機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)知識總結(jié)概要

1、坐標(biāo)系ouvw除繞坐標(biāo)系oxyz的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)外，還可以繞它本身的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)。如果坐標(biāo)系ouvw繞坐標(biāo)系oxyz的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，則可對旋轉(zhuǎn)矩陣左乘相應(yīng)的基本旋轉(zhuǎn)矩陣；如果ouvw繞本身的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，則可對旋轉(zhuǎn)矩陣右乘相應(yīng)的基本旋轉(zhuǎn)矩陣。2目前機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)研究主要向下面所述的幾個方面深人發(fā)展：1. 機(jī)器人的軌跡規(guī)劃。2. 切實可行的設(shè)計和評價機(jī)器人的動力學(xué)方法。3. 適應(yīng)機(jī)器人的實時計算，減少計算時間，提高計算效率。4. 解決控制系統(tǒng)的反饋、穩(wěn)定等方面的問題。5. 隨著機(jī)器人以高速、高精度發(fā)展，考慮構(gòu)件彈性及振動影響的動力學(xué)研究6. 改進(jìn)和完善動力學(xué)建模方法。3國內(nèi)主要采用openGL軟件

2、實現(xiàn)機(jī)器人仿真4運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型簡化條件(1假設(shè)機(jī)器人各桿件是剛性的；忽略各桿件的變形，都當(dāng)作剛性構(gòu)件來處理；（2各構(gòu)件的摩擦忽略不計；目前，已經(jīng)能夠?qū)σ话憬Y(jié)構(gòu)的六自由度串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)求解，但是要獲得顯式解，只有滿足下列兩個充分條件之一：a3個相鄰關(guān)節(jié)軸交于一點。b3個相鄰關(guān)節(jié)軸平行。5假定坐標(biāo)系oxyz是三維空間中的固定坐標(biāo)系（在機(jī)器人運(yùn)動學(xué)中為總體坐標(biāo)系，坐標(biāo)系ouvw固定在機(jī)器人桿件上并隨桿件一起運(yùn)動（此坐標(biāo)系為附體坐標(biāo)系6齊次坐標(biāo)是用n+1維坐標(biāo)來描述n維空間的位置7在機(jī)器人桿件關(guān)節(jié)上建立坐標(biāo)系有兩種方法：一是把桿件坐標(biāo)系建立在每個桿件的下關(guān)節(jié)處；二是把桿件坐標(biāo)系建立在每個桿

3、件的上關(guān)節(jié)處。8i桿件的坐標(biāo)系設(shè)置在i+1號關(guān)節(jié)上，并固定i關(guān)節(jié)，坐標(biāo)系i與桿件i無相對運(yùn)動這種傳遞矩陣是把i桿件的坐標(biāo)系設(shè)置在i號關(guān)節(jié)上，并固定i關(guān)節(jié)，坐標(biāo)系i與桿件i無相對運(yùn)動9 樸件的怪度込兩關(guān)節(jié)軸紅邛山?jīng)_間離即曲關(guān)節(jié)軸鏤公垂紗的底度n 杯件的扭角將同一桿件上的一條軸線向另一條軸線平移使之相交，則此兩軸線的平而交箱就足該桿件的扭垢。 桿件的長度礙兩關(guān)節(jié)軸線的員毎距離即柄關(guān)節(jié)紬線公垂疑的長度. 桿件的扭角務(wù)將同-桿件上的-條軸線向刃-條軸線平10 M件的民度s兩關(guān)節(jié)軸紅的最也業(yè)滋即兩關(guān)節(jié)軸紅公垂紗的檢度. 桿件的扭角普轉(zhuǎn)同一桿件上的一條軸線向刃一條軸線平移使之相交，則此兩軸線的平面交角就是

4、該桿件的扭角。 關(guān)節(jié)變量g兩相鄰桿件相對位置的變化量。閆的方向由手定則確定. 偏置童£桿長線暫和衛(wèi)一在關(guān)節(jié)r軸線上截取的距離匚(1) 將坐標(biāo)系耳_|£_|兒_|二1%¥石軸轉(zhuǎn)動0角.使心軸與撿4行并捲向同一方向;(2) 將坐標(biāo)系耳_|£_|兒_|二匚沿二口軸平移百,使工口軸與坐*q工j二耳軸重合二將坐標(biāo)C7._jJC._j兒T*沿召T平移5便兩坐標(biāo)系的原J11 M件的反度込兩夬節(jié)軸紅的顯帕爆即兩關(guān)節(jié)紬紅公垂紗的長度 桿件的扭角將同一桿件上的一條軸線向另一條軸線平移便之相交*則此兩軸線的平面交角就足該杓件的扭；ft。 兀肖變雖Q兩和哪葉汗肘燦位置的變化量。

