第一篇：3自由度工業機器人(外文翻譯)

動態優化的一種新型高速，高精度的三自由度機械手

①

彭蘭（蘭朋）②，魯南立，孫立寧，丁傾永

(機械電子工程學院，哈爾濱理工學院，哈爾濱 150001，中國)(Robotics Institute。Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，P。R。China)

摘要

介紹了一種動態優化三自由度高速、高精度相結合，直接驅動臂平面并聯機構和線性驅動器，它可以提高其剛度進行了動力學分析軟件ADAMS仿真模擬環境中，進行仿真模擬實驗.設計調查是由參數分析工具完成處理的，分析了設計變量的近似的敏感性，包括影響參數的每道光束截面和相對位置的線性驅動器上的性能.在適當的方式下，模型可以獲得一個輕量級動態優化和小變形的參數。一個平面并聯機構不同截面是用來改進機械手的.結果發生明顯的改進后的系統動力學仿真分析和另一個未精制一個幾乎是幾乎相等.但剛度的改進的質量大大降低，說明這種方法更為有效的。

關鍵詞: 機械手、ADAMS、優化、動力學仿真

0 簡介

并聯結構機械手（PKM）是一個很有前途的機器操作和裝配的電子裝置，因為他們有一些明顯的優勢，例如：串行機械手的高負荷承載能力，良好的動態性能和精確定位的優點等.一種新型復合3一DOF臂的優點和串行機械手，也是并聯機構為研究對象，三自由度并聯機器人是少自由度并聯機器人的重要類型。三自由度并聯機器人由于結構簡單，控制相對容易，價格便宜等優點，具有很好的應用前景。但由于它們比六自由度并聯機器人更復雜的運動特性，增加了這類機構型綜合的難度，因此對三自由度并聯機器人進行型綜合具有理論意義和實際價值。本文利用螺旋理論對三自由度并聯機器人進行型綜合，以總結某些規律，進一步豐富型綜合理論，并為新機型的選型提供理論依據，以下對其進行闡述。

如圖-1所示 機械手組成的平面并聯機構(PPM)包括平行四邊形結構和線性驅動器安裝在PPM.兩直接驅動電機c整合交流電高分辨率編碼器的一部分作為驅動平面并聯機械裝置.線型致動器驅動的聲音線圈發動機.這被認為是理想的驅動短行程的一部分.作為一個非換直接驅動類，音圈電機可以提供高位置敏感和完美的力量與中風的角色，高精密線性編碼作為回饋部分保證在垂直方向可重復性。

另一方面，該產品具有較高的剛度比串行機械手，因為它的特點和低封閉環慣性轉矩。同時，該系統可以克服了柔性耦合力學彈性、齒輪、軸承、被撕咬支持，連接軸和其他零件，包括古典驅動設備，因此該機械手是更容易得到動力學性能好、精度高。

圖-1 3自由度的混合結構的機械手

當長度的各個環節的平面并聯機時，構決定于運動學分析和綜合[4-7]，機械優化設計的首要任務，應加大僵硬、降低質量.關于幾個參數模型.這是它重要和必要的影響，研究了各參數對模型表現以進一步優化。本文就開展設計研究工具，通過參數分析亞當斯，又要適當的方式來獲得一個輕量級的優化和小變形系統。仿真模型

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis 0f Mechanical System)自動機械系統動力學分析是一個完美的軟件，對機械系統動力學模擬可處理機制包括有剛性和靈活的部分，仿真模型可以創造出機械手的亞當斯環境 如圖-2。OXYz是全球性的參考幀，并OXYz局部坐標系，兩個直流驅動電機、交流和02M O1A表示，與線性驅動器CH被視為剛性轉子轉動慣量電機傳動的120kg/cm2。大眾的線性驅動器是1.5kg，連接AB、德、03F和LJ被視為柔性體立柱、橫梁GK，通用公司和公里，形成一個三角形，也被當作柔性傳動長度的鏈接是決定提前運動學設計為AB =O3F = 7cm，DE=IJ=7cm，GK= 7cm，GM =11.66cm，= 8.338cm。其它維度，這個數字是01A = 02M =7cm，CB=CD=HJ 2.5cm。EF=EG=JK= 3cm。

雖然總平面并聯機構的運動都是在水平、垂直和水平剛度必須在豎向剛度特征通常低于水平僵硬，因為它的角色在垂直懸臂梁的截面尺寸計算每一束平面并聯機構和相對位置的線性驅動器是兩個非常僵硬的影響因素的系統。

運動支鏈可分為三類：“主動鏈（由驅動器賦予確定獨立運動的支鏈。一般是單驅動器控制一個自由度的運動），從動鏈（不帶驅動器、被迫作確定運動的支鏈。又分為以下兩種：約束鏈：獨立限制機構自由度的從動鏈。冗余鏈：重復限制機構自由度的從動鏈）復合鏈（有單驅動器、但限制一個以上的機構自由度的支鏈，實際是主動鏈與約束鏈的組合）-并聯機構是由這幾種支鏈用不同形式組合起來的。動鏈中的約束鏈除了可以提高機構剛度和作為測量鏈外，其更主要的作用是用來約束動平臺的某一個或幾個自由度，以使其實現預期的運動。

圖-2 仿真模型 仿真模擬結果

在本節中，平均位移的末端是用來描述動態剛度，這是在不同的配置在不同的線性驅動器向前，從最初的位置的目的地，一般的豎向位移的機械手是作為目標來研究豎向剛度，平均差別的橫坐標、縱坐標點之間有一個剛性數學模型，模型，作為目標來研究水平剛度。

并聯機器人的構型設計即型綜合是并聯機器人設計的首要環節，其目的是在給定所需自由度和運動要求條件下，尋求并聯機構桿副配置、驅動方式和總體布局等的各種可能組合。國內的許多學者正致力于這方面的研究，其中比較有代表性的有如下幾種方法：”黃真為代表的約束綜合法；楊廷力等人的結構綜合法；代表的李代數綜合法。以上各種方法自成體系，各有特點，都缺乏理論的完備性。本文提出添加約束法，是從限制自由度的角度出發，增加約束，去除不需要的自由度，因每條主動鏈只有一個驅動裝置，讓其控制一個自由度，其余自由度通過純約束鏈去除，這樣可以使主、從動運動鏈的作用分離，運動解耦，有利于控制。具有三自由度的并聯機床，當采用條主動支鏈作為驅動時，機構就需要約束另三個自由度，通過選擇無驅動裝置的從動鏈來完成，則整個機構成為有確定運動的三自由度的并聯機構。黃真等提出的約束綜合法對完全對稱的少自由度并聯機器人機構進行了型綜合，完全對稱的支鏈結構相同，都屬于復合鏈，每條支鏈除都有一個單驅動器，控制一個自由度外，還應約束一個以上自由度才能使機構的六個自由度全部受控，使機構有確定的運動。

2.1 截面效應

扭轉變形位移的連結將會引起的，所以，扭轉常數的橫截面，重力是研究裝系統來研究，采取扭轉剛度的垂直切片lxx不變的各個環節和梁作為設計變量的變化，從 0.1 x 105mm4 與 3.5 x 105 mm4。

圖-3 不斷的效果在垂直變形扭轉

圖-3顯示了平均位移與截面扭轉常數末端的各個環節和梁，根據它的變化速率的環節，是最大的，AB是鏈接，LJ依次分別GK梁和KM有在豎向剛度性能。其他的仿真結果表明，水平位移之間的差異進行比較，結果表明該模型體育智力H和剛性模型變化小就改變了恒定不變的時候扭加載慣性力的線性驅動器，但是水平位移的變化，這意味著在這種模擬豎向變形的生產水平位移系統機械手。注意端面線性驅動器的主要原因是水平變形、線性驅動器機器人是由兩個節點C和H.所以，我們計算了不同的Z-coordinate攝氏度之間，如圖所示，在圖4-扭轉常數的影響差別的鏈接德。其次是最有效的通用和連接梁，連接O3F，梁GK有效果。

因此，應采取AB和連接區段大扭常數的免疫力，豎向剛度較大并行扭轉不變的鏈接德也使較少的均勻性，降低線性驅動器不可以降低水平變形。

圖-4 在不影響扭不變

如圖-

5、6所展示的影響是區域慣性轉矩的設計變量是區域剛度和慣性轉矩的各個環節和梁lz，圖顯示增加lw卡爾減少的速度高于垂直位移的不斷增加Ixx扭轉。這個Yxx AB、梁的鏈接，鏈接O3F是Iyy三個主要因素決定了豎向剛度。

圖-6 所示 鏈接的AB、梁公里，連接03F也是其中的三個主要因素決定的均勻性線性傳動裝置、不同的分析結果表明，Izz效果好，具有至少兩個垂直和水平剛度，這意味著這種結構，具有足夠的水平，降低Izz剛度的鏈接和增加Iyy AB、梁的鏈接，鏈接O3F公里的好方法，優化系統。

圖-5 瞬間的慣性效應對垂直位移

圖-6 轉動慣量不平衡的影響

2.2影響的線性驅動器的相對位置

線性執行器的慣性是主要載荷之一，在機械手的運動，不同的相對應的垂直位置產生不同的變形，圖7顯示了絕對平均的最終效應垂直位移時驅動馬達以恒定的加速度旋轉，我們可以看到，過低或過高的相對位置會造成比格變形，最好的位置是一對Z = 24毫米的地方大概是從中間環節連接O3F到 AB.圖-7

影響線性驅動器的相對位置

分析改進的機械手

根據上述模擬結果，所有改進的機械手的設計，時間如下：鏈接截面AB，DE，lJ 與30mm的基礎和高度，10毫米的厚度;鏈接O3F和矩形空心梁與30mm的基礎和高度工型鋼，l0mm法蘭和6mm網;梁競，通用汽車與8mm的堅實基礎和30mm高的矩形。

圖-8 梯形運動姿態

圖-9中回應的是機械手，相比之下，圖-10中提高初始的反應，在其中所有的鏈接和機械手的矩形截面梁的堅實基礎，用30毫米，高度的差異是曲線，C和H的曲線積分，二是垂直位移的末端，改進系統中最大位移0.7Um最初的0.12Um相比，爭論的振動激勵后仍停留在O.06Um±0.15% s±O.05Um相比的初始變形改善系統的初始小于前者具有較少的慣性，因為在相同的步伐不斷加快，保持振動瓣膜差不多一樣，它對這整個系統中來說，仍然改善系統的剛度，幾乎相當于初始制度，針對大規模的平面并聯機構在該系統相比下降了30%，這樣的初始優化是有效的。

