机器人技术基础及应用 课件 项目二 认识机器人运动控制

机器人技术基础及应用项目二认识工业机器人运动控制

任务一认识工业机器人位姿目录任务工单2任务提出1任务准备3任务总结5任务实施4一、任务提出任务提出机器人运动学研究包含两类问题:一类是机器人的关节变量已知，用正向运动学来确定机器人末端执行器的位姿，即正运动学分析问题;另一类是使机器人的末端执行器放特定的位置上，并且具有特定的姿态，用逆向运动学来计算出每一个关节变量的值，即运动学分析问题。正问题的解简单且唯一，逆问题的解是复杂的，且具有多解性，求解时需要技巧和经验。二、任务工单任务工单项目名称项目二

初识工业机器人运动控制任务名称任务一

初识工业机器人位姿实训场地

实训设备

学

时

班

级

学号

姓

名

工位号

知识目标（1）了解工业机器人运动学的主要问题。（2）了解工业机器人点的位置。（3）了解工业机器人的坐标系方位。（4）了解工业机器人刚体、末端执行器的位姿描述。技能目标（1）能够计算工业机器人的刚体位姿。素质目标（1）增长见闻、关注行业；（2）安全生产、提高效率；（3）文明生产、保证质量；（4）提升自信、服务产业。任

务

内

容1.工业机器人运动学的主要问题。

2.计算工业机器人刚体的位姿描述。

3.描述工业机器人末端执行器位姿的四要素。三、任务准备（一）思维导图三、任务准备（二）知识详解1.点的位置在直角坐标系

中，空间任一点的位置可用3×1的位置矢量

表示，。位置矢量可表示为

三、任务准备2.坐标系方位（二）知识详解相对于坐标系三、任务准备2.坐标系方位（二）知识详解相对于坐标系三、任务准备3.齐次坐标（二）知识详解三、任务准备3.齐次坐标（二）知识详解三、任务准备4.刚体的位姿描述（二）知识详解三、任务准备4.刚体的位姿描述（二）知识详解三、任务准备4.刚体的位姿描述（二）知识详解三、任务准备5.机器人末端执行器位姿（二）知识详解四、任务实施1.填空题（1）实际结构中，关节由驱动器驱动，驱动器一般要通过

（如用电动机或马达驱动）或机构（如用液压缸）来驱动操作臂运动，实现要求的关节运动。（2）Denavit和Hartenberg提出一种通用的方法，用一个4x4的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而推导出“

”相对于“固定坐标系”的齐次变换矩阵，建立操作臂的运动方程。（3）如果4×1列阵中的第4个元素为0，且，则表示某

（或某轴）的方向。（4）如果4×1列阵中的第4个元素不为

，则表示空间某点的位置。（5）由于机器人的每一个连杆均可视为一个刚体，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唯一确定的，可以用唯一的一个

矩阵进行描述。四、任务实施2.判断题（1）工业机器人逆向运动学是工业机器人控制的基础，正向运动学又是逆向运动学的基础。（）（2）工业机器人相邻连杆之间的相对运动不是旋转运动就是平移运动，这种运动体现在连两个连杆的关节上。（）（3）物理上的旋转运动或平移运动在数学上可以用矩阵代数来表达，这种表达称为坐标变换。（）（4）工业机器人关节在开链机构简图中，关节符号只表示了运动关系。（）（5）工业机器人关节变量的改变导致连杆的运动，从而导致手爪位姿的变化。（）四、任务实施3.技能实践1.计算题五、任务总结01020304任务提出任务工单任务准备任务实施19感谢聆听！机器人技术基础及应用教研室：机器人技术

项目二认识工业机器人运动控制

任务二认识工业机器人齐次变换目录任务工单2任务提出1任务准备3任务总结5任务实施4一、任务提出任务提出研究工业机器人动力学与运动学时，首先要了解工业机器人平移运动、旋转运动和复合运动力学矩阵的齐次变换原理，并进行相关分析。二、任务工单任务工单项目名称项目二

