机器人技术课件全套教学教程整套课件全书电子教案.ppt

机器人技术基础Menzel,Peter.DAluisio,Faith.RobosapiensEvolutionofaNewSpecies,Cambridge:MITPress,2000SchraftR.D.,SchmiererG.,ServiceroboterM,Berlin,Springer-Verlag1998Robonaut Hand NASA HIT/DLR 灵巧手灵巧手DEXTRE,theSpecial-PurposeDextrousManipulator(courtesyoftheCanadianSpaceAgency)AngelesJ.,FundamentalsofRoboticMechanicalSystem:Theory,Methods,andAlgorithmsM,NewYork,Springer-Verlag,2014机器人机械系统谱系机器人机械系统谱系第第1章章 绪论绪论n1.1 机器人概述机器人概述n1.1.1机器人的定机器人的定义义n1.1.2机器人的机器人的发发展概况展概况n1.2 机器人的机器人的组组成、工作原理与分成、工作原理与分类类n1.2.1 机器人的基本机器人的基本组组成成n1.2.2 机器人系机器人系统统工作原理工作原理n1.2.3 机器人的分机器人的分类类 n1.3 机器人的研究机器人的研究领领域域 1.1机器人概述n1.1.1机器人的定义机器人的定义n森政弘与合田周平：n机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。n森政弘：n用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个个特性来表示机器人的形象。n加藤一郎（日本机器人之父）提出的具有如下3个条件的机器称为机器人：n(1)具有脑、手、脚等三要素的个体；n(2)具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；n(3)具有平衡觉和固有觉的传感器。n美国机器人协会（RIA）1972年定义n机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机”。n国际标准化组织（ISO）GB/T12643-2013机器人与机器人装备术语eqvISO8373:2012n定义为：在工业自动化中使用的操作机是自动控制的，可重复编程、多用途，并可对两个和两个以上轴进行编程。它可以是固定式或移动式。n操作机(Manipulator)是指一种机器，其机构通常是由一系列相互铰接或相对滑动的构件所组成。它通常有几个自由度，用以抓取或移动物体(工具或工件)。可重复编程是在不更换机械结构或控制系统即可更改已编程的运动和辅助功能。nJISB0134：1998n工业机器人是“一种能够通过自动控制来进行操作或移动，且由程序对各种作业进行控制的工业用机械。n工业操作机器人为“3轴以上，可自动控制、能够再编程、移动或固定的通用操作机械”nJISB0185：2002中，智能机器人是具有人或动物的全部或部分的推理、学习、认识与理解等的智能的机器人。机器人特性n(1)在结构上，机器人模拟了动物(特别是人)的肢体功能，在空间中构成多轴驱动的机器或机械电子装置，例如：工业机器人模拟了人类的从腰部到手掌的上肢，步行机器人模拟了人类或步行与爬行动物的下肢；n(2)具有通用性与灵活性，通过编程可以改变机器人所完成的工作任务，这里所提到的编程是广义的，即可能是在编程系统下进行人工编程、也可能是自动编程；n(3)具有一定程度的智能，能够自主的完成一定操作。尽管从字面上给人感觉机器人具有很好的智能，但是，目前机器人的智能还是非常有限的。工业机器人的特点n(1)能高强度地、持久地在各种生产和工作环境中从事单调重复的劳动，使人类从繁重体力劳动中解放出来。n(2)对工作环境有很强适应能力，能代替人在有害场所从事危险工作。n(3)具有很广泛的通用性，比一般自动化设备有更广的使用，既能满足大批量生产的需要，又能满足产品灵活多变的中、小批量的生产作业。n(4)具有独特的柔性，它可以通过软件调整等手段加工多种零件，可以灵活、迅速实现多品种、小批量的生产。n(5)动作准确性高，可保证产品质量的稳定性。n(6)能显著地提高生产率和大幅度降低产品成本。