第二章_工业机器人运动学
机器人运动轨迹规划
θ (t ) = c0 + c1t + c2t 2 + c3t 3
(3.67)
第2章 工业机器人运动学和动力学 这里初始和末端条件是:
Hale Waihona Puke θ (ti ) = θ i θ (t ) = θ f f & θ (ti ) = 0 θ (t ) = 0 & f
对式(3.67)求一阶导数得到:
第2章 工业机器人运动学和动力学 从而简化抛物线段的方程为
1 2 θ (t ) = θ i + 2 c2t & θ (t ) = c2t && θ (t ) = c2
显然,对于直线段,速度将保持为常数,可以根据驱动器的物 理性能来加以选择。将零初速度、线性段常量速度ω以及零末 端速度代入式(3.74)中,可得A点和B点以及终点的关节位置和速 度如下:
第2章 工业机器人运动学和动力学 以二自由度平面关节机器人为例解释轨迹规划的基本原理。 如图3.19所示,要求机器人从A点运动到B点。 机器人在A点时形 位角为α=20°,β=30°; 达到B点时的形位角是α=40°,β=80°。 两关节运动的最大速率均为10°/s。当机器人的所有关节均以 最大速度运动时,下方的连杆将用2s到达, 而上方的连杆还需再 运动3s,可见路径是不规则的,手部掠过的距离点也是不均匀的。
显然,这时抛物线运动段的加速度是一个常数, 并在公共 点A和B(称这些点为节点)上产生连续的速度。
第2章 工业机器人运动学和动力学 将边界条件代入抛物线段的方程, 得到:
θ (0) = θ i = c0 & θ (0) = 0 = c1 && θ (t ) = c2
整理得
工业机器人的运动学PPT课件
手部坐标系X′轴的方向可用单位矢量n
来表示:
α=90°,β=180°,γ=90°
n: n=cosγ=0
同理,手部坐标系 Y′轴与 Z ′轴的方向可分别用单位矢量 o 和 a 来表示，
根据式(2-8)可知,手部位姿可用矩阵表达为
0 -1 0 1
T=[n o a p]= -1 0 0 1
0 0 -1 1
0 精选PPT课件 0 0 1
11
2.2齐次变换及运算
刚体的运动是由转动和平移组成的。为了能用同一矩阵 表示转动和平移,有必要引入(4×4)的齐次坐标变换矩阵。
一、平移的齐次变换
首先,我们介绍点在空间直角坐标系中的平移。
如图所示,空间某一点A ,坐标为( x , y ,z),当它平移至
a=cosα, b=cosβ, c=cosγ 图中矢量v所坐落的点O为坐标原点,可用(4×1)列
精选PPT课件
5
例2-1 用齐次坐标写出图2-3中矢量 u 、v、w 的方向列阵。
解 矢量 u: cosα =0, cosβ =0.7071067, cosγ =0.7071067 u=[0 0.7071067 0.7071067 0] T 矢量 v: cosα =0.7071067, cosβ =0, cosγ =0.7071067 v=[0.7071067 0 0.7071067 0] T 矢量 w: cosα =0.5, cosβ =0.5, cosγ =0.7071067 w=[0.5 0.5 0.7071067 0] T
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
工业机器人的运动学
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。
第二章工业机器人的机械设计基础
水平多关节机器人（ SCARA ）
l 结构特点 - 作业空间与占地面积比很大， 使用起来方便； - 沿升降方向刚性好，尤其适合 平面装配作业
SCARA-Selective Compliance Assembly Robot Arm
1978年由日本山梨大学牧野洋 教授首先提出
并联机器人 模拟器
定姿态达到的点所构成的体积空间。记作Wp (P)。
➢ 次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作Ws
(P)。
工作空间
工作空间的两个基本问题： 1、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求 工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。 2、给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和关节变量的 变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。
等，医疗外科… 微动机构和微型机构：显微外科、细胞操作、误差补偿器. 加工设备：虚拟轴机床，很容易获得6轴联动，前两年研究
的较多，近年来，大家发现虚拟机床很难获得高的加工精 度，如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究，发现很 难超过20μ .
娱乐：《真实的谎言》中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就 是在一个stewart平台上进行的.
