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2023-06-20
机器人工作原理深入解析
【摘要】：下面以常用的关节坐标型机器人为例，介绍机器人的工作原理。工业机器人采用这种结构形式能保证在最小几何尺寸条件下达到最大工作空间，能以最优的路径和较高的精度运动到指定的焊接位置。图5-5-4 典型6关节工业机器人图5-5-5 工业机器人运动学描述机器人有两个重要的坐标系，分别为关节坐标系和世界坐标系。机器人逆运动学是指已知末端执行器的空间位置和姿态，求解要到达这个位姿机器人各个关节需要转动的角度。
下面以常用的关节坐标型机器人为例，介绍机器人的工作原理。
图5-5-4是一个典型6关节工业机器人，图5-5-5是其运动学描述。
从图5-5-4中可见，机器人的机械本体是由数个刚性杆件以旋转关节串联而成。它是一个开环关节链，一端固定在基座上，另一端是自由的，安装着末端操作器（如焊枪/焊炬或焊钳）。末端操作器的工具中心点（TCP）的轨迹是6个关节运动所合成的。机器人运动控制的本质就是根据编程指令来指挥6个旋转关节协同动作，以完成工具中心点所要求实现的运动轨迹。由于其4、5、6三个关节轴交于一点，机器人前三个关节（腰、肩、肘）的运动主要决定机器人末端的空间位置，后三个关节（转腕、摆腕、转手）的运动主要决定机器人末端的空间姿态。工业机器人采用这种结构形式能保证在最小几何尺寸条件下达到最大工作空间，能以最优的路径和较高的精度运动到指定的焊接位置。
图5-5-4 典型6关节工业机器人
图5-5-5 工业机器人运动学描述
机器人有两个重要的坐标系，分别为关节坐标系和世界坐标系。
1）关节坐标系：每个关节的转角用θi（i=1，2，3，4，5，6）表示。（θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6）表示机器人的一个运动位置。
2）世界坐标系：又称基座坐标系，坐标系的原点在基座上。一般地，焊枪的位姿用世界坐标系表示。
机器人运动学包括机器人正运动学和机器人逆运动学。
机器人正运动学是在已知杆件几何结构参数和每个关节的转角条件下，求解末端执行器相对参考坐标系的位置和姿态。这实际上是建立机器人运动学方程问题。在机器人示教过程中，机器人控制器逐点进行正运动学运算。
机器人逆运动学是指已知末端执行器的空间位置和姿态，求解要到达这个位姿机器人各个关节需要转动的角度。这实际上是求解运动学方程的问题。在机器人再现过程中，机器人控制器逐点进行逆运动学运算，将角矢量分解到机械臂各关节上。
由于篇幅的限制，这里不再具体介绍机器人正、逆运动学的数学推导，可以参考相应的机器人书籍。
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