第4章 工业机器人运动轨迹规划

《工业机器人技术》课程教学大纲课程名称：工业机器人技术英文名称：Industry Robot Technology课程编码：学时/学分：18/1课程性质：选修适用专业：机械设计制造及其自动化先修课程：理论力学，机械原理，机械设计，液压传动，自动控制理论一、课程的目的与任务《工业机器人技术》是一门培养学生具有机器人设计和使用方面基础知识的专业选修课，本课程主要研究机器人的结构设计与基本理论。

通过本课程的学习，可使学生掌握工业机器人基本概念、机器人运动学理论、工业机器人机械系统设计、工业机器人控制等方面的知识。

其主要任务是培养学生：1、掌握工业机器人运动系统设计方法，具有进行总体设计的能力；2、掌握工业机器人整体性能、主要部件性能的分析方法；3、掌握工业机器人常用的控制理论与方法，具有进行工业机器人控制系统设计的能力；4、了解工业机器人的新理论，新方法及发展趋向。

二、教学内容及基本要求第一章绪论教学目的和要求：了解工业机器人的发展及现状，结构原理及应用情况。

教学重点和难点：介绍工业机器人的产生和发展过程，掌握机器人的概念、特点、工业机器人的基本分类、工业机器人的应用、工业机器人的组成以及主要性能参数，工业机器人的手部、腕部、臂部、机座的结构原理和实例。

教学方法与手段：课堂教学第一节机器人的分类第二节工业机器人的应用和发展1.2.1 工业机器人的应用1.2.2 工业机器人的发展第三节工业机器人的基本组成及技术参数1.3.1 工业机器人的基本组成1.3.2 工业机器人的技术参数1.3.3 工业机器人的坐标1.3.4 工业机器人的参考坐标系习题第二章工业机器人机构教学目的和要求：本部分介绍常用机器人机构，要求学生掌握常用机器人机构设计形式。

教学重点和难点：主要介绍机器人末端操作器、手腕、手臂及机器人驱动与传动形式。

教学方法与手段：课堂教学第一节机器人末端操作器2.1.1 夹钳式取料手2.1.2 吸附式取料手2.1.3 专用操作器及转换器2.1.4 仿生多指灵巧手2.1.5 其它手第二节机器人手腕2.2.1 手腕的分类2.2.2 手腕的典型结构2.2.3 柔顺手腕结构第三节机器人手臂第四节机器人机座2.4.1 固定式机器人2.4.2 移动式机器人第五节工业机器人的驱动与传动2.5.1 直线驱动机构2.5.2 旋转驱动机构2.5.3 直线驱动和旋转驱动的选用和制动2.5.4 工业机器人的传动2.5.5 新型的驱动方式2.5.6 驱动传动方式的应用习题第三章机器人运动学教学目的和要求：机器人运动学主要研究两个问题：一个是运动学问题，即给定机器人手臂、腕部等各个构件的几何参数及各个关节变量求机器人手部对参考坐标系的位置和姿态；介绍机器人的微移动和微转动概念、两坐标系间的微分运动关系、变换式（方程）中的微分关系、机器人雅可比矩阵的概念、求法——微分变换法；了解逆雅可比矩阵的概念和求解。

工业机器人运动学的展望
未来工业机器人运动学将与人工智能、机器视觉等技 术进一步融合，实现更智能化的运动控制和决策。
输入 标题
应用拓展
随着技术的进步，工业机器人运动学的应用领域将进 一步拓展，如微纳操作、深海/空间探索等高精度、高 可靠性要求的领域。
技术融合
理论深化
随着工业机器人运动学的不断发展，对相关领域的人 才需求将进一步增加，未来将需要更多的专业人才进
运动学逆问题
定义
给定机器人末端执行器的 位置和姿态，求解实现该 位置和姿态所需的关节角 度。
计算方法
通过逆向运动学模型，将 末端执行器的笛卡尔坐标 代入机器人结构参数方程， 反解出关节角度。
应用
根据目标位置和姿态，规 划机器人的关节运动轨迹， 实现精确控制。
雅可比矩阵
定义
描述机器人末端执行器速度与关节速 度之间关系的线性映射矩阵。
03 工业机器人运动学原理
运动学正问题
01
02
03
定义
给定机器人的关节角度， 求解机器人末端执行器的 位置和姿态。
计算方法
通过正向运动学模型，将 关节角度代入机器人结构 参数方程，求解末端执行 器的笛卡尔坐标。
应用
根据已知的关节角度，预 测或验证机器人的末端位 置和姿态，为机器人控制 提供基础。
基于运动学的轨迹规划
轨迹规划
基于运动学的轨迹规划是工业机器人运动学优化与控制的 重要环节，它涉及到机器人在空间中运动的路径和速度的 规划。
路径规划
路径规划是轨迹规划的基础，它通过寻找起点和终点之间 的最优路径，确保机器人在移动过程中能够安全、高效地 完成任务。
速度规划
速度规划是在路径规划的基础上，对机器人在各个运动阶 段的速度进行优化，以达到最佳的运动效果和效率。

