機器人學(xué)—緒論緒論一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史二、機器人的基本概念三、機器人的分類及應(yīng)用四、機器人的性能指標(biāo)五、機器人未來與趨勢中國古代的智慧：西周時代的計里鼓車和指南車，展示了古代人類對機械裝置的智慧，為機器人發(fā)展奠定基礎(chǔ)。古希臘的傳說：公元前3世紀(jì)，古希臘發(fā)明家戴達羅斯建造的青銅衛(wèi)士塔羅斯，是早期機器人概念的體現(xiàn)。指南車這些古代發(fā)明雖簡單，卻蘊含機器人構(gòu)想，為后世機器人技術(shù)發(fā)展提供了寶貴啟示。一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史1、古代機器人雛形計里鼓車塔羅斯達·芬奇的設(shè)計：16世紀(jì)，達·芬奇設(shè)計的“自動機器”，雖受限于科技未實現(xiàn)，但體現(xiàn)了文藝復(fù)興時期對機器人技術(shù)的前瞻性思考。日本的創(chuàng)新：1662年，日本竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動機器玩偶，展示了機器人技術(shù)的初步嘗試。這些近代探索不斷推動機器人技術(shù)從夢想走向現(xiàn)實，為后續(xù)發(fā)展積累了經(jīng)驗。一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史2、近代機器人探索“自動機器”自動玩偶機器機器鴨與偶人：1738年法國的機器鴨、1768年至1774年間瑞士的寫字偶人等，展示了機器人技術(shù)的早期實踐成果。早期機器人實踐為現(xiàn)代機器人的誕生提供了技術(shù)與思想的源泉，推動了機器人技術(shù)的進一步發(fā)展。一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史3、早期機器人實踐機器鴨寫字偶人1920年，捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本中最早使用了“機器人”一詞，開啟了機器人技術(shù)的新紀(jì)元。核污染操作的機械手臂：二戰(zhàn)后，美國研制出用于核污染操作的機械手臂，標(biāo)志著工業(yè)機器人在制造業(yè)中的應(yīng)用起步。這一時期機器人的出現(xiàn)，為后續(xù)工業(yè)機器人的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，推動了機器人技術(shù)進入新的發(fā)展階段。一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史4、國外機器人發(fā)展——機器人命名與早期應(yīng)用卡雷爾·查培克機械手臂第一臺工業(yè)機器人：1959年，第一臺工業(yè)機器人樣機Unimate誕生，開啟了工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化進程。傳感器技術(shù)的推動：隨后傳感器技術(shù)的發(fā)展，使機器人具備觸覺、視覺等感知能力，推動工業(yè)機器人向智能化邁進。工業(yè)機器人的出現(xiàn)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，極大地拓展了機器人的應(yīng)用范圍，推動了機器人技術(shù)的快速發(fā)展。一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史4、國外機器人發(fā)展——工業(yè)機器人崛起第一臺工業(yè)機器人樣機SCARA機器人醫(yī)療領(lǐng)域的突破：1996年，“達·芬奇”手術(shù)機器人的出現(xiàn)，將機器人技術(shù)引入醫(yī)療領(lǐng)域，提升了手術(shù)精度。高度靈活的機器人：波士頓動力公司的“BigDog”和“Atlas”等機器人，展示了高度靈活和智能化的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)代機器人技術(shù)在醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域的突破，體現(xiàn)了機器人技術(shù)的多元化發(fā)展趨勢，為未來的發(fā)展提供了更多可能性。一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史4、國外機器人發(fā)展——現(xiàn)代機器人突破“達·芬奇”手術(shù)機器人四足機器人和人形機器人基礎(chǔ)技術(shù)研究：20世紀(jì)70年代，我國機器人技術(shù)開始萌芽，進行基礎(chǔ)技術(shù)研究和工業(yè)機器人開發(fā)。第一臺工業(yè)機器人樣機：1980年，我國第一臺工業(yè)機器人樣機成功研制，開啟了我國機器人技術(shù)的自主發(fā)展之路。這一時期我國機器人技術(shù)的萌芽和起步，為后續(xù)的發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗，奠定了基礎(chǔ)。一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史5、國內(nèi)機器人發(fā)展——萌芽與起步“SZJ-1”型示教再現(xiàn)工業(yè)機器人863”計劃的推動：1986年“863”計劃將智能機器人作為主要研究方向，推動了我國機器人技術(shù)的快速發(fā)展。全球最大市場：2014年，我國工業(yè)機器人年裝機量超過日本，成為全球最大的機器人市場。在“863”計劃的推動下，我國機器人技術(shù)快速發(fā)展，同時市場需求的增長也為技術(shù)進步提供了動力。一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史5、國內(nèi)機器人發(fā)展——發(fā)展與追趕產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃：2021年《十四五機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》推動我國機器人產(chǎn)業(yè)邁向高端化、智能化。多領(lǐng)域開花：我國在醫(yī)療、制造業(yè)、物流等領(lǐng)域自主研發(fā)的機器人多點開花，彰顯強大發(fā)展實力。近年來我國機器人技術(shù)的突飛猛進，不僅體現(xiàn)在技術(shù)創(chuàng)新上，更體現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，為各行業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史5、國內(nèi)機器人發(fā)展——突飛猛進登月機器人火星機器人機器人學(xué)融合了機械工程、電子工程、信息工程、計算機科學(xué)、控制工程等多學(xué)科，通常被認(rèn)為起源于英國。20世紀(jì)50年代初，艾倫?圖靈等科學(xué)家在英國開啟了機器人理論與應(yīng)用研究。如今，麻省理工學(xué)院機器人與人工智能實驗室、斯坦福大學(xué)機器人實驗室、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機器人研究所、蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)機器人與知識工程學(xué)院、牛津大學(xué)機器人研究實驗室等世界著名研究機構(gòu)，有力推動了機器人學(xué)的發(fā)展。我國機器人學(xué)科起步較晚，1985年前后在一級學(xué)會設(shè)立機器人專業(yè)委員會，1987年6月“首屆全國機器人學(xué)術(shù)討論會”在北京召開，標(biāo)志著學(xué)科大聯(lián)合的開始。隨著機器人研發(fā)應(yīng)用快速發(fā)展，國內(nèi)外機器人研究機構(gòu)和學(xué)術(shù)會議眾多。一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史6、機器人學(xué)的發(fā)展挑戰(zhàn)：人工智能技術(shù)的新發(fā)展也使機器人學(xué)未來多元化且充滿挑戰(zhàn)。緒論一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史二、機器人的基本概念三、機器人的分類及應(yīng)用四、機器人的性能指標(biāo)五、機器人未來與趨勢二、機器人的基本概念1、機器人定義美國定義強調(diào)編程與任務(wù)執(zhí)行：美國機器人協(xié)會定義機器人是通過可編程序動作執(zhí)行任務(wù)的多功能機械手，強調(diào)編程能力和任務(wù)執(zhí)行能力。01日本定義突出代替人類勞動：日本工業(yè)機器人協(xié)會定義工業(yè)機器人是裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的通用機器，突出其代替人類勞動的功能。02國際組織定義涵蓋多種類型：國際機器人聯(lián)合會定義機器人是半自主或全自主工作的機器，涵蓋工業(yè)、服務(wù)、專用等多種類型機器人。全面反映應(yīng)用領(lǐng)域：這一定義更全面地反映了機器人在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，適用于多種應(yīng)用場景。對全球技術(shù)發(fā)展的促進：國際組織的定義為全球機器人技術(shù)的發(fā)展提供了統(tǒng)一的認(rèn)識框架，促進了不同領(lǐng)域機器人技術(shù)的交流和發(fā)展。03中國定義我國國家標(biāo)準(zhǔn)對機器人的定義（GB/T12643-2013《機器人與機器人裝備詞匯》）：機器人是具有兩個或兩個以上可編程的軸，具有一定程度的自主能力，可在其環(huán)境內(nèi)運動以執(zhí)行預(yù)期任務(wù)的執(zhí)行機構(gòu)。二、機器人的基本概念2、機器人分類——按應(yīng)用分類工業(yè)機器人：用于工業(yè)生產(chǎn)，大多數(shù)工業(yè)機器人有3~6個運動自由度，能依靠自身動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)自動執(zhí)行動作，也可以在特定工作環(huán)境下接受工作人員指揮，或按照人工智能技術(shù)制定的方案進行作業(yè)。服務(wù)機器人：服務(wù)機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，能完成有益于人類健康的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備。按照用途可分為商業(yè)服務(wù)機器人、家庭服務(wù)機器人、娛樂服務(wù)機器人等。特種機器人：特種機器人可以替代人在危險、惡劣環(huán)境下作業(yè)，例如輔助完成空間與深海作業(yè)、精密操作、在管道內(nèi)作業(yè)等任務(wù)，具有運動性能高、防護性能強、智能化程度高、可靠性強的特點。典型工業(yè)機器人各式各樣的服務(wù)機器人太空機械臂二、機器人的基本概念2、機器人分類——按結(jié)構(gòu)形式分類串聯(lián)機器人：串聯(lián)機器人由一系列連桿通過鉸鏈順序連接而成，首尾不封閉，是開式運動鏈機器人。具有工作空間大、正運動學(xué)求解簡單、逆運動學(xué)求解復(fù)雜、驅(qū)動及控制簡單等特點，但末端誤差是各個關(guān)節(jié)誤差的累積，精度較低。并聯(lián)機器人：并聯(lián)機器人是上下兩個平臺通過至少兩個獨立的運動支鏈相連接，以并聯(lián)的方式驅(qū)動的閉環(huán)機構(gòu)。具有無累積誤差、末端精度高、驅(qū)動裝置可置于定平臺上、運動部分質(zhì)量輕、動態(tài)響應(yīng)性好、整體結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、承載能力大等特點。混聯(lián)機器人：混聯(lián)機器人為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人的組合，兼具串聯(lián)機器人工作空間大和并聯(lián)機器人剛度大的優(yōu)點。