圖-9、圖-10 動態響應

結論

本文設計了一種新型三自由度機械手變量的敏感性進行了研究在ADAMS環境中，可以得出以下結論：

1）機器人具有較大的水平剛度，最終水平位移，效應主要是由機械手垂直變形造成的，因此，更重要的是增加的幅度比剛度豎向剛度。

2）參數Ixx，Iyy并鏈接'截面剛度Izz有不同的效應，Iyy已經對垂直剛度的影響最大，Ixx在第二位的是，Ixx具有在垂直剛度的影響最小，他們都較少對水平比垂直剛度剛度。3）橫截面的不同環節都有不同的影響，連線豎向剛度AB和德應該使用區扭轉常數和慣性力矩大，如變形、長方形、橫梁KM，線 03F應該使用區段形梁等重大時刻轉動慣量、橫梁GK，和GM 可以使用盡可能的一小部分，從而降低了質量。4）最佳的線性驅動器的相對位置可以減少變形，最好的位置是垂直的平行結構。5）改進的機械手的動態分析表明該優化設計方法研究的基礎上的效率。

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第二篇：外文翻譯--六自由度機器人

六自由度并聯機器人基于Grassmann-Cayley代數的奇異性條件

Patricia Ben-Horin和Moshe Shoham，會員，IEEE

摘要

本文研究了奇異性條件大多數的六自由度并聯機器人在每一個腿上都有一個球形接頭。首先,確定致動器螺絲在腿鏈中心。然后用凱萊代數和相關的分解方法用于確定哪些條件的導數(或剛度矩陣)包含這些螺絲是等級不足。這些工具是有利的,因為他們方便操縱坐標-簡單的表達式表示的幾何實體,從而使幾何解釋的奇異性條件是更容易獲得。使用這些工具,奇異性條件(至少)144種這類的組合被劃定在四個平面所相交的一個點上。這四個平面定義為這個零距螺絲球形關節的位置和方向。指數Terms-Grassmann-Cayley代數，奇點，三條腿的機器。

一、介紹

在過去的二十年里,許多研究人員廣泛研究并聯機器人的奇異性。不像串聯機器人,失去在奇異配置中的自由度,盡管并聯機器人的執行器都是鎖著但是他們的的自由度還是可以獲得的。因此,這些不穩定姿勢的全面知識為提高機器人的設計和確定機器人的路徑規劃是至關重要的。

主要的方法之一,用于尋找奇異性并行機器人是基于計算雅可比行列式進行的。Gosselin和安杰利斯[1]分類奇異性的閉環機制通過考慮兩個雅克比定義輸入速度和輸出速度之間的關系。當圣魯克和Gosselin[2]減少了算術操作要求定義的雅可比行列式高夫·斯圖爾特平臺(GSP),從而使數值計算得到多項式。

另一個重要的工具,為分析螺旋理論中的奇異性,首先闡述了1900的論文[6]和開發機器人應用程序。幾項研究已經應用這個理論找到并聯機器人的奇異性,例如,[11]-[14]。特別注意到情況,執行機構是線性和代表螺絲是零投的。在這些情況下,奇異的配置是解決通過使用幾何,尋找可能的致動器線依賴[15]-[17]。其他分類方法閉環機制可以被發現在[18]-[22]。

在本文中,我們分析了奇異點的一大類三條腿的機器人,在每個腿鏈有一個球形接頭上的任何點。我們只關注了正運動學奇異性。首先,我們發現螺絲相關執行機構的每個鏈。因為每一個鏈包含一個球形接頭,自致動器螺絲是相互聯合的,他們是通過球形關節的零螺距螺桿螺絲。然后我們使用Grassmann-Cayley代數和相關的發展獲得一個代數方程,它源于管理行機器人包含的剛度矩陣。直接和高效檢索的幾何意義的奇異配置是最主要的一個優點,在這里將介紹其方法。

雖然之前的研究[53]分析7架構普惠制,各有至少三條并發關節,本文擴展了奇點分析程度更廣泛的一類機器人有三條腿和一個球形關節。使用降低行列式和Grassmann-Cayley運營商我們獲得一個通用的條件,這些機器人的奇異性提供在一個簡單的幾何意義方式計算中。

本文的結構如下。第二節詳細描述了運動學結構的并聯機器人。第三節包含一個簡短的在螺絲和大綱性質的背景下驅動器螺絲,零距螺絲作用于中心的球形關節。第四部分包含一個介紹Grassmann-Cayley代數的基本工具用于尋找奇異性條件。這部分還包括剛度矩陣(或導數)分解成坐標自由表達。第五節中一個常見的例子給出了這種方法。最后,第六章比較了使用本方法結果與結果的其他技術。

二、運動構架

本文闡述了6自由度并聯機器人有六間連通性基礎和移動平臺。肖海姆和羅斯[54]提供了調查可能的結構,產生基于流動公式6自由度的Grubler和Kutzbach。他們尋找了所有的可能性,滿足這個公式對關節的數目和任何鏈接。GSP和三條腿的機器人結構的一個子集所列出的6自由度Shoham和羅斯。一個類似的例子也證實了了Podhorodeski和Pittens[55],他發現了一個類的三條腿的對稱并聯機器人,球形關節、轉動關節的平臺在每個腿比其他結構潛在有利。正如上面所討論的,大多數的報告文獻限制他們的分析結構和球形關節位于移動平臺和棱柱關節作為驅動的關節。在這個分類,我們包括五種類型的關節和更多的可選職位的球形關節。

我們處理機器人有三個鏈連接到移動平臺,每個驅動有兩個1自由度關節或一個二自由度關節。這些鏈不一定是平等的,但都有移動和連接六個基地和之間的平臺。除了球形接頭(S),關節考慮是棱鏡(P),轉動(R)、螺旋(H)、圓柱(C)和通用(U),前三個是1自由度關節和最后兩個二自由度的關節。所有的可能性都顯示在表I和II。該列表只包含機器人,有平等的連鎖,總計144種不同的結構,但是機器人與任何可能的組合鏈也可以被認為是membersof這類方法。組合的總數,大于500 000,計算方式如下:

三、管理方法

本節涉及螺絲和平臺運動的確定。因為考慮機器人有三個串行鏈,每個驅動器螺絲的方向可以由其互惠到其他關節螺釘固定在鏈條。被動球形接頭在每個鏈部隊驅動器螺絲為零距(行)并且通過它的中心。因此,三個平面是創建中心位于自己的球形關節。

以下簡要介紹了螺旋理論,廣泛的解決[7],[73],[75];我們解決在第二節中列出相互的所有關節螺釘系統。

上述類的機器人的幾何結果奇點現在相比其他方法獲得的結果要準確。首先,我們比較奇異條件在上述3 GSP平臺與結果報告線幾何方法。

根據相對幾何條件的他行方法區分不同的幾種類型沿著棱鏡致動器[81]的奇異性。我們表明,所有這些奇異點是特定情況下的條件通過(17 c)提供,這是有效的三條腿以及6:3 GSP平臺的機器人的考慮。這種結構的奇異的配置根據線幾何分析包括五種類型:3 c、4 b、4 d,5 a和5 b[17],[36]。

四、奇異性分析

本節確定奇異性條件定義在第二節的機器人。第一部分包括尋找方向的執行機構的行動路線,基于解釋第三節中介紹。他行通過球形接頭中心,而他們的方向取決于關節的分布和位置。第二部分包括應用程序的方法使用了Grassmann-Cayley代數在第四節定義奇點。因為每對線滿足在一個點(球形接頭),所有例子的解決方案是象征性地平等,無論點位置的腿或腿的對稱性。我們從文獻中舉例說明使用三個機器人的解決方案。

1.方向的致動器螺絲

第一個例子是3-PRPS機器人提出Behi[61][見圖3(a)]。對于每個腿驅動螺絲躺在這家由球形接頭中心和轉動關節軸。特別是,致動器螺桿是垂直于軸的,和致動器螺桿是垂直于軸的,這些方向被描繪在圖3(b)。第二個例子是the3-USR機器人提出Simaan et al。[66][見圖4(a)]。每條腿有驅動器螺絲躺在通過球形接頭中心和包含轉動關節軸中。驅動器螺絲穿過球形接頭中心并與轉動關節軸相連。這些方向被描繪在圖4(b)。

第三個例子是3-PPSP Byun建造的機器人和[65][見圖5(一個)]。每條腿,驅動螺絲躺在飛機通過球形接頭中心和正常的棱鏡接頭軸。驅動器螺絲垂直于軸的,和致動器螺桿是垂直于軸的,這些方向被描繪在圖5(b)。

圖3(a)3-PRPS機器人提出Behi[61]

(b)飛機和致動器螺絲

圖4(a)3自由度機器人提出Simaan和Shoham[66]

(b)飛機和致動器螺絲的3自由度機器人

圖5(a)3-PPSP機器人提出Byun[65]

(b)飛機和致動器螺絲

2、.奇異性條件

雅克(或superbracket)的機器人是分解成普通支架monomials使用麥克米蘭的分解,即(16)。解釋部分3—b機器人，本文認為每個鏈有兩個零距驅動器螺絲通過球形接頭。拓撲,這個描述等于行6:3 GSP(或在[53]),這三條線,每經過一個雙球面上的接頭平臺(見圖6)。這意味著每對線共享一個公共點(這些點在圖6中)。因此類的機器人被認為是在本文中,我們可以使用相同的標記點的至于6:3 GSP。六線與相關各機器人通過雙點,并且,用同樣的方式在圖6。

圖6 6-3 GSP

五、結果

本文提出一個廣義奇異性分析并聯機器人組成元素。這些是有一個球形接頭在每個腿鏈的三條腿的6自由度機器人。因為球形關節需要驅動器，螺絲是純粹的力量作用于他們的中心,他們的位置沿鏈是不重要的。組成元素包括144機制不同類型的關節,每個都有不同的聯合裝置沿鏈。提出并建立描述幾個機器人出現在列表中。大量的機器人相關的分析組合不同被認為是。奇點的分析是由第一個找到的執行機構使用互惠的螺絲。然后,借助組合方法和Grassmann-Cayley方法,得到剛度矩陣行列式在一個可以操作的協調自由形式,可以翻譯成一個簡單的幾何條件之后。其定義是幾何條件由執行機構位置的線條和球形接頭,至少有一個相交點。這個有效的奇異點條件考慮所有組成元素中的機器人。一個比較的結果與結果的奇點證明了其他技術所有先前描述奇異條件實際上是特殊情況下的幾何條件的四架飛機交叉在一個點,一個條件獲取的方法直接在這里提出。

