《工业机器人技术基础》全套教学课件

工业机器人技术基础全套可编辑PPT课件

目录1初识工业机器人2认识工业机器人运动学3认识工业机器人的机械部分4认识工业机器人传感器5认识工业机器人控制系统6了解工业机器人编程技术项目1初识工业机器人学习目标掌握工业机器人的定义及特点了解工业机器人的历史与发展掌握不同分类方式下工业机器人的结构与特征掌握工业机器人的基本组成与技术参数了解工业机器人的典型应用知识目标技能目标能够指出工业机器人的各组成部分能够收集工业机器人的相关信息素质目标具备国家荣誉感和社会责任感培养勤学好问的学习态度项目引入某家具企业成立于2008年，其位于广州的工厂在2017年的生产效率比成立初期提高了317%，雇佣的员工减少了26.7%。目前，该工厂一天能够处理约5000个订单，产能达到每天15万件，年产值约40亿元。该家具企业的年产值如此之大，其中的秘密是什么呢？项目引入工业机器人的诞生和发展无疑为工业的快速发展提供了更多的机会。原来，该家具企业的生产线安装了大量的工业机器人。在过去，生产家具时的钻孔、喷涂是非常危险且影响员工健康的工作。而现在，只要通过工业机器人将原材料运至工厂，再由工业机器人完成生产，并将成品装入准备出口的集装箱，企业就可以在拥有少量员工的情况下将生产效率提升好几倍。1.1工业机器人的基础知识项目导航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1.1工业机器人的基础知识1.1.1工业机器人的定义及特点早期现在用来进行搬运机械部件或工件的、可编程的多功能操作器，或通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置。工业机器人是指自动控制且可重复编程的多用途操作机，能对三个或更多的轴编程，能固定在某一位置或移动平台上，在工业自动化中使用。工业机器人的特点可编程拟人化通用性技术综合性高效性安全性1.1.1工业机器人的定义及特点1．可编程可根据工作环境的需要进行编程。在小批量、多品种、高效率的柔性制造过程中能发挥很好的作用，是柔性制造系统中的重要组成部分。2．拟人化在机械结构上有类似人的大臂、小臂、腕部、末端执行器（手爪）等部分，且可通过类似人脑的电脑来控制其运动。智能化工业机器人配有传感器，如接触觉传感器、力觉传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器等，提高了工业机器人对周围环境的适应能力。1.1.1工业机器人的定义及特点3．通用性除了专门设计的专用工业机器人外，一般工业机器人均具有较好的通用性，在执行不同的作业任务时只需更换其末端执行器便可。4．技术综合性融合了多种技术，主要包括工业机器人控制技术、动力学及仿真技术、激光加工技术、模块化程序设计技术、智能测量技术、建模加工一体化技术、工厂自动化及精细物流技术等。这些技术的融合使工业机器人能够在制造过程中实现高效作业，并且适应多种工作环境。1.1.1工业机器人的定义及特点5．高效性通过精确的编程和控制系统，工业机器人能够实现高速度、高精度的连续作业。这种高效性不仅可以提高生产效率，还可以降低生产成本，为企业创造更大的经济效益。6．安全性可以通过多重安全保护措施（如紧急停止按钮、安全围栏等）确保工作人员和设备的安全。工业机器人还可以通过智能控制系统，实现与工作人员的协同作业，避免潜在的安全风险。1.1.2工业机器人的发展→1．工业机器人的发展历程萌芽阶段初级阶段迅速发展阶段智能化阶段1.1.2工业机器人的发展→1．工业机器人的发展历程1）萌芽阶段（二十世纪五十年代）1959年Unimation公司制造出世界上第一台真正实用的工业机器人——Unimate机器人。万能自动Unimate机器人1954年发明家德沃尔对工业机器人进行了定义，并申请了专利。1.1.2工业机器人的发展→1．工业机器人的发展历程2）初级阶段（二十世纪六十至七十年代）1961年Unimation公司为通用汽车公司的汽车生产线安装了第一台用于生产的工业机器人，它主要用于生产门窗把手、换挡旋钮、灯具和其他汽车内饰用五金件。1962年美国机械与铸造公司制造出了沃尔萨特兰机器人。万能搬动1967年Unimate机器人被引入欧洲。1631.1.2工业机器人的发展→1．工业机器人的发展历程2）初级阶段（二十世纪六十至七十年代）1969年Unimation公司与川崎重工签署了一项许可协议，开始在亚洲市场生产和销售Unimate机器人。1971年世界上第一个国家机器人协会——日本机器人协会成立。1.1.2工业机器人的发展→1．工业机器人的发展历程2）初级阶段（二十世纪六十至七十年代）1978年Unimation公司推出了可编程通用工业机器人PUMA，并将其应用于通用汽车公司的汽车装配线，这标志着工业机器人技术日趋成熟。同年，日本山梨大学牧野洋发明了SCARA机器人该工业机器人具有4个自由度，特别适合装配工作，如今被广泛应用于汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。SCARA机器人1.1.2工业机器人的发展→1．工业机器人的发展历程3）迅速发展阶段（二十世纪八十至九十年代）1981年通用汽车公司第一次将机器视觉系统成功地应用在了某种恶劣的制造环境中，利用三台工业机器人以1400个/h的速度分拣出6种不同的铸件。1992年ABB公司推出S4开放式控制系统。它旨在改善对用户至关重要的两个领域——人机界面和机器人技术性能。1994年莫托曼公司（现在的安川电机）推出机器人控制系统，使同步控制两台机器人成为可能。1.1.2工业机器人的发展→1．工业机器人的发展历程4）智能化阶段（二十一世纪初至今）2011年FANUC公司的R-1000iA机器人利用LVC（学习减振装置）对机器人的运动轨迹加以优化，减小振动，将动作周期缩短约20%，从而使其实现了更高速的动作。2018年FANUC公司与首选网络公司合作，首次将人工智能应用于工业机器人拾取和热位移补偿等功能上。2022年我国推出国内首台具有20t承载能力的AGV（自动导向车）驱动单元，此驱动单元可用于航天、高压容器、大型基建工程、模块化建筑工程等领域。1.1.2工业机器人的发展→2．工业机器人的发展趋势1）高性能化和低成本化2）机械结构模块化及可重构化3）智能化4）控制系统的开放化5）多传感器融合技术的实用化6）多智能体协调控制技术的创新化高速度高精度高可靠性轻便化随着各项技术的普及，单机价格将会不断下降。1.1.2工业机器人的发展→2．工业机器人的发展趋势1）高性能化和低成本化2）机械结构模块化及可重构化3）智能化4）控制系统的开放化5）多传感器融合技术的实用化6）多智能体协调控制技术的创新化工业机器人关节模块中的伺服电动机、减速机、检测系统已实现三位一体化，且关节模块、连杆模块可通过重组方式构造工业机器人整机。1.1.2工业机器人的发展→2．工业机器人的发展趋势1）高性能化和低成本化2）机械结构模块化及可重构化3）智能化4）控制系统的开放化5）多传感器融合技术的实用化6）多智能体协调控制技术的创新化随着人工智能技术的发展，工业机器人未来会更加智能，其智能化发展方向包括人机协作和自主决策等。1.1.2工业机器人的发展→2．工业机器人的发展趋势1）高性能化和低成本化2）机械结构模块化及可重构化3）智能化4）控制系统的开放化5）多传感器融合技术的实用化6）多智能体协调控制技术的创新化工业机器人的控制系统正向基于计算机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化。优点：可提高器件集成度，并可缩小控制柜体积。1.1.2工业机器人的发展→2．工业机器人的发展趋势1）高性能化和低成本化2）机械结构模块化及可重构化3）智能化4）控制系统的开放化5）多传感器融合技术的实用化6）多智能体协调控制技术的创新化除了安装传统的位置传感器、速度传感器、加速度传感器以外，装配、焊接机器人还应用了视觉传感器、力觉传感器等遥控机器人采用视觉、声觉、力觉、接触觉多传感器融合技术来进行环境建模及决策控制1.1.2工业机器人的发展→2．工业机器人的发展趋势1）高性能化和低成本化2）机械结构模块化及可重构化3）智能化4）控制系统的开放化5）多传感器融合技术的实用化6）多智能体协调控制技术的创新化目前工业机器人技术中的一个崭新技术多机器人合作与通信多智能体的群体体系结构相互间的通信与磋商机理感知与学习方法建模与规划群体行为控制研究方向1.1.2工业机器人的发展→2．工业机器人的发展趋势开拓视野国外的工业机器人起步较早瑞士的ABB德国的KUKA日本的FANUC日本的安川电机工业机器人“四大家族”我国虽然起步晚，但在工业机器人领域也有着迅猛发展四小龙1.1.3工业机器人的分类→1．按机械结构分类1）串联机器人由一系列连杆通过移动轴或转动轴串联组成，一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点。在控制系统控制下，可实现复杂空间作业运动。特点：结构简单、易于控制、成本低、运动空间大，是当前应用最多的工业机器人。2）并联机器人动平台和定平台通过至少两个独立运动链相连，具有两个或以上自由度，以并联方式驱动的闭环机器人。其中一个轴的运动不会改变另一个轴的坐标原点。特点：刚度大、结构稳定、运动负荷小，适合高速度、高精度、高负荷场合。1.1.3工业机器人的分类→1．按机械结构分类混联机器人：将串联机器人和并联机器人有机结合起来的工业机器人。优点：既有并联机器人刚度大的优点，又有串联机器人运动空间大的优点，可进一步扩大应用范围。知识窗口1.1.3工业机器人的分类→2．按坐标形式分类1）直角坐标机器人定义：具有三个滑动关节、其轴按直角坐标配置的操作机。优点：易于控制，空间轨迹易于求解。缺点：灵活性较差，自身占据空间较大。应用场景：各种自动化生产线中，可以完成搬运、上下料、包装、码垛、分类、装配、焊接、喷涂等一系列工作。直角坐标机器人外形直角坐标机器人运动空间1.1.3工业机器人的分类→2．按坐标形式分类2）圆柱坐标机器人定义：至少有一个回转关节和一个滑动关节，其轴按圆柱坐标配置的操作机。优点：占地面积小、工作空间大，末端执行器速度快、易于控制、运动灵活等。缺点：工作时必须有沿

