绳索悬挂式并联机器人的研究学习教案

1、会计学1绳索悬挂绳索悬挂(xungu)式并联机器人的研究式并联机器人的研究第一页，共40页。 1920年，捷克剧作家卡里洛奇别克在其科幻剧本(jbn)罗萨姆万能机器人制造公司(Rossums Universal Robots)首次使用了ROBOT这个名词，意思是“人造的人”。现在已被人们作为机器人的专用名词。“机器人”一词的由来第一第一(dy)部分部分机器人的发展机器人的发展概况概况第2页/共40页第二页，共40页。第一代机器人 19世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了实用阶段。1954年美国的G. C. Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生

2、产了柱坐标型Versatran机器人，可进行点位和轨迹控制，这是世界上第一种应用于工业生产的机器人。 70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人也得到了迅速的发展。1974年Cincinnati Milacron公司成功开发了多关节机器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电机驱动、多CPU二级控制的机器人，采用VAL专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时(dngsh)是技术最先进的工业机器人。现在的工业机器人在结构上大体都以此为基础。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in / Playback）型机

3、器人，只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。 机器人的发展机器人的发展(fzhn)概况概况第3页/共40页第三页，共40页。第二代机器人 进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人有感觉(gnju)的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分相关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了使用化，在工业生产中得到了广泛应用。 机器人的发展机器人的发展(fzhn)概况概况第三代机器人 目前正在研究的“智能机器人”，它不仅(bjn)具有比第二代机器人更加完

4、善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。 第4页/共40页第四页，共40页。美国机器人协会(RIA):机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过程序动作(dngzu)来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。可见，这里的机器人是指工业机器人。日本工业机器人协会(JIRA):工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织(ISO):机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各类材料、零件、工具和专用装置，

5、以执行各种任务。第二部分第二部分(b fen)机器人机器人的定义的定义 机器人集中了机械工程、电子(dinz)技术、计算机技术、自动控制原理以及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。工程技术人员了解和学习机器人学具有重要的意义。第5页/共40页第五页，共40页。第三部分第三部分国际国际(guj)上的主要机器人生产厂上的主要机器人生产厂家家Motoman UP500有效载荷500kg，最大可达长度2542mm，6轴驱动，高可靠性52000小时MTBF，重复定位精度0.5 mm ABB IRB 340专为快速的拾取和放置动作而设计，适用于包

6、装工业中快速而准确地移动物体第6页/共40页第六页，共40页。国际国际(guj)上的主要机器人生产厂上的主要机器人生产厂家家多功能，6轴驱动，可应用于焊接、等离子切割、物料输送，64位的CPU，结构紧凑，工作范围广。Panasonic VR-006ALIIFanuc ArcMate 50iB6轴驱动，安装灵活方便，与主要品牌的焊接设备兼容，先进的运动控制减少了机械磨损。第7页/共40页第七页，共40页。国际国际(guj)上的主要机器人生上的主要机器人生产厂家产厂家Nachi SH133 高速，重量1260kg，最大载荷133kg，最大可达长度2654mm，6轴驱动，适用于拾取和放置操作。 PI

7、 M-840 HexaLight 6轴驱动，低惯量，动态特性好，刚度高，无位置累计误差，高重复定位精度和可靠性。第8页/共40页第八页，共40页。第四部分第四部分(b fen)机器人的应用机器人的应用领域领域弧焊机器人弧焊机器人 激光激光(jgung)焊机器人焊机器人 电阻电阻(dinz)焊机器人焊机器人 自动化焊接机器人自动化焊接机器人 点焊机器人点焊机器人 等离子切割机器人等离子切割机器人 第9页/共40页第九页，共40页。机器人的应用领域机器人的应用领域清洁清洁(qngji)机器人机器人 上料机器人上料机器人 物料物料(w lio)输送机器人输送机器人 材料材料(cilio)去除机器人去

8、除机器人 包装机器人包装机器人 喷漆机器人喷漆机器人 第10页/共40页第十页，共40页。机器人的应用领域机器人的应用领域部件部件(bjin)移动机器人移动机器人 装配装配(zhungpi)机器人机器人 打保险打保险(boxin)机器人机器人 自动钻孔机器人自动钻孔机器人 设备维护机器人设备维护机器人 包装机器人包装机器人 第11页/共40页第十一页，共40页。堆跺机器人堆跺机器人 机器人的应用领域机器人的应用领域涂层涂层(t cn)机器人机器人 去毛刺去毛刺(moc)机器人机器人 磨销机器人磨销机器人 高温高温(gown)喷涂机器人喷涂机器人 第12页/共40页第十二页，共40页。机器人的应