主要内容
工业机器人常见构型 机器人基本概念与关键参数 机器人的运动学 机器人工作空间与轨迹规划 机器人静力学与动力学 机器人关键功能部件 机器人元器件与传动方式 机器人典型结构与运动 机器人设计与分析 机器人设计思想与设计方法
机器人组成
机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统 可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。
9. 示教再现：具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行逐步示教，机器人记 忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一 定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。
《工业机器人基础知识》
2.3 坐标系
2.3.1 简介
机器人是由运动轴和连杆组成的，而其运动方式是在不同的坐标系下进 行的，为了掌 握机器人的示教方法，应首先了解机器人的坐标系及各运动轴 在不同坐标系的运动。
主要有： 关节坐标系 绝对坐标系(直角坐标系) 圆柱坐标系 工具坐标系 用户坐标系
关节坐标系 机器人每个轴均可以独立地正向或反向转动，关节坐标系是机器人各关节 上固定的坐标系，用于确定机器人的关节角。
图4-17 工具坐标系及各轴的运动
主运动轴 腕运动轴
表4-4 工具坐标系下机器人的运动方式
轴
运动方式
六轴联动
沿 X 轴方向运动 沿 Y 轴方向运动
沿 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
5. 用户坐标系 用户坐标系是用户根据工作的需要，自行定义的坐标系，用户可根据需要
基坐标系 基坐标系是一个固定定义的直角坐标系，位于位于机器人基座。它是最便 于机器人从一个位置移动到另一个位置的坐标系。
世界坐标系 世界坐标系是固定定义的直角坐标系，默认世界坐标系与基坐标系重合。 世界坐标系可定义机器人单元，所有其他的坐标系均与世界坐标系直接或 间接相 关。它适用于微动控制、一般移动以及处理具有若干机器人或外轴 移动机器人的工作站 和工作单元。
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 。
2.2.3 额定速度
工业机器人的运动学及动力学
工业机器人的动力学方程
动力学方程是描述机器人受到的力和力矩与其运动状态之间 关系的数学模型。
动力学方程包括牛顿方程（描述机器人受到的力和加速度之 间的关系）和欧拉方程（描述机器人受到的力矩和角加速度 之间的关系）。
轻量化与模块化设计
为了便于运输和部署，工业机器人将采用更轻的材料和设计，同时采 用模块化设计，便于维护和升级。
工业机器人在工业领域的应用前景
自动化生产线
工业机器人将在自动化生产线中 发挥重要作用，实现生产过程的 自动化和智能化，提高生产效率
。
质量检测
机器视觉和人工智能技术的引入 ，使得工业机器人能够更精准地 检测产品质量，降低检测成本。
结合位置和力控制，实现 机器人在复杂环境中的适 应性和灵活性。
工业机器人的运动控制器
硬件控制器
使用专门的硬件设备进行 机器人运动控制，具有高 效、稳定的特点。
软件控制器
通过软件实现对机器人的 运动控制，具有灵活、易 升级的特点。
云端控制器
通过网络连接实现远程控 制，方便对机器人进行远 程调试和维护。
运动学是研究物体运动的科学，它涉 及物体的位置、姿态和速度等信息的 描述。
在机器人领域，运动学主要关注机器 人各关节的位置和姿态，以及它们之 间的相互关系。
工业机器人的坐标系
工业机器人通常采用笛卡尔坐标 系（也称为直角坐标系）来描述
其位置和姿态。
笛卡尔坐标系包括x、y、z三个 坐标轴，用于描述物体在空间中
精度
通过优化算法和结构设计，提 高机器人的运动精度。
工业机器人运动学
联立上述两式，可知2 60 。又因为 X AC l1 cos1 l2 cos(1 2 ) ，则有
5cos1
5(cos1
cos2
sin1
sin2
)
5 2
3
当2 60 时，解得1 30 或1 90 （舍去），又因1 2 3 30 ，故3 60 。 当2 60 时，同理可得1 90 ，3 0 。机器人可能的姿态如图 2-18 所示。
