(完整版)工业机器人基础
《工业机器人技术基础》课程标准
《工业机器人技术基础》课程标准1. 课程性质和任务课程性质：《工业机器人技术基础》是工业机器人技术专业课程体系中的职业基础课程之一, 是一门多学科的综合性技术，它涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多学科的内容，是学生职业发展中第一门与工业机器人直接关联的基础课程。
是在科学分析确定学院办学定位、明确我院工业机器人技术专业发展方向的前提下，通过对工业机器人技术职业与职业岗位进行整体化的调研与分析形成的一门具有很强的综合性的专业基础课程。
课程任务：主要是引导学生通过对工业机器人本体的认知，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；掌握工业机器人整体性能、主要部件性能的分析方法：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汁的能力；了解工业机器人的新理论，新方法及发展趋向。
掌握工业机器人的一般知识和基本技能，培养学生专业能力及职业能力，为他们走上工业机器人生产第一线的工作岗位做好准备。
2. 学习领域描述工业机器人涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合-机电一体化技术，其集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，是工业自动化水平的最髙体现。
任何从事工业机器人相关岗位的员工，都有必要预先系统地了解掌握工业机器人的相关知识，包括工业机器人的分类、组成，结构，性能参数，控制技术，传感系统以及典型应用等等，才能够妥善的应对自身职业体系中可能出现的各种问题。
模拟企业新员工的认知流程，学生以小组或独立的工作方式，结合工业机器人认知实训设备, 对上述技术要点进行系统的接触、分析、了解和掌握。
3. 先修课程和后续课程先修课程：《电路与电工技术》、《机械制图与CAD》后续课程：《工业机器人拆装与维护》、《工业机器人离线编程》、《工业机器人操作与编程》4. 课程目标掌握工业机器人的工作原理和结构知识，掌握六自由度工业机器人的特点及苴相关参数知识，能使学生掌握机器人机构设汁、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论。
工业机器人基础知识
机器人的定义机器人的定义美国国家标准局（NBS ）的定义：“机器人是一种机器人是一种 能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。
国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。
”机器人具有以下特性：机器人具有以下特性：（1）一种机械电子装置；）一种机械电子装置；（2）动作具有类似于人或其他生物体的功能；）动作具有类似于人或其他生物体的功能；（3）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；（4）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。
）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。
机器人的分类机器人的分类按照日本工业机器人学会（JIRA ）的标准，可将机器人分为六类：）的标准，可将机器人分为六类：第一类：人工操作机器人。
由操作员操作的多自由度装置；第一类：人工操作机器人。
由操作员操作的多自由度装置；第二类：固定顺序机器人。
按预定的不变方法有步骤地依此执行任务的设备，按预定的不变方法有步骤地依此执行任务的设备，其执行顺序难其执行顺序难以修改；以修改；第三类：可变顺序机器人。
同第二类，但其顺序易于修改。
第三类：可变顺序机器人。
同第二类，但其顺序易于修改。
第四类：示教再现（playback ）机器人。
操作员引导机器人手动执行任务，记录下这些动作并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。
并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。
第五类：数控机器人。
操作员为机器人提供运动程序，并不是手动示教执行任务。
第五类：数控机器人。
操作员为机器人提供运动程序，并不是手动示教执行任务。
第六类：智能机器人。
机器人具有感知外部环境的能力，第六类：智能机器人。
工业机器人基础
2、控制分辨率
是指位置反馈回路能 检测到的最小位移量。
当编程分辨率与控制分辨率相等时， 系统性能达到最高。
2.2.5 工业机器人的精度
机器人的精度主要体现在定位精 度和重复定位精度两个方面。
定位精度
指机器人末端操作器的实际位置 与目标位置之间的偏差，由机械误差、 控制算法误差与系统分辨率等部分组 成。
轴
运动方式
六轴联动
沿 用户定义的X 轴方向运动 沿用户定义的Y 轴方向运动
沿用户定义的Z 轴方向运动
末端点位置不变， 机器人分别绕 X 、Y、Z 轴转动
2.3.3 TCP运动轨迹