“Robot”的来源的来源1920年，捷克作家KarelCapek的科幻剧RossumsUniversalRobots（罗萨姆的万能机器人），剧中描写了一批能从事各项劳动、听命于人的机器，取名为“Robota”（捷克语），含义为：forcedworker（奴隶）。英语：Robot德语：Robot日语：俄语：汉字：机器人Karel CapekKarel Capek（1890189019381938）美国著名科学幻想小说家美国著名科学幻想小说家Issac Asimov在小说在小说“我是机我是机器人器人”中提出了有名的中提出了有名的“机器人三原则机器人三原则”n第一定律：机器人不得伤害人，也不得见人受到伤害而袖手旁观。n第二定律：机器人应服从人的一切命令，但不得违反第一定律。n第三定律：机器人应保护自身的安全，但不得违反第一、第二定律。nThethreelawsofrobotics:n1、Arobotmaynotinjureahumanbeing,or,throughinaction,allowahumanbeingtocometoharm.n2、ArobotmustobeytheordersgivenitbyhumanbeingsexceptwheresuchorderswouldconflictwiththeFirstLaw.n3、ArobotmustprotectitsownexistenceaslongassuchprotectiondoesnotconflictwiththeFirstorSecondLaw.n第0定律：机器人必须保护人类的整体利益不受伤害，其它三条定律都是在这一前提下才能成立。1.1.2机器人的发展概况n1961年，诞生了第一台工业机器人的商用产品Unimate。n1962年，恩格尔伯格(1925J.Engelberger)和乔治德沃尔创立了第1家机器人公司Unimation，恩格尔伯格被称为机器人之父(1983年，Engelberger以出1亿700万美元将Unimation公司卖给了西屋公司)刘进长.与世界机器人之父对话.机器人技术与应用，2001(3)：13GerardORegan.GiantsofComputing.London:Springer,2013英格尔博格与实验室的“伙伴”GeorgeDevol(1912-2011)加藤一郎研制的仿人机器人加藤一郎研制的仿人机器人1973年，日本的机器人之父，早稻田大学的加藤一郎教授开始研究仿人机器人，成功研制出了双腿走路的机器人蒋新松和水下机器人中国工程院院士蒋新松创建了我国第一个机器人工程研究开发中心。领导研制了水下机器人系列产品，工业机器人、特种机器人，被誉为中国机器人之父。中国应用现状n国际机器人联合会（IFR）统计数据显示，2011年全球共新装机器人139300台，较2010年提高了18%。随着新兴应用领域的不断发展，预计到2014年全球工业机器人年产量将以年均6%的速度增长，平均每年将新装167000台n2006年我国工业机器人新安装台数为5770台,2007年为6581台,2008年为7900台,2009为5000台。截至2009年末,我国工业机器人安装量为36800台。n从2010年开始我国工业机器人需求量激增，较2009年增长了1.71倍。预计到2014年需求量将达到32000台，我国将成为全球最大的需求国。著名的工业机器人公司n瑞典的ABBRobotics，n日本的FANUC(发那科)、Yaskawa(安川)n德国的KUKA(库卡)n美国的AdeptTechnology(其前身为Unimation的西海岸分部)nAmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation(艾默生工业自动化)、S-TRoboticsn意大利COMAU，英国的AutoTechRobotics，加拿大的JcdInternationalRobotics，以色列的RobogroupTek公司、新松机器人自动公股份有限公司等。机器人工业史上几个标志性事件机器人工业史上几个标志性事件n1922捷克作家KarelCapek的戏剧RossumsUniversalRobots,第一次出现Robota(机器人)一词n1946GeorgeDevol开发出示教再现装置。