2 2
50
6 4
2 4
25
6 125 2
2 2
YAC l1 sin1 l2 sin(1 2 ) 100
2 2
50
6 4
2 4
25
6 75 2
2 2
解法二：根据式（2-10）可知，机器人的位姿为
T Rot(ZA ，1) Trans(l1 ，0 ，0) Rot(ZB ，2 ) Trans(l2 ，0 ，0)
2）连杆
连杆的表示同关节一样，连杆 n 1位于关节 n 1与关节 n 之间，连杆 n 位于关节 n 与关节 n 1 之间，以此类推。
3）坐标系
（1） 若关节为旋转副，则 Z 轴为按右手定则规定的旋转方向；若关节 为移动副，则 Z 轴为沿直线运动的方向。在各种情况下，关节 n 处的 Z 轴的
编号为 n 1；对于旋转关节，其关节变量为 ；对于移动关节，其关节变量为 d。
cos 45 sin 45 0 0 1 0 0 100 cos(30) sin(30) 0 0 1 0 0 50
sin 45 0
cos 45
0
0
0
1
0
0 1 00 0 1
0
sin(30)
0 0
cos(30)
工业机器人运动学基础 - 教案
教案工业运动学基础教案一、引言1.1工业发展背景1.1.1工业革命与自动化需求1.1.2工业的起源与发展1.1.3工业在现代工业中的应用1.1.4工业运动学的重要性1.2工业运动学基础概念1.2.1运动学定义1.2.2工业运动学的研究内容1.2.3运动学在工业中的应用1.2.4运动学对工业性能的影响1.3教学意义与目的1.3.1培养学生对工业运动学的理解1.3.2提高学生的实际操作能力1.3.3激发学生对工业领域的兴趣1.3.4为进一步学习高级技术打下基础二、知识点讲解2.1工业运动学基本原理2.1.1的运动学模型2.1.2运动学方程的建立2.1.3运动学方程的求解方法2.1.4运动学参数对性能的影响2.2工业运动学参数2.2.1的自由度2.2.2的连杆参数2.2.3的关节参数2.2.4的运动范围与工作空间2.3工业运动学应用案例2.3.1工业在汽车制造中的应用2.3.2工业在电子组装中的应用2.3.3工业在物流搬运中的应用2.3.4工业在医疗领域的应用三、教学内容3.1工业运动学基本概念3.1.1的运动学模型3.1.2运动学方程的建立3.1.3运动学方程的求解方法3.1.4运动学参数对性能的影响3.2工业运动学参数3.2.1的自由度3.2.2的连杆参数3.2.3的关节参数3.2.4的运动范围与工作空间3.3工业运动学应用案例3.3.1工业在汽车制造中的应用3.3.2工业在电子组装中的应用3.3.3工业在物流搬运中的应用3.3.4工业在医疗领域的应用四、教学目标4.1知识目标4.1.1了解工业运动学的基本原理4.1.2掌握工业运动学参数的计算方法4.1.3理解工业运动学在实际工程中的应用4.2能力目标4.2.1培养学生的实际操作能力4.2.2提高学生的分析和解决问题的能力4.2.3培养学生的创新思维和团队合作能力4.3情感态度与价值观目标4.3.1激发学生对工业领域的兴趣4.3.2培养学生的科学精神和工匠精神4.3.3增强学生的社会责任感和使命感五、教学难点与重点5.1教学难点5.1.1工业运动学方程的建立与求解5.1.2工业运动学参数的计算方法5.1.3工业运动学在实际工程中的应用5.2教学重点5.2.1工业运动学的基本原理5.2.2工业运动学参数的含义与作用5.2.3工业运动学在实际工程中的应用案例六、教具与学具准备6.1教具准备6.1.1工业模型或实物6.1.2运动学计算软件或工具6.1.3多媒体教学设备6.2学具准备6.2.1笔记本电脑或平板电脑6.2.2学习资料或教材6.2.3计算器或数学工具七、教学过程7.1导入新课7.1.1引入工业运动学的背景7.1.2提出问题7.1.3引导学生思考工业运动学的应用场景7.2知识讲解7.2.1详细讲解工业运动学的基本原理7.2.2深入解析工业运动学参数的计算方法7.2.3通过案例分析工业运动学在实际工程中的应用7.3实践操作7.3.1演示工业运动学的实际操作过程7.3.2引导学生进行工业运动学的模拟操作7.3.3组织学生进行工业运动学的实际操作练习八、板书设计8.1工业运动学基本原理8.1.1运动学模型的建立8.1.2运动学方程的求解方法8.1.3运动学参数对性能的影响