TCP为加上工具后工具的末端点机器人的工作其实就是实现TCP点在空间中 完成预定或指定的运动轨迹TCP。 （工具控制点）固定功能: 除了关节坐标系外，在其他坐标系下都有TCP固定 功能，即在工具控制点位置保持不变的情况下，只改变工具的方向(姿态)。 在TCP固定功能下各轴的运动方式见下表。
图4-15工业机器人绝对坐标系
主运动轴 腕运动轴
表4-2 绝对坐标系下机器人的运动方式
轴
轴1 轴2 轴3 轴4 轴5 轴6
运动方式 沿 X 轴方向运动 沿 Y 轴方向运动 沿 Z 轴方向运动
未端点位置不变，机器人 分别绕 X 、Y、Z 轴转动
3. 世界坐标系 图4-16所示，世界坐标系默认与基坐标系重合，位于机器人底部，可通过 配置软件更 改。其运动方式见表4-30。
第一章 工业机器人基础
工作空间
工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时，其手腕参
考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能掠过的空间，一般不 包括末端操作器本身所能到达的区域。
目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5 m 左右。
任务1 工业机器人手动操作基础知识
工件不在工业机器人的工作区域，需设置curving thing的位置， 其操作方法为：鼠标右键单击curving thing，选择设定位置，如图411所示。在弹出的对话框中设置其合适位置，设定完毕后，点击应 用，再点击关闭。
注意：设定位置时，以大地坐标为参考坐标，坐标原点在机身 底座的中心，xyz方向以图箭头所指示。至此一个最小的工业机器 人仿真系统建立完成，如图所示。
表4-2 摇杆操作方向与机器人移动方向关系表
4.安全操作注意事项
（1）未经许可不能擅自进入机器人工作区域，机器人处于自动模式时，不允许 进入其运动所及区域；
（2）机器人运行中发生任何意外或运行不正常时，立即使用E-Stop键（急停按 钮），使机器人停止运行；
（3）在编程、测试和检修时，必须将机器人置于手动模式，并使机器人以低速 运行；
将MyTool安装到机器人手腕上，其操作方法为，在布局中的 MyTool上按住鼠标左键，向上拖到“IRB120_3_58_01”后松开左键， 弹出如图所示对话框，单击“是”。工具MyTool安装到机器人上效
果如图所示。将MyTool安装到机器人手腕上，其操作方法 也可采用，鼠标右键单击布局中的MyTool，选择“安装 到”“IRB120_3_58_01”。
②轻轻按下：机器人将处于电机开启状态。可以操作摇杆或按照指 令运动。
③用力按下：机器人将使电机失电，机器人又处于防护装置停止状 态。 这样发生危险时，人会本能的将使能器按钮松开或按紧，机器人则 会马上停止，保证安全。注意：自动模式下，使能器按钮不起作用。
（2）手动操作摇杆 操作摇杆的操纵幅度是与机器人的运动速度相关的。操纵幅度较小则机器人运动速度较慢。 操纵幅度较大则机器人运动速度较快。为了安全，手动模式应处于手动减速模式，这样机 器人只能以小于250mm/s的速度移动。操作时，操作人员应面向机器人站立，摇杆方向与 机器人移动方向关系见表。
工业机器人基础知识
1．工业机器人技术及关键基础部件（1）机器人关键基础部件定义、分类及市场占有率；机器人关键基础部件是指构成机器人传动系统，控制系统和人机交互系统，对机器人性能起到关键影响作用，并具有通用性和模块化的部件单元。
机器人关键基础部件主要分成以下三部分：高精度机器人减速机，高性能交直流伺服电机和驱动器，高性能机器人控制器等。
目前在高精度机器人减速机方面，市场份额的75%均两家日本减速机公司垄断，分别为提供RV摆线针轮减速机的日本Nabtesco和提供高性能谐波减速机的日本Harmonic Drive.包括 ABB, FANUC, KUKA,MOTOMAN在内国际主流机器人厂商的减速机均由以上两家公司提供，与国内机器人公司选择的通用机型有所不同的是，国际主流机器人厂商均与上述两家公司签订了战略合作关系，提供的产品大部分为在通用机型基础上根据各厂商的特殊要求进行改进后的专用型号。
国内在高精度摆线针轮减速机方面研究起步较晚，仅在部分院校，研究所有过相关研究。
目前尚无成熟产品应用于工业机器人。
近年来国内部分厂商和院校开始致力高精度摆线针轮减速机的国产化和产业化研究，如浙江恒丰泰，重庆大学机械传动国家重点实验室，天津减速机厂，秦川机床厂，大连铁道学院等。
在谐波减速机方面，国内已有可替代产品，如北京中技克美，北京谐波传动所，但是相应产品在输入转速，扭转高度，传动精度和效率方面与日本产品还存在不小的差距，在工业机器人上的成熟应用还刚刚起步。
在伺服电机和驱动方面，目前欧系机器人的驱动部分主要由伦茨，Lust，博世力士乐等公司提供，这些欧系电机及驱动部件过载能力，动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，但是价格昂贵。
而日系品牌工业机器人关键部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其价格相对降低，但是动态响应能力较差，开放性较差，且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。