r

轴线前后方向的移动空间，空间利用率低。应用场景：重物的装卸、搬运等工作。圆柱坐标机器人外形圆柱坐标机器人运动空间1.1.3工业机器人的分类→2．按坐标形式分类3）球坐标机器人定义：有两个回转关节和一个滑动关节，其轴按极坐标配置的操作机。优点：占用空间小、操作灵活、工作空间大。缺点：运动学模型较复杂，难以控制。球坐标机器人的运动空间移动坐标臂杆在铅垂面内的摆动角绕臂杆支撑底座垂直轴的转动角1.1.3工业机器人的分类→2．按坐标形式分类4）多关节机器人定义：又称为关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人，适合诸多工业领域的机械自动化作业。垂直多关节机器人水平多关节机器人多关节机器人根据摆动方向划分1.1.3工业机器人的分类→2．按坐标形式分类垂直多关节机器人多关节机器人特点：结构紧凑、工作空间大，其动作最接近人的动作，它对喷漆、装配、焊接等作业具有良好的适应性，因此应用范围十分广泛。1.1.3工业机器人的分类→2．按坐标形式分类垂直多关节机器人对比四种坐标形式的机器人，它们的运动空间形状各有什么特点？球坐标机器人的运动空间圆柱坐标机器人运动空间直角坐标机器人运动空间1.1.3工业机器人的分类→3．按控制方式分类1）伺服控制机器人控制方式：分为连续控制和点位（点到点）控制。​对位置和速度连续监测，各轴采用闭环控制，可使部件移动到各轴行程内任意位置。1.1.3工业机器人的分类→3．按控制方式分类1）伺服控制机器人特点：（1）记忆存储容量较大。（2）末端执行器端部可按三种不同类型的运动方式移动，即点到点移动、直线移动和连续轨迹移动。（3）在机械允许的极限范围内，可通过调节伺服回路中相应放大器的增益来改变定位精度。（4）一般以示教模式进行编程。（5）一般可在小型或微型计算机控制下自动进行几个轴之间的协同运动。（6）价格贵，可靠性稍差。1.1.3工业机器人的分类→3．按控制方式分类2）非伺服控制机器人控制方式：又称端点机器人或开关式机器人，每个轴仅有起始和终止两个位置。​轴运动过程无监测，处于开环控制，靠定位挡块停止运动。1.1.3工业机器人的分类→3．按控制方式分类2）非伺服控制机器人特点：（1）臂部的运动速度较快。（2）价格低廉，工作稳定，易于操作和维修。（3）重复定位精度高，即工作时返回同一点的能力强。（4）在定位和编程方面灵活性有限。随堂检测一、按坐标形式的不同，工业机器人可分为（）。①直角坐标机器人②球坐标机器人③圆柱坐标机器人④多关节机器人A．①② B．②③C．①②③ D．①②③④二、按控制方式的不同，工业机器人可分为哪几类？各有什么特点？D课堂小结1.2工业机器人的基本组成与技术参数课堂引入同学们，不知道大家有没有想过，在汽车制造工厂里，一个个零部件是如何精准、高效地组装成完整汽车的？为什么同一型号的汽车，每一辆的焊接、装配质量都能保持高度一致？再比如，在电子产品生产车间，那些比指甲盖还小的芯片和元件，又是怎样被准确无误地安装到电路板上的？​其实，这背后都离不开工业机器人的功劳。但大家有没有思考过：这些机器人是如何“听懂”人类的指令，又是如何完成如此复杂且精细的工作的呢？它们在不同的工作环境中，如何保证稳定、高效地运行？今天，就让我们带着这些疑问，一起深入探究工业机器人的基本组成与技术参数，揭开工业机器人高效、精准工作的神秘面纱！​1.2.1工业机器人的基本组成工业机器人6个子系统之间的关系及其与工作对象的关系用于感知内部和外部信息，包括感知系统和机器人-环境交互系统。用于控制工业机器人完成各种动作，包括人机交互系统和控制系统。用于感知内部和外部信息，包括感知系统和机器人-环境交互系统。1.2.1工业机器人的基本组成→1．机械部分1）机械结构系统（执行机构或操作机）是完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成。机械机构系统包括末端执行器、腕部、臂部、腰部和机座等。2）驱动系统驱动系统包括传动机构和驱动器两部分，它们通常安装在工业机器人的关节部位。传动机构通常包括连杆机构、滚珠丝杠、齿轮系、链、带、谐波减速器和RV减速器等；驱动器的驱动方式通常有电动驱动、液压驱动和气动驱动三种。1.2.1工业机器人的基本组成→1．机械部分同学们，如果我们要让工业机器人完成一个比较精细的操作，比如装配小型电子元件，你觉得应该选择哪种驱动方式呢？为什么？1.2.1工业机器人的基本组成→2．传感部分1）感知系统组成部分：由内部传感器与外部传感器构成。​内部传感器功能​：检测机械结构系统的运动情况，并根据需要将检测结果反馈给控制系统。控制系统将检测结果与设定值进行比较后，可对机械结构系统进行调整，从而保证其动作符合设计要求。外部传感器功能：检测工业机器人的所处环境、外部物体状态或工业机器人与外部物体的关系等。2）机器人-环境交互系统定义：实现工业机器人与外部环境设备相互联系和协调的系统。应用形式​工业机器人可与外部环境设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。多台工业机器人也可以集成为一个执行复杂任务的功能单元。1.2.1工业机器人的基本组成→3．控制部分2）控制系统组成部分：由控制计算机和伺服控制器组成。​控制计算机功能​：发出指令，协调各关节驱动器之间的运动，还要完成编程示教及再现，以及在各种环境状态下、工艺要求下与外部环境设备（如电焊机）之间的信息传递和工作协调。伺服控制器功能：控制各关节驱动器，使各臂杆按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。1）人机交互系统定义：使操作员参与工业机器人控制，并与工业机器人进行联系的系统。​组成部分：计算机的标准终端、信息显示板、指令控制台、危险信号报警器等。​分类​：指令给定装置信息显示装置1.2.2工业机器人的技术参数→1．工作空间工作空间（工作区域）：工业机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达的位置集合。工作空间的形状和大小反映了工业机器人工作能力的大小。（a）垂直串联多关节机器人（b）水平串联多关节机器人工业机器人的工作空间1.2.2工业机器人的技术参数→1．工作空间理解工业机器人的工作空间时，要注意：（1）产品说明书中的工作空间。末端执行器上机械接口坐标系的原点在空间所能到达的范围（末端执行器端部法兰的中心点在空间所能到达的范围）。1.2.2工业机器人的技术参数→1．