尺蠖式机器人机构设计与运动学分析演示幻灯片
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尺蠖式爬行机器人的原理
2020/4/11
尺蠖的运动方式是一种蠕动爬行，蠕动是一种 周期性的动作，蠕动体的姿态呈现某种规律性 的变化。前夹紧机构和后夹紧机构分别起着保 持器的作用，使之在不同的阶段与管壁保持不 同的关系，而躯干部分则起着推进器的作用。
如果把尺蠖运动在一个动作周期内的蠕动分开， 可分为六步：
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被动式胶囊内窥镜的优缺点
2020/4/11
优点： 体较小，易吞服；
缺点： 1.容易有盲区或漏检； 2.受电池体积限制，工作时间较短； 3.不能采集连续视频信号；
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2020/4/11
微型尺蠖式胃肠道疾病诊疗机器人
能够提高诊察效率，遍历全消化道，并有定点施 药、手术或者活检等功能，是肠道无创检查和治 疗的理想解决方案； 研究尚处于实验室阶段； 机器人是实现对肠道的主动诊查、定点施药、组 织活检与手术的前提与载体，因此机器人在肠道 内的可靠与有效地运动是整个微型胃肠道疾病诊 疗机器人的基础与关键。
壁褶皱； 3. 借助活检通道，能够进行可疑病变组织的活体取样，以及小息肉
的手术。
缺点：
1. 无法检测大部分的小肠段，仅能覆盖上消化道与下消化道的十二 指肠、结肠部分；
2. 内窥术有一定交叉感染与并发症的发生几率； 3. 病人在检查过程中需要麻醉以减轻痛苦，对麻醉剂过敏的病人只
能忍受插管过程的不适感； 4. 内窥镜的操作过程完全由人工进行，对操作医生要求较高，存在
中国卫生部，《第三次全国死因回顾抽样调查 报告》，2004-2005年中，消化道疾病死亡的人数 为因疾病死亡人数的16.87% ；消化道的肿瘤与癌 症在早期呈现出血与息肉征兆，其早期治愈率较 高；
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消化道内窥镜系统
2020/4/11
1950年，由日本原Olympus光学有限公司研发 出第一款可商业化的胃镜原型；
1969年推出了第一款商业化的消化道内窥镜。
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纤维内窥镜；品种繁多，一般包括操作软线，控制 单元与插入管，可进行充气、充水与活组织取样 等操作。
光电耦合传感器取代光纤进行图像采样。
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传统内窥镜的优缺点
2020/4/11
优点：
1. 技术成熟，图像清晰，操作直观； 2. 通过内窥镜插管的额外通道能够进行抽充水与充气，借以展平肠
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尺蠖式机器人机构设计 与运动学分析 ———李晓阳
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机器人的定义
2020/4/11
机器人技术是一种面向未来的现代化技术，机器 人技术与网络技术、基因技术、通信技术、计算 机技术等一样，属于高新技术。它涉及的学科有 材料科学、计算机技术、控制技术、传感器技术、 微电子技术、通讯技术、人工智能、数学方法、 仿生学等等很多学科。 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种 自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与 人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能 力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活 性的自动化机器”。
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2020/4/11
(1)前部放松，躯干静止，后部夹 紧；
(2)前部前进，躯干伸长，后部夹 紧；
(3)前部夹紧，躯干静止，后部夹 紧；
(4)前部夹紧，躯干静止，后部放 松；
(5)前部夹紧，躯干收缩，后部跟 随；
(6)前部夹紧，躯干静止，后部夹 紧。
经过上述六步，在一个动作周期 中尺蠖的头部和尾部均向前移 动了一段距离 e和 f。
意大利Dario。 1996年，气动，吸附，吸附效率较低。 2002年，钳夹，运动效率约为70% ，损伤活体肠 道的可能性极大 。
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仿尺蠖式机器人
2020/4/11
2005年，美国Karagozler等人； 足表面纤毛； SMA为驱动； 高密度的圆柱悬梁臂式 结构组成的纤毛；
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仿尺蠖式机器人
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2010年，以色列Zarrouk等人； 单电机实现； 足通过凸轮原理传动； 刚性管道中最高的运动速度可达25 mm/s ；
