《機器人機構(gòu)學課件》課件

機器人機構(gòu)學課件本課件介紹機器人機構(gòu)學的基礎知識，包括機器人機構(gòu)的類型、運動學、動力學、控制等內(nèi)容。課程簡介課程目標本課程旨在介紹機器人機構(gòu)學的理論基礎和應用，為學生提供機器人機構(gòu)設計、分析和控制方面的知識和技能。課程內(nèi)容課程內(nèi)容包括機器人機構(gòu)學的基本概念、運動學、動力學、機器人機械臂設計、控制系統(tǒng)設計等。課程目標1理解機器人機構(gòu)的基本概念掌握機器人機構(gòu)的定義、分類、組成和工作原理。2掌握機器人運動學和動力學基礎理解機器人機構(gòu)的運動規(guī)律、力和力矩的分析方法。3掌握機器人機構(gòu)設計的基本原理學習機器人機構(gòu)的設計流程和方法，并能夠進行簡單的機器人機構(gòu)設計。機器人簡介機器人是一種能夠自動執(zhí)行任務的機器，通常由機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和傳感器組成。機器人可以執(zhí)行各種任務，包括工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療保健、服務和娛樂等領(lǐng)域。機器人的發(fā)展歷程1智能機器人人工智能,機器學習,深度學習2工業(yè)機器人自動化生產(chǎn),提高效率3早期機器人機械臂,自動化操作機器人的分類工業(yè)機器人用于工業(yè)生產(chǎn)的機器人，如焊接機器人、噴涂機器人等。服務機器人用于服務行業(yè)的機器人，如酒店機器人、配送機器人等。特種機器人用于特殊領(lǐng)域的機器人，如軍用機器人、醫(yī)療機器人等。機器人機構(gòu)的基本概念機構(gòu)由若干構(gòu)件通過運動副連接而成的，能實現(xiàn)某種運動功能的系統(tǒng)。運動副連接兩個構(gòu)件，允許它們之間做相對運動的連接。自由度機構(gòu)中獨立運動的最小單元數(shù)，通常指機構(gòu)能獨立運動的軸數(shù)。機器人運動學1位置和姿態(tài)描述機器人的位置和方向2關(guān)節(jié)變量描述機器人的關(guān)節(jié)運動3運動方程建立關(guān)節(jié)變量和位置姿態(tài)之間的關(guān)系正運動學定義正運動學是指給定機器人的關(guān)節(jié)變量，計算機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。應用正運動學在機器人路徑規(guī)劃、碰撞檢測和視覺伺服等方面具有重要應用。方法常用的正運動學求解方法包括矩陣變換法、齊次變換矩陣法等。反運動學1目標位置確定機器人末端執(zhí)行器所需的目標位置和姿態(tài)。2關(guān)節(jié)角度計算機器人各關(guān)節(jié)需要旋轉(zhuǎn)的角度，以使末端執(zhí)行器到達目標位置。3解算方法使用解析法或數(shù)值法求解關(guān)節(jié)角度，并考慮關(guān)節(jié)限制和工作空間。機器人動力學運動方程描述機器人運動與施加的力和力矩之間的關(guān)系。動力學模型建立機器人系統(tǒng)的數(shù)學模型，用于分析和控制。力矩控制根據(jù)任務要求，精確控制機器人關(guān)節(jié)的力矩。機器人速度分析3速度關(guān)節(jié)速度、末端速度、雅可比矩陣2加速度關(guān)節(jié)加速度、末端加速度1動力學運動學分析的基礎機器人加速度分析機器人加速度分析是指研究機器人關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器在運動過程中的加速度變化。機器人力矩分析力矩作用于關(guān)節(jié)的扭矩動力學模型描述機器人運動和力之間的關(guān)系力矩計算根據(jù)機器人結(jié)構(gòu)、負載和運動參數(shù)計算機器人機械臂設計1結(jié)構(gòu)設計關(guān)節(jié)類型、連桿長度、運動范圍2動力學分析負載能力、慣性力矩3控制系統(tǒng)運動規(guī)劃、軌跡控制4安全性碰撞檢測、緊急停止鉸鏈機構(gòu)設計1關(guān)節(jié)類型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、移動關(guān)節(jié)、棱柱關(guān)節(jié)、球形關(guān)節(jié)、平面關(guān)節(jié)等。2自由度機構(gòu)的自由度是指機構(gòu)在空間中獨立運動的自由度。3工作空間機構(gòu)的工作空間是指機構(gòu)末端執(zhí)行器能夠到達的空間范圍。4剛度和強度機構(gòu)的剛度和強度要滿足工作負載的要求。平行機構(gòu)設計結(jié)構(gòu)特點平行機構(gòu)通常由多個運動鏈組成，這些運動鏈通過連接件連接在一起。優(yōu)點平行機構(gòu)具有高剛度、高精度、高負載能力和低慣量等優(yōu)點，適用于需要高精度和高負載的應用場合。