機(jī)器人焊接技術(shù)PPT精品

1、機(jī)器人焊接技術(shù)機(jī)器人焊接技術(shù)1課程內(nèi)容課程內(nèi)容內(nèi)容：內(nèi)容：機(jī)器人基本知識(shí)機(jī)器人基本知識(shí)工業(yè)機(jī)器人工作原理工業(yè)機(jī)器人工作原理弧焊機(jī)器人離線編程及標(biāo)定技術(shù)弧焊機(jī)器人離線編程及標(biāo)定技術(shù)機(jī)器人焊接系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)機(jī)器人焊接系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)主要參考教材：主要參考教材：林尚揚(yáng)等林尚揚(yáng)等,焊接機(jī)器人及其應(yīng)用焊接機(jī)器人及其應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社, 2000年年7月月吳林等，智能化焊接技術(shù)國防工業(yè)出版社，吳林等，智能化焊接技術(shù)國防工業(yè)出版社，2000年年8月月陳善本等陳善本等,焊接過程現(xiàn)代控制技術(shù)焊接過程現(xiàn)代控制技術(shù) 哈工大出版社哈工大出版社, 2001年年5月月2機(jī)器人焊接的特點(diǎn)機(jī)器人焊接的特點(diǎn)早

2、期的焊接自動(dòng)化程度低，基本是手工操作，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)某早期的焊接自動(dòng)化程度低，基本是手工操作，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)某個(gè)產(chǎn)品只能由某個(gè)人或某幾個(gè)人完成的情況，出現(xiàn)了個(gè)產(chǎn)品只能由某個(gè)人或某幾個(gè)人完成的情況，出現(xiàn)了“王麻子菜刀王麻子菜刀”、“張張小泉剪刀小泉剪刀”、“張氏陀螺張氏陀螺”。手工操作受操作人員情緒等個(gè)人狀態(tài)的影響，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。所以現(xiàn)代企手工操作受操作人員情緒等個(gè)人狀態(tài)的影響，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。所以現(xiàn)代企業(yè)要盡量擺脫這種對專門人員的依賴，采用自動(dòng)化的機(jī)器設(shè)備來保證產(chǎn)品質(zhì)業(yè)要盡量擺脫這種對專門人員的依賴，采用自動(dòng)化的機(jī)器設(shè)備來保證產(chǎn)品質(zhì)量及效率。量及效率。2020世紀(jì)世紀(jì)70

3、70年代：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)被應(yīng)用到焊接領(lǐng)域，焊接自動(dòng)化程度發(fā)生了年代：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)被應(yīng)用到焊接領(lǐng)域，焊接自動(dòng)化程度發(fā)生了質(zhì)的飛躍，焊接質(zhì)量及效率得到顯著提高。質(zhì)的飛躍，焊接質(zhì)量及效率得到顯著提高。3機(jī)器人焊接的特點(diǎn)機(jī)器人焊接的特點(diǎn)根據(jù)對產(chǎn)品的適應(yīng)能力，焊接自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為：根據(jù)對產(chǎn)品的適應(yīng)能力，焊接自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為： “剛性剛性”自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)，也稱專機(jī)，主要針對大批量定型產(chǎn)品，特點(diǎn)為成，也稱專機(jī)，主要針對大批量定型產(chǎn)品，特點(diǎn)為成本低、效率高，但適應(yīng)的產(chǎn)品單一。一旦產(chǎn)品換型，生產(chǎn)線就要更換。本低、效率高，但適應(yīng)的產(chǎn)品單一。一旦產(chǎn)品換型，生產(chǎn)線就要更換。 “柔性柔性”自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)化系

4、統(tǒng)，主要指通過編程可改變操作的機(jī)器，產(chǎn)品換型時(shí)，主要指通過編程可改變操作的機(jī)器，產(chǎn)品換型時(shí)，只需通過改變相應(yīng)程序，便可適應(yīng)新產(chǎn)品。機(jī)器人屬于典型的具有柔，只需通過改變相應(yīng)程序，便可適應(yīng)新產(chǎn)品。機(jī)器人屬于典型的具有柔性的設(shè)備。性的設(shè)備。 隨著市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企業(yè)的產(chǎn)品從單一品種大批量生產(chǎn)變?yōu)槎嗥贩N隨著市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企業(yè)的產(chǎn)品從單一品種大批量生產(chǎn)變?yōu)槎嗥贩N小批量，要求生產(chǎn)線具有更大的柔性。所以焊接機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來小批量，要求生產(chǎn)線具有更大的柔性。所以焊接機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，越廣泛，機(jī)器人焊接已成為焊接自動(dòng)化的發(fā)展趨勢機(jī)器人焊接已成為焊接自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。4采用機(jī)器人焊

5、接，具有如下優(yōu)點(diǎn)：采用機(jī)器人焊接，具有如下優(yōu)點(diǎn)： 易于實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，保證其均一性；易于實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，保證其均一性； 提高生產(chǎn)率，一天可提高生產(chǎn)率，一天可2424小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，機(jī)器人不會(huì)疲倦；小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，機(jī)器人不會(huì)疲倦； 改善工人勞動(dòng)條件，可在有害環(huán)境下長期工作；改善工人勞動(dòng)條件，可在有害環(huán)境下長期工作； 降低對工人操作技術(shù)難度的要求；降低對工人操作技術(shù)難度的要求； 縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資；縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資； 可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化；可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化； 可作為數(shù)字化制造的一個(gè)環(huán)節(jié)?？勺鳛閿?shù)字化制

6、造的一個(gè)環(huán)節(jié)。機(jī)器人焊接的特點(diǎn)機(jī)器人焊接的特點(diǎn)5第一章第一章 機(jī)器人工作原理機(jī)器人工作原理第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人基本知識(shí)機(jī)器人基本知識(shí)第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)器人工作原理機(jī)器人工作原理6第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人基本知識(shí)機(jī)器人基本知識(shí)一一 機(jī)器人的概念機(jī)器人的概念二二 機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀三三 機(jī)器人的分類機(jī)器人的分類四四 工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語7一、機(jī)器人的概念一、機(jī)器人的概念“robot”的來源的來源 1920年，捷克作家年，捷克作家karel capek的科幻劇的科幻劇rossums universal robots（羅薩姆的萬能羅薩姆的萬能機(jī)器人），劇中描寫了一批能從事各

7、項(xiàng)勞動(dòng)、聽機(jī)器人），劇中描寫了一批能從事各項(xiàng)勞動(dòng)、聽命于人的機(jī)器，取名為命于人的機(jī)器，取名為“robota”（捷克語），捷克語），含義為：含義為：forced worker （奴隸）。奴隸）。 英語：英語：robot 德語：德語：robot 日語：日語： 俄語：俄語： 漢字：機(jī)器人漢字：機(jī)器人 karelkarel capekcapek（1890189019381938）8一、機(jī)器人的概念一、機(jī)器人的概念機(jī)器人的定義：國際上對機(jī)器人的定義很多機(jī)器人的定義：國際上對機(jī)器人的定義很多 the webster dictionary (webster, 1993) : “an automatic de