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尺蠖运动特点
2020/4/11
由上可知，尺蠖运动具有以下特点： (1)尺蠖运动体的结构简单； (2)运动所需的驱动器数目少； (3)靠摩擦力传递运动； (4)尺蠖运动是一种周期性动作。
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仿尺蠖式机器人
2020/4/11
运动特点：
1、舱体需要提供可变且可控的摩擦力以保证该 舱可驻留或可滑动；
2、需要有能够改变驻留舱相对距离的伸缩舱。
1994年，美国Grundfest等人，专利，Traction 单元和Extensor单元。1995年实现，气动
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仿尺蠖式机器人
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核心问题
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（1）.微型疾病诊疗机器人如何在胃肠道内的 运动； (2).安全； (3).有效；
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尺蠖
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尺蠖属于无脊椎动物，昆虫纲，鳞翅目， 尺蛾科昆虫幼虫的统称。鳞翅目(Lepidoptera) 尺蛾科(Geometridae)所有大型蛾类的幼虫，遍 布世界。因缺中间一对足，故以“丈量”或 “屈伸”样的具特征性的步态移动；即伸展身 体的前部，再挪移身体20/4/11
爬行机器人是移动机器人的一种，爬行机器人按仿生 学角度来分可分为:螳螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机 器人、蛇形机器人、尺蠖式爬行机器人等；
按驱动方式来分可分为:气动爬行机器人、电动爬行机 器人和液压驱动爬行机器人等；
按工作空间来分可分为:管道爬行机器人、壁面爬行机 器人、球面爬行机器人等；
人为失误的隐患。
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被动式胶囊内窥镜系统
2020/4/11
以色列Given Imaging公司，“M2A” ，2000年；
中国重庆的金山技术公司，“智能胶囊” ， 2005年
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日本Olympus公司，“EndoCapsule” ，2006年； 日本的RF System Lab ，“Norika”，图像， 药物释放与活检。
按功能用途来分可分为:焊弧爬行机器人、检测爬行机 器人、清洗爬行机器人、提升爬行机器人、巡线爬行 机器人和玩具爬行机器人；按行走方式可分为：轮式、 履带式、蠕动式等
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微胃肠道疾病诊疗机器人系统的研究背景
技术基础是微机器人技术，包括微机械技术、 微传感技术、微电子技术及智能系统等多学科交 叉的领域 ；微机电系统的一种典型应用；
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《机器人结构设计》PPT课件
滚球丝杠副
（d）液压传动（直接平移）
30
（e）气压传动（直接平移）
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（2） 旋转驱动机构 （a）齿轮链 齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它
不但可以传递运动角位移和角速度, 而且可以传递力和力矩。 现以具有两个齿轮的齿轮链为例, 说明其传动转换关系。其中 一个齿轮装在输入轴上, 另一个齿轮装在输出轴上, 如图所示。
机器人制造厂家也希望改变设计和制造模式，采用批量 制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼 装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。
(2)灵活性。其主要体现在：
①可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机 器人的自由度可以方便地增减。比如，用户要求机器人能为多 台设备进行作业时，可增选一个底座移动轴模块或其它行走轴 模块,工业机器人成为移动式机器人。
减速比远>1的传 经济、对载荷变化不 传动精度低、结构不
动装置与关 节相 敏感、便于制动设计、紧凑、引入误差，降
连
方便一些运动转换 低可靠性
不经中间关 节或 传动精度高，振动小，控制系统设计困难，
经速比=1的传动 传动损耗小，可靠性 对传感元件要求高，
装置与关节相连 高，响应快
成本高
模块化结构设计
