【正文】 ?????????????????1000pcpsacasocosnspaonasacasacososncy1x1y1x1y1x1y1x1zzzzy1x1y1x1y1x1y1x1 （ 6） ??????????????????100000 4422423423234232242342323423321 csasdcsscccacdsscsccAAA （ 7） 令式 （ 6）（ 7） 兩式右邊矩陣的各項(xiàng)相等 ，就可得出 4自由度機(jī)器人的 4個(gè)轉(zhuǎn)角的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解。$ 和 ai1之間的距離 利用 DenavitHartenberg 法則得到的參數(shù)如表 1所示： 表 1 機(jī)器人連桿 DH參數(shù) 1 d a 2 1 0 0 0 3 2 0 0 90 4 3 0 I2 0 5 4 d4 0 0 得到正運(yùn)學(xué)舉證： T4= A1A2 A3 ???????????????????????? ?1000224234232342322142314142312314142312214231414231231414231ASDCSSCCSACSDSSCCSCSSSSCCCSACCDSCCSSCCSCSSCCC （ 3） 其中： Si= ； Ci= ； S23= ； C23= 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解是在給定了已知的滿足某工作 位置和姿態(tài)以及各桿件的參數(shù)的情況下 ， 求解對(duì)應(yīng)的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角 。 Xi—— 與關(guān)節(jié) i和 i+1 軸線的公垂線重合，指向?yàn)?i— i+1；關(guān)節(jié) i和 i+1 的軸線相交時(shí)， Xi// （ Zi1 Zi）；關(guān)節(jié) i 和 i+1 的軸線平行時(shí)，選定 Oi， Xi為過(guò)點(diǎn) Oi 且與關(guān)節(jié) i和 i+1 的公垂線重合，指向?yàn)?i— i+1 Yi—— 與 Zi和 Xi 構(gòu)成右手系，即 Yi=Zi Xi 相交時(shí) 關(guān)節(jié)i關(guān)節(jié)i+1ZiZi1OiXi平行時(shí) 關(guān)節(jié)i+1關(guān)節(jié)iZiZi1Oi 關(guān)節(jié)i+2XiXi+1 18 圖 31轉(zhuǎn)動(dòng)連桿參攝及坐標(biāo)系 工業(yè)機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)學(xué) 依次寫(xiě)出從基坐標(biāo)系到手爪坐標(biāo)系之間相鄰兩坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，它們依次連乘的結(jié)果就是末端執(zhí)行器（手爪）在基坐標(biāo)系中的空間描述，即 上式稱為運(yùn)動(dòng)方程 已知 q1,q2,? ,qn，求， 稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)正解； 已知 ，求 q1,q2,? ,qn，稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。 DH坐標(biāo)系的建立 A） 中間連桿坐標(biāo)系的建立： Zi—— 與關(guān)節(jié) i+1 的軸線重合，方向任意 Oi—— 關(guān)節(jié) i 和 i+1 軸線的公垂線與關(guān)節(jié) i+1軸線的交點(diǎn)。在整個(gè)分析過(guò)程中，我們將機(jī)器人建模成輪子上的一個(gè)剛體，運(yùn)行在水平面上。 最大速度 關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng) 180o /s 關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng) 360o /s 關(guān)節(jié)Ⅲ升降 150mm /s 關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng) 360o /s 最大展 開(kāi)半徑 400mm 高度 680mm 本體重量 48 kg 安裝環(huán)境 溫度 0 ～ +45℃ 濕度 20 ～ 80％不結(jié)露 振動(dòng) G以下 其它 避免易燃、腐蝕性氣體、液體 勿濺水、油、粉塵等 勿接近電器噪聲源 操作方式 示教再現(xiàn)／ PLC編程 電源容量 單相 220V 50Hz 8A 17 第三章 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建設(shè) 為整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)一個(gè)模型，是一個(gè)由底向上的過(guò)程。 關(guān)節(jié)Ⅲ升降 0 ～ 150mm 關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng) 0176。 關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng) 90176。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) : 表 11 機(jī)器人技術(shù)參數(shù) 機(jī)構(gòu)形態(tài) 平面關(guān)節(jié)型 自由度 4 負(fù)載能力 5kg 動(dòng)作范圍 關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng) 110176。該 機(jī)器人 的定位精度為 mm1? 。 手臂升降行程定為 mm120 。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝 16 置為好。大部分機(jī)器人 設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。 機(jī)器人 動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣?與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。平均移動(dòng)速度為 sm/ 。該 機(jī)器人 最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為 sm/ 。操作節(jié)拍對(duì) 機(jī)器人 速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。 (四 )位置檢測(cè)裝置 控制機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置 . 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本 機(jī)器人 采用氣壓傳動(dòng)方式。考慮到機(jī)器人的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。目前工業(yè)機(jī)手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機(jī)械擋塊定位 )系統(tǒng)組成。由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)器人采用氣壓傳動(dòng)方式。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)。 機(jī)座 機(jī)座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。滾輪式布為有軌的和無(wú)軌的兩種。機(jī)器人的立 I因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物 件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置 .工業(yè)機(jī)器人的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等 )與驅(qū)動(dòng)源 (如液壓、氣壓或電機(jī)等 )相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有 :滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔 )和物件的重量及尺寸?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。夾持式手部由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。 手部 即與物件接觸的部件。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 21所示。由于本 機(jī)器人 在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。 