8.2工业运动学参数8.2.1自由度的定义与计算8.2.2连杆参数的测量与计算8.2.3关节参数的测量与计算8.2.4运动范围与工作空间的确定8.3工业运动学应用案例8.3.1汽车制造中的应用案例8.3.2电子组装中的应用案例8.3.3物流搬运中的应用案例8.3.4医疗领域的应用案例九、作业设计9.1工业运动学基础理论题9.1.1运动学方程的建立与求解9.1.2运动学参数的计算与分析9.1.3运动学在实际工程中的应用问题9.2工业运动学实践操作题9.2.1工业运动学模拟操作9.2.2工业运动学实际操作练习9.2.3工业运动学创新设计与实验9.3工业运动学拓展阅读与思考题9.3.1工业运动学相关学术论文阅读9.3.2工业运动学在实际工程中的应用案例分析9.3.3工业运动学未来发展趋势与挑战思考十、课后反思及拓展延伸10.1教学效果评估与反思10.1.1学生对工业运动学基本原理的掌握程度10.1.2学生对工业运动学参数计算方法的掌握程度10.1.3学生对工业运动学在实际工程中应用的了解程度10.2教学方法与手段的改进10.2.1引入更多实际工程案例进行教学10.2.2增加实践操作环节的时间与机会10.2.3利用现代教育技术提高教学效果10.3学生学习兴趣与动机的激发10.3.1通过实际工程案例激发学生学习兴趣10.3.2组织学生参加工业运动学相关竞赛或活动10.3.3引导学生进行工业运动学的创新设计与实验重点和难点解析1.工业运动学基本原理的讲解2.工业运动学参数的计算方法3.工业运动学在实际工程中的应用案例4.实践操作环节的设计与实施5.作业设计与课后反思对于这些重点环节，需要进行详细的补充和说明：1.工业运动学基本原理的讲解：这是整个教案的核心部分，需要通过生动的案例和图示，让学生更好地理解运动学的基本概念和原理。
第二章 2.3工业机器人运动学(一)
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
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。
工业机器人技术第2章
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.2 工业机器人的特点
（3）驱动系统。工业机器人需要灵活改变位姿，绝大多数运动轴都需要 有任意位置定位功能，需要使用伺服驱动系统；在无人搬运车（Automated Guided Vehicle，AGV）等输送机器人上，还需要配备相应的行走机构及相应 的驱动系统。而辅助机械手的安装位置、定位点和动作次序样板都是固定 不变的，大多数运动部件只需要控制起点和终点，故较多地采用气动、液 压驱动系统。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
（3）驱动器。驱动器实际上是用于控制器的插补脉冲功率放大的装置， 实现驱动电机位置、速度、转矩控制，驱动器通常安装在控制柜内。驱动 器的形式决定于驱动电机的类型，伺服电机需要配套伺服驱动器、步进电 机则需要使用步进驱动器。机器人目前常用的驱动器以交流伺服驱动器为 主，它有集成式、模块式和独立型3种基本结构形式。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
2．机器人本体 机器人本体又称操作机，它是用来完成各种作业的执行机构，包括机械 部件及安装在机械部件上的驱动电机、传感器等。 机器人本体的形态各异，但绝大多数由若干关节（Joint）和连杆（Link） 连接而成。以常用的6轴垂直串联型（Vertical Articulated）工业机器人为例， 其运动主要包括整体回转（腰关节）、下臂摆动（肩关节）、上臂摆动 （肘关节）、腕回转和弯曲（腕关节）等。本体的典型结构如图2.1-2所示， 其主要组成部件包括手部、腕部、上臂、下臂、腰部、基座等。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
集成式驱动器的全部驱动模块集成一体，电源模块可以独立或集成，这 种驱动器的结构紧凑、生产成本低，是目前使用较为广泛的结构形式。模 块式驱动器的电源模块为公用，驱动模块独立，驱动器需要统一安装。集 成式、模块式驱动器不同控制轴间的关联性强，调试、维修和更换相对比 较麻烦。独立型驱动器的电源和驱动电路集成一体，每一轴的驱动器可独 立安装和使用，因此，其安装使用灵活、通用性好，其调试、维修和更换 也较方便。