Singularity Condition of Six-Degree-of-Freedom Three-Legged Parallel Robots Based on Grassmann–Cayley Algebra Patricia Ben-Horin and Moshe Shoham, Associate Member, IEEE

ABSTRACT This paper addresses the singularity condition of a broad class of six-degree-of-freedom three-legged parallel robots that have one spherical joint somewhere along each leg.First, the actuator screws for each leg-chain are determined.Then Grassmann–Cayley algebra and the associated superbracket decomposition are used to find the condition for which the Jacobian(or rigidity matrix)containing these screws is rank-deficient.These tools are advantageous since they facilitate manipulation of coordinate-free expressions representing geometric entities, thus enabling the geometrical interpretation of the singularity condition to be obtained more easily.Using these tools, the singularity condition of(at least)144 combinations of this class is delineated to be the intersection of four planes at one point.These four planes are defined by the locations of the spherical joints and the directions of the zero-pitch screws.Index Terms—Grassmann–Cayley algebra, singularity, three-legged robots.I.INTRODUCTION During the last two decades, many researchers have extensively investigated singularities of parallel robots.Unlike serial robots that lose degrees of freedom(DOFs)in singular configurations, parallel robots might also gain DOFs even though their actuators are locked.Therefore, thorough knowledge of these unstable poses is essential for improving robot design and determining robot path planning.One of the principal methods used for finding the singularities of parallel robots is based on calculation of the Jacobian determinant degeneracy.Gosselin and Angeles [1] classified the singularities of closed-loop mechanisms by considering two Jacobians that define the relationship between input and output velocities.St-Onge and Gosselin [2] reduced the arithmetical operations required to define the Jacobian determinant for the Gough–Stewart platform(GSP), and thus enabled numerical calculation of the obtained polynomial in real-time.Zlatanov et al.[3]–[5] expanded the classification proposed by Gosselin and Angeles to define six types of singularity that are derived using equations containing not only the input and output velocities but also explicit passive joint velocities.Another important tool that has served in the analysis of singularities is the screw theory, first expounded in Ball’s 1900 treatise [6] and developed for robotic applications by Hunt [7]–[9] and Sugimoto et al.[10].Several studies have applied this theory to find singularities of parallel robots, for example, [11]–[14].Special attention was paid to cases in which the actuators are linear and the representing screws are zero-pitched.In these cases, the singular configurations were solved by using line geometry, looking for possible actuator-line dependencies [15]–[17].Other approaches taken to classify singularities of closed-loop mechanisms can be found in [18]–[22].In this paper, we analyze the singularities of a broad class of three-legged robots, having a spherical joint at any point in each individual leg-chain.We focus only on forward kinematics singularities.First, we find the screws associated with the actuators of each chain.Since every chain contains a spherical joint, and since the actuator screws are reciprocal to the joint screws, they are zero-pitch screws passing through the spherical joints.Then we use Grassmann–Cayley algebra and related developments to get an algebraic equation which originates from the rigidity matrix containing the governing lines of the robot.The direct and efficient retrieval of the geometric meaning of the singular configurations is one of the main advantages of the method presented here.While the previous study [53] analyzed only seven architectures of GSP, each having at least three pairs of concurrent joints, this paper expands the singularity analysis to a considerably broader class of robots that have three legs with a spherical joints somewhere along the legs.Using the reduced determinant and Grassmann–Cayley operators we obtain one single generic condition for which these robots are singular and provide in a simple manner the geometric meaning of this condition.The structure of this paper is as follows.Section II describes in detail the kinematic architecture of the class of parallel robots under consideration.Section III contains a brief background on screws and outlines the nature of the actuator screws, which are zero-pitch screws acting on the centers of the spherical joints.Section IV contains an introduction to Grassmann–Cayley algebra which is the basic tool used for finding the singularity condition.This section also includes the rigidity matrix(or Jacobian)decomposition into coordinate-free expressions.In Section V a general example of this approach is given.Finally, Section VI compares the results obtained using the present method with results obtained by other techniques.II.KINEMATIC ARCHITECTURE This paper deals with 6-DOF parallel robots that have connectivity six between the base and the moving platform.Shoham and Roth [54] provided a survey of the possible structures that yield 6-DOF based on the mobility formula of Grübler and Kutzbach.They searched for all the possibilities that satisfy this formula with respect to the number of joints connected to any of the links.The GSP and three-legged robots are a subset of the structures with 6-DOF listed by Shoham and Roth.A similar enumeration was provided also by Podhorodeski and Pittens [55], who found a class of three-legged symmetric parallel robots that have spherical joints at the platform and revolute joints in each leg to be potentially advantageous over other structures.As discussed above, most of the reports in the literature limit their analysis to structures with spherical joints located on the moving platform and revolute or prismatic joints as actuated or passive additional joints.Exceptions are the family of 14 robots proposed by Simaan and Shoham [28] which contain spherical-revolute dyads connected to the platform, and some structures mentioned below which have revolute or prismatic joints on the platform.In this classification, we include five types of joints and more optional positions for the spherical joints.We deal with robots that have three chains connected to the moving platform, each actuated by two 1-DOF joints or one 2-DOF joint.These chains are not necessarily equal, but all have mobility and connectivity six between the base and the platform.Besides the spherical joint(S), the joints taken into consideration are prismatic(P), revolute(R), helical(H), cylindrical(C), and universal(U), the first three being 1-DOF joints and the last two being 2-DOF joints.All the possibilities are shown in Tables I and II.The list contains only the robots that have equal chains, totaling 144 different structures, but robots with any possible combination of chains can also be considered as membersof this class.The total number of combinations, , is larger than 500 000, calculated as follows:

III.GOVERNING LINES This section deals with the screws that determine the platform motion.Since the robots under consideration have three serial chains, the direction of each actuator screw can be determined by its reciprocity to the other joint screws in the chain.The passive spherical joint in each chain forces the actuator screws to have zero-pitch(lines)and to pass through its center.Therefore, three flat pencils are created having their centers located at the spherical joints.Following a brief introduction to the screw theory that is extensively treated in [7], [73]–[75];we address the reciprocal screw systems of all the joints listed in Section II.The geometric result for the singularity of the aforementioned class of robots is now compared with the results obtained by other approaches in the literature.First, we compare the singularity condition described above for the 6-3 GSP platform with the results reported for the line geometry method.The line geometry method distinguishes among several types of singularities, according to the relative geometric condition of he lines along the prismatic actuators [81].We show that all these singularities are particular cases of the condition provided by(17c), which is valid for the three-legged robots under consideration as well as for the 6-3 GSP platform.The singular configurations of this structure according to line geometry analysis include five types: 3C, 4B, 4D, 5A, and 5B [17], [36].IV.SINGULARITY ANALYSIS This section determines the singularity condition for the class of robots defined in Section II.The first part consists of finding the direction of the actuator lines of action, based on the explanation introduced in Section III.The lines pass through the spherical joint center while their directions depend on the distribution and position of the joints.The second part includes application of the approach using Grassmann–Cayley algebra presented in Section IV for defining singularity when considering six lines attaching two platforms.Since every pair of lines meet at one point(the spherical joint), the solution for all the cases is symbolically equal, regardless of the points’ location in the leg or the symmetry of the legs.We exemplify the solution using three robots from the literature.A.Direction of the Actuator Screws The first example is the 3-PRPS robot as proposed by Behi [61] [see Fig.3(a)].For each leg the actuated screws lie on theplane defined by the spherical joint center and the revolute joint axis.In particular,the actuator screw is perpendicular to the axis of , and the actuator screw is perpendicular to the axis of , these directions being depicted in Fig.3(b).The second example is the3-USR robot as proposed by Simaan et al.[66][see Fig.4(a)].Every leg has the actuator screws lying on the plane passing through the spherical joint center and containing the revolute joint axis.The actuator screw passes through the spherical joint center and intersects the revolute joint axis and.Similarly, the actuator screw passes through the spherical joint center and intersects the revolute joint axis and , these directions being depicted in Fig.4(b).The third example is the 3-PPSP robot built by Byun and Cho [65] [see Fig.5(a)].For every leg the actuated screws lie on the plane passing through the spherical joint center and being normal to the prismatic joint axis.The actuator screw is perpendicular to the axis of , and the actuator screw is perpendicular to the axis of , these directions being depicted in Fig.5(b).Fig.3.(a)The 3-PRPS robot as proposed by Behi [61].(b)Planes and actuator screws.Fig.4.(a)The 3-USR robot as proposed by Simaan and Shoham [66].(b)Planes and actuator

screws of the 3-USR robot.Fig.5.(a)3-PPSP robot as proposed by Byun and Cho [65].(b)Planes and actuator screws.B.Singularity Condition

The Jacobian(or superbracket)of a robot is decomposed into ordinary bracket monomials using McMillan’s decomposition, namely(16).As explained in Section III-B, all the robots of the class considered in this paper have two zero-pitch actuator screws passing through the spherical joint of each chain.Topologically, this description is equivalent to the lines of the 6-3 GSP(or in [53]), which has three pairs of lines, each passing through a double spherical joint on the platform(see Fig.6).This means that each pair of lines share one common point(in Fig.6 these points are , , and).Therefore for the class of robots considered in this paper, we can use the same notation of points as for the 6-3 GSP.The six lines associated with each robot pass through the pairs of points,and , in the same way as in Fig.6.Due to the common points of the pairs of lines ,and ,denoted , and respectively, many of the monomials of(16)vanish due to(4).Fig.6.6-3 GSP.V.CONCLUSION

This paper presents singularity analysis for a broad family of parallel robots.These are 6-DOF three-legged robots which have one spherical joint in each leg-chain.Since the spherical joints entail the actuator screws to be pure forces acting on their centers, their location along the chain is not important.The family includes 144 mechanisms incorporating diverse types of joints that each has a different joint arrangement along the chains.Several proposed and built robots described in the literature appear in this list.A larger number of robots are relevant to this analysis if combinations of different legs are considered.The singularity analysis was performed by first finding the lines of action of the actuators using the reciprocity of screws.Then, with the aid of combinatorial methods and Grassmann–Cayley operators, the rigidity matrix determinant was obtained in a manipulable coordinate-free form that could be translated later into a simple geometric condition.The geometric condition consists of four planes, defined by the actuator lines and the position of the spherical joints, which intersect at least one point.This singularity condition is valid for all the robots in the family under consideration.A comparison of this singularity result with results obtained by other techniques demonstrated that all the previously described singularity conditions are actually special cases of the geometrical condition of four planes intersecting at a point, a condition that was obtained straightforwardly by the method suggested here