工作空间理解工业机器人的工作空间时，要注意：（2）产品说明书中的工作空间往往小于运动学意义上的最大空间。原因：①在可达空间中，当臂杆位置或姿势不同时，其允许的有效负载、最大运动速度等参数都不一样。②当臂杆处于工作空间的最大位置时，其允许的各项参数极限值通常要比其他位置小一些，这样一来臂杆就无法到达运动学意义上的最大空间。③工业机器人在臂杆最大可达空间边界上可能存在自由度退化的问题，这部分工作空间在工业机器人工作时是不能被利用的。1.2.2工业机器人的技术参数→1．工作空间理解工业机器人的工作空间时，要注意：（3）实际应用中的工业机器人由于受机械结构系统的限制，在工作空间内也可能存在臂杆不能到达的区域，这类区域称为空洞或空腔。1.2.2工业机器人的技术参数→2．自由度自由度：用来表示工业机器人动作灵活程度的参数，一般以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。工业机器人一般为开式连杆系，每个关节运动副（轴）只有一个自由度，因此一般工业机器人的自由度数目就等于其关节数目（轴数目）。工业机器人的自由度数目越多，功能就越强。目前工业机器人通常具有4～6个自由度，其中又以具有6个自由度的工业机器人应用最为广泛。6个自由度是使工业机器人具有完成空间定位能力的最小自由度数目，当自由度数目超过6个时，便出现了冗余自由度，这样的工业机器人统称为冗余自由度工业机器人。冗余自由度工业机器人在避障、灵活性和容错性等方面更有优势，能够面对较复杂的工作环境和多变的作业需求，但其控制也会更加复杂。1.2.2工业机器人的技术参数→2．自由度工业机器人的自由度数目越多，功能就越强。但在高速、高重复性的包装工序中，为什么一般会选用具有4个自由度的工业机器人，而不选用更灵活的具有6个自由度的工业机器人？1.2.2工业机器人的技术参数→3．定位精度和重复定位精度定位精度：工业机器人的末端执行器实际到达的位置与目标位置之间的差异。重复定位精度：工业机器人的末端执行器重复定位于同一目标位置的能力，可以用标准偏差来表示，它常用于衡量误差值的密集度（即重复度）。定位精度1.2.2工业机器人的技术参数→4．运动速度运动速度会影响工业机器人的工作效率和运动周期，它与工业机器人所承受的动载荷、惯性力和定位精度等均有密切的关系。运动速度提高，工业机器人所承受的动载荷会增大，加减速时所承受的惯性力也会增大，这会影响工业机器人的工作平稳性和定位精度。普通工业机器人速度技术水平：最大直线运动速度：一般不超过1000mm/s最大回转速度：一般不超过120°/s生产商通常会在工业机器人的技术参数中明确标注其最大运动速度。1.2.2工业机器人的技术参数→5．有效负载有效负载：工业机器人的机械结构系统在工作时末端执行器可搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示机械结构系统的负载能力。若工业机器人将目标工件从一个工位搬运到另一个工位，则其实际的负载为工件的重量与末端执行器的重量之和。当工业机器人在工作空间内的不同位置时，其实际负载能力会有差异吗？1.2.2工业机器人的技术参数→5．有效负载ABB公司IRB5720-180/2.6型工业机器人的部分技术参数工作空间图示随堂检测一、工业机器人的机械结构系统不包括以下哪一项？（）​A．末端执行器​B．腕部​C．伺服控制器​D．腰部二、简述工业机器人的基本组成及其功能。C课堂小结1.3工业机器人的典型应用1.3.1焊接机器人焊接机器人定义：从事焊接作业的工业机器人。分类：可分为点焊机器人和弧焊机器人。特点：安装面积小、工作空间大，在保证定位精度（0.25mm）的情况下，可小节距地实现多点定位，并且其示教简单，能够保证焊接质量。应用领域：常用于汽车制造领域，是目前应用最广泛的工业机器人之一。焊接机器人1.3.2装配机器人装配机器人装配机器人可以完成生产线上一些零件的装配或拆卸工作，其典型类型有PUMA机器人和SCARA机器人两种。PUMA机器人为垂直多关节机器人，一般有6个自由度，可完成空间任意姿态的复杂操作；SCARA机器人为水平多关节机器人，一般有4个自由度，其重复定位精度高，适合重复性流水线作业。特点​：精度高、柔顺性好、工作空间小、适配性好等。应用优势​：保证产品质量，降低生产成本，提高生产自动化水平。应用领域​：主要用于各种电器、电动机、汽车、计算机、玩具等产品及其组件的装配。假设我们有一个小型的玩具装配生产线，你会选择PUMA机器人还是SCARA机器人呢？为什么？1.3.3喷涂机器人喷涂机器人（喷漆机器人）：可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。喷涂机器人多采用5或6自由度关节式结构，臂部有较大的运动空间，可做复杂的轨迹运动，腕部有2～3个自由度，可灵活运动。较先进喷涂机器人的腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷涂机器人优点​：动作速度快、喷涂质量高、材料使用率高、操作维护简单。应用领域​：广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等生产部门。1.3.4搬运机器人搬运作业：用一种设备夹持工件，从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人：可以进行自动化搬运作业的工业机器人。特点：可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态工件的搬运作业，大大减轻了人类繁重的体力劳动。应用领域：广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱搬运等。搬运机器人头脑风暴---辨识工业机器人分析它们各自有什么特点，属于哪种类型，以及它们适用于哪些领域。工业机器人能够在工业生产中代替人类完成某些单调、重复的长时间作业，以及危险、恶劣环境下的作业。例如，在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，工业机器人能代替人类完成相应操作。工业机器人种类繁多，用途也有所不同。工业机器人1工业机器人2工业机器人3工业机器人4工业机器人5项目实训→收集工业机器人的相关信息不同品牌和型号工业机器人的相关信息序号品牌型号类型功能部分技术参数1ABBIRB460串联机器人码垛、拆垛、搬运物料等工作空间：2400mm自由度：4有效负载：110kg2ABBIRB365并联机器人包装、搬运和整理瓶装物品、3D

