生方面取得了一些研究成果。北京航空航天大學(xué)的陶飛于2019年提出數(shù)字孿生五維架構(gòu)體系。同濟(jì)大學(xué)的屈國(guó)強(qiáng)等人提出了類似NIST的數(shù)字孿生車間概念。莊存波教授提出了全新的數(shù)字孿生體系架構(gòu)，并基于該數(shù)字孿生體系架構(gòu)詳細(xì)分析了數(shù)字孿生的可能應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展前景。陳振把數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)零部件的裝配工作上，并進(jìn)一步研究了如何基于數(shù)字孿生技術(shù)高效管理工業(yè)生產(chǎn)。從數(shù)字孿生的概念誕生以來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)已得到了快速發(fā)展，各主流架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)相繼被提出，以數(shù)字孿生為標(biāo)題的論文數(shù)量亦逐年上升，現(xiàn)在數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)入成長(zhǎng)期階段，發(fā)展勢(shì)頭正盛，其發(fā)展趨勢(shì)如下圖：1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹目前而言，對(duì)于數(shù)字孿生沒(méi)有統(tǒng)一共識(shí)的定義，不同的學(xué)者、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等對(duì)數(shù)字孿生的理解也存在著不同的認(rèn)識(shí)。1.3.2數(shù)字孿生的定義MichaelGrieves教授認(rèn)為，數(shù)字孿生是一組虛擬信息結(jié)構(gòu)，可以從微觀原子級(jí)別到宏觀幾何級(jí)別全面描述潛在的物理制成品。在最佳狀態(tài)下，可以通過(guò)數(shù)字孿生獲得任何物理制成品的信息。李培根院士指出,“物理生命體”是指“孕、育”過(guò)程（即實(shí)體的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程）和服役過(guò)程（運(yùn)行、使用）中的物理實(shí)體（如產(chǎn)品或裝備），數(shù)字孿生體是“物理生命體”在其孕育和服役過(guò)程中的數(shù)字化模型。北京航空航天大學(xué)陶飛教授提出，數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。……以衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)、優(yōu)化、管理和控制為例，如圖所示，通過(guò)獲取衛(wèi)星近實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)在地面站構(gòu)建數(shù)字孿生體，實(shí)時(shí)反映衛(wèi)星的健康狀態(tài)并預(yù)估衛(wèi)星各系統(tǒng)、各部件的使用壽命，并對(duì)衛(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行分析和計(jì)算，呈現(xiàn)給使用者全面細(xì)致的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測(cè)接口，同時(shí)還優(yōu)化了衛(wèi)星的調(diào)度管理和控制，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星使用壽命的延長(zhǎng)。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)1.4.1數(shù)字孿生的技術(shù)劃分?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于諸多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，其技術(shù)按照從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層到頂層應(yīng)用層依次可以分為數(shù)據(jù)保障層、建模計(jì)算層、數(shù)字孿生功能層和沉浸式體驗(yàn)層共四層，每一層的實(shí)現(xiàn)都建立在前面各層的基礎(chǔ)之上，是對(duì)前面各層功能的進(jìn)一步豐富和拓展。1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)保障層是整個(gè)數(shù)字孿生技術(shù)層面的基礎(chǔ)，支撐著整個(gè)上層體系的運(yùn)作，其主要由高性能傳感器數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)據(jù)傳輸和全壽命周期數(shù)據(jù)管理三部分構(gòu)成。先進(jìn)傳感器技術(shù)及分布式傳感技術(shù)使整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠獲得更加準(zhǔn)確、充分的數(shù)據(jù)源支撐；高帶寬光纖技術(shù)的采用使得海量傳感器數(shù)據(jù)的傳輸不再受帶寬的限制，保障了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性；分布式云服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展為全壽命周期數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理提供了平臺(tái)保障。1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)建模計(jì)算層在獲得數(shù)據(jù)保障層提供的數(shù)據(jù)后，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法和基于數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多物理、多尺度層面的建模，使所建立的模型與實(shí)際系統(tǒng)準(zhǔn)備匹配、實(shí)時(shí)同步，并能預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)狀態(tài)和壽命，依據(jù)其當(dāng)前和未來(lái)健康狀態(tài)評(píng)估其執(zhí)行任務(wù)成功的可能性。建模計(jì)算層主要由建模算法和一體化計(jì)算平臺(tái)兩部分構(gòu)成，智能算法部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的深度特征提取和建模，計(jì)算部分包括系統(tǒng)嵌入式計(jì)算和云服務(wù)器計(jì)算兩部分，協(xié)同完成系統(tǒng)的計(jì)算任務(wù)。1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)功能層面向?qū)嶋H的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)需求提供相應(yīng)的功能，包括多層級(jí)系統(tǒng)壽命估計(jì)、系統(tǒng)集群執(zhí)行任務(wù)能力的評(píng)估、系統(tǒng)集群維護(hù)保障、系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策等功能。作為整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的直接價(jià)值體現(xiàn)，功能層可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要進(jìn)行定制，在建模計(jì)算層提供的強(qiáng)大信息接口的基礎(chǔ)上，功能層可以滿足高可靠性、高準(zhǔn)確度、高實(shí)時(shí)性以及智能輔助決策等多個(gè)性能指標(biāo)，提升產(chǎn)品在整個(gè)壽命周期內(nèi)的表現(xiàn)性能。1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)沉浸式體驗(yàn)層的主要目的在于提供給使用者人機(jī)交互良好的使用環(huán)境，令使用者獲得身臨其境般的技術(shù)體驗(yàn)，迅速了解和掌握復(fù)雜系統(tǒng)的特性和功能，并能便捷地通過(guò)語(yǔ)音和肢體動(dòng)作，來(lái)訪問(wèn)數(shù)字孿生體功能層提供的信息，獲得分析和決策方面的信息支持。體驗(yàn)層是直接面向用戶的層級(jí)，以用戶可用性和交互友好性為主要參考指標(biāo)。1.4.2數(shù)字孿生的核心技術(shù)1.多領(lǐng)域多尺度融合建模1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)方法當(dāng)前大部分建模方法是在特定領(lǐng)域進(jìn)行模型開(kāi)發(fā)和熟化，然后在后期采用集成和數(shù)據(jù)融合的方法將來(lái)自不同領(lǐng)域的獨(dú)立的模型融合為一個(gè)綜合的系統(tǒng)級(jí)模型，但這種融合方法融合深度不夠且缺乏合理解釋，限制了將來(lái)自不同領(lǐng)域的模型進(jìn)行深度融合的能力。多領(lǐng)域建模是指在正常和非正常工況下從不同領(lǐng)域視角對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行跨領(lǐng)域融合建模，且從最初的概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始實(shí)施，從深層次的機(jī)理層面進(jìn)行融合設(shè)計(jì)理解和建模。難點(diǎn)多領(lǐng)域融合建模的難點(diǎn)，在于多種特性的融合會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)方程具有很大的自由度，同時(shí)傳感器采集的數(shù)據(jù)要求與實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)高度一致，以確?；诟呔葌鞲袦y(cè)量的模型動(dòng)態(tài)更新。2.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與物理模型融合的狀態(tài)評(píng)估1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)目前數(shù)據(jù)與模型融合的難點(diǎn)，在于兩者原理層面的融合與互補(bǔ)，如何將高精度的傳感數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性與系統(tǒng)的機(jī)理模型合理、有效地結(jié)合起來(lái)，獲得更好的狀態(tài)評(píng)估與監(jiān)測(cè)效果，是亟待考慮和解決的問(wèn)題。采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，利用系統(tǒng)的歷史和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)物理模型進(jìn)行更新、修正、連接和補(bǔ)充，充分融合系統(tǒng)機(jī)理特性和運(yùn)行數(shù)據(jù)特性，能夠更好地結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，獲得動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟隨目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)的評(píng)估系統(tǒng)。方法目前數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與解析模型相融合的方法主要有兩種思路，一種是以解析模型為主，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)解析模型的參數(shù)進(jìn)行修正;另一種是將兩種方法并行使用，最后依據(jù)兩者輸出的可靠度進(jìn)行加權(quán)，得到最后的評(píng)估結(jié)果。3.數(shù)據(jù)采集和傳輸1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)高精度傳感器數(shù)據(jù)的采集和快速傳輸是整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)體系的基礎(chǔ)，溫度、壓力、振動(dòng)等各個(gè)類型的傳感器性能都要最優(yōu)，以復(fù)現(xiàn)實(shí)體目標(biāo)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)字孿生系統(tǒng)是物理實(shí)體系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)超現(xiàn)實(shí)映射，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸和更新對(duì)于數(shù)字孿生具有至關(guān)重要的作用。方法微機(jī)電系統(tǒng)傳感器日趨低成本和高集成度；高帶寬和低成本的無(wú)線傳輸，能夠?yàn)楂@取更多用于表征和評(píng)價(jià)對(duì)象系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或異常、故障、退化等復(fù)雜狀態(tài)提供前提。難點(diǎn)目前數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的難點(diǎn)在于傳感器的種類、精度、可靠性、工作環(huán)境等受到當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的限制，采集數(shù)據(jù)的方式也受到局限。數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵在于實(shí)時(shí)性和安全性，網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受限于當(dāng)前技術(shù)水平，無(wú)法滿足更高級(jí)別的傳輸速率，網(wǎng)絡(luò)安全性保障在實(shí)際應(yīng)用中同樣應(yīng)予以重視。4.全壽命周期數(shù)據(jù)管理1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)復(fù)雜系統(tǒng)的全壽命周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理是數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要支撐，采用云服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)的海量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式管理，對(duì)維持整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)行起著重要作用。難點(diǎn)全壽命周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的實(shí)現(xiàn)需要借助于服務(wù)器的分布式和冗余存儲(chǔ)，由于數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很高，如何優(yōu)化數(shù)據(jù)的分布架構(gòu)、存儲(chǔ)方式和檢索方法，獲得實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)讀取性能，是其應(yīng)用于數(shù)字孿生系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。方法考慮工業(yè)企業(yè)的數(shù)據(jù)安全以及裝備領(lǐng)域的信息保護(hù)，構(gòu)建以安全私有云為核心的數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)管理體系，是目前較為可行的技術(shù)解決方案。5.VR呈現(xiàn)1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，VR）可以將系統(tǒng)狀態(tài)以超現(xiàn)實(shí)的形式給出，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，將結(jié)果附加到系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)、部件，在完美復(fù)現(xiàn)實(shí)體系統(tǒng)的同時(shí)將數(shù)字分析結(jié)果以虛擬映射的方式疊加到所創(chuàng)造的孿生系統(tǒng)中，從各個(gè)方面提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)的人機(jī)互動(dòng)。難點(diǎn)復(fù)雜系統(tǒng)的VR技術(shù)，難點(diǎn)在于需要布置大量的高精度傳感器來(lái)采集系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供必要的數(shù)據(jù)來(lái)源和支撐，同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身的技術(shù)瓶頸也亟待突破和提升，以提供更真實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)體驗(yàn)。6.高性能計(jì)算1.4數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)字孿生系統(tǒng)復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)依賴于其背后的計(jì)算平臺(tái)，實(shí)時(shí)性是衡量數(shù)字孿生系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。平臺(tái)數(shù)字計(jì)算能力的高低直接決定系統(tǒng)的整體性能，作為整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算基礎(chǔ)，其重要性毋庸置疑。難點(diǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求系統(tǒng)具有極高的運(yùn)算性能，這有賴于計(jì)算平臺(tái)的提升和計(jì)算結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，系統(tǒng)的運(yùn)算性能受限于當(dāng)前的計(jì)算機(jī)發(fā)展水平和算法設(shè)計(jì)優(yōu)化水平，因此，應(yīng)在這兩方面做突破以服務(wù)于數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展。方法在現(xiàn)有云計(jì)算基礎(chǔ)上，高性能數(shù)據(jù)分析算法的云化和異構(gòu)加速的計(jì)算體系（如CPU+GPU、CPU+FPGA），是可以考慮的能夠滿足工業(yè)實(shí)時(shí)場(chǎng)景下高性能計(jì)算的兩個(gè)方向。1.5本書(shū)主要內(nèi)容機(jī)器人學(xué)作為一門高度交叉的前沿學(xué)科，已被許多學(xué)者深入研究并獲得快速發(fā)展。數(shù)字孿生作為近年來(lái)的新興技術(shù)，正深入應(yīng)用至多種場(chǎng)景與領(lǐng)域中。為實(shí)現(xiàn)智能制造領(lǐng)域的人才培養(yǎng)，本書(shū)將這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一融合，講述相關(guān)理論與應(yīng)用實(shí)例。第1章緒論第2章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)第3章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)第4章機(jī)器人動(dòng)力學(xué)第5章機(jī)器人系統(tǒng)的傳感與控制第6章機(jī)器人數(shù)字孿生系統(tǒng)開(kāi)發(fā)第7章人-機(jī)共融的數(shù)字孿生系統(tǒng)第8章數(shù)字孿生系統(tǒng)的故障診斷第9章數(shù)字孿生系統(tǒng)的生命周期管理本書(shū)章節(jié)目錄：習(xí)題1.簡(jiǎn)述“機(jī)器人”一詞的由來(lái)。2.“機(jī)器人三守則”是什么？它的重要意義是什么？3.區(qū)分下列機(jī)械手，描述它們的特征，并找出每種機(jī)械手在商用機(jī)器人中的實(shí)例。笛卡爾機(jī)器人圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人球形機(jī)器人SCARA機(jī)器人PUMA機(jī)器人仿人機(jī)械臂4.結(jié)合1~2個(gè)實(shí)例，談?wù)勀銓?duì)數(shù)字孿生的理解。5.選取數(shù)字孿生的一項(xiàng)技術(shù)，查閱相關(guān)資料對(duì)其簡(jiǎn)要介紹。第2章機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副又稱關(guān)節(jié)或鉸鏈，它決定了兩相鄰連桿之間的連接關(guān)系。通常把運(yùn)動(dòng)副分為兩類：高副和低副。低副：兩連桿之間通過(guò)面接觸高副：若連桿之間通過(guò)線接觸或點(diǎn)接觸