认识工业机器人运动控制任务名称任务二

认识工业机器人齐次变换实训场地

实训设备

学

时

班

级

学号

姓

名

工位号

知识目标（1）了解工业机器人齐次变换原理。（2）分析工业机器人齐次变换。技能目标（1）能够分析工业机器人齐次变换。素质目标（1）增长见闻、关注行业；（2）安全生产、提高效率；（3）文明生产、保证质量；（4）提升自信、服务产业。任

务

内

容1.工业机器人的齐次变换。

三、任务准备（一）思维导图三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人齐次变换原理用连杆的初始位姿矩阵乘以齐次变换矩阵，即可得到经过多次变换后该连杆的最终位姿矩阵。通过多个连杆位姿的传递，可以得到机器人末端执行器的位姿，即进行机器人正运动学分析。三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人齐次变换原理三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人齐次变换原理三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人齐次变换原理三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人齐次变换原理三、任务准备2.分析工业机器人齐次变换（二）知识详解四、任务实施1.填空题（1）在工业机器人中，连杆的运动包括

运动、

运动和

运动。（2）通过多个连杆位姿的传递，可以得到机器人末端执行器的

，即进行机器人正运动学分析。（3）点在空间直角坐标系的平移变换，若算子

，表示点的平移是相对动坐标系进行的坐标变换。（4）一般旋转齐次变换通式，概括了绕

、

、

轴进行

变换的情况。（5）一般旋转齐次变换通式左乘是相对

坐标系的变换。四、任务实施2.判断题（1）工业机器人每次简单的运动用一个变换矩阵来表示，则多次运动即可用多个变换矩阵的积来表示，表示这个积的矩阵称为齐次变换矩阵。（）（2）点在空间直角坐标系的平移变换，若算子左乘，表示点的平移是相对固定坐标系进行的坐标变换。（）（3）点在空间直角坐标系的平移变换适用于机器人末端执行器的平移变换。（）（4）一般旋转齐次变换公式的变换算子公式适用于点的旋转变换，不适用于矢量、坐标系、物体的旋转变换。（）（5）一般旋转齐次变换通式右乘是相对动坐标系的变换。（）四、任务实施3.技能实践1.计算题：（1）已知坐标系中点的位置矢量，将此点绕轴旋转45°，再绕轴旋转60°，如右图所示。求旋转变换后所得的点。五、任务总结01020304任务提出任务工单任务准备任务实施36感谢聆听！机器人技术基础及应用教研室：机器人技术

项目二认识工业机器人运动控制

任务三认识工业机器人连杆参数及其坐标变换目录任务工单2任务提出1任务准备3任务总结5任务实施4一、任务提出任务提出研究工业机器人动力学与运动学时，了解工业机器人力学矩阵齐次变换原理后，需了解其各关节之间的连杆参数建立坐标，并对其力学矩阵进行相应的坐标变换。二、任务工单任务工单项目名称项目二

初识工业机器人运动控制任务名称任务三

初识工业机器人连杆参数及其坐标变换实训场地

实训设备

学

时

班

级

学号

姓

名

工位号

知识目标（1）了解工业机器人连杆参数。（2）了解工业机器人建立连杆坐标系规则。技能目标（1）能够列举工业机器人的坐标系。素质目标（1）增长见闻、关注行业；（2）安全生产、提高效率；（3）文明生产、保证质量；（4）提升自信、服务产业。任

务

内

容1.工业机器人的连杆参数。

2.工业机器人的坐标系。

3.工业机器人的建立连杆坐标系规则。

三、任务准备（一）思维导图三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人的连杆参数工业机器人的各杆件尺寸、运动副类型、杆件相互关系（包括位移关系、速度关系和加速度关系）等的研究，需要首先建立相邻连杆之间的相互关系，即建立连杆坐标系。三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人的连杆参数三、任务准备2.工业机器人坐标变换（二）知识详解（1）建立连杆坐标系的规则三、任务准备2.工业机器人坐标变换（二）知识详解（2）连杆的参数及坐标系三、任务准备2.工业机器人坐标变换（二）知识详解（3）连杆坐标系变换的步骤三、任务准备2.工业机器人坐标变换（二）知识详解（4）齐次变换矩阵四、任务实施1.填空题（1）一般选取坐标系

