《机器人机构学课件》课件

机器人机构学课件本课件介绍机器人机构学的基础知识，包括机器人机构的类型、运动学、动力学、控制等内容。课程简介课程目标本课程旨在介绍机器人机构学的理论基础和应用，为学生提供机器人机构设计、分析和控制方面的知识和技能。课程内容课程内容包括机器人机构学的基本概念、运动学、动力学、机器人机械臂设计、控制系统设计等。课程目标1理解机器人机构的基本概念掌握机器人机构的定义、分类、组成和工作原理。2掌握机器人运动学和动力学基础理解机器人机构的运动规律、力和力矩的分析方法。3掌握机器人机构设计的基本原理学习机器人机构的设计流程和方法，并能够进行简单的机器人机构设计。机器人简介机器人是一种能够自动执行任务的机器，通常由机械结构、控制系统和传感器组成。机器人可以执行各种任务，包括工业生产、医疗保健、服务和娱乐等领域。机器人的发展历程1智能机器人人工智能,机器学习,深度学习2工业机器人自动化生产,提高效率3早期机器人机械臂,自动化操作机器人的分类工业机器人用于工业生产的机器人，如焊接机器人、喷涂机器人等。服务机器人用于服务行业的机器人，如酒店机器人、配送机器人等。特种机器人用于特殊领域的机器人，如军用机器人、医疗机器人等。机器人机构的基本概念机构由若干构件通过运动副连接而成的，能实现某种运动功能的系统。运动副连接两个构件，允许它们之间做相对运动的连接。自由度机构中独立运动的最小单元数，通常指机构能独立运动的轴数。机器人运动学1位置和姿态描述机器人的位置和方向2关节变量描述机器人的关节运动3运动方程建立关节变量和位置姿态之间的关系正运动学定义正运动学是指给定机器人的关节变量，计算机器人末端执行器的位置和姿态。应用正运动学在机器人路径规划、碰撞检测和视觉伺服等方面具有重要应用。方法常用的正运动学求解方法包括矩阵变换法、齐次变换矩阵法等。反运动学1目标位置确定机器人末端执行器所需的目标位置和姿态。2关节角度计算机器人各关节需要旋转的角度，以使末端执行器到达目标位置。3解算方法使用解析法或数值法求解关节角度，并考虑关节限制和工作空间。机器人动力学运动方程描述机器人运动与施加的力和力矩之间的关系。动力学模型建立机器人系统的数学模型，用于分析和控制。力矩控制根据任务要求，精确控制机器人关节的力矩。机器人速度分析3速度关节速度、末端速度、雅可比矩阵2加速度关节加速度、末端加速度1动力学运动学分析的基础机器人加速度分析机器人加速度分析是指研究机器人关节和末端执行器在运动过程中的加速度变化。机器人力矩分析力矩作用于关节的扭矩动力学模型描述机器人运动和力之间的关系力矩计算根据机器人结构、负载和运动参数计算机器人机械臂设计1结构设计关节类型、连杆长度、运动范围2动力学分析负载能力、惯性力矩3控制系统运动规划、轨迹控制4安全性碰撞检测、紧急停止铰链机构设计1关节类型旋转关节、移动关节、棱柱关节、球形关节、平面关节等。2自由度机构的自由度是指机构在空间中独立运动的自由度。3工作空间机构的工作空间是指机构末端执行器能够到达的空间范围。4刚度和强度机构的刚度和强度要满足工作负载的要求。平行机构设计结构特点平行机构通常由多个运动链组成，这些运动链通过连接件连接在一起。优点平行机构具有高刚度、高精度、高负载能力和低惯量等优点，适用于需要高精度和高负载的应用场合。应用领域平行机构在工业机器人、医疗设备、航空航天等领域有着广泛的应用。串联机构设计串联机构由一系列连接在一起的连杆组成，每个连杆都通过一个关节连接到另一个连杆，从而形成一个链式结构。这种结构类似于人的手臂，由肩关节、肘关节和腕关节连接在一起。串联机构的运动方式是通过各个关节的旋转或移动来实现的，最终实现末端执行器的运动和操作。这种机构具有灵活性和可控性高的特点，适用于各种应用场景，例如工业机器人、医疗机器人和服务机器人。串联机构的设计需要考虑多个因素，包括运动范围、精度、速度、负载能力和成本等。在设计过程中，需要选择合适的连杆、关节和驱动器，并进行结构优化和运动学分析。执行机构设计末端执行器执行机构是机器人的末端，负责与外界环境进行交互。末端执行器的设计取决于机器人的任务和应用场景。夹持器夹持器是常见的执行机构，用于抓取和移动物体。常见的夹持器类型包括平行夹持器、三指夹持器等。其他执行机构除了夹持器外，还有其他类型的执行机构，例如焊接枪、喷涂枪、切割刀等，用于执行特定的任务。驱动器选择电动机广泛应用于工业机器人，提供高扭矩和精确控制。液压执行器适合高负载和高速度应用，提供更大的力量。气动执行器用于轻型应用，提供快速响应和低成本解决方案。末端执行器设计1抓取和操作末端执行器是机器人与外部环境交互的关键部分，用于抓取和操作物体。2定制设计末端执行器设计需要根据具体的应用场景和任务需求进行定制，以满足特定的操作要求。3类型多样常见的末端执行器类型包括夹持器、吸盘、焊枪、喷枪等，可根据任务需要选择合适的类型。传感器选择位置传感器用于确定机器人关节或末端执行器的精确位置，例如编码器、电位计和线性位移传感器。速度传感器测量机器人运动速度，例如增量式编码器、速度计和陀螺仪。力/力矩传感器测量机器人与环境之间的相互作用力或力矩，例如应变片传感器、压电传感器和力矩传感器。控制系统设计核心功能机器人控制系统负责接收指令，规划运动路径，并控制执行机构的运动。传感器融合整合来自不同传感器的数据，如视觉，触觉，力觉等，提供更全面的环境感知信息。人机交互实现人与机器人的交互，通过图形界面，语音指令等方式进行控制和操作。机器人安全设计安全标准与法规遵循相关的安全标准和法规，如ISO10218-1和ISO10218-2，以确保机器人系统的安全操作。安全传感器使用安全传感器，如光幕、安全垫和紧急停止按钮，监测机器人工作区域并防止意外接触。安全防护措施使用安全围栏或其他防护措施隔离机器人工作区域，防止人员进入危险区域。机器人仿真机器人仿真是一种使用计算机模拟机器人系统行为的技术，用于验证设计、优化性能、评估安全性和进行虚拟调试。仿真软件可以模拟机器人的运动学、动力学、控制系统和环境交互等方面，帮助工程师在实际制造之前进行测试和调整。机器人标准安全标准确保机器人操作安全，防止人员伤害和财产损失。性能标准定义机器人性能指标，如速度、精度、负载能力等。互操作性标准确保不同机器人系统之间能够有效地相互通信和协作。实例分析结合实际应用场景，深入解析机器人机构学在工业机器人、服务机器人、医疗机器人等领域的应用案例。以实例为引导，帮助学生理解机器人机构设计的关键步骤、设计原则和具体实施方法。课堂练习机器人运动学分析给定机器人机构的运动学方程，计算其工作空间。机器人动力学计算机器人关节的力矩，以完成特定任务。机器人控制设计机器人控制算法，实现轨迹规划和运动控制。总结与展望未来发展趋势机器人机构学将继续融合先进技