8、vice that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human.” 一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備，它一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備，它能執(zhí)行通常由人執(zhí)行的任務(wù)；或一個(gè)人型的機(jī)器能執(zhí)行通常由人執(zhí)行的任務(wù)；或一個(gè)人型的機(jī)器 美國機(jī)器人學(xué)會(huì)美國機(jī)器人學(xué)會(huì)（the robot institute of america，1979) : “a reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, o

9、r specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks.” 一一個(gè)可再編程的多功能操作器，用來移動(dòng)材料、零部件、工具等；或個(gè)可再編程的多功能操作器，用來移動(dòng)材料、零部件、工具等；或一個(gè)通過編程用于完成各種任務(wù)的專用設(shè)備。一個(gè)通過編程用于完成各種任務(wù)的專用設(shè)備。 iso，1987：工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。業(yè)的可編程操作機(jī)。9二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)

10、狀二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀19541954年，美國人年，美國人g.devolg.devol 和和j.englebergerj.engleberger設(shè)設(shè)計(jì)了一臺(tái)可編程的機(jī)器人計(jì)了一臺(tái)可編程的機(jī)器人19611961年，他們生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人年，他們生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人“unimatesunimates”，并獲得了專利并獲得了專利19621962年，年，englebergerengleberger 成立了成立了unimationunimation公司公司，他被稱為，他被稱為“機(jī)器人之父機(jī)器人之父”日本從上世紀(jì)日本從上世紀(jì)7070年代中后期開始開發(fā)工業(yè)機(jī)器年代中后期開始開發(fā)工業(yè)機(jī)

11、器人，人，1515年后就成為產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的世界年后就成為產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的世界工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人“王國王國”。 unimates 機(jī)器人10二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀20002000年，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，全世界工業(yè)機(jī)器人總量為年，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，全世界工業(yè)機(jī)器人總量為757,000757,000臺(tái)，其中臺(tái)，其中 日本，日本，402,200402,200臺(tái)臺(tái) 美國，美國， 92,900 92,900臺(tái)臺(tái) 德國，德國， 81,200 81,200臺(tái)臺(tái) 新加坡，新加坡，5,3005,300臺(tái)臺(tái) 臺(tái)灣，臺(tái)灣， 6,400 6,400臺(tái)臺(tái)這些機(jī)器人中這些機(jī)器人中4545為焊

12、接機(jī)器人（點(diǎn)焊、弧焊）為焊接機(jī)器人（點(diǎn)焊、弧焊）我國大陸地區(qū)工業(yè)機(jī)器人用戶我國大陸地區(qū)工業(yè)機(jī)器人用戶700700多家，擁有工業(yè)機(jī)器人約多家，擁有工業(yè)機(jī)器人約35003500臺(tái)，其中臺(tái)，其中焊接機(jī)器人約焊接機(jī)器人約10001000臺(tái)，與國外的差距是明顯的。臺(tái)，與國外的差距是明顯的。值得欣喜的是，我國機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展較快，值得欣喜的是，我國機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展較快，19961996年我國焊接機(jī)器人僅為年我國焊接機(jī)器人僅為500500臺(tái)，目前以每年臺(tái)，目前以每年3030以上的速度增長。以上的速度增長。11二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀主要機(jī)器人廠家主要機(jī)器人廠家日本：日本：motoma

13、nmotoman、otcotc、panasonicpanasonic、fanucfanuc等等美國：美國：adeptadept等等歐洲：奧地利歐洲：奧地利igmigm、德國德國clooscloos、kukakuka、瑞典瑞典abbabb韓國：韓國：hyundaihyundai沈陽新松沈陽新松fanuc12三、機(jī)器人的分類三、機(jī)器人的分類機(jī)器人分類方法很多機(jī)器人分類方法很多按照技術(shù)水平劃分：按照技術(shù)水平劃分： 第一代：示教再現(xiàn)型，具有記憶能力。目前，絕大部分應(yīng)用中的工業(yè)第一代：示教再現(xiàn)型，具有記憶能力。目前，絕大部分應(yīng)用中的工業(yè)機(jī)器人均屬于這一類。缺點(diǎn)是操作人員的水平影響工作質(zhì)量。機(jī)器人均屬于這

14、一類。缺點(diǎn)是操作人員的水平影響工作質(zhì)量。 第二代：初步智能機(jī)器人，對外界有反饋能力。部分已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)第二代：初步智能機(jī)器人，對外界有反饋能力。部分已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)中。中。 第三代：智能機(jī)器人，具有高度的適應(yīng)性，有自行學(xué)習(xí)、推理、決策第三代：智能機(jī)器人，具有高度的適應(yīng)性，有自行學(xué)習(xí)、推理、決策等功能，處在研究階段。等功能，處在研究階段。13三、機(jī)器人的分類三、機(jī)器人的分類按照基本結(jié)構(gòu)劃分：按照基本結(jié)構(gòu)劃分： 直角坐標(biāo)型，直角坐標(biāo)型，也稱也稱“機(jī)床型機(jī)床型” 圓柱坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型 球坐標(biāo)型球坐標(biāo)型 全關(guān)節(jié)型全關(guān)節(jié)型14三、機(jī)器人的分類三、機(jī)器人的分類按照受控運(yùn)動(dòng)方式劃分：按照受控運(yùn)動(dòng)方式劃分： 點(diǎn)

15、位控制（點(diǎn)位控制（ptpptp）型，型，point to point, point to point, 如點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人如點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人 連續(xù)軌跡控制（連續(xù)軌跡控制（cpcp）型，型，continouscontinous path path，如弧焊、噴漆機(jī)器人如弧焊、噴漆機(jī)器人按驅(qū)動(dòng)方式劃分：按驅(qū)動(dòng)方式劃分： 氣壓驅(qū)動(dòng)（壓縮空氣）氣壓驅(qū)動(dòng)（壓縮空氣） 液壓驅(qū)動(dòng)（重型機(jī)器人，如搬運(yùn)、點(diǎn)焊機(jī)器人）液壓驅(qū)動(dòng)（重型機(jī)器人，如搬運(yùn)、點(diǎn)焊機(jī)器人） 電驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)），應(yīng)用最多電驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)），應(yīng)用最多15三、機(jī)器人的分類三、機(jī)器人的分類按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分：按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分：工業(yè)機(jī)器人，面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)

16、機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人，面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。特種機(jī)器人，用于非制造業(yè)的各種機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器特種機(jī)器人，用于非制造業(yè)的各種機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人等人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人等16三、機(jī)器人的分類三、機(jī)器人的分類華宇華宇i i型弧焊機(jī)器人型弧焊機(jī)器人17三、機(jī)器人的分類三、機(jī)器人的分類弧焊機(jī)器人弧焊機(jī)器人 點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人18三、機(jī)器人的分類三、機(jī)器人的分類伐根機(jī)器人伐根機(jī)器人 摘果機(jī)器人摘果機(jī)器人19三、機(jī)器人的分類三、機(jī)器人的分類擦玻璃機(jī)器人擦玻璃機(jī)器人 無人潛水器無人潛水器20三、機(jī)器人的分類三、機(jī)器人的分類