低副分為六種，如圖2-1所示，（a）旋轉(zhuǎn)副

（b）移動(dòng)副

（c）螺旋副

（d）圓柱副

（e）平面副

（f）球面副圖2–1六種低副機(jī)構(gòu)2.1運(yùn)動(dòng)副旋轉(zhuǎn)副（1個(gè)自由度）移動(dòng)副（1個(gè)自由度）螺旋副（1個(gè)自由度）圓柱副（2個(gè)自由度）平面副（3個(gè)自由度）球面副（3個(gè)自由度）串聯(lián)機(jī)器人廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)線中，因此，又稱這類機(jī)器人為工業(yè)機(jī)器人，也稱作操作手。工業(yè)機(jī)器人一般指機(jī)械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、重復(fù)性要求的工作，如汽車制造，摩托車制造，艦船制造，自動(dòng)化生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配，以及物流系統(tǒng)的搬運(yùn)、包裝、碼垛等作業(yè)的機(jī)器人。一個(gè)典型的串聯(lián)機(jī)器人通常由手臂機(jī)構(gòu)、手腕機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器3個(gè)部分組成，如圖2-2所示。圖2–2典型串聯(lián)機(jī)器人的組成2.2串聯(lián)機(jī)器人1）手臂機(jī)構(gòu)：機(jī)器人機(jī)構(gòu)的主要部分，其作用是支承腕部和末端執(zhí)行器，并確定腕部中心點(diǎn)在

空間中的位置坐標(biāo)，通常具有3個(gè)自由度，個(gè)別為4個(gè)自由度。

2）手腕機(jī)構(gòu)：連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其作用主要是改變和調(diào)整末端執(zhí)行器在空間中的

方位，即姿態(tài)，一般具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，個(gè)別為2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。3）末端執(zhí)行器：機(jī)器人作業(yè)時(shí)安裝在腕部的工具，根據(jù)任務(wù)選裝。機(jī)器人手臂的主體機(jī)構(gòu)一般為3自由度機(jī)構(gòu)，主要包括直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)式四種基本結(jié)構(gòu)型式。1）直角坐標(biāo)式：由3個(gè)相互垂直的移動(dòng)副組成，每個(gè)關(guān)節(jié)獨(dú)立分布在直角坐標(biāo)的3個(gè)坐標(biāo)軸上（圖2-3）。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)單、精度較高。2）圓柱坐標(biāo)式：將直角坐標(biāo)機(jī)器人中某一個(gè)移動(dòng)副代替（圖2-4）。該結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍較大。3）球面坐標(biāo)式：前2個(gè)鉸鏈為相互匯交的轉(zhuǎn)動(dòng)副而第3個(gè)為移動(dòng)副（圖2-5）。該結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍較大。4）關(guān)節(jié)式：所有3個(gè)鉸鏈均為轉(zhuǎn)動(dòng)副（圖2-6）。這種結(jié)構(gòu)對(duì)作業(yè)的適應(yīng)性較好，而且更接近人的手臂。圖2–3直角坐標(biāo)式機(jī)器人

