机器人技术基础及应用 课件 项目1、2 认识工业机器人、认识机器人运动控制

机器人技术基础及应用项目一认识工业机器人

任务一

初识工业机器人定义与发展目录任务工单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

汽车行业大量使用工业机器人进行汽车的搬运、涂胶、装配、焊接、喷涂等工艺生产。通过本次任务学习可以了解工业机器人的定义与发展。二、任务工单任务工单项目名称项目一

认识工业机器人任务名称任务一

初识工业机器人定义与发展实训场地

实训设备

学

时

班

级

学号

姓

名

工位号

知识目标（1）了解工业机器人定义。（2）了解工业机器人特征。（3）了解工业机器人的发展。技能目标（1）能够根据机器人的发展趋势和三原则，思考未来工业机器人的发展与应用情况，可举案例。任

务

内

容1.工业机器人的定义。

2.工业机器人的基本特征。

3.工业机器人的发展三原则。

4.工业机器人发展情况。

三、任务准备（一）思维导图三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人定义中国一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或者生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

国际标准化组织（ISO）一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。日本机器人协会（JIRA）一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。美国机器人协会（RIA）一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能操作机。美国国家标准局（NBS）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。三、任务准备2.机器人基本特征（二）知识详解三、任务准备3.机器人发展使用的原因（二）知识详解三、任务准备4.机器人发展使用的原则（二）知识详解三、任务准备（1）机器人的诞生5.机器人的发展情况（二）知识详解三、任务准备（2）工业机器人发展情况5.机器人的发展情况（二）知识详解三、任务准备（2）工业机器人发展情况1）国际发展现状5.机器人的发展情况（二）知识详解三、任务准备（2）工业机器人发展情况2）国内发展趋势5.机器人的发展情况①中国科学院机器人“十二五”规划研究

开展高速、高精、智能化工业机器人技术的研究工作，建立并完善新型工业机器人智能化体系结构;

研究高速、高精度工业机器人控制方法并研制高性能工业机器人控制器，实现高速、高精度的作业;针对焊接，喷等作业任务，研究工业机器人的智能化作业技术，研制自动焊接工业机器人、自动喷涂工业机器人样机，并在汽车制造行业、焊接行业开展应用示范。（二）知识详解三、任务准备（2）工业机器人发展情况2）国内发展趋势5.机器人的发展情况②发展思路

第一步，2012-2020年，基本平及数控化，在若干领域实现智能制造装备产业化，为我国制造模式转变奠定基础;

第二，2021-2030年，全面实现数字化，在主要领域全面推行智能制造模式，基本形成高端制造业的国际竞争优势。（二）知识详解四、任务实施1.选择题（1）工业机器人一般具有的基本特征是（

）。

A.拟人性B.特定的机械机构C.不同程度的智能D.独立性E.通用性（2）按基本动作机构，工业机器人通常可分为（

）。

A.直角坐标机器人B.柱面坐标机器人C.球面坐标机器人D.关节机器人

（3）机器人行业所说的四巨头指的是（

）。

A.KUKAB.ABBC.FANUCD.YASKAWA四、任务实施2.填空题（1）国际工业机器人技术日趋成熟，基本沿着两个路径在发展：一是模仿人的_______，实现多维运动，在应用上比较典型的是点焊、弧焊机器人；二是模仿人的_______，实现物料输送、传递等搬运功能，例如搬运机器人。（2）近年来,工业机器人技术正向

、

、

、微型化、多功能化及高性能化方向发展,以适应多样化、个性化的需求,并向更庞大、更宽广的应用领域发展。（3）目前在我国应用的工业机器人主要分为_______、_______和国产三种。

四、任务实施3.判断题（1）工业机器人是一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机。（

）

（2）发展工业机器人的主要目的是在不违背“机器人三原则”前提下，用机器人协助或替代人类从事一些不适合人类甚至超越人类的工作，把人类从大量的、繁琐的、重复的、危险的岗位中解放出来，实现生产自动化、柔性化，避免工伤事故和提高生产效率。（

）

（3）我国研制自动焊接工业机器人、自动喷涂工业机器人样机,并在汽车制造行业、焊接行业开展应用示范。（

）

四、任务实施4.技能实践1.思考题：（1）根据机器人的发展趋势和三原则，思考未来工业机器人的发展与应用情况，可举案例（不少于三个）。五、任务总结01020304任务提出任务工单任务准备任务实施20感谢聆听！机器人技术基础及应用教研室：机器人技术

项目一认识工业机器人

任务二

认识工业机器人分类目录任务工单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

汽车行业大量使用工业机器人进行汽车的搬运、涂胶、装配、焊接、喷涂等工艺生产。通过本次任务学习可以了解工业机器人的分类。二、任务工单任务工单项目名称项目一

认识工业机器人任务名称任务二

初识工业机器人分类实训场地

实训设备

学

时

班

级

学号

姓

名

工位号

知识目标（1）了解工业机器人分类方式。（2）了解工业机器人以技术等级、机械特征、机械结构、驱动方式、控制方式、应用领域等划分的情况。技能目标（1）能够列举工业机器人的应用。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.工业机器人的分类方式。