17、排爆機(jī)器人排爆機(jī)器人 外科手術(shù)機(jī)器人外科手術(shù)機(jī)器人21三、機(jī)器人的分類三、機(jī)器人的分類雙足仿人機(jī)器人雙足仿人機(jī)器人 球機(jī)器人球機(jī)器人22三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語自由度自由度（degree of freedomdegree of freedom， dof dof ）, ,物體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)物體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度，對于自由剛體，具有的數(shù)目稱為自由度，對于自由剛體，具有6 6個(gè)自由度。通常作為機(jī)器人的個(gè)自由度。通常作為機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)，反映機(jī)器人靈活性，對于焊接機(jī)器人一般具有技術(shù)指標(biāo)，反映機(jī)器人靈活性，對于焊接機(jī)器人一般具有5 56 6個(gè)自由度個(gè)自

18、由度位姿位姿（posepose），），指工具的位置和姿態(tài)。指工具的位置和姿態(tài)。末端操作器末端操作器（end end effectoreffector），），位于機(jī)器人腕部末端，直接執(zhí)行工作要求的裝置，如夾持器、焊槍、焊位于機(jī)器人腕部末端，直接執(zhí)行工作要求的裝置，如夾持器、焊槍、焊鉗等鉗等額定負(fù)載額定負(fù)載（payloadpayload），），也稱為持重也稱為持重弧焊機(jī)器人：弧焊機(jī)器人：5 52020kgkg點(diǎn)焊機(jī)器人：點(diǎn)焊機(jī)器人：5050200200kgkg23三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語工作空間工作空間（working spaceworking space），），機(jī)器人工作時(shí)，

19、其腕軸交點(diǎn)能在空間活動(dòng)機(jī)器人工作時(shí)，其腕軸交點(diǎn)能在空間活動(dòng)的范圍。的范圍。重復(fù)位姿精度重復(fù)位姿精度（pose repeatabilitypose repeatability），），在同一條件下，重復(fù)在同一條件下，重復(fù)n n次所測得次所測得的位姿一致程度。的位姿一致程度。軌跡重復(fù)精度軌跡重復(fù)精度（path repeatabilitypath repeatability），），沿同一軌跡跟隨沿同一軌跡跟隨n n次，所測得的次，所測得的軌跡之間的一致程度軌跡之間的一致程度24第二章第二章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析第一節(jié)第一節(jié) 位置和姿態(tài)的表示位置和姿態(tài)的表示第二節(jié)第二節(jié) 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換第三

20、節(jié)第三節(jié) 機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系第四節(jié)第四節(jié) 連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程第五節(jié)第五節(jié) 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題25機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究內(nèi)容機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究內(nèi)容 一般可以將機(jī)器人看作是一個(gè)開鏈?zhǔn)蕉噙B桿機(jī)構(gòu)，始端連桿就是機(jī)器人的機(jī)一般可以將機(jī)器人看作是一個(gè)開鏈?zhǔn)蕉噙B桿機(jī)構(gòu)，始端連桿就是機(jī)器人的機(jī)座，末端連桿與工具相連，相鄰連桿之間用一個(gè)關(guān)節(jié)連接在一起。座，末端連桿與工具相連，相鄰連桿之間用一個(gè)關(guān)節(jié)連接在一起。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)包括兩方面問題：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)包括兩方面問題：運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題：已知各關(guān)節(jié)角值，求工具在空間的位置和姿態(tài)。實(shí)際上，

21、運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題：已知各關(guān)節(jié)角值，求工具在空間的位置和姿態(tài)。實(shí)際上，這是建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的過程。這是建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的過程。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題：已知工具的位姿，求各關(guān)節(jié)角值，這是求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題：已知工具的位姿，求各關(guān)節(jié)角值，這是求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的問題。問題。26第一節(jié)第一節(jié) 位置和方位的表示位置和方位的表示 為了描述機(jī)器人本身各連桿之間、機(jī)器人和環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通常將它為了描述機(jī)器人本身各連桿之間、機(jī)器人和環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通常將它們看作剛體。們看作剛體。 剛體的位置和姿態(tài)描述剛體的位置和姿態(tài)描述 在直角坐標(biāo)系在直角坐標(biāo)系a中，任意一點(diǎn)中，任意一點(diǎn)p的位置可以用的位置可以用31列向量表示。

22、稱為列向量表示。稱為位置矢量位置矢量xayzppppaxayaz(,)xyzp pppapo27第一節(jié)第一節(jié) 位置和方位的表示位置和方位的表示 為了確定剛體為了確定剛體b的姿態(tài)（也稱方位），設(shè)一個(gè)坐標(biāo)系的姿態(tài)（也稱方位），設(shè)一個(gè)坐標(biāo)系b與該剛體固接。與該剛體固接。用坐標(biāo)系的三個(gè)單位主矢量用坐標(biāo)系的三個(gè)單位主矢量xb， yb，zb相對于參考坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系a的方向余弦組的方向余弦組成的成的33矩陣表示剛體矩陣表示剛體b相對于坐標(biāo)系相對于坐標(biāo)系a的姿態(tài)。的姿態(tài)。 稱為稱為旋轉(zhuǎn)矩陣旋轉(zhuǎn)矩陣，也可表示成：，也可表示成： 旋轉(zhuǎn)矩陣是正交的。旋轉(zhuǎn)矩陣是正交的。111213212223313233ab

23、rrrrrrrrrraaaabbbbrxyz28第一節(jié)第一節(jié) 位置和方位的表示位置和方位的表示按照上述定義，繞按照上述定義，繞 x 軸旋轉(zhuǎn)了軸旋轉(zhuǎn)了 角的旋轉(zhuǎn)矩陣，為角的旋轉(zhuǎn)矩陣，為100( , )0cossin0sincosr x()abxxayazobybz同樣也可以寫出同樣也可以寫出r（y，），），r（z，）總之，總之，用位置矢量描述剛體的位置，用旋轉(zhuǎn)矩陣描述剛體的姿態(tài)用位置矢量描述剛體的位置，用旋轉(zhuǎn)矩陣描述剛體的姿態(tài)（方位）（方位）29第一節(jié)第一節(jié) 位置和方位的表示位置和方位的表示 為了完全描述剛體為了完全描述剛體b在空間的位置和姿態(tài)，通常將剛體在空間的位置和姿態(tài)，通常將剛體b與某一坐

24、標(biāo)系相固與某一坐標(biāo)系相固接，通常記為接，通常記為b，b的原點(diǎn)一般選在剛體的原點(diǎn)一般選在剛體b的特征點(diǎn)上，如質(zhì)心或?qū)ΨQ中的特征點(diǎn)上，如質(zhì)心或?qū)ΨQ中心等。對弧焊機(jī)器人中的焊槍可以將原點(diǎn)選在焊槍電極端部。心等。對弧焊機(jī)器人中的焊槍可以將原點(diǎn)選在焊槍電極端部。則相對于參考坐標(biāo)系則相對于參考坐標(biāo)系a，用位置矢量用位置矢量apb0和旋轉(zhuǎn)矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣 分別描述分別描述b原點(diǎn)位原點(diǎn)位置及坐標(biāo)系的方位，即剛體置及坐標(biāo)系的方位，即剛體b的位置和姿態(tài)可由坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)可由坐標(biāo)系b來描述：來描述： ,oaabbbrpabr當(dāng)表示位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)矩陣為單位陣；當(dāng)表示位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)矩陣為單位陣；當(dāng)表示姿態(tài)時(shí)，位置矢量等于