六轴工业机器人设计与轨迹规划方法研 究
01 引言
03 轨迹规划
目录
02 设计 04 方法研究
引言
六轴工业机器人是一种常见的自动化设备，广泛应用于制造业、医疗保健、服 务业等多个领域。它具有高精度、高速度和高效率等特点，能够完成各种复杂 任务。本次演示将探讨六轴工业机器人的设计与轨迹规划方法，旨在为机器人 的优化设计和应用提供理论支持和实践指导。
在具体应用中，可以根据实际需求选择合适的方法。例如，在需要高精度轨迹 规划的场景中，可以采用提高机器人精度的方法；在需要适应多种环境因素的 场景中，可以考虑采用考虑环境因素的方法；在需要实现精细控制的场景中， 可以选择多层次控制方法。
结论六轴工业机器人的设计与轨迹规划方法在自动化制造和服务等领域具有广 泛的应用前景。本次演示对六轴工业机器人的设计与轨迹规划方法进行了研究， 总结了设计方法和轨迹规划方法的关键要素，同时探讨了解决轨迹规划中常见 问题的方法。通过这些方法的研究和应用，可以提高机器人的轨迹规划精度和 实用性，进一步拓展其应用领域。
4、多层次控制：采用多层次控制策略，包括关节层控制、轨迹规划层控制和 任务层控制，以实现更加精细的轨迹规划。
3、总结所述方法的特点和应用
上述方法各有特点和应用范围。提高机器人精度可以提高轨迹规划的准确性， 但可能增加制造成本；优化控制算法可以提高轨迹规划的精度，但可能需要更 高级的技术支持；考虑环境因素可以使轨迹规划更加实用，但可能增加规划的 复杂性；多层次控制可以提供更加灵活和精细的控制，但可能增加控制系统的 复杂性。
2、探讨针对这些问题的方法
针对上述问题，可以采取以下方法进行解决：
1、提高机器人精度：采用高精度关节和连杆组件，减小机器人本身的误差；

