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II. ② a)
操作机的设计方法和步骤
确定设计要求 负载：根据用户工作对象和工作任务的要求， 参考同类产品标准，确定机器人的负载。 速度：根据用户工作对象和工作任务的要求， 参考国内外同类产品，确定机器人末端的最大 复合速度和机器人各单轴的最大角速度。 精度：根据用户工作对象和工作任务的要求， 参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人 的重复定位精度。
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电动喷漆机器人的工作范围
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电动喷漆机器人的工作范围
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图解法考察Motorman型机器人操作机的工作空间。
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3.3 操作机整机设计原则和设计方法
I. ①
操作机整机设计原则
最小运动惯量原则
由于操作机运动部件多，运动状态经常改变，必 然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可 增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特性。 为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提 下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件 对转轴的质心配臵。

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操作机的静力平衡
例操作机的手爪正在持 板手扭某一螺栓，手爪 上 方联接一测力传感器 可测六维力向量(力和力 矩)。确定测力传感器和 扭动板手时力和力矩的 关系。
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*机器人动力学
I. 研究目的： 1、合理地确定各驱动单元（以下称关节）的电机功率。2、 解决对伺服驱动系统的控制问题（力控制） 在机器人处于不同位姿时，各关节的有效惯量及耦合 量都会发生变化（时变的），因此，加于各关节的驱动力 也应是时变的，可由动力学方程给以确定。 II. 机器人动力学研究的问题可分为两类： 1、给定机器人的驱动力（矩），用动力学方程求解机器 人（关节）的运动参数或动力学效应（即已知 , 求 , 和， 称为动力学正问题。）。 2、给定机器人的运动要求，求应加于机器人上的驱动力 （矩）（即已知 , 和 ，求 , 称为动力学逆问题 ）。
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III. 动力学研究方法： 1）拉格朗日方程法：通过动、势能变化与广义力的关系，建 立机器人的动力学方程 。代表人物 R.P.Paul、J.J.Uicker、 J.M.Hollerbach等。 2）牛顿—欧拉方程法：用构件质心的平动和相对质心的转动 表示机器人构件的运动，利用动静法建立基于牛顿—欧拉方程 的动力学方程。代表人物Orin, Luh(陆养生)等。
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机器人运动学
机器人运动方程的表示求解
◦姿态和方向角、位臵和坐标、连杆变换矩阵；欧拉变换 解、滚仰偏变换解、球面变换解
机器人运动方程分析与综合
◦正向问题：运动学方程的建立及位姿的求解 ◦逆向问题：根据机器人执行机构的目标位姿，求出关节 变量，以进行运动控制。 研究重点：手部的位姿和运动
机器人因各轴的重力矩均已基本平衡，故在这些轴运转时，电动 机主要需克服的是由各轴转动惯量所带来的动力矩。
⑥
电动机的选用
选用好交流伺服电动机，是操作机设计的关键。由于机器人要求结 构紧凑、重量轻、运动特性好，故希望在同样功率的情况下，电动 机重量要轻、外形尺寸要小。装在机器人横臂或立臂内部的电动机， 重量要尽可能轻，外形尺寸要尽可能小。 在选用时要注意，交流伺服电动机的速度是可调节的，且在相当大 的转速范围内电动机输出的转矩是恒定的，故选用电动机时只要电 动机的额定转速大于各轴所需的最高转速就行。 同时还要注意与交流伺服电动机配臵在一起的位臵编码器的选用， 并注明电动机是否需要带制动器等。
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3.1 机器人的静力学、运动学和动力学
3.2 工业机器人工作空间及与结构尺寸的相关性
3.3 操作机整机设计原则和设计方法
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3.1 机器人的静力学、运动学和动力学
机器人运动学 ◦主要研究机器人相对机座坐标系的运动与时间的 关系，重点研究关节变量与机器人末端执行器位 臵和姿态的关系。 ◦建立机器人运动方程。 机器人静力学、动力学 ◦静力学和动力学分析，是机器人操作机设计和动 态性能分析的基础。特别是动力学分析，它还是 机器人控制器设计、动态仿真的基础。
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工艺性原则
机器人操作机是一种高精度、高集成度的自动 机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时 要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计 而无良好的工艺性，必然导致操作机性能的降 低和成-26
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II. ①
操作机的设计方法和步骤
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3.2工业机器人工作空间与结构尺寸相关性
I. 工作空间 工作空间是从几何方面讨论操作机的工作性能。 B．Roth在1975年提出了操作机工作空间概念。 工作空间：机器人操作机正常运行时，末端执 行器坐标系的原点能在空间活动的最大范围；或 者说该原点可达点占有的体积空间。 灵活工作空间：在总工作空间内，末端执行器 可以任意 姿态达到的点所构成的工作空间。