第三篇：工業機器人機械手外文翻譯

外 文 翻 譯

Introduction to Robotics

Mechanics and Control

機器人學入門

力學與控制

系

別： 機械與汽車工程系 專學業生

名姓

稱： 機械設計制造及其自動化 名： 郭仕杰

學

號：

06101315 指導教師姓名、職稱： 賀秋偉 副教授

完成日期 2014 年2 月28日 Introduction to Robotics

Mechanics and Control

Abstract This book introduces the science and engineering of mechanical manipulation.This branch of the robot has been in several classical field based.The main related fields such as mechanics, control theory, computer science.In this book, Chapter 1 through 8 topics ranging from mechanical engineering and mathematics, Chapter 9 through 11 cover control theory of material, and twelfth and 13 may be classified as computer science materials.In addition, this book emphasizes the computational aspects of the problem;for example, each chapter it mainly mechanical has a brief section calculation.This book is used to teach the class notes introduction to robotics, Stanford University in the fall of 1983 to 1985.The first and second versions have been through 2002 in use from 1986 institutions.Using the third version can also benefit from the revised and improved due to feedback from many sources.Thanks to all those who modified the author's friends.This book is suitable for advanced undergraduates the first grade curriculum.If students have contributed to the dynamics and linear algebra course in advanced language program in a basic course of statics.In addition, it is helpful, but not absolutely necessary, let the students finish the course control theory.The purpose of this book is a simple introduction to the material, intuitive way.Specifically, does not need the audience mechanical engineer strict, although much of the material is from the field.At the Stanford University, many electrical engineers, computer scientists, mathematicians find this book very readable.Here we only on the important part to extract.The main content

1、Background

The historical characteristics of industrial automation is popular during the period of rapid change.Either as a cause or an effect of automation technology, period of this change is closely linked to the world economy.Use of industrial robots, can be identified in a unique device 1960's, with the development of computer aided design(CAD)system and computer aided manufacturing(CAM)system, the latest trends, automated manufacturing process.The technology is the leading industrial automation through another transition, its scope is still unknown.In the northern America, machinery and equipment used in early 80's of the 20th century, the late 80's of the 20th century a short pull.Since then, the market more and more(Figure 1.1), although it is affected by economic fluctuations, all the market.Figure 1.2 shows the robots were installed in a large number of annual world industrial zone.Notably, the number of Japan's report is different from other areas: they count the number of machine of robot in other parts of the world are not considered robot(instead, they would simply be considered “factory machines”).Therefore, the reported figures for the Japanese exaggerated.One of the main reason for the growth in the use of industrial robots is that they are falling costs.Fig.1.3 shows that, in the last century 90's ten years, robot prices dropped although human labor costs.At the same time, the robot is not only cheaper, they become more effective and faster, more accurate, more flexible.If we factor these quality adjusted to the number, the use of robots to decrease the cost of even than their price tag faster.More cost-effective in the robot they become, as human labor to become more expensive, more and more industrial work become robot automation candidate.This is the most important trend to promote the industrial robot market growth.The second trend is, in addition to the economic, as robots become more can become more tasks they can do, may have on human workers engaged in dangerous or impossible.Industrial robots perform gradually get more complex, but it is still, in 2000, about 78% installation welding or material handling robot in USA robot.A more challenging field, industrial robots, accounted for 10% unit.This book focuses on the dynamics and control of the most important forms of industrial robot, manipulator.What is the industrial robot is sometimes debate.Equipment, as shown in Figure 1.4 is always included, and CNC milling machine(NC)is usually not.The difference lies in the programmable complex place if a mechanical device can be programmed to perform a variety of applications, it may be an industrial robot.This is the part of a limited class of tasks are considered fixed automation.For the purpose of this difference, do not need to be discussed;the basic properties of most materials suitable for various programmable machine.In general, the mechanical and control research of the mechanical hand is not a new science, but a collection of the theme from the “classic” field.Mechanical engineering helps to machine learning methods for static and dynamic conditions.The mathematical description of movement of the tool manipulator space supply and other attributes.Provide design evaluation tool to realize the motion and force the desired algorithm control theory.Electrical engineering technology applied in the design of electrical engineering technology for sensor applied in design and industrial robot interface sensor, are programmed to perform the required task of basic computer science and the equipment.Figures：

FIGURE 1.1: Shipments of industrial robots in North America in millions of US

dollars

FIGURE 1.2: Yearly installations of multipurpose industrial robots for 1995-2000 and

forecasts for 2001-2004

FIGURE 1.3: Robot prices compared with human labor costs in the 1990s

FIGURE 1.4:The Adept 6 manipulator has six rotational joints and is popular in many applications.Courtesy of Adept Technology, Inc.2、Control of mechanical arm In the study of robots, 3D spatial position we constantly to the object of interest.These objects are all manipulator links, parts and tools, it deals, and other objects in the robot's environment.In a coarse and important level, these objects are described by two attributes: the position and direction.Of course, a direct interest in the topic is the attitude in which we represent these quantities and manipulate their mathematics.In order to describe the human body position in space and direction, we will always highly coordinate system, or frame, rigid object.Then we continue to describe the position and orientation of the reference frame of the coordinate system.Any framework can be used as a reference system in the expression of a body position and direction, so we often think of conversion or transformation of the body of these properties from one frame to another description.The 2 chapter discusses the Convention methods of dealing with job descriptions discussed method of treating and post convention described positioning and manipulation of coordinate system the quantity and mathematics different.Well developed skills relevant to the position and rotation of the description and is very useful in the field of rigid robot.Kinematics is the science of sports, the movement does not consider the force which resulted in it.In the scientific research of kinematics, a position, velocity, acceleration, and the location variable high order derivative(with respect to time of all or any of the other variables(S)).Therefore, the kinematics of manipulator is refers to the geometric and temporal characteristics of all movement.The manipulator comprises nearly rigid connection, which is the relative movement of the joint connection of adjacent links.These nodes are usually instrument position sensor, so that adjacent link is a relative position measurement.In the case of rotating or rotary joint, the displacement is called the joint angle.Some robots including sliding(or prism)connection, in which the connection between the relative displacement is a translation, sometimes called the joint offset.The manipulator has a number of independent position variables are specified as the mechanism to all parts of the.This is a very general term, any mechanism.For example, a four connecting rod mechanism has only one degree of freedom(even with three members of the movement).In the case of the typical industrial robots, because the robots is usually an open kinematic chain, because each joint position usually define a variable, the node is equal to the number of degrees of freedom.The free end of the link chain consisting of the manipulator end effector.According to the application of robot, the end effector can be a starting point, the torch, electromagnet, or other device.We usually by mechanical hand position description framework description tool, which is connected to the end effector, relative to the base, the base of the mobile manipulator.In the study of mechanical operation of a very basic problem is the kinematics.This is to compute the position of mechanical static geometric problems in hand terminal positioning.Specifically, given a set of joint angles, the forward kinematics problem is to compute the position and orientation relative to the base of the tool holder.Sometimes, we think this is a change from the joint space is described as a manipulator position that Cartesian space description.“This problem will be discussed in the 3 chapter.In the 4 chapter, we will consider the inverse kinematics problem.The problems are as follows: the end effector position and direction of the manipulator, computing all possible joint angle, can be used to achieve the position and direction of a given.(see Figure 1.7.)This is a practical problem of manipulator is fundamental.This is quite a complex geometry problem, the conventional solution in tens of thousands of humans and other biological systems time every day.In a case like a robot simulation system, we need to create computer control algorithm can make the calculation.In some ways, the solution to this problem is the most important element in the operating system.This is quite a complex geometry problem, the conventional solution in tens of thousands of humans and other biological systems time every day.In a case like a robot simulation system, we need to create computer control algorithm can make the calculation.In some ways, the solution to this problem is the most important element in the operating system.We can use this problem as a mapping on 3D Descartes ”position“ space ”position“ in the robot joint space.This need will occur when the 3D spatial objects outside the specified coordinates.Lack of this kind of algorithm some early robot, they just transfer(sometimes by hand)required for the position, and then be recorded as a common set of values(i.e., as a position in joint space for later playback).Obviously, if the playback position and motion pattern recording and joint of the purely robot in Cartesian space, no algorithm for the joint space is necessary.However, the industrial robot is rare, the lack of basic inverse kinematics algorithm.The inverse kinematics problem is not a simple forward kinematics of A.The equation of motion is nonlinear, their solution is not always easy(or even possible in a closed form).At the same time, the existing problems of solutions and multiple solutions occur.The study of these problems provides an appreciation of what the human mind nervous system is achieved when we, there seems to be no conscious thought, object movement and our arms and hands operation.Manipulator is a solution of the presence or absence of a given definition of work area.A solution for the lack of means of mechanical hands can not reach the desired position and orientation, because it is in the manipulator working area.In addition to static positioning problem, we can analyze the robot motion.Usually, the analysis in the actuator velocity, it is convenient to define a matrix called the Jacobi matrix of the manipulator.The speed of Jacobi matrix specified in Descartes from the velocity mapping space and joint space.(see Figure 1.8.)This mapping configuration of the manipulator changes the natural changes.At some point, called a singularity, this mapping is not to make the transformation.This phenomenon are important to the understanding of the mechanical hand designers and users.Figures：

FIGURE 1.5: Coordinate systems or ”frames“ are attached to the manipulator and to

objects in the environment.FIGURE 1.6: Kinematic equations describe the tool frame relative to the base frame

as a function of the joint variables.FIGURE 1.7: For a given position and orientation of the tool frame, values for the joint variables can be calculated via the inverse kinematics.FIGURE 1.8: The geometrical relationship between joint rates and velocity of the end-effector can be described in a matrix called the Jacobian.3、Symbol Symbol is always the problems in science and engineering.In this book, we use the following convention: First: Usually, uppercase variables vector or matrix.Scalar lowercase variables.Second：Tail buoy use(such as the widely accepted)indicating inverse or transposed matrix.Third：Tail buoy not subject to strict conventions, but may be that the vector components(for example, X, Y, Z)or can be used to describe the PBO / P in a position of the bolt.Fourth：We will use a lot of trigonometric function, we as a cosine symbol angle E1 can adopt the following methods: because the E1 = CE1 = C1.In the vector sign note general: many mechanics textbook treatment number of vector at a very abstract level and often used vector is defined relative to expression in different coordinate systems.The most obvious example is, in addition to vector is relative to a given or known a different frame of reference.This is usually very convenient, resulting in compact structure, elegant formula.For example, consider the angular velocity, connected in series with the last body ° W4 'four rigid body(such as the manipulator links)relative to the fixed seat chain.Due to the angular velocity vector addition, angular velocity equation at last link we can write a very simple vector:

However, unless the information is relative to a common coordinate system, they cannot be concluded, therefore, although elegant, equation(1.1)calculation.Most of the ”work“.A case study of the manipulator, such statements,(1.1)work coordinate system hidden bookkeeping, which is often we need to practice.Therefore, in this book, we put the symbol reference frame vectors, we don't and carrier, unless they are in the same coordinate system.In this way, we derive expressions for computing numerical solution, ”bookkeeping" problem can be directly applied to the actual.Summary The robot is a typical electromechanical integration device, it uses the latest research results of machinery and precision machinery, microelectronics and computer, automation control and drive, sensor and information processing and artificial intelligence and other disciplines, with the development of economy and all walks of life to the automation degree requirements increase, the robot technology has been developing rapidly, the emergence of a variety of robotic products.The utility of robot products, not only can solve many practical problems difficult to solve by manpower, and the promotion of industrial automation process.At present, the research and development of robot relates to many aspects of the technology, the complexity of system structure, development and development cost is generally high, limiting the application of the technology, to some extent, therefore, the development of economic, practical, high reliability of robot system with a wide range of social significance and economic value.Based on the design of mechanical structure and drive system, the kinematics and dynamics of the cleaning robot is analyzed.Kinematics analysis is the basis of path planning and trajectory control of the manipulator, the kinematics analysis, inverse problem can complete the operation of space position and velocity mapping to drive space, using the homogeneous coordinate transformation method has been the end of manipulator position and arthrosis transform relations between the angle, geometric analysis method to solve the inverse kinematics problem of manipulator, provides a theoretical basis for control system design.The robot dynamics is to study the relationship between the motion and force of science, the purpose of the study is to meet the need of real-time control, this paper use straightaway language introduced the related mechanical industrial robots and control knowledge for us, pointing the way for our future research direction.Robot is a very complicated learning, in order to go into it, you need to constantly learn, the road ahead is long, I shall search.機器人學入門

力學與控制

摘要

本書介紹了科學與工程機械操縱。這一分支學科的機器人已經在幾個經典的領域為基礎的。主要的相關的領域是力學，控制理論，計算機科學。在這本書中，第1章通過8個主題涵蓋機械工程和數學，第9章通過11個蓋控制理論材料，第12和13章可能被歸類為計算機科學材料。此外，這本書強調在計算方面的問題；例如，每章這方面主要以力學有一個簡短的章節計算考慮。這本書是從課堂筆記用來教機器人學導論，斯坦福大學在1983的秋天到1985。第一和第二版本已經通過2002在從1986個機構使用。第三版也可以從中受益的使用和采用的修正和改進由于許多來源的反饋。感謝所有那些誰修正了作者的朋友們。這本書是適合高年級本科生一年級的課程。如果學生已經在靜力學的一門基礎課程有助于動力學和線性代數課程可以在高級語言程序。此外，它是有幫助的，但不是絕對必要的，讓學生完成入門課程控制理論。本書的目的是在一個簡單的介紹材料，直觀的方式。具體地說，觀眾不需要嚴格的機械工程師，雖然大部分材料是從那場。在斯坦福大學，許多電氣工程師，計算機科學家，數學家發現這本書很易讀。在這里我們僅對其中重要部分做出摘錄。

主要內容

1、背景

工業自動化的歷史特點是快速變化的時期流行的方法。無論是作為一個原因或一個效果，這種變化的時期自動化技術是緊密聯系在一起的世界經濟。利用工業機器人，成為可識別在1960年代的一個獨特的裝置，隨著計算機輔助設計（CAD）系統和計算機輔助制造（CAM）系統的特點，最新的趨勢，制造業的自動化過程。這些技術是領先的工業自動化 通過另一個過渡，其范圍仍然是未知的。在美國北部，在早期有機器設備多采用世紀80年代，其次是上世紀80年代后期一個簡短的拉。自那時起，市場越來越多的（圖1.1），雖然它是受經濟波動，是所有市場。圖1.2顯示的機器人被安裝在大數每年世界各國的工業區。值得注意的是，日本的報告數量有所不同從其他地區一樣：他們算一些機器的機器人在世界的其他地方都沒有考慮機器人（而不是，他們會簡單地認為是“工廠的機器”）。因此，該報告的數字為日本有些夸大。

在工業機器人的使用增長的一個主要原因是他們正在下降成本。圖1.3表明，在上世紀90年代的十年中，機器人的價格下降了雖然人類的勞動成本增加。同時，機器人不只是越來越便宜，他們變得更有效更快，更準確，更靈活的。如果我們的因素這些質量調整成數，使用機器人的成本下降甚至比他們的價格標簽更快。在他們的工作機器人變得更具成本效益的，作為人類勞動繼續變得更加昂貴，越來越多的工業工作成為機器人自動化的候選人。這是最重要的趨勢推動了工業機器人的市場增長。第二個趨勢是，除了經濟，隨著機器人變得更能成為他們能夠做的更多以上的任務，可能對人類工人從事危險的或不可能的。工業機器人執行逐步得到更多的應用復雜的，但它仍然是，在2000年，大約78%安裝在美國進行焊接或材料搬運機器人的機器人。

一個更具挑戰性的領域，工業機器人，占10%裝置。這本書著重于力學和最重要的形式控制的工業機器人，機械手。到底什么是工業機器人是有時辯論。設備，如圖1.4所示是總是包括在內，而數控（NC）銑床通常不。區別在于的可編程的復雜的地方如果一個設備機械設備可以被編程為執行各種應用程序，它可能是一個工業機器人。這是最機部分有限的一類的任務被認為是固定的自動化。為目的本文的區別，不需要討論；大多數材料的基本性質適用于各種可編程機。

總的來說，其力學和控制機械手的研究不是一個新的科學，而只是一個收集的主題從“經典”的領域。機械工程有助于機器學習方法靜態和動態的情況下。數學描述空間供應工具機械手的運動和其他屬性。控制理論提供了工具以實現所期望的運動和力的應用評價算法設計。電氣工程技術施加在傳感器的設計電氣工程技術施加在傳感器的設計和工業機器人接口，與計算機科學的基礎這些設備進行編程以執行所需任務。

附圖：

圖1.1在數以百萬計的人在美國北部的工業機器人的出貨量美元

圖1.2 年安裝的多用途的工業機器人1995-2000年和2001年至2004年預測

圖1.3 機器人的價格與上世紀90年代的人類勞動成本的比較

圖1.4 嫻熟的6臂有六個轉動關節（流行于眾多制造行業）

2、力學和機械臂的控制

機器人的研究中，我們不斷的關注對象的位置三維空間。這些對象是機械手的鏈接，零件和工具，它的交易，并在機器人的環境的其他對象。在一個粗而重要的水平，這些對象是由兩個屬性描述：位置和方向。當然，一個直接感興趣的話題是態度在我們所代表的這些量和操縱他們的數學。

為了描述人體在空間中的位置和方向，我們將始終高度坐標系統，或框架，嚴格的對 象。然后我們繼續相對于一些參考描述該幀的位置和方向坐標系統。任何框架可以作為一個參考系統內的表達一個身體的位置和方向，所以我們經常認為轉化或改變身體的這些屬性從一幀到另一個的描述。2章討論了公約的方法處理與職位描述討論了公約的方法處理與職位描述定位和操縱這些量與數學不同的坐標系統。發展良好的技能有關的位置和旋轉的描述甚至在剛體機器人領域是非常有用的。

運動學是科學的運動，對運動不考慮力這導致它。在運動學的科學研究，一個位置，速度，加速度，和所有的高階導數的位置變量（相對于時間或任何其他變量（S））。因此，機械手的運動學研究是指所有的運動的幾何和時間特性。機械手包括近剛性連接，這是由關節連接允許相鄰鏈接的相對運動。這些節點通常儀表有位置傳感器，使鄰近的鏈接是相對位置測量。在旋轉或旋轉接頭的情況下，這些位移被稱為關節角度。一些機器人包含滑動（或棱鏡）連接，其中之間的聯系相對位移是一個翻譯，有時也被稱為聯合偏移量。機械手具有數獨立的位置的變量會被指定為定位該機制的所有部分。這是一個總稱，任何機制。為例如，一個四連桿機構只有一個自由度（即使有三運動的成員）。在典型的工業機器人的情況下，因為機器人通常是一個開放的運動鏈，因為每個關節的位置通常定義一個變量，節點的數目等于自由度。

在鏈接組成的機械手的末端執行器的自由端鏈。根據機器人的應用，末端執行器可以是一個抓手，焊槍，電磁鐵，或其他裝置。我們一般通過描述工具的框架描述的機械手的位置，這是連接到端部執行器，相對于底座，所對移動機械手的基礎。在機械操作的研究一個非常基本的問題就是了運動學。這是計算的位置的靜態幾何問題機械手的末端定位。具體而言，給定一組關節角，正向運動學問題是計算位置和方向工具架相對于底座。有時，我們認為這是改變從關節空間描述為一個機械手位置的表示笛卡爾空間的描述。“這個問題將在3章探討。在4章中，我們將考慮的逆運動學問題。這個問題提出了如下：給出了末端執行器的位置和方向機械手，計算所有可能的關節角度，可以用來實現這個給定的位置和方向。（見圖1.7。）這是一個根本性的問題機械手的實際應用。這是一個相當復雜的幾何問題，常規的解決在人類和其他生物系統時間每天成千上萬。在一個案例像一個機器人仿真系統，我們需要創建的控制算法計算機可以使這個計算。在某些方面，這個問題的解決方案是在操作系統中最重要的元素。

這是一個相當復雜的幾何問題，常規的解決在人類和其他生物系統時間每天成千上萬。在一個案例像一個機器人仿真系統，我們需要創建的控制算法計算機可以使這個計算。在某些方面，這個問題的解決方案是在操作系統中最重要的元素。

我們可以把這個問題作為一個映射在三維笛卡爾的“位置”空間的“位置”在機器人的關節內的空間。這需要自然會出現每當目標外部三維空間指定的坐標。一些早期的機器人缺乏這種算法，他們只是轉移（有時用手）所需的的位置，然后被記錄為一組共同的值（即，作為一個位置關節空間）用于以后回放。顯然，如果機器人用純粹的模式記錄和關節的位置和運動的播放，沒有算法有關的關節空間的笛卡爾空間是必要的。然而，是罕見的工業機器人，缺乏基本的逆運動學算法。逆運動學問題不是簡單的正向運動學一個。由 于運動方程是非線性的，他們的解決方案并不總是容易（甚至可能在一個封閉的形式）。同時，對存在的問題解和多解的出現。這些問題的研究提供了一個欣賞什么人的心靈神經系統是實現當我們，似乎沒有有意識的思考，移動和我們的雙臂和雙手操作的對象。一個解的存在或不存在的定義工作區一個給定的機械手。一個解決方案的缺乏意味著機械手不能達到所需的位置和方向，因為它在機械手的外工作區。