25、零。當(dāng)表示姿態(tài)時(shí)，位置矢量等于零。30第二節(jié)第二節(jié) 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換 1、坐標(biāo)平移、坐標(biāo)平移坐標(biāo)系坐標(biāo)系b與與a具有相同的方位，但具有相同的方位，但b的原點(diǎn)與的原點(diǎn)與a的原點(diǎn)不重合，的原點(diǎn)不重合，則空間任意點(diǎn)則空間任意點(diǎn)p在在a中的描述可以表示為：中的描述可以表示為：oababppp稱為坐標(biāo)平移方程稱為坐標(biāo)平移方程axayazapobxbybzopbpoabp31第二節(jié)第二節(jié) 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換 2、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系坐標(biāo)系b與與a原點(diǎn)重合，但兩者的方位不同，則空間任意點(diǎn)原點(diǎn)重合，但兩者的方位不同，則空間任意點(diǎn)p在在a中中的描述可以表示為：的描述可以表示為：aabbpr p稱為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方程

26、稱為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方程 3、一般變換、一般變換坐標(biāo)系坐標(biāo)系b與與a既不共原點(diǎn)，方位亦不同，此時(shí)，既不共原點(diǎn)，方位亦不同，此時(shí)，oaababbpr pp32第二節(jié)第二節(jié) 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換 4 4、齊次坐標(biāo)變換、齊次坐標(biāo)變換用用4 41 1列向量表示三維空間坐標(biāo)系中的點(diǎn)：列向量表示三維空間坐標(biāo)系中的點(diǎn)：xayxyzbabczc 稱為齊次坐標(biāo)，齊次坐標(biāo)具有不唯一性。引入齊次坐標(biāo)后，一般變換變?yōu)椋悍Q為齊次坐標(biāo)，齊次坐標(biāo)具有不唯一性。引入齊次坐標(biāo)后，一般變換變?yōu)椋?10001oaaabbbrpppapbpaabbptp33第二節(jié)第二節(jié) 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換0001oaabbabrpt稱為齊次變換矩陣稱為齊次變換矩

27、陣300()( , )000010001ooaabbaabbiprttransprot k34第二節(jié)第二節(jié) 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換001110030101.50001abt舉例：如果舉例：如果axayazobxbybzoxb與與ya同向；同向；yb與與za同向；同向；zb與與xa同向。同向。131.51oabp則，則，35第三節(jié)第三節(jié) 機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系 對于一個(gè)對于一個(gè)6自由度機(jī)器人，有自由度機(jī)器人，有6個(gè)連桿和個(gè)連桿和6個(gè)關(guān)節(jié)組成。編號時(shí)，機(jī)個(gè)關(guān)節(jié)組成。編號時(shí)，機(jī)座稱為連桿座稱為連桿0，不包含在這，不包含在這6個(gè)連桿個(gè)連桿內(nèi)，連桿內(nèi)，連桿1與機(jī)座由關(guān)節(jié)與機(jī)座由關(guān)

28、節(jié)1相連，連相連，連桿桿2通過關(guān)節(jié)通過關(guān)節(jié)2與連桿與連桿1相連，依此類相連，依此類推。推。關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)1 1關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)2 2關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)3 3關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)4 4關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)5 5關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)6 6連桿連桿0 0連桿連桿1 1連桿連桿2 2連桿連桿3 3連桿連桿4 4連桿連桿5 5連桿連桿6 6 如前所述，可以將機(jī)器人看作如前所述，可以將機(jī)器人看作是一個(gè)開鏈?zhǔn)蕉噙B桿機(jī)構(gòu)，始端連是一個(gè)開鏈?zhǔn)蕉噙B桿機(jī)構(gòu)，始端連桿就是機(jī)器人的機(jī)座，末端連桿與桿就是機(jī)器人的機(jī)座，末端連桿與工具相連，相鄰連桿之間用一個(gè)關(guān)工具相連，相鄰連桿之間用一個(gè)關(guān)節(jié)連接在一起。節(jié)連接在一起。36第三節(jié)第三節(jié) 機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐

29、標(biāo)系1、連桿參數(shù)、連桿參數(shù)（1）連桿長度）連桿長度ai-1連桿兩端軸線間的距離連桿兩端軸線間的距離連桿i-1軸i-1軸ii-1a1i（2）連桿扭角）連桿扭角連桿兩端軸線間的夾角，方向?yàn)檫B桿兩端軸線間的夾角，方向?yàn)閺膹?i-1軸到軸到 i 軸軸1i37第三節(jié)第三節(jié) 機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系2、連桿連接參數(shù)、連桿連接參數(shù)（1）連桿之間的距離）連桿之間的距離diai , ai-1 之間的距離之間的距離（2）關(guān)節(jié)角）關(guān)節(jié)角ai , ai-1 之間的夾角，方向?yàn)閺闹g的夾角，方向?yàn)閺?ai-1 到到 ai i連桿i-1軸i-1軸ii-1a1iiaiid連桿i38第三節(jié)第三節(jié)

30、機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系 以上定義為一般情況，對運(yùn)動(dòng)鏈的兩端，有一些習(xí)慣約定：以上定義為一般情況，對運(yùn)動(dòng)鏈的兩端，有一些習(xí)慣約定：0na =a =000n 如果關(guān)節(jié)如果關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，則為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，則 1是可變的，習(xí)慣上約定是可變的，習(xí)慣上約定d1=0 如果關(guān)節(jié)如果關(guān)節(jié)1為移動(dòng)關(guān)節(jié)，則為移動(dòng)關(guān)節(jié)，則d1是可變的，習(xí)慣上約定是可變的，習(xí)慣上約定 1 =0 這些約定同樣適用于關(guān)節(jié)這些約定同樣適用于關(guān)節(jié)n 所以，每個(gè)連桿可以由四個(gè)參數(shù)所以，每個(gè)連桿可以由四個(gè)參數(shù) 來描述，其中來描述，其中描述的為連桿描述的為連桿i-1本身的性質(zhì)，本身的性質(zhì)， 描述的為連桿描述的為連桿i-