拾取、供料、边缘放置、搬运和分拣小包裹等工作空间：1100mm自由度：5有效负载：1.5kg3FANUCM-900iB/400L

工作空间：自由度：有效负载：4FANUCM-2000iA/900L

工作空间：自由度：有效负载：5KUKAKRDELTA

工作空间：自由度：有效负载：

项目实训→收集工业机器人的相关信息（续表）序号品牌型号类型功能部分技术参数6广州数控GSKRMD300

工作空间：自由度：有效负载：重复定位精度：7新松SR500A-500/2.52

工作空间：自由度：有效负载：重复定位精度：请大家查找并列举其他不同品牌和型号的工业机器人，并收集它们的类型、功能、技术参数等相关信息。随堂检测一、以下哪种工业机器人常用于汽车车身框架的点焊作业？（

）​A．装配机器人​B．焊接机器人​C．喷涂机器人​D．搬运机器人二、简述装配机器人中PUMA机器人和SCARA机器人的主要区别。B课堂小结感谢观看工业机器人技术基础目录1初识工业机器人2认识工业机器人运动学3认识工业机器人的机械部分4认识工业机器人传感器5认识工业机器人控制系统6了解工业机器人编程技术项目2认识工业机器人运动学学习目标了解矩阵概述掌握矩阵的基本运算掌握坐标系的相关知识和刚体的表示方法掌握坐标变换的三种方式了解工业机器人D-H表示法掌握工业机器人运动学的基本计算知识目标技能目标能够求解经过坐标变换后某点的坐标能够利用图解法检验变换后坐标的正确性素质目标培养爱党爱国情怀，坚定制度自信树立崇高远大的职业理想和投身国家建设的使命担当项目引入某喷涂机器人作业的水平范围是一个直径为6m的圆形区域，并可在2～4.5m的高度范围内灵活移动，其末端执行器（即喷涂枪）的精度高达。喷涂机器人能够实现如此高精度的喷涂作业，主要依赖于通过运动学分析对喷涂枪位置和姿态的精确计算。2.1工业机器人数学基础项目导航2.2坐标系及其关系描述2.4工业机器人运动学2.3坐标变换2.1工业机器人数学基础2.1.1矩阵概述→1．矩阵的定义或矩阵可以是实数可以是虚数记为2.1.1矩阵概述→1．矩阵的定义例如,则2.1.1矩阵概述→2．几种特殊形式的矩阵1）行矩阵2）列矩阵2.1.1矩阵概述→2．几种特殊形式的矩阵3）零矩阵4）方阵2.1.1矩阵概述→2．几种特殊形式的矩阵5）上三角矩阵上三角矩阵：主对角线以下均为零的方阵。6）下三角矩阵下三角矩阵：主对角线以上均为零的方阵。2.1.1矩阵概述→2．几种特殊形式的矩阵7）对角矩阵对角矩阵：除主对角线上的元素以外，其余元素都为零的方阵。8）数量矩阵数量矩阵：主对角线上元素相同的对角矩阵。2.1.1矩阵概述→2．几种特殊形式的矩阵9）单位矩阵单位矩阵：主对角线上元素全为1的数量矩阵。上三角矩阵下三角矩阵对角矩阵数量矩阵单位矩阵方阵10）同型矩阵同型矩阵：具有相同行数和相同列数的矩阵。2.1.1矩阵概述→2．几种特殊形式的矩阵11）相等矩阵12）负矩阵2.1.2矩阵的基本运算→1．矩阵的加法矩阵的加法应满足2.1.2矩阵的基本运算→2．矩阵的数乘矩阵的数乘应满足2.1.2矩阵的基本运算→3．矩阵的乘法矩阵的乘法矩阵的乘法一般不满足交换律，即一般情况下，，但仍满足下列运算规律（假定以下运算都能进行）。只有当左边矩阵的列数等于右边矩阵的行数时，两个矩阵才能相乘，否则没有意义。知识窗口随堂检测一、主对角线上元素相同的对角矩阵，称为（）。A．数量矩阵 B．单位矩阵C．同型矩阵 D．三角矩阵二、为什么矩阵乘法不满足交换律？请举例说明。A课堂小结2.2坐标系及其关系描述课堂引入工业机器人系统十分复杂，所以通常会采用坐标系来准确、清楚地描述工业机器人的位姿参数。工业机器人可以看成由一系列关节连接起来的连杆在空间组成的多刚体系统，因此研究工业机器人系统也涉及空间几何问题。人们将空间几何问题归为易于理解的代数问题，再用代数方法进行计算、证明，最终达到解决空间几何问题的目的。2.2.1坐标系的分类坐标系直角坐标系柱面坐标系球面坐标系参考坐标系关节坐标系按形式的不同2.2.1坐标系的分类→1．直角坐标系空间直角坐标系右手坐标系空间直角坐标系OXYZ（右手坐标系）：取三条互相垂直且具有一定方向和度量单位的直线建立坐标系。2.2.1坐标系的分类→2．柱面坐标系（a）点M及其投影P（b）柱面柱面坐标系2.2.1坐标系的分类→3．球面坐标系球面坐标系2.2.1坐标系的分类→4．参考坐标系参考坐标系的作用：描述工业机器人相对于其他物体的运动和工业机器人的运动路径等，其位置和方向不随工业机器人各关节的运动而变化。对工业机器人其他坐标系起参考定位的作用。参考坐标系的表示：通常采用三维空间中的固定坐标系OXYZ。参考坐标系2.2.1坐标系的分类→5．关节坐标系关节坐标系的作用：描述工业机器人每一个独立关节的运动。关节类型与末端执行器动作的关系：由于关节的类型不同，因此工业机器人末端执行器的动作也不同。关节坐标系例如如果是回转关节，那么工业机器人末端执行器将绕着关节轴旋转。2.2.2向量与坐标表示向量欧几里得向量、几何向量、矢量。即大小又有方向。表示为带箭头的线段。箭头方向代表向量的方向线段长度代表向量的大小2.2.2向量与坐标表示→1．空间点的表示空间点P的位置可以用它相对于直角坐标系的三个坐标分量来表示。空间点P在直角坐标系中的坐标a，b，c ——空间点P在直角坐标系中的三个坐标分量i，j，k ——直角坐标系三个坐标轴上的单位向量2.2.2向量与坐标表示→2．空间向量的表示向量起始于原点有向线段可以由起始点和终止点的坐标来表示。（3）也可表示2.2.3坐标系的关系描述2.2.3坐标系的关系描述→1．共原点2.2.3坐标系的关系描述→1．共原点由于两个单位向量的点积为这两个单位向量的模与它们夹角的余弦之积，因此方阵A又称为方向余弦矩阵。2.2.3坐标系的关系描述→1．共原点例2-12.2.3坐标系的关系描述→1．共原点（1）运动初始状态。根据方向余弦矩阵的基本性质可知，两个坐标系完全重合时，其方向余弦矩阵A是一个三阶单位矩阵，即解：例2-12.2.3坐标系的关系描述→1．共原点（2）运动终了状态。根据，可写出方向余弦矩阵A为解：2.2.3坐标系的关系描述→2．不共原点2.2.3坐标系的关系描述→2．不共原点矩阵M可简化为2.2.4刚体的表示方法2.2.4刚体的表示方法运动椭圆刚体A的位姿确定表示，即：随堂检测一、以下不属于工业机器人常用坐标系的是（）A．直角坐标系B．柱面坐标系C．极坐标系D．关节坐标系二、简述参考坐标系与关节坐标系的区别。C课堂小结2.3坐标变换2.3.1平移坐标变换平移坐标变换2.3.1平移坐标变换坐标平移方程平移矩阵2.3.1平移坐标变换新坐标系位姿可通过原坐标系矩阵左乘平移矩阵得到。（1）（2）方向向量经过平移后保持不变。（3）这种坐标变换便于用矩阵乘法进行变换计算，并使得到的新矩阵维数与变换前相同。平移坐标变换的特点2.3.1平移坐标变换例2-2由