工业机器人中的运动规划算法及实际应用案例分析工业机器人已经成为现代生产线的主要组成部分，它们能够以高效、准确和精确的方式完成各种任务。

机器人的运动规划是其中一个关键的技术，它决定了机器人如何在给定的环境中移动、定位和执行任务。

本文将介绍工业机器人中常用的运动规划算法，以及几个实际应用案例的分析。

一、运动规划算法概述1. RRT算法：Rapidly-exploring Random Tree（快速探索随机树）算法是一种常用的机器人运动规划算法。

它通过随机扩展树的方式，快速生成一棵树来表示机器人的运动空间。

RRT 算法广泛应用于机器人路径规划、避障和运动控制等领域。

2. A*算法：A*算法是一种启发式搜索算法，可用于机器人在环境中的路径规划。

该算法通过评估各个路径的启发式代价函数来选择最佳的路径。

A*算法在机器人导航、地图制图和自动驾驶等领域具有广泛的应用。

3. DWA算法：Dynamic Window Approach（动态窗口法）是一种用于机器人运动规划的实时算法。

DWA算法通过考虑机器人的动力学限制和环境的动态变化来生成高效、安全的轨迹。

该算法常用于机器人的导航、定位和运动控制等领域。

二、实际应用案例分析1. 自动化仓储系统：自动化仓储系统主要由工业机器人和仓库管理系统组成，用于实现货物的自动存储和检索。

在该系统中，机器人需要在仓库中准确地定位货物并执行搬运任务。

运动规划算法可以帮助机器人规划最佳的路径，减少运动时间，并确保机器人与其他设备和人员的安全距离。

通过应用运动规划算法，自动化仓储系统可以提高效率、降低成本，并实现自动化的物流操作。

2. 车辆生产线：在车辆生产线上，工业机器人通常用于自动焊接、喷涂和组装等工艺。

在执行这些任务时，机器人需要准确地控制其运动轨迹，并在与车辆和其他设备的接触中保持安全。

运动规划算法可以帮助机器人规划最佳的运动路径，确保焊接、喷涂和组装等工艺的准确性和一致性。

4.1.2 工业机器人的基本技术参数
工业机器人的设计与大多数机器设计过程相同，在进行工业机器人选型设 计之前，首先要对工业机器人的作业目的、功能需求、作业空间和生产条 件等做出规划，然后由机器人技术参数可选择机器人机械结构和坐标形式， 这度、作业范围、最大工作速度和承载能力等。
目前，由于工业机器人具有重复精度高、可靠性好、适用性强等优点，已广泛应用于汽车、 机械、电子、物流等行业，如在自动化生产线上的垛码机器人、包装机器人、转线机器人 等；在汽车生产线上的焊接机器人等。
One
4.1
工业机器人整体方案
工业机器人是应用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机械装置，能 够自动执行工作指令，靠自身动力和控制能力来实现预期功能的装置。它 既可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的指令程序运行，现代智能工 业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则和纲领作业，达到智能处理 作业的水平。
4.1.2 工业机器人的基本技术参数
（2）精度
工业机器人精度往往指的是定位精度与重复定位精度两个精度指标。
➢定位精度是指机器人末端执行器的实际位置与目标位置之间的偏 差，它是由于受机器人的机械误差、控制算法与系统分辨率等参 数影响产生。
➢重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一 命令下，机器人连续重复运动若干次，每一次的运动目标位置分 布情况，是一个关于位姿精度的统计数据。
机器人。运动耦合性强，控制较复杂，但运动灵活性最好，自身占据空间
最小。多关节型机器人的臂部有多个转动关节。
α
θ4
θ5
θ3
θ6
φ θ
示意图
θ2 θ1
EDUBOT-PUMA 560
4.1.3工业机器人的分类

第四章初识工业机器人的作业示教4.1 工业机器人示教的主要内容4.1.1 运动轨迹4.1.2 作业条件4.1.3 作业顺序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4.2 工业机器人的简单试教学与再现4.2.1 在线示教及其特点4.2.2 在线示教的基本步骤其特点4.3 工业机器人的离线编程技术4.3.1 离线编程及其特点4.3.2 离线编程系统的软件架构4.3.3 离线编程的基本步骤课前回顾如何选择机器人坐标系和运动轴？机器人点动与连续移动有何区别，分别适合在哪些场合运用？学习目标认知目标掌握工业机器人示教的主要内容熟悉机器人在线示教的特点与操作流程熟悉机器人离线编程的特点与操作流程掌握机器人示教 - 再现工作原理能力目标能够进行工业机器人简单作业在线示教与再现能够进行工业机器人离线作业示教与再现导入案例机器人职业前景分析对于机器人企业来说，他们需要的高端人才，至少应熟悉编程语言和仿真设计，以及神经网络、模糊控制等常用控制算法，能达到指导员工的程度。

在此基础上，能依据实际情况自主研究算法。

此外，最好还能主导大型机电一体化设备的研发，具备一定的管理能力。

而其余调试，操作员工的要求相应递减。

跟据职能划分，大概可分为四个工种： 1. 工程师助手，主要责任是协助工程师绘制机械图样、电气图样、简单工装夹具设计、制作工艺卡片、指导工人按照装配图进行组装；2. 机器人生产线试产员与操作员；3. 机器人总装与调试者；4.高端维修或售后服务人员。

课堂认知4.1 工业机器人示教的主要内容目前，企业引入的以第一代工业机器人为主，其基本工作原理是“示教 - 再现”。

“示教”也称导引，即由操作者直接或间接导引机器人，一步步按实际作业要求告知机器人应该完成的动作和作业的具体内容，机器人在导引过程中以程序的形式将其记忆下来，并存储在机器人控制装置内；“再现”则是通过存储内容的回放，机器人就能在一定精度范围内按照程序展现所示教的动作和赋予的作业内容程序是把机器人的作业内容用机器人语言加以描述的文件，用于保存示教操作中产生的示教数据和机器人指令。

机械行业工业技术与应用方案第一章概述 (2)1.1 工业技术发展历程 (2)1.2 工业应用现状及趋势 (3)第二章工业技术原理 (3)2.1 运动学原理 (4)2.2 动力学原理 (4)2.3 传感器与控制系统 (4)第三章工业硬件系统 (5)3.1 本体结构 (5)3.1.1 基座 (5)3.1.2 铰链 (5)3.1.3 关节 (6)3.1.4 机身 (6)3.2 驱动系统 (6)3.2.1 电动机 (6)3.2.2 伺服系统 (6)3.2.3 传动系统 (6)3.3 末端执行器 (6)3.3.1 夹爪 (6)3.3.2 电磁铁 (7)3.3.3 针筒 (7)3.3.4 刀具 (7)第四章工业软件系统 (7)4.1 控制系统软件 (7)4.2 编程语言 (7)4.3 视觉系统 (8)第五章工业感知与导航技术 (8)5.1 传感器技术 (8)5.2 导航技术 (9)5.3 感知与导航集成 (9)第六章工业应用领域 (9)6.1 制造业应用 (9)6.1.1 汽车制造业 (9)6.1.2 电子制造业 (10)6.1.3 食品制造业 (10)6.2 物流与仓储应用 (10)6.2.1 仓库搬运 (10)6.2.2 分拣与拣选 (10)6.2.3 货物配送 (10)6.3 医疗与康复应用 (10)6.3.1 手术辅助 (10)6.3.2 康复治疗 (10)6.3.3 诊断与检测 (10)第七章工业系统集成 (11)7.1 系统集成原理 (11)7.2 系统集成设计 (11)7.3 系统集成调试与优化 (12)第八章工业安全与可靠性 (12)8.1 安全规范与标准 (12)8.2 安全设计 (13)8.3 故障诊断与维护 (13)第九章工业行业解决方案 (14)9.1 汽车行业解决方案 (14)9.1.1 概述 (14)9.1.2 焊接解决方案 (14)9.1.3 涂装解决方案 (14)9.1.4 装配解决方案 (14)9.1.5 检测解决方案 (14)9.2 电子行业解决方案 (15)9.2.1 概述 (15)9.2.2 SMT贴片解决方案 (15)9.2.3 组装解决方案 (15)9.2.4 测试解决方案 (15)9.3 食品与药品行业解决方案 (15)9.3.1 概述 (15)9.3.2 包装解决方案 (15)9.3.3 检测解决方案 (16)9.3.4 生产线优化解决方案 (16)第十章工业发展趋势与展望 (16)10.1 技术发展趋势 (16)10.2 行业应用拓展 (16)10.3 市场前景预测 (16)第一章概述1.1 工业技术发展历程工业技术作为机械行业的重要组成部分，其发展历程可追溯至上世纪中叶。