国内近年来也开展了大功率交流永磁同步电机及驱动部分基础研究和产业化，如哈尔滨工业大学，北京和利时，广州数控等单位，并且具备了一点的生产能力，但是其动态性能，开放性和可靠性还需要更多的实际机器人项目应用进行验证。
《工业机器人基础》课程标准
《工业机器人基础》课程标准一、适用对象中等职业学校机器人应用与维护专业（三年制）学生。
二、适用专业机器人应用与维护专业三、课程性质本课程是机器人应用与维护专业的专业核心课。
本课程是依据中等职业学校机器人应用与维护专业人才培养目标和相关职业岗位（群）的能力要求而设置的，对本专业所面向的机器人安装调试员、机器人编程员等岗位群所需要的知识、技能和素质目标的达成起支撑作用。
在课程设置上，它是承上启下的核心课程，非常重要，前面课程有电工技术基础与应用、机械基础和低压电器控制与应用，后续课程有机器人操作与编程、机器人系统集成运维等。
四、课程目标总体目标本课程主要介绍、讲解工业机器人本体结构组成、主要部件的控制原理和性能、工业机器人整体性能、工业机器人技术的发展趋向等内容。
其中重点讲解工业机器人本体结构组成、主要部件的控制原理，通过课程的学习使学生掌握工业机器人的基础知识和基本技能、掌握工业机器人运动系统、控制系统的设计方法，能使用示教器操作工业机器人完成简单动作。
1.知识目标（1）了解机器人的产生与发展、组成与技术参数；（2）掌握机器人分类与应用，对各类机器人有较系统地完整认识；（3）了解工业机器人的组成与性能；（4）熟悉工业机器人本体的组成部分；（5）了解机器人控制系统的构成；（6）了解工业机器人的编程语言和编程特点；（7）熟悉工业机器人示教器的基本操作；（8）熟悉机器人基本的故障排除。
2.技能目标（1）理解能力；能够熟悉机器人本体，示教器和控制柜之间的关系；外部设备与机器人控制系统的关联；识读机械零部件装配图；（2）操作能力：规范使用工量具；能够使用拆装工具完成机器人本体的机械拆装；使用机器人示教器编辑机器人程序，并完成调试，实现机器人运动；（3）表达能力：能够表达出机器人系统组成部件、本体零件等专业名称；（4）逻辑能力：理解机器人系统的接线图；能够根据机器人的目标动作，完成基本程序的编辑，并了解程序中的含义。
工业机器人技术基础课件(最全)ppt课件
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。
《工业机器人技术基础》(第1章)
2．工业机器人的发展趋势
工业机器人 技术基础
第1章 工业机器人概述
目录
CONTENT
1.1 工业机器人的基础知识 1.2 工业机器人的基本组成与技术参数 1.3 工业机器人的典型应用
学习 目标
1 掌握工业机器人的定义及特点。 2 了解工业机器人的历史与发展。 3 掌握在不同分类方式下，工业机器人的结
构与特征。 4 掌握工业机器人的基本组成及技术参数。 5 了解工业机器人的典型应用。
1992年，瑞士ABB公司推出开放式控制系统——S4。S4旨在改善对用户至关重 要的两个领域——人机界面和机器人的技术性能。
1994年，Motoman公司（即现在的安川电机）推出的机器人控制系统 MRC，使同步控制两台机器人成为可能。MRC可以从普通PC编辑工业机 器人作业，且具有控制多达21个轴的能力。
4．涉及学科广泛
工业机器人技术实质上是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。
1.1.2 工业机器人的历史与发展趋势
1．工业机器人的历史
1）萌芽阶段（20世纪40—50年代） 1954年，美国发明家德沃尔对工业机器人的概念进行了定义，并申请了专利。 1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出世界第一台工业机
4）智能化阶段（21世纪初至今） 2011年，日本发那科公司的R-1000iA机器人利用LVC（学习减振装置）对机器人
运动轨迹加以优化，减小了振动，将动作周期缩短约20%，从而实现更高速的动作。 2018年，发那科公司与首选网络公司合作，首次将人工智能应用于其伺服调谐、
(完整版)机器人技术基础(课后习题答案)
0.1 简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特征。
答：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装置，通过可编程动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。
1.机器人的动作结构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能。
2.机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。
3.机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。