Eckert和Mauchley在宾西法尼亚大学建造了ENIAC计算机n1952第一台数控机床在MIT诞生n1954GeorgeDevol申请可编程机器人专利n1955Denavit与Hartenberg提出齐次变换方法n1961GeorgeDevol制造了第一台工业机器人的商用产品Unimaten1962Unimation公司成立，GM公司安装了第一台机器人机器人工业史上几个标志性事件机器人工业史上几个标志性事件n1967Unimation公司推出MarkII机器人，第一台喷涂机器人出口到日本n1968第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所(SRI)诞生n1972IBM公司开发出直角坐标机器人n1973CincinnatiMilacron公司推出T3机器人n1978Unimation公司推出PUMA机器人n1982GM和日本Fanuc公司签订制造GMFanuc机器人协议n1983机器人课程列入教学计划n1990CincinnatiMilacron公司被瑞士ABB兼并1.2 机器人的组成、工作原理与分类机器人的组成、工作原理与分类n1.2.1 机器人的基本组成机器人的基本组成机器人内部传感器信息反馈工作对象及环境信息反馈机器人系统的基本结构机器人系统的基本结构机器人系统软件及编程语言系统控制器及控制算法机器人本体工作对象关节位置、编制控制程序执行程序速度、加速度相互作用1.2 机器人的组成、工作原理与分类机器人的组成、工作原理与分类n1.2.1 机器人的基本组成机器人的基本组成n1)机器人的本体n2)计算机硬件系统及系统软件n3)输入-输出设备及装置n4)驱动器n5)传感器系统1.2.2 机器人系统工作原理机器人系统工作原理焊接机器人系统原理图焊接机器人系统原理图机器人的工作方式n“示教再现示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作。n“可编程控制可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。n大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。n“遥控遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。n遥控机器人(telemanipulators)通过人来构成闭环控制。人借助于复杂的传感器和显示装置进行控制的机械系统。操作者也就成了控制系统的一个中心单元。根据显示的信息，操作者对较正信号调整以完成所需完成的动作。n“自主控制自主控制”方式：机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为1.2.3机器人的分类n1)机器人的结构形式分n串联结构与并联机构n少自由度与冗余自由度n欠驱动与冗余驱动n抓取机构与灵巧手、轮式与步行式等。1.2.3机器人的分类n2)按用途分n(1)工业机器人。主要工作在柔性生产线上，如点焊、弧焊、加工、搬运、装配及喷漆机器人等。n(2)自主车。其行走机构多为四个轮子，用在自动化生产车间运送零部件，也可作为服务机器人用在医院、机场等处。n(3)水下机器人。用于海底探测。n(4)建筑机器人。砌墙、贴瓷砖等。n(5)外星探测机器人。其行走机构常为6个轮子或8个轮子，作为外星探测时，常称其为漫游车。n(6)服务机器人。酒店及家庭服务、汽车自动加油等。n(7)林业机器人。其行走机构常为履带式、腿式及轮腿结合式。用于运输木料、挖掘树根、栽种树苗及采集树果等。n(8)农业机器人。用于田间作业。1.2.3机器人的分类n3)按控制信息输入方式分类n(1)操作机器人：通过人的直接操作，能控制完成部分或全部作业的机器人，是最低级的机器人。n(2)顺序控制机器人：按照预先假定的信息（顺序、条件、空位等）逐步进行各步骤动作的机器人。n(3)示教再现机器人：通过示教操作向机器人传授顺序、条件、位置和其它信息，然后机器人能按照所存贮的信息，反复再现示教动作。n(4)数控机器人:通过输入程序、条件、位置和其它信息的数值与语言，然后机器人可按照所存贮的信息重复实现操作。n(5)传感控制机器人：利用传感器反馈信息控制动作的机器人n(6)智能工业机器人：凭人赋予的智能决定行动的工业机器人，其智能包括认识、识别能力，学习能力，思维推理能力，适应环境能力等。n4)按技术等级分n第一代机器人主要以“示教-再现”的方式工作n第二代机器人拥有外部传感器，对工作对象、外界环境具有一定的感知能力。n第三代机器人拥有多种高级传感器，对工作对象、外界环境具有高度适应性和自治能力，可以进行复杂的逻辑思维和决策，是一种高度智能化的机器人。