直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)并聯(lián)機器人二、機器人的基本概念2、機器人分類——按控制方式分類非伺服機器人：非伺服機器人是指沒有使用伺服系統(tǒng)的機器人，通常運動精度和靈活性較低，適用于簡單任務(wù)，如在工業(yè)生產(chǎn)線上執(zhí)行簡單的搬運或裝配任務(wù)，或者在娛樂領(lǐng)域中用作玩具機器人。伺服控制機器人：伺服控制機器人比非伺服機器人的工作能力更強，具有位置和速度控制、力控制、高精度和穩(wěn)定性、多軸控制等特點，可實現(xiàn)復(fù)雜的多自由度運動，適用于精密裝配、操作、噴涂、焊接等任務(wù)。對比項目非伺服機器人伺服控制機器人控制系統(tǒng)沒有伺服系統(tǒng)，無復(fù)雜傳感器和控制系統(tǒng)監(jiān)測調(diào)整運動，依賴預(yù)設(shè)程序或機械限位執(zhí)行動作配備伺服系統(tǒng)，是高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)，有反饋傳感器（如編碼器）和力傳感器等裝置運動精度運動精度較低位置、速度和力度控制精準(zhǔn)，高精度和穩(wěn)定性靈活性靈活性差，只能執(zhí)行特定簡單動作可同時控制多軸（關(guān)節(jié)），實現(xiàn)復(fù)雜多自由度運動，靈活性強，能適應(yīng)不同工作環(huán)境和任務(wù)適用范圍適用范圍有限，用于工業(yè)生產(chǎn)線簡單搬運、裝配任務(wù)及娛樂玩具機器人等廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、自動化生產(chǎn)線、醫(yī)療手術(shù)機器人、航空航天、物流倉儲等眾多領(lǐng)域價格價格相對較低價格較貴二、機器人的基本概念3、機器人性能指標(biāo)運動自由度自由度與靈活性：運動自由度越高，機器人在復(fù)雜環(huán)境中的運動能力越強，能完成更多復(fù)雜任務(wù)。例如，多關(guān)節(jié)機器人因自由度高，可靈活繞過障礙物。自由度與適應(yīng)性：高自由度機器人可適應(yīng)多種工作場景，滿足不同任務(wù)需求。在醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域，高自由度機器人可精準(zhǔn)操作，減少對周圍組織的損傷。自由度與效率：自由度高的機器人在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時效率更高，能快速調(diào)整姿態(tài)和位置，適應(yīng)不同的工作要求。Stewart平臺-六自由度三自由度平臺二、機器人的基本概念3、機器人性能指標(biāo)精度與速度精度的重要性：精度是衡量機器人作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，高精度機器人可顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在電子制造等領(lǐng)域，高精度機器人可實現(xiàn)微小元件的精準(zhǔn)裝配。速度的影響：速度決定機器人響應(yīng)能力和工作效率，高速機器人可縮短生產(chǎn)周期。例如，在物流分揀中，高速機器人可快速完成貨物分揀任務(wù)。精度與速度的平衡：在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)任務(wù)需求平衡精度和速度，以達到最佳的生產(chǎn)效果。負(fù)載能力與智能性能負(fù)載能力：負(fù)載能力決定機器人可搬運或操作的物體重量，影響其應(yīng)用范圍。在物流搬運等領(lǐng)域，高負(fù)載能力機器人可搬運重物。智能性能：智能性能指標(biāo)涵蓋感知、認(rèn)知、決策和學(xué)習(xí)等方面，是衡量機器人智能化水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。例如，智能機器人可通過環(huán)境感知和學(xué)習(xí)，自主優(yōu)化任務(wù)執(zhí)行方案。負(fù)載與智能的結(jié)合：高負(fù)載能力和智能性能的結(jié)合，使機器人在復(fù)雜任務(wù)中表現(xiàn)更加出色。緒論一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史二、機器人的基本概念三、機器人的分類及應(yīng)用四、機器人的性能指標(biāo)五、機器人未來與趨勢三、機器人的分類及應(yīng)用1、工業(yè)機器人的應(yīng)用汽車制造業(yè)中的工業(yè)機器人汽車制造業(yè)應(yīng)用廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：汽車及其零部件制造是工業(yè)機器人應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最早應(yīng)用、最大應(yīng)用規(guī)模、最強服務(wù)能力的領(lǐng)域。提高生產(chǎn)效率：工業(yè)機器人實現(xiàn)了機械加工的自動化、柔性化，取代了人工工作，保證了質(zhì)量和產(chǎn)量。目前汽車工業(yè)的機械加工中，約有70%的工作由工業(yè)機器人完成。技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的結(jié)合：工業(yè)機器人在汽車制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，不僅提高了生產(chǎn)效率，還推動了汽車產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。1、工業(yè)機器人的應(yīng)用電子電氣行業(yè)應(yīng)用精細(xì)化生產(chǎn)需求：工業(yè)機器人在電子類IC、貼片元器件的生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，滿足了電子組裝加工設(shè)備精細(xì)化需求。視覺機器人的應(yīng)用：例如，視覺機器人可用于手機生產(chǎn)中的激光塑料焊接、觸摸屏檢測、擦洗、貼膜、分揀裝箱等一系列流程應(yīng)用。技術(shù)推動產(chǎn)業(yè)升級：工業(yè)機器人在電子電氣行業(yè)的應(yīng)用，推動了電子產(chǎn)業(yè)的升級，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。機加工行業(yè)應(yīng)用機器人與機床集成：根據(jù)零件的工藝特性實現(xiàn)機器人與機床的集成，是未來機械加工領(lǐng)域重要的研究和發(fā)展方向。提高生產(chǎn)效率和精度：工業(yè)機器人引入到自動化機械加工中可以提高生產(chǎn)效率和加工精度，減少生產(chǎn)成本。智能制造的推動：隨著智能制造2025和工業(yè)4.0等計劃的實施，機器人技術(shù)的應(yīng)用推動了機械加工行業(yè)的智能化發(fā)展。三、機器人的分類及應(yīng)用2、服務(wù)機器人的應(yīng)用醫(yī)療機器人醫(yī)療服務(wù)機器人：包括診斷式機器人、手術(shù)式機器人、輔助式機器人，可提高醫(yī)療效率和質(zhì)量。“達·芬奇”手術(shù)機器人：手術(shù)式機器人可以幫助醫(yī)生或獨立完成手術(shù)，是外科醫(yī)生雙手的延伸。如“達·芬奇”手術(shù)機器人可降低手術(shù)誤差，減輕患者痛苦。技術(shù)改善醫(yī)療服務(wù)：醫(yī)療機器人的應(yīng)用，改善了醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量和效率，為患者提供了更好的治療體驗。家庭服務(wù)機器人機器人與機床集成：根據(jù)零件的工藝特性實現(xiàn)機器人與機床的集成，是未來機械加工領(lǐng)域重要的研究和發(fā)展方向。提高生產(chǎn)效率和精度：工業(yè)機器人引入到自動化機械加工中可以提高生產(chǎn)效率和加工精度，減少生產(chǎn)成本。智能制造的推動：隨著智能制造2025和工業(yè)4.0等計劃的實施，機器人技術(shù)的應(yīng)用推動了機械加工行業(yè)的智能化發(fā)展。三、機器人的分類及應(yīng)用3、特種機器人的應(yīng)用空間機器人復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行：空間機器人被廣泛用于在軌維護、燃料加注以及空間站建設(shè)等復(fù)雜任務(wù)中，可以執(zhí)行高精度與大載荷操作任務(wù)。輔助航天員工作：空間機器人可以輔助航天員完成難以完成，甚至是危險的任務(wù)，提高了空間任務(wù)的安全性和效率。技術(shù)推動航天發(fā)展：空間機器人的應(yīng)用，推動了航天技術(shù)的發(fā)展，為人類探索宇宙提供了有力支持水下機器人深海與海洋研究：水下機器人用于深海、海洋科學(xué)研究、海洋資源勘察、海底維修和救援等領(lǐng)域。適應(yīng)復(fù)雜水下環(huán)境：它們具備耐壓性能、防水設(shè)計、高效的動力系統(tǒng)和先進的傳感技術(shù)，以適應(yīng)水下環(huán)境的挑戰(zhàn)。技術(shù)助力海洋探索：水下機器人的發(fā)展，為海洋科學(xué)研究和資源開發(fā)提供了重要支持，推動了海洋技術(shù)的進步。搶險救災(zāi)機器人…三、機器人的分類及應(yīng)用緒論一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史二、機器人的基本概念三、機器人的分類及應(yīng)用四、機器人的性能指標(biāo)五、機器人未來與趨勢四、機器人的性能指標(biāo)不同類型、不同品牌的機器人參數(shù)會有所不同，機器人的性能指標(biāo)主要分為以下幾個方面：運動自由度：指機器人能夠獨立運動的自由度數(shù)量，運動自由度越高，機器人的靈活性和適應(yīng)性就越強。精度：指機器人在執(zhí)行任務(wù)時的定位和定向的準(zhǔn)確度，精度越高，機器人的作業(yè)效果就越好。速度：指機器人在執(zhí)行任務(wù)時的移動速度，速度越快，機器人的響應(yīng)能力和工作效率就越高。負(fù)載能力：指機器人能夠攜帶和處理的物體的重量，負(fù)載能力越大，機器人的作業(yè)范圍就越廣。智能性能指標(biāo)：智能性能指標(biāo)是評價機器人智能水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，它涵蓋了感知、認(rèn)知、決策和學(xué)習(xí)等方面的指標(biāo)。其他技術(shù)參數(shù)：包括重量承載能力、機器人臂展、工作范圍、重復(fù)定位精度、軸數(shù)、控制系統(tǒng)和安全控制等。緒論一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史二、機器人的基本概念三、機器人的分類及應(yīng)用四、機器人的性能指標(biāo)五、機器人未來與趨勢1、與人工智能技術(shù)相融合感知能力的提升重要指標(biāo)：隨著機器人的應(yīng)用和推廣，感知能力正成為機器人的一個重要指標(biāo)。如何使機器人的感知識別能力更接近于人或其他生物成為了研究的重點。技術(shù)提升感知：通過傳感器技術(shù)的發(fā)展和人工智能算法的應(yīng)用，機器人的感知能力不斷提升，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。感知能力的意義：提升感知能力使機器人能夠更好地與人類和環(huán)境互動，推動機器人技術(shù)的智能化發(fā)展。自主學(xué)習(xí)與適應(yīng)能力重要指標(biāo)：隨著機器人的應(yīng)用和推廣，感知能力正成為機器人的一個重要指標(biāo)。如何使機器人的感知識別能力更接近于人或其他生物成為了研究的重點。技術(shù)提升感知：通過傳感器技術(shù)的發(fā)展和人工智能算法的應(yīng)用，機器人的感知能力不斷提升，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。感知能力的意義：提升感知能力使機器人能夠更好地與人類和環(huán)境互動，推動機器人技術(shù)的智能化發(fā)展。應(yīng)用場景的拓展…五、機器人未來與趨勢本次課小結(jié)一、機器人及機器人學(xué)的發(fā)展史二、機器人的基本概念三、機器人的分類及應(yīng)用四、機器人的性能指標(biāo)五、機器人未來與趨勢作業(yè)

