工业机器人的数学基础
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ABB工业机器人编程第五章在ABB工业机器人编程的旅程中,第五章标志着重要的里程碑。
这一章节将深入探讨机器人的运动学和动力学,为后续的编程操作奠定坚实的基础。
机器人运动学是研究机器人末端执行器在不同关节角度下所能够达到的空间位置和姿态的科学。
在ABB机器人中,这些关节角度被称为“关节变量”。
理解这些关节变量如何影响机器人的运动是非常重要的。
我们需要理解机器人坐标系。
一般来说,ABB机器人使用的是六自由度的机械臂,这意味着它有六个关节,每个关节对应一个角度。
这些角度可以由一个六元组(q1, q2, q3, q4, q5, q6)来表示。
然后,我们需要理解位姿(位置和姿态)的概念。
位姿是由三个线性分量(x, y, z)和三个旋转分量(roll, pitch, yaw)组成的。
这些分量描述了末端执行器的位置和朝向。
我们需要理解如何通过运动学方程将关节角度转化为位姿。
这需要使用到一些复杂的数学公式,例如雅可比矩阵。
通过这些公式,我们可以将关节角度映射到位姿,从而精确地控制机器人的运动。
机器人动力学是研究机器人运动过程中力与运动之间关系的科学。
在ABB机器人中,动力学主要的是如何在给定关节角度的情况下,计算出所需的关节扭矩。
我们需要理解牛顿-欧拉方程。
这个方程描述了物体的惯性(质量乘速度的平方)和外部力(例如重力、摩擦力)之间的关系。
通过这个方程,我们可以计算出在给定关节角度下,机器人所需的关节扭矩。
然后,我们需要理解如何通过动力学方程将关节扭矩转化为关节角度。
这需要使用到一些复杂的数学公式,例如动力学方程。
通过这些公式,我们可以将关节扭矩映射到关节角度,从而精确地控制机器人的运动。
在理解了机器人运动学和动力学的基础上,我们可以开始进行编程实践了。
在ABB工业机器人编程中,主要使用的是RobotWare软件。
这个软件提供了一套完整的编程环境,包括建模、仿真、编程、调试等功能。
我们需要使用RobotWare软件进行建模。
1、机器人安应用类型可以分为工业机器人、极限作业机器人和娱乐机器人; 2﹑机器人按照控制方式可分为点位控制方式、连续轨迹控制方式、力力矩控制方式和智能控制方式;3、工业机器人的坐标形式主要有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型;4、直角坐标机器人的工作范围是长方形形状;圆柱坐标机器人的工作范围是圆柱体形状;球坐标机器人的工作范围是球面一部分状;5、工业机器人的参考坐标系主要有关节坐标系、工具参考坐标系、全局参考系坐标系 ;6、工业机器人的传动机构是向手指传递运动和动力,该机构根据手指的开合动作特点可以分为回转型和移动型 ;7、吸附式取料手靠吸附力取料,根据吸附力的不同分为磁吸附和气吸附两种;8、气吸附式取料手是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作;按形成压力差的方法,可分为真空吸盘吸附、气流负压气吸附、挤压排气负压气吸附几种;9、手臂是机器人执行机构的重要部件,它的作用是支待手腕并将被抓取的工件运送到指定位置上 ,一般机器人的手臂有3个自由度,即手臂的伸缩升降及横向移动、回转运动和复合运动;10、机器人的底座可分为固定式和移动式两种;11、谐波齿轮传动机构主要有柔轮、刚轮和波发生器三个主要零件构成;12、谐波齿轮通常将刚轮装在输入轴上,把柔轮装在输出轴上,以获得较大的齿轮减速比;13、机器人的触觉可以分为接触觉、接近觉、压觉、滑觉和力觉五种;14、机器人接触觉传感器一般由微动开关组成,根据用途和配置不同,一般用于探测物体位置, 路径和安全保护 ;二、选择题1、世界上第一台工业机器人是 BA、VersatranB、UnimateC、RoombaD、AIBO2、通常用来定义机器人相对于其它物体的运动、与机器人通信的其它部件以及运动部件的参考坐标系是 CA、全局参考坐标系B、关节参考坐标系C、工具参考坐标系D、工件参考坐标系3、用来描述机器人每一个独立关节运动参考坐标系是 BA、全局参考坐标系B、关节参考坐标系C、工具参考坐标系D、工件参考坐标系4、夹钳式取料手用来加持方形工件,一般选择 A 指端;A、平面B、V型C、一字型D、球型5、夹钳式取料手用来加持圆柱形工件,一般选择 B 指端;A、平面B、V型C、一字型D、球型6、夹钳式手部中使用较多的是 DA、弹簧式手部B、齿轮型手部C、平移型手部D、回转型手部7、平移型传动机构主要用于加持 C 工件;A、圆柱形B、球形C、平面形D、不规则形状8、使用一台通用机器人,要在作业时能自动更换不同的末端操作器,就需要配置 C ;A、柔性手腕B、真空吸盘C、换接器D、定位销9、工业机器人手腕的自由度最多为多少个 CA、1B、2C、3D、610、工业机器人一般需要 D 个自由度才能使手部达到目标位置并出去期望姿态;A、1B、2C、3D、611、工业机器人的手腕中,通常把手腕的翻转动作用 A 表示;A、RB、PC、YD、B12、工业机器人的手腕中,通常把手腕的俯仰动作用 