1.2.3机器人的分类n5)按照结构形态，负载能力和动作空间划分按照结构形态，负载能力和动作空间划分n超大型机器人：负载能力1000kg以上n大型机器人：100-1000kg/10m2以上n中型机器人：10-100kg/110m2n小型机器人：0.1-10kg/0.1-1m2n超小型机器人：0.1kg以下/0.1m2以下1.2.3机器人的分类传统机器人学的研究内容n机器人学：关于机器人设计、制造和应用的一门学科。n运动学、动力学、轨迹规划、操作手控制(包括位置与力控制)、机器人传感器、路径规划与任务规划。n研究内容均在笛卡尔空间对机器人或环境用符号进行描述(关节空间可映射至笛卡尔空间)，然后实施规划和控制。1.3机器人的研究领域n1)机器人的机构理论n2)传感器与感知系统n3)驱动、建模与控制n4)自动规划与调度n5)计算机系统n6)应用研究n7)其他主要机器人相关期刊n机器人机器人n机器人技术与应用机器人技术与应用 n自动化学报自动化学报 n机械工程学报机械工程学报n系统仿真学报系统仿真学报nThe Inter.Journal of Robotics Research The Inter.Journal of Robotics Research nMechanism and Machine Theory Mechanism and Machine Theory nMultibody System DynamicsMultibody System Dynamics nJournal of Intelligent and Robotic System Journal of Intelligent and Robotic System nJournal of Robotic Systems Journal of Robotic Systems nIEEE Trans.on Robotics and AutomationIEEE Trans.on Robotics and AutomationnIEEE Trans.on Industrial Electronics IEEE Trans.on Industrial Electronics nIEEE Trans.on System,Man,CyberneticsIEEE Trans.on System,Man,CyberneticsnTrans.of ASME Journal of Dynamic System,Measurement,and Control Trans.of ASME Journal of Dynamic System,Measurement,and Control 参考书n宋伟刚，柳洪义.机器人技术基础(第2版)，冶金工业出版社，2015n谭民，徐德，侯增广等编著.先进机器人控制.高等教育出版社.2007n蔡自兴.机器人学（第三版）（第三版），北京：清华大学出版社，2015n龚振邦，汪勤悫，陈振华，钱晋武，机器人机械设计，北京：电子工业出版社，1995n孙迪生，王炎，机器人控制技术，北京：机械工业出版社，1998n陈垦，杨向东，刘莉等.机器人技术与应用.北京：清华大学出版社，2006nPaul R.P.Robot Manipulator:Mathematics,Programming and ControlM.CambridgeMass.,MITPress.1981(中译本：郑时雄，谢存禧译.机器人操作手：数学、编程与控制.机械工业出版社.1986)nJohnJ.Craig.IntroductiontoRobotics:MechanicsandControl(3rdEdition),PrenticeHall.2004(中译本：贠超等译.机器人学导论(第3版).北京：机械工业出版社.2006)nAngelesJ.FundamentalsofRoboticMechanicalSystem:Theory,Methods,andAlgorithms(SecondEdition)M,NewYork,Springer-Verlag,2003(中译本：宋伟刚译.机器人机械系统原理：理论、方法和算法.