除了處理靜態定位問題，我們不妨分析機器人的運動。通常，在執行機構的速度分析，它是方便的定義一個矩陣的數量稱為機械手的雅可比矩陣.指定的速度雅可比矩陣在笛卡爾從關節空間的速度映射空間。（見圖1.8。）這種映射配置的自然變化機械手的變化。在某些點，稱為奇點，這映射是不使轉化。這一現象的理解是設計師和用戶的重要機械手。

附圖：

圖1.5 坐標系統或“幀”連接到機械手環境中的物體

圖1.6運動學方程描述刀具架相對于底座作為一個聯合變量的函數

圖1.7 對于一個給定的位置和方向的工具框架，值為關節變量可以通過逆運動學計算

圖1.8 聯合率和速度之間幾何關系端部執行器可以在一個矩陣描述了所謂的雅可比矩陣

3、標識符號

符號一直是科學和工程問題。在這本書中，我們使用以下公約： 第一、通常，大寫變量表示的向量或矩陣。小寫的變量的標量。第二、尾標使用（如被廣泛接受的）指示逆或轉置矩陣。

第三、尾標不受嚴格的公約，但可能表明向量的組件（例如，X，Y，Z）或可用于述在PBO / P一個螺栓的位置。

第四、我們將使用許多三角函數，我們為一個余弦符號角E1可以采用下列方式：因

為E1 = CE1 = C1。

在一般的矢量符號注：許多力學教材處理矢量在一個非常抽象的層次上的數量和經常使用向量定義相對于在表達不同的坐標系統。最明顯的例子是，除了向量是給定的或已知的相對于不同的參考系。這是通常很方便，導致結構緊湊，有優雅的公式。為例如，考慮角速度，在串聯連接的最后一次身體°W4 '四剛體（如機械手的鏈接）相對的固定座鏈。由于角速度矢量相加，我們可以寫一個非常簡單的向量的最后環節的角速度方程：

然而，除非這些量是相對于一個共同的坐標表示系統，他們不能總結，所以，雖然優雅，方程（1.1）隱藏大部分的“工作”的計算。為研究個案機械手，這樣的陳述，（1.1）隱藏簿記的工作坐標系統，這往往是我們需要實踐的想法。因此，在這本書中，我們把符號參考框架向量，我們不要和載體，除非他們在同一坐標系統。在這種方式中，我們推導出的表達式，解決“記賬”問題可直接應用于實際的數值計算。

總結

機器人是典型的機電一體化裝置，它綜合運用了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果，隨著經濟的發展和各行各業對自動化程度要求的提高，機器人技術得到了迅速發展，出現了各種各樣的機器人產品。機器人產品的實用化，既解決了許多單靠人力難以解決的實際問題，又促進了工業自動化的進程。目前，由于機器人的研制和開發涉及多方面的技術，系統結構復雜，開發和研制的成本普遍較高，在某種程度上限制了該項技術的廣泛應用，因此，研制經濟型、實用化、高可靠性機器人系統具有廣泛的社會現實意義和經濟價值。在完成機械結構和驅動系統設計的基礎上，對物料抓取機械手運動學和動力學進行了分析。運動學分析是路徑規劃和軌跡控制的基礎，對操作臂進行了運動學正、逆問題的分析可以完成操作空間位置和速度向驅動空間的映射，采用齊次坐標變換法得到了操作臂末端位置和姿態隨關節夾角之間的變換關系，采用幾何法分析了操作臂的逆向運動學方程求解問題，對控制系統設計提供了理論依據。機器人動力學是研究物體的運動和作用力之間的關系的科學，研究的目的是為了滿足是實時性控制的需要，本文用通俗易懂的語言為我們介紹了工業機器人的相關力學與控制的知識，為我們以后的研究方向指明了道路。機器人的研究是一門非常復雜的學問，為了深入去探究它的方方面面，就需要不斷的去學習，正所謂路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。

第四篇：工業機器人的發展外文翻譯

The development of industrial robots

Industrial robot is a robot, it consists of a CaoZuoJi.Controller.Servo drive system and detection sensor device composition, it is a kind of humanoid operating automatic control, can repeat programming, can finish all kinds of assignments in three difficulties in authorship space the electromechanical integration automation production equipment, especially suitable for many varieties, become batch flexible production.It to stabilize and improve the product quality, raise efficiency in production, improve working conditions of the rapid renewal plays an extremely important role.Widely used industrial robots can gradually improve working conditions, stronger and controllable production capacity, speed up product updating and upgrading.Improve production efficiency and guarantee the quality of its products, eliminate dull work, save labor, provide a safe working environment, reduces the labor intensity, and reduce labor risk, improve the machine tool, reduce the workload and reduce process production time and inventory, enhance the competitiveness of enterprises.As technology advances, the development of industrial robot, the process can be divided into three generations--generation, for demonstration reproduce, and it mainly consists of robot hand controller and demonstration teaching machines composed, can press advance box to record information guide action, the current industry repeated reappearance application of execution most.The second to feel robot, such as powerful sleep touch and vision, it has for some outside information feedback adjustment ability, currently has entered the application stage.Third generation of intelligent robot it has sense and understanding ability, in the external environment for the working environment changed circumstances, can also successfully complete the task, it is still in the experimental research phase.The United States is the birthplace of the robot, as early as in 1961, America's ConsolidedControlCorp and AMF companies developed the first practical demonstration emersion robot.After 40 years of development, the United States in the world of robotics has been in the lead position.Still Its technology comprehensive, advanced, adaptability is strong.Japan imported from America in 1967, the first robot in 1976 later, with the rapid development of the microelectronics and the market demand has increased dramatically, Japan was labor significant deficiencies in

enterprise, industrial robots by “savior”'s welcome, make its Japanese industrial robots get fast development, the number of now whether robots or robot densities are top of the world, known as the “robot kingdom,” said.The robot introduced from Germany time than Britain and Sweden about late 1956, but the Labour shortages caused by war, national technical level is higher social environment, but for the development and application of industrial robot provides favorable conditions.In addition, in Germany, for some dangerous prescribed, poisonous or harmful jobs, robot instead of ordinary people to the labor.This is the use of robots exploit a wide range of markets, and promote the development of the industrial robot technology.At present, the German industrial robots total of the world, which only behind to Japan.The French government has been more important robot technology, and through a series of research program, support established a complete science and technology system, make the development of the French robot smoothly.In government organization project, pay special attention to the robot research based technique, the focus is on the application research on in robot.And by industry support the development application and development of work, both supplement each other, make robots in France enterprises develop rapidly and popularize and make France in the international industrial machine with indispensable if position.British jamie since the late 1970s, promote and implement a department measures listed support the development of policies and make robots British industrial robots than today's robot powers started to early, and once in Japan has made the early brilliance.However, at this time the government for industrial robots implemented the constraining errors.This mistake in Britain dust, the robot industry in Western Europe was almost in the bottom of it.In recent years, Italy, Sweden, Spain, Finland, Denmark and other countries because of its own domestic robots market in great demand, development at a very fast pace.At present, the international on industrial robot company mainly divided into Japanese and European series.In AnChuan of Japanese are mainly the ethical products, the oTC, panasonic, FANLUC, not two more, etc.The products of the company kawasaki The main Asiatic KUKA, German CLOOS, Sweden's ABB, Italy CO work pelatiah U and Austria GM company.Industrial robot in China started in early 1970s, after 30 years development, roughly experienced three stages: in the 1970s and 1980s budding transplanter and the application of the 1990s initialization period.With the 20th century 70's world technology rapid development, the application of industrial robots in world created a climax, in this context, our country in 1972 start developing their industrial robots.Enter after the 1980s, with the further reform and opening, in high technology waves pound, our research and development of robot technology from the government's attention and support, “during the seventh state funds, thanked the parts were set robot and research, completed demonstration emersion type industrial robot complete technology development, developed spray paint, welding, arc welding and handling robot., the national high technology research and development program begin to carry out, after several years research and made a large number of scientific research.Successfully developed a batch of special robot.From 9O 2O century since the early, China's national economy achieve two fundamental period of transformation into a a new round of economic restructuring and technological progress, China's industrial robots upsurge in practice and have made strides, and have developed spot welding, welding, assembling, paint, cutting, handling, palletizing etc various USES of industrial robot, and implement a batch of robot application engineering, formed a batch of industrial robots for our country industrialization base, the industrial robot soar laid a foundation.But compared with the developed countries, China also has the very big disparity of industrial robots.Along with the development of industrial robot depth and the breadth and raise the level of robot, industrial robots are has been applied in many fields.From the traditional automobile manufacturing sector to the manufacturing extensions.Such as mining robots, building robots and hydropower system used for maintenance robots, etc.In defense of military, medicine and health, food processing and life service areas such as the application of industrial robots will be more and more.The manufacturing of automobiles is a technology and capital intensive industry, is also the most widely used of industrial robots, accounting for almost to the industry for more than half of the industrial robots.In China, the industrial robot first is also used in automobile and engineering machinery industries.In car production of industrial robot is a major in the equipment, the brake parts and whole production of arc welding, spot welding, painting, handling, glue, stamping process used in large amounts.Our country is forecast to rise period, entered the automobile ownership in the next few years, car will still growing at around 15 percent annually.So the next few years the industrial robot demand will show high growth trend, about 50% in growth, industrial robots in our automobile industry application will get a rapid development.Industrial robot in addition to the wide application of in the automotive industry in electronic, food processing, nonmetal processing, daily consumer goods and wood furniture processing industries for

industrial robots demand is growing rapidly.In Asia, 2005 72,600 sets, installation industrial robots, compared with 2004 grew by 40%, and application in electronic industry accounted for about 31%.In Europe, according to statistics, since 2004 and 2005 in l: tI industry robot in the food processing industry increased 17% the application of left and right sides, in the application of nonmetal processing industry increased 20%, and daily necessities in consumption industries increased by 32% in wood furniture processing industry, up 18% or so.Industrial robot in oil has a wide application in, such as sea oil drilling, oil platforms, pipeline detection, refinery, large oil tank and tank welding etc all can use robots to complete.In the next few years, sensing technology, laser technology, engineering network technology will be widely used in industrial robots work areas, these technologies can cause the industrial robot application more efficient, high quality, lower cost.It is predicted that future robots will in medical and health care, biological technology and industry, education, relief, ocean exploitation, machine maintenance, transportation and agriculture and aquatic products applied field.In China, the industrial robot market share are mostly foreign industrial robots enterprise holds.Before the gunman in the international, domestic industrial robots enterprise facing great pressure of competition.Now China is from a ”manufacturing power“ to ”manufacturing power forward,“ Chinese manufacturing industry faces and the international community, participate in the international division of labor in the great challenge of industrial automation increase immediate, government must can increase the funds for robots and policy support, will give the industry of industrial robots development into new momentum.With independent brand ”devil robot" MoShi special technology company dedicated to providing solutions to the mainboard and robot, is willing with all my colleagues a build domestic industrial robot happy tomorrow!