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④
刚度设计的原则
操作机设计中，刚度是比强度更重要的问题， 要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状 和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安 排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的 弯曲变形。
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可靠性原则 机器人操作机因机构复杂、环节较多，可靠性 问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠 性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高 于整机的可靠性。可以通过概率设计方法设计 出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过 系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性。
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b)
c)
d)
示教方式：根据用户工作对象和工作任务的要 求，确定机器人的示教方式。一般机器人的示 教方式有下列几种：离线示教(离线编程)；示 教盒示教；人工手把手示教。
如果是喷漆机器人，就应该具备人工手把手示教的功 能，而对于其他机器人，有前两种功能就可以了。
d)
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减速器的选用
机器人上所用的减速器，常见的有RV减速器和谐波减速器。 RV减速器具有长期使用不需再加润滑剂、寿命长、刚度好、 减速比大、低振动、高精度、保养便利等优点，适用于在 机器人上使用。它的传动效率为0.8，相对于同样减速比的 齿轮组，这样的效率是很高的。它的缺点是重量重，外形 尺寸较大。 谐波减速器的优点是重量较轻，外形尺寸较小， 减速比范围大，精度高。
确定工作对象和工作任务
举例焊接任务 如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物 体，工作任务是对其进行弧焊或点焊，则要求机器 人的制造精度很高，弧焊任务对机器人的轨迹精度 和位姿精度及速度稳定性有很高的要求，点焊任务 对机器人的位姿精度有很高的要求，两种任务都要 求机器人具备摆弧的功能，同时要能在狭小的空间 内自由地运动，具备防碰撞功能，故机器人的自由 度至少为六个。
3）高斯原理法: 利用力学中的高斯最小约束原理,把机器人动 力学问题化成极值问题求解.代表人物波波夫. 用以解决第二类 问题。 4）凯恩方程法：引入偏速度概念，应用矢量分析建立动力学 方程。该方法在求构件的速度、加速度及关节驱动力时，只进 行一次由基础到末杆的推导，即可求出关节驱动力，其间不必 求关节的约束力，具有完整的结构，也适用于闭链机器人。
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机器人手臂的平衡
便于人工手把手示教 使驱动器基本上只需克服机器人运动时的惯性力， 而忽略重力矩的影响。 免除机器人手臂在自重下落下伤人的危险。 在伺服控制中因减少了负载变化的影响，因而可 实现更精确的伺服控制。
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机器人动力学分析
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* 机器人静力学
机器人静力学研究机器人静止或缓慢运动式，作
用在机器人上的力和力矩问题。特别是当手端与 环境接触时，各关节力（矩）与接触力的关系。
主要问题：
杆件之间的静力传递
操作机的静力平衡
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杆件之间的静力传递 在操作机中，任取两连杆 L，Li 1 。设在杆 Li上的 Oi 点作 1 1 i 用有力矩 和力 F i 1 ；在杆 上作用有自重力 〔过质 Li Gi i M1 心 Ci ）；ri 和 rCi 分别为由 O到 Oi 和 Ci 的向径。 1 i M i 1 F i 1
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杆件之间的静力传递 例 求两杆操作机的静关节力矩(坐标系与结构尺寸如图)。 解：
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操作机的静力平衡
设有操作机如图所示，每个关节都作用有关节力矩 i (广 义驱动力，指向 zi 的正向)，在末端执行器的参考点 Pe 处 将产生力 F e 和力矩 M e 。由于 F e M是操作机作用于外 、 e 界对象的力和力矩，为了和输入关节力矩 i 一起进行运算， 故应取负值。
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工作空间的两个基本问题 ①
给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关 节变量的变化范围，求工作空间。称为工作空 间分析或工作空间正问题。 给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形 式、参数和关节变量的变化范围。称工作空间 的综合或工作空间逆问题。
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②
尺度规划优化原则
当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺 度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于操 作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低。
③