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謝謝!機器人學(xué)—機器人機構(gòu)基礎(chǔ)機器人機構(gòu)基礎(chǔ)一、機器人的自由度二、機器人的工作空間三、機器人的組成四、機器人機構(gòu)五、設(shè)計項目：四足機器人的方案設(shè)計自由度的重要性：自由度是機器人機構(gòu)研究的核心，決定了機器人在空間中的運動能力。6個自由度可確定剛體位姿，實際應(yīng)用中根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計自由度。自由度與任務(wù)需求：簡單裝配工作4個自由度足夠，復(fù)雜焊接或曲面涂漆任務(wù)則需要6個或更多自由度。自由度越多，靈活性和通用性越好，但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。自由度與設(shè)計矛盾：自由度越多，機器人靈活性和通用性越好，但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對整體要求越高。大多數(shù)工業(yè)機器人有3~6個運動自由度。一、機器人的自由度1、基本概念可以先考慮平面機構(gòu)中的自由度計算問題。假設(shè)一個構(gòu)件系統(tǒng)由N個自由構(gòu)件組成，該系統(tǒng)有3N個自由度。但需要選擇其中一個構(gòu)件作為機架，這樣被選為固定機架的構(gòu)件將損失全部的自由度，而剩余的活動構(gòu)件數(shù)變?yōu)镹-1，系統(tǒng)的自由度相應(yīng)變?yōu)?(N-1)。兩個相鄰構(gòu)件之間需要形成運動副，設(shè)該運動副的自由度為fi，平面機構(gòu)兩個構(gòu)件之間的相對自由度為3，則系統(tǒng)的自由度減少了3-fi。當(dāng)運動副的數(shù)量為g個時，由于全部運動副的引入而使系統(tǒng)總共損失的自由度變?yōu)橐弧C器人的自由度2、自由度計算系統(tǒng)的自由度F=所有活動構(gòu)件的自由度之和減去系統(tǒng)損失的所有自由度之和，則又由于系統(tǒng)的自由度F=所有活動構(gòu)件的自由度之和—所有運動副的約束度之和，還可以得到另一種形式的公式：一、機器人的自由度2、自由度計算將該公式中的約束又進一步區(qū)分為高副與低副（平面機構(gòu)中高副引入1個約束、低副引入2個約束），則上式簡化為式中PL——低副數(shù)PH——高副數(shù)一、機器人的自由度2、自由度計算例2.1如左圖所示，計算平面2連桿機器人的自由度。連桿平面機器人解：由計算公式可得例2.2如右圖所示，計算平面4連桿并聯(lián)機器人的自由度。4平面4連桿并聯(lián)機器人解：由計算公式可得一、機器人的自由度2、自由度計算采用平面機構(gòu)自由度計算的類似方法，可將公式擴展到空間形式，區(qū)別在于空間中的每個剛體都具有6個運動自由度，于是可得到空間形式下的自由度計算公式：式中pi——各級運動副的數(shù)目。進一步地，寫成更普遍的Grubler-Kutzbach公式：式中g(shù)——為機構(gòu)的運動副數(shù)；