圖2–4圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人圖2–5球面坐標(biāo)式機(jī)器人

圖2–6關(guān)節(jié)式機(jī)器人2.2.1手臂機(jī)構(gòu)腕部是連接臂部和手爪的部件，其作用主要是改變和調(diào)整手爪在空間的方位，從而使手爪所握持的工具或工件到達(dá)某一指定的姿態(tài)。因此，手腕機(jī)構(gòu)通常也稱為動(dòng)向機(jī)構(gòu)，或調(diào)姿機(jī)構(gòu)。最普遍的手腕是由2個(gè)或3個(gè)相互垂直的關(guān)節(jié)軸組成的，手腕的第一個(gè)關(guān)節(jié)就是機(jī)器人的第四個(gè)關(guān)節(jié)。1）二自由度球形手腕最簡(jiǎn)單的手腕是圖2-7所示的Pitch-Roll球形手腕。由3個(gè)錐齒輪A,B,C組成差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中齒輪C與工具Roll軸固聯(lián)，而齒輪A和B分別通過(guò)鏈傳動(dòng)（或同步帶傳動(dòng)）與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)相連，形成差動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)齒輪A和B同速反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，末端執(zhí)行器繞Roll軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速與A（或B）相同；當(dāng)齒輪A和B同速同向旋轉(zhuǎn)使，末端執(zhí)行器將繞Pitch軸轉(zhuǎn)動(dòng)。一般情況下，末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動(dòng)是上述兩種轉(zhuǎn)動(dòng)的合成，即圖

2–7Pitch-Roll球形手腕2.2.2手腕機(jī)構(gòu)2）三軸垂直相交的手腕圖2-8中，

和

對(duì)應(yīng)得軸線相互垂直，

和

對(duì)應(yīng)的軸線相互垂直，三軸交于一點(diǎn)。由遠(yuǎn)距離安裝的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)幾組錐齒輪旋轉(zhuǎn)，如果三個(gè)軸輸入的轉(zhuǎn)角分別為

，

和

，相互嚙合的齒輪齒數(shù)相等，則輸出的關(guān)節(jié)角分別為：

。三軸垂直相交的手腕，在理論上可以達(dá)到任意的姿態(tài)，但是，由于關(guān)節(jié)角通常受到結(jié)構(gòu)的限制，并非能夠達(dá)到任意姿態(tài)。圖2–8

三軸垂直相交手腕（a）示意圖（b）傳動(dòng)圖3）可連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的手腕如圖2-9所示，這種手腕有3個(gè)相交的關(guān)節(jié)軸，但各關(guān)節(jié)軸不相互垂直。其特點(diǎn)是3個(gè)關(guān)節(jié)角不受限制，可以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)360°。但是這種非正交軸的手腕不可能使末端執(zhí)行器達(dá)到任意的姿態(tài)，手腕的第三軸不可達(dá)的方位在空間構(gòu)成一個(gè)錐體。在使用時(shí)，將手腕安裝的手臂上的位置使得手臂連桿恰好占據(jù)不可達(dá)的錐空間。圖

2–9可連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手腕（a）外觀圖（b）傳動(dòng)圖

機(jī)器人手爪，學(xué)名為末端執(zhí)行器，是指安裝在機(jī)器人末端的執(zhí)行裝置，它直接與工作接觸，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的處理、傳輸、夾持、放置和釋放等作業(yè)。末端執(zhí)行器可以是一種單純的機(jī)械裝置，也可以是包含工具快速轉(zhuǎn)換裝置、傳感器或柔順裝置等的集成執(zhí)行裝置。大多數(shù)末端執(zhí)行器的功能、構(gòu)型及結(jié)構(gòu)尺寸都是根據(jù)具體的作業(yè)任務(wù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和集成的，其種類繁多、形式多樣。結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化及模塊化是末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。(1)夾持式手爪

根據(jù)作業(yè)任務(wù)的不同，末端執(zhí)行器可以是夾持裝置或?qū)Ｓ霉ぞ摺Ｆ渲?，夾持裝置包括機(jī)械手爪、吸盤等，專用工具有氣焊槍、電焊槍、研磨頭、銑刀、鉆頭等。夾持裝置是應(yīng)用最為廣泛的一類末端執(zhí)行器。圖2-10所示為一種夾持式手爪的工作過(guò)程。當(dāng)手爪加緊和松開(kāi)物體時(shí)，手指做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時(shí)，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。圖2–10夾持式手爪2.2.3機(jī)器人手爪(2)多指靈巧手這類手爪一般由3個(gè)或4個(gè)手指構(gòu)成，每個(gè)手指相當(dāng)于一個(gè)操作臂，有3個(gè)或4個(gè)關(guān)節(jié)，與人的手十分相似，用于抓取復(fù)雜形狀的物體，實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作。Okada靈巧手，如圖2-11所示，具有3個(gè)手指和一個(gè)手掌，拇指有3個(gè)自由度，另外兩個(gè)手指各有4個(gè)自由度，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和肌腱傳動(dòng)方式。Stanford/JPL靈巧手，如圖2-12所示，該手有3個(gè)手指，每指各有3自由度，采用12個(gè)直流伺服電機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，采用N+1型腱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。Utah/MIT靈巧手，如圖2-13所示，具有完全相同的4個(gè)手指，每個(gè)手指有4個(gè)自由度，采用2N型腱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，整手有16個(gè)關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)器數(shù)量達(dá)到了32個(gè)。上述三只靈巧手是該領(lǐng)域研究初始階段的典型代表，為后續(xù)仿人型多指靈巧手的研究建立了理論基礎(chǔ)。圖2–11

Okada靈巧手

圖2–12

Stanford/JPL靈巧手圖

2–13

Utah/MIT

靈巧手(3)欠驅(qū)動(dòng)擬人手這類手爪的外形與多指靈巧手類似，但各關(guān)節(jié)不是電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，而是由少量的電動(dòng)機(jī)以差動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的數(shù)量遠(yuǎn)小于關(guān)節(jié)的數(shù)量。圖2-14（a）表示欠驅(qū)動(dòng)擬人手中的一個(gè)手指。擬人手的5個(gè)手指的構(gòu)型一致，通過(guò)手指之間的差動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的包絡(luò)。手指包絡(luò)運(yùn)動(dòng)可通過(guò)腱（繩索）牽引（見(jiàn)圖2-14（a））或者通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖2-14（b）、（c））。

與多指靈巧手不同，欠驅(qū)動(dòng)擬人手一般具有良好的形狀自適應(yīng)能力，由于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)量遠(yuǎn)小于關(guān)節(jié)的數(shù)量，因而欠驅(qū)動(dòng)擬人手的控制要比多指靈巧手的控制簡(jiǎn)單，但抓握模式相對(duì)來(lái)說(shuō)不如多指靈巧手豐富。圖