工业机器人第二章测试题
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。
工业机器人技术及应用2-工业机器人的机械结构和运动控制
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。
工业机器人力学分析
工业机器人力学分析引言工业机器人作为现代制造业中的重要工具，广泛应用于各个领域。
然而，要想实现机器人的精确控制和高效运作，就需要对其力学特性进行深入分析。
本文将从工业机器人运动学、动力学和力控制等方面展开讨论，以期对工业机器人力学的理解能够更为深入。
一、工业机器人运动学分析工业机器人的运动学分析是指通过研究机器人的运动轨迹、关节角度和末端坐标等参数，来描述机器人在空间中的位置和姿态变化。
机器人的运动学分析可基于几何方法，利用三角函数和矩阵运算等数学工具来计算机器人的运动学参数。
其中，举足轻重的是机器人的正运动学问题，即根据给定的关节角度，计算机器人末端执行器的位置和姿态。
正运动学问题主要解决机器人的逆运动学问题，即已知机器人末端执行器的位置和姿态，计算关节角度，实现机器人的自主控制。
二、工业机器人动力学分析工业机器人的动力学分析是指通过研究机器人各个关节上的力和力矩，以及机器人的质量和惯性等参数，来描述机器人在运动过程中所受的力学作用。
机器人的动力学分析可基于牛顿研究动力学的基本定律，通过运用动力学方程和动力学模型，推导出机器人的运动学参数。
动力学分析可以帮助我们理解机器人在复杂工作环境下的受力情况，并为机器人的运动控制提供支持。
三、工业机器人力控制分析工业机器人力控制是指通过对机器人末端执行器的力和力矩进行精确测量和控制，实现机器人对外部物体进行柔和握持、装配和搬运等任务的能力。
力控制在工业机器人领域中起着至关重要的作用，它要求机器人能够根据物体的刚度和形状变化，调整握持力和接触力的大小和方向。
通过传感器和控制系统的结合，工业机器人可以实时感知和调整力量，以适应复杂工作环境和精细操作的需求。
结论工业机器人力学分析是实现机器人精确控制和高效运作的基础。
通过运动学分析，我们可以计算机器人的运动轨迹和关节角度，实现机器人的自主控制。
通过动力学分析，我们可以理解机器人在运动过程中所受的力学作用，并为机器人的运动控制提供支持。
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刚体的位姿可用下面(4×4)矩阵来描述：
nx ox ax xo
T [n o a
p] ny
oy
ay
yo
nz 0
oz 0
az 0
zo 1
对刚体Q位姿的描述就是对固连于刚体Q的坐标系 O`X`Y`Z`位姿的描述。
例：固连于刚体的坐X标B 的系方{向B}矩位阵于：nO=[Bc点os3，0o xcbo=s6100o，coys9b0=o50，]T
刚体的姿态可由动坐标 系刚的体坐Q标在轴固方定向坐来标表系示。
O令XnY、Z中o、的a位分置别可为用X′齐、次y
坐′标、形z 式′的坐一标个轴(的4×单1位)列方 阵向表矢示量为，：每个单位方向矢 量在固定坐标系上的分量 为动坐标系各xo 坐 标轴的方 向余弦，p 用齐yo次 坐标形式 的(4×1)列阵z1o 分 别表示为：
z有b=一0。个Z3B0轴o的与偏画转面，垂试直Y写B，的出坐方表向标矩示系阵刚{：B体o}==相[[位c0o.8对s姿1626固0的0o .5定c坐0o0s坐3标00o.标0系0co0系{s90B0]{)ToA的0}]T
=[-0.500 0.866 0.000 0]T
机器人运动学主要是把机器人相对于固定参考系的运 动作为时间的函数进行分析研究，而不考虑引起这些运动 的力和力矩。
就是要把机器人的空间位移解析地表示为时间的函数， 特别是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿 态之间的关系。
运动学就涉及到机器人空间位移作为时间函数的解析 说明，特别是机器人末端执行器位置和姿态与关节变量空 间之间的关系。
第二章 工业机器人运动学
连杆 坐标系固联关节 齐次坐标系 正解 反解