4.机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。
0.2工业机器人与数控机床有什么区别？答：1.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链；2.工业机器人一般具有多关节，数控机床一般无关节且均为直角坐标系统；3.工业机器人是用于工业中各种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。
4.机器人灵活性好，数控机床灵活性差。
0.5简述下面几个术语的含义：自有度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。
答：自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。
重复定位精度是关于精度的统计数据，指机器人重复到达某一确定位置准确的概率，是重复同一位置的范围，可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。
工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。
工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳定速度，也可以定义为手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。
承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
0.6什么叫冗余自由度机器人？答：从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。
0.7题0.7图所示为二自由度平面关节型机器人机械手，图中L1=2L2，关节的转角范围是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,画出该机械手的工作范围（画图时可以设L2=3cm）。
1.1 点矢量v 为]00.3000.2000.10[T ，相对参考系作如下齐次坐标变换：A=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000.9000.1000.0000.00.3000.0866.0500.00.11000.0500.0866.0 写出变换后点矢量v 的表达式，并说明是什么性质的变换，写出旋转算子Rot 及平移算子Trans 。
(完整版)工业机器人技术基础
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• (2)离线编程
离线编程可以脱离机器人，直接在计算机上使用 离线编程软件，编辑所需的轨迹程序。其优点是：效 率高，编程时可不用机器人，机器人可进行其他工作 ；可预先优化操作方案和运行周期时间；可用传感器 探测外部信息，从而使机器人做出相应的响应；控制 功能中可以包括现有的CAD和CAM的信息，可以使用仿 真软件预先模拟运行程序，从而不会出现危险；可以 利用CAD软件编辑复杂的轨迹程序。
但离线编程中所需要的能补偿机器人系统误差的 功能、坐标系数据仍难以得到；仿真软件并不能完全 仿真真实的工作环境，还需要到现场进行调试。
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3.1 示教编程
3.1.1 示教编程基础知识
（1） 机器人的运动方式
机器人的运动方式分为PTP方式和CP方式。 ➢ PTP方式为点到点方式（即机器人以全速从起始点运动
• 根据机器人不同的工作要求，主要有下面两种编程方法 ：
• (1)示教编程 示教编程是机器人最基本和最简单的编程方法，目
前，相当数量的机器人仍采用示教方式编程，机器人示 教后可以立即应用。顾名思义，就是我们通常所说的手 把手示教，由人直接通过示教盒控制机器人的手臂按照 我们所要求的轨迹运动， 其优点是：简单方便；不需要 环境模型；对实际的机器人进行示教时，可以修正机械 结构带来的误差。
再现操作盒 控制柜
示教编程器
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（3） 焊接系统
焊接系统是焊接机器人 完成作业的核心装备，主要 由焊枪、焊接控制器及水、 电、气等辅助部分组成。焊 接控制器是由微处理器及部 分外围接口芯片组成的控制 系统，它可根据预定的焊接 监控程序，完成焊接参数输 入、焊接程序控制及焊接系 统故障自诊断，并实现与本 地计算机及手控盒的通讯联 系。
(完整版)机器人基本结构
• 手腕：改变手部空间方向并将作业载荷传到手臂， 独立自由度；
• 手臂：将被抓取工件传送到给定位置，并将载荷 传递到机座；
• 机身：支撑作用，基础部分； • 移动机构：移动机器人，一定空间范围内运动， • 臂杆质量小，结构静，动态刚度高，固有频率避
控制系统