5、的方制由手定則確定中 偏置量必桿長線暫和仏在關(guān)節(jié)F軸線上截取的距離（1）將坐標(biāo)系j暫_|兒二-繞二-軸轉(zhuǎn)動碼角使撿_|軸與暫5疔井抬向同一方向m'味A1AW左rh-bl-TinL迅L/l'-IiHZf”a£卜十J;-liJ.KlA1cos-sinff(f叮=&inQco営占0P-5)00112RPY方法是描述船舶在海中航行時姿態(tài)的一種方法。是將船航行的方向取為z軸，則繞z軸的旋轉(zhuǎn)（角度為a稱為滾動（Roll；把繞Y軸的旋轉(zhuǎn)（角度為卩稱為俯仰（Pitch；把繞X軸的旋轉(zhuǎn)（角度為Y稱為偏轉(zhuǎn)（Yaw。cosd0gi門0(3-5)一sinff0001(3-5)cosj

6、5=mi門0013機(jī)器人軌跡規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人手部預(yù)定的任務(wù)設(shè)計機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度對時間的運(yùn)動規(guī)律。14但機(jī)器人的運(yùn)動控制的方式大體有3類：1. 點位控制（pointtopointcontrol點位控制簡稱PTP控制，這種控制方式僅控制機(jī)器的機(jī)械手末端的起始點和終了點的位置和姿態(tài)，有時也給出一些中間點的位姿，這種控制方式不控制起始點和終了點之間機(jī)械手末端所經(jīng)過的運(yùn)動軌跡。這種控制方式的特點是：能保證起始點和終了點的位姿精度，控制方式很簡單。這種控制方式多用于對起始點和終了點精度要求較高的點焊、裝卸、搬運(yùn)作業(yè)和機(jī)器人空載運(yùn)動中。2. 連續(xù)軌跡控制（continuouspathcont

7、rol這種控制方式簡稱CP控制。這種方式機(jī)械手末端的運(yùn)動軌跡是根據(jù)實際任務(wù)規(guī)定的，機(jī)器人需要按規(guī)定的速度、加速度和規(guī)定的運(yùn)動路線實現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)動，與PTP控制方式不同的是需要對運(yùn)動路線上很多點的位姿進(jìn)行控制。這種控制方式的特點是：需要保證規(guī)定路線上的各點的位姿精度，運(yùn)動比較平穩(wěn)，但控制方式復(fù)雜。這種方式多用于噴漆、弧焊等作業(yè)中3隨動控制(objectfollow-upcontrol這種控制方式在工業(yè)機(jī)器人上應(yīng)用很少。這種控制方式主要依靠機(jī)器人裝備的傳感信號對機(jī)器人進(jìn)行控制。這種方式對工作對象和環(huán)境密切相關(guān)。15在機(jī)器人的關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中，機(jī)器人末端的運(yùn)動由關(guān)節(jié)變量（位置、速度和加速度直接決定，所以

8、那些對路徑和姿態(tài)的瞬時變化規(guī)律沒有嚴(yán)格要求的操作，在關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃，既省時間又可以避免雅可比矩陣奇異時造成的速度失控。16在關(guān)節(jié)空間對妙L器人進(jìn)疔規(guī)劃規(guī)劃的路徑不是唯一的.滿足路徑上幾點的釣束條件（如位姿），就可以采用不同的方石I?曲便卿數(shù)，從血牛成不同的軌跡：肉此J以川平洛的扌M鞏F）來描述起始位置的關(guān)節(jié)角到口標(biāo)位置的關(guān)節(jié)珀之間的運(yùn)看日仏）=%：毗）=盅17在關(guān)節(jié)空間對機(jī)器人進(jìn)行規(guī)劃，覘劃的閘神不足唯的*只要斶足路徑上兒點的妁束條件（如位姿）.就町也采用不同的方法產(chǎn)生黃節(jié)的度函戦從而生成不同的軌如因此可以用平滑的ffiffliS數(shù)召仍來描述起始位咼的其節(jié)和到H標(biāo)位置的關(guān)節(jié)対上間帥運(yùn)