(2)借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力 引起关节驱动力矩变化的峰值。 (3)借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩 引起关节驱动力矩变化的峰值。 (4)借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非 线性项，改进机器人动力特性。 (5)借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良 影响。 (6)借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装 要求。
平衡系统设计的主要途径 尽管为了防止因动力源中断机器人有向地面“倒塌
（d）液压传动（直接平移）
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（e）气压传动（直接平移）
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（2） 旋转驱动机构 （a）齿轮链 齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它
不但可以传递运动角位移和角速度, 而且可以传递力和力矩。 现以具有两个齿轮的齿轮链为例, 说明其传动转换关系。其中 一个齿轮装在输入轴上, 另一个齿轮装在输出轴上, 如图所示。
机器人制造厂家也希望改变设计和制造模式，采用批量 制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼 装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。
(2)灵活性。其主要体现在：
①可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机 器人的自由度可以方便地增减。比如，用户要求机器人能为多 台设备进行作业时，可增选一个底座移动轴模块或其它行走轴 模块,工业机器人成为移动式机器人。
减速比远>1的传 经济、对载荷变化不 传动精度低、结构不
动装置与关 节相 敏感、便于制动设计、紧凑、引入误差，降
连
方便一些运动转换 低可靠性
不经中间关 节或 传动精度高，振动小，控制系统设计困难，
经速比=1的传动 传动损耗小，可靠性 对传感元件要求高，
装置与关节相连 高，响应快
成本高
模块化结构设计
(2)借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力 引起关节驱动力矩变化的峰值。 (3)借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩 引起关节驱动力矩变化的峰值。 (4)借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非 线性项，改进机器人动力特性。 (5)借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良 影响。 (6)借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装 要求。
平衡系统设计的主要途径 尽管为了防止因动力源中断机器人有向地面“倒塌
机器人机身及行走机构ppt课件
控制特点：
使机器人的重心 经常在接地的脚 掌上，一边不断 取得准静态平衡， 一边稳定的步行。
结构特点：
为了能变换方向 和上下台阶，一 定要具备多自由 度。
编辑版pppt
32
两足ห้องสมุดไป่ตู้行机器人图例：
主要构成：
1—框架 2—大腿 3—小腿 4—脚 5—肩 6—肘 7—手 8—液压缸
编辑版pppt
33
按行走机构的特点分：
对于无固定轨迹机器人，可分为轮式、履 带式和步行式等。前两者与地面连续接触， 后者与地面为间断接触。
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22
3．固定轨道式机器人运动的实现：
机器人机身底座，安装在一个可移动 的拖板上，依靠丝杆螺母副的运动将 来自电机的旋转运动转化为直线运动。
编辑版pppt
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4．车轮式行走机器人：
分类：
车轮式行走机器人通常有三轮、四轮、六 轮之分。它们或有驱动轮和自位轮，或有 驱动轮和转向机构，用来转弯。
适用范围：
最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬 楼梯。
编辑版pppt
24
三轮行走机器人图例：
编辑版pppt
25
三轮行走机器人结构及驱动：
构成：三个车轮、转向叉、驱动装置等。
驱动方案：
编辑版pppt
18
回转与俯仰机身图例：
编辑版pppt
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三、机器人行走机构
编辑版pppt
20
1．行走机构的构成：
机器人行走机构通常由驱动装置、传 动装置、位置检测装置、传感器、电 缆和管路等构成。
编辑版pppt
21
2．行走机构的分类：
按运行轨迹分：
分为固定轨迹式和无固定轨迹式两种。固 定轨迹式主要用于工业机器人
机器人机构实用PPT课件PPT课件
第13页/共58页
• 2.手臂:手臂件是机器人的主要执行部件. • 作用:支撑腕部和手部，带动手及腕在空间 • 特点:结构类型多,受力复杂.