31、1 和連桿和連桿i之間的之間的關(guān)系。關(guān)系。 i-1i-1iia , ,d ,i-1i-1a ,iid , 當(dāng)機(jī)器人的連桿鏈制作完成后，如果為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，當(dāng)機(jī)器人的連桿鏈制作完成后，如果為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)， i 為變量，若為移動(dòng)關(guān)為變量，若為移動(dòng)關(guān)節(jié)，則節(jié)，則di 為變量，其余參數(shù)為常量。所以對于一個(gè)為變量，其余參數(shù)為常量。所以對于一個(gè)6自由度機(jī)器人，用自由度機(jī)器人，用18個(gè)參數(shù)個(gè)參數(shù)描述其固定部分，用描述其固定部分，用6個(gè)關(guān)節(jié)變量描述其變動(dòng)部分，這種描述方法成為個(gè)關(guān)節(jié)變量描述其變動(dòng)部分，這種描述方法成為d-h法。法。（denavit 和和 hartenberg提出的）提出的）39第三節(jié)第三節(jié) 機(jī)器人連桿

32、參數(shù)及連桿坐標(biāo)系機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系3、連桿坐標(biāo)系、連桿坐標(biāo)系為了確定各連桿之間的相對運(yùn)動(dòng)為了確定各連桿之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在各連桿上分別建立一個(gè)關(guān)系，在各連桿上分別建立一個(gè)坐標(biāo)系。與機(jī)座固接的坐標(biāo)系記坐標(biāo)系。與機(jī)座固接的坐標(biāo)系記為為0，與連桿，與連桿 i 固接的坐標(biāo)系固接的坐標(biāo)系記為記為i坐標(biāo)系坐標(biāo)系i1的建立過程：的建立過程： zi-1與軸與軸i-1重合，一般指向關(guān)節(jié)重合，一般指向關(guān)節(jié)i-1 xi-1與與ai-1重合，指向關(guān)節(jié)重合，指向關(guān)節(jié)i yi-1按右手法則確定，按右手法則確定，yi-1=zi-1xi-1 原點(diǎn)取在軸原點(diǎn)取在軸i-1與與ai-1交點(diǎn)上交點(diǎn)上連桿i-1軸i-1軸ii

33、-1a1iiaiid連桿i1ix1iy1iz1ioixiyizio40第三節(jié)第三節(jié) 機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系對于基坐標(biāo)系對于基坐標(biāo)系0，一般約定當(dāng)關(guān)節(jié)，一般約定當(dāng)關(guān)節(jié)1變量為零時(shí)，變量為零時(shí)，0與與1重合重合對于末端連桿坐標(biāo)系對于末端連桿坐標(biāo)系n，也約定，當(dāng)關(guān)節(jié)也約定，當(dāng)關(guān)節(jié)n-1為零時(shí)，為零時(shí)，n與與n-1重合重合 連桿參數(shù)在坐標(biāo)系中的含義：連桿參數(shù)在坐標(biāo)系中的含義：連桿i-1軸i-1軸ii-1a1iiaiid連桿i1ix1iy1iz1ioixiyizioi-1i-1ii-1a zzx到 沿的距離i-1i-1ii-1 zzx到 繞的轉(zhuǎn)角ii-1iid xxz到 沿

34、 的距離ii-1ii xxz到 繞 的轉(zhuǎn)角41第四節(jié)第四節(jié) 連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程在各連桿上建立坐標(biāo)系之后，可以進(jìn)行連桿坐標(biāo)系之間的變換。在各連桿上建立坐標(biāo)系之后，可以進(jìn)行連桿坐標(biāo)系之間的變換。i到到i-1的變換矩陣用的變換矩陣用 表示。表示。根據(jù)連桿坐標(biāo)系的定義，根據(jù)連桿坐標(biāo)系的定義， i到到i-1的變換如下：的變換如下：先假設(shè)先假設(shè)i與與i-1重合重合i-1iti-1i-1(1) x繞旋轉(zhuǎn)i-1i-12 xa（ ） 沿平移i-1i(3) z繞旋轉(zhuǎn)i-1i4 zd（ ） 沿平移得到坐標(biāo)系得到坐標(biāo)系ii-1ii-1i-1iit=rot(x, )trans(x,a )r

35、ot(z,)trans(z,d)42第四節(jié)第四節(jié) 連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程iii-1ii-1ii-1i-1ii-1ii-1ii-1i-1ii-1cos-sin0asin coscos sin-sin-d cossin sincos sincosd cos0001i-1it=這就是連桿坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，機(jī)器人制作完成后，每個(gè)關(guān)節(jié)只有這就是連桿坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，機(jī)器人制作完成后，每個(gè)關(guān)節(jié)只有一個(gè)變量，一個(gè)變量，對于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)對于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)對于移動(dòng)關(guān)節(jié)對于移動(dòng)關(guān)節(jié)i-1iit= f()di-1iit= f()43第四節(jié)第四節(jié) 連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方

36、程 將個(gè)連桿變換矩陣相乘，可得將個(gè)連桿變換矩陣相乘，可得001n-1n12ni= ( ) i=1,2nt= t tt f 這就是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，描述的是末端連桿（工具）相對于基這就是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，描述的是末端連桿（工具）相對于基坐標(biāo)系之間的變換矩陣與關(guān)節(jié)變量的之間的關(guān)系。坐標(biāo)系之間的變換矩陣與關(guān)節(jié)變量的之間的關(guān)系。 如果通過傳感器獲得各關(guān)節(jié)變量的值，就可以確定機(jī)器人末端連桿如果通過傳感器獲得各關(guān)節(jié)變量的值，就可以確定機(jī)器人末端連桿上工具的位置和姿態(tài)。這樣就解決了機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。上工具的位置和姿態(tài)。這樣就解決了機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。44第五節(jié)第五節(jié) 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題運(yùn)動(dòng)學(xué)逆

37、問題的相關(guān)問題 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程運(yùn)動(dòng)學(xué)方程001n-1n12ni= ( ) i=1,2nt= t tt f 對于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題，即已知末端位姿，求各關(guān)節(jié)變量值，也對于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題，即已知末端位姿，求各關(guān)節(jié)變量值，也就是已知就是已知 求求 （求運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的根）（求運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的根） 在運(yùn)動(dòng)學(xué)方程兩端左乘在運(yùn)動(dòng)學(xué)方程兩端左乘 ，對于，對于6自由度機(jī)器人，有自由度機(jī)器人，有0nti0-11()t0-10123451623456()tt= t t t t t123456( )( , , , , )g= f 求解時(shí)，一般不是聯(lián)立求解求解時(shí)，一般不是聯(lián)立求解12個(gè)方程，而是找出方程右端的常數(shù)項(xiàng)，令個(gè)方程

38、，而是找出方程右端的常數(shù)項(xiàng)，令其與左端相應(yīng)項(xiàng)相等，即找出僅含有其與左端相應(yīng)項(xiàng)相等，即找出僅含有1 1 的方程，求出的方程，求出1 1 將將1 1 代入上面方程中，利用同樣方法，可以依次求出代入上面方程中，利用同樣方法，可以依次求出2 23 34 4 5 56 6 求解時(shí)，需要直覺觀察與經(jīng)驗(yàn)，也可以采用數(shù)值解法（復(fù)雜）。求解時(shí)，需要直覺觀察與經(jīng)驗(yàn)，也可以采用數(shù)值解法（復(fù)雜）。45第五節(jié)第五節(jié) 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題 1、解的存在性和工作空間、解的存在性和工作空間 指機(jī)器人能否到達(dá)所指定的位姿。指機(jī)器人能否到達(dá)所指定的位姿。 例如，對于平面例如，對于平面2r機(jī)械手，可直觀機(jī)械