机器人学及其智能控制第4章 机器人的控制 系统
一般地说，机器人控制问题分为下面两部分：(1)求得操 作机的动态模型；(2)利用这些模型确定控制规律或策赂，以 达到所需的系统响应和性能。
人
控制
I/O 设
系统
备
计算机硬件及软件
（任务规划，轨迹规划）
控制器
内部传感器 驱动器
外部传感器
操作机
2
环境
机器人控制时，要求操作机各关节按所规划的轨迹运动。
u(t)Kp e(t)T 1 i
t
e(t)dtu0
0
(4.4)
式中，T i 称为积分时间。图3.3所示为PI控制器对单位阶跃输入的阶跃响 应。
PI控制器对偏差的作用有两个部分：一个是按比例部分的成分， 另一个是带有累积的成分（即呈一定斜率变化的部分），这就是积 分控制部分的作用。只要偏差存在，积分将起作用，将偏差累计， 并对控制量产生影响，即偏差减小，直至偏差为零，积分作用才会 停止。因此，加入积分环节将有助于消除系统的静差，改善系统的 稳态性能。
驱动器
9
PID算法
PID 控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至今70 年 多年来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控 制的主要技术之一。单位反馈的PID 控制原理框图如图所示。
PID算法
PID（Proportional Integral Differential）控制是比例、积分、 微分控制的简称。在自动控制领域中，PID控制是历史最久、生命力最强的 基本控制方式。
而控制系统中的驱动器是由力矩指令驱动关节运动的。 ( t ) D ( q d ( t ) ) q d ( t ) h ( q d ( t ) , q d ( t ) ) G ( q d ( t ) )

工业机器人的最优时间与最优能量轨迹规划摘要：在我国工业不断迈进现代化工业的过程中，对实际的工业机器人的使用频率越来越高，重要。

做好机器人的最优时间轨迹规划是实现机器人最优控制能够最大程度提高机器人的操作速度，降低实际的操作运行时间，进而达到提高机器人的工作效率的目的。

本篇文章主要分析了工业机器人的时间最优轨迹规划问题，并且根据其提出了相应的规划内容。

关键词：工业机器人；最优时间；最优能量轨迹规划最优轨迹规划是工业机器人最优控制问题之一，所谓的规划任务即是依据给定路径点加以规划，并且通过这些点并满足边界约束条件的光滑的最优运动轨迹。

轨迹规划的目的主要是为了最大化操作速度从而最小化机器人总的动作时间，而能量最优也是工业应用中极为重要的性能指标，对工业的发展起到了不可或缺的作用。

一、机器人基本内容简析（一）涵义分析对于机器人的涵义而言，其是不固定的，在科学技术的不断进步下，机器人的涵义也在产生改变，其内容也就变得更加丰富。

当今情况下，代表性比较强的便是：机器人是一种智能性、移动性、自动性、智能通用性特征的机器，在此基础上，森政弘提出了机器人又是具有作业性、信息性、有限性、半人半机械性的机器。

而还有另一种的机器人定义为：机器人应具备平衡觉和固有觉的传感器；机器人应具备接触传感器和非接触传感器同时机器人是一个具备手、脚和脑三个要素的个体。

（二）机器人规划的产生对于机器人轨迹规划的产生最早则是在20世纪60年代。

所谓的机器人规划为机器人根据系统发布的任务，找到能够解决这一任务方案的实际过程。

系统任务属于广义上概念，既能够表示机器人的某个具体动作，例如：脚、膝关节的动作，还能够表示机器人需要解决的实际具体任务。

而实施轨迹规划则是为了让机器人能够更好的完成相应的预定动作，详细的讲为：轨迹规划就是根据机器人需要完成的任务，对完成这个任务时机器人的每个关节需要移动的速度、加速度、位移及这些数据与时间的关系进行设定。