运动。
第14页/共58页
机身和臂部设计的特点
• 自由度、结构类型、工作空间、负荷能力、精度等都取决于机身和手臂。 • 1.刚度 • 2.精度 • 3.平稳性 • 4.其他
第15页/共58页
机身和臂部的形式
•1.横梁式
• 运动形式大多为直移型 • (1)单臂悬挂式 • (2)双臂悬挂式 • (3)多臂悬挂式
第16页/共58页
•2.立柱式
• 这类机器人多采用回转型、俯仰型或曲伸型 • （1）单臂 • （2）双臂
第17页/共58页
•3.机座式
• 各种运动形式 • 均可设计成机座式
第42页/共58页
• 2)液压动力源
• 组成：a.直线液压缸
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•
b.旋转液压缸
单杆活塞液 压缸
•
c.电液伺服阀
•
d.液压源及各种辅助阀
• 优点:
• 缺点:
旋转液 压缸
电液压力流量 伺服阀
第43页/共58页
• 3)气压驱动
• 组成:a.直线气缸
•
b.旋转气缸
•
c.气源及各种阀门
• 优点:
• 缺点:
第44页/共58页
第55页/共58页
• 有关动力源和控制方面的性能指标
• (1)驱动方式和容量
• (2)程序存储容量
• (3)插补方式
• (4)编程方式
• (5)分辨率-操作机各轴可有效反应的最小距离或
角
度
第56页/共58页
• 2.手臂:手臂件是机器人的主要执行部件. • 作用:支撑腕部和手部，带动手及腕在空间 • 特点:结构类型多,受力复杂.
运动。
第14页/共58页
机身和臂部设计的特点
• 自由度、结构类型、工作空间、负荷能力、精度等都取决于机身和手臂。 • 1.刚度 • 2.精度 • 3.平稳性 • 4.其他
第15页/共58页
机身和臂部的形式
•1.横梁式
• 运动形式大多为直移型 • (1)单臂悬挂式 • (2)双臂悬挂式 • (3)多臂悬挂式
第16页/共58页
•2.立柱式
• 这类机器人多采用回转型、俯仰型或曲伸型 • （1）单臂 • （2）双臂
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•3.机座式
• 各种运动形式 • 均可设计成机座式
第42页/共58页
• 2)液压动力源
• 组成：a.直线液压缸
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•
b.旋转液压缸
单杆活塞液 压缸
•
c.电液伺服阀
•
d.液压源及各种辅助阀
• 优点:
• 缺点:
旋转液 压缸
电液压力流量 伺服阀
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• 3)气压驱动
• 组成:a.直线气缸
•
b.旋转气缸
•
c.气源及各种阀门
• 优点:
• 缺点:
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第55页/共58页
• 有关动力源和控制方面的性能指标
• (1)驱动方式和容量
• (2)程序存储容量
• (3)插补方式
• (4)编程方式
• (5)分辨率-操作机各轴可有效反应的最小距离或
角
度
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第三章机器人运动学PPT课件
单位主矢量相对于坐标系{A}的方向余弦组成：
xB
yB
zB
xA
yA
zA
其中：cos cos(xB , xA )
既表示了刚体F在{A}系中的方位，也描述了{B}系在{A}系中的 姿态。
3.1.2.2 坐标变换
一、坐标平移
如图3-5，坐标系{B}与{A} 方向相同，但原点不重合。
图3-5 坐标平移
此式称为平移方程。其中 是B系中的原点在A系中的表示。
xA
OB
30o xB
yA yB 30o
所以有：
cos 300 sin 300 0 0.866 0.5 0
A B
R
R(
z,300
)
sin
300
cos 300
0
0.5
0.866 0
0
0
1 0
0 1
10
A PBO
5
0
最后得： APBAR BP APBO
9.098 12.562
第三章 机器人的运动学
3.1 工业机器人运动学
3.1.1 相关知识回顾
一、行列式和矩阵 1. 行列式按照行（或列）展开法则：行列式等于它的任意一行 （或列）各元素与其对应的代数余子式乘积之和。
2.行矩阵 3.列矩阵 4.矩阵相等：两同型矩阵（行数和列数都相等）对应元素相等。
5.单位矩阵：主对角线元素为1，其它所 有的元素都为0的方阵。 6.矩阵的运算 （1）矩阵的加法：两同型矩阵的对应元素相加。