9、用领域机器人的应用领域医用并联医用并联(bnglin)机器人机器人 第13页/共40页第十三页，共40页。机器人的应用领域机器人的应用领域天文天文(tinwn)望远镜望远镜 绳索绳索(shn su)机器人机器人 第14页/共40页第十四页，共40页。机器人的应用领域机器人的应用领域三杆并联三杆并联(bnglin)机床机床 第15页/共40页第十五页，共40页。机器人的应用领域机器人的应用领域第16页/共40页第十六页，共40页。机器人的应用领域机器人的应用领域六杆并联六杆并联(bnglin)机床机床 第17页/共40页第十七页，共40页。机器人的应用领域机器人的应用领域六足行走六足行走(xng

10、zu)机器人机器人 第18页/共40页第十八页，共40页。第五部分第五部分(b fen)机器人机器人的分类的分类串联机器人和并联机器人串联机器人和并联机器人串联串联(chunlin)机器人机器人直角坐标系机器人直角坐标系机器人 第19页/共40页第十九页，共40页。机器人的分类机器人的分类(fn li)串联串联(chunlin)机器人机器人圆柱坐标系机器人圆柱坐标系机器人 第20页/共40页第二十页，共40页。机器人的分类机器人的分类(fn li)串联串联(chunlin)机器人机器人水平多关节机器人水平多关节机器人 第21页/共40页第二十一页，共40页。机器人的分类机器人的分类(fn li

11、)并联并联(bnglin)机器人机器人 动平台定平台球铰球铰或万向铰驱动杆上半部分驱动杆下半部分第22页/共40页第二十二页，共40页。第六部分第六部分机器人系统的基本机器人系统的基本(jbn)结构结构1.机械本体：机器人的机械本体机构基本上分为两大类，一类是操作本体机构，它类似人的手臂(shu b)和手腕，另一类为移动型本体结构，主要实现移动功能。 2.驱动伺服单元：伺服单元的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载按预定的轨迹运动。已广泛采用的驱动方式有：液压伺服驱动、电机伺服驱动，气动伺服驱动。3.3. 计算机控制系统：各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。机器人通常采用主

12、计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制。4.传感系统：除了关节伺服驱动系统的位置传感器（称作内部传感器）外，还配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器（称作外部传感器）。5.5. 输入/输出系统接口：为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。第23页/共40页第二十三页，共40页。第七部分第七部分(b fen)机器人的技机器人的技术参数术参数自由度：机器人所具有的独立运动坐标轴的数目，有时海包括手爪（末端操作器）的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6个自由度。工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于6个自由度，也可能大于

13、6个自由度。例如，A4020装配机器人具有4个自由度，可以在印刷电路板上接插电子器件，PUMA562机器人具有6个自由度，可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。精度：包括定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人手部重复定位于同一目标位置的能力（用标准偏差表示）。工作(gngzu)空间：机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合（包括形状和大小）。最大工作(gngzu)速度：指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，或手臂末端的最大合成速度。承载能力：指机器人在工作(gngzu)范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。承载能力不仅不仅决定于

14、负载的质量，还与机器人运行的速度和加速度有关。第24页/共40页第二十四页，共40页。第八第八(d b)部分部分机器人机器人运动学运动学运动学正问题(wnt)：已知机器人各杆件的几何参数和关节变量，求末端执行器相对于笛卡儿坐标系的位置和姿态。运动学逆问题(wnt)：已知机器人各杆件的几何参数，给定末端执行器相对于笛卡儿坐标系的位置和姿态，确定关节变量的大小。一个刚体在三维空间中具有6个自由度，即3个移动自由度和3个转动自由度。齐次变换矩阵00010001xxxxyyyyzzzznoapnoapnoapnoapT旋转矩阵平移坐标第25页/共40页第二十五页，共40页。机器人运动学机器人运动学 雅