得解：2.3.2旋转坐标变换基本概念：若两个坐标系共原点且坐标轴方向不同，则从一个坐标系到另一个坐标系的变换为旋转坐标变换。为简化绕轴旋转坐标变换的推导，首先假设动系与定系重合，然后将结果推广到其他的旋转及组合旋转坐标变换。2.3.2旋转坐标变换绕Z轴旋转前绕Z轴旋转后2.3.2旋转坐标变换绕Z轴旋转后旋转坐标系后的Z轴正向俯视图写成矩阵形式为可得2.3.2旋转坐标变换则2.3.2旋转坐标变换同理，可推出绕X轴旋转的旋转矩阵为则绕Y轴旋转的旋转矩阵为则2.3.2旋转坐标变换例2-3由

得解：2.3.3复合坐标变换复合坐标变换：由定系或动系的一系列沿轴平移和绕轴旋转变换所组成的。任何变换都可以分解为按一定顺序的一组平移变换和旋转变换。例如为了探讨如何处理复合坐标变换，假设动系相对于定系依次进行了以下三次变换。2.3.3复合坐标变换根据：可分别写出每次变换后的位姿矩阵，即2.3.3复合坐标变换则每次变换后，某点相对于定系的新坐标都是通过该点的原坐标左乘变换矩阵得到的。随堂检测一、平移坐标变换的特点不包括（）A．新坐标系位姿由原矩阵左乘平移矩阵得到B．方向向量平移后保持不变C．变换后矩阵维数与原矩阵相同D．需绕轴旋转一定角度二、为什么复合坐标变换中变换顺序会影响最终结果？D课堂小结2.4工业机器人运动学2.4.1工业机器人D-H表示法→1．D-H表示法概述起源与发展：1955年，Denavit和Hartenberg发表了一篇论文，此后研究人员在该论文基础上对工业机器人进行表示和建模，导出了运动学方程，并逐渐发展成为表示工业机器人和对工业机器人运动进行建模的标准方法，称为Denavit-Hartenberg表示法（D-H表示法）。2.4.1工业机器人D-H表示法→1．D-H表示法概述D-H表示法定义：是一种对工业机器人关节和连杆进行建模的方法。适用范围：可用于表示在任何坐标系中的变换，如直角坐标系、圆柱坐标系、球坐标系等。此外，它还可以用于表示全旋转的链式机器人、SCARA机器人或任何关节和连杆的组合。机器人组成假设：假设工业机器人由一系列关节和连杆组成。这些关节可能平移，也可能旋转，它们可以按任意的顺序放置并处于任意的平面上。连杆可以是任意的长度，它可能发生弯曲或扭曲，也可能处于任意的平面上。因此，任何工业机器人都可以用一组关节和连杆进行表示和建模。2.4.1工业机器人D-H表示法→2．D-H表示法的实施步骤三个关节和两个连杆的组合1）连杆参数的确定2.4.1工业机器人D-H表示法→2．D-H表示法的实施步骤1）连杆参数的确定2.4.1工业机器人D-H表示法→2．D-H表示法的实施步骤1）连杆参数的确定2.4.1工业机器人D-H表示法→2．D-H表示法的实施步骤2）连杆坐标系的建立连杆坐标系的建立规则2.4.1工业机器人D-H表示法→2．D-H表示法的实施步骤3）连杆坐标系的坐标变换上述变换过程可以通过4个变换矩阵的乘积来表示。由于所有的变换都是相对于动系的，因此所有的变换矩阵都是右乘，从而得到的结果为头脑风暴→坐标变换的应用（a）旋转前（b）绕Z轴旋转90°（c）沿X轴和Z轴分别移动1个单位（d）绕Y轴旋转90°2.4.2工业机器人运动学的基本计算→1．正向运动学计算2.4.2工业机器人运动学的基本计算→1．正向运动学计算例2-4由题意可知，求工业机器人末端执行器的位姿即求末端执行器的坐标及其与X轴的夹角。SCARA机器人为平面关节型工业机器人，两个关节轴线相互平行。解法一：2.4.2工业机器人运动学的基本计算→1．正向运动学计算例2-4由