2–14欠驅(qū)動(dòng)擬人手手指并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)是一種多閉環(huán)機(jī)構(gòu)，它由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)和連接兩個(gè)平臺(tái)的多個(gè)支鏈（或分支，或腿）組成。如果支鏈數(shù)與動(dòng)平臺(tái)的自由度數(shù)相同，每個(gè)支鏈由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，并且所有驅(qū)動(dòng)器均安放在或接近定平臺(tái)的地方，這種并聯(lián)機(jī)構(gòu)稱為完全并聯(lián)機(jī)構(gòu)。為簡(jiǎn)單描述并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，可采用數(shù)字與符號(hào)組合的命名方式，以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為例，每個(gè)支鏈用運(yùn)動(dòng)副符號(hào)組合來(lái)表示，并按照從基座到動(dòng)平臺(tái)的順序。例如圖2-15所示的3-RPS機(jī)構(gòu)，3表示該機(jī)構(gòu)有三個(gè)相同的支鏈，RPS表示每個(gè)支鏈含有R、P、S副，遵循從基座到動(dòng)平臺(tái)的順序。有時(shí)為了區(qū)分運(yùn)動(dòng)副中哪個(gè)是驅(qū)動(dòng)副，上面的機(jī)構(gòu)還可表示成3-RPS機(jī)構(gòu)，表示P為驅(qū)動(dòng)副。對(duì)于不同支鏈組成的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如有3個(gè)支鏈為UPS，另一個(gè)支鏈為UP，所組成的并聯(lián)機(jī)構(gòu)即可表示成3-UPS&1-UP。圖2–153-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的組成與命名2.3并聯(lián)機(jī)構(gòu)1.Gough-Stewart平臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)可以追溯到1947年，Gough建立了具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理，這種機(jī)構(gòu)可以控制平臺(tái)的位置和姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)輪胎的檢測(cè)。在該構(gòu)型中，運(yùn)動(dòng)構(gòu)件使一個(gè)六邊形平臺(tái)，平臺(tái)的各個(gè)頂點(diǎn)通過(guò)球鉸與可伸縮桿相連，桿件的另一端通過(guò)虎克鉸與定平臺(tái)連接，動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)通過(guò)6個(gè)直線電動(dòng)機(jī)改變桿件的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。Stewart在1965年設(shè)計(jì)了用作飛行模擬器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件是一個(gè)三角平臺(tái)，其個(gè)頂點(diǎn)通過(guò)球鉸鏈與連桿相連接，其機(jī)架也呈三角布置。這是兩種最早出現(xiàn)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)、后人稱為Gough-Stewart平臺(tái)，有時(shí)簡(jiǎn)稱Stewart平臺(tái)。這類機(jī)構(gòu)共同的特征是：連接上、下平臺(tái)的每個(gè)支鏈都由兩段組成，兩段之間通過(guò)移動(dòng)副相連，可以伸長(zhǎng)或縮短，支鏈的兩端通過(guò)球副（或者一端是球副、另一端是虎克鉸）分別與上、下平臺(tái)連接，都具有6個(gè)自由度。基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所展現(xiàn)的六邊形和三角形特征，又可細(xì)分為Hexapod機(jī)器人和Tripod機(jī)器人兩類，如圖2-16所示。圖2–16Gough-Steward平臺(tái)2.Delta機(jī)器人并聯(lián)機(jī)構(gòu)中最著名的當(dāng)屬Delta機(jī)器人機(jī)構(gòu)。1986年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的Clavel教授創(chuàng)造性地提出了一種全新的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)——Delata機(jī)器人，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-17所示。設(shè)計(jì)該機(jī)器人的基本思想在于巧妙地利用了一種開(kāi)放式鉸鏈和空間平行四邊形機(jī)構(gòu)。平行四邊形機(jī)構(gòu)保證了末端執(zhí)行器始終與基座保持平行，從而使該機(jī)器人只有3個(gè)移動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)輸出；開(kāi)放式鉸鏈?zhǔn)蛊湟子诮M裝和拆卸，且運(yùn)動(dòng)靈活快速，極大地方便了工業(yè)應(yīng)用。圖

2–17Delta機(jī)器人機(jī)構(gòu)3.平面/球面3-RRR機(jī)構(gòu)平面/球面3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由加拿大拉瓦爾大學(xué)的Gosselin教授提出并開(kāi)始系統(tǒng)研究的，它們也是并聯(lián)機(jī)構(gòu)家族中應(yīng)用較廣的類型。如圖2-18所示，平面3-RRR機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于中心具有3個(gè)平面自由度：兩個(gè)平面內(nèi)的移動(dòng)和一個(gè)繞垂直于該平面軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)類型與串聯(lián)3R機(jī)器人完全一致。圖

2–18平面3-RRR機(jī)構(gòu)圖2-19所示是球面3-RRR機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線交于空間一點(diǎn)，該點(diǎn)稱為機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，該機(jī)構(gòu)也稱為調(diào)資機(jī)構(gòu)或指向機(jī)構(gòu)。圖2–19球面3-RRR機(jī)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人(mobilerobot)是指一類能夠感知環(huán)境和自身狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自主運(yùn)動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)指定操作和任務(wù)的機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)載體也是機(jī)構(gòu)。與平臺(tái)型機(jī)器人機(jī)構(gòu)類似的是，很多移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)也來(lái)自于自然、仿生的啟示，如行走類、跳躍類、攀爬類、飛行類、泳動(dòng)類、蠕動(dòng)類、擺動(dòng)類、翻滾類等。但也有例外，輪式和履帶式機(jī)器人是人類發(fā)明的以輪子(或履帶)為載體的杰作。移動(dòng)機(jī)器人按照不同標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類方法：1.按工作環(huán)境分為：陸地機(jī)器人、水下機(jī)器人、飛行機(jī)器人等；2.按功能用途分為：醫(yī)療機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、軍用機(jī)器人等；3.按運(yùn)動(dòng)載體主要分為：輪式、足式和履帶式。

移動(dòng)機(jī)器人正逐漸應(yīng)用于醫(yī)療、服務(wù)、工業(yè)生產(chǎn)、災(zāi)難救援、軍事偵察等領(lǐng)域，將人類從繁雜的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，緩解了人口老齡化和勞動(dòng)力成本增加等帶來(lái)的社會(huì)問(wèn)題，給人類生活帶來(lái)極大便利。尤其在惡少或極其危險(xiǎn)的環(huán)境中（如外太空、深海、雷區(qū)、狹窄管道、核輻射區(qū)等)，使用移動(dòng)機(jī)器人完成偵察、探測(cè)和操作任務(wù)已經(jīng)成為一種必要手段。鑒于移動(dòng)機(jī)器人種類繁多，這里只介紹兩種基本類型：輪式（含履帶式）和足式。2.4移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)2.4.1輪式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)車輪式行走機(jī)構(gòu)具有移動(dòng)平穩(wěn)、能耗小，以及容易控制移動(dòng)速度和方向等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了普遍的應(yīng)用。目前應(yīng)用的車輪式行走機(jī)構(gòu)主要為三輪式或四輪式。三輪式行走機(jī)構(gòu)具有最基本的穩(wěn)定性，其主要問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)方向的控制。典型車輪的配置方法是一個(gè)前輪、兩個(gè)后輪，前輪作為操縱舵，用來(lái)改變方向，后輪用來(lái)驅(qū)動(dòng)；另一種是用后兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)輪僅起支承作用，并靠?jī)奢喌霓D(zhuǎn)速差或轉(zhuǎn)向來(lái)改變移動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)整體靈活的、小范圍的移動(dòng)。不過(guò)，要做較長(zhǎng)距離的直線移動(dòng)時(shí)，兩驅(qū)動(dòng)輪的直徑差會(huì)影響前進(jìn)的方向。四輪式行走機(jī)構(gòu)也是一種應(yīng)用廣泛的行走機(jī)構(gòu)，其基本原理類似于三輪式行走機(jī)構(gòu)。圖2-20所示為四輪式行走機(jī)構(gòu)。其中（a）、（b）所示機(jī)構(gòu)采用了兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)自位輪（（a）中后面兩輪和（b）中左、右兩輪是驅(qū)動(dòng)輪）；（c）所示是和汽車行走方式相同的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，為轉(zhuǎn)向采用了四連桿機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)中心大致在后輪車軸的延長(zhǎng)線上；（d）所示機(jī)構(gòu)可以獨(dú)立地進(jìn)行左、右轉(zhuǎn)向，因而可以提高回轉(zhuǎn)精度；（e）所示機(jī)構(gòu)的全部輪子都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)向，能夠減小轉(zhuǎn)彎半徑。圖