北京：机械工业出版社.2004)nJorge Angeles.Fundamentals of Robotic Mechanical Fourth Edition).Springer.NewYork,2014nHarry Henderson.MODERN ROBOTICS:Building Versatile Machines.New York:ChelseaHouse.2005工业机器人的相关标准nGB11291-1997工业机器人安全规范GB/T12642-2001工业机器人性能规范及其试验方法GB/T12643-1997工业机器人词汇GB/T12644-2001工业机器人特性表示GB/T14283-2008点焊机器人通用技术条件GB/T14468.1-2006工业机器人机械接口第1部分：板类GB/T14468.2-2006工业机器人机械接口第2部分：轴类GB/T16720.3-1996工业自动化系统制造报文规范第3部分：机器人伴同标准GB/T16977-2005工业机器人坐标系和运动命名原则GB/T17887-1999工业机器人末端执行器自动更换系统词汇和特性表示GB/Z19397-2003工业机器人电磁兼容性试验方法和性能评估准则指南GB/T19399-2003工业机器人编程和操作图形用户接口GB/T19400-2003工业机器人抓握型夹持器物体搬运词汇和特性表示GB/T20722-2006激光加工机器人通用技术条件GB/T20723-2006弧焊机器人通用技术条件第第2章章 机器人的机构机器人的机构n2.1 机器人的关节与自由度机器人的关节与自由度n2.2 串联机器人的典型结构串联机器人的典型结构n2.3 并联机器人结构并联机器人结构n2.4 机器人的手部机构与灵巧手机器人的手部机构与灵巧手n2.5 移动机器人的机构移动机器人的机构n2.6 工业机器人的技术参数工业机器人的技术参数 2.1 机器人的关节与自由度机器人的关节与自由度常用的运动副常用的运动副转 动副R棱 柱副P螺 旋副H圆 柱副C平 面副E球 面副S通 用关节T自由度1112332等效的单自由度关节形式PRPPRRRRRRR低副机构的自由度和低副机构的自由度和约约束度束度机器人本体的构成n机器人的机构(或本体)本质上为空间多体系统n多体系统各物体(Body)的联系方式称为系统的构型n多柔性体系统考虑系统元件的弹性n多刚体系统忽略弹性n多刚体系统由刚体(质点)、弹簧、阻尼器和驱动器等元件构成。元件之间通过固接或运动副连接成多体系统。运动副、关节、构型n在机器人系统中：运动副=关节。n凡单独驱动的称为主动关节，反之称从动关节。工业机器人手臂的关节常为单自由度主动关节，即每一个关节均由一个驱动器驱动。n由物体和运动副构成机器人手臂的方法可分为两种。一种是串联，构成串联杆件机械手臂，或称开链机械手臂；一种为并联，构成并联机构机械手臂，或称闭链机械手臂。自由度自由度、任务空间维数任务空间维数、系统的驱动数系统的驱动数(控控制输入制输入)nGB/T12643中给出的自由度的定义为：指用以确定物体在空间独立运动的变量(最大数为6)。并建议在描述机器人的运动时最好不采用“自由度”以避免与“轴”的定义混淆。n习惯上还是采用自由度的说法。机器人机构能独立运动的关节的数目称为机器人机构的运动自由度。换句话说，机器人的自由度等于关节空间维数n机器人的任务空间维数任务空间维数是机器人工作时所需的末端位置和姿态参数数目。位于3维空间的刚体需要6个独立参数确定其姿态n机器人的任务空间最多只要有6个自由度。平面2维空间运动最多只需要3个自由度。n系统的驱动数系统的驱动数(控制输入控制输入)为机器人系统中独立驱动的数量。(1)少自由度与冗余自由度n少自由度机器人：少于6自由度的机器人。应该在满足功能的前提下尽量减少自由度的数量以降低系统的复杂性。例如，A4020装配机器人具有4个自由度n冗余自由度机器人：三维空间运动的机器人自由度(驱动轴数)多于6个。他可以克服一般机器人灵活性差、避障能力低、关节超限以及动力性能差等缺点。(2)欠驱动与冗余驱动n欠驱动机械系统是指控制输入量(独立驱动数)少于系统任务空间的维数的机械系统。如移动机器人、太空机器人和欠驱动机械臂等都属于此类。多级倒立摆是典型欠驱动系统。n欠驱动机械系统的控制比全驱动机械系统要复杂，但欠驱动机械系统具有一系列优点，如节约能源、节约材料和空间体积等，并且在一些特定情况下（例如，双足行走机器人、机器手等应用），欠驱动控制甚至会取得更佳的结果，这里的“更佳”指的是高效，灵活等特性。例如6足机器人有18个独立驱动，但在运动过程中任务空间的维数为6。n冗余驱动系统的独立驱动数多于系统的自由度数。至少一个闭环的运动链形成（或者是在一个开环的运动链执行一个任务与环境进行刚性接触时形成，或者是本身就被设计为闭环机构）才会导致这种情况出现。