9、動軌跡9（站=備&化卜艮（0用脳物線過涯的統(tǒng)性插值對于給加起奸配曲1終了占的.總節(jié)空問軌跡規(guī)劃選畀線性函疑IfffffiM加簡單沖純的戰(zhàn)性插值公逍在結(jié)點處關(guān)節(jié)運(yùn)動赴ffi不直紅-理論加速底尢限兒在結(jié)點處二遣成剛性沖擊°為了兗脫此缺直.生成峯億夙和速度都連續(xù)的平滑的運(yùn)動馳跡.我怕猱用拋樹線插值，即器毎個緒點的那賊內(nèi)晦加一段拋物錢的緞沖區(qū)段'拋物線對丁時間的二伙借數(shù)為常數(shù)，這樣就保證了起始點和終了點的連度過渡平涓，任結(jié)點辿不產(chǎn)生跳駅.從而便舉個軌跡上的位移和速度那是連續(xù)的“柚物線插值原理如圖4.1J?f示.18為了最小化整個運(yùn)動時間，必須在關(guān)節(jié)約束條件的限制下，調(diào)整這些時

10、間間隔，結(jié)果大量的約束條件被包括在這個優(yōu)化過程中。處理這些約束條件有多種方法：一是直接法，它是建立迭代時僅僅涉及目標(biāo)函數(shù)及約束條件函數(shù)的含數(shù)值來計算；二是間接法，它是利用函數(shù)導(dǎo)數(shù)作為工具。般說來，如果目標(biāo)函數(shù)包括約束函數(shù)導(dǎo)數(shù)的解析式容易求得，且計算量并不大，那么利用間接法是較為有效的，但如果函數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜時采用直接法較為合理。直接法構(gòu)思直觀，使用方便，效果穩(wěn)定，被人們廣泛采用。在機(jī)器人時間最短軌跡規(guī)劃中，目前采用最多的是用Nelder和Mead兩人創(chuàng)造的柔性多面體搜索方法（即復(fù)合形法來解決時間最短問題。本文采用直接法運(yùn)用MATLAB進(jìn)行編程得到優(yōu)化結(jié)果。19躲）農(nóng)示X帯們,.+|I-.IYJ運(yùn)型

11、HJ速必兔約表示天節(jié)j在切如上的運(yùn)動角加題度；巧盤）表示羌節(jié)丿在切J上的運(yùn)動的角加加速度;關(guān)節(jié)j的角速度的最大值用匕表示，關(guān)節(jié)J的角加速度的最大值用A.表示；關(guān)節(jié)j的最大允許珀加加速度用心表示時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃的目的就是耍求解下面的最優(yōu)問題。WI-III標(biāo)函散化艮卩r=mln1-1約朿條件囪蘭冬|,|<4肉卜6心們衣示天W在【ISJI：的運(yùn)功用連肢7%們衷示兀節(jié)j柱廠git的運(yùn)咖Mi團(tuán)L町）表嚇關(guān)彷們也|上的運(yùn)動的角加加速必茉節(jié)j的ft速度的最大價川匕表用；天節(jié)j的角加遽度的最夫值用斗表示t關(guān)“丿的最人允即用加惻連度用巧表示牛時簡最優(yōu)執(zhí)進(jìn)規(guī)劃的H的就是婁求解下麗的最優(yōu)HS=甘標(biāo)圈數(shù)幾即廠=罰畢約束第件低卜耳|孫|%臥卜心43J求牌塑憂時間的堆本掠理機(jī)器人筵動的粗優(yōu)時間求解原理町來不為以卜Tv涉在苗卡爾空舸中給定的機(jī)器人手部的起點和鍥蟲2閭，報搖丈飯21工業(yè)機(jī)器人是一種可以編程的裝置，必須首先對其進(jìn)行編程機(jī)器人才能工作。編程的方式主要有兩種：在線編程與離線編程。在線編程是使用示教盒進(jìn)行編程；離線編程是指不對實際的機(jī)器人直接進(jìn)行編程，而是脫離實際工作環(huán)境，間接對機(jī)器人進(jìn)行編程。2223離線編程是指主機(jī)和編程器共用一個CPU，通過編程器的方式選擇開關(guān)來選擇PLC的編程、監(jiān)控和運(yùn)行工作狀態(tài)。在線編程是指主機(jī)和編程器各有一個CPU,主機(jī)的CPU完成對現(xiàn)場