第二章_工业机器人运动学

第二章机器人基础知识2.3工业机器人运动学(一)【内容提要】本课主要学习工业机器人技术的运动学基础知识，涉及机器人正逆运动学的概念、平面二连杆机器人的运动学、以及机器人一般运动学的数学基础（位姿描述、齐次变换及运算）。

知识要点：✓机器人正逆运动学概念✓平面二连杆机器人的正逆运动学✓机器人的位姿描述✓齐次变换及运算重点：✓掌握机器人正逆运动学概念✓掌握平面二连杆机器人的正逆运动学✓理解机器人的位姿描述和齐次变换✓掌握齐次变换及运算难点：✓机器人的位姿描述、齐次变换及运算关键字：✓机器人正逆运动学、平面二连杆机器人、位姿描述、齐次变换及运算【本课内容相关资料】2.3机器人运动学从机构学的角度看，机器人可以看成开式运动链结构，由一系列连杆通转动或移动关节串联而成。

机器人运动学研究的是机器人各关节运动的几何关系，具体而言是各连杆之间的位移关系、速度关系和加速度关系。

本节仅研究位移关系，重点是研究手部相对于机座的位姿与各连杆之间的相互关系。

“位姿”是“位置和姿态”的简称。

工业机器人手部相对于机座的位姿与工业机器人各连杆之间的相互关系直接相关。

为了便于数学上的分析，一般将连杆和关节按空间顺序进行编号。

同时，选定一个与机座固联的坐标系，称为固定坐标系，并为每一个连杆（包括手部）选定一个与之固联的坐标系，称为连杆坐标系。

一般把机座也视为一个连杆，即零号连杆。

这样，连杆之间的相互关系可以用连杆坐标系之间的相互关系来描述。

工业机器人手部相对机座的位姿就是固联在手部的坐标系相对固定坐标系的位姿。

这样，就可以将“手部相对于机座的位姿”这样一个物理问题转化为一个数学问题，即，得到了工业机器人的运动学数学模型，便于用计算机进行分析计算。

工业机器人运动学主要包括正向运动学和反向运动学两类问题。

正向运动学是在已知各个关节变量的前提下，解决如何建立工业机器人运动学方程，以及如何求解手部相对固定坐标系位姿的问题。

反向运动学则是在已知手部要到达目标位姿的前提下，解决如何求出关节变量的问题。

工业机器人运动学与动力学研究随着科技的不断进步，机器人已经不再是科幻电影中的特效，而是成为现实生活中不可或缺的一部分。

机器人技术在各个领域的应用也越来越广泛，其中最重要的之一便是工业机器人。

工业机器人的出现，不仅可以减少人力成本，提高生产效率，同时也能增加生产安全性。

但是，工业机器人的研究要涉及到运动学和动力学两个方面。

一、工业机器人运动学工业机器人的运动学研究主要是研究它的运动轨迹、运动状态和运动控制等方面。

工业机器人的运动学研究主要涉及以下三个方面：1. 运动规划运动规划是工业机器人控制系统设计和开发中重要的一步，其目的是规划机器人端执行器的运动控制路径。

运动规划分为离线规划和在线规划两种类型，离线规划是事先规划好机器人要执行的动作，然后将规划好的路线保存在计算机中，机器人执行时直接调用保存的路线；而在线规划则是在机器人运动过程中不断地对路线进行优化和改进，以达到更加精准的控制。