fi——第i個運動副的自由度；

d——為機構(gòu)的階數(shù)。一般情況下對于空間機構(gòu)d=6，對于平面或球面機構(gòu)d=3。一、機器人的自由度2、自由度計算Stanford機器人例2.3如圖2-3所示，計算Stanford機器人的自由度。解：由計算公式可得d=6，g=6，N=7，

得：需要注意的是，當(dāng)機器人機構(gòu)存在局部自由度、局部過約束等情況時，上式計算結(jié)果不再正確，需要根據(jù)實際情況進行修正。機器人機構(gòu)基礎(chǔ)一、機器人的自由度二、機器人的工作空間三、機器人的組成四、機器人機構(gòu)五、設(shè)計項目：四足機器人的方案設(shè)計二、機器人的工作空間1、工作空間定義工作空間范圍：機器人的工作空間是指機器人末端執(zhí)行器能夠到達的所有空間位置的集合，通常用三維空間的邊界來表示。工作空間類型：根據(jù)不同的坐標(biāo)系和運動類型，機器人的工作空間可分為可達工作空間、靈巧工作空間和全工作空間。工作空間重要性：工作空間決定了機器人的工作能力和適應(yīng)性，影響其在不同應(yīng)用場景中的適用性。二、機器人的工作空間2、工作空間影響因素自由度影響：機器人的自由度數(shù)直接影響其工作空間。自由度越多，工作空間通常越大。關(guān)節(jié)運動范圍：關(guān)節(jié)的運動范圍限制了末端執(zhí)行器能夠到達的位置，從而影響工作空間。連桿長度：連桿的長度決定了機器人能夠伸展的范圍，進而影響工作空間。二、機器人的工作空間3、工作空間繪制方法幾何繪圖法：通過繪制工作空間的各類剖截面或剖截線來直觀表示工作空間，但當(dāng)關(guān)節(jié)數(shù)較多時需分組處理。解析法：對工作空間邊界進行解析分析，但表達式復(fù)雜，涉及計算機圖形學(xué)內(nèi)容，難以適用于工程設(shè)計。數(shù)值方法：通過計算邊界曲面上的特征點，用這些點構(gòu)成的線和面表示工作空間邊界，適合編程求解，但準(zhǔn)確性與取點多少有關(guān)。典型機器人工作空間示意機器人機構(gòu)基礎(chǔ)一、機器人的自由度二、機器人的工作空間三、機器人的組成四、機器人機構(gòu)五、設(shè)計項目：四足機器人的方案設(shè)計三、機器人的組成1、三大核心部分機械部分：構(gòu)成機器人主體，包括基座、手臂、末端操作器等，實現(xiàn)運動與操作。感知部分：通過內(nèi)外傳感器獲取信息，為控制提供依據(jù)，提升智能化水平。控制部分：根據(jù)指令與反饋控制機器人動作，確保任務(wù)精準(zhǔn)完成。機器人系統(tǒng)的組成三、機器人的組成2、六個子系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)：為機器人運動提供動力，常見有電動、液壓、氣動等類型。機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：由桿件和關(guān)節(jié)組成，支撐與執(zhí)行運動。感知系統(tǒng)：內(nèi)部傳感器測位置速度，外部傳感器感知環(huán)境。環(huán)境交互系統(tǒng)：實現(xiàn)機器人與環(huán)境的交互與通信。人機交互系統(tǒng)：實現(xiàn)操作人員與機器人之間的信息交互和控制。控制系統(tǒng)：根據(jù)指令和反饋控制機器人執(zhí)行機構(gòu)。機器人機構(gòu)基礎(chǔ)一、機器人的自由度二、機器人的工作空間三、機器人的組成四、機器人機構(gòu)五、設(shè)計項目：四足機器人的方案設(shè)計四、機器人機構(gòu)1、驅(qū)動機構(gòu)——電機驅(qū)動特點：控制方便，電機驅(qū)動通過電信號直接控制電機轉(zhuǎn)速和位置，響應(yīng)迅速，適合復(fù)雜運動軌跡和高精度任務(wù)。精度高，電機驅(qū)動輸出穩(wěn)定，重復(fù)定位精度高，適用于裝配、醫(yī)療等對精度敏感的場景。維護成本低，電機結(jié)構(gòu)相對簡單，相比液壓和氣動系統(tǒng)，維護成本和難度大幅降低。驅(qū)動效率高，電機將電能高效轉(zhuǎn)化為機械能，能量轉(zhuǎn)換效率高，運行成本低，符合節(jié)能環(huán)保趨勢。環(huán)保整潔，運行安靜，對環(huán)境友好，適合在潔凈車間和對環(huán)境要求高的場所使用。斯坦福大學(xué)的四足機器人四、機器人機構(gòu)1、驅(qū)動機構(gòu)——液壓驅(qū)動波士頓動力四足機器人采用液壓驅(qū)動技術(shù)特點：力量大，利用液體壓力傳遞動力，能以較小的驅(qū)動力產(chǎn)生巨大的輸出力，適合重載作業(yè)。調(diào)速簡單，液壓系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)流量和壓力實現(xiàn)無級調(diào)速，能靈活適應(yīng)不同工作速度需求。操作和控制方便，液壓驅(qū)動系統(tǒng)控制元件簡單，易于集成和控制，適合復(fù)雜機械操作。穩(wěn)定性問題，液壓驅(qū)動受外界因素影響，工件穩(wěn)定性和定位精度受影響，需精確控制和維護。環(huán)境污染，液壓油泄漏風(fēng)險高，增加了維護技術(shù)要求和成本，需定期檢查和更換液壓油。四、機器人機構(gòu)1、驅(qū)動機構(gòu)——氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動常應(yīng)用于軟體機器人特點：節(jié)能簡單，氣動驅(qū)動利用壓縮空氣作為動力源，能源獲取方便，系統(tǒng)簡單，易于維護和控制。柔軟安全，氣動系統(tǒng)具有緩沖作用，柔軟性好，能有效吸收沖擊力，減少碰撞傷害，適合與人協(xié)作。重量輕，氣動驅(qū)動器結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，不增加機器人負(fù)載，適合輕量化設(shè)計。成本低，氣動元件成本低，系統(tǒng)搭建和維護費用低，降低了機器人整體成本。精度控制難，由于空氣可壓縮性，氣動驅(qū)動難以實現(xiàn)高精度位置和速度控制，限制了應(yīng)用范圍。四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——基礎(chǔ)概念傳動機構(gòu)是把動力從機器的一部分傳遞到另一部分，使機器部件運動或運轉(zhuǎn)的機構(gòu)。傳動機構(gòu)具有以下作用：調(diào)速度：執(zhí)行器和驅(qū)動器的速度往往不一致，利用傳動機構(gòu)達到改變輸出速度的目的。調(diào)轉(zhuǎn)矩：改變驅(qū)動器輸出轉(zhuǎn)矩，以滿足工作機的要求。改變運動形式：把驅(qū)動器輸出的運動轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行器所需的形式，如將旋轉(zhuǎn)運動改變?yōu)橹本€運動，或反之。動力和運動的傳遞和分配：將驅(qū)動器的機械能傳送到數(shù)個工作單元上，或?qū)?shù)個驅(qū)動器的機械能傳送到一個工作單元上。其他特殊作用，如有利于機器的控制、裝配、安裝、維護和安全等而設(shè)置傳動裝置。具體而言，傳動機構(gòu)按照不同傳動形式又可分為齒輪傳動、絲杠傳動、帶傳動、鏈傳動、連桿傳動等。四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——齒輪傳動波浪式爬行機器人齒輪傳動方式直齒圓柱齒輪??特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低缺點：嚙合沖擊大（需配合同步帶使用）應(yīng)用：低速傳動（如傳送帶）斜齒輪??特點：嚙合平穩(wěn)、承載能力強應(yīng)用：汽車變速箱、風(fēng)力發(fā)電機斜齒輪圖四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——齒輪傳動直齒錐齒輪錐齒輪??特點：傳遞相交軸動力應(yīng)用：汽車差速器、機械臂肩關(guān)節(jié)蝸輪蝸桿特點：自鎖功能（α=90°）、大減速比缺點：效率低（約50%-70%）應(yīng)用：電梯門機、可折疊機器人蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——齒輪傳動機械手臂齒輪齒條傳動方式齒輪齒條特點：將旋轉(zhuǎn)運動高效轉(zhuǎn)化為直線運動。缺點：齒面易磨損，需定期潤滑和檢修。應(yīng)用：數(shù)控機床、??自動化設(shè)備??對比??類型????適用場景????核心優(yōu)勢????關(guān)鍵挑戰(zhàn)????直齒圓柱齒輪??低速、低成本需求結(jié)構(gòu)簡單、成本低沖擊大、噪音顯著??斜齒輪??高速、重載平穩(wěn)、承載強軸向力需處理??錐齒輪??相交軸傳動空間緊湊加工復(fù)雜、效率低??蝸輪蝸桿??低速高扭矩、自鎖大減速比、自鎖功能效率低、發(fā)熱嚴(yán)重??齒輪齒條??直線運動轉(zhuǎn)換高剛性、高效間隙補償復(fù)雜四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——齒輪傳動定軸輪系傳動示意圖定軸輪系傳動特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、承載能力強缺點：體積大、多級傳動效率遞減應(yīng)用：車輛變速器、輸送設(shè)備??周轉(zhuǎn)輪系傳動特點：結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、承載效率高缺點：設(shè)計復(fù)雜、制造成本高應(yīng)用：機器人關(guān)節(jié)、航空航天3K型行星齒輪減速器四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——齒輪傳動復(fù)合輪系傳動示意復(fù)合輪系傳動特點：兼顧變速、變向、分路功能缺點：設(shè)計調(diào)試難度大應(yīng)用：鐘表擒縱機構(gòu)??、混合動力汽車對比??類型????優(yōu)點????缺點????適用場景????定軸輪系??結(jié)構(gòu)簡單、成本低、承載能力強體積大、多級傳動效率遞減低速重載（如機床變速箱）??周轉(zhuǎn)輪系??結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、承載效率高設(shè)計復(fù)雜、制造成本高高速精密傳動（如機器人關(guān)節(jié)）??復(fù)合輪系??兼顧變速、變向、分路功能設(shè)計調(diào)試難度大復(fù)雜機械系統(tǒng)（如鐘表）四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——齒輪傳動鐘擺針輪傳動機構(gòu)鐘擺針輪減速器鐘擺針輪傳動是在行星輪傳動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種傳動方式。它由漸開線行星輪和鐘擺針輪兩部分組成。漸開線行星輪與曲柄軸連成一體，作為鐘擺針輪傳動部分的輸入。工作時，輸入軸通過擺動轉(zhuǎn)子中的凸輪或齒輪來帶動擺線針輪旋轉(zhuǎn)，而鐘擺針輪與針輪的嚙合使得輸出軸獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——齒輪傳動復(fù)合輪系傳動示意諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動由剛輪（內(nèi)齒）、柔輪（外齒）和波發(fā)生器構(gòu)成：波發(fā)生器驅(qū)動柔輪周期性變形，節(jié)圓徑向位移呈正弦波；具超大減速比、零回差、高精度、結(jié)構(gòu)緊湊特點，因高精度與緊湊性，廣泛用于工業(yè)機器人、醫(yī)療及航天，優(yōu)于傳統(tǒng)行星齒輪傳動。例2.4有一諧波齒輪傳動，剛輪齒數(shù)為200，柔輪齒數(shù)為195，剛輪固定，柔輪輸出，求該諧波傳動的傳動比。解：剛輪固定，柔輪輸出，速比為：其中負(fù)號表示柔輪輸出轉(zhuǎn)向與發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反。四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——齒輪傳動RV減速器RV減速器由一級漸開線圓柱齒輪行星減速與二級擺線針輪行星減速組成，屬封閉差動輪系；具結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、振動小、噪聲低、能耗低及自鎖功能，且疲勞強度、剛度、壽命遠(yuǎn)超諧波傳動，回差精度穩(wěn)定（無長期使用精度衰減），故廣泛應(yīng)用于高精度機器人傳動，逐步取代諧波減速器。RV減速器結(jié)構(gòu)第一級圓柱齒輪行星減速機構(gòu)第二級擺線針輪行星減速機構(gòu)四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——絲杠傳動絲杠傳動是通過絲桿與螺母的相互作用實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動與直線運動雙向轉(zhuǎn)換的機械傳動方式，其中絲桿為主動轉(zhuǎn)動件，帶動螺母實現(xiàn)直線運動。其優(yōu)點在于精度高、運動平穩(wěn)性好，但存在因摩擦導(dǎo)致的傳動效率低、磨損及潤滑維護需求等問題。在機器人領(lǐng)域，絲杠傳動可提供高精度直線運動，或與其他機構(gòu)組合實現(xiàn)復(fù)雜動作與軌跡；例如撲翼飛行機器人的夾持裝置采用絲杠傳動機構(gòu)，通過控制末端夾持裝置的開合，保障飛行機器人在樹干平臺的穩(wěn)定降落與停留。撲翼飛行機器人夾持裝置絲杠傳動方式四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——帶傳動和鏈傳動帶傳動是利用撓性帶作為中間介質(zhì)，將動力從主動輪傳遞至從動輪的機械傳動方式，主要分為摩擦型帶傳動??和??嚙合型帶傳動??。其核心特點包括：可實現(xiàn)較大距離傳動（提升機器人行程）、緩沖吸振（減少運動顫動，提高定位精度）、摩擦?。ㄟ\行噪音低，環(huán)境影響?。?。在機器人領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其適用于需要平穩(wěn)運動或長行程的場景。例如，爬梯功能的可變形六足機器人采用同步帶傳動（因同步帶質(zhì)量輕），并設(shè)計張緊輪增加張力，以提升傳動穩(wěn)定性。六足機器人帶傳動方式四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——帶傳動和鏈傳動鏈傳動是通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪與從動鏈輪連接，實現(xiàn)運動和動力傳遞的機械傳動方式。其鏈條由鏈節(jié)（含鏈板、銷軸）組成，銷軸通過軸承固定于鏈輪，確保鏈輪轉(zhuǎn)動時鏈條連續(xù)運轉(zhuǎn)。