得，工业机器人末端执行器的位姿为解法二：2.4.2工业机器人运动学的基本计算→1．正向运动学计算例2-4解法二：2.4.2工业机器人运动学的基本计算→2．逆向运动学计算逆向运动学计算应用背景：控制工业机器人时，为了令末端执行器到达空间中给定的位置并满足姿势要求，需要知道满足此位姿时各关节的角度，从而控制各关节电动机。逆向运动学计算：已知工业机器人末端执行器的位姿，求各关节变量的计算。计算特点对比：正向运动学计算简单。逆向运动学计算复杂，且存在无解或多解情况。2.4.2工业机器人运动学的基本计算→2．逆向运动学计算例2-52.4.2工业机器人运动学的基本计算→2．逆向运动学计算由题意可知，第三关节的坐标可由末端执行器的坐标求得，即解：2.4.2工业机器人运动学的基本计算→2．逆向运动学计算解：工业机器人可能的位姿项目实训→利用图解法检验变换后坐标的正确性项目实训→利用图解法检验变换后坐标的正确性1．求解变换后的坐标根据：可得，点P在定系中的坐标为项目实训→利用图解法检验变换后坐标的正确性2．检验坐标的正确性上述结果可通过下图所示的图解法进行检验。（a）旋转前（b）绕X轴旋转90°（c）沿X轴移动1个单位（d）绕Z轴旋转90°图解法项目实训→利用图解法检验变换后坐标的正确性一、已知工业机器人各关节变量，求末端执行器位姿的计算是（）。A．逆向运动学计算B．正向运动学计算C．复合运动学计算D．齐次运动学计算二、概括D-H表示法中单个连杆几何特征、相邻连杆连接关系的描述参数，分别说明各参数含义。随堂检测B课堂小结感谢观看工业机器人技术基础目录1初识工业机器人2认识工业机器人运动学3认识工业机器人的机械部分4认识工业机器人传感器5认识工业机器人控制系统6了解工业机器人编程技术项目3认识工业机器人的机械部分学习目标掌握工业机器人末端执行器的类型及特点熟悉工业机器人腕部、臂部、腰部、机座的类型及特点熟悉工业机器人的驱动器和驱动方式了解工业机器人的传动机构知识目标技能目标能够指出工业机器人机械结构系统的组成及其功能能够区分不同工业机器人机械结构系统的相同与不同之处素质目标培养开拓进取、勇于创新的精神养成团结协作的团队精神3.1末端执行器项目导航3.2腕部3.4腰部3.3臂部3.5机座3.6驱动器3.7传动机构3.1传动机构3.1.0末端执行器工业机器人的末端执行器即工业机器人的手部。安装位置：腕部末端。作用：用于直接抓握工件或执行焊接、喷涂等作业。末端执行器存在意义：对工业机器人工作完成的质量起着关键作用，是工业机器人最为重要的执行机构。通常，根据用途和结构的不同，末端执行器可分为夹持式末端执行器、吸附式末端执行器和专用工具三种类型。（a）夹持式末端执行器（b）吸附式末端执行器（c）专用工具（柔性焊枪）末端执行器的类型3.1.1夹持式末端执行器夹持式末端执行器组成：手指、驱动机构、传动机构和支架等。夹持式末端执行器原理：通过手指的开合动作实现对工件的夹持。夹持式末端执行器的结构3.1.1夹持式末端执行器手指是工业机器人直接与工件接触的部件，它的结构形式一般取决于工件的形状和特性。常用的手指类型

V形指用于夹持圆柱形工件。平面指用于夹持具有两个平行平面的方形工件、方形板或细小棒料。尖指用于夹持小型、柔性或炙热工件。特形指用于夹持形状不规则的工件。夹持式末端执行器回转型末端执行器平移型末端执行器根据手指开合动作特点的不同3.1.1夹持式末端执行器→1．回转型末端执行器在夹持式末端执行器中，回转型末端执行器应用较多，其手指为一对杠杆，可与其他部件组成复合式杠杆传动机构，用以改变传动比和运动方向。常用的回转型末端执行器类型单作用斜楔式双支点连杆式滑槽杠杆式3.1.1夹持式末端执行器→1．回转型末端执行器1）单作用斜楔式夹紧过程：斜楔向下运动，克服弹簧拉力，使手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹紧工件；松开过程：斜楔向上运动，在弹簧拉力作用下使手指松开工件。优化设计：手指与斜楔一般通过滚子接触，可以减小摩擦力，提高机械效率。单作用斜楔式回转型末端执行器3.1.1夹持式末端执行器→1．回转型末端执行器2）双支点连杆式工作原理：当驱动杆做直线往复运动时，带动连杆推动两手指各绕其支点（铰销）做回转运动，从而控制手指的松开或闭合。单作用斜楔式回转型末端执行器3.1.1夹持式末端执行器→1．回转型末端执行器3）滑槽杠杆式工作原理：驱动杆上的圆柱销嵌套在滑槽内，当驱动杆同圆柱销一起做直线往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点（铰销）做相对回转运动，从而控制手指的松开或闭合。滑槽杠杆式回转型末端执行器3.1.1夹持式末端执行器→2．平移型末端执行器平移型末端执行器通过手指的指面做直线往复运动或平面平行移动来实现松开或闭合动作，常用于夹持具有平行平面的工件，如冰箱、洗衣机等。平移型末端执行器移动机构直线往复移动机构平面平行移动机构3.1.1夹持式末端执行器→2．平移型末端执行器1）直线往复移动机构直线往复移动机构类型斜楔平移机构、杠杆平移机构、螺旋平移机构等。结构分类按手指数量：双指型、三指型、多指型按定心功能：自动定心型、非自动定心型杠杆平移机构3.1.1夹持式末端执行器→2．平移型末端执行器2）平面平行移动机构核心结构采用平行四边形铰链机构（双曲柄铰链机构）来实现手指平移。传动方法分类齿轮齿条传动蜗轮蜗杆传动连杆斜滑槽传动齿轮齿条平移机构3.1.1夹持式末端执行器→2．平移型末端执行器夹持式末端执行器最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。多指灵巧手有多个手指，每个手指有多个回转关节，每个关节的自由度都是独立控制的。因此，人类手指能完成的复杂动作它几乎都能模仿，如拧螺钉、弹钢琴、拿水杯等。多指灵巧手若再配置触觉、力觉、视觉、温度等传感器，则会达到更完美的程度。多指灵巧手的应用前景十分广泛，它可在各种极限环境下完成人类难以执行的操作，如在核辐射区域或宇宙空间中作业。知识窗口多指灵巧手3.1.2吸附式末端执行器吸附式末端执行器气吸式末端执行器磁吸式末端执行器根据吸附原理的不同3.1.2吸附式末端执行器→1．气吸式末端执行器组成：由吸盘、吸盘架及进/排气系统组成。特点：结构简单、质量轻、使用方便。应用领域：广泛应用于非金属材料（如玻璃、塑料板材等）或无剩磁材料的吸附。气吸式末端执行器对工件表面没有损伤，且对被吸附工件预定的定位精度要求不高，但要求被吸工件材质致密，没有透气空隙，工件上与吸盘接触的部位光滑、平整、洁净。工作原理：利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的。3.1.2吸附式末端执行器→1．气吸式末端执行器气吸式末端执行器真空气吸喷气式负压气吸挤压排气负压气吸3.1.2吸附式末端执行器→2．磁吸式末端执行器工作原理：利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料。适用范围：只对铁磁物体起作用。局限性：对某些不允许有剩磁的零件应禁止使用。（a）吸附滚动轴承底座（b）吸附钢板（c）吸附齿轮（d）吸附多孔钢板几种电磁式吸盘吸料示意图磁吸式末端执行器的组成电磁式吸盘防尘盖线圈壳体3.1.2吸附式末端执行器→2．磁吸式末端执行器实际应用：一般用盘式电磁铁，其衔铁是固定的，衔铁内用隔磁材料将磁力线切断。当衔铁接触铁磁零件时，零件即被磁化而形成磁力线回路，并在电磁吸力的作用下被吸住。工作原理：线圈通电后，在铁心内外产生磁场，磁力线经过铁心、气隙和衔铁形成回路。衔铁受到电磁吸力的作用被牢牢吸住。1—线圈2—铁心3—衔铁3.1.3专用工具核心特性：通用性强，可通过更换专用工具执行多样化作业。工具更换方式：通过电磁吸盘式换接器（工具快换装置）快速进行更换，从而满足用户的不同加工需求。例如通用工业机器人安装焊枪便可成为一台焊接机器人，安装拧螺母机便可成为一台装配机器人。（a）电磁吸盘式换接器（b）专用工具1—气路接口；2—电磁吸盘；3—定位销；4—电接头。电磁吸盘式换接器和专用工具随堂检测一、用于夹持圆柱形工件的手指类型是（）。A．平面指B．V形指C．尖指D．特形指二、对比气吸式末端执行器和磁吸式末端执行器的适用范围。B课堂小结3.2腕部3.2.0简介人类的手腕连接着手掌和手臂，工业机器人亦是如此。工业机器人的腕部是连接末端执行器和臂部的部件，其具有独立的自由度，作业时通过腕部调整或改变末端执行器的位姿，可使末端执行器适应复杂的动作要求。3.2.1腕部概述→1．腕部的运动形式腕部一般需要三个自由度，由三个回转关节组合而成。腕部绕臂部轴线方向的旋转运动腕部相对于臂部进行的上下、左右摆动末端执行器绕自身轴线的旋转腕部回转关节的运动形式3.2.1腕部概述→1．腕部的运动形式根据转动特点的不同特点：组成关节的两个零件回转轴线重合，可实现360°无障碍旋转。标记：用

