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机器人自由度计算方法
机器人自由度是指机器人能够在运动过程中独立自主地移动的自由程度。
在机器人控制方面，自由度是评估机器人性能的重要指标之一。
机器人的自由度通常通过机器人的关节数目来确定。
机器人自由度的计算方法可以通过以下方式进行：
1. 关节自由度：机器人的关节自由度是指机器人能够在运动过程中独立自主地移动的自由程度。
关节自由度的计算方法是通过机器人关节数目来确定。
2. 运动自由度：机器人的运动自由度是指机器人在运动过程中可以独立自主地移动的自由程度。
运动自由度的计算方法是通过机器人的关节数目和机器人的链接数目来确定。
3. 有效自由度：机器人的有效自由度是指机器人可以在运动过程中实际使用的自由程度。
有效自由度的计算方法是通过机器人的运动自由度和机器人的约束条件来确定。
计算机器人自由度的方法对于机器人的设计和控制非常重要。
通过计算机器人自由度，可以确定机器人的运动能力，并为机器人的自主移动提供更好的控制方法。
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工业机器人的基本参数和性能指标工业机器人的基本参数和性能指标表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。
(1)工作空间（Work space）工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。
工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小。
理解机器人的工作空间时，要注意以下几点：1)通常工业机器人说明书中表示的工作空间指的是手腕上机械接口坐标系的原点在空间能达到的范围，也即手腕端部法兰的中心点在空间所能到达的范围，而不是末端执行器端点所能达到的范围。
因此，在设计和选用时，要注意安装末端执行器后，机器人实际所能达到的工作空间。
2)机器人说明书上提供的工作空间往往要小于运动学意义上的最大空间。
这是因为在可达空间中，手臂位姿不同时有效负载、允许达到的最大速度和最大加速度都不一样，在臂杆最大位置允许的极限值通常要比其他位置的小些。
此外，在机器人的最大可达空间边界上可能存在自由度退化的问题，此时的位姿称为奇异位形，而且在奇异位形周围相当大的范围内都会出现自由度进化现象，这部分工作空间在机器人工作时都不能被利用。
3)除了在工作守闻边缘，实际应用中的工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工作空间的内部也存在着臂端不能达到的区域，这就是常说的空洞或空腔。
空腔是指在工作空间内臂端不能达到的完全封闭空间。
而空洞是指在沿转轴周围全长上臂端都不能达到的空间。
(2)运动自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。
自由物体在空间自六个自由度（三个转动自由度和三个移动自由度）。
工业机器人往往是个开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，因此通常机器人的自由度数目就等于其关节数。
机器人的自由度数目越多，功能就越强。
日前工业机器人通常具有4—6个自由度。
当机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，便出现了冗余自由度。
二自由度机器人的结构设计与仿真学院：专业：姓名：指导老师：机械与车辆学院机械电子工程学号：职称：教授中国·XX二○一二年五月毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计《二自由度机器人的结构设计与仿真》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。
本人签名：日期：年月日二自由度机器人的结构设计与仿真摘要并联机器人有着串联机器人所不具有的优点，在应用上与串联机器人形成互补关系。
二自由度并联机器人是并联机器人家族中的重要组成部分，由于结构简单、控制方便和造价低等特点，有着重要的应用前景和开发价值。
本论文研究了一种新型二自由度平移运动并联机构，该并联机构采用类五杆机构，平行四边形刚架结构来实现，可有效地消除铰链间隙，提高动平台的工作性能，同时有抵抗切削颠覆力矩的能力。
根据该二自由度平面机构的工作空间，利用平面几何的方法求得连杆的长度，并通过Pro/E软件进行仿真检验，并通过软件仿真的方式，优化连杆长度，排除奇异点，同时合理设计机械结构的尺寸，完成结构设计。
对该二自由度并联机器人，以Pro/E为平台，建立两自由度平移运动并联机器人运动仿真模型，验证了机构的实际工作空间和运动情况。
最后指出了本机构的在实际中的应用。
并使用AutoCAD软件进行了重要装置和关键零件的工程图绘制工作，利用ANSYS 软件分析了核心零件的力学性能。
研究结果表明，本文所设计的二自由度机器人性能良好、工作灵活，很好地满足了设计指标要求，并已具备了一定的实用性。