• 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程 序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人 的执行机构完成规定的运动和功能。若不具 备信息反馈特种，则为开环控制系统；具备 信息反馈特征则为闭环控制系统。根据控制 原理可分为程序控制系统，适应性控制系统， 人工智能控制系统；根据控制运动形式分为 点位控制和轨迹控制。
• 感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成， 获取内部和外部环境状态信息，确定机械部件各部 分的运行轨迹、状态、位置和速度等信息，使机械 部件各部分按预定程序和工作需要进行动作。智能 传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智 能化水平。人类感知系统对外部信息获取比较灵巧， 但一些特殊信息传感器感知更有效。
• 重复定位精度±0.2： • 不同速度、不同方位反复试
验次数越多重复定位精度评 价越准确；
工作范围
• 指手臂安装点或手腕中心所能达到的空间区 域，末端操作器形状尺寸多样，不考虑；
• 机器人工作范围的形状和大小非常 工作速度是指机器人在工作载荷条件下，匀速运 动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时 间内所移动的距离或转动的角度。
• 一般描述一个物体的位置和姿态需要六个自由 度；
• 机器人自由度是根据用途设计的，可多用六个 自由度，也可小于六个自由度。
• 三自由度机器人：底座水平转动，上臂弯曲， 肘弯曲；
• 自由度多通用性好，但结构复杂，矛盾。工业 机器人自由度选择与生产要求有关：批量生产 要求速度快、可靠性高，自由度可以少些；更 换产品，增加柔性，自由度可多。工业机器人 自由度一般4~6个，7个以上为冗余自由度，主 要增加避障。
工业机器人技术基础-第二章-机器人结构认识
任务二 工业机器人机械结构的认知
1.关节机器人的特点
1)有很高的自由度,适合于几乎任何轨迹或角度的工作。 2)可以自由编程,完成全自动化的工作。 3)提高了生产率,降低了可控制的错误率。 4)代替很多不适合人力完成、对身体健康有害的复杂工作。 5)价格高,初期投资成本高。 6)生产前期的工作量大。
3.图解法确定工作空间
图解法求工作空间边界,得到的往往是工作空间的各类剖面(或截线),如图1-2-11所 示。它直观性强,便于和计算机结合,以显示操作机的构形特征。用图解法获得的工作 空间不仅与机器人各连杆的尺寸有关,还与机器人 的总体结构有关。
图解法确定工作空间的边界时,需要将关节分为两组,即前三关节和后三关节(有时 为两关节或单关节)。前三关节称为位置结构,主要确定工作空间的大小;后三关节称为 定向结构,主要决定手部姿势。首先分别求出两组关节所形成的腕点空间和参考点在腕 坐标系中的工作空间,再进行包络整合。
利用机器人结构运动简图,能够更好地分析和记录机器人的各种运动和运动组合 ,可简单、清晰地表明机器人的运动状态,有利于对机器人设计方案进行比较和选择。
任务二 工业机器人机械结构的认知
二、工业机器人的运动自由度
1.自由度的概念 描述物体相对于坐标系进行独立运动的数目称为自由度。物体在三维空间有6个
自由度,如图1-2-1所示。
任务二 工业机器人机械结构的认知
3.工件坐标系 工件坐标系是用户自定义的坐标系,用户坐标系也可以定义为工件坐标系。
可根据需要定义多个工件坐标系,当配备多个工作台时,选择工件坐标系操作更为 简单。 4.工具坐标系
工具坐标系是原点位于机器人末端的工具中心点(Tool Center Point,TCP)处 的坐标系,原点及方向都是随着末端位置与角度不断变化的。该坐标系实际是将 基坐标系通过旋转及位移变化而来的。因为工具坐标系的移动以工具的有效方 向为基准,与机器人的位置、姿势有关,所以不改变工具姿势,进行相对于工件的平 行移动最为适宜。
(完整版)工业机器人技术基础课件(最全)
p
py
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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
工业机器人技术基础(完整版)
焊接机器人典型应用案例
轿车后桥双机协调弧焊系统
5
车身焊接线
6
轿车座椅骨架弧焊系统
7
火车侧梁弧焊系统
8
激光焊接系统
9
等离子焊接系统
10
1.1 弧焊机器人
• 机器人操作机：日本 MOTOMAN－UP20型6轴关节式机器人 • 机器人控制器：YASNAC XRC UP20型 • 负载能力：20kg • 自由度：6自由度 • 重复定位精度：±0.08mm • 工作范围：半径1658mm • 驱动：交流伺服电机。 • 焊接电源：MOTOWELD-S350, CO2/MAG焊机，可以实现碳钢、低合金高
成具有大批量、高质量要求的工作，如自动化
生产线中的点焊、弧焊
、喷漆、切割、
电子装配及物流系统的搬运 、包装、码垛
等作业的机器人。此外，机器人也可用于软质
材料的切削加工，如陶泥，泡沫，石蜡 ，有机
玻璃等。
3
1、Motoman机器人简介
• 焊接制造工艺由于其工艺的复杂性、劳动强度 、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对自 动化对于其工艺的自动化、机械化的要求极为 迫切，实现机器人焊接代替人工操作成为焊接 工作者追求的目标。
