工业机器人离线编程与仿真技术 课件-CH2 基础知识与概念

离线编程技术与仿真2025年11月7日

目录1机器人坐标系与工件位姿2机器人工作空间与可达空间3CP轨迹与PTP规划规划4轨迹插补与组合轨迹5POS点及Home点6更多内容…

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机器人坐标系机器人参数控制轴数、有效载荷、最大负荷、最远可达距离、重复定位精度、功率、各轴最大运动角度、最大角速度、最大角加速度、转动惯量、关节长度，…位置描述通过设定坐标系，描述机器人、工件或夹具等在这个坐标系中的位置和相对位置关系坐标系分类固定坐标系(惯性坐标系)机器人坐标系工具坐标系工件坐标系

机器人坐标系XtYtOtZtZrZcYcOcXcXrOrYrZYOX固定坐标系{OXYZ}一般固定在地面或某个固定不动平面上,{XOY}为水平面，OZ轴垂直{XOY}平面向上机器人坐标系{OrXrYrZr}一般固定在机器人底座上的表面或下表面，原点Or一般为机器人底座上表面或下表面的中心，OrZr一般垂直{XtOtYt}平面向上工具坐标系{OtXtYtZt}可按照安装的夹具和实际工况需要设定；在没有安装末端执行器时，工业机器人默认的工具坐标系的OtZt轴一般沿第五轴的轴向向外，在第五轴处于零位时，{XtOtYt}平面与末端面重合，OtYt轴水平。工具坐标系一般简称为TCP坐标系，原点Ot一般称为TCP点；工件坐标系{OcXcYcZc}根据工件形状和具体的作业确定右手法则，OZ=OX×OY

机器人坐标系固定坐标系{OXYZ}一般固定在地面或某个固定不动平面上,{XOY}为水平面，OZ轴垂直{XOY}平面向上机器人坐标系{OrXrYrZr}一般固定在机器人底座上的表面或下表面，原点Or一般为机器人底座上表面或下表面的中心，OrZr一般垂直{XtOtYt}平面向上工具坐标系{OtXtYtZt}可按照安装的夹具和实际工况需要设定；在没有安装末端执行器时，工业机器人默认的工具坐标系的OtZt轴一般沿第五轴的轴向向外，在第五轴处于零位时，{XtOtYt}平面与末端面重合，OtYt轴水平。工具坐标系一般简称为TCP坐标系，原点Ot一般称为TCP点；工件坐标系{OcXcYcZc}根据工件形状和具体的作业确定

工件位姿工件位姿位置描述姿态描述绝对位置相对位置齐次变换惯性坐标系中描述其他坐标系中描述惯性坐标系中描述其他坐标系中描述齐次变换

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机器人工作空间作用衡量机器人活动范围，与机器人运动学、逆解及运动规划等相关概念机器人在不安装末端执行器时，作为参考点的第五轴的轴心可以达到空间点的最大集合和范围。也称工作范围；影响因素机器人构型、关节运动范围、基座安装方式、…基本形状直角坐标型机器人矩形六面体圆柱坐标型机器人开口空心圆柱体极坐标型机器人关节式工业机器人空心球面体，扇形截面旋转而成的空心开口截锥体空间形状复杂的球体直观表示侧视图直角坐标型机器人垂直面内投影，最大的工作空间及极限范围时的包络线水平面内投影，一般给出旋转角度范围，特别是第一轴

机器人工作空间可达工作空间灵巧工作空间全工作空间机器人末端可达点的集合在满足给定位姿时机器人末端可达点的集合给定所有位姿时，机器人末端可达点的集合工作空间∪∪

机器人工作空间一种机器人的工作空间示例

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目录CP轨迹与PTP轨迹CP轨迹ContinuousPoint轨迹，连续轨迹数学描述名称固定坐标系，方程z=f(x,y)，连续和可导典型应用点焊和弧焊机器人PTP轨迹名称数学描述典型应用PointToPoint轨迹，离散点轨迹固定坐标系，f(x,y)点，特定间隔得到的离散点焊接机器人离散

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目录轨迹插补与组合轨迹轨迹插补CP轨迹或PTP轨迹上的离散点未必全部可用方法原因删除不可用点，重新组成新轨迹；五次样条插补算法考虑因素可达空间、关节运动范围、速度连续性、最大速度、…组合轨迹名称若干条轨迹组合而成，来自轨迹插补两种情形两条独立PTP轨迹或CP轨迹一条连续的PTP或CP轨迹邻近端点处插补删除未在全工作空间内的工作点分割为若干较短轨迹