R表示。滚转特点：组成关节的两个零件回转轴线相互垂直，受结构限制，相对转动角度小于360°。标记：用B表示。弯转腕部回转关节的转动根据使用要求的不同，腕部的自由度不一定是三个，也可以是其他数目。腕部自由度的选用与工业机器人的通用性、加工工艺要求、工件放置位置和定位精度等因素有关。知识窗口3.2.1腕部概述→2．腕部的结合方式

（a）BBR型（b）BRR型（c）RBR型

（d）BRB型（e）RBB型（f）RRR型三自由度腕部的结合方式3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理常见工业机器人的腕部RRR型三自由度腕部二自由度腕部齿轮链轮传动三自由度腕部柔顺腕部3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→1．RRR型三自由度腕部结构与运动传递：RRR型三自由度腕部的中间关节是斜置的，三根转动轴内外套在同一转动轴线上。RRR型三自由度腕部原理图最外面的转动轴套直接驱动整个腕部转动。中间的轴套驱动斜置的中间关节运动。中心轴驱动第三个滚转关节。特点与应用：制造简单，润滑条件好，机械效率高，容易实现远距离传动，应用较为普遍。3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→2．二自由度腕部设计思路：通过轴B转动实现腕摆运动，通过轴S转动实现手转运动。某种二自由度腕部原理图1，2，3，4，5，6—锥齿轮构架末端执行器末端执行器3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→2．二自由度腕部腕部的诱导运动：某种二自由度腕部原理图3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→2．二自由度腕部设计注意：在设计二自由度腕部时要注意采取补偿措施，以消除诱导运动的影响。某种二自由度腕部原理图3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→3．齿轮链轮传动三自由度腕部齿轮链轮传动三自由度腕部原理图油缸链轮3，4，12，13，14，15，16，17，18，20—锥齿轮5，6—花键轴传动轴S腕架行星架10，11，22，24—圆柱齿轮链轮21，23—双联圆柱齿轮油缸3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→3．齿轮链轮传动三自由度腕部实现腕部绕摆动轴19腕摆运动的路线为：传动轴B→圆柱齿轮24→双联圆柱齿轮21→锥齿轮20→锥齿轮16→锥齿轮17→锥齿轮18（固定轮）→腕部绕摆动轴19腕摆。当行星架9固定不动实现末端执行器手转运动的路线为：传动轴S→圆柱齿轮10→双联圆柱齿轮23→圆柱齿轮11→锥齿轮12→锥齿轮13→锥齿轮14→锥齿轮15→末端执行器手转。3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→3．齿轮链轮传动三自由度腕部行星架9增加腕部转动的自由度运动路线​：油缸1中的活塞左右移动→链轮2→锥齿轮3，4→花键轴5，6→行星架9运动。行星架9的运动可增加腕部转动的自由度行星架9运动引发的诱导运动​：腕摆运动：当行星架9运动时，由于圆柱齿轮22绕双联圆柱齿轮21和圆柱齿轮11绕双联圆柱齿轮23转动，因此圆柱齿轮22的自转通过锥齿轮20，16，17，18传递到摆动轴19，引起腕部绕摆动轴19的腕摆运动。手转运动：圆柱齿轮11的自转通过锥齿轮12，13，14，15传递到末端执行器产生手转运动。3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→4．柔顺腕部精密装配作业中，被装配零件之间的配合精度相当高。由于被装配零件的不一致性，导致工件的定位夹具、末端执行器的定位精度无法满足装配要求，产生装配困难，因此便有了对装配动作柔顺性的要求。主动柔顺装配：从检测、控制的角度，采取各种不同的传感方法，实现边校正边装配。被动柔顺装配：从结构的角度在腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。0102柔顺装配技术3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→4．柔顺腕部具有水平浮动和摆动浮动机构的柔顺腕部水平浮动机构：由平面、钢珠和弹簧构成，以实现两个方向的浮动。摆动浮动机构：由上、下球面和弹簧构成，以实现两个方向的摆动。在装配作业中，如遇夹具定位不准或末端执行器定位不准时可自行校正。在插入装配作业中，当工件局部被卡住时，阻力促使柔顺腕部进行微小的修正，工件便能顺利插入。柔顺腕部动作过程3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→4．柔顺腕部腕部结构是工业机器人中最复杂的结构之一，且因传动系统互相干扰，更增加了腕部结构的设计难度。为满足末端执行器作业时的姿态要求，腕部应轻量化，传动系统结构应简单并有利于臂部对整机的静力平衡。知识窗口随堂检测一、工业机器人腕部实现“末端执行器绕自身轴线旋转”的运动形式称为（）。A．臂转B．腕摆C．手转二、柔顺腕部为何需要水平浮动和摆动浮动机构？C课堂小结3.3臂部3.3.0课堂引入未来的你走进一家“机器人厨房”：一台机器人像顶级厨师一样，左手颠锅翻炒、右手精准调味，还能瞬间伸长手臂从高处取来调料瓶；而隔壁仓库的机器人更夸张——它“站”在角落里，却能像章鱼触手般灵活抓取远处的货物。这些神奇的操作，全都依赖工业机器人的“百变手臂”！这些“钢铁手臂”究竟藏着什么秘密？为什么有的手臂能“一柱擎天”，有的却像“九曲回廊”？今天，我们就化身“机器人工程师”，拆解工业机器人臂部的三大运动密码、四大配置形态和结构设计黑科技！3.3.1臂部概述臂部组成核心部件：臂杆、传动装置、导向定位装置、支撑连接和位置检测元件。外形结构：由回转关节、大臂和小臂组成。定义：臂部的上下运动。实现方式：采用液压缸机构或通过调整工业机器人机身在垂直方向上的安装位置。垂直移动径向移动定义：臂部的伸缩运动。作用：使臂部的工作空间发生变化。回转运动定义：臂部绕铅垂轴的运动。作用：决定了臂部所能达到的角度位置。3.3.2臂部的配置形式常见的配置形式横梁式立柱式机座式屈伸式3.3.2臂部的配置形式→1．横梁式配置基本构成与分类机座设计：机座为横梁，用于悬挂臂部机构。