强钢和不锈钢等的焊接； 最大焊接电流350A • 保护气体：CO2、Ar+CO2、 Ar+CO2+O2 • 焊丝：直径0.9、1.2、1.6mm实心焊丝或药芯焊丝，如H08Mn2SiA等
11
1.2 弧焊机器人系统简介
机器人要完成焊接作业必须依赖于控制系统 与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器人系 统一般由如下几部分组成：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。
《工业机器人技术基础》(第5章)
2．连续轨迹控制
（a）
（b）
（c）
图5-11 示教数据的编辑机能
（d）
连续轨迹控制不仅要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对移动轨
迹也有一定的精度要求。
5.2.2 力控制
1．被动交互控制
在被动交互控制中，由于机器人固有的柔顺，机器人末端执行器的轨迹 被相互作用力所修正。被动交互控制不需要力〔力矩〕传感器，并且预设的 末端执行器轨迹在执行期间也不需要改变。此外，被动柔顺结构的响应远快 于利用计算机控制算法实现的主动重定位。
集中控制结构是用一台计算机实现全部控制功能，构简单、本钱低，但实时 性差，难以扩展。
图5-3 集中控制结构框图
2．主从控制结构
主从控制结构采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主计算机实现管理、 坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从计算机实现所有关节的动作控制。这种控制结 构系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。
2．运动控制功能
运动控制功能是指通过对机器人末端执行器在空间的位姿、速度、加速度等项的 控制，使机器人末端执行器按照任务要求进行动作，最终完成给定的作业任务。
运动控制功能与示教再现功能的区别
在示教再现控制中，机器人末端执行器的各项运动参数是由示教人员 教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度；而在运动控制中，机器 人末端执行器的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的， 且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完 成给定的作业任务。
5.1.3 工业机器人控制系统的组成
工业机器人控制系统主要由控制计算机、示教盒、操作面板、硬盘和软盘存储器、 数字和模拟量输入/输出接口、打印机接口、传感器接口、轴控制器、辅助设备控制 接口、通信接口、网络接口等组成，如图5-2所示。
工业机器人基础知识
第一部分 工业机器人基础知识
1.1 机型介绍
➢ 码垛机器人： 机型特点 J1: 腰部旋转 J2: 大臂俯仰 J3: 小臂俯仰 J4: 手腕旋转 应用领域(包装、物流自动化)： 袋类包装：石化、粮食、建材、化肥、饲料 箱类包装：啤酒、饮料、乳业、医药、食品、家电 桶状包装：桶装水、涂料桶、化学品罐类 负载：50kg-1500kg
额定负载：3kg-300kg 性能要求：重复定位精度、高速（3C产线上下料，流水线 动态抓取） 外部扩展需求：外部轴（行走轴）、视觉、上位机等 ② 打磨机器人： 应用：用于抛光、打磨、去毛刺等应用场合 额定负载：6kg-150kg 性能要求：轨迹重复精度，速度均匀， 外部扩展：外部轴（变位机）、力传感器、视觉等
第一部分 工业机器人基础知识
1.2 机器人系统
1.2.3 减速器 ：RV减速器 特点：
主轴承内置：可靠性高、成本低； 二级减速机构：振动小，GD^2小； 双柱支撑机构（曲柄轴）：扭矩刚性大、振动小、耐冲击； 滚转接触机构：启动功率小、耐磨损、寿命长、1弧分； 销齿轮机构：齿隙小(1弧分)、耐冲击；
1.2 机器人系统
1.2.3 减速器 ：RV和谐波减速机型号转矩指标差异、优势；
谐波减速机
RV减速机：RV-E系列
型号 14 17
20 …… 65
减速比
50 80 100 50 80 100 120 50 80 100 120 160
输入 2000r/min时 的额定转矩
起动、停止时 的容许最大转
矩
第一部分 工业机器人基础知识
1.1 机型介绍
➢ 码垛机器人： 1.基座 2.腰座伺服电机 3.减速机 4.垂直关节同步带 5.垂直关节伺服电机 6.垂直关节滚珠丝杆 7.垂直关节导轨 8.腰座部分 9.后臂 10.前臂
(完整版)机器人基础与操作
1、机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观； 2、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3、机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。