动学 分析。 在分析过程中 ， 分解了 机器人的位姿 ， 井分别用关节 角 度来表示， 以关节 的角 度为中间量求解运动学方程 ， 避免了 大量矩阵的求逆的运动学计 算， 求解过程简 单方便 ， 大大提高了 计算的速度 ， 对于机器 人 的实时在线控制， 具有较大的实用 价值。 关键词 ： 机器 人运 动学 分析 末端夹持器 轨迹规划 中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ４ － ０ ９ ８ Ｘ（ ２ ｏ １ ３ ） ０ ４ （ ａ ） － ０ ０ ７ ０ － ０ １
的位移 也 相 同， 那 么该 运 动至 少要 使 末端 移 以 及 在 夹 持 过 程 中会 有 障 碍 物 动 ２（ 型末端的， 可实 现 可靠 的 夹 持 ， 对 瓶 装 类物 承 载 能 力 ， —Ｓ 。 ） ， 即末 端总 位移 量 ＞２ （ Ｓ ， 要 保证 机 械 臂 不与 其 发生 碰 撞 。 由于 体； （ ３ ） 针 对 其 机 器人 的结 构特 点 ， 将 位 姿 问题 ， ｓ ｏ ） ： 当 ２（ 一Ｓ ｏ ） 时， 我们可 以通 进行分解 ， 避 开 的 是 建 立 连 杆 方 式 矩 阵 的 在各 个 位 置处 ， 大 臂不发 生碰 撞 的 角度 是不 过令 末端 位移在 加 速段 中令 Ｖ ， ＝ ０ 。
学 等 等 多个 学 科 形 成 的 高 新技 术 ， 是 现 今 系。 机 器人 的运 动。 学是 专 门研 究 物 体 的运 么 曲线 上 所保 持 的 位姿 序 列 就 构 成 了一 条 它 涉 及 到正 运 动 学 与 逆 运 动 学 问 路径 。 研 究相 当活 跃 ， 应 用 日益广 泛 的前 沿领 域 。 动规 律 ， 与 轨迹 不 同的 是 ， 轨 迹 则与 何 时 到 达 机 器人 的应 用 情况 ， 是 一 个 国家 工业 自动化 题 。 本 章 以 末 端 坐标 与各 关节 角 。 转 化 为 基 路径 中的 每 个部 分有 关 ， 即轨 迹 强调 了时 间 根 据 搬 运 机 器人 的 动 作 特 点 来 进 行 运 性 。 水 平 的重要 标 志 。 机 器人并 不是 简单 意 义 础 ， 因此 ， 不论机 器人 何 时 到达 Ｂ 点， 其 路 径 设 计 过 程 以 纸 箱 侧 板 作 为 障碍 都 会 是 一 样 的 ； 而 轨 迹 则 依 赖 于 速 度 和 加 上 的 代替人 工 的 劳 动 ， 是 综 合了 人 特 长和 机 动 学 分 析 。 使 末端 夹 持 器到达 纸 箱 内四个 极限 位 置 速 度 。如 果 机 器人 抵 达 Ｂ点 的 时 间 不 同 ， 则 器 特长 的 一种 拟 人 电子 机 械装 置 ， 既有 人对 物 ， 环 境 状 态 的 分 析 判 断 和 快 速 反 应 能 力， 又 （ 最远上、 最 远 下、 最 近 上、 最 近下 ） 作为 约 相 应 的 轨 迹会 有所 不 同 ； 即 使 时 间相 同 ， 而 有 机 器可长 时 持续 工作 、 精确度高、 抗 恶 劣 束 ， 进 行尺 寸优 化 设 计 ； 为 使 机 器人 结 构 紧 运 动 过 程 中的 速 度 、 加 速 度 不 同， 轨 迹 亦 有 且 受 力状 况 良好， 在 保 证 机 器人 末 端 可 所 差 异 。因而 ， 作 为 轨 迹 规 划 的 必要 基 础 ， 环 境 的能 力， 从 某 种 意 义上说 也是 机 器发 展 凑 ，