15、可比矩阵在机器人技术中占有重要地位：利用雅可比矩阵可以建立机器人末端执行器在笛卡儿坐标系中的速度(sd)与各关节速度(sd)间的关系，以及外界环境对末端执行器的作用力/力矩与各关节力/力矩间的关系。 对于n自由度的机器人，其关节变量(binling)为 ,机器人末端执行器在笛卡儿坐标系中的位姿 求导可得12TnqqqQ126TTxyzxyzpppP12nqqq Pddtt PQQ1116616nnnppqqppqq JQPJQ第26页/共40页第二十六页，共40页。机器人运动学机器人运动学雅可比矩阵(j zhn)的应用之一：分离速度控制112TnqqqQJP当采用计算机控制时，把速度表示为位置

16、(wi zhi)增量的形式当n6时，J不是方阵(fn zhn)，雅可比矩阵的逆用其伪逆1()TTJJJJ112Tnqqq QJP雅可比矩阵的应用之二：静力学分析机器人末端执行器与外界环境的接触力为TxyzxyzfffmmmFn个关节的驱动力为12TnT则TTJ F 当要求机器人沿某轨迹运动时，P为已知，由上式求得关节变量的增量Q，于是可以确定各关节的变量值，由伺服系统实现位置控制。第27页/共40页第二十七页，共40页。第九部分第九部分(b fen)机器人机器人动力学动力学 机器人动力学是研究机器人各关节的驱动力/力矩与机器人末端执行器的位姿、速度和加速度之间的动态关系。由于(yuy)机器人的

17、复杂性，其动力学模型通常是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。建立机器人动力学模型的方法主要有拉格朗日法和牛顿欧拉法。第28页/共40页第二十八页，共40页。机器人动力学机器人动力学拉格朗日法拉格朗日函数(hnsh)L定义为系统动能K和位能P之差，即PKL由拉格朗日函数(hnsh)L描述的系统动力学方程为iiiqLqLt)(ddi=1,2,n 其中(qzhng) n为连杆数目； qi为广义坐标；iq 为广义速度；i为作用在第i个关节上的广义力 用拉格朗日法推导机器人的动力学模型可按以下步骤进行：a.计算任一连杆上任一点的速度；b.计算各连杆的动能和机器人的总动能；c. 计算

18、各连杆的位能和机器人的总位能；d.建立机器人系统的拉格朗日函数；e.对拉格朗日函数求导，得到机器人的动力学方程 第29页/共40页第二十九页，共40页。机器人动力学机器人动力学牛顿牛顿(ni dn)欧拉法欧拉法刚体的一般(ybn)运动可以分解为随质心的平动和绕质心的转动 随质心(zh xn)平动的动力学特性可用牛顿定理来描述 aFm绕质心转动的动力学特性可用欧拉定理来描述 IIM 用牛顿欧拉法和拉格朗日法建立机器人动力学模型的最大不同之处在于：牛顿欧拉方程描述的是机器人系统中每一个刚体的动力学特性，得出的动力学模型为联立方程组，而拉格朗日方程可以描述机器人系统中多刚体的动力学特性，可以得到封闭

19、形式的动力学模型。第30页/共40页第三十页，共40页。机器人动力学机器人动力学动力学模型的一般动力学模型的一般(ybn)形式形式GXX,BXXD)()( 惯性力项 与离心加速度和哥氏加速度有关的项 重力项 广义力项 第31页/共40页第三十一页，共40页。第十部分第十部分机器人的控制机器人的控制(kngzh)轨迹轨迹控制控制(kngzh)控制器+ +- -机器人期望轨迹实际轨迹控制器+ +- -机器人期望轨迹实际轨迹补偿器+ + +内控制回路外控制回路运动(yndng)控制 动态控制 “运动控制”完全不考虑机器人的动力学特性，只是按照机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制，控制器常采

20、用位置和速度增益控制。 “动态控制”引入了一个内控制回路，对机器人动力学特性进行动态补偿，使机器人转化为解耦的线性定常系统。内控制回路补偿器通常采用各种动力学补偿和反馈线性化等方法(fngf)，外控制回路的设计可采用位置和速度增益控制、自适应控制、变结构控制及各种鲁棒控制设计方法(fngf)等。“运动控制”控制律简单，易于实现。但难以保证机器人具有良好的动态和静态品质，主要应用于定点控制。“动态控制”可使机器人具有良好的动态和静态品质，但需要在线进行机器人动力学计算，主要应用于轨迹跟踪控制。 第32页/共40页第三十二页，共40页。 K Kp pG)XB(X,XD(X) G)XB(X,D(X) K Kv v+ + + + + + +dX dXdX+ + +- - -XXee 基于(j