，它的齐
次坐标就是
，即满足Px=ωPx/ω，Py=ωPy/ω，
Pz=ωPz/ω（ω是非零整数）。可以看出，在三维直角坐标系中，
由于ω取值的不同，一个点的齐次坐标的表达不唯一。
尺蠖机器人课程设计
尺蠖机器人课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握尺蠖机器人的基本结构与原理，理解其运动机制；2. 帮助学生了解机器人编程的基本概念，掌握简单的编程指令；3. 使学生了解机器人技术在现实生活中的应用，认识到科技与生活的紧密联系。
技能目标：1. 培养学生动手操作能力，能够独立完成尺蠖机器人的组装与编程；2. 提高学生的问题解决能力，能够在实际操作过程中发现问题并进行调试；3. 培养学生的团队协作能力，学会在小组合作中共同完成任务。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对机器人科技的兴趣，培养科技创新精神；2. 培养学生敢于尝试、勇于探索的学习态度，增强自信心；3. 增进学生对我国机器人科技发展的了解，提高民族自豪感。
本课程针对小学高年级学生设计，结合尺蠖机器人这一趣味性课题，以实践操作为主，让学生在动手过程中掌握相关知识。
课程注重培养学生的实践能力、创新精神和团队合作意识，旨在提高学生对科学技术的兴趣，为未来的学习打下基础。
通过明确具体的课程目标，教师可以更好地进行教学设计和评估，确保学生达到预期学习成果。
二、教学内容1. 机器人概述：介绍机器人的定义、分类及其在生活中的应用，让学生对机器人有初步的认识。
- 教材章节：第一章《机器人与我们的生活》2. 尺蠖机器人结构与原理：讲解尺蠖机器人的基本结构、运动原理和特点。
- 教材章节：第二章《机器人的结构与原理》3. 机器人编程基础：教授机器人编程的基本概念、指令和技巧。
- 教材章节：第三章《机器人编程基础》4. 尺蠖机器人组装与编程实践：指导学生进行尺蠖机器人的组装、编程和调试。
- 教材章节：第四章《机器人实践操作》5. 机器人应用案例分析：分析现实生活中的机器人应用案例，让学生了解机器人技术在实际生活中的应用。
- 教材章节：第五章《机器人应用案例》6. 团队合作与展示：组织学生进行小组合作，完成尺蠖机器人相关任务，并进行成果展示。
- 教材章节：第六章《团队合作与展示》教学内容安排和进度：第1-2课时：机器人概述及尺蠖机器人结构与原理学习；第3-4课时：机器人编程基础教学；第5-6课时：尺蠖机器人组装与编程实践；第7课时：机器人应用案例分析及团队合作与展示。
机器人机械结构PPT演示文稿
腰转姿态
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五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
2021/3/10
28
3．关节型机械臂的结构（2）
• 各运动的实现：
– 腕部的旋转：
• 电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
– 腕部俯仰：
• 电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
– 肘关节摆动：
• 电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3
– 肩关节的摆动：
• 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
2021/3/10
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腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
肘关节摆动
肩关节的摆动
腕部的旋转
2021/3/10
30
腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
2021/3/10
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右图为铣端面，打中心孔机 床的上料机器人，臂架2带动 臂3绕机身立柱1回转，同时， 通过行星齿轮使臂3绕臂架2的 轴线回转，手部夹持中心的轨 迹为一空间曲线，能迅速地将 工件从料架送到机床的夹具上， 但惯性较大，适用于中小型工件
2021/3/10
8
（2）双臂配置