弧焊机器人 在工作中
弧焊机器人
2）特种机器人
空间机器人 水下机器人 军用机器人 教学机器人 服务机器人 医用机器人 排险机器人
导盲机器人
德国排雷机器人
水下排雷机器人
(3)按几何结构分类
串联机器人：各连杆为串联
并联机器人：各连杆为并联
(4)按机器人结构坐标系特点方式分类
按机器人结构坐标系特点方式分类主 要 分成一下四类：
圆柱坐标机器人
3) 极坐标型机器人
极坐标型机器人又称为球 坐标型机器人，其结构如 右图所示，R， θ和β为 坐标系的坐标。其中θ是 绕手臂支撑底座垂直的转 动角， β是手臂在铅垂 面内的摆动角。这种机器 人运动所形成的轨迹表面 是半球面。
极坐标型机器人
4) 多关节机器人
机器人操作培训
华中数控-培训部
石义淮
1、机器人定义
美国机器人协会（RIA）的机器人定义：“机器人是用以搬运材料、零件、工具的可 编程序的多功能操作器或是通过可改变程序来完成各种作业的特殊机械装置。”
日本工业机器人协会（JIRA）的定义：“工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执 行器（ end effector）的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机 器。”
60～70年代是机器引进或自行 研制工业机器人。
欧洲安装运 行的第一台 工业机器人 。
工业机器人基础
别由
传感器•示及软件实现。 教器
•操 作机
•控 制 器
2.1.1 操作机（机器人本 体）
• 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。 •▲ 机器人操作
•腕关节 •小臂 •伺服电机 减速器
机•的每个它关主节要均由机械臂、驱动装置、传•肘动关单节 元及内部
• 传感采器用等部1分个组成•手腕。
•用户坐标系 •用户坐标系是一个直角坐标系，用来说明 工件的位置。
2.3.2 分类介绍
1.关节坐标系 • 机器人由多个运动关节组成，机械手
的每一个轴都可以进行独立的操作，各个 关节都可以独立运动，如图 4-14所示。 对运动范围大且不要求机器人末端姿态的 情况，建议选用关节坐标系。在关节坐标 系下，每个轴可单独运动，通过示教器上 相应的键控制机器人的各个轴示教，其运 动方式见表 4-1。
2.2.2 工作空间
➢ 工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任 务时，其手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端 操作器）所能掠过的空间，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。
➢ 目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5 m 左右。
• MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人，属于垂直多关节型机器人。 • 图2-6 图2-7 为此种机器人的工作范围。
•运动控制模块•③操作机
•①示教•器S6
•
••SS串口通06
•S5 •S
•S3
•S4Leabharlann 信 模1•主控制模块
块
•驱
•示教器的数据动流模关系 块
•
• 2.2 工业机器人的主要技术
参数
• 机器人的技术参数反映了机器人可胜 任的工作、具有的最高操作性能等情况， 是设计、应用机器人必须考虑的问题。
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肩关节
肘关节
大臂 腰部
腰关节
基座
关节型机器人操作机基本构造
机器人的六个轴：
J1：腰部电机 J2：肩部电机 J3：肘部俯仰电机 J4：肘部回转电机 J5：碗部俯仰电机 J6：碗部回转电机
2.1.2 控制器（控制柜）
工业机器人控制器是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号， 支配操作机完成规定运动和功能的装置。 它是机器人的关键和核心部分。
运动控制模块
③操作机
①示教器
S6 串 S0 口 S5
S6
通 信
S1
模
S3
S4
块
主控制模块
驱动模块
示教器的数据流关系
2.2 工业机器人的主要技术参数
机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等 情况，是设计、应用机器人必须考虑的问题。
机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、 工 作载荷等。
加速度 的方向
D
C
负载的 质量
A
速度大 小和方
向
B
加速度 的大小
分辨率
机器人的分辨率由系统设计检测参数决定，并受到位置反馈检测单 元性能的影响。分辨率可分为编程分辨率与控制分辨率。
1、编程分辨率
是指程序中可以设定的最小 距离单位，又称为基准分辨
率。
例如：当电机旋转0.1度，机器人腕点 其基准分辨率为0.01mm。
2.2.3 额定速度
额定速度
