机械制造装备设计之4――工业机器人设计-哈工大(威海)黄博

“规格严格、功夫到家”机械制造装备设计哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所山东省现代数字化医疗装备高校重点实验室黄博本课程主要讲述内容机械制造装备及制造业动态机械制造装备设计方法金属切削机床设计典型部件设计工业机器人设计机床夹具设计物流系统设计机械加工生产线总体设计机器人技术Robot历程及定义1920年，捷克剧作家卡里洛·奇别克在其科幻剧(Rossum’sUniversalRobots)首次使用ROBOT名词，意思是“人造的人”。1960年美国AMF公司生产了首台工业生产柱坐标型Versatran机器人，可进行点位和轨迹控制。1979年，Unimation推出PUMA机器人：多关节、全电机驱动、多CPU二级控制，采用VAL专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器。新世纪——智能机器人，更完善的环境感知能力，还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与环境信息自主工作。美国机器人协会(RIA):一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。日本工业机器人协会(JIRA):工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织(ISA):机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各类材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。工业机器人基础机器人技术入门级展示机器人技术基础机器人运动学位姿描述直角坐标变换齐次坐标变化D-H法及PUMA机器人运动学简述微分运动与雅可比矩阵机器人动力学机器人运动控制机器人的主要分支（我的分类法）工业机器人（末端执行器干活为主，一般机座不移动或规律移动）面向工业应用，含基本应用、高速重载、微操作等。注重作业能力、含：作业范围、负载、精度速度可靠性等指标。研究热点：各种形式的作业臂、新型驱动、控制方式，宏微结合等。国际成熟产品多，加强国产化研究及工业现场的集成应用，医疗及电子行业等微的问题有待突破，网络遥操作等也是问题。移动机器人（以移动能力为主）以移动能力和移动机构为研究重点；注重地形的适应能力及未知环境的感知能力；多以地形感知、地图构建、移动机构、运动学动力学为研究热点。当前军事机器人的研究主要问题也是移动的问题！服务机器人（既能动，又能干活）是移动机器人与工业机器人技术的集成现在多以家用、娱乐、助老助残等为研究背景；正在拓展：工业现场、上天入地下海、辐射环境等服务；通用化、系列化及微软提出的编程模式是发展方向。机器人图例——工业机器人机器人焊接机器人图例——工业机器人六自由度机器人搬运（末端夹持器不同）机器人图例——工业机器人电子领域的工业机器人机器人图例——移动机器人轮式（最多，可用于平地及圆面、直立面等）机器人图例——移动机器人足式（大发展：2、4、6、8居多）机器人图例——移动机器人履带式等机器人图例——服务机器人家政娱乐等机器人图例——服务机器人情感等机器人图例——服务机器人医疗等机器人图例——并联机器人比尔盖茨——机器人预言及计划机器人将会像个人电脑一样走进千家万户RoboticsStudio是面向机器人的通用开发平台，支持各类用户，各种硬件和各个应用领域。（人工智能的问题）支持各种机器人基本的输入与输出自主导航二进制代码与源代码功能库：语音识别，语音合成，人脸与手势检测，颜色跟踪，双面定位，GPS等我国机器人技术的发展战略工业机器人基础机器人技术入门级展示机器人技术基础机器人运动学位姿描述直角坐标变换齐次坐标变化D-H法及PUMA机器人运动学简述微分运动与雅可比矩阵机器人动力学机器人运动控制机器人系统的构成机械本体：本体机构基本上分为两大类，一类是操作本体机构，它类似人的手臂和手腕，另一类为移动型本体结构，主要实现移动功能。驱动伺服单元：驱动关节并带动负载按预定的轨迹运动。已广泛采用的驱动方式有：液压伺服驱动、电机伺服驱动，气动伺服驱动。计算机控制系统：各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。机器人通常采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制。传感系统：除了关节伺服驱动系统的位置传感器（称作内部传感器）外，还配备视觉、力觉、触觉、接近觉等传感器（称作外部传感器）。输入/输出系统接口：为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。机器人系统的主要技术参数自由度（机构问题）：独立运动坐标轴的数目，还包括末端操作器的开合自由度。三维空间中描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6个自由度。工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，以6自由度+1为主。精度（机构及控制）：定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人手部重复定位于同一目标位置的能力。工作空间（运动学问题）：手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合（含形状和大小）。最大工作速度：主要自由度上最大的稳定速度，或手臂末端的最大合成速度。承载能力（动力学问题）：指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。