2. 运动学分析机器人的运动学分析主要研究的是机器人的动作轨迹和基于轨迹控制。

通过动作模型的建立和动作轨迹的分析，可以更好地实现机器人的运动控制，提高运动精度和稳定性。

3. 运动仿真运动仿真是利用计算机对机器人运动学特性进行模拟和分析的过程。

通过建立合理的仿真模型和仿真环境，可以更加有效地进行机器人运动的规划和控制设计，提高生产效率和效益。

二、工业机器人动力学另外一个重要的机器人研究方向则是动力学，也就是研究机器人的力学与动力学性质，以便更好地掌握机器人的运动规律和性能。

工业机器人动力学研究的过程主要包含以下三个方面：1. 机器人控制机器人控制是通过对机器人运动规律的研究和掌握，确定机器人运动状态的过程。

机器人控制的目的就是控制机器人输出的力或扭矩等物理变量，以达到精准控制机器人运动的目的。

2. 动力学分析机器人的动力学分析是研究机器人手臂运动过程中力和运动状态之间关系的过程。

通过建立机器人动力学模型，可以更准确地预测运动状态和力学响应，并对机器人进行优化设计和仿真计算。

教案(章、节备课)教案(课时备课)第3次课２学时图2.1 空间任一点的坐标表示课目、课题第一节 位姿描述１、 齐次坐标2。

动系的位姿表示教学目的和要求掌握齐次坐标及动系位姿表示重点 难点重点: 齐次坐标和动系位姿表示 难点:动系位姿表示教学进程(含课堂教学内容、教学方法、辅助手段、师生互动、时间分配、板书设计)一、复习 二、讲授新课2、1 位姿描述２。

1。

1 齐次坐标一、空间任意点的坐标表示 在选定的直角坐标系{A ｝中,空间任一点Ｐ的位置能够用3 ⨯ 1的位置矢量A P 表示,其左上标表示选定的坐标系｛A ｝,此时AP =［P X ＰY P Ｚ］Ｔ式中:P X 、P Y 、P Ｚ是点P 在坐标系｛A ｝中的 三个位置坐标分量,如图2、1所示。

二、齐次坐标表示将一个n 维空间的点用n + 1维坐标表示,则该n + 1维坐标即为n 维坐标的齐次坐标。

一般情况下ｗ称为该齐次坐标中的比例因子,当取ｗ = 1时,其表示方法称为齐次坐标的规格化形式,即 Ｐ ＝ ［P X ＰY P Z １]T三、坐标轴的方向表示i 、ｊ、k 分别表示直角坐标系中X 、Ｙ、Z 坐标轴的单位矢量,用齐次坐标表示之,则有X = [1 ０ 0 0 ］ＴＹ ＝ [0 1 ０ ０]TZ ＝ ［0 0 1 0］Ｔ由上述可知,若规定:4 ⨯ 1列阵[ａ b c w ]T 中第四个元素为零,且满足a ２+ ｂ2 + c 2 ＝ 1,则［a b ｃ ０］Ｔ中a 、b 、c 的表示某轴的方向; 4 ⨯ 1列阵［a b c ｗ]T 中第四个元素不为零,则[a b c ｗ]T 表示空间某点的位置。

四、矢量的方向表示图2。

2中所示的矢量ｕ的方向用4 ⨯ １列阵可表达为:ｕ = ［a b ｃ ０］Ｔ图2.2坐标轴及矢量的方向表示图2.4 连杆的位姿表示a ＝ cos α,b ＝c ｏs β,ｃ = cos γ图2。

2中所示的矢量u 的起点O 为坐标原点,用４ ⨯ 1列阵可表达为:O = ［0 0 ０ 1]T例２。

工业机器人运动原理讲解【原创版】目录1.工业机器人的定义与分类2.工业机器人的结构与功能3.工业机器人的运动原理4.工业机器人的运动轴与运动路径5.工业机器人的示教与再现6.工业机器人的应用场景正文一、工业机器人的定义与分类工业机器人，顾名思义，是指在工业生产领域中应用的机器人。

它们主要负责执行各种重复性、危险或高强度的工作，以替代人力。

根据其功能和用途，工业机器人可以分为多种类型，如臂式机器人、轮式机器人、单轴机器人等。

二、工业机器人的结构与功能工业机器人通常由以下几个部分组成：身体结构、肌肉系统、感官系统、能量源和大脑系统。

其中，身体结构是机器人的基础，承担着支撑和运动等功能；肌肉系统负责机器人的运动和姿态调整；感官系统用于接收周围环境的信息，如触摸、视觉、听觉等；能量源为机器人的各项功能提供能量；大脑系统则是机器人的核心，负责处理感官信息和指挥肌肉运动。