核心特點包括：傳動效率高、傳動比大；結(jié)構(gòu)簡單、傳力大、壽命長且適應(yīng)性強；可實現(xiàn)多關(guān)節(jié)軸聯(lián)動。在機器人領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如噴涂機器人利用鏈傳動將電機遠(yuǎn)離末端執(zhí)行器，實現(xiàn)大臂輕量化以提升運動靈活性；船體檢測的履帶式攀爬機器人則通過在鏈條上固定電磁鐵，使其吸附于垂直船體表面，完成攀爬與外殼故障檢測。主要缺點為成本較高、運行噪音大，長期使用可能出現(xiàn)鏈條脫落問題。攀爬機器人四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——繩傳動繩傳動是利用繩索纏繞滑輪或輪軸，通過滑輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)動力傳遞的機械傳動方式，主要用于改變運動方向、傳遞力量或變速。其核心特點為質(zhì)量輕、慣性小、傳動距離遠(yuǎn)且無背隙，柔性特性賦予緩沖吸振能力，提升人機/機機交互安全性；同時支持緊湊布局與“驅(qū)動后置”，減少機械臂電氣元件并增強環(huán)境適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療機器人（如達芬奇手術(shù)機器人）等需輕量化、精密操作的場景。但繩傳動存在摩擦損失大、傳動效率低、傳動比和傳遞力矩有限的不足，且需定期更換繩索維護。達芬奇手術(shù)機器人繩傳動方式四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——連桿傳動機械手連桿傳動方式連桿傳動機構(gòu)是由剛性構(gòu)件通過鉸鏈（回轉(zhuǎn)副）或?qū)к墸ㄒ苿痈保┞?lián)接而成的機械傳動裝置，可將回轉(zhuǎn)運動與往復(fù)擺動/移動相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)預(yù)期運動軌跡或動力傳遞。其核心優(yōu)勢包括：運動范圍大（通過連桿長度調(diào)整實現(xiàn)大工作空間，適用于裝配、印刷、激光切割等領(lǐng)域）；控制精準(zhǔn)（精確設(shè)計連桿長度可實現(xiàn)精確軌跡，如噴涂、搬運、焊接機器人）；可實現(xiàn)柔順控制（柔性連桿設(shè)計減小沖擊，適用于人機協(xié)作、康復(fù)醫(yī)療）。此外，連桿傳動結(jié)構(gòu)簡單、易于制造維護。四、機器人機構(gòu)2、傳動機構(gòu)——凸輪傳動仿魚機器人凸輪傳動方式凸輪傳動是通過凸輪與從動件接觸傳遞運動和動力的機械傳動方式。其核心特點包括：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，設(shè)計合理時可獲得較大傳動比，能實現(xiàn)精確的動作和姿態(tài)控制；通過設(shè)計凸輪的幾何形狀，可使機器人部件按預(yù)定規(guī)律進行周期性往復(fù)運動，適用于掃地機器人、裝配機器人等需要連續(xù)動作的場景。但其局限性顯著：凸輪與從動件間的接觸易產(chǎn)生較大摩擦和磨損，不宜用于大功率傳動；傳動效率較低，且對制造和安裝精度要求較高。四、機器人機構(gòu)3、機身機構(gòu)機器人的機身是機器人的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它為機器人的其他部件提供支撐和安裝的基礎(chǔ)。機器人機身可以是固定的，還可以是移動的甚至飛行的，使機器人適應(yīng)各種復(fù)雜的任務(wù)和環(huán)境。機器人的機身結(jié)構(gòu)類型主要有以下幾種：直線型：機身結(jié)構(gòu)呈直線形狀，關(guān)節(jié)可以沿軸線轉(zhuǎn)動，運動范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍的移動。倒L型：機身結(jié)構(gòu)呈倒L形狀，關(guān)節(jié)可以沿水平軸線轉(zhuǎn)動，運動范圍較小，適合用于需要較小范圍移動的機器人。直立型：機身結(jié)構(gòu)呈直立形狀，關(guān)節(jié)可以沿垂直軸線轉(zhuǎn)動，運動范圍較大，適合用于需要較大范圍移動的機器人。關(guān)節(jié)型：機身結(jié)構(gòu)具有多個關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)可以自由轉(zhuǎn)動，運動范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的動作和姿態(tài)。并聯(lián)型：機身結(jié)構(gòu)采用并聯(lián)機構(gòu)，具有多個連桿和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，可以同時實現(xiàn)多個方向的移動和轉(zhuǎn)動，適合用于需要高精度定位和姿態(tài)控制的機器人。四、機器人機構(gòu)3、機身機構(gòu)——臂部機構(gòu)臂部滾珠絲杠三級伸縮機構(gòu)機器人臂部作為主要執(zhí)行部件，與控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)共同安裝于機身，承擔(dān)支撐手部與腕部、改變其空間位置的功能，其重量直接影響結(jié)構(gòu)剛度與強度。機器人臂部伸縮機構(gòu)實現(xiàn)手臂直線伸縮，支撐手部與腕部并影響結(jié)構(gòu)剛度。主要類型：直線導(dǎo)軌（高精度、高剛度）；滾珠絲杠（高精度、高效率）；齒輪齒條（高剛度、大行程）；鏈條鏈輪（高可靠、低維護）；液壓（大推力、大行程）。各類機構(gòu)適配機器人對精度、負(fù)載、行程的多樣化需求。四、機器人機構(gòu)3、機身機構(gòu)——臂部機構(gòu)臂部滾珠絲杠三級伸縮機構(gòu)機器人臂部俯仰機構(gòu)用于實現(xiàn)手臂俯仰運動，主要形式及特點：曲柄連桿機構(gòu)（曲柄-連桿驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單可靠但行程小，適低精度）；齒輪齒條機構(gòu)（齒輪-齒條嚙合，高精度高效率但需維護）；凸輪機構(gòu)（凸輪-從動件接觸，結(jié)構(gòu)簡單可調(diào)但凸輪制造復(fù)雜）；氣動機構(gòu)（氣體壓力驅(qū)動，速度快力量大但氣動系統(tǒng)復(fù)雜）。四、機器人機構(gòu)3、機身機構(gòu)——臂部機構(gòu)臂部滾珠絲杠三級伸縮機構(gòu)機器人臂部回轉(zhuǎn)機構(gòu)用于實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動，主要形式及特點：葉片式回轉(zhuǎn)缸機構(gòu)（葉片式回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動，轉(zhuǎn)動慣量小、響應(yīng)快但制造復(fù)雜）；齒輪傳動機構(gòu)（齒輪嚙合驅(qū)動，高精度、高效率）；鏈輪傳動機構(gòu)（鏈輪傳動，傳動比準(zhǔn)確、可靠性高）；曲柄滑塊機構(gòu)（曲柄-滑塊相對運動，結(jié)構(gòu)簡單、成本低但行程?。?。四、機器人機構(gòu)3、機身機構(gòu)——腕部機構(gòu)并聯(lián)腕部機構(gòu)機器人腕部是連接手臂與手部的關(guān)鍵部件，主要作用是調(diào)整手部空間位置與姿態(tài)，使其適應(yīng)不同作業(yè)任務(wù)，其結(jié)構(gòu)形式與性能直接影響機器人運動學(xué)特性與作業(yè)能力。腕部通常具備俯仰、偏轉(zhuǎn)、滾動等自由度，以控制手部三維運動。按結(jié)構(gòu)可分為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、俯仰關(guān)節(jié)、滾動關(guān)節(jié)、復(fù)合關(guān)節(jié)及多軸關(guān)節(jié)腕部；按自由度分為單自由度、二自由度、三自由度腕部；按驅(qū)動方式分為電動、氣壓、液壓及連桿驅(qū)動腕部。腕部關(guān)節(jié)可單獨或組合使用以實現(xiàn)復(fù)雜運動，其設(shè)計需綜合考慮重量、尺寸、轉(zhuǎn)動范圍、速度、剛度及精度等因素，以保障機器人定位精度與作業(yè)穩(wěn)定性。四、機器人機構(gòu)3、機身機構(gòu)——手部機構(gòu)機器人手部機構(gòu)機器人手部機構(gòu)作為末端執(zhí)行器，負(fù)責(zé)執(zhí)行具體作業(yè)任務(wù)，主要類型包括夾持式、吸附式及工具式：夾持式由手指、傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置組成，通過夾緊/松開實現(xiàn)物體抓??；吸附式利用磁力或真空吸附固定物體；工具式為定制化執(zhí)行器（如焊接、裝配工具）。其運動由控制系統(tǒng)通過編碼器、傳感器精確控制，并需具備觸覺、力覺等感知能力，以識別物體形狀、表面質(zhì)量及裝配配合狀態(tài)。四、機器人機構(gòu)4、移動機構(gòu)——輪式機構(gòu)典型輪式機器人輪式機構(gòu)以輪子為運動部件，具結(jié)構(gòu)簡單、速度快、能耗低、機動性強等特點。類型包括：單輪（單驅(qū)動輪+支撐輪，靈活但穩(wěn)定性差，適用于室內(nèi)）；雙輪（雙輪協(xié)調(diào)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣，常見于服務(wù)/巡檢/偵查機器人）；多輪（三輪/四輪/六輪等，適應(yīng)復(fù)雜地形但控制復(fù)雜）。驅(qū)動以電機為主（控制精度高、響應(yīng)快），需傳感器與控制系統(tǒng)實現(xiàn)精準(zhǔn)定位與軌跡控制。四、機器人機構(gòu)4、移動機構(gòu)——履帶式機構(gòu)履帶式機器人履帶式機構(gòu)通常由履帶、驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置和車體等部分組成，具有接地比壓小、越野性能好、承載能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。履帶式機構(gòu)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如排土機設(shè)備、挖掘機、坦克等。履帶式機構(gòu)在機器人中也有著廣泛的應(yīng)用，如在服務(wù)機器人、巡檢機器人、偵察機器人等領(lǐng)域，是機器人的自主移動和導(dǎo)航的基礎(chǔ)。四、機器人機構(gòu)4、移動機構(gòu)——腿足式機構(gòu)腿足機構(gòu)腿足式機構(gòu)模仿人類或動物腿部，由連桿與關(guān)節(jié)組成，具備多自由度、地形適應(yīng)性強、運動靈活、能量利用率高等特點，廣泛用于仿人/仿動物機器人及外太空探測等領(lǐng)域。其類型包括：兩足機器人：雙足由金屬桿與關(guān)節(jié)連接，關(guān)節(jié)/執(zhí)行器協(xié)同實現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯等動作，類比人類雙腿；四足機器人：四腿獨立多關(guān)節(jié)設(shè)計，模擬生物四肢運動，步態(tài)規(guī)劃（需綜合動力學(xué)、地形、任務(wù)）是關(guān)鍵，保障平衡與高效移動；六足機器人：冗余肢體與豐富步態(tài)為仿生研究熱點，已應(yīng)用于救險、軍事等領(lǐng)域。四、機器人機構(gòu)4、其他新型機構(gòu)——柔順機構(gòu)柔順機構(gòu)柔順機構(gòu)是通過柔性關(guān)節(jié)的彈性變形替代傳統(tǒng)運動副的新型免裝配機構(gòu)，其優(yōu)勢包括減少構(gòu)件數(shù)目、優(yōu)化重量及加工成本，并克服運動副間隙/摩擦，提升精度與可靠性。應(yīng)用歷史悠久（如弓、弩炮），現(xiàn)代常見于曲別針、指甲刀等生活工具及工業(yè)柔性裝配。因大變形引發(fā)幾何非線性分析復(fù)雜，Howell等提出偽剛體模型法（用等效“力-變形”剛性構(gòu)件模擬柔性變形），如柔順懸臂梁末端受力時等效為剛性桿加扭簧，簡化了分析過程。四、機器人機構(gòu)4、其他新型機構(gòu)——變胞機構(gòu)變胞機構(gòu)是25屆ASME會議提出的新型機構(gòu)，由戴建生、張啟先院士引入中國并推動理論發(fā)展。其定義為：多工作階段周期中，通過閉環(huán)多自由度運動鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，結(jié)合機架與原動件實現(xiàn)不同功能的機構(gòu)。三大特征：多功能階段變化（多階段切換形態(tài)）、多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化（不同階段拓?fù)洳煌?、多自由度變化（拓?fù)渥兓伦杂啥雀淖儯?yīng)用：用于機械制造與機器人，如可展開/折疊空間伸展臂、巡線機器人、變胞手、四足變胞機器人；戴建生院士提出的變胞多指靈巧手，通過改變手指位置與角度適應(yīng)抓取策略，增強靈巧度與工作空間。變胞手掌的變胞機器人機構(gòu)基礎(chǔ)一、機器人的自由度二、機器人的工作空間三、機器人的組成四、機器人機構(gòu)五、設(shè)計項目：四足機器人的方案設(shè)計五、設(shè)計項目：四足機器人的方案設(shè)計一種簡單的4足機器人整體結(jié)構(gòu)示意1、設(shè)計目標(biāo)重量要求：重量不到5千克。運動能力：能夠動態(tài)運動，以0.1米/秒的速度向前移動。功能要求：具備行走、小跑等能力。2、設(shè)計問題自由度選擇：8自由度/12自由度。自由度越多，機器人靈活性越高，但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。足端選擇：圓柱形足端/球型足端/仿生足端。足端形狀影響機器人與地面的接觸方式和抓地能力。腿型選擇：并聯(lián)腿/串聯(lián)腿（外膝肘式，全肘式，全膝式，內(nèi)膝肘式）。不同腿型適應(yīng)不同地形和運動需求。五、設(shè)計項目：四足機器人的方案設(shè)計機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計一般流程3、設(shè)計流程需求分析：明確機器人的應(yīng)用場景和性能要求。方案設(shè)計：根據(jù)需求選擇合適的自由度、腿型和足端。詳細(xì)設(shè)計：進行機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計。測試驗證：通過仿真和實驗驗證機器人的性能，確保其滿足設(shè)計目標(biāo)。本次課小結(jié)一、機器人的自由度二、機器人的工作空間三、機器人的組成四、機器人機構(gòu)五、設(shè)計項目：四足機器人的方案設(shè)計作業(yè)