2–20四輪機(jī)構(gòu)（a）、（b）采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)自位輪的行走機(jī)構(gòu)；（c）移動(dòng)機(jī)構(gòu)；（d）可獨(dú)立轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)；（e）全部輪子均可轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)履帶式行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)很突出，采用該類行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人可以在凸凹不平的地面上行走，也可以跨越障礙物、爬不太高的臺(tái)階等。一般類似于坦克的履帶式機(jī)器人，由于沒(méi)有自位輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，要轉(zhuǎn)彎時(shí)只能靠左、右兩個(gè)履帶的速度差，所以不僅在橫向，而且在前進(jìn)方向上也會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，轉(zhuǎn)彎阻力大，不能準(zhǔn)確地確定回轉(zhuǎn)半徑。圖2-21中（a）所示是主體前、后裝有轉(zhuǎn)向器的履帶式機(jī)器人，它沒(méi)有上述的缺點(diǎn)，可以上、下臺(tái)階。它具有提起機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以使轉(zhuǎn)向器繞著（a）中的A-A軸旋轉(zhuǎn)，這使得機(jī)器人上、下臺(tái)階非常順利，能實(shí)現(xiàn)諸如用折疊方式向高處伸臂、在斜面上保持主體水平等各種各樣的姿勢(shì)。（b）所示機(jī)器人的履帶形狀可為適應(yīng)臺(tái)階形狀而改變，也比一般履帶式機(jī)器人的動(dòng)作更為自如。（a）雙重履帶式機(jī)器人；（b）形狀可變式履帶機(jī)構(gòu)圖2–21上、下臺(tái)階的履帶式機(jī)器人2.4.2多足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)類似于動(dòng)物那樣，利用腳部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、用步行方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，稱為步行機(jī)構(gòu)。采用步行機(jī)構(gòu)的步行機(jī)器人，能夠在凸凹不平的地上行走、跨越溝壑，還可以上、下臺(tái)階，因而具有廣泛的適應(yīng)性。但控制上有相當(dāng)?shù)碾y度，完全實(shí)現(xiàn)上述要求的實(shí)際例子很少。步行機(jī)構(gòu)有兩足、三足、四足、六足、八足等形式，其中兩足步行機(jī)構(gòu)具有最好的適應(yīng)性，也最接近人類，故又稱為類人雙足行走機(jī)構(gòu)。1.兩足步行機(jī)構(gòu)兩足步行機(jī)構(gòu)是多自由度的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代控制理論很好的應(yīng)用對(duì)象。這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其靜、動(dòng)行走性能及穩(wěn)定性和高速運(yùn)動(dòng)性能都較難實(shí)現(xiàn)。如圖2-22所示，兩足步行機(jī)構(gòu)是一空間連桿機(jī)構(gòu)。在行走過(guò)程中，行走機(jī)構(gòu)始終滿足靜力學(xué)的靜平衡條件，也就是機(jī)器人的重心始終落在支持地面的一腳上。這種行走方式稱為靜止步態(tài)行走。圖2–22兩足步行機(jī)構(gòu)原理圖及其靜止步態(tài)2.四足步行機(jī)構(gòu)四足步行機(jī)構(gòu)比兩足步行機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，其結(jié)構(gòu)也比六足、八足步行機(jī)器人簡(jiǎn)單。四足步行機(jī)構(gòu)在行走時(shí)機(jī)體首先要保證靜態(tài)穩(wěn)定，因此，其在運(yùn)動(dòng)的任一時(shí)刻至少應(yīng)有三條腿與地面接觸，以支撐機(jī)體，且機(jī)體的重心必須落在三足支撐點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，如圖2-23所示。在這個(gè)前提下，四條腿才能按一定的順序抬起和落地，實(shí)現(xiàn)行走。在行走的時(shí)候，機(jī)體相對(duì)地面始終向前運(yùn)動(dòng)，重心始終在移動(dòng)。四條腿輪流抬、跨，相對(duì)機(jī)體也向前運(yùn)動(dòng)，不斷改變足落地的位置，構(gòu)成新的穩(wěn)定三角形，從而保證靜態(tài)穩(wěn)定。圖2–23四足步行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)形態(tài)3.六足步行機(jī)構(gòu)六足步行機(jī)器人的控制比四足步行機(jī)器人的控制更容易，六足步行機(jī)構(gòu)也更加穩(wěn)定。圖2-24（a）所示為有十八個(gè)自由度的六足步行機(jī)器人，該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)從容的步態(tài)。但要實(shí)現(xiàn)十八個(gè)自由度及包含力傳感器、接觸傳感器、傾斜傳感器在內(nèi)的穩(wěn)定的步行控制也是相當(dāng)困難的。圖2-24(b)所示的仿形式六足步行機(jī)構(gòu)僅有一個(gè)繞載荷平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，無(wú)腿部屈伸關(guān)節(jié)，每條腿均為半圓弧結(jié)構(gòu)，具有一定的柔性。該類型的六足步行機(jī)器人具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，對(duì)崎嶇地面也具有非常強(qiáng)的適應(yīng)性，它可以成功通過(guò)巖石地面、沙地、草地、斜坡、階梯等復(fù)雜路面。圖2–24六足步行機(jī)構(gòu)機(jī)器人的自由度是指確定機(jī)器人位形（位姿）所需要的最小獨(dú)立變量數(shù)目。對(duì)串聯(lián)機(jī)器人來(lái)說(shuō)

，其各關(guān)節(jié)位置能唯一確定機(jī)器人的位形。因此，串聯(lián)機(jī)器人的自由度數(shù)往往就等于關(guān)節(jié)數(shù)；而對(duì)并聯(lián)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其自由度相對(duì)復(fù)雜得多。不過(guò)，并聯(lián)機(jī)器人的自由度一般等于末端的輸出自由度。2.5機(jī)器人的自由度1）全自由度機(jī)器人：當(dāng)機(jī)器人的自由度與末端執(zhí)行器的輸出自由度相等時(shí)，就稱為全自由度機(jī)器人。一般空間機(jī)器人的全自由度為6，平面/球面機(jī)器人的全自由度為3。因此，PUMA機(jī)器人、平面3R機(jī)械手、平面/球面3-RRR機(jī)構(gòu)等都為全自由度機(jī)器人機(jī)構(gòu)。2）少自由度機(jī)器人：自由度小于6的空間機(jī)器人稱為少自由度機(jī)器人。平面2R機(jī)械手、SCARA機(jī)器人、Delta機(jī)構(gòu)等都是少自由度機(jī)器人。3）冗余自由度機(jī)器人：當(dāng)機(jī)器人的自由度大于末端執(zhí)行器的輸出自由度時(shí)，該機(jī)器人稱為冗余自由度機(jī)器人，簡(jiǎn)稱冗余機(jī)器人。ABBYumi、KUKAIIWA等都是7自由度機(jī)器人，因此，它們都是冗余度機(jī)器人。2.5.1機(jī)器人按自由度分類2.5.2自由度計(jì)算公式在三維空間中有N個(gè)完全不受約束的物體，選中其中一個(gè)為固定參考物，這時(shí)，每個(gè)物體相對(duì)參照物都有6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。若將所有的物體之間用運(yùn)動(dòng)副連接起來(lái)，便構(gòu)成了一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)鏈。該運(yùn)動(dòng)鏈中含有N-1個(gè)或n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，連接構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副用來(lái)限制構(gòu)件間的相互運(yùn)動(dòng)。采用類似于平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算方法，得到兩種形式的公式：式中，其中，

為機(jī)構(gòu)的自由度；

為運(yùn)動(dòng)副數(shù)；

為第

個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度；

為機(jī)構(gòu)的階數(shù)。一般情況下，當(dāng)機(jī)構(gòu)為空間機(jī)構(gòu)時(shí)，式中的

；為p為平面機(jī)構(gòu)或球面機(jī)構(gòu)時(shí)，式中的

。為各級(jí)運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目。不過(guò)上式更為普遍的表達(dá)式是公式：

但是傳統(tǒng)的

1.存在局部自由度（圖2-25）盡管連接兩構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副具有較多的自由度，但由于特殊的幾何設(shè)計(jì)及裝配條件，這個(gè)運(yùn)動(dòng)副在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中并沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)所有可能的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生了局部自由度，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)增加。對(duì)于有局部自由度的機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算，將局部自由度從中減掉即可。2.存在過(guò)約束（圖2-26）在某些機(jī)器人中，由于運(yùn)動(dòng)副或構(gòu)件幾何位置的特殊位置，或者使所有構(gòu)件都失去了某些可能的運(yùn)動(dòng)，這等于對(duì)機(jī)構(gòu)所有構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)加上了公共約束，或者使某些運(yùn)動(dòng)副全部或部分失去約束功能。也就是說(shuō)，機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副的約束功能并沒(méi)有完全體現(xiàn)出來(lái)。圖2–25局部自由度示例

圖2–26冗余自由度示例

公式尚需改善與修正，原于如下兩個(gè)方面：由于以上兩個(gè)原因，如果機(jī)構(gòu)或機(jī)器人具有公共約束數(shù)為

，則機(jī)構(gòu)或機(jī)器人的階數(shù)

。這時(shí)，機(jī)構(gòu)或機(jī)器人自由度的計(jì)算公式就變?yōu)榱诵拚蟮?/p>

公式。式中，

為機(jī)構(gòu)或機(jī)器人的階數(shù)，由公共約束數(shù)來(lái)決定，而不是傳統(tǒng)公式中的3或6。平面及球面機(jī)構(gòu)的階數(shù)為3，即

