工业机器人技术基础5.8工业机器人的运动简图-课件

单位主矢量相对于坐标系{A}的方向余弦组成：
xB
yB
zB
xA
yA
zA
其中：cos cos(xB , xA )
既表示了刚体F在{A}系中的方位，也描述了{B}系在{A}系中的 姿态。
3.1.2.2 坐标变换
一、坐标平移
如图3-5，坐标系{B}与{A} 方向相同，但原点不重合。
图3-5 坐标平移
此式称为平移方程。其中 是B系中的原点在A系中的表示。
xA
OB
30o xB
yA yB 30o
所以有：
cos 300 sin 300 0 0.866 0.5 0
A B
R
R(
z,300
)
sin
300
cos 300
0
0.5
0.866 0
0
0
1 0
0 1
10
A PBO
5
0
最后得： APBAR BP APBO
9.098 12.562
第三章 机器人的运动学
3.1 工业机器人运动学
3.1.1 相关知识回顾
一、行列式和矩阵 1. 行列式按照行（或列）展开法则：行列式等于它的任意一行 （或列）各元素与其对应的代数余子式乘积之和。
2.行矩阵 3.列矩阵 4.矩阵相等：两同型矩阵（行数和列数都相等）对应元素相等。
5.单位矩阵：主对角线元素为1，其它所 有的元素都为0的方阵。 6.矩阵的运算 （1）矩阵的加法：两同型矩阵的对应元素相加。
，它的齐
次坐标就是
，即满足Px=ωPx/ω，Py=ωPy/ω，
Pz=ωPz/ω（ω是非零整数）。可以看出，在三维直角坐标系中，
由于ω取值的不同，一个点的齐次坐标的表达不唯一。

工业机器人概述
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
定义与分类
定义
工业机器人是一种可编程、多自 由度的自动化机械业任务。
分类
根据应用领域和功能特点，工业 机器人可分为搬运机器人、焊接 机器人、装配机器人、加工机器 人等。
工业机器人运动学课件
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
• 工业机器人概述 • 工业机器人运动学基础 • 工业机器人关节结构与运动特性 • 工业机器人运动学建模 • 工业机器人轨迹规划 • 工业机器人控制技术 • 工业机器人应用案例分析
目录
CONTENTS
01
人工操作成本。
THANKS
感谢观看
位置控制与速度控制
位置控制
通过设定目标位置，控制器计算出机 器人需要执行的路径和动作，使机器 人准确到达目标位置。
速度控制
通过设定目标速度，控制器计算出机 器人需要执行的动作，使机器人在运 动过程中保持恒定的速度。
力控制与力矩控制
力控制
通过设定目标力，控制器计算出机器人需要执行的路径和动作，使机器人施加的目标力作用于被操作 物体上。
学要求。
轨迹规划的分类
根据运动学和动力学模型的不同 ，轨迹规划可以分为运动学轨迹
规划和动力学轨迹规划。
轨迹规划的步骤
包括路径生成、速度和加速度控 制、碰撞检测和避障等。
关节空间的轨迹规划
01
关节空间定义
关节空间是指机器人的各个关节角度构成的坐标系，是机器人的内部状
态空间。
02 03
关节空间轨迹规划方法
逆运动学模型
已知机器人末端执行器的位置和姿态，求解对应的关节变量。

工业机器人的运动简图
主要内容
• 关节的运动简图 • 末端执行器的简图 • 机座的简图 • 工业机器人的运动简图一、关 Nhomakorabea的运动简图
图形符号
名称
图片
正视
侧视
移动副
一、关节的运动简图
图形符号
名称
图片
正视
侧视
回转副1
一、关节的运动简图
图形符号
名称
图片
视图
回转副2
一、关节的运动简图
图形符号
名称
图片
视图
工业机器人结构图
主视图 侧视图 运动功能简图
四、工业机器人的运动简图
工业机器人结构图
主视图 侧视图 运动功能简图
总结
四种工业机器人的运动简图
直角坐标型
工业机器人
圆柱坐标型
工业机器人
球坐标型
工业机器人
关节坐标型
工业机器人
螺旋副
一、关节的运动简图
图形符号
名称
图片
视图
球面副
二、末端执行器的简图
图形符号
名称
图片
视图
末端 执行器
三、机座的简图
图形符号
名称
图片
视图
机座
四、工业机器人的运动简图
工业机器人结构图
主视图 侧视图 运动功能简图
四、工业机器人的运动简图
工业机器人结构图
主视图 侧视图 运动功能简图
四、工业机器人的运动简图