D 表示;A、RB、PC、YD、B13、工业机器人的手腕中,通常把手腕的偏转动作用 C 表示;A、RB、PC、YD、B14、下列工业机器人手腕关节结构中,具有一个自由度的是 C ;A、BRB、BBC、RRD、BBR15、下列工业机器人手腕关节结构中,具有两个自由度的是 B ;A、BBRB、BBBC、BRRD、RRR16、下列工业机器人手腕关节结构中,具有最少自由度的是 B ;A、BBRB、BBBC、BRRD、RRR17、工业机器人的手臂按结构形式区分,不包括下列 C ;A、单臂式B、双臂式C、多臂式D、悬挂式19、工业机器人的手臂按运动形式区分,不包括下列 A ;A、摆动运动B、回转运动C、直线运动D、复合运动20、机器人手臂的伸缩、升降及横向移动都属于直线运动,下列运动不属于直线运动的是 DA、活塞气缸B、活塞油缸C、齿轮齿条D、连杆机构21、工业机器人的制动器通常是按照 D 方式工作;A、通电抱闸B、有效抱闸C、无效放闸D、失效抱闸22、当代机器人大军中最主要的机器人为 AA、工业机器人B、军用机器人C、服务机器人D、特种机器人23、手部的位姿是由哪两部分变量构成的 BA、位置与速度B、姿态与位置C、位置与运行状态D、姿态与速度24、工业机器人常用的行走机座是 DA、二轮车B、三轮车C、两足行走机构D、导轨25、谐波减速器的结构不包括 CA、刚性齿轮B、柔性齿轮C、斜齿轮D、谐波发生器26、工业机器人的位姿用 D 描述;A、坐标B、方位C、角度D、矩阵27、工业机器人的位姿可以用矩阵来表示,矩阵中第四行的1表示A、角度 B点的坐标 C点的方向 D、补位28、工业机器人的位姿可以用矩阵来表示,矩阵中第四行的0表示A 、角度B 点的坐标C 点的方向D 、补位29、在工业机器人齐次坐标变换中有⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆∆∆=∆∆∆1000100010001),,(Trans z y x z y x 它被称为 A 、平移算子 B 、旋转算子 C 、平移矩阵 D 、旋转矩阵30、工业机器人每次通电时不需要校准的编码器是 B ,一通电就能知道关节的实际位置;A 、相对型光电编码器B 、绝对型光电编码器C 、测速发电机D 、旋转编码器31、工业机器人每次通电时必需校准的编码器是 A ;A 、相对型光电编码器B 、绝对型光电编码器C 、测速发电机D 、旋转编码器32、测量角速度的传感器有 DA 、超声波传感器B 、STMC 、光学测距法D 、旋转编码器33、机器人测距传感器不包括 B ;A 、超声波传感器B 、STMC 、光学测距法D 、旋转编码器34、对工业机器人进行示教时,同时对速度、位置、操作顺序等进行示教方式是 AA 、集中示教B 、分离示教C 、手把手示教D 、示教盒示教35、对工业机器人进行示教时,示教位置后,分别对速度、操作顺序等进行示教方式是 BA、集中示教B、分离示教C、手把手示教D、示教盒示教36、焊接机器人的外围设备不包括 AA、倒袋机B、变位机C、滑移平台D、快换装置三、简答题:1、简述工业机器人的应用场合并举例;1 恶劣工作环境及危险工作,如:压铸车间及核工业等领域的作业环境;2 特殊作业场合和极限作业,如:火山探险、深海探密和空间探索等领域;3 自动化生产领域,如:焊接机器人、材料搬运机器人、检测机器人、装配机器人、喷漆和喷涂机器人2、简述工业机器人的基本组成;工业机器人由三大部分六个子系统组成;三大部分是机械部分、传感部分和控制部分;六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统和控制系统;3、简述工业机器人的技术参数;机器人技术参数有自由度、精度、工作范围、速度、承载能力1自由度:是指机器人所具有的独立坐标轴的数目,不包括手爪末端操作器的开合自由度;在三维空间里描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度;但是,工业机器人的自由度是根据其用途而设计的,也可能小于六个自由度,也可能大于六个自由度精度:工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度;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重复定位其手部于同一目标位置的能力,可以用标准偏差这个统计量来表示,它是衡量一列误差值的密集度即重复度;3工作范围:是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合,也叫工作区域; 