39、手，可直觀地寫出其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程地寫出其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程1121211212coscos()sinsin()xllyll 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題：運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題：12 x, y) 已知（，求121l2lxyp()x, y46第五節(jié)第五節(jié) 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題 p點(diǎn)在圓環(huán)內(nèi)有解點(diǎn)在圓環(huán)內(nèi)有解 通常將解存在的區(qū)域稱為機(jī)器人通常將解存在的區(qū)域稱為機(jī)器人的工作空間。分為的工作空間。分為2類：類： 靈活工作空間，工具能以任意姿靈活工作空間，工具能以任意姿態(tài)到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)集合；態(tài)到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)集合； 可達(dá)工作空間，機(jī)器人工具至少可達(dá)工作空間，機(jī)器人工具至少能以一個(gè)姿態(tài)到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)集合。能以一個(gè)姿態(tài)到達(dá)的目標(biāo)

40、點(diǎn)集合。 對于本例，靈活工作空間只有一對于本例，靈活工作空間只有一個(gè)點(diǎn)。個(gè)點(diǎn)。121l2lxyp()x, y12ll12-l l 如果末端再增加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，則如果末端再增加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，則靈活空間會(huì)變大。即自由度增多，機(jī)靈活空間會(huì)變大。即自由度增多，機(jī)器人變靈活。器人變靈活。47第五節(jié)第五節(jié) 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題 2、解的唯一性和最優(yōu)解、解的唯一性和最優(yōu)解 隨著自由度的增多，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的解越隨著自由度的增多，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的解越多，即達(dá)到空間某一位姿，各關(guān)節(jié)變量可多，即達(dá)到空間某一位姿，各關(guān)節(jié)變量可以有多種不同的組合。如以有多種不同的組合。如3r機(jī)械手當(dāng)前機(jī)械手當(dāng)前的位姿

41、，有兩組解。的位姿，有兩組解。p()x, y 對于對于6自由度機(jī)器人，解自由度機(jī)器人，解的數(shù)量最多可達(dá)的數(shù)量最多可達(dá)16個(gè)。個(gè)。 右圖為右圖為puma560機(jī)器人，機(jī)器人，工具在當(dāng)前位姿條件下，具工具在當(dāng)前位姿條件下，具有有8組解。組解。48第五節(jié)第五節(jié) 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題 如何選?。咳绾芜x??？ 避免碰撞；避免碰撞； 最短行程；最短行程； 多動(dòng)小關(guān)節(jié)，少動(dòng)大關(guān)節(jié)；多動(dòng)小關(guān)節(jié)，少動(dòng)大關(guān)節(jié)； 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)：運(yùn)動(dòng)與受力之間的關(guān)系機(jī)器人動(dòng)力學(xué)：運(yùn)動(dòng)與受力之間的關(guān)系 正問題：根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，計(jì)算操作臂的運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度）；正問題：根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，計(jì)算操作臂的運(yùn)動(dòng)（位

42、移、速度、加速度）； 逆問題：已知機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡對應(yīng)的位移、速度、加速度，求所需每個(gè)關(guān)節(jié)逆問題：已知機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡對應(yīng)的位移、速度、加速度，求所需每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩；的驅(qū)動(dòng)力矩；49第三章第三章 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)第二節(jié)第二節(jié) 位置控制位置控制50第一節(jié)第一節(jié) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。 常采用的電動(dòng)機(jī)為：常采用的電動(dòng)機(jī)為： 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)51第一節(jié)第一節(jié) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 經(jīng)常應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)，特點(diǎn)為具有

43、較大的低速轉(zhuǎn)矩，可經(jīng)常應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)，特點(diǎn)為具有較大的低速轉(zhuǎn)矩，可不配減速器，直接驅(qū)動(dòng)。主要分為三類：不配減速器，直接驅(qū)動(dòng)。主要分為三類： 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)子由磁性材料制成，永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)子由磁性材料制成，具有低力矩、低速度、低成本的特點(diǎn)。一般用具有低力矩、低速度、低成本的特點(diǎn)。一般用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備（打印機(jī)、光驅(qū)等）于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備（打印機(jī)、光驅(qū)等） 變磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：沒有磁性材料，不通變磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：沒有磁性材料，不通電時(shí)，沒有保持力矩，也稱感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)電時(shí)，沒有保持力矩，也稱感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：上述原理的結(jié)合，是目混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：上述原理的結(jié)合，是目

44、前應(yīng)用越來越廣的一種。前應(yīng)用越來越廣的一種。52第一節(jié)第一節(jié) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 20世紀(jì)世紀(jì)80年代中期以前被廣泛使用，優(yōu)點(diǎn)為易于控制，缺點(diǎn)是需要定期維年代中期以前被廣泛使用，優(yōu)點(diǎn)為易于控制，缺點(diǎn)是需要定期維護(hù)，速度不能太高，功率不能太大。護(hù)，速度不能太高，功率不能太大。 定子磁場是永磁鐵提供的，線圈中通入定子磁場是永磁鐵提供的，線圈中通入電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，需要換向電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，需要換向器改變電流方向。受換向器（電刷）影響，器改變電流方向。受換向器（電刷）影響，需要定期維護(hù)，且速度不能太高。由于線圈需要定期維護(hù)，且速度不能太高。由于線圈繞在

45、轉(zhuǎn)子上，散熱問題不易解決，功率不能繞在轉(zhuǎn)子上，散熱問題不易解決，功率不能太大。太大。53第一節(jié)第一節(jié) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子是永磁的，線圈繞在定子上，沒有電刷。線圈中通交變電流。轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)子是永磁的，線圈繞在定子上，沒有電刷。線圈中通交變電流。轉(zhuǎn)子上裝有碼盤傳感器，檢測轉(zhuǎn)子所處的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，控制通電方向。裝有碼盤傳感器，檢測轉(zhuǎn)子所處的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，控制通電方向。由于線圈繞在定子上，可以通過外殼散熱，可做成大功率電機(jī)。沒有電刷，免由于線圈繞在定子上，可以通過外殼散熱，可做成大功率電機(jī)。沒有電刷，免維護(hù)。是目前在機(jī)器人上應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。維護(hù)。是目前在

46、機(jī)器人上應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。54第一節(jié)第一節(jié) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：和步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：1、實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；、實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到20003000轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)；3、抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求、抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場合特別適用；快速起動(dòng)的場合特別適用；4、低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)

47、象。、低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。5、電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；、電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；6、發(fā)熱和噪音明顯降低。、發(fā)熱和噪音明顯降低。55第一節(jié)第一節(jié) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 減速機(jī)減速機(jī) 目前，機(jī)器人普遍采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了提高控制精度，增大驅(qū)動(dòng)目前，機(jī)器人普遍采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了提高控制精度，增大驅(qū)動(dòng)力矩，一般均需配置減速機(jī)。通常配備力矩，一般均需配置減速機(jī)。通常配備rv減速機(jī)（精度高、剛性好）減速機(jī)（精度高、剛性好）56第二節(jié)第二節(jié) 位置控制位置控制 機(jī)器人是由多軸（關(guān)節(jié)）組成，每軸的運(yùn)動(dòng)都影響機(jī)器人