2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-10

謝謝!機器人學(xué)—機器人位置運動學(xué)（3）課程回顧機器人位置的正逆運動學(xué)

直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)、鏈?zhǔn)阶鴺?biāo)機器人姿態(tài)的正逆運動學(xué)

滾動、俯仰、偏航角；歐拉角課程回顧包含：2個線性平移運動，1個旋轉(zhuǎn)運動。

圓柱坐標(biāo)課程回顧球坐標(biāo)包含：1個線性運動，2個旋轉(zhuǎn)運動。課程回顧滾轉(zhuǎn)角(roll)、俯仰角(pitch)和偏航角(yaw)表示RPY姿態(tài)變化的矩陣：課程回顧滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角最終姿態(tài)（已知量）待求量用的逆左乘上式兩邊，可得解耦方法：注：這樣等式左邊只含fa，而右邊不含fa，從而實現(xiàn)解耦課程回顧進行矩陣相乘后得滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角根據(jù)矩陣兩邊對應(yīng)參數(shù)一一相等可求解出fn，fo，fa課程回顧歐拉角的逆運動學(xué)求解與RPY非常類似?？梢允箽W拉方程的兩邊左乘來消去其中一邊的?。讓兩邊的對應(yīng)元素相等，就可以得到以下方程：歐拉角課程回顧歐拉角課程回顧

D-H坐標(biāo)

D-H參數(shù)、D-H矩陣機器人正逆運動學(xué)分析

運動學(xué)方程、位置學(xué)運動仿真課程回顧①每個連桿指定坐標(biāo)系；②確定從一個連桿到另一個相鄰連桿的齊次變換矩陣；③將所有變化結(jié)合起來，確定末端桿相對于基座的總變化；④建立運動學(xué)方程。思路：用齊次變換矩陣描述兩個相鄰連桿坐標(biāo)系的空間位姿關(guān)系。D-H坐標(biāo)法建模連桿關(guān)節(jié)連桿關(guān)節(jié)課程回顧基本步驟建立連桿坐標(biāo)系列出相鄰坐標(biāo)系的位姿關(guān)系（DH參數(shù)）計算變換矩陣在機器人的基座上，可以從第1個關(guān)節(jié)開始變換到第2個關(guān)節(jié)，然后到第3個關(guān)節(jié)，等等，直到機器人手和末端執(zhí)行器。在機器人基座和手之間總的變換為：（n為關(guān)節(jié)數(shù)）qdaa0-11-22-3…n-1~nD-H參數(shù)表1）指定x和z軸時，軸線方向可任選，機器人總變換是一樣的，只是個別矩陣和變量會有差別。2）為了便于理解，可以使用附加坐標(biāo)系，但未知變量個數(shù)與自由度數(shù)要一致。3）D-H法不使用沿y軸的變換，如果發(fā)現(xiàn)需要沿y軸的變換，則可能出現(xiàn)錯誤，或需要在它們之間附加一個坐標(biāo)系。4）在實際工程應(yīng)用中，由于制造和裝配誤差，可能使本來平行的z軸之間存在偏角，需要沿y軸變換，D-H法不能表示該誤差。機器人正運動學(xué)方程課程回顧5）也可以使用其它表示方法來建立機器人運動學(xué)方程，但為了后續(xù)微分運動學(xué)和動力學(xué)分析，D-H法更加方便。6）推導(dǎo)的都是機器人基座和末端執(zhí)行器之間的變換。如需表達全局坐標(biāo)系和末端執(zhí)行器之間的變換，只需左乘基座坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系之間的變換。7）D-H法適用任何關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)型，如果存在連桿扭曲或關(guān)節(jié)偏移，坐標(biāo)系法將不能使用，這是D-H法的優(yōu)勢。1、機器人正運動學(xué)方程課程回顧逆運動學(xué)分析：已知末端執(zhí)行器的方向和位置，求解各關(guān)節(jié)變量。目的是將末端執(zhí)行器在操作空間的運動轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)空間運動。2、機器人逆運動學(xué)方程課程回顧在一些較為復(fù)雜的場景，需要機器人通過逆運動學(xué)實時規(guī)劃軌跡3機器人位置運動學(xué)一、機器人矩陣表示二、齊次變換矩陣三、機器人坐標(biāo)變換的表示四、機器人正、逆運動學(xué)分析五、機器人位置運動學(xué)仿真六、設(shè)計項目：四足機器人的運動學(xué)分析準(zhǔn)確表示機器人在空間中的位姿一、機器人矩陣表示1.1空間向量基礎(chǔ)1、坐標(biāo)系與點的坐標(biāo)表示直角坐標(biāo)系（笛卡爾坐標(biāo)系）

也可以寫成列向量的形式：

一、機器人矩陣表示2、三維向量及其運算

向量三角形法則

一、機器人矩陣表示1.2位姿矩陣1、位置矩陣

一般情況下，機器人可以認(rèn)為是由多個剛體所構(gòu)成，因此機器人的位姿可以通過構(gòu)成該機器人的全部剛體的位姿來表述。這樣機器人空間位姿的描述問題可以轉(zhuǎn)換為單個剛體空間位姿的描述問題。