在并联机构方面要实现冗余可以有三种方式：n在原来非冗余的机构中增加至少一个额外的、相同的驱动支链；n在原来的每个运动支链中增加驱动关节，驱动关节的数量超过机构所需的自由度；n修改其中的一个运动支链，其主动关节数比其它支链的主动关节数多。(3)变胞机构与变拓扑结构n在具有多个不同工作阶段的周期中,含有闭环的多自由度运动链呈现不同拓扑结构形式结合其机架和原动件来实现不同功效称为变胞机构。n机器人从爬梯子到吊挂摆动的过程。此过程也是拓扑结构发生改变的，但通常不会称为变胞机构。n变胞机构理论更主要地体现研究方法的系统化。仿人机器人转换动作拓扑结构的变化仿人机器人转换动作拓扑结构的变化2.2 串联机器人的典型结构串联机器人的典型结构n串联结构是杆之间串联，形成一个开运动链，除了两端的杆只能和前或后连接外，每一个杆和前面和后面的杆通过关节连接在一起n采用的关节为转动和移动两种n工业机器人本体的功能类似人的上肢。n通常，串联结构机器人包括手臂、手腕和抓取机构几个部分n坐标型：直角、圆柱坐标、极坐标n关节型：SCARA、PUMA1)串联机器人的构型(1)直角坐标型(2)圆柱坐标型(3)极坐标型(4)关节型机器人关节型机器人Unimation公司的公司的PUMA(ProgrammableUniversalManipulatorforAssembly-可编程通用装配机器人)牧野洋SCARA机构(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm-选择顺应性装配机器手臂)串联机器人的基本结构形式、结串联机器人的基本结构形式、结构简图和工作空间构简图和工作空间2)驱动方式(1)直接驱动方式(2)平行连杆驱动方式平行连杆结构型机器人平行连杆结构型机器人缩放结构3)手腕的结构n绕小臂轴线方向的旋转称臂转、使手部绕自身轴线方向的旋转称为手转，使手部相对于手臂进行的摆动称腕摆2.3 并联机器人结构并联机器人结构n并联机构是由运动副和构件按一定方式连接而成的闭环机构。其动平台或称末端执行器通过至少2个独立的运动链与机架相联接。必备的要素如下:n末端执行器必须具有运动自由度；n末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接；n每个分支或运动链由惟一的移动副或转动副驱动。n并联机构多具有26个自由度。2.3 并联机器人结构并联机器人结构n澳大利亚著名机构学教授Hunt在1978年提出，应用6自由度的Stewart平台机构作为机器人机构nGough(1956-1957)为疲劳试验最先引入这种机械系统nStewart-Gough机构并联机构优点n并联机构运动平台由多杆支承，刚度大、结构稳定；在相同自重与体积下承载能力高；n并联机构末端没有串联机构末端件的误差积累和放大作用，故误差小、精度高；n基于并联机构的机械很容易将电机置于机座上，运动负荷比较小，而基于串联机构的机械其电机及传动系统都放在运动件上，增加了系统的惯性，恶化动力学性能；n在运动学求解上，并联机构正解求解困难、运动学逆解求解非常容易，而串联机构的正解求解容易、逆解求解十分困难。由于在实时控制这些机构时要计算逆解，故并联机构在这方面很有优势；n并联机构的自身机构的耦合性和特点，建立封闭式动力学模型相当困难。Clavel提出的Delta并联机构n基础平台、动平台都是等边三角形，它们之间以3条完全相同的支链连接，每一个支链与基础平台用转动副R连接，用作机构的输入，平行四边形结构与上平台及定长杆均以球面副S连接，消除了运动平台的3个转动自由度而保留了3个纯平动自由度。Clavel的的Delta机器人结构和机器人结构和ABB的的FlexPicker IRB 340Neumann的专利Tricept并联机构n并联机器人操作机由动平台、静平台、3条可伸缩支链、导向装置组成。各支链的通过通用关节U和基础平台联结，另一端用球面副S与动平台联结；导向装置由一条伸缩连杆组成，杆的一端与动平台固定连接且正交，其另一端与静平台通过通用关节U连接。Neumann 的专利结构与的专利结构与ABB的的IRB 940机器人机器人并联结构机器人是机器人机构学研究的热点。其应用领域包括运动模拟器、工业机器人、并联机床、医疗、天文望远镜等领域。