一、机器人控制系统的特点
(3)具有较高的重复定位精度，系统刚性好。除直角坐标机器 人外，机器人关节上的位置检测元件不能安装在末端执行器上，而 应安装在各自的驱动轴上，构成位置半闭环系统。但机器人的重复 定位精度较高，一般为±0.1 mm。此外，由于机器人运行时要求 运动平稳，不受外力干扰，为此系统应具有较好的刚性。
(5-20)
随此着外实 ，际还工要作考情虑的况各作的关不节业同之，间信可惯息以性采力存用、各哥储种氏在不力同等内的的控耦存制合中方作式用，。和重在力执负载行的影任响务，因时此，，系依统中靠还经工常业采用机一些器控人制策的略，动如重力补偿、
前馈、解耦或自适应控制等。
与在自由空间运作动再的控现制相功比能，机，器人可在重受限复空间进运行动的该控制作主业要是。增加此了外对其，作用从端操与外作界接的触角作用度力（来包看括力，矩）要的控制要求，
图5-1 机器人控制系统的分类
二、机器人控制系统的组成
图5-2 机器人控制系统组成框图
二、机器人控制系统的组成
(1)控制计算机。控制计算机是控制系统的调度指挥机 构，一般为微型机，微处理器分为32位、64位等，如奔腾 系列CPU等。
(2)示教编程器。示教机器人的工作轨迹、参数设定和 所有人机交互操作拥有自己独立的CPU及存储单元，与主 计算机之间以串行通信方式实现信息交互。
因而受限运动的控制一般称为力控制。
四现、场机 总器线人应智用能于求力生控控产制现制方场法，系在统微机具化测有量良控制好设备的之人间实机现双界向面多结，点数尽字量通信降，从低而对形成操了新作型者的网的络集要成求式全。分布因控制系统—— 现位场置总 控线制控部制分系的此统输，出(fieΔl多dqb1u和数s速co度情nt控ro况制l s部y要s分tem的求，输F控出CΔS制q)。2相器加，的其设和作计为机人器员人的不关节仅控要制增完量Δ成q，底用于层控伺制机服器人控的制运动器。

右图就处于a）的奇异状态，直角下示教会报警。
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
直角坐标系
Never Stop Improving
— 6—
1 机器人工坐业标系机器人坐标系
机器人系统 关节坐标系
两者关系？？？
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
— 2—
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
1 机器人坐标系
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
在分析机器人时会牵涉诸多坐标系，一些是操作者不须关心的，另外一些却是和工艺相 关的。常见的坐标系有： 关节坐标系 基座坐标系 工具坐标系 用户坐标系
Never Stop Improving
px a
p


py



b

1pz

c w
— 12 —
2 机器人位姿变换
坐标轴方向的描述：
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
i、j、k分别是直角坐标系中x、y、Z坐标轴的单位向量。若用齐次坐标来描述x、y、z轴的方向， 则
基坐标系
Never Stop Improving
— 7—
1 机器人工坐业标系机器人坐标系
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
用户坐标系（工件坐标系）:
用于描述各个物体或工位的方位的需要。用户常常在自
z
己关心的平面建立自己的坐标系，以方便示教。