。對(duì)于一般沒(méi)有公共約束的空間機(jī)構(gòu)，

。而對(duì)于存在公共約束的空間機(jī)構(gòu)而言，

為3～6之間的自然數(shù)。不過(guò)，還需考慮冗余約束和局部自由度對(duì)機(jī)構(gòu)的影響。這時(shí)，上式進(jìn)一步修正為：式中，

為冗余約束數(shù)。

為局部自由度數(shù)。2.6驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)器人用減速器2.6.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的主要功能在于為機(jī)器人提供動(dòng)力。目前，大多數(shù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器都已商業(yè)化。最常用的驅(qū)動(dòng)器包括電磁式、液壓式和氣動(dòng)式等。1.電磁驅(qū)動(dòng)器1)伺服電動(dòng)機(jī)。目前大多數(shù)機(jī)器人使用伺服電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，因?yàn)樗欧妱?dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)位置、速度或者轉(zhuǎn)矩等精確的信號(hào)輸出。機(jī)器人中最常用的是永磁式直流電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。其中，永磁電動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩，速度控制范圍大，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速性能好，適用于不同控制類型。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)因?yàn)槌杀鞠鄬?duì)較低，通常應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。一些小型機(jī)器人中通常使用步進(jìn)或脈沖電動(dòng)機(jī)。這類機(jī)器人的位置和速度采用開(kāi)環(huán)控制即可，這樣，成本相對(duì)較低并且容易與電子驅(qū)動(dòng)電路對(duì)接，細(xì)分控制可以產(chǎn)生更多的獨(dú)立機(jī)器關(guān)節(jié)位置。此外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的比功率比其他類型的電動(dòng)機(jī)更小。3)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)。近年來(lái)已開(kāi)發(fā)出了商用的直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，即電動(dòng)機(jī)與載荷直接耦合，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為一圓環(huán)，置于內(nèi)外定子之間，由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸，從而減少了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，增大了轉(zhuǎn)矩。2.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和液壓驅(qū)動(dòng)器類似，它將氣體壓縮時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器最初應(yīng)用在簡(jiǎn)單的執(zhí)行裝置中。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低廉，而且具有電動(dòng)機(jī)沒(méi)有的許多優(yōu)點(diǎn)。例如，它在易爆場(chǎng)合使用更安全、受周圍環(huán)境溫度和濕度影響更小等。但是，一些小型驅(qū)動(dòng)器需要又氣源才能工作，對(duì)于那些大量使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的機(jī)器人來(lái)說(shuō)仍需要安裝昂貴的空氣壓縮系統(tǒng)，此外，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能效相對(duì)也較低。

盡管氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器不使用在重載條件下，但是它可用于功率-質(zhì)量比的機(jī)器人手指或者人造肌肉中，例如，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)控制壓縮氣體充填氣囊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)收縮或擴(kuò)張肌肉。另外，由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器不會(huì)受到磁場(chǎng)的影響，它可以應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域；同樣，由于沒(méi)有電弧，它還可以用在易燃場(chǎng)合。4.其他類型的特殊驅(qū)動(dòng)器機(jī)器人中還存在其他類型的驅(qū)動(dòng)器。如利用熱學(xué)、形狀記憶元件、化學(xué)、壓電、超聲、磁致伸縮、電聚合物（EAP）、電流、磁流、橡膠、高分子、氣囊和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等原理或材料制成的各類新型驅(qū)動(dòng)器，包括形狀記憶合金（SMA）、壓電陶瓷、人工肌肉、超聲電機(jī)、音圈電機(jī)等。這些驅(qū)動(dòng)器大多用于特種機(jī)器人的研究，而不是配備在大量生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人上。3.液壓驅(qū)動(dòng)器液壓驅(qū)動(dòng)器是指將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器。由于采用高壓液體，液壓驅(qū)動(dòng)器既帶來(lái)了優(yōu)點(diǎn)，也不可避免地產(chǎn)生了一些缺點(diǎn)。液壓油能提供非常大的力和力矩，以及非常高的功率-質(zhì)量比，而且可以使運(yùn)動(dòng)部件在小慣性條件下實(shí)現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但液壓驅(qū)動(dòng)器需要消耗大的功率，同時(shí)需要快速反應(yīng)的伺服閥，成本也非常高，而且漏液以及復(fù)雜的維護(hù)需求也限制了液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用。目前，液壓驅(qū)動(dòng)器主要應(yīng)用在需要力或者力矩大、速度快的場(chǎng)合，它比現(xiàn)有的電磁驅(qū)動(dòng)器表現(xiàn)更優(yōu)異，典型的如高承載的運(yùn)動(dòng)模擬器等。2.6.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或傳動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是將機(jī)械動(dòng)力從來(lái)源處轉(zhuǎn)移到受載荷處。傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇需要考慮運(yùn)動(dòng)、負(fù)載和電源的要求，首先考慮的就是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度、效率和成本。體積過(guò)大的傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)增加系統(tǒng)的質(zhì)量、慣性和摩擦損失。對(duì)于那些剛度較低的傳動(dòng)系統(tǒng)，在持續(xù)的或是高負(fù)載的工作循環(huán)下會(huì)快速磨損，或者在偶然過(guò)載下失效。以串聯(lián)機(jī)器人為例，其關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)基本上都要通過(guò)傳動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，傳動(dòng)比決定了驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩與速度。合理的傳動(dòng)系統(tǒng)的布置、尺寸以及機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)決定了機(jī)器人的剛度、質(zhì)量和整體操作性能。目前，大多數(shù)現(xiàn)代機(jī)器人都應(yīng)用了高效的、扛過(guò)載破壞的，以及可反向的傳動(dòng)裝置。1.帶傳動(dòng)機(jī)器人用的帶傳動(dòng)通常是指將由合金鋼或鈦材料制成的薄履帶固定在驅(qū)動(dòng)軸和被驅(qū)動(dòng)的連桿之間，用來(lái)產(chǎn)生有限的旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比可以高達(dá)10:1。這種薄履帶形式的帶傳動(dòng)相比纜繩或皮帶傳動(dòng)而言，是一種更柔順并且剛性更好的傳動(dòng)系統(tǒng)。同步帶往往應(yīng)用在小型機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和一些大型機(jī)器人的軸上，其功能大體和帶傳動(dòng)相同，但具有連續(xù)驅(qū)動(dòng)的能力。多級(jí)帶傳動(dòng)有時(shí)用來(lái)產(chǎn)生大的傳動(dòng)比（高達(dá)100:1）。2.齒輪傳動(dòng)直齒輪或斜齒輪傳動(dòng)為機(jī)器人提供了可靠、密封性能好、維護(hù)成本低的動(dòng)力傳遞方式。它們主要應(yīng)用在機(jī)器人手腕處，在這些手腕的結(jié)構(gòu)中要求多條軸線相交并且驅(qū)動(dòng)器布置要緊湊。大直徑的轉(zhuǎn)盤齒輪用于大型機(jī)器人的基座關(guān)節(jié)，以提供高剛度來(lái)傳遞大轉(zhuǎn)矩。齒輪傳動(dòng)常用于基座，而且往往與長(zhǎng)傳動(dòng)軸聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)之間的長(zhǎng)距離動(dòng)力傳輸。例如，驅(qū)動(dòng)器和第一級(jí)減速器可能被安裝在肘部附近，通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)的空心傳動(dòng)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)另一級(jí)減速器。行星齒輪傳動(dòng)常常應(yīng)用在緊湊型齒輪電動(dòng)機(jī)中，為了盡量減小節(jié)點(diǎn)齒輪驅(qū)動(dòng)時(shí)的間隙，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)需要進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)不以犧牲剛度、效率和精度為代價(jià)的小間隙的傳動(dòng)。3.蝸桿傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)偶爾應(yīng)用在低俗機(jī)器人上，其特點(diǎn)是可以使動(dòng)力發(fā)生正交偏移或者平移，同時(shí)傳動(dòng)比高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的剛性和承載能力，以及在大傳動(dòng)比時(shí)具有反向自鎖特性，這意味著在沒(méi)有動(dòng)力時(shí)，關(guān)節(jié)會(huì)自鎖在當(dāng)前位置。但是蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)率較低。5.直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直驅(qū)式直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝置將直線電動(dòng)機(jī)與軸整合在一起，這種關(guān)聯(lián)往往只是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人連桿之間的一個(gè)剛性或柔性連接，或者由一個(gè)直線電動(dòng)機(jī)和其導(dǎo)軌組合后直接連接到直線軸上。直線電磁驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是零齒隙、高剛度、高速，以及具有優(yōu)良的性能，但是其質(zhì)量大、效率低，成本比其他類型的直線驅(qū)4.滾珠絲杠基于滾珠絲杠的直線傳動(dòng)裝置能平穩(wěn)有效地將原動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)。通常情況下，螺母通過(guò)與絲杠配合將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。目前已有高性能的商用滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)。盡管對(duì)于短距或中距的滾珠絲杠，剛度可以達(dá)到要求，但在長(zhǎng)距離行程中由于絲杠只能支承在兩端是的剛性較差。另外，通過(guò)采用精密絲杠可以獲得很小甚至為零的齒隙。另一方面，該傳動(dòng)裝置的運(yùn)行速度被絲杠的力學(xué)穩(wěn)定性所制約，所以一般情況下使用旋轉(zhuǎn)螺母來(lái)獲得更高的速度。2.6.3減速器減速器在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域是連接動(dòng)力源和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的中間裝置，通常通過(guò)輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來(lái)達(dá)到減速的目的，并傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。相比較通用減速器，機(jī)器人專業(yè)減速器更加精密。精密減速器的存在使伺服電動(dòng)機(jī)在一個(gè)合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機(jī)器人各部位需要的速度，提高機(jī)械體剛度的同時(shí)輸出更大的轉(zhuǎn)矩。與通用減速器相比，機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器要求具有傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量小和易于控制的特點(diǎn)。目前，大量應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機(jī)器人上的減速器主要由兩類：RV減速器和諧波減速器。其中，諧波減速器常用在關(guān)節(jié)型機(jī)器人上，這些傳動(dòng)裝置齒隙小，但柔性齒輪在反向運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性翹曲以及低剛度；RV減速器更適用于大型機(jī)器人，特別是超載和受沖擊載荷的機(jī)器人。RV減速器是一種兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)。第一級(jí)減速是通過(guò)漸開(kāi)線中心輪1與行星輪的嚙合實(shí)現(xiàn)的，按照中心輪與行星齒輪的齒數(shù)比進(jìn)行減速。傳動(dòng)過(guò)程中如果中心輪1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，那么行星輪2將既繞自身軸線逆時(shí)針自轉(zhuǎn)，又繞中心輪軸線公轉(zhuǎn)。第一級(jí)傳動(dòng)部分中的漸開(kāi)線行星輪2與曲柄軸3連成一體，并通過(guò)曲柄軸3帶動(dòng)擺線輪4做偏心運(yùn)動(dòng)，該偏心運(yùn)動(dòng)為第二級(jí)傳動(dòng)部分的輸入。第二級(jí)減速是通過(guò)擺線輪4與針輪5嚙合實(shí)現(xiàn)的。在擺線輪與針輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，擺線輪在繞針輪軸線公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還將反方向自轉(zhuǎn)，即順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。最后，傳動(dòng)力通過(guò)曲柄軸推動(dòng)行星架輸出機(jī)構(gòu)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)原理如圖2-27所示。圖2–27RV減速器及其傳動(dòng)原理1-漸開(kāi)線中心輪；2-漸開(kāi)線行星輪；3-曲柄軸；4-擺線輪；5-針輪；6-輸出機(jī)構(gòu)；7-針齒殼1.RV減速器RV減速器的傳動(dòng)比計(jì)算公式為：

