第十三章工业机器人机构学

1、第十三章工业机器人机构学介绍，业机器人的组成原理、分类与工作性能特点。研处坐标变换与空间物体的位姿与位移的齐次坐标表达;研处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：研尤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go13,1概述工4k机器人罡用来搬运材料、零件与工具进行焊接与IS涂的可再S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4k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姐成即机身、手臂和末端操作器机男可以是S走的也可以是移动的手臂进一步划分为上臀和下上胃与机身形成肩关节，上青与下臂形成肘关节下譬与末端操作器形成碗关节，如SI33所示图13.3机器人的机构与结构2.机器人手部的机构与结构系统1）具有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S人的分类与性能I)直角坐标型亶角坐标型操作机如SI3.6所示它有三个

2、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.走位精度较,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，运动的站驰相文寸较差,运动的iSS相对幽氐.末端操作器2)19柱坐标型恻柱坐标型操作机如图】3.7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(2GO)坐标予以表示。该种型式的【业机器人.空间尺寸较小，工作范圉较大,末端操作器可获得较商的运动速度。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,它右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(&Gr)坐标予以表示。该种型式的工业机器人，空间尺寸校小，工作范ra较大-z4）关节型关节操作机如图】3.9所示沱有三个转动关节（RRR），即机身上部相对于下部的转动ey。,肩关节的转动0Z1和肘关节的转动ezz.腕关节的转动0Z3属于末端操作器的自由度该种结构的匚业机器人，空间尺寸相对较小匚作范制相对校大，还可以绕过机座周用的障碍物，是目前应用较多的一种机空.谐波减速器图139

3、关节型操作机13.4工业机器人的运动学基础I：业机器人是由若干个关节所联系起办的一种开链.其一端固结在机座上，另一端安装有末端操作器。确宦I: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1:业机器人的操作对象，即目标物休的位姿与位移，构成I：业机器人运动学基础应该研就的一部分I：作。1X44目标物体的空问转动矩阵一个通过坐标原点的矢SVI绕通时坐标原点的笊位矢fiu转动（P角到达V2要求确定V2的位姿。为了确宦矢aV1绕通过坐标原点的爪位矢虽U转动（P角到达V2的位姿，将它作如下转动。目标物体的空间转动I）平面内巾位矢量绕坐标轴的转动矩阵U； =l/xcosa-s sineA AJrLCLCCOS&H-sill d Ur COS&Uy图15.4F01平面内单位矢量绕坐标轴的转动2）空间内爪位矢fi绕坐标轴的转动矩阵R/ =MM=1 00 cos/0 sill YCOSO0-sin Pcosy - sine00 -sin 7 cos 70 sin p1 00 cos/-sin (p 0COSO 00 1(13.2)图13.4F02空间内单铉矢量绕坐标轴线的传动4)(1

4、3.1 )(13.6)矢量叫绕通过坐标原点的单位矢量汹圭动0角的矩阵V?=兀=R“jRF,jfRs,zRh7R-0j%人炉3点二nUyV(p-iS(pxyV(pVC(P3畀PfSp叨Z巾+ESOzV(p-C(Pii,u/(pn”(pfyV(P-C(Pujiy(p-%s算n,ny(p+tiyS(p咛iyp+gs(p沪2%十C(P矢量I绕通过坐标原点的单位矢量W#动角的矩阵Nx0ANy0Nn200001(13-7)(13.8)(13.9)Tsinp Ny-Mx% 2smA (13.10)当式(13.7)中的每一个元素为已知时，利用式(13.5)中的元素与式X13；7)中的前3行3列元素对应相等，即可求出矢量八绕矢量”转动的转妙角和矢量”的姿态。sinO二土J(胚一0)2+(0tanp=(例131图13H为取肖操作机械予于臂相对于机身拥有一个转动自由度于腕相对于于臂拥有个转动自由度。已知于腕上的坐标系oxyz相对于机身坐标系OXYZ的位姿矩阵SW为yiSW中前三行前三列的元素表示于腕坐标系的姿态,(2,6,2T表示于腕坐标系原点的位ao酣尊二!以b小崂&麻岸0-1001000YZ的位姿矩阵S

5、WJ0010000101001021100-6-1020-12001若于臂相对于机身坐标系0XY2的Z轴转动+900.则坐标系62轴转动+90,则坐标系Xyz转到坐标系0(2)若于曾相对于机身不动，于腕上的坐标系oxyZ相对于手臂上的2X2y222o试吗出以上两种转动的矩阵SW1、SW2c解：02X2y2Z2坐标系在固定坐标系OXY2的位姿矩阵SW2为ro2ro-101=L十90,乙Q-1-1-113.4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，一端固结在机座上，另一端安装有耒端操作器。确定I: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I:业机器人的操作对彖.即目标物体的位姿与位移构成I：业机器人运动学基础应该研处的-部分I：作。()13-4-1目标物体的空间转动矩阵个通过坐标原点的矢fiVI绕通过坐标原点的取位矢Su转动9角到达V2要求确定V2的位姿。为确定欠虽V1绕通过坐标原点的笊位矢虽U转动（P角到达V2的位姿，将它作如下转动。y图目标物体的空间转动1）平血内取位矢fi绕坐标轴的转动矩阵U; =Ux cosO-Ssinea ayU

6、 打=1/ suiA + n cose v/凹1UyIT% EP；U；cose -sin&sill 0 COSO图13.4FQ1平面内单位矢量绕坐标轴的转动2）空间内位矢址绕坐标轴的转动矩阵100Ry,=0 cos/ -sill 7 0 sin cos/cos/? 0 sin/?H j= o 1。-sin 0 0 cos /coso - -sin(P 0阀= sin (p COSO 000 1图13.4F02空间内单住矢量绕坐标轴线的转动(13.1)矢量匕绕通过坐标原点的单位矢量汹专动0角的矩阵VQ二口好山人斗+口&7尺十卿尺十RR% xV(p+C(pR卿3冷=小畀(pl-BiiJiOp+bS(fi11尹畀单nyv(p-VC(p叨W+ n八S(pII y(p7yS 单UyUA(p-UAS(p$(P+C(p(13.5)MSW2.坐标系01XlylZ1窿固定坐标系0XY2的位阵SW,为5%=灭加2$%=O2X2y2Z2坐标系在固定坐标系OXYZ的位姿矩阵SW2解：17=00-1ro-100-1-112.4.2坐标系之间的空间变换矩阵设贰位矢Sv在坐标系6xyz:勺投影分别为VXVymVz;矢tip隹坐标系0XYZ11的投影分别为Px.PY和Pz;x轴在坐标系OXYZ中X.Y和Z上的投影分别为txx,txY和txZ：y轴在坐标系OXY2中X.Y和Z上的投影分别为tyx、tyY和tyZ；Z轴在坐标系OXY2中X.Y和Z上的投影分别为trX.tzY不口tzZ-1点在坐标系之间的变质txXtjcY和txZ的表达式分别为txX=COS(X,X),txY=COS(X,Y)txZ=COSX.Z)，其余的关系式类推。为此，连杆坐标系0?xy2相对于固定坐标系OXYZ的位姿为/oX

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