References Electronic Measurement and Intrumenttations,Cambridge University Press,1996

工業機器人的發展

工業機器人是機器人的一種，它由操作機．控制器．伺服驅動系統和檢測傳感器裝置構成，是一種仿人操作自動控制，可重復編程，能在三難空間完成各種作業的機電一體化的自動化生產設備，特別適合于多品種，變批量柔性生產。它對穩定和提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件的快速更新換代起著十分重要作用。

廣泛的應用工業機器人，可以逐步改善勞動條件，更強與可控的生產能力，加快產品更新換代。提高生產效率和保證產品質量，消除枯燥無味的工作，節約勞動力，提供更安全的工作環境，降低工人的勞動強度，減少勞動風險，提高機床，減少工藝過程中的工作量及降低停產時間和庫存，提高企業競爭力。

隨著科技的不斷進步，工業機器人的發展過程可分為三代，第—代，為示教再現型機器人，它主要由機器手控制器和示教盒組成，可按預先引導動作記錄下信息重復再現執行，當前工業中應用最多。第二代為感覺型機器人，如有力覺觸覺和視覺等，它具有對某些外界信息進行反饋調整的能力，目前已進入應用階段。第三代為智能型機器人它具有感知和理解外部環境的能力，在工作環境改變的情況下，也能夠成功地完成任務，它尚處于實驗研究階段。

美國是機器人的誕生地，早在1961年，美國的ConsolidedControlCorp和AMF公司聯合研制了第一臺實用的示教再現機器人。經過40多年的發展，美國的機器人技術在國際上仍一直處于領先地位。其技術全面、先進，適應性也很強。

日本在1967年從美國引進第一臺機器人，1976年以后，隨著微電子的快速發展和市場需求急劇增加，日本當時勞動力顯著不足，工業機器人在企業里受到了“救世主”般的歡迎，使其日本工業機器人得到快速發展，現在無論機器人的數量還是機器人的密度都位居世界第一，素有“機器人王國”之稱。德國引進機器人的時間比英國和瑞典大約晚了五六年，但戰爭所導致的勞動力短缺，國民的技術水平較高等社會環境，卻為工業機器人的發展、應用提供了有利條件。此外，在德國規定，對于一些危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這為機器人的應用開拓了廣泛的市場，并推動了工業機器人技術的發展。目前，德國工業機器人的總數占世界第二位，僅次于日本。

法國政府一直比較重視機器人技術，通過大力支持一系列研究計劃，建立了一個完整的科學技術體系，使法國機器人的發展比較順利。在政府組織的項目中，特別注重機器人基礎技術方面的研究，把重點放在開展機器人的應用研究上。而由工業界支持開展應用和開發方面的工作，兩者相輔相成，使機器人在法國企業界得以迅速發展和普及，從而使法國在國際工業機器人界擁有不可或缺的一席之地。

英國紀70年代末開始，推行并實施了一系措施列支持機器人發展的政策，使英國工業機器人起步比當今的機器人大國日本還要早，并曾經取得了早期的輝煌。然而，這時候政府對工業機器人實行了限制發展的錯誤。這個錯誤導致英國的機器人工業一蹶不振，在西歐幾乎處于末位。近些年，意大利、瑞典、西班牙、芬蘭、丹麥等國家由于自身國內機器人市場的大量需求，發展速度非常迅速。目前，國際上的工業機器人公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的CO毗U及奧地利的工GM公司。

我國工業機器人起步于20世紀70年代初期，經過30多年發展，大致經歷

了3個階段：70年代萌芽期，80年代的開發期和90年代的應用化期。隨著20世紀70年代世界科技快速發展，工業機器人的應用在世界掀起了一個高潮，在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業機器人。進入20世紀80年代后，隨著改革開放的不斷深入，在高技術浪潮的沖擊下，我國機器人技術的開發與研究得到了政府的重視與支持，“七五”期間，國家投入資金，對工定機器人及零部件進行攻關，完成了示教再現式工業機器人成套技術的開發，研制出了噴漆，點焊，弧焊和搬運機器人。，國家高技術研究發展計劃開始實施，經過幾年研究，取得了一大批科研成果。成功地研制出了一批特種機器人。

從2O世紀9O年代初期起，我國的國民經濟進入實現兩個根本轉變期，掀起了新一輪的經濟體制改革和技術進步熱潮，我國的工業機器人又在實踐中邁進了一大步，先后研制了點焊，弧焊，裝配，噴漆，切割，搬運，碼垛等各種用途的工業機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批工業機器人產業化基地，為我國機器人產業的騰飛奠定了基礎。但是與發達國家相比，我國工業機器人還有很大差距。

隨著工業機器人發展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，工業機器人已在眾多領域得到了應用。從傳統的汽車制造領域向非制造領域延伸。如采礦機器人、建筑業機器人以及水電系統用于維護維修的機器人等。在國防軍事、醫療衛生、食品加工、生活服務等領域工業機器人的應用也越來越多。汽車制造是一個技術和資金高度密集的產業，也是工業機器人應用最廣泛的行業，幾乎占到整個工業機器人的一半以上。在我國，工業機器人最初也是應用于汽車和工程機械行業中。在汽車生產中工業機器人是一種主要的制動化設備，在整車及零部件生產的弧焊、點焊、噴涂、搬運、涂膠、沖壓等工藝中大量使用。據預測我國正在進入汽車擁有率上升時期，在未來幾年里，汽車仍將每年15％左右的速度增長。所以未來幾年工業機器人的需求將會呈現出高速增長趨勢，年增幅達到50％左右，工業機器人在我國汽車行業的應用將得到快速發展。

工業機器人除了在汽車行業的廣泛應用，在電子，食品加工，非金屬加工，日用消費品和木材家具加工等行業對工業機器人的需求也快速增長。在亞洲，2005年安裝工業機器人72，600臺，與2004年相比，增長了40％，而應用在電子行業的就占了31％左右。在歐洲地區，據統計2005年與2004年相l：tI業機器人在食品加工行業的應用增長了17％左右，在非金屬加工行業的應用增長了20％左右，在日用品消費行業增長了32％，在木材家具加工行業增長了18％左右。工業機器人在石油方面也有廣泛的應用，如海上石油鉆井、采油平臺、管道的檢測、煉油廠、大型油罐和儲罐的焊接等均可使用機器人來完成。在未來幾年，傳感技術，激光技術，工程網絡技術將會被廣泛應用在工業機器人工作領域，這些技術會使工業機器人的應用更為高效，高質，運行成本低。據預測，今后機器人將在醫療、保健、生物技術和產業、教育、救災、海洋開發、機器維修、交通運輸和農業水產等領域得到應用。

在我國，工業機器人市場份額大部分被國外工業機器人企業占據著。在國際強手面前，國內的工業機器人企業面臨著相當大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強國”邁進，中國制造業面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰，對我國工業自動化的提高迫在眉睫，政府務必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給工業機器人產業發展注入新的動力。擁有自主品牌“妖怪機器人”的莫士特科技公司致力于提供機器人主板和解決方案，愿與各界同仁一道打造國產工業機器人的美好明天！

第五篇：機器人外文翻譯

沈陽航空工業學院學士學位論文

機 器 人

工業機器人是在生產環境中以提高生產效率的工具，它能做常規乏味的裝配線工作，或能做那些對于工人來說是危險的工作，例如，第一代工業機器人是用來在 核電站中更換核燃料棒，如果人去做這項工作，將會遭受有害的放射線的輻射。工業機器人亦能工作在裝配線上將小元件裝配到一起，如將電子元件安放在電路印制板，這樣，工人就能從這項乏味的常規工作中解放出來。機器人也能按程序要求用來拆除炸彈，輔助殘疾人，在社會的很多應用場合下履行職能。

機器人可以認為是將手臂末端的工具、傳感器和（或）手爪移到程序指定位置的一種機器。當機器人到達位置后，它將執行某種任務。這些任務可以是焊接、密封、機器裝料、拆卸以及裝配工作。除了編程以及系統的開停之外，一般來說這些工作可以在無人干預下完成。如下敘述的是機器人系統基本術語：

1.機器人是一個可編程、多功能的機械手，通過給要完成的不同任務編制各種動作，它可以移動零件、材料、工具以及特殊裝置。這個基本定義引導出后續段落的其他定義，從而描繪出一個完整的機器人系統。

2.預編程位置點是機器人為完成工作而必須跟蹤的軌跡。在某些位

沈陽航空工業學院學士學位論文

置點上機器人將停下來做某些操作，如裝配零件、噴涂油漆或焊接。這些預編程點貯存在機器人的貯存器中，并為后續的連續操作所調用，而且這些預編程點想其他程序數據一樣，可在日后隨工作需要而變化。因而，正是這種編程的特征，一個工業機器 人很像一臺計算機，數據可在這里儲存、后續調用與編譯。

3.機器手是機器人的手臂，它使機器人能彎曲、延伸和旋轉，提供這些運動的是機器手的軸，亦是所謂的機器人的自由度。一個機器人能有3~16軸，自由度一詞總是與機器人軸數相關。

4.工具和手爪不是機器人自身組成部分，但它們是安裝在機器人手臂末端的附件。這些連在機器人手臂末端的附件可使機器人抬起工件、點焊、刷漆、電弧焊、鉆孔、打毛刺以及根據機器人的要求去做各種各樣的工作。

5.機器人系統還可以控制機器人的工作單元，工作單元是機器人執行任務所處的整體環境，該單元包括控制器、機械手、工作平臺、安全保護裝置或者傳輸裝置。所有這些為保證機器人完成自己任務而必須的裝置都包括在這一工作單元中。另外，來自外設的信號與機器人通訊，通知機器人何時裝配工件、取工件或放工件到傳輸裝置上。機器人系統有三個基本部件：機械手、控制器和動力源。

