第十三章 工业机器人机构学.docVIP

第十三章 工业机器人机构学 提 　要 　　介绍了工业机器人的组成原理、分类与工作性能特点。 　　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。  ? 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。 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。 ? 　　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。 　2.　机器人手部的机构与结构系统 ?　　1) 具有一个相对自由度的末端操作器 ?　　2) 具有多个自由度的末端操作器 13.3 工业机器人的分类与性能 　　1) 直角坐标型 　　直角坐标型操作机如图13.6所示，它有三个移动关节(PPP)，可使末端操作器作三个方向的独立位移。 　　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。 ? ?　　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。 ? ?4) 关节型 ?　　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。 　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。 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，构成了工业机器人运动学基础应该研究的一部分工作。 ? 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。 　　1)　平面内单位矢量绕坐标轴的转动矩阵 　　2)　空间内单位矢量绕坐标轴的转动矩阵 ?　　[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，手腕相对于手臂拥有一个转动自由度。已知手腕上的坐标系oxyz相对于机身坐标系OXYZ的位姿矩阵SW为 ?　　SW中前三行前三列的元素表示手腕坐标系的姿态，[2,6,2]T表示手腕坐标系原点的位置。 (1)若手臂相对于机身坐标系OXYZ的Z轴转动＋90o，则坐标系oxyz转到坐标系o1x1y1z1。 (2) 若手臂相对于机身不动，手腕上的坐标系oxyz相对于手臂上的z轴转动＋90，则坐标系oxyz转到坐标系o2x2y2z2。试写出以上两种转动的矩阵SW1、SW2。 解： 坐标系O1x1y1z1在固定坐标系OXYZ的位姿矩阵SW1为 ?O2x2y2z2坐标系在固定坐标系OXYZ的位姿矩阵SW2为 ? ? ? 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，构成了工业机器人运动学基础应该研究的一部分工作。 ? 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