分类：分单臂悬挂式、双臂悬挂式。（a）单臂悬挂式（b）双臂悬挂式横梁式配置运动方式：大多为移动式。优点：占地面积小、空间利用率高、动作简单直观。横梁安装形式及位置安装形式：可固定，也可行走。安装位置：一般装在厂房原有建筑柱梁/设备上，也可从地面上架设。3.3.2臂部的配置形式→2．立柱式配置分类：较常见，分单臂式、双臂式。运动及优点：臂部可在水平面内回转；优点为占地面积小、工作空间大。（a）单臂式（b）双臂式立柱式配置安装方式：立柱可固定安装在空地上，也可固定安装在床身上。结构与功能：结构较为简单，主要承担上、下料或转运等工作。3.3.2臂部的配置形式→3．机座式配置属性：为独立的、自成系统的完整装置。分类：单臂回转式、双臂回转式、多臂回转式。特点：可随意安放和搬动。可沿地面上的专用轨道移动，扩大其活动范围。（a）单臂回转式（b）双臂回转式（c）多臂回转式机座式配置3.3.2臂部的配置形式→4．屈伸式配置构成：臂部由大臂、小臂组成，大臂与小臂间有相对运动，称为屈伸臂。分类：分平面屈伸式、立体屈伸式。（a）平面屈伸式（b）立体屈伸式屈伸式配置1—立柱2—大臂3—小臂4—腕部5—末端执行器运动实现：屈伸臂与机座一起，结合工业机器人的运动轨迹，既可实现平面运动，又可实现空间运动。3.3.3臂部结构的设计工业机器人臂部的总重量较大、受力较复杂，直接承受腕部、末端执行器和操作工具的静、动载荷，在高速运动时会产生较大的惯性力。臂部结构的设计应满足工业机器人作业空间的要求。（1）合理选择臂部截面形状，并选用高强度轻质材料。工字形截面的弯曲刚度一般比圆形截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支撑板。（2）臂部结构的设计要求3.3.3臂部结构的设计尽量减小臂部重量和整个臂部相对于回转关节的转动惯量，以减小运动时的动载荷与冲击。（3）合理设计臂部与腕部、机座的连接部位。这些连接部位直接承担臂部的动载荷与力矩传递，若结构强度不足或刚性匹配不当，则可能导致工业机器人振动加剧，进而影响末端执行器的定位精度。（4）臂部结构的设计要求工业机器人臂部的制作材料中，非金属材料主要有聚酰胺（PA）、聚醚醚酮（PEEK）和碳纤维等；金属材料以轻合金，特别是以铝合金为主。知识窗口随堂检测一、工业机器人臂部实现上下运动的自由度称为（）。A．径向移动B．垂直移动C．回转运动二、简述工业机器人臂部的三大自由度及其作用。B课堂小结3.4腰部课堂引入在未来的科幻工厂里，一台工业机器人正执行高难度任务：它要在高速旋转中，将精密零件像“穿针引线”般准确装配到移动的设备上。突然，它的“腰”没撑住，零件散落一地——这背后，藏着工业机器人“腰部”设计的哪些秘密？其实，工业机器人的腰部就像我们的“小蛮腰”，看似纤细，却承担着支撑手臂、灵活转向的重任。但与人类不同的是，它不仅要在焊接时保持纹丝不动，还要在搬运重物时灵活扭转，甚至在高速运动中精准定位。这就好比要求运动员既要像雕塑般稳定，又要像舞者般灵活！让我们一起拆解工业机器人的“钢铁之腰”，看看如何让它又稳、又轻、又灵活！腰部功能与作用腰部（立柱）：支撑臂部的部件。它既可在机座上转动，也可与机座制成一体。腰部可与臂部运动结合，将腕部移送到需要到达的工作位置。因此，腰部不仅可以帮助工业机器人获得更大的运动范围和更高的灵活性，还可以增加工业机器人的姿态调节能力，使其适应不同的作业环境。工业机器人腰部作为连接机座与臂部的核心部件，其结构设计直接影响工业机器人的负载能力、运动精度、刚性和动态性能。腰部结构的设计要求（1）选用高强度材料，如铸铁或碳纤维复合材料，以承受扭转和弯曲力矩。（2）通过拓扑优化或中空结构减轻腰部重量，在保证刚性的前提下去除冗余材料，如采用镂空支撑框架或蜂窝状内部结构。（3）需要通过动力学仿真精确计算臂部运动产生的惯性力矩，并据此优化腰部结构刚性，避免在高速运动工况下腰部变形导致末端执行器定位不精确。（4）采用多支撑轴承布局，如交叉滚子轴承与双列角接触球轴承组合，以强化腰部结构刚性。拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。知识窗口一、工业机器人腰部的主要功能是（）。A．支撑末端执行器B．连接机座与臂部，扩大运动范围C．实现直线往复运动二、简述工业机器人腰部的两大核心功能。随堂检测B课堂小结3.5机座移动式机座组成：含驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等。功能：支撑工业机器人的臂部、腕部和末端执行器。根据作业任务的要求，带动工业机器人在更广阔的空间内运动。3.5.1机座概述固定式用铆钉直接固定于地面或工作台上移动式安装在行走机构上机座3.5.1机座概述工业机器人的行走机构无固定轨迹式行走机构固定轨迹式行走机构安装在一个可移动的拖板座上，整个工业机器人可以靠丝杠螺母的驱动沿丝杠纵向移动。除此之外，此类工业机器人也可采用类似起重机梁的移动方式行走。应用场景：工作区域大的作业场合，如大型设备装配，立体化仓库中的材料搬运和堆垛，大面积喷涂等。类型：常见类型：履带式行走机构、轮式行走机构和足式行走机构等。特殊类型：步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等。3.5.2行走机构→1．履带式行走机构履带式行走机构组成支重轮拖链轮导向轮（引导轮）驱动轮履带行走架张紧装置行走液压马达减速机履带式行走机构的结构1—导向轮2—张紧装置3—行走架3—行走架5—履带6—拖链轮7—驱动轮8—行走液压马达和减速机3.5.2行走机构→1．履带式行走机构履带式行走机构特点（1）支撑面积大，接地比压小，下陷度小，滚动阻力小，适合在松软或泥泞场地作业。（2）越野机动性好，可以在凹凸不平的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不大的台阶，爬坡、越沟等性能优越。（3）履带支撑面上有履齿，因此不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。（4）没有自定位轮和转向机构，只能靠左右两个履带的速度差实现转弯，因此转向和前进方向都会产生滑动，且转弯阻力大，不能准确地确定回转半径。（5）结构复杂、重量大、运动惯性大、减振功能差，零件容易损坏。3.5.2行走机构→2．轮式行走机构应用场景：平坦的地面上。轮式行走机构在工业机器人中的应用车轮类型与适用场景车轮类型适用地面实心钢轮轨道