工业机器人的结构多为串接的连杆形式，其动态特性具有高度的非线性。但在控制 系统设计中，通常把机器人的每个关节当作一个独立的伺服机构来考虑。因此，工业机 器人系统就变成了一个由多关节串联组成的各自独立又协同操作的线性系统。
多关节位置控制是指考虑各关节之间的相互影响而对每一个关节分别设计的控制器。 但是若多个关节同时运动，则各个运动关节之间的力或力矩会产生相互作用，因而又不 能运用单个关节的位置控制原理。要克服这种多关节之间的相互作用，必须添加补偿， 即在多关节控制器中，机器人的机械惯性影响常常被作为前馈项考虑。
（6） 打印机接口。打印机接口用于打印记录需要输出的各种信息。 （7） 传感器接口。传感器接口用于信息的自动检测，实现机器人的柔顺 控制等。一般为力觉、触觉和视觉传感器。
（8） 轴控制器。用于完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 （9） 辅助设备控制。用于控制机器人的各种辅助设备，如手爪变位器等。 （10） 通信接口。用于实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接 口、并行接口等。
总之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学密切相关的、 紧耦合的、非线性的多变量控制系统。
4.1.2 工业机器人控制系统的功能
(1)示教-再现功能。机器人控制系统可实现离线编程、在线示教及间接示教等 功能，在线示教又包括通过示教器进行示教和导引示教两种情况。在示教过程中， 可存储作业顺序、运动方式、运动路径和速度及与生产工艺有关的信息。在再现过 程中，能控制机器人按照示教的加工信息自动执行特定的作业。
4.1.4 工业机器人控制系统的组成
工业机器人控制系统的组成，主要包括： （1） 控制计算机。它是控制系统的调度指挥机构，一般为微型机和可 编程逻辑控制器（PLC）。 （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。 （3） 操作面板。操作面板由各种操作按键和状态指示灯构成，能够完 成基本功能操作。 （4） 磁盘存储。存储工作程序中的各种信息数据。 （5） 数字量和模拟量输入/输出。数字量和模拟量输入/输出是指各种状 态和控制命令的输入或输出。