示教输入
编程输入
穿孔带输入 穿孔卡输入 磁带输入
键盘输入
7
三、工业机器人智能传感器
CHENLI 2021/3/7
1．接近觉传感器
接近觉传感器能使机器人手爪感知与物体的接 近程度，当近到一定距离时能使高速搜索物体的手 爪向控制系统发出减速信号，以减少手爪和物体的 冲击。
接近觉传感器有光学、超声波和电磁等几种， 一般装在手爪上。
12
CHENLI 2021/3/7
焊接机器人
一、焊接机器人系统的组成 焊接机器人系统一般由以下几个部分组
成：机器人操作机、变位机、控制器、焊 接系统、焊接传感器、中央控制计算机和 相应的安全设备等。
13
CHENLI 2021/3/7
机器人操作机是焊接机器人系统的执行机构 变位机作为机器人焊接生产线及运动形式
① 直角坐标式 ② 圆柱坐标式 ③ 球坐标式 ④ 多关节式
CHENLI 2021/3/7
6
3．机器人运动功能
CHENLI 2021/3/7
① 点位控制型：用于搬运和装卸物件，点焊及具 有固定位置零件的装配工作。
② 连续轨迹控制型：主要用于电弧焊和喷涂等. 4．机器人程序输入方式
17
CHENLI 2021/3/7
一汽“红旗”轿车机器人焊接线
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CHENLI 2021/3/7
搬运、码垛机器人
自动搬运工作站由搬运机器人和周边设备组成。 搬运机器人可用于搬运重达几公斤至1 t以上的
CHENLI 2021/3/7
工业机器人
1
CHENLI 2021/3/7
到目前为止，工业机器人是最成熟、应用最 广泛的一类机器人，全世界目前已经销售110万台， 这是1999年的统计，已经进行使用的是75万台。 日本在工业机器人领域的发展是首位的，成为机 器人的王国； 美国发展得也很迅速，目前在新安装的台数方面 已经超过了日本； 中国刚开始进入产业化的阶段，已经研制出多种 工业机器人样机，已有小批量在生产中使用。

•
工业机器人的机械结构又称执行机构，也称操作机，通常
由杆件和关节组成。
肘 肩
• 从功能角度，执行机构可分为：
臂
腰
腕
机 座
6
二、机械部分 1.机械结构系统
工业机器人
机械结构 手部 腕部 臂部 腰部 机座
手部：末端执行器，其作用是直接抓取和 放置物件。 腕部：连接手部和臂部的部件，其作用是 调整或改变手部的姿态。
本节主要借鉴论文 《山东海洋渔业资源问题分析及其可持续发展策略》 （傅秀梅 戴桂林 管华诗）和《山东海洋渔业的现代化及其科技发展对策》 （山东海洋经济技术研究会)
4
渔业资源利用过程中面临的问题
山东省海洋渔业发展
渔业生态环境恶化
➢ 由于沿海城市工业和生活污水的排放以及养殖自污染,导致海洋生态环境恶 化和海底植被荒漠化； ➢ 近岸局部水域富营养化,赤潮等海洋灾害频发,严重影响了渔业的发展。 ➢ 养殖量大大超过环境容纳量，种质退化，养殖病害不断。
16
四、传感部分 1. 感受系统
• 感受系统包括内部检测系统与外部检测系统两部分。 • 内部检测系统的作用就是通过各种检测器，检测执行机
构的运动境况，根据需要反馈给控制系统，与设定值进 • 外行部比检测较系后统对检测执机行器机人所构处进环行境、调外整部以保证其动作符合设计要
物求体。状态或机器人与外部物体的关系。
• 臂部：手臂，用以连接 腰部和腕部，用以带动 腕部运动。
• 腰部：立柱，是支撑手 臂的部件，其作用是带 动臂部运动，与臂部运 动结合，把腕部传递到 需到的工作位置。
• 机座（行走机构）：机 7 座是机器人的支持部分，
2
历史上的山东省海洋渔业发展概况
山东省海洋渔业发展