关键词：二自由度；并联机器人；仿真；结构设计；Pro/E2-DOF robot structure design and simulationAbstractParallel robot has a series of advantages of the robot does not have to form a complementary relationship between the application and the series robot. The 2-DOF parallel robot is an important part of the family of parallel robots. The structure is simple, convenient and cost control and low, with significant potential applications and the development value. In this thesis, a new 2- DOF translational motion parallel mechanism, the analogous mechanism for class five institutions, parallelogram frame structure, which can effectively eliminate the hinge gap and improve the performance of the moving platform, while resistance to cutting subvert the torque capacity.The working space of the 2-DOF planar mechanism, the use of plane geometry to obtain the length of the connecting rod, and the Pro/E software simulation test, and software simulation to optimize the connecting rod length, excluding the singular point, while the size of the rational design of mechanical structure, complete the structural design. And important equipment and key parts of the engineering drawings using AutoCAD software, using ANSYS software to analyze the mechanical properties of the core parts.The 2-DOF parallel robot to the Pro/E platform, the establishment of the 2-DOF of translational motion parallel robot simulation model to verify the organization's actual work space and movement. Finally, this institution in the practical application. The results show that the combination of good motor performance of the 2-DOF parallel robot，good to meet the index requirements, and already have a certain amount of practicality.Keywords: 2-DOF; parallel robot; simulation; structural design; Pro/E目录1前言 (1)1.1本课题的研究背景及意义 (1)1.1.1什么是机器人 (1)1.1.2机器人技术的研究意义 (1)1.2机器人的历史与发展现状 (2)1.2.1机器人的发展历程 (2)1.2.2机器人的主要研究工作 (3)1.2.3少自由度机器人的发展历程 (4)1.3本课题的研究内容 (5)2二自由度机器人系统方案设计 (7)2.1二自由度并联机器人机构简介 (7)2.2执行机构方案设计及分析 (7)3二自由度机器人的结构设计与运动分析 (8)3.1已知设计条件及参数 (8)3.1.1连杆机构自由度计算 (8)3.1.2五杆所能达到的位置计算 (8)3.2对机构主体部分的运动学逆解分析 (10)3.2.1位置分析 (10)3.2.2速度与加速的分析 (11)3.3受力分析 (12)4基于Pro/E软件环境下二自由度机器人的结构设计 (16)4.1 Pro/E软件简介 (16)4.2驱动元器件的选择 (17)4.2.1步进电机的选择 (17)4.2.2联轴器选择 (18)4.3平面连杆机构的结构参数确定 (19)4.4输入轴的设计 (20)4.5安装支架的参数确定 (21)5基于Pro/E软件环境下的机器人装配及动态仿真 (23)5.1虚拟装配过程 (23)5.1.1连杆机构的装配 (23)5.1.2安装支架的装配 (24)5.1.3完成二自由度机器人的最终装配 (24)5.2基于Pro/E软件环境下的动态仿真 (25)6基于AutoCAD软件环境下的机械结构设计 (31)6.1AutoCAD软件简介 (31)6.2平面连杆机构的结构设计 (32)6.3机架的结构部件图绘制 (33)6.4二自由度机器人工程图绘制 (34)7基于Ansys软件环境下的有限元分析 (36)7.1Ansys软件简介 (36)7.2对输入轴的有限元分析 (37)7.3对输入连杆的有限元分析 (37)8 总结与展望 (40)8.1课题研究工作总结 (40)8.2研究展望 (41)参考文献 (42)致谢 (44)附录（一） (45)附录（二） (52)1前言机器人技术是一门光机电高度综合、交叉的学科，它涉及机械、电气、力学、控制、通信等诸多方面。
平面两自由度关节机器人算法平面两自由度关节机器人是工业制造中常见的一种机器人，它具有两个旋转关节，可以在平面内进行自由运动。
这种机器人在自动化生产线上扮演着重要角色，能够完成各种复杂的操作任务。
在设计和控制平面两自由度关节机器人时，算法起着至关重要的作用。
其中，运动规划算法是其中的重要一环。
通过合理的运动规划，可以使机器人在空间内快速、精准地完成各种任务。
在平面两自由度关节机器人中，常用的运动规划算法包括插补算法和路径规划算法。
插补算法是指在机器人运动过程中，通过对两个关节的角度进行插值计算，从而实现平滑的运动轨迹。
常用的插补算法有线性插补、圆弧插补和样条插补等。
这些算法可以根据机器人的速度、加速度等参数，合理地计算出每个时间点的关节位置，从而实现平滑、高效的运动。
另一个重要的算法是路径规划算法。
路径规划算法是指在给定起始点和目标点的情况下，寻找一条最优路径，使机器人能够在空间内避开障碍物，快速到达目标点。
常用的路径规划算法有最短路径算法、A*算法和D*算法等。
这些算法可以根据地图信息和机器人的动态参数，快速地找到一条最优路径，帮助机器人实现高效的运动。
除了运动规划算法外，碰撞检测算法也是平面两自由度关节机器人中不可或缺的一部分。
碰撞检测算法可以通过对机器人和周围环境的建模，实时地检测机器人是否会与障碍物相撞。
一旦发现潜在碰撞危险，算法可以及时做出调整，避免机器人发生碰撞，确保生产线的安全运行。
总的来说，平面两自由度关节机器人算法是机器人控制领域中的重要研究方向。
通过不断优化算法，可以使机器人在自动化生产中发挥更大的作用，提高生产效率，降低劳动成本。
期待未来，算法将继续发展，为平面两自由度关节机器人的智能化和自主化提供更多可能。
机器人理论考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 机器人的自由度是指（）。
A. 机器人的关节数B. 机器人的运动能力C. 机器人的驱动器数量D. 机器人的传感器数量答案：B2. 工业机器人的典型应用领域不包括（）。
A. 汽车制造B. 食品加工C. 医疗手术D. 农业生产答案：D3. 机器人的控制柜主要负责（）。
A. 机器人的电源管理B. 机器人的运动控制C. 机器人的传感器数据采集D. 机器人的程序存储答案：B4. 机器人的末端执行器不包括（）。
A. 夹持器B. 喷漆枪C. 传感器D. 机械臂答案：D5. 机器人编程语言中，不用于机器人运动控制的是（）。
A. VALB. KARELC. PythonD. SQL答案：D6. 机器人的坐标系中，不包括（）。
A. 笛卡尔坐标系B. 极坐标系C. 圆柱坐标系D. 球坐标系答案：B7. 机器人的传感器中，用于检测物体距离的是（）。
A. 力传感器B. 触觉传感器C. 视觉传感器D. 接近传感器答案：D8. 机器人的伺服电机通常采用（）控制方式。
A. 开环控制B. 闭环控制C. 半闭环控制D. 无反馈控制答案：B9. 机器人的路径规划中，不涉及（）。
A. 路径优化B. 避障C. 速度控制D. 材料选择答案：D10. 机器人的维护中，不需要定期检查的是（）。
A. 润滑油B. 电缆连接C. 软件更新D. 电源电压答案：C二、多项选择题（每题3分，共15分）11. 机器人的主要组成部分包括（）。
A. 机械结构B. 驱动系统C. 控制系统D. 传感器系统E. 电源系统答案：A, B, C, D12. 机器人的分类依据可以是（）。
A. 应用领域B. 运动方式C. 自由度D. 控制方式E. 能源类型答案：A, B, C, D13. 机器人的编程方法包括（）。
A. 离线编程B. 交互式编程C. 手动示教D. 自动编程E. 机器学习答案：A, B, C, D14. 机器人的安全措施包括（）。
二自由度机器人角度控制仿真摘要近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。
我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。