表示。

左上標(biāo)的A代表參考坐標(biāo)系{A}，右下標(biāo)的B代表剛體坐標(biāo)系{B}位置矩陣描述：

一、機器人矩陣表示2、姿態(tài)矩陣兩個坐標(biāo)系原點相同，但三個坐標(biāo)軸的方向不同

矩陣三個互相垂直的單位列矢量滿足：

可知姿態(tài)矩陣為正交矩陣，滿足：一、機器人矩陣表示3、位姿矩陣位置+姿態(tài)將位置矩陣與姿態(tài)矩陣結(jié)合描述剛體B的位姿：

3機器人位置運動學(xué)一、機器人矩陣表示二、齊次變換矩陣三、機器人坐標(biāo)變換的表示四、機器人正、逆運動學(xué)分析五、機器人位置運動學(xué)仿真六、設(shè)計項目：四足機器人的運動學(xué)分析二、齊次變換矩陣1、齊次坐標(biāo)

二、齊次變換矩陣2、齊次變換矩陣位姿矩陣

齊次矩陣

最下面一行可以看作是坐標(biāo)系{B}在參考坐標(biāo)系{A}中的三根坐標(biāo)軸向量及坐標(biāo)原點向量的比例系數(shù)。優(yōu)點：方陣的逆矩陣計算較為容易；兩個相乘的矩陣為方陣的話，就不需要考慮行數(shù)與列數(shù)的問題，可以任意相乘。在坐標(biāo)變換中，需要將許多矩陣進行連乘，因此使用方陣更為方便。3機器人位置運動學(xué)一、機器人矩陣表示二、齊次變換矩陣三、機器人坐標(biāo)變換的表示四、機器人正、逆運動學(xué)分析五、機器人位置運動學(xué)仿真六、設(shè)計項目：四足機器人的運動學(xué)分析三、機器人坐標(biāo)變換的表示1、平移變換姿態(tài)相同，原點不同平移矢量

平移變換方程齊次坐標(biāo)、齊次變換矩陣

三、機器人坐標(biāo)變換的表示2、旋轉(zhuǎn)變換姿態(tài)不同，原點相同

旋轉(zhuǎn)變換方程

一些常用機器人繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)角度θ的旋轉(zhuǎn)公式：

三、機器人坐標(biāo)變換的表示姿態(tài)不同，原點不同

3、復(fù)合變換（i）矢量計算法{A}指向{B}的向量（ii）采用齊次變換矩陣所有變換都可以轉(zhuǎn)換為矩陣相乘

三、機器人坐標(biāo)變換的表示3、復(fù)合變換

基于上述兩種思路求解（i）矢量計算法

三、機器人坐標(biāo)變換的表示3、復(fù)合變換

基于上述兩種思路求解（i）矢量計算法

④代入計算可得

三、機器人坐標(biāo)變換的表示3、復(fù)合變換

（ii）采用齊次變換矩陣

三、機器人坐標(biāo)變換的表示3、復(fù)合變換（ii）采用齊次變換矩陣由于所有的變化都是相對于參考坐標(biāo)系的，總的變換矩陣相當(dāng)于把每步的變換矩陣依次左乘。三、機器人坐標(biāo)變換的表示4、相對于當(dāng)前坐標(biāo)系的變換

需要注意的是，相對于參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換，都是依次左乘每個變換矩陣得到的。如果相對于運動坐標(biāo)系或當(dāng)前坐標(biāo)系的變換，則需要右乘變換矩陣。復(fù)合坐標(biāo)變換在計算時要注意坐標(biāo)變換的順序。總的變換矩陣為：

3機器人位置運動學(xué)一、機器人矩陣表示二、齊次變換矩陣三、機器人坐標(biāo)變換的表示四、機器人正、逆運動學(xué)分析五、機器人位置運動學(xué)仿真六、設(shè)計項目：四足機器人的運動學(xué)分析四、機器人正運動學(xué)分析1、位置正運動學(xué)機器人正運動學(xué)即已知機器人各個關(guān)節(jié)的變量，求出機器人末端執(zhí)行器的位姿。（i）直角坐標(biāo)在直角坐標(biāo)系中，表示機器人手的正運動學(xué)變換矩陣為對于所有驅(qū)動機構(gòu)都是線性的機器人，其有3個沿x、y和z軸的運動，可以用直角坐標(biāo)對其正運動學(xué)矩陣進行表示。參考坐標(biāo)系機器人手坐標(biāo)系

四、機器人正運動學(xué)分析1、位置正運動學(xué)（ii）圓柱坐標(biāo)當(dāng)機器人具備兩個線性平移運動和一個旋轉(zhuǎn)運動時，可用圓柱坐標(biāo)對其進行描述。參考坐標(biāo)系機器人手坐標(biāo)系

這三個變換都是相對參考坐標(biāo)系，依次左乘；

四、機器人正運動學(xué)分析變換以后到達某一位置和姿態(tài)。此時在經(jīng)過繞當(dāng)前坐標(biāo)系的一次1、位置正運動學(xué)例3.4圓柱坐標(biāo)機器人經(jīng)過了

旋轉(zhuǎn)變換后的位姿矩陣如下，求該旋轉(zhuǎn)變換前的機器人位姿矩陣。

四、機器人正運動學(xué)分析變換以后到達某一位置和姿態(tài)。此時在經(jīng)過繞當(dāng)前坐標(biāo)系的一次1、位置正運動學(xué)例3.4圓柱坐標(biāo)機器人經(jīng)過了

旋轉(zhuǎn)變換后的位姿矩陣如下，求該旋轉(zhuǎn)變換前的機器人位姿矩陣。

四、機器人正運動學(xué)分析1、位置正運動學(xué)機器人正運動學(xué)即已知機器人各個關(guān)節(jié)的變量，求出機器人末端執(zhí)行器的位姿。（iii）球坐標(biāo)球坐標(biāo)機器人由一個線性運動和兩個旋轉(zhuǎn)運動組成。

依次左乘；

四、機器人正運動學(xué)分析1、位置正運動學(xué)

解：

可得：

則：

又有：

因此：

四、機器人正運動學(xué)分析2、姿態(tài)正運動學(xué)當(dāng)機器人末端運動坐標(biāo)系已經(jīng)到達期望的位置上，但其末端仍然不是期望的姿態(tài)。那么，就需要在不改變位置的情況下，對末端坐標(biāo)系進行旋轉(zhuǎn)，時使其達到期望的姿態(tài)。這時只能基于當(dāng)前坐標(biāo)系進行變換，繞參考坐標(biāo)系進行變換會改變末端坐標(biāo)系位置。（1）滾轉(zhuǎn)角(roll)、俯仰角(pitch)和偏航角(yaw)

RPY旋轉(zhuǎn)四、機器人正運動學(xué)分析2、姿態(tài)正運動學(xué)（1）滾轉(zhuǎn)角(roll)、俯仰角(pitch)和偏航角(yaw)由于是繞末端坐標(biāo)系運動，即當(dāng)前坐標(biāo)系，因此需將三個變換矩陣右乘得到總變換矩陣：

該坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系的最終位姿是表示位置變化的矩陣和RPY矩陣相乘的結(jié)果。例如，假設(shè)一個機器人是根據(jù)圓柱坐標(biāo)與RPY進行設(shè)計的，那么這個機器人的位姿變化矩陣為：

四、機器人正運動學(xué)分析2、姿態(tài)正運動學(xué)（2）歐拉角

右乘

歐拉旋轉(zhuǎn)Denavit和Hartenberg于1955年提出的機器人機構(gòu)建模和分析的方法（AKinematicNotationforLower-PairMechanismsBasedonMatrices.JournalofAppliedMechanics，影響因子2.1，被引量3816）。簡單，通用性好；成為串聯(lián)機器人的標(biāo)準(zhǔn)建模方法。第一臺工業(yè)機器人DH坐標(biāo)法是工業(yè)機器人運動學(xué)建模的基礎(chǔ)，至今仍在廣泛使用四、機器人D-H坐標(biāo)法概述1、D-H坐標(biāo)法由來四、機器人D-H坐標(biāo)法概述①每個連桿指定坐標(biāo)系；②確定從一個連桿到另一個相鄰連桿的齊次變換矩陣；③將所有變化結(jié)合起來，確定末端桿相對于基座的總變化；④建立運動學(xué)方程。思路：用齊次變換矩陣描述兩個相鄰連桿坐標(biāo)系的空間位姿關(guān)系。2、D-H坐標(biāo)法思路連桿關(guān)節(jié)連桿關(guān)節(jié)四、D-H坐標(biāo)建立方法1、基本步驟建立連桿坐標(biāo)系列出相鄰坐標(biāo)系的位姿關(guān)系（DH參數(shù)）計算變換矩陣連桿n關(guān)節(jié)

n＋1關(guān)節(jié)n連桿0（基座）連桿1關(guān)節(jié)1連桿2連桿3關(guān)節(jié)2關(guān)節(jié)3

編號：從基座開始，連桿從0開始標(biāo)記，關(guān)節(jié)從1開始標(biāo)記。除基座和末端執(zhí)行器外，每個連桿都有兩個關(guān)節(jié)。連桿n的前端為關(guān)節(jié)n，后端為關(guān)節(jié)n+1。