双臂同步升降和回 转机器人，两臂互 成直角，当两臂下 降时，上料手在料 道上取料，下料手 从机床两顶尖取下 工件。两臂上升后 转900再下降，上料 手将毛坯放到顶尖 间，下料手放工件
2021/3/10
双臂同步回转机 器人，两臂的伸 缩分别驱动用来 完成较大行程的 提升与转位工作， 双臂对称布置， 较平稳
双臂水平交叉配置 机器人，它通过两 臂同时升降，交错 伸缩，实现一手上 料，一手下料
尺蠖式机器人机构设计与运动学分析ppt课件
25
微型电机驱动方式
完整最新版课件
具有驱动力大、控制方便、效率高等优点。 商业化可供选择的微型电机型号与规格比较广 泛，但是必须设计合适的驱动机构将微型电机 选择输出进行变换和放大。在有限的空间内， 设计出有效地减速增力机构和运动机构，面临 着许多优化问题。
综上分析，微型电机驱动更加适合尺蠖式 微型肠道机器人。
14
完整最新版课件
(1)前部放松，躯干静止，后部夹 紧；
(2)前部前进，躯干伸长，后部夹 紧；
(3)前部夹紧，躯干静止，后部夹 紧；
(4)前部夹紧，躯干静止，后部放 松；
(5)前部夹紧，躯干收缩，后部跟 随；
(6)前部夹紧，躯干静止，后部夹 紧。
经过上述六步，在一个动作周期 中尺蠖的头部和尾部均向前移 动了一段距离 e和 f。
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完整最新版课件
结肠微型机器人应具备以下特性：
—— 结肠微型机器人机体必须有足够的柔性来适 应结肠的弯曲部位，单个刚性单元长度要限制在 40mm内；
—— 结肠微型机器人机体直径不能超过结肠的平 均直径29mm；
—— 结肠微型机器人外表面要采用生物相容材料， 避免对结肠组织的刺激。 —— 结肠微型机器人的主动运动不能损伤结肠 组织，应该最大限度地保障结肠器官的完整性， 同时提高诊断精度，减少病人的不适感。
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完整最新版课件
GHM1770010033E直流齿轮组微型电机
其直径为6mm, 长度为15.8mm. 额定电压为3V， 额定电流小于等于 150mA,齿轮组减 速比为26，额定 转速为900rpm， 额定转矩为2gf.cm
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完整最新版课件
仿尺蠖式运动机构设计
此机器人的主要任务是利用仿尺蠖运动机构 从人体肛门进入结肠，并利用携带的光源、摄 像机、治疗装置等对结肠开展医学诊疗活动。
第二章 机器人运动学PPT课件
系的位置矢量 AP、BP具有如下变换关系
APB ARBPAPBO
（2-1-12）
15
ZA {A}
OA XA
ZB
ZC {C}
{B}
AP
BP YB
OB(OC)
YC
P A
BO XC YA
XB
图2.1.4 平移加旋转变换 注：坐标系{C}为过渡坐标系
16
2.齐次变换
一般情况下，刚体的运动是转动和平移的复合运 动，为了用同一矩阵既表示转动又表示平移，因此引 入齐次坐标变换矩阵。
28
X
偏转
Z
横滚
O船
Y
俯仰
偏转
X
Z
横滚
O
夹手
Y
俯仰
（a）
(b)
图2.1.11 RPY角的定义
29
§2.2 操作臂运动学
一、机械手位置和姿态的表示
图2.2.1所示为机器人的一个机械手。 描述机械手方位的坐标系置于手指尖的 中 位心置，可其以用原矢点量由矢p在量固p表定示坐。标机系械的手坐的标 表示为
H
0
1
0
b
称为平移的齐次变换矩阵，又可表示为
0 0 1 c
0
0
0
1
HTraa,b n,c)s。(矩阵中的第四列为平移参考矢量的齐次坐标。
19
Z
V
U
P
O
Y
X 图2.1.5 平移的齐次变换
20
例平2移.1，求向平量移U 后i得3到j的5k向沿量向V量 。P 3i7jk
解：
1 0 0 3 1 4
系，首先需要用两个参数对每个连杆进行描述。 如图2.2.2所示，对于任意一个两端带有关节i和
电机拖动技术基础第三章机器人的运动学PPT课件
第三章 机器人的运动学
►3.1 刚体的位姿描述 ►3.2 坐标变换 ►3.3 齐次坐标和齐次变换 ►3.4 变换方程和欧拉角 ►3.5 机器人运动学的正问题和逆问题
3.1 刚体的位姿描述
一、位姿的定义
刚体参考点的位置（坐标系的位置）和刚体的姿态统称为刚体的位姿。
(为描述机器人本身的各个连杆之间.机器人和环境之间的运动关系,将
n
n o a
手爪的方位由旋转矩阵R规定。
R n
o
a
手爪的位置由位置矢量 p
规定。
代表手p 爪坐标系的原点。
则手爪的位姿可由四个矢量
来 来描述。
noa p
记为:
T n o a p
3.2 坐标变换