本次设计主要是对二自由度机器人的位置控制进行设计和仿真，采用了PD控制方法，运用MATLAB语言、Simulink及Robot工具箱，搭建二自由度机器人的几何模型、动力学模型。
并构建控制器的模型，通过调整控制器参数，对二自由度机器人的位姿进行控制，并将实验中采集到数据导入到MATLAB环境中进行仿真，达到较好的控制效果。
关键词：PD，运动学，二自由度机器人Two degrees of freedom robot Angle control simulationABSTRACTOver the past twenty years, robot technology is developing very rapidly, various USES of robots in all fields widely. In research and application of robot in our country, there is still a gap compared with industrialized countries, so the research and design all kinds of robots, especially industrial robot, the promotion of the use of robots has a realistic significance.This design is mainly for two degrees of freedom Robot position control design and simulation, the PD control method is adopted, using the MATLAB language, the Simulink and Robot kit, two degrees of freedom Robot geometry model, the dynamic model. And build the model of the controller, by adjusting the controller parameters, to control two degrees of freedom robot pose, and the experiment collected data imported to MATLAB simulation environment, achieve good control effect.KEY WORDS: PD，motion control，2-DOF parallel robot目录前言 (1)第1章绪论 (2)1.1 研究背景 (2)1.2 选题的意义 (2)第2章机器人运动学及动力学 (4)2.1 运动学概述 (4)2.2 机械手 (4)2.2.1 机器手的机构和运动 (4)2.2.2 运动学及动力学关系 (6)2.3 动力学概述 (8)2.4惯性矩分析 (8)2.5拉格朗日运动学方程 (9)第3章机器人运动控制系统 (13)3.1 概述 (13)3.1.1 机器人控制特点 (13)3.1.2 机器人控制方式 (14)3.2 PD控制器 (14)第4章MATLAB软件 (16)4.1 MATLAB简介 (16)4.2 MATLAB的优势 (17)4.3 SIMULINK仿真以及ROBOT TOOLBOOX (19)第5章动态仿真 (21)5.1 机器人模拟参数 (21)5.2 机器人运动学模型 (22)5.3 机器人动力学模型 (23)5.4 动力学与运动学模型联立 (24)结论 (28)谢辞 (29)参考文献 (30)外文资料翻译 (32)前言机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。
工业机器人自由度名词解释介绍工业机器人是现代工业生产中的重要组成部分，它们能够执行各种复杂的任务，如装配、焊接、搬运等。
在设计和研发工业机器人时，一个非常重要的概念就是机器人的自由度。
机器人的自由度决定了它能够执行的运动范围和灵活性。
在本文中，我们将详细解释工业机器人自由度的概念，并探讨其在机器人控制、运动规划和应用领域中的重要性。
什么是自由度？自由度定义了物体在空间中能够运动的独立方式或方向的数量。
对于工业机器人而言，自由度描述了它在平面或三维空间中能够执行的运动方式。
简单地说，自由度就是机器人能够独立控制的关节数量。
在任何给定的时刻，机器人的每个关节都有一个角度或位置，这些角度或位置可以组合成机器人的配置。
自由度的分类工业机器人的自由度可以根据其关节类型和个数进行分类。
下面是几种常见的工业机器人自由度分类：1. 2自由度（2DOF）2自由度（2 Degrees of Freedom，简称2DOF）的机器人可以沿一个平面进行平移和旋转运动。
这种类型的机器人通常由两个旋转关节组成，可以进行简单的平面操作，如画弧线。
2. 3自由度（3DOF）3自由度（3 Degrees of Freedom，简称3DOF）的机器人可以在三维空间中进行平移和旋转运动。
这种类型的机器人通常由一个旋转关节和两个平移关节组成，可以执行更加复杂的任务，如拾取和放置物体。
