工业机器人
工业机器人课件资料
1. 经历了40多年的发展，机器人技术逐步形成了一门新的综合性学科—机器人学（Robotics）
●它包括有基础研究和应用研究两个方面
●主要研究内容有：
(1) 机械手设计；(2) 机器人运动学、动力学和控制；(3) 轨迹设计和路径规划；(4) 传感器(包括内部传感器和外部传感器)；(5) 机器人视觉；(6) 机器人语言；(7) 装置与系统结构；(8) 机器人智能等。
2. 机器人的定义
国际和国外相关组织的定义
国际标准化组织（ISO）的定义：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。
美国国家标准局（NBS）的定义：机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。
美国机器人协会（RIA）的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。
日本工业机器人协会（JIRA）的定义：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。
有关学者的定义
在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上提出了两个有代表性的定义。
森政弘与合田周平提出的定义：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。
日本早稻田大学加藤一朗（日本机器人之父）教授认为：机器人是由能工作的手，能行动的脚和有意识的头脑组成的个体，同时具有非接触传感器（相当于耳、目）、接触传感器（相当于皮肤）、固有感及平衡感等感觉器官的能力。
也有一些组织和学者针对不同形式的机器人分别给出具体的解释和定义，而机器人则只作为一种总称。例如，日本工业机器人协会（JIRA）列举了6种型式的机器人：
(1) 手动操纵器：人操纵的机械手，缺乏独立性；
(2) 固定程序机器人：缺乏通用性；
(3) 可编程机器人：非伺服控制；
(4) 示教再现机器人：通用工业机器人；
(5) 数控机器人：由计算机控制的机器人；
(6) 智能机器人：具有智能行为的自律型机器人。
3.机器人的结构
简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成。
●执行机构：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任
务所必不可少的组成部分。
●驱动和传动装置：用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和汽动，
有直接驱动和间接驱动二种方式。
●传感器：是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、滑觉
和接近觉传感器等，它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨。
●控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的识别。
现代工业机器人的控制器都是由计算机控制系统组成，控制方式主要有示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。
4.工业机器人几种常用的控制方式
“示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。
“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。
“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。
“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。
5.丹纳维特（Denavit）和哈顿贝格（Hartenberg）于1955年提出了一种矩阵代数方法解决机器人的运动学问题—D-H方法，具有直观的几何意义能表达动力学、计算机视觉和比例变换问题其数学基础即是齐次变换。
6.在本课程我们将采用齐次坐标变换来描述机械手各关节坐标之间、各物体之间以及各物体与机械手之间的关系。
7. 齐次坐标与三维直角坐标的区别
? V 点在ΣOXYZ 坐标系中表示是唯一的（x 、y 、z ）
? 而在齐次坐标中表示可以是多值的。不同的表示方法代表的V 点在空间位置上不变。 ? 几个特定意义的齐次坐标：
? [0, 0, 0, n]T —坐标原点矢量的齐次坐标，n 为任意非零比例系数 ? [1 0 0 0]T —指向无穷远处的OX 轴 ? [0 1 0 0]T —指向无穷远处的OY 轴 ?
[0 0 1 0]T —指向无穷远处的OZ 轴
8.三个基本旋转矩阵
100R(x,)0cos sin 0sin com αα
αα
α????=-?????? cos 0sin R y,)010sin 0cos φφφφφ??
??=????-??
（ cos -sin 0 R z,)sin cos 00
1θ
θ
θθ
θ????=??????
（ 9. 定义1：
当动坐标系绕固定坐标系各坐标轴顺序有限次转动时，其合成旋转矩阵为各基本旋转矩阵依旋转顺序左乘。
注意：旋转矩阵间不可以交换 注意：平移矩阵间可以交换， 平移和旋转矩阵间不可以交换
10. 定义1：如果所有的变换都是相对于固定坐标系中各坐标轴旋转或平移，则依次左乘，称为绝对变换。
定义2：如果动坐标系相对于自身坐标系的当前坐标轴旋转或平移，则齐次变换为依次右乘，称为相对变换。
绝对变换：如果所有的变换都是相对于固定坐标系中各坐标轴旋转或平移，则依次左乘，称为绝对变换。
相对变换：如果动坐标系相对于自身坐标系的当前坐标轴旋转或平移，则齐次变换为依次右乘，称为相对变换。
11. 如图所示，1）写出0
1T 、1
2T 、2
3T 、3
4T ；2）求0
4
解1100-3.50-103T 00-11000
1??
????
=????
??
1
20
010-1003T 0-1010
00
1?????
?=??????
2
3340055
43
0-5T 55100000
01??
???
???=???
???????
3
4-100 3.50
100 T 00-100
001?????
?=??
??
??
T T T T T 433221140
=?
???????????=1000
50.6-0.8-000.8-0.60000
1-
12.
研究一下图2.18描述的一个物体与机械手情
o
x 0
y 0
z 4
3
3.5
1
1
o 1
x 1
y 1
z 2
o 2
x 2
y 2
z 3
o 3
x 3
y 3
z 4
o 4
x 4
y 4
z
况，机械手用变换 Z 相对于基坐标系被定位。
机械手的端点用变换 ZT6 来描述，而末端执行器用变换 6TE 来描述。物体用变换 B 相对于基坐标系被定位。最后，机械手末端抓手用变换 BG 相对于物体被定位。末端抓手位置的描述有两种 方式，一种是相对于物体的描述，一种是相对于 机械手的描述。由于两种方式描述的是同一个 点，我们可以把这个描述等同起来，得到
66Z B
E Z T T B G = （2.61）
这个方程可以用有向变换图来表示（见图 2.19）。图的每一段弧表示一个变换。从它的定 义的坐标系向外指向。
用 Z-1左乘和用E-1右乘方程（2.61），得到
11
6T Z BGE --= （2.62）
从有向变换图上我们可以直接得到上述结果，从T6弧线的尾部开始，沿着图形顺时针依次列出各个变换，直到T6弧的箭头为止。在逆变换时，我们从T6弧的箭头开始，按逆时针方向依次列出各个变换，直到T6弧的起始点为止，则可得到T6的逆
1116T EG B Z
---= （2.63）
对上式求逆得到与式（2.62）完全相同的结果。
作为进一步的例子，假设一个物体 B 的位置不知道，但机械手移动，使得末端抓手正好定位在物体上面。然后用 G-1 右乘式（2.61）求出 B 。或者在有向变换图中从 B 的尾部沿着逆时针方向到达弧 B 的箭头，直接得到同样结果。 1
6B ZT EG
-= （2.64）
同样，我们可以用有向变换图求出变换的连接组。例如 1
6ZT BGE
-= （2.65）
用有向变换图简化了变换方程的求解，可以直接写出变换结果。为了避免画圆，我们用图2.20所示的形式表示这个变换图，其中虚线表示那两个节点是被连在一起的，中间各垂线段表示相对坐标系。
13.
如图3.9所示，在每个关节轴上有两个连杆与之相连，即关节轴有两个公垂线与之垂直，每一个连杆一个。两个相连的连杆的相对位置用d n 和θn 确定， d n 是沿着n 关节轴两个垂线的距离， θn 是在垂直这个关节轴的平面上两个被测垂线之间的夹角，d n 和θn 分别