机器人技术基础知识总结概要

坐标系 ouvw 除绕坐标系 oxyz 的坐标轴旋转外，

还可以绕它本身的坐标轴旋转。如果坐标系 ouvw

绕坐标系 oxyz 的坐标轴旋转，

则可对旋转矩阵左乘相应的基本旋转

矩阵；

如果 ouvw 绕本身的坐标轴旋转，则可对旋转矩阵右乘相应

的基本旋转矩阵。

2目前机器人的运动学和动力学研究主要向下面所述的几个方

面深人发展：

1. 机器人的轨迹规划。

2. 切实可行的设计和评价机器人的动力学方法。

3. 适应机器人的实时计算，减少计算时间，提高

计算效率。

4. 解决控制系统的反馈、稳定等方面的问题。

5. 随着机器人以高速、高精度发展，考虑构件弹性及振动影响的动力学研究。

6. 改进和完善动力学建模方法。

3国内主要采用open GL软件实现机器人仿真

4运动学和动力学模型简化条件

(1 假设机器人各杆件是刚性的；忽略各杆件的变形，都当作

刚性构件来处理；

(2 各构件的摩擦忽略不计；

目前，已经能够对一般结构的六自由度串联机器人进行逆运动

学求解，但是要获得显式解，只有满足下列两个充分条件之一：

a ．3 个相邻关节轴交于一点。

b ．3 个相邻关节轴平行。

5假定坐标系 oxyz 是三维空间中的固定坐标系(在机器人运动学中为总体坐标系，坐标系 ouvw 固定在机器人杆件上并随杆件一起运动(此坐标系为附体坐标系

6齐次坐标是用 n+1 维坐标来描述 n 维空间的位置

7在机器人杆件关节上建立坐标系有两种方法：一是把杆件坐标

系建立在每个杆件的下关节处；二是把杆件坐标系建立在每个杆件

的上关节处。

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i 杆件的坐标系设置在 i+1 号关节上，并固定 i 关节，

坐标系{i}与杆件 i 无相对运动

这种传递矩阵是把 i 杆件的坐标系设置在 i 号关节上，并固定 i 关节，

坐标系{i}与杆件 i 无相对运动

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RPY 方法是描述船舶在海中航行时姿态的一种方法。是将船航行的方向取为 z 轴，则绕 z 轴的旋转(角度为α 称为滚动(Roll；把绕 Y 轴的旋转(角度为β 称为俯仰(Pitch；把绕 X 轴的旋转(角度为γ 称为偏转(Yaw。

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机器人轨迹规划就是根据机器人手部预定的任务设计机器人各关节位置、速度和加速度对时间的运动规律。

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但机器人的运动控制的方式大体有 3类：

1. 点位控制(point to point control 点位控制简称 PTP 控制，这种控制方式仅控制机器的机械手末端的起始点和终了点的位置和姿态，有时也给出一些中间点的位姿，这种控制方式不控制起始点和终了点之间机械手末端所经过的运动轨迹。这种控制方式的特点是：能保证起始点和终了点的位姿精度，控制方式很简单。这种控制方式多用于对起始点和终了点精度要求较高的点焊、装卸、搬运作业和机器人空载运动中。

2. 连续轨迹控制(continuous path control 这种控制方式简称 CP 控制。这种方式机械手末端的运动轨迹是根据实际任务规定的，机器人需要按规定的速度、加速度和规定的运动路线实现平稳的运动，与 PTP 控制方式不同的是需要对运动路线上很多点的位姿进行控制。这种控制方式的特点是：需要保证规定路线上的各点的位姿精度，运动比较平稳，但控制方式复杂。这种方式多用于喷漆、弧焊等作业中。

3. 随动控制(object follow-up control

这种控制方式在工业机器人上应用很少。这种控制方

式主要依靠机器人装备的传感信号对机器人进行控制。这种方式对工作对象和环境密切相关。 15

在机器人的关节坐标空间中，机器人末端的运动由关节变量(位置、速度和加速度直接决定，所以那些对路径和姿态的瞬时变化规律没有严格要求的操作，在关节坐标空间进行轨迹规划，既省时间又可以避免雅可比矩阵奇异时造成的速度失控。

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为了最小化整个运动时间，必须在关节约束条件的限制下，调整这些时间间隔，结果大量的约束条件被包括在这个优化过程中。处理这些约束条件有多种方法：一是直接法，它是建立迭代时仅仅涉及目标函数及约束条件函数的含数值来计算；二是间接法，它是利用函数导数作为工具。

一般说来，如果目标函数包括约束函数导数的解析式容易求得，且计算量并不大，那么利用间接法是较为有效的，但如果函数结构复杂时采用直接法较为合理。直接法构思直观，使用方便，效果稳定，被人们广泛采用。在机器人时间最短轨迹规划中，目前采

用最多的是用 Nelder 和 Mead 两人创造的柔性多面体搜索方法(即复合形法

来解决时间

最短问题。本文采用直接法运用 MATLAB 进行编程得到优化结果。

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工业机器人是一种可以编程的装置，必须首先对其进行编程机器人才能工作。编程的方式主要有两种：在线编程与离线编程。在线编程是使用示教盒进行编程；离线编程是指不对实际的机器人直接进行编程，而是脱离实际工作环境，间接对机器人进行编程。

22 23 离线编程是指主机和编程器共用一个 CPU，通过编程器的方式选择开关来选择 PLC 的编程、监控和运行工作状态。在线编程是指主机和编程器各有一个CPU，主机的 CPU 完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。对产品定型、工艺过程不变动的系统可以选择离线编程，以降低设备的投资费用。 24 机器人”这个词,是捷克斯洛伐克剧作家卡雷洛查普茨库在 1920 年发表的著作《罗萨姆万能机器人公司》中,首先创造出来的。书中出现的机器人是一种不能进行思考,只会从事劳动的人。 25 作者-王国霖