A.機械手

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機械手做機器人系統中粗重工作，它包括兩個部分：機構與附件，機械手也用聯接附件基座，圖21-1表示了一機器人基座與附件之間的聯接情況。

機械手基座通常固定在工作區域的地基上，有時基座也可以移動，在這種情況下基座安裝在導軌回軌道上，允許機械手從一個位置移到另外一個位置。

正如前面所提到的那樣，附件從機器人基座上延伸出來，附件就是機器人的手臂，它可以是直動型，也可以是軸節型手臂，軸節型手臂也是大家所知的關節型手臂。

機械臂使機械手產生各軸的運動。這些軸連在一個安裝基座上，然后再連到拖架上，拖架確保機械手停留在某一位置。

在手臂的末端上，連接著手腕（圖21-1），手腕由輔助軸和手腕凸緣組成，手腕是讓機器人用戶在手腕凸緣上安裝不同的工具來做不同的工作。

機械手的軸使機械手在某一區域內執行任務，我們將這個區域為機器人的工作單元，該區域的大小與機械手的尺寸相對應，圖21-2列舉了一個典型裝配機器人的工作單元。隨著機器人機械結構尺寸的增加，工作單元的范圍也必須相應的增加。

機械手的運動有執行元件或驅動系統來控制。執行元件或驅動系統

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允許各軸力經機構轉變為機械能，驅動系統與機械傳動鏈相匹配。由鏈、齒輪和滾珠絲杠組成的機械傳動鏈驅動著機器人的各軸。

B.控制器

機器人控制器是工作單元的核心。控制器儲存著預編程序供后續調用、控制外設，及與廠內計算機進行通訊以滿足產品更新的需要。

控制器用于控制機械手運動和在工作單元內控制機器人外設。用戶可通過手持的示教盒將機械手運動的程序編入控制器。這些信息儲存在控制器的儲存器中以備后續調用，控制器儲存了機器人系統的所有編程數據，它能儲存幾個不同的程序，并且所有這些程序均能編輯。

控制器要求能夠在工作單元內與外設進行通信。例如控制器有一個輸入端，它能標識某個機加工操作何時完成。當該加工循環完成后，輸入端接通，告訴控制器定位機械手以便能抓取已加工工件，隨后，機械手抓取一未加工件，將其放置在機床上。接著，控制器給機床發出開始加工的信號。

控制器可以由根據事件順序而步進的機械式輪鼓組成，這種類型的控制器可用在非常簡單的機械系統中。用于大多數機器人系統中的控制器代表現代電子學的水平，是更復雜的裝置，即它們是由微處理器操縱的。這些微處理器可以是8位、16位或32位處理器。它們可以使得控制器在操作過程中顯得非常柔性。

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控制器能通過通信線發送電信號，使它能與機械手各軸交流信息，在機器人的機械手和控制器之間的雙向交流信息可以保持系統操作和位置經常更新，控制器亦能控制安裝在機器人手腕上的任何工具。

控制器也有與廠內各計算機進行通信的任務，這種通信聯系使機器人成為計算機輔助制造（CAM）系統的一個組成部分。

存儲器。給予微處理器的系統運行時要與固態的存儲裝置相連，這些存儲裝置可以是磁泡，隨機存儲器、軟盤、磁帶等。每種記憶存儲裝置均能貯存、編輯信息以備后續調用和編輯。

C.動力源

動力源是給機器人和機械手提供動力的單元。傳給機器人系統的動力源有兩種，一種是用于控制器的交流電，另一種是用于驅動機械手各軸的動力源，例如，如果機器人的機械手是有液壓和氣壓驅動的，控制信號便傳送到這些裝置中，驅動機器人運動。

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液壓與氣壓系統

僅有以下三種基本方法傳遞動力：電氣，機械和流體。大多數應用系統實際上是將三種方法組合起來而得到最有效的最全面的系統。為了合理地確定采取哪種方法。重要的是了解各種方法的顯著特征。例如液壓系統在長距離上比機械系統更能經濟地傳遞動力。然而液壓系統與電氣系統相比，傳遞動力的距離較短。

液壓動力傳遞系統涉及電動機，調節裝置和壓力和流量控制，總的來說，該系統包括：

泵：將原動機的能量轉換成作用在執行部件上的液壓能。閥：控制泵產生流體的運動方向、產生的功率的大小，以及到達執行部件流體的流量。功率大小取決于對流量和壓力大小的控制。

執行部件：將液壓能轉成可用的機械能。

介質即油液：可進行無壓縮傳遞和控制，同時可以潤滑部件，使閥體密封和系統冷卻。

聯接件：聯接各個系統部件，為壓力流體提供功率傳輸通路，將液體返回油箱（貯油器）。

油液貯存和調節裝置：用來確保提供足夠質量和數量并冷卻的液體。

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液壓系統在工業中應用廣泛。例如沖壓`鋼類工件的磨削幾一般加工業、農業、礦業、航天技術、深海勘探、運輸、海洋技術，近海天然氣和石油勘探等行業，簡而言之，在日常生活中有人不從液壓技術中得到某種益處。

液壓系統成功而又廣泛使用的秘密在于它的通用性和易操作性。液壓動力傳遞不會象機械系統那樣受到機器幾何形狀的制約，另外，液壓系統不會像電氣系統那樣受到材料物理性能的制約，它對傳遞功率幾乎沒有量的限制。例如，一個電磁體的性能受到鋼的磁飽和極限的限制，相反，液壓系統的功率僅僅受材料強度的限制。

企業為了提高生產率將越來越依靠自動化，這包括遠程和直接控制生產操作、加工過程和材料處理等。液壓動力之所以成為自動化的組成部分，是因為它有如下主要的特點：

1.控制方便精確

通過一個簡單的操作桿和按扭，液壓系統的操作者便能立即起動，停止、加減速和能提供任意功率、位置精度為萬分之一英寸的位置控制力。圖13-1是一個使飛機駕駛員升起和落下起落架的液壓系統，當飛行向某方向移動控制閥，壓力油流入液壓缸的某一腔從而降下起落架。飛行員向反方向移動控制閥，允許油液進入液壓缸的另一腔，便收回起落架。

2.增力 一個液壓系統（沒有使用笨重的齒輪、滑輪和杠桿）能簡單

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有效地將不到一盎司的力放大產生幾百噸的輸出。

3.恒力或恒扭矩

只有液壓系統能提供不隨速度變化而變化的恒力或恒扭矩，他可以驅動對象從每小時移動幾英寸到每分鐘幾百英寸，從每小時幾轉到每分鐘幾千轉。

4.簡便、安全、經濟

總的來說，液壓系統比機械或電氣系統使用更少的運動部件，因此，它們運行與維護簡便。這使得系統結構緊湊，安全可靠。例如 一種用于車輛上的新型動力轉向控制裝置一淘汰其他類型的轉向動力裝置，該轉向部件中包含有人力操縱方向控制閥和分配器。因為轉向部件是全液壓的，沒有方向節、軸承、減速齒輪等機械連接，使得系統簡單緊湊。

另外，只需要輸入很小的扭矩就能產生滿足極其惡劣的工作條件所需的控制力，這對于因操作空間限制而需要小方向盤的場合很重要，這也是減輕司機疲勞度所必須的。

液壓系統的其他優點包括雙向運動、過載保護和無級變速控制，在已有的任何動力、系統中液壓系統也具有最大的單位質量功率比。

盡管液壓系統具有如此的高性能，但它不是可以解決所有動力傳遞問題的靈丹妙藥。液壓系統也有缺點，液壓油有污染，并且泄露不可能完全避免，另外如果油液滲漏發生在灼熱設備附近，大多數液壓油能引起火災。

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氣壓系統

氣壓系統是用壓力氣體傳遞和控制動力，正如名稱所表明的那樣，氣壓系統通常用空氣（不用其他氣體）作為流體介質，因為空氣是安全、成本低而又隨處可得的流體，在系統部件中產生電弧有可能點燃泄露物的場合下（使用空氣作為介質）尤其安全。

在氣壓系統中，壓縮機用來壓縮并提供所需的空氣。壓縮機一般有活塞式、葉片式和螺旋式等類型。壓縮機基本上是根據理想氣體法則，通過減小氣體體積來增加氣體壓力的。氣壓系統通常考慮采用大的中央空氣壓縮機作為一個無限量的氣源，這類似于電力系統中只要將插頭插入插座邊可獲得電能。用這種方法，壓力氣體可以總氣體源輸送到整個工廠的各個角落，壓力氣體可通過空氣濾清器除去污物，這些污染可能會損壞氣動組件的精密配合部件如閥和汽缸等，隨后輸送到各個回路中，接著空氣流經減壓閥以減小氣壓值適合某一回路使用。因為空氣不是好的潤滑油，氣壓系統需要一個油霧器將細小的油霧注射到經過減壓閥減壓空氣中，這有幫助于減少氣動組件精密配合運動件的磨損。

由于來自大氣中的空氣含不同數量的水分，這些水分是有害的，它可以帶走潤滑劑引起的過分磨損和腐蝕，因此，在一些使用場合中，要用空氣干燥器來除去這些有還的水分。由于氣壓系統直接向大氣排

沈陽航空工業學院學士學位論文

氣，會產生過大的噪聲，因此可在氣閥和執行組件排氣口安裝銷聲器來降低噪聲，以防止操作人員因接觸噪聲及高速空氣粒子有可能引發的傷害。

用氣動系統代替液壓系統有以下幾條理由：液體的慣性遠比氣體大，因此，在液壓系統中，當執行組件加速減速和閥突然開啟關閉時，油液的質量更是一個潛在的問題，根據牛頓運動定律，產生加速度運動油液所需的力要比加速同等體積空氣所需的力高出許多倍。液體比氣體具有更大的粘性，這會因為內摩擦而引起更大的壓力和功率損失；另外，由于液壓系統使用的液體要與大氣隔絕，故它們需要特殊的油箱和無泄露系統設計。氣壓系統使用可以直接排到周圍環境中的空氣，一般來說氣壓系統沒有液體系統昂貴。

然而，由于空氣的可壓縮性，使得氣壓系統執行組件不可能得到精確的速度控制和位置控制。氣壓系統由于壓縮機局限，其系統壓力相當低（低于250psi），而液壓力可達1000psi之高，因此液壓系統可以是大功率系統，而氣動系統僅用于小功率系統，典型例子有沖壓、鉆孔、夾緊、組裝、鉚接、材料處理和邏輯控制操作等。