工业机器人动作规划算法实验报告一、实验目的随着工业自动化的不断发展，工业机器人在生产线上的应用越来越广泛。

为了提高工业机器人的工作效率和精度，需要对其动作规划算法进行深入研究和优化。

本次实验的目的是通过对不同动作规划算法的比较和分析，找到一种适合工业机器人的高效、精确的动作规划算法，并对其性能进行评估。

二、实验设备和环境（一）实验设备1、工业机器人本体：选用了_____品牌的六自由度工业机器人，型号为_____。

2、控制器：采用了与机器人本体配套的控制器，型号为_____。

3、传感器：包括位置传感器、力传感器等，用于获取机器人的运动状态和环境信息。

4、计算机：用于运行机器人控制软件和算法程序，配置为_____。

（二）实验环境1、实验场地：在一个面积为_____平方米的实验室中进行实验，场地内配备了必要的安全防护设施。

2、工作对象：选择了一些常见的工业零部件，如螺栓、螺母、齿轮等，作为机器人的操作对象。

三、实验原理和算法（一）动作规划原理工业机器人的动作规划是指根据给定的任务目标和约束条件，确定机器人从初始状态到目标状态的运动路径和动作序列。

动作规划需要考虑机器人的运动学和动力学特性、工作空间的限制、避障要求以及任务的时间和精度要求等因素。

（二）常见动作规划算法1、基于路径点的规划算法这种算法通过预先设定一系列的路径点，然后让机器人依次经过这些路径点来完成任务。

路径点的确定通常需要人工干预，算法的灵活性较差，但计算简单，适用于一些简单的任务。

2、基于样条曲线的规划算法利用样条曲线来描述机器人的运动轨迹，如三次样条曲线、五次样条曲线等。

这种算法可以生成平滑的运动轨迹，提高机器人的运动精度和稳定性，但计算复杂度较高。

3、基于人工势场法的规划算法将机器人的工作空间视为一个势场，目标点产生吸引力，障碍物产生排斥力，机器人在势场的作用下运动。

这种算法可以实现实时的避障规划，但容易陷入局部最优解。

4、基于随机采样的规划算法通过在工作空间中随机采样生成大量的路径点，然后从中筛选出可行的路径。

工厂物流机器人的运动控制与轨迹规划技术分析随着工业自动化的快速发展，工厂物流机器人在现代制造和物流领域起着越来越重要的角色。

工厂物流机器人的运动控制与轨迹规划技术是实现机器人高效、准确、安全运动的关键。

一、工厂物流机器人的运动控制技术1. 传感器技术工厂物流机器人需要通过传感器获取工作环境的各种信息，包括障碍物、工件位置等。

常用的传感器包括激光传感器、视觉传感器、力传感器等。

这些传感器可以帮助机器人实时感知周围环境，并根据情况做出相应的运动控制决策。

2. 运动控制算法工厂物流机器人的运动控制算法需要根据任务需求，通过合适的路径规划和运动控制技术实现机器人的高效运动。

常用的运动控制技术包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。

这些算法可以根据机器人当前状态和环境信息，精确地控制机器人的速度、姿态和位置。

3. 电机控制技术工厂物流机器人通常配备多个电机来驱动不同的运动部件。

电机控制技术可以实现对电机速度、力矩和位置的精确控制。

常用的电机控制技术包括直流电机PWM控制、步进电机控制、伺服电机控制等。

这些技术可以确保机器人在运动过程中具备较高的稳定性和精确性。

二、工厂物流机器人的轨迹规划技术1. 路径规划算法工厂物流机器人的路径规划算法是为机器人在复杂的工作环境中找到一条最优或合适的路径。

常用的路径规划算法包括A*算法、Dijkstra算法、遗传算法等。

这些算法可以根据机器人的起始位置和目标位置，考虑障碍物避免、路径长度等因素，找到最合适的路径。

2. 环境建模与地图构建工厂物流机器人常常需要对工作环境进行建模，确定障碍物、工件位置等信息。

环境建模可以通过激光扫描、摄像头图像处理等技术获取环境信息，并构建地图。

利用这些地图信息，机器人可以更好地规划路径，避开障碍物。

3. 动态规划工厂物流机器人在实际工作中往往需要应对动态的工作环境变化，如移动的障碍物、其他机器人等。

动态规划技术可以帮助机器人及时调整路径，适应环境的变化。

工业机器人关节空间轨迹规划及优化研究综述一、本文概述随着工业自动化程度的不断提高，工业机器人得到了广泛应用，成为现代生产中不可或缺的设备。

作为机器人关键的一部分，关节空间轨迹规划和优化显得尤为重要。

本文将综述工业机器人关节空间轨迹规划及优化研究的最新进展。

在工业机器人的运动过程中，轨迹规划是一个至关重要的问题。

关节空间轨迹规划是指在关节位置空间内，给定起始和终止点的情况下，确定机器人的运动轨迹。

主要方法包括：基于经验规划的方法：工程师根据经验确定机器人的运动轨迹，但容易受到人为因素的影响。

基于数学建模的方法：将运动规划问题转化为数学问题，通过计算机程序运算，能较准确地计算轨迹，但需要较高的数学和编程能力。

基于优化的方法：通过优化算法提高机器人的运动效率和准确性，在预设目标函数下寻找最优解，适用于解决复杂问题。

本文将详细讨论这些方法的原理、应用和优缺点，并介绍工业机器人关节空间轨迹优化的相关研究，旨在为该领域的进一步研究提供参考和借鉴。

二、工业机器人关节空间轨迹规划基础工业机器人的轨迹规划是指在其运动过程中，确定机器人的运动轨迹，包括位移、速度和加速度等参数。

在关节空间中，轨迹规划的目标是给定起始和终止点的情况下，确定机器人各个关节的运动路径。

基于经验规划的方法：工程师根据经验确定机器人的运动轨迹，简单但容易受人为因素影响。

基于数学建模的方法：将运动规划问题转化为数学问题，通过计算机程序计算，准确但需要较高的数学和编程能力。

基于优化的方法：通过优化算法提高运动效率和准确性，适用于解决复杂的规划问题。

由于机器人的驱动装置功率限制，关节运动需要在速度和加速度上进行限制，通常需要将运动过程分割为若干小段，以保证运动平稳。

关节运动一般经历加速、匀速和减速的过程，速度随时间的变化关系称为速度曲线或速度轮廓。