为

，与机器人基座固接，作为参考坐标系，（2）坐标系

用来描述其他连杆坐标系的位置和方位。（3）工业机器人连杆的轴按

法则确定。（4）工业机器人的各杆件尺寸、运动副类型、杆件相互关系（包括位移关系、速度关系和加速度关系）等的研究，需要首先建立相邻连杆之间的相互关系，即建立连杆

。（5）基坐标系可任意规定，为了简化方便，通常选择z轴沿关节轴1的方向，并且当关节1变量为

时，

与

重合。四、任务实施2.判断题（1）建立工业机器人连杆，连杆坐标系的坐标原点位于关节轴线上，是关节的关节轴线与和关节轴线公垂线的交点。（）（2）工业机器人连杆的转角是转动关节为变量，移动关节为常量。（）（3）工业机器人连杆的距离是转动关节为常量，移动关节为变量。（）（4）工业机器人连杆的长度是尺寸参数，为常量。（）（5）工业机器人连杆的扭角按照右手法则判断。（）四、任务实施3.技能实践1.计算题：（1）坐标系

到坐标系

的变换步骤。。五、任务总结01020304任务提出任务工单任务准备任务实施53感谢聆听！机器人技术基础及应用教研室：机器人技术

项目二认识工业机器人运动控制

任务四认识工业机器人动力学与运动学目录任务工单2任务提出1任务准备3任务总结5任务实施4一、任务提出任务提出本任务主要研究工业机器人的动力学与运动学。动力学研究包括:机器人各关节的作用力矩(或力)已知，求解机器人各关节的位移、速度和加速度(即运动轨迹)的正动力学问题分析；以及已知机器人各关节的位移、速度和加速度，求解所需要的关节驱动力矩(或力)的逆动力学问题分析。二、任务工单任务工单项目名称项目二

初识工业机器人运动控制任务名称任务四

初识工业机器人动力学与运动学实训场地

实训设备

学

时

班

级

学号

姓

名

工位号

知识目标（1）了解工业机器人动力学。（2）了解工业机器人运动学方程。（3）了解分析工业机器人正、逆运动学。技能目标（1）能够分析工业机器人正运动学实例。素质目标（1）增长见闻、关注行业；（2）安全生产、提高效率；（3）文明生产、保证质量；（4）提升自信、服务产业。任

务

内

容1.工业机器人正、逆动力学问题。

2.分析工业机器人逆运动学实例

3.工业机器人逆运动学三、任务准备（一）思维导图三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人动力学1）正动力学问题2)逆动力学问题。三、任务准备（二）知识详解三、任务准备2.工业机器人运动学方程（二）知识详解三、任务准备2.工业机器人运动学方程（二）知识详解三、任务准备（二）知识详解3.分析工业机器人正运动学实例1）平面关节机器人的运动学方程

SCARA装配机器人的坐标系a）坐标系一b）坐标系二三、任务准备（二）知识详解3.分析工业机器人正运动学实例1）平面关节机器人的运动学方程

SCARA装配机器人的连杆参数三、任务准备（二）知识详解3.分析工业机器人正运动学实例1）平面关节机器人的运动学方程三、任务准备（二）知识详解3.分析工业机器人正运动学实例1）平面关节机器人的运动学方程三、任务准备（二）知识详解3.分析工业机器人正运动学实例1）平面关节机器人的运动学方程例题：三、任务准备（二）知识详解3.分析工业机器人正运动学实例2)斯坦福(STANFORD)机器人的运动学方程坐标系三、任务准备（二）知识详解3.分析工业机器人正运动学实例2)斯坦福(STANFORD)机器人的运动学方程连杆参数三、任务准备（二）知识详解4.分析工业机器人逆运动学实例1）解可能不存在如右图所示的3自由度平面关节型机械手，假如给定末端执行器位置矢量