p


py



b

1pz

c w
2 机器人位姿 变换
坐标轴方向的描述：
i、j、k分别是直角坐标系中x、y、Z坐标轴的单位向量。若用齐次坐标 来描述x、y、z轴的方向，则
X 1 0 0 0T Y 0 1 0 0T Z 0 0 1 0T
1.已知机器人各关节的位置，求机器人 末端的位姿； 2.已知机器人末端的位姿，求机器人 各关节的位置.
3学机器人工运业动机器人基础知识
为什么要研究运动学：机器人的运动无非有两种：PTP(点到点) 及CP(连续运动)
3学机器人工运业动机器人基础知识
运动学的实用方式：
位置反 馈
3 机器人运动
学
D-H参数：
关节 坐标
系
两个关节轴线沿公垂线的距离an，称为连杆长度；另一个是 垂直于an的平面内两个轴线的夹角αn，称为连杆扭角，这两 个参数为连杆的尺寸参数；是沿关节n轴线两个公垂线的距离，
刚体的姿态可由动坐标系的坐标轴方向来表示。 令n、o、a分别为X′、y ′、z ′坐标轴的单位 方向矢量，每个单位方向矢量在固定坐标系上的 分量为动坐标系各坐标轴的方向余弦，用齐次坐 标形式的(4×1)列阵分别表示为：
2 机器人位姿 变换
刚体的位姿可用下面(4×4)矩
阵来描述：
nx ox ax xo
a）4、6轴共线附件，即5轴角度0附件。 b）2、3、5轴关节坐标系原点接近共线，即 已经到达工作范围边界。
c） 5轴关节坐标系原点在Z轴正上方附近。
右图就处于a）的奇异状态，直角下示 教会报警。
直角坐标系
1 系
机器人工坐业标机器人坐标系

0T 0T 6A 1A 2A 3A 4A 5A 6
Z0 Z2
Z1
Z2 Z1 Z0
Z4 Z3
Z6 Z5
反向运动学
❖ 反向求解
——在已知手部要达到的目标位姿的情况下求 出各关节变量，以驱动各关节马达，使手部位 姿得到满足。
❖ 机器人运动学逆解问题求解存在若干问题：
解可能不存在； 存在多重解； 求解方法的多样性—分离变量法/直接求解法。
Z2 c2 0 0s2 01 0Y3 0
Z1
s2
0
0
0 1 0
00c2
0
X3
0
0Z2
d2 X2 1
0
1
Y2
A2
A3
A6 Rot (Zz3 5 ,6 )TranZs4 (0,0, H
Z6
X4
Y4
Z3
Z5
Z4
A4
c6
s5Rco6tX3(
s6
Yc3 5s6
z3 ,csZ654 4s)6
Xb
XP－Lcαcβ
Yb = YP－L(sαcγ +cαsβsγ)
(5)
Zb
ZP－L(sαsγ －cαsβcγ)
分析该机构特点，得Xa≡L， Yb≡L， Zc≡L，可建立该机构的位姿约束方程：
XP－Lsβ－L = 0
YP－L(sαcγ +cαsβsγ) －L= 0
(6)
ZP－L(cαsγ ＋sαsβcγ) －L= 0
A3
s
3
0
c 3 0
0
0
0
1
0
0
1 00 0 1 0
0
0
0
1
0
0

系{B}的位姿来表示,如图所示。
手部的位姿可用(4×4)矩阵 表示为：
nx ox ax px [ n o a p ]= ny oy ay py
nz oz az pz 0 001
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例2-3 图表示手部抓握物体 Q ,物体为边长2个单位的 正立方体,写出表达该手部位姿的矩阵式。
解
因为物体 Q 形心与手部坐标系 O ′X ′Y′ Z′的坐标原点 O ′相重合,所 以手部位置的(4×1)列阵为
定坐标系中的位置可用A1和A2的乘积来表示：T2 =A1A2。 若A3矩阵表示第三个连杆坐标系相对于第二个连杆坐标系
的位置，则有：T3=A1A2A3。如此类推，对于六连杆机器人，有 下列T6矩阵：T6=A1A2A3A4A5A6 。
cθn -sθncαn sθnsαn ancθn
= sθn cθncαn -cθnsαn ansθn
0
sαn
cαn
dn
0
0
0 1 精选PPT课件
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2.4 工业机器人运动学方程
一 机器人运动学方程
通常把描述坐标系与下一个连杆间的相对关系的齐次变换
矩阵叫做A变换矩阵或A矩阵。如果A1矩阵表示第一个连杆坐 标系相对于固定的坐标系的位置，A2矩阵表示第二个连杆坐标 系相对第一连杆坐标系的位置，那么第二个连杆坐标系 在固
解
XB的方向列阵: n=[cos30°cos60°cos90°0] T
=[0.866 0.500 0.000 0] T
YB的方向列阵: o=[cos120°cos30°cos90°0] T
=[-0.500 0.866 0.000 0] T
ZB的方向列阵: a =[0.000 0.000 1.000 0] T