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物体在空间中存在六种可能的运动方向,分别是沿着x、y、z坐标轴的移动方向,和绕着x、y、z坐标轴的转动方向。在机械原理中,把这样的六个运动方向称为物体在空间运动的自由度。如果需要设计一种机器人操作臂(来抓取物体),那么机械臂末端的夹持器或焊枪等工具通常也需要能够实现六种方向的空间运动。这种工业机器人往往由六根运动杆件通过六个转动关节构成,每个关节由一个电机驱动,我们称为六自由度全转动副机器人,简称6R机器人。
当已知机器人末端执行器的位置姿态时,需要求解机器人各个关节的转动角度,这称为6R机器人的位置反解或位置逆解问题。在机器人学教科书上,通常只介绍末尾三个关节的轴线相交于同一点的6R机器人位置反解技术;很少介绍末尾三关节轴线不交于一点的一般6R机器人的位置反解方法。在1970年代,一般6R机器人的位置反解问题(等价地,即空间7R闭环机构位置分析问题)被国际机构学研究人员喻为“机构学的珠穆朗玛峰问题”。
前两个月发表了一篇关于工业机器人仿真软件设计与实现的论文,简要介绍了读博期间所编制的计算机软件。当时编制了两套机器人仿真软件,一套采用VC,完全自主开发,拥有软件著作权;另一套基于UG软件,采用Open C API技术二次开发,与企业CAD平台无缝集成。
论文中所涉及的机器人是日本公司的一款MOTOMAN机器人。机器人末尾三个关节的轴线没有交于同一点,而是存在着30毫米的偏距。别小看这3个厘米的偏距,这使得在编制计算机程序时花费了很大精力来研究6R机器人位置反解方法。当然,这篇小论文中没有涉及上述的那些复杂的机构分析问题,这些复杂问题还是留待以后的文章讨论吧。虽然这篇机器人仿真的论文可能技术多于科学、工程强于学术,不过自己对这篇“技术报告”还是比较满意的。因为目前为止,尚未发现有采用相似技术路线在UG软件中实现机器人运动仿真的论文或报告。
有一点想说明的问题,日本公司的这款机器人为什么要设计成末尾三个关节的轴线不相交于一点呢?一种说法是,这样的机械结构更利于机器人焊接作业。我想可能还有第二个原因,这样的机械结构很难让别人仿造,因为这种机器人的位置反解技术不是普通工程师能够完全胜任的,更不是那些山寨公司能够轻易破解的。
这篇论文发表后,图片转成黑白色了,有些看不清晰。所以博文下面转发带彩色图片的论文。
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