四、D-H坐標(biāo)建立方法在連桿n的末端設(shè)立一個固連坐標(biāo)系xnynznzn軸:沿(n+1)關(guān)節(jié)軸方向（轉(zhuǎn)動/移動軸向）xn軸:zn-1與zn之間的公垂線，方向由zn-1指向znyn軸:右手法則確定（i）建立連桿坐標(biāo)四、D-H坐標(biāo)建立方法1、基本步驟（i）建立連桿坐標(biāo)如果兩個關(guān)節(jié)軸平行，則xn軸可選在與兩個關(guān)節(jié)軸垂直的任意位置。如果兩個關(guān)節(jié)軸相交，則xn軸可定義為沿著zn-1

zn的方向，而原點位于交點。zn-1znxnxnzn-1znxn四、D-H坐標(biāo)建立方法1、基本步驟（ii）列出D-H參數(shù)zn+1與zn距離:an+1;連桿

n+1關(guān)節(jié)

n+1關(guān)節(jié)

n＋2zn+1xn+1dn+1an+1znxn

n+1

n+1D-H參數(shù)xn+1與xn夾角:

n+1；xn+1與xn距離:dn+1;zn+1與zn夾角:

n+1;四、D-H坐標(biāo)建立方法1、基本步驟（ii）列出D-H參數(shù)每個連桿上的坐標(biāo)系建好以后，可以建立相鄰兩個坐標(biāo)系之間齊次變換矩陣。第n+1個坐標(biāo)系可看作是第n個坐標(biāo)系經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和平移后得到。連桿

n+1關(guān)節(jié)n+1關(guān)節(jié)

n＋2znxnynzn+1xn+1yn+1變換矩陣T四、D-H坐標(biāo)建立方法1、基本步驟（ii）列出D-H參數(shù)①

將第n個坐標(biāo)系的xn軸繞zn旋轉(zhuǎn)

n+1角，使xn軸與xn+1軸同向?qū)?yīng)的變換矩陣為xn+1連桿

n+1關(guān)節(jié)

n+1關(guān)節(jié)n＋2zn+1On+1dn+1an+1znxn

n+1

n+1四、D-H坐標(biāo)建立方法1、基本步驟（ii）列出D-H參數(shù)

②將第n個坐標(biāo)系沿著zn軸平移dn+1

，使得xn與xn+1重合xn+1連桿

n+1關(guān)節(jié)

n+1關(guān)節(jié)

n＋2zn+1dn+1an+1znxn

n+1

n+1對應(yīng)的變換矩陣為四、D-H坐標(biāo)建立方法1、基本步驟（ii）列出D-H參數(shù)③將第n個坐標(biāo)系沿著xn+1軸平移an+1，使得原點On與On+1重合對應(yīng)的變換矩陣為xn+1連桿n+1關(guān)節(jié)

n+1關(guān)節(jié)

n＋2zn+1dn+1an+1znxn

n+1

n+1四、D-H坐標(biāo)建立方法1、基本步驟（iii）計算變換矩陣④將第n個坐標(biāo)系繞xn+1軸旋轉(zhuǎn)

n+1角，使兩個坐標(biāo)系完全重合對應(yīng)的變換矩陣為xn+1連桿

n+1關(guān)節(jié)n+1關(guān)節(jié)n＋2zn+1dn+1an+1znxn

n+1

n+1四、D-H坐標(biāo)建立方法總變換矩陣為？？or=Rot(z,qn+1)

╳Trans(0,0,dn+1)╳Trans(an+1,0,0)╳Rot(x,an+1)D-H變換矩陣=Rot(x,an+1)╳Trans(an+1,0,0)╳Trans(0,0,dn+1)╳Rot(z,qn+1)

√╳每步變換都是相對于當(dāng)前坐標(biāo)系進行，因此右乘xn+1連桿

n+1關(guān)節(jié)

n+1關(guān)節(jié)n＋2zn+1On+1dn+1an+1znxn

n+1

n+1四、D-H坐標(biāo)建立方法1、基本步驟例如關(guān)節(jié)2與關(guān)節(jié)3之間的變換：在機器人的基座上，可以從第1個關(guān)節(jié)開始變換到第2個關(guān)節(jié)，然后到第3個關(guān)節(jié)，等等，直到機器人手和末端執(zhí)行器。在機器人基座和手之間總的變換為：（n為關(guān)節(jié)數(shù)）四、D-H坐標(biāo)建立方法2、D-H坐標(biāo)建立方法：D-H參數(shù)、D-H矩陣qdaa0-11-22-3…n-1~nD-H參數(shù)表1、機器人正運動學(xué)方程

例3.6如下圖所示的簡單2軸平面機器人，根據(jù)D-H表示法，建立必要的坐標(biāo)系，填寫D-H參數(shù)表，導(dǎo)出該機器人的正運動學(xué)方程。四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程基座（連桿0）連桿1連桿2關(guān)節(jié)1關(guān)節(jié)2zUxUyUa1a2步驟：1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程zUxUyU按D-H法建立連桿坐標(biāo)列D-H參數(shù)表D-H矩陣z0x0連桿末端建立固連坐標(biāo)系；zn軸方向沿轉(zhuǎn)軸方向（本例中垂直于紙面）；xn軸:zn-1與zn之間的公垂線，方向由zn-1指向znzHxHz1x1步驟：qdaa0-1q10a101-Hq20a201、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程按D-H法建立連桿坐標(biāo)列D-H參數(shù)表D-H矩陣z0x0z1x1zHxH連桿

n+1關(guān)節(jié)

n+1關(guān)節(jié)

n＋2zn+1xn+1On+1dn+1an+1znOnxn

n+1

n+1Hna1a2q1q2步驟：1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程按D-H法建立連桿坐標(biāo)列D-H參數(shù)表D-H矩陣1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程正運動學(xué)：矩陣中q1與q2為關(guān)節(jié)變量參數(shù)，確定q1、q2即得到末端桿相對于基座的位姿。1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程你能看懂天宮號操作臺嗎？《地心引力》電影中，美國宇航員乘坐中文操作系統(tǒng)的中國飛船返回地球，如今已成部分現(xiàn)實。1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程

MatlabRoboticsToolbox提供了Link函數(shù)，可利用DH參數(shù)表建立可視化機器人系統(tǒng)：qdaa0-1q10a101-Hq20a20%DH參數(shù)為thetaDAalphaL1=Link([0010],'standard');L2=Link([0010],'standard');robot=SerialLink([L1L2],'name','robot');robot.display();theta=[00];robot.plot(theta);robot.teach;

例3.7為下圖中的3自由度機器人指定坐標(biāo)系，并導(dǎo)出該機器人的正運動學(xué)方程。1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程qdaa0-1q10a101-290+q200902-Hq3d300z0x0zHxH如何確定x2y2z2：z2：第3個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸方向x2：兩個關(guān)節(jié)軸相交，xn軸可定義為沿著zn-1

zn的方向，而原點位于交點。x2x1z1z2a1d3q1q2q31、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程注意：繞z1的旋轉(zhuǎn)角是90°+q2，而不是q2，這是因為當(dāng)q2為0時，x1與x2之間有個90°夾角，也是為了確定機器人的零位。z0x0z1x1zHxHq1q2q3z2x2在歸零位置的機器人1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程

其中

例3.8對圖所示的四軸機器人指定坐標(biāo)系，寫出坐標(biāo)變換方程（在全局坐標(biāo)系中的情況）。1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程D-H參數(shù)θdaα0-1θ10l3901-2θ2-l40902-Hθ3l5+l600四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程華為天才少年：獨造神奇機械臂，遠(yuǎn)程操控縫合葡萄皮。6自由度機器人1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程6自由度機器人能夠完全確定空間位姿，是應(yīng)用最多的一種工業(yè)機器人。

例3.9對于下圖的6自由度機器人，根據(jù)D-H表示法，建立該機器人所需的坐標(biāo)系，填寫相應(yīng)的參數(shù)表并導(dǎo)出其正運動學(xué)方程。1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程

解：1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程x0z0x1z1x2z2x3z3x4z4x5z5x6z6a2a3a4θdaα0-1θ100901-2θ20a202-3θ30a303-4θ40a4-904-5θ500905-6θ6000D-H參數(shù)

解：1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程機器人基座和手之間的總變換為：

解：1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程1）指定x和z軸時，軸線方向可任選，機器人總變換是一樣的，只是個別矩陣和變量會有差別。2）為了便于理解，可以使用附加坐標(biāo)系，但未知變量個數(shù)與自由度數(shù)要一致。3）D-H法不使用沿y軸的變換，如果發(fā)現(xiàn)需要沿y軸的變換，則可能出現(xiàn)錯誤，或需要在它們之間附加一個坐標(biāo)系。4）在實際工程應(yīng)用中，由于制造和裝配誤差，可能使本來平行的z軸之間存在偏角，需要沿y軸變換，D-H法不能表示該誤差。1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程5）也可以使用其它表示方法來建立機器人運動學(xué)方程，但為了后續(xù)微分運動學(xué)和動力學(xué)分析，D-H法更加方便。6）到目前為止，所有的例子中，推導(dǎo)的都是機器人基座和末端執(zhí)行器之間的變換。如需表達全局坐標(biāo)系和末端執(zhí)行器之間的變換，只需左乘基座坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系之間的變換。7）D-H法適用任何關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)型，如果存在連桿扭曲或關(guān)節(jié)偏移，坐標(biāo)系法將不能使用，這是D-H法的優(yōu)勢。1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程斯坦福大學(xué)的機器人研究shakey，1966年（世界上第一款智能機器人）經(jīng)典斯坦福機械手，1970s最佳機器人控制論文獎「會滾動的手」,2021

例3.10斯坦福機械手，指定坐標(biāo)系并填寫參數(shù)表。1、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程x0z0z1x1x2z2x3z3x4z4x5z5x6z6d2d3θdaα0-1θ100-901-2θ2d20902-30d3003-4θ400-904-5θ500905-6θ60001、機器人正運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程四、基于D-H坐標(biāo)的運動學(xué)方程1、機器人正