承载能力不仅决定于负载的质量，还与机器人运行的速度和加速度有关。工业机器人的结构型式类型关节型——回转及直线运动关节；灵活性好，工作空间大，刚度精度较低球坐标型——（极坐标型）灵活性好，工作空间大，刚度精度较差；圆柱坐标型灵活性、工作空间、刚度精度较好；直角坐标刚度精度高，灵活性及工作空间差。运动学与动力学运动学（纯粹描述物体运动，完全不考虑导致运动的因素）从几何的角度（指不涉及物体本身的物理性质和加在物体上的力)描述和研究物体位置随时间的变化规律的力学分支；点的运动学：研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征，这些都随所选参考系的不同而异；刚体运动学：还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征机器人运动学：手在空间的运动与各个关节的运动之间的关系。动力学（主要研究运动的变化与造成这变化的各种因素）以牛顿第二定律为核心（这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系），研究作用于物体的力与物体运动的关系。质点（质点系、刚体等）动力学有两类基本问题：已知质点运动，求作用力；求解第一类问题时只要对质点的运动方程取二阶导数，得到质点的加速度，代入牛顿第二定律，可求得力；已知作用力，求质点运动。求解第二类问题时需要求解质点运动微分方程或求积分。机器人运动学基础问题：手在空间的运动与各个关节的运动之间的关系正问题：已知关节运动，求机械臂末端的运动。逆问题：已知机械臂末端的运动，求关节运动。数学模型：手的运动→位姿变化→位姿矩阵M关节运动→参数变化→关节变量qi，i=1，…，n运动学方程：M=f(qi)，i=1，…，n正问题：已知qi，求M。逆问题：已知M，求qi。工业机器人基础机器人技术入门级展示机器人技术基础机器人运动学位姿描述直角坐标变换齐次坐标变化D-H法及PUMA机器人运动学简述微分运动与雅可比矩阵机器人动力学机器人运动控制机器人运动学——位姿描述位置位置可以用一个3×1的位置矩阵来描述；姿态刚体的姿态可以用附着于刚体上的坐标系（用{B}表示）来表示；因此，刚体相对于坐标系{A}的姿态等价于{B}相对于{A}的姿态。坐标系{B}相对于{A}的姿态表示可以用坐标系{B}的三个基矢量XB、YB和ZB在{A}中的表示给出，即[AXBAYBAZB],它是一个3×3矩阵，它的每一列为{B}的基矢量在{A}中的分量表示。zyxppppzyx工业机器人基础机器人技术入门级展示机器人技术基础机器人运动学位姿描述直角坐标变换齐次坐标变化D-H法及PUMA机器人运动学简述微分运动与雅可比矩阵机器人动力学机器人运动控制机器人运动学——直角坐标变换1、平移坐标系{i}和坐标系{j}具有相同的姿态，但它俩的坐标原点不重合，若用矢量表示坐标系{i}和坐标系{j}原点之间的矢量，则坐标系{j}就可以看成是由坐标系{i}沿矢量平移变换而来的，所以称矢量为平移变换矩阵，它是一个3×1的矩阵，即：若空间有一点在坐标系{i}和坐标系{j}中分别用矢量和表示，则它们之间有以下关系：坐标平移方程ijpijpzyxijppppｚiｙiｘiｏiｚjｙjｘjｏjijpijpjrirjijirpr机器人运动学——直角坐标变换旋转变换设坐标系{i}和坐标系{j}的原点重合，但它俩的姿态不同，则坐标系{j}就可以看成是由坐标系{i}旋转变换而来的，旋转变换矩阵比较复杂，最简单的是绕一根坐标轴的旋转变换如：绕z轴旋转θ角坐标系{j}的坐标轴方向相对于坐标系{i}绕Z轴旋转了一个θ角。θ角的正负一般按右手法则确定，即由z轴的矢端看，逆时钟为正。若空间有一点p，则其在坐标系{i}和坐标系{j}中的坐标分量之间就有以下关系：jijjijjizzyxyyxxcossinsincos机器人运动学——直角坐标变换绕z轴旋转（续）若补齐所缺的有些项，再作适当变形，则有：将上式写成矩阵的形式，则有：jjjijjjijjjizyxzzyxyzyxx1000cossin0sincosjjjiiizyxzyx1000cossin0sincos机器人运动学——直角坐标变换绕Z轴旋转（续）再将其写成矢量形式，则有坐标旋转方程：——p点在坐标系{i}中的坐标列阵（矢量）；——p点在坐标系{j}中的坐标列阵（矢量）；——坐标系{j}变换到{i}的旋转变换矩阵，称方向余弦矩阵。方向余弦矩阵每个元素是坐标系{i}和坐标系{j}相应坐标轴夹角的余弦值，它表明坐标系{j}相对于坐标系{i}的姿态（方向）。jzijirRr,irjr,zijR机器人运动学——直角坐标变换绕x轴旋转α角、绕y轴旋转β角的旋转变换矩阵为：旋转矩阵的逆矩阵——绕Z轴旋转-θ角cossin0sincos0001,xijRcos0sin010sin0cos,yijR1000cossin0sincos,zijR1000cossin0sincos,zjiRTzijzijRR)()(,1,机器人运动学——直角坐标变换联合变换设坐标系{i}和坐标系{j}之间存在先平移变换，后旋转变换，则空间任一点在坐标系{i}和坐标系{j}中的矢量之间就有以下关系：若坐标系{i}和坐标系{j}之间是先旋转变换，后平移变换，则上述关系是应如何变化？jijijirRpr)(jijijirpRr机器人运动学——直角坐标变换例：已知坐标系{B}的初始位置与坐标系{A}重合，首先坐标系{B}沿坐标系{A}的x轴移动12个单位，并沿坐标系{A}的y轴移动6个单位，再绕坐标系{A}的z轴旋转30°，求平移变换矩阵和旋转变换矩阵？假设某点在坐标系{B}中的矢量为：，求该点在坐标系{A}中的矢量？kjirB0950612ABp1000866.05.005.0866.0100030cos30sin030sin30cosABR0794.13830.110951000866.