立柱机床的结构简图立柱机床的结构简图手术机器人手术机器人2.4 机器人的手部机构与灵巧手机器人的手部机构与灵巧手n手部工具更换机构手部工具更换机构2.4.1 机器人手部机构机器人手部机构吸嘴结构吸嘴结构不规则表面电磁吸盘不规则表面电磁吸盘圆弧开闭式手部圆弧开闭式手部平行开闭式手部平行开闭式手部不同运动学构型的抓取运动AndreasWolf,RalfSteinmann,HenrikSchunk.GrippersinMotionTheFascinationofautomatedhandlingtasks.Springer20052.4.2 灵巧手灵巧手Stanford/JPL灵巧手灵巧手 Robonaut灵巧手灵巧手Gifu II 手手DLR灵巧手具有多种感知功能的、高度集成的、机电一体化的多指灵巧手DLR/HIT灵巧手灵巧手3关节手指2.5 移动机器人的机构移动机器人的机构n移动机器人（MobileRobot）具有移动功能的机器人n车间中应用的机器人行走机构均为轮式。n自动引导车(AGV)，n有轨运输车(RGV)或堆垛机(StakerCrane)。n轮式、履带式、足式移动机器人的应用领域n星际探索和海洋开发n在建筑领域完成混凝土的铺平、壁面装修、检查和清洗n采矿业中进行隧道的掘进和矿藏的开采n农林业中从事水果采摘、树枝修剪、圆木搬运n军事上用于探测侦察、爆炸物处理n福利方面进行盲人引导，病员护理等。移动机器人所处的环境n结构环境：能利用车轮移动。n移动环境是在导轨上(1维)；n铺设好的道路(2维)。n非结构环境：履带，步行机构。n陆上2维、3维环境；海上、海中环境；n空中、宇宙环境等原有的自然环境。n陆上建筑物的内外环境(阶梯、电梯、张紧的钢丝)，间隙，沟，踏脚石(不连续环境)等；n海上、海中的混凝土，作为构筑物的桩、钢丝绳等有人工制做物的环境2.5.1车轮型移动机构车轮型移动机构n(1)2轮车(2)3轮车(3)4轮车火星探测用小漫游车火星探测用小漫游车(4)全方位移动车n全轮偏转式全方位车轮全轮偏转式全方位车轮卡纳姆车轮及其速度合成卡纳姆车轮及其速度合成(a）横向右移(b）原地转动全向移动平台的运动方式(5)上下台阶车轮式机构(6)不平地面移动的多节车轮式机构n星球考察用多节小车星球考察用多节小车多节小车跨越障碍多节小车跨越障碍2.5.2履带式移动机构履带式移动机构n(1)卡特彼勒(Caterpillar)高架链轮履带机构(2)形状可变履带机构(3)位置可变履带机构n两自由度变位履带移动机构两自由度变位履带移动机构2.5.3 多足步行机器人多足步行机器人(ASV-AdaptiveSuspensionVehicle)多足步行机器人的机构人体下肢机构模型人体下肢机构模型TheBigDog轮腿结合步行机轮腿结合步行机日本名古屋大学福田敏男基于黑猩猩的真实骨骼模型开发了多运动模式类人型机器n高1.0m,重约22kg,全身共有24个自由度，其中每条腿包含6个自由度，每个手臂具有5个自由度，腰部2个自由度。手部具有一个手指，具有和黑猩猩类似的结构，可完成梯子横档的抓握任务，为防止打滑，机器人脚底板处粘贴有摩擦性能良好的薄橡胶。(RPY)横滚(Roll)俯仰(Pitch)偏航(Yaw)2.6工业机器人的技术参数n(1)自由度n表示工业机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动数来表示n(2)重复定位精度n位姿重复性，在相同的条件下，用同一方法操作时，重复多次所测得的同一位姿散布的不一致程度n(3)工作空间n工业机器人正常运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围n(4)额定速度n工业机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心的最大速度n(5)极限负载n工业机器人在限制的操作条件下，保证其机械结构不损坏，机械接口处能承受负载的最大值 PUMA机器人工作空间机器人工作空间 A4020型型SCARA机器人工作空间机器人工作空间第第3章章 机器人运动学机器人运动学n3.1 引言引言n3.2 坐标变换坐标变换n3.3 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法表示法与机器人运动学正问题与机器人运动学正问题 n3.4 机器人运动学逆问题机器人运动学逆问题 n3.5 机器人的速度分析与雅可比矩阵机器人的速度分析与雅可比矩阵第第3章章 机器人运动学机器人运动学n3.1 引言引言n机器人运动学是在不考虑力和质量等因素的影响下运用几何学的方法来研究机器人的运动。机器人的运动学包括位置、速度和加速度分析。