3. 6自由度（6DOF）6自由度（6 Degrees of Freedom，简称6DOF）的机器人是工业机器人中最常见的类型。
它们通常由6个旋转关节组成，可以在三维空间中自由地进行平移和旋转运动。
6DOF机器人可以执行更加复杂的任务，如装配、焊接和搬运。
自由度对机器人的影响机器人的自由度对其运动能力、控制复杂性和工作范围等方面都有重要的影响。
以下是自由度对机器人的影响：1. 运动能力机器人的自由度决定了它在空间中的运动能力。
自由度越高，机器人能够实现的运动方式就越多样化和灵活。
第3章机器人运动学
串联机器人是由若干关节连接在一起的杆件组成的具有多个自由度的开链型空间连杆机构。
开链的一段固定在机座上，另一端是机器人的手部，中间由一些杆件（刚体）用活动关节串接而成，常用的活动关节多为移动关节或转动关节。
机器人运动学就是要建立各运动杆件关节的运动与机器人手部空间的位置，姿态之间的关系，从而为机器人的运动控制提供分析的手段和方法
3.1 机器人位姿描述
机器人的位姿主要是指机器人手部在空间的位置和姿态，有时也会用到其他各个活动杆件在空间的位置和姿态。
为了更好地描述机器人在空间的位置和姿态，有必要先了解一下与机器人运动有关的一些知识。
1．机器人的机构运动简图
机器人的机构运动简图是为了用简洁的线条和符号来表达机器人的各种运动及结构特征。
在国际GB/T 12643—90 中规定了机器人有关的各种运动功能的图形符号，如表3-1所示。
利用这些代表性符号，就可以简便地绘制机器人机构的运动简图。
2机器人的自由度
机器人的自由度是指当确定机器人的手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目，机器人手部在空间的运动是由其操作机中用关节连接起来的各种杆件的运动复合而成的。
两杆件之间的关节往往是一个运动低副（移动副或转动副），只有一个独立运动的自由度，因此，也可以说，机器人的自由度的数目就是机器人操作机关中关节的数目。
机器人的自由度数目越多，动作就越灵活，通用性就越强：但自由度数目越多，机器人的结构就越复杂，控制就越困难，所以目前机器人常用的自由度数目一般不超过5-6个。
需要注意的是，机器人手部的劫持动作不计入机器人的自由度数目，因为这个动作并没有改变机器人手部在空间的位置和姿态。
机器人的每一个自由度数（活动关节）都需要相应的配置一个原动件（如各种电机，油缸等驱动装置），这样才能使机器人手部在空间具有确定的运动。
3机器人的坐标系
由于机器人是由机座，臂部，腕部和手部，以转动或移动的关节组成的空间机构，其手部和各种活动杆件的位置和姿态必须在三维空间进行描述，所以引入了机器人的坐标系，如图3-1所示。
机器人中使用的坐标系是采用右手定则的直角坐标系，主要有一下几个：
1绝对坐标系：参考工作现场地面的坐标系，他是机器人所有构建的公共参考坐标系。
2机座坐标系：参考机器人机座的坐标系，他是机器人各活动杆件及手部的公共参考坐标系。
3杆件坐标系：参考机器人制定杆件的坐标系，它是在机器人每个活动杆件上固定的坐：标系，随着杆件的运动而运动。
4手部坐标系：参考机器人手部的坐标系，也称为机器人位姿坐标系，它表示机器人手部在指定坐标系中的位置和姿态。
4.机器人的工作空间
机器人的工作空间是指机器人手部在空间所能达到的最大范围，起形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。
一般情况下，机器人的工作空间是由臂部的运动确定的，当臂部的自由度的数目及运动关节类型和配置不同时，就可以构成不同形状的工作空间：例如，臂部具有一个自由度时，工作空间的形状为一条直线或圆弧线；具有两个自由度时，工作空间的形状为一个平面或弧面；具有三个自由度时，工作空间的形状则从面扩大到空间，从而形成空间立体（长方形，立方体或回转体）。
有了机器人坐标系，机器人的工作空间通常用图解法和解析法进行表示。
对自由度的数目少，结构简单的机器人，用简单的集合算法即可得到工作空间的图形，一般可在机座坐标系中用工作空间的两个轴截面的截面图来表示；但对关节数目多，结构复杂的机器人，其工作空间的图形就必须借助于机器人的运动学方程，采用解析法进行计算和辨别，其结果往往是机座坐标系中的一组方程。
5机器人的位姿
所谓机器人的位姿主要是指机器人手部在空间的位置和，有时也会用到其他各个活动杆件在空间的位置和姿态。
有了机器人坐标系，机器人手部和各个活动杆件相对于其他各个活动杆件在空间的位置和姿态。
有了机器人坐标系，机器人手部和各个活动杆件相对于其他坐标系的位置和姿态就可以用一个3×1的位置矩阵和一个3×3的姿态矩阵来描述。
如图3-2所示，机器人手部的坐标系{H}相对于机座坐标系{0}的位置就可以用坐标系{H}的原点OH在坐标系{0}的三个坐标分量XOH.YOH.ZOH 组成3×1的位置矩阵来表示，即
而机器人手部的坐标系{H}相对于机座坐标系{0}的姿态就可以用坐标系{H}的三个坐标轴与坐标系{0}的三个坐标轴之间夹角的余弦值组成3×3的姿态矩阵来描述，即
式中，（X O,X H）表示坐标系，其姿态可以描述为
由此可见，采用空间坐标变换基本原则和坐标变换的矩阵解析方法，就可以建立描述机器人的手部和各活动杆件之间相对位置和姿态的矩阵方程。