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目录POS点及Home点POS点定义两条独立的PTP轨迹或CP轨迹中间插入的、用于将其连接为一条连续工作轨迹的工作点，一般位于轨迹端点附近作用机器人在两点间走直线时，插入POS点可有效避免机器人及工具与工件间的碰撞激光切割等作业一般包含打孔和切割等多个工序，若打孔位置在切割轨迹上，将直接影响切割面的质量，插入POS点可解决打孔和切割轨迹的干涉问题将多个独立PTP轨迹或CP轨迹连接为一条连续的工作轨迹时，插入POS点后将生成一条连续的PTP轨迹或CP轨迹Home点定义机器人工作前和工作结束后停留的位置，即工作轨迹的起点和终点工作轨迹=Home点+若干POS点Home点Home点

6机器人运动学逆解7计算机图形学8通用图形格式9工作站及工作站库10后置11更多内容…

目录机器人运动学逆解定义机器人运动学问题的逆过程功能机器人末端执行器处于特定位姿时，求解各关节转角数学表达式待求的各关节转角机器人雅可比矩阵机器人末端执行器位姿存在条件满秩

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目录计算机图形学计算机技术与CAD技术的结合使用矩阵运算等数学方法将设计人员设计的二维和三维图形转化为计算机显示器可显示的栅格形式的科学研究内容如何使用计算机表示图形、利用计算机进行图形运算、处理和显示的相关原理与算法机器人、基座、末端执行器及工作站等实物上点、线、面、体、场的数学构造方法及图形显示技术理论基础:矩阵运算和变换机器人离线编程与仿真技术图形学方面的基础任务表示 机器人、基座、末端执行器及工作站等三维实物在离线编程与仿真虚拟空间中的建模问题绘制将计算机中已建模的机器人、基座、末端执行器及工作站等以直观形象的图形、图像或动画表现出来交互

使用鼠标、键盘等计算机输入装置和显示器等输出设备，以有效高效方式实现“表示”与“绘制”的技术

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目录VRML通用图形格式VRML(VirtualRealityModelingLanguage)文件格式一种三维建模描述性语言虚拟现实中使用的实时3D着色引擎可作为在三维建模和动画应用中预先对前方场景进行着色的应用程序独立运行具有分布式、多媒体集成及场景逼真等基本特征多种对象类型立方体(Cube)、球(Sphere)、纹理映射(TextureMap)和变换(Transformation)等，及描述各自对象的参数新对象节点(Node)，用于三维图形描述，支持材质、颜色及光照等常见属性场景图(SceneGraph)，用于节点的层次结构和顺序分隔符(Separator)，可将部分场景与其他部分独立采用类似C语言的结构化数据STL通用图形格式STL(stereolithography)文件格式用于快速原型制造技术的三维图形文件格式和接口协议构成:多个三角形面片每个三角形面片定义包括三角形各顶点的三维坐标及面片法矢量文件类型文本(ASCII)格式二进制(Binary)格式缺点格式简单，只能通过封闭的面或体文件描述三维物体的几何信息不支持颜色、材质及光照等信息和属性不能表达几何体间的拓扑关系和信息对于结构复杂零件，模型拓扑运算较为繁琐，重构时间较长STEP通用图形格式STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)文件格式国际标准化组织工业数据分技术委员会(ISO/TC184/SC)制订，国际统一CAD数据交换标准提供产品数据的公共资源和应用模型，包含几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据元素规定了产品在生命周期内唯一的描述和计算机可处理的信息表达形式应用广泛，建筑、机械、电气、电子及船体等众多工程领域产品信息建模技术，又是面向对象思想方法的软件实施技术数据范围广、精度高、技术先进、易于集成四个层次数据共享实现方法:ASCII码文件、访问内存结构数据的应用程序界面、共享数据库及共享知识库两种版本AP203 支持实体和面的输入、输出，提供“配置控制设计”功能，不支持颜色设定功能AP214支持实体和面的输入、输出，且支持颜色设定功能IGES通用图形格式IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)文件格式美国信息管理委员会规定的一种文件格式基础:波音公司CAD/CAM集成信息网络、通用电气公司中心数据库和其他各种数据交换格式不同三维机械设计软件系统间的文件转换、传递和共享有IGES4.0和IGES5.0版本构成标志(Flag)段开始(Start)段全局(Global)段元素索引(DirectoryEntry)段参数数据(ParameterData)段结束(Terminate)段(仅出现在二进制或压缩ASCII文件格式)

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目录工作站及工作站库工作站定义为实现具体的焊接、涂装、搬运或其他作业而需要的机器人、生产线、夹具、工具、工件及其他所需设备的总称和集合功能进行与实际工况相关的TCP校准、工件校准、轨迹生成、插入POS点及仿真等核心作业的设计与仿真验证，确保机电自动化控制系统的仿真可靠性方法特定比例缩微后的实际场景工作站库采用数据库管理方式的机器人、生产线、夹具、工具、工件及其他设备的集合定义优点便于数据组织、管理、维护、更新、检索及升级分类机器人模型库工具模型库设备模型库