48、未端的位置和機(jī)器人是由多軸（關(guān)節(jié)）組成，每軸的運(yùn)動(dòng)都影響機(jī)器人未端的位置和姿態(tài)。如何協(xié)調(diào)各軸的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人未端完成要求的軌跡，姿態(tài)。如何協(xié)調(diào)各軸的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人未端完成要求的軌跡， 是需要解決的是需要解決的問題。問題。 由于絕大多數(shù)機(jī)器人是關(guān)節(jié)式運(yùn)動(dòng)形式，很難直接檢測機(jī)器人未端的運(yùn)由于絕大多數(shù)機(jī)器人是關(guān)節(jié)式運(yùn)動(dòng)形式，很難直接檢測機(jī)器人未端的運(yùn)動(dòng)，只能對各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。屬于半閉環(huán)系統(tǒng)，即僅從電動(dòng)機(jī)軸上閉環(huán)。動(dòng)，只能對各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。屬于半閉環(huán)系統(tǒng)，即僅從電動(dòng)機(jī)軸上閉環(huán)。 位置控制器功率放大光電碼盤給定位置m位置反饋速度反饋電流反饋57第二節(jié)第二節(jié) 位置控制位置控制 目前機(jī)器人基本操作方式為示教

49、再現(xiàn)，示教時(shí)，不能將軌跡上的所有點(diǎn)目前機(jī)器人基本操作方式為示教再現(xiàn)，示教時(shí)，不能將軌跡上的所有點(diǎn)都示教一遍，一是費(fèi)時(shí)，二是占用大量的存儲(chǔ)器。都示教一遍，一是費(fèi)時(shí)，二是占用大量的存儲(chǔ)器。 實(shí)際上，對于有規(guī)律的軌跡，僅示教幾個(gè)特征點(diǎn)。對直線軌跡，僅示教兩實(shí)際上，對于有規(guī)律的軌跡，僅示教幾個(gè)特征點(diǎn)。對直線軌跡，僅示教兩個(gè)端點(diǎn)；對圓弧軌跡，示教三點(diǎn)（起點(diǎn)、終點(diǎn)、中間點(diǎn)），軌跡上其它中間點(diǎn)個(gè)端點(diǎn)；對圓弧軌跡，示教三點(diǎn)（起點(diǎn)、終點(diǎn)、中間點(diǎn)），軌跡上其它中間點(diǎn)的坐標(biāo)通過插補(bǔ)方法獲得。的坐標(biāo)通過插補(bǔ)方法獲得。 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)節(jié)位置控制軌跡的示教點(diǎn)位姿反饋插補(bǔ)算法中間位姿i關(guān)節(jié)電機(jī)1上位計(jì)算機(jī)伺服控制器關(guān)節(jié)位置控制

50、反饋關(guān)節(jié)電機(jī)258第二節(jié)第二節(jié) 位置控制位置控制 插補(bǔ)方式：插補(bǔ)方式： 定時(shí)插補(bǔ)定時(shí)插補(bǔ)每隔一定時(shí)間插補(bǔ)一次，插補(bǔ)時(shí)間間隔每隔一定時(shí)間插補(bǔ)一次，插補(bǔ)時(shí)間間隔ts一般不超過一般不超過25ms 定距插補(bǔ)定距插補(bǔ)每隔一定距離插補(bǔ)一次，可避免快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，定時(shí)插補(bǔ)造成的軌跡失真。每隔一定距離插補(bǔ)一次，可避免快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，定時(shí)插補(bǔ)造成的軌跡失真。但也受伺服周期限制。但也受伺服周期限制。 插補(bǔ)算法插補(bǔ)算法： 直線插補(bǔ)直線插補(bǔ)將兩示教點(diǎn)之間按照直線規(guī)律計(jì)算中間點(diǎn)坐標(biāo)。將兩示教點(diǎn)之間按照直線規(guī)律計(jì)算中間點(diǎn)坐標(biāo)。圓弧插補(bǔ)圓弧插補(bǔ)按圓弧規(guī)律計(jì)算中間點(diǎn)。按圓弧規(guī)律計(jì)算中間點(diǎn)。59第二節(jié)第二節(jié) 位置控制位置控制直線插補(bǔ)直

51、線插補(bǔ)設(shè)機(jī)器人末端要從設(shè)機(jī)器人末端要從po運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)到pe，運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度v，插補(bǔ)時(shí)間間隔插補(bǔ)時(shí)間間隔ts直線長度：直線長度：插補(bǔ)間隔內(nèi)的行程：插補(bǔ)間隔內(nèi)的行程：d=vts插補(bǔ)的總步數(shù)：插補(bǔ)的總步數(shù)：n=int( l/d ) + 1各方向上的增量：各方向上的增量：各插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)：各插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)：xyz(,)eeeep xy zo (,)oooopxyz222000)eeelxxyyzz（000)/)/)/eeexxxnyyynzzzn （111(0 1 2iiiiiixxxyyyinzzz ， ， ， ）60第二節(jié)第二節(jié) 位置控制位置控制圓弧插補(bǔ)圓弧插補(bǔ)空間不共線三點(diǎn)空間不共線三點(diǎn)p1，p2

52、，p3構(gòu)成一段圓弧。構(gòu)成一段圓弧。首先進(jìn)行坐標(biāo)變換，把空間圓弧變換為平面首先進(jìn)行坐標(biāo)變換，把空間圓弧變換為平面圓弧。圓弧。原點(diǎn)與圓弧的圓心重合，原點(diǎn)與圓弧的圓心重合，z軸為外法線方向。軸為外法線方向。如果如果zr與與z0夾角為夾角為 ，xr與與x0夾角為夾角為 or在基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（在基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（x0，y0，z0）0 x0y0zorzrxryro111122223333( ,)(,)(,)p x y zpxyzp xy zacb0r000t=trans(x ,y ,z )r(z,)r(x, )61第二節(jié)第二節(jié) 位置控制位置控制對于平面圓?。簩τ谄矫鎴A弧：半徑半徑r總的圓心角總的圓心

53、角tsts時(shí)間內(nèi)的角位移時(shí)間內(nèi)的角位移 tsvtsv/r/r插補(bǔ)步數(shù)：插補(bǔ)步數(shù)：n= n= 1 111 0,1,2iiiiiixxyinyyxcos- sincossinxyo11p2p3p小結(jié)：小結(jié)：1、將示教點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為、將示教點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為r坐標(biāo)值坐標(biāo)值 2、按平面圓弧插補(bǔ)算法，得到插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)（、按平面圓弧插補(bǔ)算法，得到插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)（xr，yr） 3、轉(zhuǎn)換到基坐標(biāo)系中、轉(zhuǎn)換到基坐標(biāo)系中0r( , , ,1)t( ,0,1)ttrrx y zx y62第四章第四章 弧焊機(jī)器人編程技術(shù)弧焊機(jī)器人編程技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人的編程基礎(chǔ)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)第二節(jié)第二節(jié) 弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)弧焊機(jī)器人離