定义：由于空间中任意点P在不同坐标系中的描述不同，所以需要 研究从一个坐标系的描述到另一个坐标系的描述之间的变换关，通 常称为坐标变换。
{S}代表工作站(操作台)坐标系(工作站框)
{G}代表目标坐标系(目标框) 它们之间的位姿关系用相应的齐次变换来描述。图3-6 机器人与环境坐标系
B S
T描述工作站框{S}相对于基座{B}的位姿，
S G
T描述目标框{G}相对于工作站{S}的位姿。
对物体进行操作时(搬运或装配机器人)，工具框{T}相对目标框{G} 的位姿 直接GT T 影响操作效果。 是机GT T器人控制和轨迹规划的对象。
=
相对于固定坐标系运动 相对于活动坐标系运动
2.变换过程的可逆性
齐次坐标变换过程是可逆的. 若有 ，则逆变换
。
所以有 I44BATABT A B0R BP 1AO BA0R AP 1BO
A BR0BAR
A BRAPB1OBPAO
►3.1 刚体的位姿描述 ►3.2 坐标变换 ►3.3 齐次坐标和齐次变换 ►3.4 变换方程和欧拉角 ►3.5 机器人运动学的正问题和逆问题
3.1 刚体的位姿描述
一、位姿的定义
刚体参考点的位置（坐标系的位置）和刚体的姿态统称为刚体的位姿。
(为描述机器人本身的各个连杆之间.机器人和环境之间的运动关系,将
n
n o a
手爪的方位由旋转矩阵R规定。
R n
o
a
手爪的位置由位置矢量 p
规定。
代表手p 爪坐标系的原点。
则手爪的位姿可由四个矢量
来 来描述。
noa p
记为:
T n o a p
3.2 坐标变换
定义：由于空间中任意点P在不同坐标系中的描述不同，所以需要 研究从一个坐标系的描述到另一个坐标系的描述之间的变换关，通 常称为坐标变换。
{S}代表工作站(操作台)坐标系(工作站框)
{G}代表目标坐标系(目标框) 它们之间的位姿关系用相应的齐次变换来描述。图3-6 机器人与环境坐标系
B S
T描述工作站框{S}相对于基座{B}的位姿，
S G
T描述目标框{G}相对于工作站{S}的位姿。
对物体进行操作时(搬运或装配机器人)，工具框{T}相对目标框{G} 的位姿 直接GT T 影响操作效果。 是机GT T器人控制和轨迹规划的对象。
=
相对于固定坐标系运动 相对于活动坐标系运动
2.变换过程的可逆性
齐次坐标变换过程是可逆的. 若有 ，则逆变换
。
所以有 I44BATABT A B0R BP 1AO BA0R AP 1BO
A BR0BAR
A BRAPB1OBPAO
工业机器人结构设计ppt课件
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
N
N
P
N=P/2 注：①两手指平移 ②增力比（N/P）小
齿轮齿条式手部结构
No.32
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
α
γB A β
P
C
EN
N
N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)
2、开式连杆系中的每根连杆都 具有独立的驱动器，属于主动连 杆系，连杆的运动各自独立，不 同连杆的运动之间没有依从关系， 运动灵活。
No.5
2.1 机器人本体的基本结构
二、机器人本体基本结构特点：
3、连杆驱动扭矩的顺态过程在 时域中的变化非常复杂，且和执 行器反馈信号有关。连杆的驱动 属于伺服控制型，因而对机械传 动系统的刚度、间隙和运动精度 都有较高的要求。
应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形 状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工 件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘 状吸头。
No.41
2.2.2 吸附式手部的设计
三、气吸式手部的吸力计算
吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或 负压的大小)与吸附面积的大小。
真空吸盘吸力F计算公式：
F nD2 ( H )
4K1K2K3 76
注：①AB＝DE，DB＝AE，L＝BC杆长，l＝AB杆长； ②两手指保持平行；③当α角较小时，可获得较大的力比。
平行连杆杠杆式手部结构
No.33
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
P
φ
α
c
bN
N
N=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