机器人在保持运动 平稳性和位置精度 的前提下所能达到
的最大速度
额定负载
机器人在额定速度 和规定性能范围内 ，末端执行器所能 承受负载的允许值
合成速度
其某一关节运动的 速度称为单轴速度 ，由各轴速度分量
合成的速度
极限负载
在限制作业条件下，为了 保证机械结构不损坏，末 端执行器所能承受负载的
2、控制分辨率
是指位置反馈回路能 检测到的最小位移量。
当编程分辨率与控制分辨率相等时， 系统性能达到最高。
2.2.5 工业机器人的精度
机器人的精度主要体现在定位精 度和重复定位精度两个方面。
定位精度
指机器人末端操作器的实际位置 与目标位置之间的偏差，由机械误差、 控制算法误差与系统分辨率等部分组 成。
重复定位精度
指在相同环境、相同条件、相同目标动 作、相同命令的条件下，机器人连续重复运 动若干次时，其位置会在一个平均值附近变 化，变化的幅度代表重复定位置精度，是关 于精度的一个统计数据。因重复定位精度不 受工作载荷变化的影响，所以通常用重复定 位精度这个指标作为衡量示教再现型工业机 器人水平的重要指标。
• 如图2-8所示，为重复定位精度的几种典型情况：图a为重复定位精度的测定； 图b为合理的定位精度，良好的重复定位精度；图c为良好的定位精度，很差 的重复定位精度；图d为很差的定位精度，良好的重复定位精度。
此图涉及到随机概率分布函 数的问题，不宜在中职和高
职阶段过多介绍
可以用扔飞镖的例子来说 明：
2.2.3 承载能力
承载能力是指机器人在工作范围内 的任何位姿上所能承受的最大重量，通 常可以用质量、力矩或惯性矩来表示。
• 承载能力不仅取决于负载的质量，而 且与机器人运行的速度和加速度的大 小和方向有关。
• 一般低速运行时，承载能力强。为安 全考虑，将承载能力这个指标确定为 高速运行时的承载能力。通常，承载 能力不仅指负载质量，还包括机器人 末端操作器的质量。
第一章 工业机器人基础
工作空间
➢ 工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时，其手腕参
考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能掠过的空间，一般不 包括末端操作器本身所能到达的区域。
➢ 目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5 m 左右。
• MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人，属于垂直多关节型机器人。 • 图2-6 图2-7 为此种机器人的工作范围。
2.2.1 自由度
1.机器人自由度定义 • 机器人的自由度是指当确定机器人手部
在空间的位置和姿态时所需要的独立运 动参数的数目，不包括手部开合自由度。 在三维空间中描述一个物体的位置和姿 态需要6个自由度，但自由度数目越多， 机器人结构就越复杂，控制就越困难， 所以目前机器人常用的自由度数目一般 不超过7个。 • 自由度是机器人的一个重要技术指标， 可用轴的直线移动、摆动或旋转动作的 数目来表示。
基本功能：示教、记忆、位置伺服、坐标设定等。 开发程度：封闭型、开放型和混合型。
目前基本上都是封闭型系统（如日系）或者混合型系统（如欧系） 控制方式：集中式控制和分布式控制
2.1.3 示教器
亦称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成。可由操作者手 持移动。它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它 来完成的。示教器实质上就是一个专用的智能终端。
2．机器人自由度的选择
（1）一般自由度的选择
机器人的自由度是根据机器人的用途来设计的，人们希望机器人能以准确 的方位把它的末端执行部件或与它连接的工具移动到指定点。如果机器人的用 途是未知的，那么它应当具有6个自由度；机器人自由度数目越多，动作越灵 活，通用性越强，但是结构则更复杂，刚性也差；如果工具本身具有某种特别 结构，那么就可能不需要6个自由度。
这叫定位精度差，但重复定 位精度好。
这叫定位精度好，但重复定 位精度差。
MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人各项技术参数
2.1 工业机器人的基本组成
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。
最大值
对于结构固定的机器人 ，其最大行程为定值，因此 额定速度越高，运动循环时 间越短，工作效率也越高。 而机器人每个关节的运动过 程一般包括启动加速、匀速 运动和减速制动三个阶段。 如果机器人负载过大，则会 产生较大的加速度，造成启 动、制动阶段时间增长，从 而影响机器人的工作效率。 对此，就要根据实际工作周 期来平衡机器人的额定速度 。
示教器
操作机
控制器
2.1.1 操作机（机器人本体）
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。
▲ 机器人操作机的每个关节 均
采用 1 个交流伺服马 手腕
达驱动
腕关节 小臂
连接法兰 皮带传动
伺服电机 减速器