式中：

為漸開(kāi)線中心輪1的齒數(shù)；

為漸開(kāi)線行星輪2的齒數(shù)；

為針輪5的齒數(shù)；

為擺線輪4的齒數(shù)。

RV減速器具有如下特點(diǎn)：(1)傳動(dòng)比范圍大：只要改變漸開(kāi)線齒輪的齒數(shù)比就可獲得很多種的傳動(dòng)比。(2)傳動(dòng)精度高：傳動(dòng)誤差在1′以下，回差誤差在1.5′以下。(3)扭轉(zhuǎn)剛度大：輸出機(jī)構(gòu)為兩端支承的行星架，用行星架左端的剛性大圓盤輸出，大圓盤與工作機(jī)構(gòu)用螺栓連接,其扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)大于一般的擺線輪行星減速器的輸出機(jī)構(gòu)。RV齒輪和銷同時(shí)嚙合數(shù)多，承載能力大。(4)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于行星架的支承主軸承內(nèi)，使得軸向尺寸大大減??；傳遞同樣轉(zhuǎn)矩與功率時(shí)的體積小，第一級(jí)用了3個(gè)行星輪，特別是第二級(jí)，擺線輪與針輪的嚙合為硬齒面多齒嚙合，這就決定了RV減速器可以用小的體積傳遞大的轉(zhuǎn)矩。

諧波減速器（harmonicdrive）是一種通過(guò)柔輪的彈性變形實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的傳動(dòng)裝置，主要由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成。作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪輸出的形式。諧波減速器傳動(dòng)原理：波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪在長(zhǎng)軸處產(chǎn)生徑向變形，呈橢圓狀。橢圓的長(zhǎng)軸兩端，柔輪外齒與剛輪內(nèi)齒沿齒高相嚙合，短軸兩端則處于完全脫開(kāi)狀態(tài)，其他各點(diǎn)處于嚙合與脫開(kāi)的過(guò)渡階段。設(shè)剛輪固定，波發(fā)生器進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)其轉(zhuǎn)到圖2-28所示位置，進(jìn)入嚙合狀態(tài)時(shí)，柔輪進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)波發(fā)生器不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)，柔輪則嚙入

嚙出

脫出

嚙入…周而復(fù)始，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。諧波發(fā)生器的傳動(dòng)原理如圖2-28所示。圖2–28諧波減速器及其傳動(dòng)原理2.諧波減速器諧波減速器的柔輪和剛輪的齒距相同，但齒數(shù)不等，剛輪和柔輪的齒數(shù)差等于波數(shù)，即

式中：

分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)。雙波傳動(dòng)中，當(dāng)剛輪固定、發(fā)生器主動(dòng)、柔輪從動(dòng)時(shí)，諧波發(fā)生器的傳動(dòng)比為：

式中負(fù)號(hào)表示柔輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生器的轉(zhuǎn)向相反。由于柔輪的齒數(shù)很多，因而諧波減速器可獲得很大的傳動(dòng)比。傳動(dòng)過(guò)程中，波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)稱為波數(shù)。以表示。的傳動(dòng)稱為雙波傳動(dòng)。的傳動(dòng)稱為三波傳動(dòng)，以此類推。常用的是雙波傳動(dòng)和三波傳動(dòng)兩種。雙波傳動(dòng)的柔輪應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易獲得大的傳動(dòng)比，應(yīng)用廣泛。

諧波減速器的主要特點(diǎn)：（1）傳動(dòng)比大。單級(jí)諧波減速器的減速比范圍為70～320，某些裝置中可達(dá)到1000，多級(jí)傳動(dòng)速比可達(dá)30000以上。它不僅可用于減速，也可用于增速。（2）承載能力高。諧波減速器中同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，雙波傳動(dòng)時(shí)同時(shí)嚙合的齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的30％以上，而且柔輪采用了高強(qiáng)度材料，齒與齒之間是面接觸。（3）傳動(dòng)精度高。諧波減速器中同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，誤差平均化，即多齒嚙合對(duì)誤差又相互補(bǔ)償作用，故傳動(dòng)精度高。在齒輪精度等級(jí)相同的情況下，傳動(dòng)誤差只要普通圓柱齒輪傳動(dòng)的1/4左右。同時(shí)可通過(guò)微量改變波發(fā)生器的半徑來(lái)增加柔輪的變形，使齒間側(cè)隙很小，甚至能夠做到無(wú)側(cè)隙嚙合，故諧波減速器傳動(dòng)空程小，適用于反向轉(zhuǎn)動(dòng)。（4）傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。由于柔輪輪齒在傳動(dòng)過(guò)程中做均勻的徑向移動(dòng)，因此，即使輸入速度很高，輪齒的相對(duì)滑移速度也極低（為普通漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)的1％），所以，輪齒磨損小，效率高（可達(dá)69％～96％）。又由于嚙入和嚙出，輪齒的兩側(cè)都參與工作，因而無(wú)沖擊現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕。諧波減速器僅有3個(gè)基本構(gòu)件，零件數(shù)少，安裝方便。與一般減速器相比，輸出力矩相同時(shí)，諧波減速器的體積可減小2/3，重量可減輕1/2。2.7關(guān)節(jié)空間、任務(wù)空間與驅(qū)動(dòng)空間對(duì)于一個(gè)n自由度的機(jī)器人而言，其末端位姿可由一組n個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)變量加以確定。這樣的一組變量通常稱為關(guān)節(jié)向量（jointvector）。所有的關(guān)節(jié)向量構(gòu)成的空間稱為關(guān)節(jié)空間（jointspace）。在笛卡爾坐標(biāo)系中所描述的機(jī)器人末端位姿或位形空間稱為笛卡爾空間（Cartesianspace）。事實(shí)上，笛卡爾空間更普遍的稱謂是操作空間（operationalspace）或任務(wù)空間（taskspace）。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中，我們非常關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題就是如何將已知的關(guān)節(jié)空間（描述）映射至任務(wù)空間（描述），反之亦然。除此之外，還有一個(gè)可能遇到的概念：驅(qū)動(dòng)空間（actuationspace）。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器都不是直驅(qū)型，有些帶有減速器，有些還有其他中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如用直線驅(qū)動(dòng)器通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等）。從驅(qū)動(dòng)器到各關(guān)節(jié)需要經(jīng)過(guò)至少一級(jí)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。這些情況下，需要將關(guān)節(jié)向量表示成一組驅(qū)動(dòng)器變量，即驅(qū)動(dòng)向量的函數(shù)，而驅(qū)動(dòng)向量構(gòu)成的空間稱為驅(qū)動(dòng)空間。圖