4速度;速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标;5承载能力:是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量;承载能力不仅取决于负载的质量,而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关;为了安全起见,承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力;通常,承载能力不仅指负载,而且还包括机器人末端操作器的质量;4、简述工业机器人制动器的作用及工作方式;许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器,其作用是在机器人停止工作时,保持机械臂的位置不变,在电源发生故障时,保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞;1作用:在机器人停止工作是,保持手臂的位置不变;在电源发生故障时,保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞2工作方式:失效抱闸方式——要松开制动器就必须接通电源,否则,各关节不能产生相对运动目的:在电源出现故障时起保护作用缺点:在工作期间要不断通电使制动器松开5、简述工业机器人传动机构的要求;1 齿轮传动机构在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮,圆锥齿轮,谐波齿轮,摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等;2 谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻,传动比大几十到几百,传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳,承载能力强、效率高等一系列优点3 螺旋传动螺旋传动及丝杠螺母,它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动;4 同步带传动同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动,它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿,通过带齿与轮齿作啮合传动;为保证带和带轮作无滑动的同步传动,齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料,无弹性滑动,以保证节距不变;6、简述机器人的性质;机器人是一种可反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作工具,为执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统;工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机;1 恶劣工作环境及危险工作:2 特殊作业场合和极限作业3自动化生产领域7、简述工业机器人常见的新型驱动方式及原理;磁致伸缩驱动、压电晶体驱动器、形状记忆金属、静电驱动器;新型驱动方式可以实现驱动元件的简单化和微型化,更适宜于机器人的使用;8、简述工业机器人视觉系统的组成及应用;机器人视觉由视觉传感器摄像机和光源控制计算器和图像处理机组成原理:由视觉传感器讲景物的光信号转换成电信号经过A/D摄像机控制器把把光线,距离颜色光源方向等等参数传递给图像处理器 ,图像处理器对图像数据做一些简单的处理将数据传递给计算机最后由计算器存储和处理;9、简述机器人滑觉的检测方法;滑觉传感器用来检测机器人与抓握对象间滑移程度,为了抓握物体有适当的握力值,需要实时检测接触表面的相对滑动,将物体的滑动位移转换为传感器角位移,再由角位移得到光脉冲信号,将光脉冲转换为电压脉冲发送给控制计算机处理10、工业机器人控制系统和普通控制系统相比有什么特点1 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关;2 是一个多变量控制系统,要求系统具有一定的智能性;3 是一个复杂的计算机控制系统;4 描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型,各变量之间还存在耦合;5 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成, 因此存在一个“最优”的问题;11、示教编程方式有哪两类各有什么特点示教方式:机器人示教的方式种类繁多,总的可以分为集中示教方式和分离示教方式; 1、集中示教方式将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数同时进行示教的方式,示教一次即可生成关节运动的伺服指令;2、分离示教方式将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数分开单独进行示教的方式,一般需要示教多次才可生成关节运动的伺服指令,但其效果要好于集中示教方式;12、工业机器人的控制方式按作业任务不同可分为哪些方式各有什么特点点位控制方式,连续轨迹控制方式,力控制方式和智能控制方式;1)点位控制方式PTP这种控制方式的特点是只控制工业机器人末端执行器在作业空间中某些规定的离散点上的位姿;控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动,而对达到目标点的运动轨迹则不作任何规定;这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间; 