12 第二章 四度 工業(yè) 機(jī)器人 方案設(shè)計(jì) 對(duì)氣動(dòng) 機(jī)器人 的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任 意位置都能自動(dòng)定位等特性。 (5)對(duì)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來(lái)抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時(shí)候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)來(lái)吸取板料工件。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的 機(jī)器人 ，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過(guò)去介紹得不夠 ，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對(duì)氣動(dòng) 機(jī)器人 、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為 :由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難 (尤其在高速情況下，似乎更難想象 )。 (6)成本低廉。 (5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。 (4)能源可儲(chǔ)存。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要 即可建立起所需的壓力和速度。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。鑒于以上這些缺陷，本 機(jī)器人 擬采用氣壓傳動(dòng)， 氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn) : (1)介質(zhì)提取和處理方便。 10 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價(jià)格較高 。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動(dòng)特性變化。 現(xiàn)在的 機(jī)器人 大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn) : (1)液壓傳動(dòng)在工作過(guò)程中常有較多的能量損失 (摩擦損失、泄露損失等 ):液壓傳動(dòng)易泄漏，不僅污染工作場(chǎng)地，限制其應(yīng)用范 圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。如今我國(guó)正從一個(gè)“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn)，對(duì)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會(huì)加大對(duì)機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會(huì)給工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。 在我國(guó)，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)份額大部分被國(guó)外工業(yè)機(jī)器人企業(yè)占據(jù)著。在未來(lái)幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會(huì)使工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。在歐洲地區(qū)，據(jù)統(tǒng)計(jì) 2021 年與 2021 年相 l： tI 業(yè) 9 機(jī)器人在食品加工行業(yè)的應(yīng)用增長(zhǎng)了 17％左右，在非金屬加工行業(yè)的應(yīng)用增長(zhǎng)了 20％左右，在日用品消費(fèi)行業(yè)增長(zhǎng)了 32％，在木材家具加工行業(yè)增長(zhǎng)了 18％左右。 工業(yè)機(jī)器人除了在汽車行業(yè)的廣泛應(yīng)用，在電子，食品加工，非金屬加工，日用消費(fèi)品和木材家具加工等行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求也快速增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)我國(guó)正在進(jìn)入汽車擁有率上升時(shí)期，在未來(lái)幾年里，汽車仍將每年 15％左右的速度增長(zhǎng)。在我國(guó)，工業(yè)機(jī)器人最初也是應(yīng)用于汽車和工程機(jī)械行業(yè)中。在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。 目前，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人公司主要有中國(guó)新松機(jī) 器自動(dòng)化股份有限公司和首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司。 從 2O 世紀(jì) 9O 年代初期起，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)兩個(gè)根本轉(zhuǎn)變期，掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)了一大步，先后研制了點(diǎn)焊，弧焊，裝配，噴漆，切割，搬運(yùn)，碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃開(kāi)始實(shí)施，經(jīng)過(guò)幾年研究，取得了一大批科研成果。隨著 20世紀(jì) 70 年代世界科技快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在世界掀起了一個(gè)高潮，在這種背景下，我國(guó)于 1972 年開(kāi)始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。歐系中主要有德國(guó)的 KUKA、 CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 CO毗 U及奧地利的工 GM 公司。目前，國(guó)際上的工業(yè)機(jī)器人公司主要分為日系和歐系。這個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致英國(guó)的機(jī)器人工業(yè)一蹶不振，在西歐幾乎處于末位。 英國(guó)紀(jì) 70 年代末開(kāi)始，推行并實(shí)施了一系措施列支持機(jī)器人發(fā)展的政策，使英國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步比當(dāng)今的 機(jī)器人大國(guó)日本還要早，并曾經(jīng)取得了早期的輝煌。在政府組織的項(xiàng)目中，特別注重機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究，把重點(diǎn)放在開(kāi)展機(jī)器人的應(yīng)用研究上。目前，德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第二位，僅次于日本。此外，在德國(guó)規(guī)定，對(duì)于一些危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人來(lái)代替普通人的勞動(dòng)。 日本在 1967 年從美國(guó)引進(jìn)第一臺(tái)機(jī)器人， 1976 年以后，隨著微電子的快速 7 發(fā)展和市場(chǎng)需求急劇增加，日本當(dāng)時(shí)勞動(dòng)力顯著不足，工業(yè)機(jī)器人在企業(yè)里受到了“救世主”般的歡迎，使其日本工業(yè)機(jī)器人得到快速發(fā)展，現(xiàn)在無(wú)論機(jī)器人的數(shù)量還是機(jī)器人的密度都位居世界第一，素有“機(jī)器人王國(guó)”之稱。經(jīng)過(guò) 40 多年的發(fā)展，美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上仍一直處于領(lǐng)先地位。第三代為智能型機(jī)器人它具有感知和理解外部環(huán)境的能力，在工作環(huán)境改變的情況下，也能夠成功地完成任務(wù)，它尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程可分為三代，第 — 代，為示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它主要由機(jī)器手控制器和示教盒組成，可按預(yù)先引導(dǎo)動(dòng)作記錄下信息重復(fù)再現(xiàn)執(zhí)行，當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用最多。 連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確