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機(jī)器人三種空間的映射關(guān)系示意事實(shí)上，上述三者之間的映射關(guān)系可以在連續(xù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)上得到充分的反映。對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解而言，第一階段以驅(qū)動(dòng)變量（已知）為基礎(chǔ)，計(jì)算得到連續(xù)體機(jī)器人各關(guān)節(jié)特征的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，該階段為驅(qū)動(dòng)空間向關(guān)節(jié)空間的映射；第二階段則根據(jù)得到的各關(guān)節(jié)特征，計(jì)算出整個(gè)連續(xù)體機(jī)器人的末端姿態(tài)，該過(guò)程為關(guān)節(jié)空間向任務(wù)空間映射。其運(yùn)動(dòng)學(xué)反解過(guò)程與正解過(guò)程正好相反；第一階段用給定機(jī)器人的末端姿態(tài)計(jì)算出連續(xù)體機(jī)器人各關(guān)節(jié)的方向角和彎曲角，是由任務(wù)空間向關(guān)節(jié)空間映射，也稱為路徑規(guī)矩（該階段蘊(yùn)含多種運(yùn)動(dòng)算法，如跟隨末端軌跡法等），使連續(xù)體機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中完成特定的動(dòng)作；第二階段是用上述計(jì)算得到的各關(guān)節(jié)特征，計(jì)算出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)條件（如柔索長(zhǎng)度的變化等），這個(gè)過(guò)程是由關(guān)節(jié)空間向驅(qū)動(dòng)空間映射。整個(gè)過(guò)程如圖2-30所示。圖2–30連續(xù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過(guò)程中的空間映射第3章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)【3.1齊次變換】【3.1.1】位置描述——位置矢量●剛體位姿描述：齊次變換（矩陣）、矢量法、四元數(shù)●齊次變換法:▲將運(yùn)動(dòng)、變換和映射與矩陣運(yùn)算聯(lián)系起來(lái)，具有明顯的幾何特征?！诓僮鞅圻\(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人控制算法、計(jì)算機(jī)圖學(xué)、視覺(jué)信息處理、手-眼建模標(biāo)定都有廣泛應(yīng)用?！裨谧鴺?biāo)系｛A｝中，空間任意一點(diǎn)可表示為列矢量Ap直角坐標(biāo)系【3.1齊次變換】【3.1.2】方位描述——旋轉(zhuǎn)矩陣●坐標(biāo)系｛B｝相對(duì)于坐標(biāo)系｛A｝的旋轉(zhuǎn)矩陣

是正交矩陣，滿足如下關(guān)系：●所以旋轉(zhuǎn)矩陣中9個(gè)元素只有3個(gè)獨(dú)立變量●還滿足：上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置，det表示行列式符號(hào)【3.1齊次變換】【3.1.2】方位描述——旋轉(zhuǎn)矩陣▲繞x軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣▲繞y軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣▲繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣思考？這三個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣的結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系，如果通過(guò)記住一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣而得到其它兩個(gè)？如果繞某一個(gè)軸多次旋轉(zhuǎn)，我們會(huì)看到什么結(jié)果？如果依次繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)矩陣如何計(jì)算？旋轉(zhuǎn)矩陣描述姿態(tài)【3.1齊次變換】【3.1.3】坐標(biāo)系的描述●將剛體B與坐標(biāo)系｛B｝固接，｛B｝的原點(diǎn)選擇剛體質(zhì)心，相對(duì)參考坐標(biāo)系{A}，坐標(biāo)系｛B｝的位姿：●思考？如果只表示位置時(shí)，坐標(biāo)系{B}是什么形式？

答：（單位矩陣），如果只表示方位時(shí)，坐標(biāo)系{B}是什么形式？

答：（單位矩陣），【3.1齊次變換】【3.1.4】坐標(biāo)變換●平移變換方程—｛A，B｝方位相同●平移變換方程—｛A，B｝方位相同●正交矩陣：【3.1齊次變換】【3.1.4】坐標(biāo)變換●一般變換方程—｛A，B｝方位和原點(diǎn)均不相同●過(guò)渡矩陣—公式(3.13)●再由(3.10)得到復(fù)合變換【3.1齊次變換】【3.1.4】齊次坐標(biāo)和齊次變換●笛卡爾坐標(biāo)—齊次坐標(biāo)●齊次變換矩陣是4×4的方陣，具有如下形式：●齊次變換：矩陣形式齊次坐標(biāo)齊次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣平移矢量【3.2DH約定和MDH約定】【3.2.1】關(guān)節(jié)與連桿●自由度：物體能夠相對(duì)于坐標(biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度●關(guān)節(jié)與連桿：工業(yè)機(jī)器人由若干運(yùn)動(dòng)副和桿件連接而成，這些桿件稱為連桿，連接相鄰兩個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)副稱為關(guān)節(jié)?！耜P(guān)節(jié)軸線：對(duì)于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心線作為關(guān)節(jié)軸線。對(duì)于平移關(guān)節(jié)，取移動(dòng)方向的中心線作為關(guān)節(jié)軸線?！?.2DH約定和MDH約定】【3.2.1】關(guān)節(jié)與連桿●連桿參數(shù)：物體能夠相對(duì)于坐標(biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度?！B桿長(zhǎng)度：關(guān)節(jié)軸線i-1指向關(guān)節(jié)軸i的公法線長(zhǎng)度（恒為正）▲連桿扭轉(zhuǎn)角：從軸線i-1繞公垂線轉(zhuǎn)至軸線i的夾角（可正可負(fù)）▲連桿偏移量：兩條公法線的距離（帶正負(fù)號(hào)）▲關(guān)節(jié)角：兩條公法線之間的夾角（帶正負(fù)號(hào)）

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【3.2DH約定和MDH約定】【3.2.2】連桿坐標(biāo)系●方法一：對(duì)于相鄰兩個(gè)連桿Ci和Ci+1，有3個(gè)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線分別為Ji-1、Ji和Ji+1。在建立連桿坐標(biāo)系時(shí)，首先選定坐標(biāo)系的原點(diǎn)Oi，然后選擇Zi軸和Xi軸，最后根據(jù)右手定則確定Yi軸。【3.2DH約定和MDH約定】【3.2.2】連桿坐標(biāo)系●方法二：對(duì)于相鄰兩個(gè)連桿Ci和Ci+1，有3個(gè)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線分別為Ji-1、Ji和Ji+1。與建立連桿坐標(biāo)系的方法一類似，在建立連桿坐標(biāo)系時(shí)，首先選定坐標(biāo)系的原點(diǎn)Oi，然后選擇Zi軸和Xi軸，最后根據(jù)右手定則確定Yi軸。【3.2DH約定和MDH約定】【3.2.3】連桿變換矩陣●方法一：對(duì)于3.2.2節(jié)方法一中建立的連桿坐標(biāo)系，Ci-1連桿的坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)兩次旋轉(zhuǎn)和兩次平移可以變換到Ci連桿的坐標(biāo)系?！谝淮危阂?/p>

軸為轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)角度，使新的與軸同向。▲第二次：沿軸平移，使新的