2连续轨迹控制方式CP这种控制方式的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿,要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度范围内运动,而且速度可控,轨迹光滑,运动平稳,以完成工作任务;3力力矩控制方式在完成装配、抓放物体等工作时,除要准确定位外,还要求使用适度的力或力矩进行工作,这时就要利用力力矩伺服方式;这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同,只不过输入量和反馈量不是位置信号,而是力力矩信号,因此系统中必须有力力矩传感器;有时也利用接近、滑动等传感功能进行自适应式控制;4智能控制方式机器人的智能控制时通过传感器获得周围环境的知识,并根据自身内部的知识库做出相应的决策;采用智能控制技术,使机器人具有了较强的适应性及自学习功能;智能控制技术的发展有赖于近年来人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展;13、目前在工业生产中应用的工业机器人的主要编程方式有哪些顺序控制的编程示教方式编程示教盒示教编程脱机编程或预编程。
第二章机器人基础知识2.3工业机器人运动学(一)【内容提要】本课主要学习工业机器人技术的运动学基础知识,涉及机器人正逆运动学的概念、平面二连杆机器人的运动学、以及机器人一般运动学的数学基础(位姿描述、齐次变换及运算)。
知识要点:✓机器人正逆运动学概念✓平面二连杆机器人的正逆运动学✓机器人的位姿描述✓齐次变换及运算重点:✓掌握机器人正逆运动学概念✓掌握平面二连杆机器人的正逆运动学✓理解机器人的位姿描述和齐次变换✓掌握齐次变换及运算难点:✓机器人的位姿描述、齐次变换及运算关键字:✓机器人正逆运动学、平面二连杆机器人、位姿描述、齐次变换及运算【本课内容相关资料】2.3机器人运动学从机构学的角度看,机器人可以看成开式运动链结构,由一系列连杆通转动或移动关节串联而成。
机器人运动学研究的是机器人各关节运动的几何关系,具体而言是各连杆之间的位移关系、速度关系和加速度关系。
本节仅研究位移关系,重点是研究手部相对于机座的位姿与各连杆之间的相互关系。
“位姿”是“位置和姿态”的简称。
工业机器人手部相对于机座的位姿与工业机器人各连杆之间的相互关系直接相关。
为了便于数学上的分析,一般将连杆和关节按空间顺序进行编号。
同时,选定一个与机座固联的坐标系,称为固定坐标系,并为每一个连杆(包括手部)选定一个与之固联的坐标系,称为连杆坐标系。
一般把机座也视为一个连杆,即零号连杆。
这样,连杆之间的相互关系可以用连杆坐标系之间的相互关系来描述。
工业机器人手部相对机座的位姿就是固联在手部的坐标系相对固定坐标系的位姿。
这样,就可以将“手部相对于机座的位姿”这样一个物理问题转化为一个数学问题,即,得到了工业机器人的运动学数学模型,便于用计算机进行分析计算。
工业机器人运动学主要包括正向运动学和反向运动学两类问题。
正向运动学是在已知各个关节变量的前提下,解决如何建立工业机器人运动学方程,以及如何求解手部相对固定坐标系位姿的问题。
反向运动学则是在已知手部要到达目标位姿的前提下,解决如何求出关节变量的问题。
工业机器人及应用习题集第一章:概论一、选择题1、机器人(Robot)一词源于()。
A、英语 B 、德语C、法语D、捷克语2、提出“机器人三原则”的是()。
A、物理学家B、哲学家C、科幻小说家D、社会学家3、世界上第一台真正意义上的机器人诞生于()。
A、1952年,美国 B 、1959年,美国C、1959年,日本D、1952年,德国4、目前,大多数工业机器人使用的是()机器人技术。
A、第一代B、第二代C、第三代D、第四代5、根据机器人的应用环境,机器人一般分为()两类。
A、关节型机器人和并联型机器人B 、工业机器人和服务机器人C、示教再现机器人和智能机器人D、顺序控制和轨迹控制机器人6 根据工业机器人的功能与用途,目前主要有()几类。
A、加工类 B 、装配类 C 、搬运类 D 、包装类7 以下属于加工类工业机器人的是()。
A 、焊接机器人B 、装卸机器人C 、涂装机器人D 、包装机器人8 以下属于装配类工业机器人的是()。
A、焊接机器人 B 、涂装机器人C 、分拣机器人D 、包装机器人9 以下属于服务机器人的是()。
A、家庭清洗机器人B、军事机器人C 、医疗机器人D 、场地机器人10 月兔号月球探测器、好奇号火星探测器属于()的一种。
A、工业机器人B、军事机器人C 、医疗机器人D、场地机器人11 美国的E-2D“鹰眼”预警机属于()的一种。