梯形规划（Trapezoidal Profile）：运动过程分为加速、匀速和减速三个阶段，速度曲线呈梯形。

《6R工业机器人轨迹规划与控制研究》篇一一、引言随着现代工业自动化水平的不断提升，6R工业机器人在制造领域中的应用日益广泛。

作为能够进行多轴协同运动的重要工具，6R工业机器人能够实现复杂的工艺操作和高效的自动化生产。

其中，轨迹规划和控制系统作为机器人的核心技术，直接决定了其工作性能和效率。

本文旨在研究6R工业机器人的轨迹规划与控制方法，以期提升机器人的运动精度和效率。

二、6R工业机器人概述6R工业机器人是一种多关节机器人，具有六个可独立控制的旋转轴。

其运动灵活，能够适应各种复杂的作业环境。

在制造业中，6R工业机器人广泛应用于装配、焊接、喷涂、搬运等工艺流程中，具有极高的自动化和智能化水平。

三、轨迹规划研究轨迹规划是6R工业机器人控制的关键技术之一，其目的是根据机器人的工作任务和要求，规划出最优的路径和速度曲线。

轨迹规划的优劣直接影响到机器人的工作效率和精度。

（一）轨迹规划方法目前，常用的轨迹规划方法包括插值法和优化法。

插值法通过已知的起点和终点信息，利用插值函数生成中间路径；优化法则是在满足约束条件下，通过优化算法寻找最优路径。

在实际应用中，根据具体任务需求选择合适的轨迹规划方法。

（二）轨迹规划算法针对6R工业机器人，常用的轨迹规划算法包括多项式插值法、梯形速度规划法、S型曲线速度规划法等。

这些算法具有不同的特点和适用范围，需要根据具体任务要求进行选择。

例如，S型曲线速度规划法能够使机器人以平滑的速度变化进行运动，适用于对速度变化要求较高的任务。

四、控制策略研究控制策略是6R工业机器人实现精确运动的关键，直接影响到机器人的工作性能和效率。

（一）控制方法目前，常用的控制方法包括经典控制方法和现代控制方法。

经典控制方法如PID控制、模糊控制等，具有简单易实现的特点；现代控制方法如神经网络控制、自适应控制等，具有较高的控制精度和鲁棒性。

在实际应用中，根据具体需求选择合适的控制方法。

（二）控制器设计控制器是机器人的“大脑”，负责发出指令控制机器人的运动。

多关节机器人运动轨迹规划与控制随着科技的不断发展和人工智能领域的快速进步，多关节机器人成为了工业生产、医疗护理和服务领域中的重要角色。

多关节机器人的表现出色的运动能力和高度的灵活性，使其能够完成一系列复杂的任务，例如物料搬运、精密加工和协作操作等。

而要实现这些任务，就需要对机器人的运动轨迹进行规划和控制。

运动轨迹规划是指确定机器人在执行任务时所需移动的路径和关节角度，以达到目标位置或完成任务要求。

它是多关节机器人运动控制过程中的关键环节。

常见的运动轨迹规划技术包括插值方法、优化算法和路径规划等。

首先，插值方法是一种常用的规划技术，其基本思想是将连续时间域内的机器人轨迹近似离散化，通过插入适当的插补点来实现平滑运动。

最经典的插值方法包括线性插值、三次插值和样条插值等。

线性插值方法通过在目标位置之间直接连接来规划运动轨迹。

三次插值方法可以通过在目标位置之间建立三次多项式来实现平滑轨迹。

而样条插值方法则通过引入光滑、连续的曲线来保持轨迹运动的连贯性。

这些插值方法的选择可以根据具体应用的需求和机器人的运动特性来确定。

其次，优化算法是一种通过最小化成本函数来求解最优轨迹的方法。

成本函数可以根据轨迹的平滑性、速度和加速度等因素来进行设置，以提高机器人运动的稳定性和效果。

优化算法常用的方法有遗传算法、模拟退火算法和粒子群算法等。

这些算法通过迭代优化的方式，最终找到使成本函数最小的最优轨迹，从而实现精确的运动控制。

最后，路径规划是指确定机器人从起始位置到目标位置所需经过的路径。

路径规划可以分为离线规划和在线规划两种方法。

离线规划是指在机器人开始运动之前预先规划好整个路径，而在线规划是指在机器人运动过程中根据实时信息动态调整路径。

常用的路径规划算法有基于图搜索的A*算法和Dijkstra算法等。

这些算法通过在机器人的工作空间中建立网格地图或图结构，进行路径搜索和优化，以确定机器人的最佳路径。

除了运动轨迹规划外，控制机器人的运动也是实现任务的关键。

图4-72 示教第二个角点
图4-73 示教第三个角点
二、实践操作
• 2、工业机器人运动轨迹程序的创建 目标轨迹：安装在法兰盘上的工具MyTool在工件坐标workobject_1中沿着 对象边沿行走一圈，如图4-67所示。
⑦示教第四个角点。 ⑧拖动机器人到第一角 点，示教指令。 ⑨复制第一条指令作为最后 一条指令。
4-4 工业机器人工件坐标创建与轨迹程序
一、工作任务
• 1、工业机器人工件坐标的建立
• 2、工业机器人运动轨迹程序的创建
二、实践操作
• 1、工业机器人工件坐标的建立
工件坐标：是定义工件相对于大地坐标（或其他坐标）的位置。机器人可以 拥有若干工件坐标系，或者表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的 若干副本。
图4-74 示教第四个角点
图4-75 示教第一个角点
图4-76 复制第一条指令作为最后一条 指令
二、实践操作
• 2、工业机器人运动轨迹程序的创建 目标轨迹：安装在法兰盘上的工具MyTool在工件坐标workobject_1中沿着 对象边沿行走一圈，如图4-67所示。
⑩ 验证到达能力，目标点 全部绿色打勾都可到达。 ⑪“配置参数-自动配置” 完成关节轴自动配置。 ⑫“沿着路径运动”检查是 否能正常运行。
工件坐标的优点：
1）重新定位工作站中的工件时，只需要改工件坐标的位置，所有路径将即刻 随之更新。 2）允许操作以外轴或传送导轨移动的工件，因为整个工件可连同其路径一起 移动。 工件坐标的作用：对机器人进行编程时需要在工件坐标中创建目标和路径。
二、实践操作
• 1、工业机器人工件坐标的建立
“三点法”建立工件坐标，图4-60~图4-66。
①基本→其他→创建工具坐标。 ②选择方式：选择表面；捕 捉方式：捕捉末端，工件坐 标名称可修改。 ③取点创建框架→选择三点。