位于外半径为,与内半径为

的圆环之外，则无法求出逆解

及

即该逆解不存在。三、任务准备（二）知识详解4.分析工业机器人逆运动学实例2）解的多重性如右图a所示，是一个2自由度平面关节型机械手出现两个逆解的情况。对于给定的在机器人工作域内的未端执行器位置，可得两个逆解。末端执行器是不能以任意方向到达目标点的。如右图b所示，增加一个手腕关节自由度，3自由度平面关节机械手即可实现末端执行器以任意方向到达目标点。ab三、任务准备（二）知识详解4.分析工业机器人逆运动学实例3）求解方法的多样性从计算方法的计算效率、计算精度等要求出发，选择较好的解法。根据具体情况，在避免碰撞的前提下，按“最短行程”的原则来择优，使每个关节的移动量最小。由于工业机器人连杆的尺寸大小不同，因此，应遵循“多移动小关节、少移动大关节”的原则。四、任务实施1.填空题（1）已知机器人各执行器的驱动力或力矩，求解机器人关节变量在关节变量空间的轨迹或末端执行器在笛卡尔空间的轨迹，称为

动力学问题。（2）SCARA装配机器人一般具有一个肩关节、一个

和一个腕关节，且3个关节的轴线是相互平行的。（3）大部分机器人动力学问题均可采用

方程求解。（4）机器人逆运动学求解有多种方法，一般分为

和数值解两类。（5）由于工业机器人连杆的尺寸大小不同，因此，应遵循“多移动

关节、少移动

关节”的原则。四、任务实施2.判断题（1）牛顿-欧拉法运算量最小。（）（2）已知机器人在关节变量空间的轨迹，或末端执行器在笛卡尔空间的轨迹（轨迹已被规划），求解机器人各执行器的驱动力或力矩，称为机器人动力学方程的反面求解，简称为逆动力学问题。（）（3）机器人的逆运动学问题不可能出现多解。（）（4）凯恩动力学法运算量最小、效率最高、处理闭链机构的机器人动力学方面有一定的优势。（）（5）正向运动学是已知机器人各个关节的变量，建立运动学方程，求解末端执行器的位姿。（）四、任务实施3.技能实践1.计算题：（1）图2-4-1所示，当转角变量分别为

，

，

时、根据平面型机器人的运动学方程，求出运动学正解。五、任务总结01020304任务提出任务工单任务准备任务实施78感谢聆听！机器人技术基础及应用教研室：机器人技术

项目二认识工业机器人运动控制

任务五认识工业机器人轨迹规划目录任务工单2任务提出1任务准备3任务总结5任务实施4一、任务提出任务提出本任务在了解工业机器人运动学与动力学后，研究工业机器人在执行作业任务时应预先在关节坐标或者直角坐标下，规划其路径与运动轨迹。二、任务工单任务工单项目名称项目二

初识工业机器人运动控制任务名称任务五

初识工业机器人轨迹规划实训场地

实训设备

学

时

班

级

学号

姓

名

工位号

知识目标（1）了解工业机器人路径和轨迹。（2）了解工业机器人轨迹规划。技能目标（1）能够绘制工业机器人作业空间、末端执行器、关节的轨迹规划的原理图。素质目标（1）增长见闻、关注行业；（2）安全生产、提高效率；（3）文明生产、保证质量；（4）提升自信、服务产业。任

务

内

容1.工业机器人路径和轨迹概念。

2.绘制工业机器人作业空间的轨迹规划的原理图。

3.绘制工业机器人末端执行器的轨迹规划的原理图。

4.绘制工业机器人关节的轨迹规划的原理图。

三、任务准备（一）思维导图三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人路径和轨迹连接起点位置和终点位置的序列点或曲线称为路径。路径规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。轨迹则与何时到达路径中的每个部分有关，强调的是时间。三、任务准备2.工业机器人轨迹规划（二）知识详解（1）轨迹规划轨迹是指工业机器人在工作过程中的运动轨迹，即运动点的位移、速度和加速度。对机器人的任务进行描述，即运动轨迹的描述。根据已经确定的轨迹参数，在计算机上模拟所要求的轨迹。对轨迹进行实际计算，即在运行时间内按一定的速率计算出位置、速度和加速度从而生成运动轨迹。规划是一种问题求解方法，即从某个特定问题的初始状态出发，构造一系列操作步骤（或算子），以达到解决问题的目标状态。三、任务准备2.工业机器人轨迹规划（二）知识详解（2）轨迹规划的一般问题：对机器人的任务进行描述，即运动轨迹的描述。根据已经确定的轨迹参数，在计算机上模