A 、工业机器人B、军事机器人C 、医疗机器人D、场地机器人12 目前全球工业机器人产销量最大的生产企业是()。
A、ABBB、YASKAWAC、FANUCD、KUKA13、日本最早的生产工业机器人的企业是()。
A、KAWASAKIB、YASKAWAC、FANUCD、DAIHEN14.目前,工业机器人年销量最大的国家是()。
A、美国B、德国C、日本D、中国15.目前工业人机器人使用量最大的行业是()。
A 、电子电气工业B、汽车制造业C、金属制品及加工D、食品和饮料业二、简答题1、简述第一、二、三代机器人的组成、性能等方面的区别。
机器人的定义美国国家标准局(NBS )的定义:机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。
国际标准化组织(ISO)的定义:机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手,这种机械手具有几个轴,能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行种种任务。
”机器人具有以下特性:(1)一种机械电子装置;(2)动作具有类似于人或其他生物体的功能;(3)可通过编程执行多种工作,有一定的通用性和灵活性;(4)有一定程度的智能,能够自主地完成一些操作。
机器人的分类按照日本工业机器人学会(JIRA)的标准,可将机器人分为六类:第一类:人工操作机器人。
由操作员操作的多自由度装置;第二类:固定顺序机器人。
按预定的不变方法有步骤地依此执行任务的设备,其执行顺序难以修改;第三类:可变顺序机器人。
同第二类,但其顺序易于修改。
第四类:示教再现(playback)机器人。
操作员引导机器人手动执行任务,记录下这些动作并由机器人以后再现执行,即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。
第五类:数控机器人。
操作员为机器人提供运动程序,并不是手动示教执行任务。
第六类:智能机器人。
机器人具有感知外部环境的能力,即使其工作环境发生变化,也能够成功地完成任务。
美国机器人学会(RIA)只将以上第三类至第六类视做机器人。
我国的机器人专家从应用环境出发,将机器人分为两大类,即工业机器人和特种机器人。
所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。
机器人技术涉及的研究领域有:1、传感器技术:得到与人类感觉机能相似的传感器技术;2、人工智能计算机科学:得到与人类智能或控制机能相似能力的人工智能或计算机科学;3、假肢技术;4、工业机器人技术:把人类作业技能具体化的工业机器人技术;5、移动机械技术:实现动物行走机能的行走技术;6、生物功能:实现生物机能为目的的生物学技术为了防止机器人伤害人类,科幻作家阿西莫夫于1940年提出了机器人三原则”:(1 )机器人不应伤害人类;(2)机器人应遵守人类的命令,与第一条违背的命令除外;(3)机器人应能保护自己,与第一条相抵触者除外。
工业机器人是一种能够自动执行各种工业生产任务的智能化设备,它能够完成重复性高、精度要求高的工作,极大地提高了生产效率和产品质量。
在工业机器人的运动控制中,坐标系是一个非常重要的概念,它决定了机器人在空间中的运动轨迹和位置。
常见的工业机器人坐标系包括基坐标系、工具坐标系、世界坐标系和用户坐标系。
下面将对这四种常用坐标系进行简要介绍。
一、基坐标系基坐标系是工业机器人控制中最基本的坐标系,也是机器人的运动参考系。
它通常是由机器人末端执行器的位置和姿态决定的,其坐标原点通常位于机器人的基座中心,x轴指向机器人末端执行器的前进方向,y轴指向机器人的左侧,z轴指向机器人的上方。
通过基坐标系,机器人可以准确定位和控制自身的运动轨迹。
二、工具坐标系工具坐标系是相对于机器人末端执行器的一个坐标系,它描述了机器人末端执行器上安装的工具或夹具在运动过程中的位置和姿态。
工具坐标系的建立需要考虑到工具的重心位置、姿态等因素,通过工具坐标系,机器人可以准确地控制工具在工作空间中的位置和姿态。
三、世界坐标系世界坐标系是指在工业机器人操作的整个工作空间中建立的一个固定的坐标系,它通常是由工作空间的边界和环境参考物所确定的。
世界坐标系的建立可以帮助机器人在工作空间中进行定位和路径规划,保证其移动和操作的准确性和稳定性。
四、用户坐标系用户坐标系是根据用户的需要和工作要求,由用户自行建立的一个坐标系。
用户可以根据实际工作需要,将世界坐标系中的某个点或者某个工件的某个特定位置定义为一个新的坐标系原点,并设置新的坐标轴方向。
通过用户坐标系,用户可以方便的对工作空间进行定位、操作和控制。
总结:在工业机器人的运动控制中,坐标系是一个非常重要的概念,不同的坐标系具有不同的运动特性和控制方式。
了解和掌握工业机器人常用的四类坐标系的定义和使用方法,对于提高机器人的运动控制精度和灵活性,实现高效的生产操作具有重要的意义。
希望本文能够对读者有所帮助,谢谢!很高兴看到您对工业机器人坐标系有着浓厚的兴趣,下面将继续为您介绍工业机器人常用坐标系的一些细节和应用。