應用領(lǐng)域平行機構(gòu)在工業(yè)機器人、醫(yī)療設備、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應用。串聯(lián)機構(gòu)設計串聯(lián)機構(gòu)由一系列連接在一起的連桿組成，每個連桿都通過一個關(guān)節(jié)連接到另一個連桿，從而形成一個鏈式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)類似于人的手臂，由肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)連接在一起。串聯(lián)機構(gòu)的運動方式是通過各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)或移動來實現(xiàn)的，最終實現(xiàn)末端執(zhí)行器的運動和操作。這種機構(gòu)具有靈活性和可控性高的特點，適用于各種應用場景，例如工業(yè)機器人、醫(yī)療機器人和服務機器人。串聯(lián)機構(gòu)的設計需要考慮多個因素，包括運動范圍、精度、速度、負載能力和成本等。在設計過程中，需要選擇合適的連桿、關(guān)節(jié)和驅(qū)動器，并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運動學分析。執(zhí)行機構(gòu)設計末端執(zhí)行器執(zhí)行機構(gòu)是機器人的末端，負責與外界環(huán)境進行交互。末端執(zhí)行器的設計取決于機器人的任務和應用場景。夾持器夾持器是常見的執(zhí)行機構(gòu)，用于抓取和移動物體。常見的夾持器類型包括平行夾持器、三指夾持器等。其他執(zhí)行機構(gòu)除了夾持器外，還有其他類型的執(zhí)行機構(gòu)，例如焊接槍、噴涂槍、切割刀等，用于執(zhí)行特定的任務。驅(qū)動器選擇電動機廣泛應用于工業(yè)機器人，提供高扭矩和精確控制。液壓執(zhí)行器適合高負載和高速度應用，提供更大的力量。氣動執(zhí)行器用于輕型應用，提供快速響應和低成本解決方案。末端執(zhí)行器設計1抓取和操作末端執(zhí)行器是機器人與外部環(huán)境交互的關(guān)鍵部分，用于抓取和操作物體。2定制設計末端執(zhí)行器設計需要根據(jù)具體的應用場景和任務需求進行定制，以滿足特定的操作要求。3類型多樣常見的末端執(zhí)行器類型包括夾持器、吸盤、焊槍、噴槍等，可根據(jù)任務需要選擇合適的類型。傳感器選擇位置傳感器用于確定機器人關(guān)節(jié)或末端執(zhí)行器的精確位置，例如編碼器、電位計和線性位移傳感器。速度傳感器測量機器人運動速度，例如增量式編碼器、速度計和陀螺儀。力/力矩傳感器測量機器人與環(huán)境之間的相互作用力或力矩，例如應變片傳感器、壓電傳感器和力矩傳感器?？刂葡到y(tǒng)設計核心功能機器人控制系統(tǒng)負責接收指令，規(guī)劃運動路徑，并控制執(zhí)行機構(gòu)的運動。傳感器融合整合來自不同傳感器的數(shù)據(jù)，如視覺，觸覺，力覺等，提供更全面的環(huán)境感知信息。人機交互實現(xiàn)人與機器人的交互，通過圖形界面，語音指令等方式進行控制和操作。機器人安全設計安全標準與法規(guī)遵循相關(guān)的安全標準和法規(guī)，如ISO10218-1和ISO10218-2，以確保機器人系統(tǒng)的安全操作。安全傳感器使用安全傳感器，如光幕、安全墊和緊急停止按鈕，監(jiān)測機器人工作區(qū)域并防止意外接觸。安全防護措施使用安全圍欄或其他防護措施隔離機器人工作區(qū)域，防止人員進入危險區(qū)域。機器人仿真機器人仿真是一種使用計算機模擬機器人系統(tǒng)行為的技術(shù)，用于驗證設計、優(yōu)化性能、評估安全性和進行虛擬調(diào)試。仿真軟件可以模擬機器人的運動學、動力學、控制系統(tǒng)和環(huán)境交互等方面，幫助工程師在實際制造之前進行測試和調(diào)整。機器人標準安全標準確保機器人操作安全，防止人員傷害和財產(chǎn)損失。性能標準定義機器人性能指標，如速度、精度、負載能力等。互操作性標準確保不同機器人系統(tǒng)之間能夠有效地相互通信和協(xié)作。實例分析結(jié)合實際應用場景，深入解析機器人機構(gòu)學在工業(yè)機器人、服務機器人、醫(yī)療機器人等領(lǐng)域的應用案例。以實例為引導，幫助學生理解機器人機構(gòu)設計的關(guān)鍵步驟、設計原則和具體實施方法。課堂練習機器人運動學分析給定機器人機構(gòu)的運動學方程，計算其工作空間。機器人動力學計算機器人關(guān)節(jié)的力矩，以完成特定任務。機器人控制設計機器人控制算法，實現(xiàn)軌跡規(guī)劃和運動控制?？偨Y(jié)與展望未來發(fā)展趨勢機器人機構(gòu)學將繼續(xù)融合先進技