三、工业机器人的运动原理工业机器人的运动原理主要基于空间几何和运动学原理。

机器人的运动轴通常分为 X、Y、Z 三轴，分别对应三个相互垂直的方向。

通过改变各轴的坐标值，机器人可以在三维空间中实现任意位置的移动和姿态的调整。

此外，机器人还可以通过旋转关节实现复杂的运动轨迹。

四、工业机器人的运动轴与运动路径工业机器人的运动轴是指机器人手臂上的可移动关节。

常见的运动轴有六轴、四轴等，不同的运动轴组合可以形成不同的运动路径。

在工业生产中，机器人需要根据实际任务和工艺要求，沿着预定的运动路径准确地执行各个动作。

五、工业机器人的示教与再现示教也称导引，是指用户引导机器人完成特定任务的过程。

用户通过实际操作，逐步引导机器人完成各个动作，机器人在导引过程中自动记忆每个动作的位置、姿态、运动参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。

完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作。

六、工业机器人的应用场景工业机器人广泛应用于各种工业生产领域，如汽车制造、电子加工、金属加工、物流搬运等。

工业机器人第二章测试题1.机械手亦可称之为机器人YN2.示教编程用于示教一再现型机器人中YN3.机器人轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点的位移、速度和加速度。

YN4.关节型机器人主要由立柱、前臂和后臂组成。

YN5.到目前为止，机器人已发展到第四代YN6.工作范围是指机器人（）或手腕中心所能到达的点的集合机械手手臂末端手臂行走部分7.滚转能实现360。

无障碍旋转的关节运动，通常用（）来标记RWB1.8.手爪的主要功能是抓住工件、握持工件和（）工件固定定位释放触摸9.机器人的控制方式分为点位控制和（）点对点控制点到点控制连续轨迹控制任意位置控制10.动力学的研究内容是将机器人的联系起来运动与控制传感器与控制结构与运动传感系统与运动11.下面哪个国家被称为“机器人王国”？中国英文日本美国12.为了确保安全，用示教编程器手动运行机器人时，机器人的最高速度限制为（B）o50mm∕s250mm∕s800mm∕s1600mm∕s13.正常联动生产时，机器人示教编程器上安全模式不应该打到（C）位置上。

操作模式编辑模式管理模式14.机器人三原则是由（）提出的。

森政弘约瑟夫.英格伯格托莫维奇阿西莫夫15.当代机器人大军中最主要的机器人为（）工业机器人军用机器人服务机器人特种机器人16.手部的位姿是由（）构成的。

位置与速度姿态与位置位置与运行状态姿态与速度17.机器人轨迹控制过程需要通过求解（）获得各个关节角的位置控制系统的设定值。

运动学正问题运动学逆问题动力学正问题动力学逆问题18.机器人的驱动方式主要有（）、（）和（）三种。

（答案：液压驱动气压驱动电气驱动）19.按几何结构分划分机器人分为（）和（）。

（答案：串联机器人并联机器人）20.机器人的三种动作模式分为：（）、（）、（）°（答案：示教模式再现模式远程模式）21.工业机器人主要由（），（），（）组成22.工业机器人的运动控制主要是实现（）和（）两种（答案：点位运动连续路径运动）23.（）是机器人的技术指标，反映了机器人的灵活性。

第二章工业机器人的机械结构和运动控制章节目录工业机器人的系统组成操作机控制器示教器工业机器人的技术指标学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习工业机器人的运动控制机器人运动学问题机器人的点位运动…机器人的位置控制课前回顾何为工业机器人？工业机器人具有几个显著特点，分别是什么？工业机器人的常见分类有哪些，简述其行业应用。

学习目标认知目标*熟悉工业机器人的常见技术指标*掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能*了解工业机器人的运动控制能力目标*能够正确识别工业机器人的基本组成*能够正确判别工业机器人的点位运动和连续路径运动导入案例国产机器人竞争力缺失关键技术是瓶颈众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。

虽然中国机器人产业经过 30 年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。

整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件——伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系统集成商（国内 95% 的企业都集中在这个环节上）三个层面。

课堂认知工业机器人的系统组成第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。

对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。

工业机器人系统组成操作机操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。

它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成。

关节型机器人操作机基本构造机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。

(1) 机械臂关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。

实质上是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由关节 - 连杆结构所构成的机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。