54、線編程技術(shù)63第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人的編程基礎(chǔ)機(jī)器人的編程基礎(chǔ) 通過前面的知識(shí)，我們知道，機(jī)器人是一個(gè)軟件可控的機(jī)通過前面的知識(shí)，我們知道，機(jī)器人是一個(gè)軟件可控的機(jī)電裝置，可通過編程定義其作業(yè)內(nèi)容。電裝置，可通過編程定義其作業(yè)內(nèi)容。 目前，對機(jī)器人編程的方式可以分為以下三種：目前，對機(jī)器人編程的方式可以分為以下三種： 示教編程示教編程 機(jī)器人語言編程機(jī)器人語言編程 離線編程離線編程64第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人的編程基礎(chǔ)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)1、示教編程、示教編程 示教編程是目前工業(yè)機(jī)器人廣泛使用的編程方法，根據(jù)任示教編程是目前工業(yè)機(jī)器人廣泛使用的編程方法，根據(jù)任務(wù)的需要，將機(jī)器人末端工具移動(dòng)到所需的位置及

55、姿態(tài)，然后務(wù)的需要，將機(jī)器人末端工具移動(dòng)到所需的位置及姿態(tài)，然后把每一個(gè)位姿連同運(yùn)行速度、焊接參數(shù)等記錄并存儲(chǔ)下來，機(jī)把每一個(gè)位姿連同運(yùn)行速度、焊接參數(shù)等記錄并存儲(chǔ)下來，機(jī)器人便可以按照示教的位姿再現(xiàn)。器人便可以按照示教的位姿再現(xiàn)。 示教方式有兩種：示教方式有兩種： 手把手示教手把手示教 示教盒示教示教盒示教 65第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人的編程基礎(chǔ)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)示教盒示教盒控制器控制器現(xiàn)場現(xiàn)場示教編程的優(yōu)點(diǎn)：示教編程的優(yōu)點(diǎn)： 不需要預(yù)備知識(shí)和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)裝置，方法簡單、易于掌握。不需要預(yù)備知識(shí)和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)裝置，方法簡單、易于掌握。示教編程的缺點(diǎn)：示教編程的缺點(diǎn)： 占用生產(chǎn)時(shí)間，難于適應(yīng)小批量、

56、多品種的柔性生產(chǎn)需要；占用生產(chǎn)時(shí)間，難于適應(yīng)小批量、多品種的柔性生產(chǎn)需要； 編程人員工作環(huán)境差、強(qiáng)度大，一旦失誤，會(huì)造成人員傷亡或設(shè)備損壞；編程人員工作環(huán)境差、強(qiáng)度大，一旦失誤，會(huì)造成人員傷亡或設(shè)備損壞； 編程效率低。編程效率低。66第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人的編程基礎(chǔ)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)2、機(jī)器人語言、機(jī)器人語言 機(jī)器人語言提供了一種通用的人與機(jī)器人之間的通訊手段。它是一種機(jī)器人語言提供了一種通用的人與機(jī)器人之間的通訊手段。它是一種專用語言，用符號描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，與常用的計(jì)算機(jī)編程語言相似。專用語言，用符號描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，與常用的計(jì)算機(jī)編程語言相似。 1973年，年，stanford人工智能實(shí)驗(yàn)室

57、開發(fā)了第一種機(jī)器人語言人工智能實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了第一種機(jī)器人語言wave語語言。言。 1974年，該實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了年，該實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了al語言語言 1979年，年，unimation公司開發(fā)了公司開發(fā)了val語言（類似于語言（類似于basic） 1984年，該公司推出了年，該公司推出了val ii語言語言 其他的機(jī)器人語言：其他的機(jī)器人語言：ibm公司的公司的aml語言及語言及autopass語言、語言、mit的的lama語言、語言、automatix公司的公司的rail語言等。語言等。67第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人的編程基礎(chǔ)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)根據(jù)作業(yè)描述水平的高低，機(jī)器人語言通常分為三級：根據(jù)作業(yè)描述水平的高

58、低，機(jī)器人語言通常分為三級： 動(dòng)作級：動(dòng)作級： 每一個(gè)指令對應(yīng)于一個(gè)動(dòng)作，如每一個(gè)指令對應(yīng)于一個(gè)動(dòng)作，如 move to ，優(yōu)點(diǎn)為：優(yōu)點(diǎn)為：語句簡潔，易于編程，缺點(diǎn)為：不能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，不能接受傳感器信語句簡潔，易于編程，缺點(diǎn)為：不能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，不能接受傳感器信息。息。val屬于動(dòng)作級。屬于動(dòng)作級。 對象級對象級: 是描述操作物體間關(guān)系使機(jī)器人動(dòng)作的語言。具有運(yùn)動(dòng)控制（與動(dòng)作是描述操作物體間關(guān)系使機(jī)器人動(dòng)作的語言。具有運(yùn)動(dòng)控制（與動(dòng)作級語言類似的功能）、處理傳感信息、通信和數(shù)字運(yùn)算、良好的擴(kuò)展性級語言類似的功能）、處理傳感信息、通信和數(shù)字運(yùn)算、良好的擴(kuò)展性（用戶可根據(jù)需要增加指令）等特點(diǎn)

59、。（用戶可根據(jù)需要增加指令）等特點(diǎn)。aml、autopass屬于對象級。屬于對象級。 任務(wù)級：任務(wù)級： 是比較高級的機(jī)器人語言，允許操作人員下達(dá)直接命令，不必規(guī)定機(jī)是比較高級的機(jī)器人語言，允許操作人員下達(dá)直接命令，不必規(guī)定機(jī)器人的動(dòng)作細(xì)節(jié)。如：焊接工件器人的動(dòng)作細(xì)節(jié)。如：焊接工件a，需要非常高的智能，目前還沒有真正需要非常高的智能，目前還沒有真正的任務(wù)級語言。的任務(wù)級語言。68第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人的編程基礎(chǔ)機(jī)器人的編程基礎(chǔ). edit demo. program demo1.? open2.? appro pick 503.? speed 304.? move pick5.? closei6.

60、? depart 707.? appros place 758.? speed 209.? moves place10.? openi11.? depart 5012.? e 啟動(dòng)編輯狀態(tài)啟動(dòng)編輯狀態(tài)val 響應(yīng)響應(yīng)下一步手張開下一步手張開運(yùn)動(dòng)至距運(yùn)動(dòng)至距pick位置位置50mm處處下一步降至下一步降至30滿速滿速運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)到pick位置位置閉合手閉合手后退后退70mm運(yùn)動(dòng)至距運(yùn)動(dòng)至距place位置位置75mm處處下一步降至下一步降至20滿速滿速運(yùn)動(dòng)至運(yùn)動(dòng)至place位置位置在下一步之前手張開在下一步之前手張開后退后退50mm退出編輯狀態(tài)退出編輯狀態(tài)valval程序舉例：程序舉例：將物體從位置