机器人实际上可认为是由一系列关节连接起来的连杆 所组成。我们把坐标系固连在机器人的每一个连杆关节 上，可以用齐次变换来描述这些坐标系之间的相对位置 和方向。
齐次变换具有较直观的几何意义，而且可描述各杆件之 间的关系，所以常用于解决运动学问题。已知关节运动 学参数，求出手部运动学参数是工业机器人正向运动学 问题的求解；反之，是工业机器人逆向运动学问题的求 解。
四、பைடு நூலகம்坐标系位姿的描述
动坐标系位姿的描述就是对动坐标系原点位置的 描述以及对动坐标系各坐标轴方向的描述：
1、刚体位置和姿态的描述
机器人的一个连杆可以看成一个刚体。若给定了刚体 上某一点的位置和该刚体在空间的姿态，则这个刚体在 空间上是完全确定的。
n nx ny nz o T o ox oy oz o T a ax ay az o T
在选定的直角坐标系{A},空间任一点P的位置可用 3×1的位置矢量AP表示。
px
A
p
py
pz
二、齐次坐标
如用四个数组成(4×1)列阵
px
p
p
y
1pz
表示三维空间直角坐标系{A}中点p，则列阵[px py pz 1]T称为三维空间点p的齐次坐标。
齐次坐标的表示不唯一：
px a
机器人的运动学可用一个开环关节链来建模，此链由数 个刚体(杆件)以驱动器驱动的转动或移动关节串联而成。
1)对一给定的机器人，已知杆件几何参数和关节角矢量求 机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。
开环关节链的一端固定在基座上，另一端是自由的，安 装着工具，用以操作物体或完成装配作业。关节的相对运 动2导)已致知杆机件器的人运杆动件，的使几手何定参位数于，所给需定的机方器位人上末。端在执很行多器机相 器对人于应 参用考问坐题标中系，的人期们望感位兴置趣和的姿是态操(位作姿机)末，端机执器行人器能相否对使 于其固末定 端参执考行坐器标达系到的这空个间预描期述的。位姿? 如能达到，那么机器 人有几种不同形态可满足同样的条件?
45o 90o 45o
矢量 u: cosα=0.7071067, cosβ=0, cosγ=0.7071067 u=[0.7071067 0 0.7071067 0]T
60o 60o 45o
矢量 u: cosα=0.5, cosβ=0.5, cosγ=0.7071067 u=[0.5 0.5 0.7071067 0]T
p
py
b
1pz
c w
三、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
规定：
X 1 0 0 0T Y 0 1 0 0T Z 0 0 1 0T
(4×1)列阵[a b c o]T中第四个元素为零，且a2+b2+c2=1， 则表示某轴(某矢量)的方向； (4x1)列阵[a b c w]T中第四个元素不为零，则表示空 间某点的位置。
要规定各种坐标系来 描述机器人与环境的相 对位姿关系。
必{B须}代建表立基机坐器标人系各，连{T杆}是之工间具，系机，器{人S}与是周工围作环站境系之，
间{G的}是运目动标关系系，，它用们于之描间述的机位器姿人关的系操可作用。相应的齐次变 换来描述。
2.1 齐次坐标及对象物的描述
一、点的位置描述
图中矢量ν的方向用(4×1)列阵可表达为：
a b c 0T
a cos,b cos,c cos
矢量ν坐落的点O为坐标原点，可用方向用 (4×1)列阵可表达为：
0 0 0 0 1T
例：用齐次坐标写出下图矢量u、v、w的方向列阵：
90o 45o 45o
矢量 u: cosα=0, cosβ=0.7071067, cosγ=0.7071067 u=[0 0.7071067 0.7071067 0]T
直角坐标式
圆柱坐标式
球坐标式
3 2
6 4
5 1
3 4 6 5
2
1
1955年Denavit和Hartenberg提出了一种采用矩阵代数 的系统而广义的方法，来描述机器人手臂杆件相对于固定 参考坐标系的空间几何。
这种方法使用4×4齐次变换矩阵来描述两个相邻的机 械刚性构件间的空间关系，把正向运动学问题简化为寻求 等价的4×4齐次变换矩阵，此矩阵把手部坐标系的空间位 移与参考坐标系联系起来。并且该矩阵还可用于推导手臂 运动的动力学方程。而逆向运动学问题可采用几种方法来 求解。最常用的是矩阵代数、迭代或几何方法。