n机器人运动学位置分析的两个基本问题n运动学正问题(DKP-DirectKinematicProblems)n已知杆件几何参数和关节变量，求末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。n运动学逆问题(IKP-InverseKinematicProblems)n已知机器人杆件的几何参数，给定末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态，确定关节变量的大小。机器人坐标系变换n参考坐标系中描述机器人的各杆件的运动n在每个杆件上建立一个附体坐标系n运动学问题归结为寻求联系附体坐标系和参考坐标系的变换矩阵。工业机器人的坐标系GB/T16977-2005/ISO9787:1999坐标系和旋转运动的定义n绝对坐标系(Worldcoordinatesystem)：与机器人的运动无关，以地球为参照系的固定坐标系。n机座坐标系(Basecoordinatesystem):以机器人机座安装平面为参照系的坐标系。n机械接口坐标系(Mechanicalinterfacecoordinatesystem)：以机械接口为参照系的坐标系。n工具坐标系(Toolcoordinatesystem)：以安装在机械接口上的末端执行器为参照系的坐标系。标准坐标系的表示示例术语说明n杆件(link)用于连接相邻关节的刚体。n操作手的机座(manipulatorbase)一平台或构架，操作机第一个杆件的原点置于其上。n末端执行器(end-effector)为使机器人完成其任务而专门设计并安装在机械接口处的装置。n操作手的结构(architectureofmanipulator)由关节参数(DH参数)确定n构形(configuration)在任何时刻均能完全确定机器人形状的所有关节的一组位移值。n姿态(Posture)说明各杆件的位置时同上n说明末端执行器时指末端执行器的位置和方向n有时将末端执行器的方向也称为姿态n位姿(Pose)空间位置和姿态的合称。3.2坐标变换n3.2.1 旋转变换旋转变换n3.2.2 绕任意轴转动的旋转矩阵绕任意轴转动的旋转矩阵n3.2.3 以欧拉角表示的旋转矩阵以欧拉角表示的旋转矩阵n3.2.4 坐标系原定不重合下的坐标变换坐标系原定不重合下的坐标变换n3.2.5 齐次坐标和变换矩阵齐次坐标和变换矩阵 n3.2.6 变换方程变换方程nP在OXYZ系的坐标：n OUVW系的坐标：3.2.1旋转变换旋转变换矩阵n由矢量分量的定义式n将其投影到OXYZ系的各轴上旋转变换矩阵表示为旋转变换矩阵旋转矩阵的各列分别为动坐标系各轴相对参考坐标系的方向余弦旋转变换的逆变换n由坐标 可求得坐标旋转变换和逆变换的关系旋转矩阵为正交正则矩阵正交：列向量之间相互垂直正则：列向量为单位向量OUVW坐标系绕OX轴转动 角，变换矩阵称为绕OX轴旋转 角的旋转矩阵基本旋转矩阵这时，也就是基本旋转矩阵绕OY轴转 角基本旋转矩阵绕OZ轴转 角绕OXYZ坐标系各轴的多次转动旋转变换矩阵n把基本旋转矩阵连乘起来n矩阵乘法不可交换，注意转动的次序n如果OUVW坐标系绕OXYZ坐标系的坐标轴转动，对旋转矩阵左乘相应的基本旋转矩阵 n如果OUVW坐标系绕自己的坐标轴转动，对旋转矩阵右乘相应的基本旋转矩阵 当OUVW坐标系绕OXYZ坐标系顺序绕OX轴旋转角，绕OY轴旋转角，绕OZ轴旋转角时，旋转变换矩阵为基本变换矩阵运算的说明【例例3 3-1】：求表示绕OY轴转 角，然后绕OW轴转 角，再绕OU轴转 角的合成旋转矩阵。3.2.2绕任意轴转动的旋转矩阵n动坐标系OUVW绕任意单位矢量 转动 角n旋转过程为：n绕OX轴旋转n绕OY轴旋转-角，使 轴指向OZ轴的方向n绕 轴转过 角，n绕OY轴旋转 角n绕OX轴旋转-，使 轴转回到它原来的位置。绕任意轴旋转绕任意轴旋转绕任意轴旋转旋转矩阵绕任意轴旋转旋转矩阵3.2.3以欧拉角表示的旋转矩阵n欧拉角描述转动刚体相对于参考坐标系的方向的角度3个角度n3个参数的角度给定法有24种不同的方案欧拉角方式n陀螺运动n绕OZ轴转 角，绕OU轴转 角，绕OW轴转 角欧拉角方式n绕OZ轴转角，绕OV轴转角，绕OW轴转角飞行器的转向欧拉角(RPY)n侧倾(Roll)、俯仰(Pitch)和偏转(Yaw)角n绕OX轴转角(偏转)，绕OY轴转角(俯仰)，绕OZ轴转角(侧倾)3.2.4 坐标系原定不重合下的坐标变换坐标系原定不重合下的坐标变换3.2.5齐次坐标和变换矩阵n齐次坐标n用n+1维坐标来描述n维空间中的位置，其第n+1个分量(元素)称为比例因子n坐标变换的数学表