2.工业机器人的技术等级划分情况。

3.工业机器人的机械特征划分情况。

4.工业机器人的机械结构划分情况。

5.工业机器人的驱动方式划分情况。

6.工业机器人的控制方式划分情况。

7.工业机器人的应用领域划分情况。

三、任务准备（一）思维导图三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人的分类三、任务准备2.工业机器人技术等级划分（二）知识详解三、任务准备2.工业机器人技术等级划分（二）知识详解（1）示教再现机器人三、任务准备2.工业机器人技术等级划分（二）知识详解（2）感知机器人

感知机器人是第二代工业机器人，具有环境感知装置，可通过反馈控制使其在一定程度上适应环境的变化，目前已经大量应用三、任务准备3.工业机器人机械特征划分（二）知识详解三、任务准备3.工业机器人机械特征划分（二）知识详解（1）直角坐标机器人定义：一种基于笛卡尔直角坐标系设计的工业机器人。特征：由3个相互垂直的直线运动轴（X轴：水平横向，Y轴：水平纵向，Z轴：垂直升降）构成基础框架，轴间通过导轨和传动机构连接，形成“直角坐标系”运动结构；运动轨迹以直线、平面或立方体空间内的规则路径为主。优点：结构简单、定位精度高、空间轨迹易于求解。缺点：动作范围相对较小、设备空间因数较低。

示意图

实物图三、任务准备3.工业机器人机械特征划分（二）知识详解（2）柱面坐标机器人定义：一种基于柱面坐标系设计的工业机器人。特征:整体结构中，旋转轴是“核心定位轴”，径向和垂直轴为“辅助调整轴”；其运动基于柱面坐标的三个参数协同；工作空间为圆柱形或空心圆柱形区域。优点:结构简单、刚性好等。缺点:动作范围有限、只能沿轴线运行、空间利用率低。

示意图

实物图

三、任务准备3.工业机器人机械特征划分（二）知识详解（3）球面坐标机器人定义：一种基于球面坐标系设计的工业机器人，其运动空间由球面坐标定义。特征：以“水平旋转+俯仰摆动+径向伸缩”为核心的三轴结构，覆盖球形或部分球形工作空间，擅长三维立体空间内的多角度作业。优点：工作空间范围大、结构相对紧凑、控制逻辑直观、算法简单、对特定任务效率更高。缺点：定位精度有限、误差易累积、复杂轨迹跟踪能力弱、刚性与负载能力受限、维护要求较高、应用场景较局限。

示意图

实物图

三、任务准备3.工业机器人机械特征划分（二）知识详解（4）关节坐标机器人三、任务准备3.工业机器人机械特征划分（二）知识详解（4）关节坐标机器人1）垂直多关节机器人定义：一种以多个旋转关节为核心结构、模拟人类手臂运动形态的工业机器人。特征：仿人手臂的多旋转关节串联结构，3-6轴高自由度，覆盖不规则三维工作空间，擅长复杂轨迹与多姿态作业。优点：高灵活性与复杂作业能力、仿生结构的空间适应性、高精度与姿态控制能力、通用性强。缺点：刚性不足与负载限制、控制复杂、成本较高、维护难度与寿命限制、工作空间边缘性能下降。示意图

实物图三、任务准备3.工业机器人机械特征划分（二）知识详解（4）关节坐标机器人2）水平多关节机器人定义：是一种以水平方向旋转关节为核心、兼具垂直方向线性运动的工业机器人，又称SCARA机器人。特征：结构精简的4轴设计，聚焦水平面内的高速、高精度、高节拍作业，兼具水平柔顺性与垂直刚性。优点：高速高效、适合平面内快速作业、平面定位精度高、垂直方向刚性强、适合精密装配、结构紧凑、空间利用率高。缺点：工作空间受限、垂直方向运动能力弱、刚性依赖臂长、重载能力有限、环境适应性较弱。示意图

实物图三、任务准备4.工业机器人机械结构划分（二）知识详解（1）串联机器人定义：一种以机械结构使用串联机构实现的机器人。特征：通过多个关节与连杆依次串联形成开链式结构，具有实现复杂轨迹的能力，其工作空间是三维叠加的不规则体积，如图1-2-13所示。优点：结构简单、易操作、灵活性强、工作空间大等。缺点：末端定位精度较低、刚性差、动态响应较慢、高速运动时易出现振动、维护成本和磨损概率较高。串联机器人三、任务准备4.工业机器人机械结构划分（二）知识详解并联机器人（2）并联机器人定义：一种以并联闭环拓扑为核心结构的机器人。特征：结构上由多个分支并联连接定平台与动平台，形成封闭运动链，结构紧凑；轨迹具有明显的对称性关联，复杂度受限；其工作空间较小且形状复杂，受各分支运动范围限制。优点：高刚度与抗变形能力，定位精度高，误差不累积，高速响应与动态性能优异，结构紧凑，空间利用率高。缺点：工作空间狭小且形状复杂，运动学与控制算法复杂，灵活性与姿态调整能力弱，制造成本高，维护难度大，对环境适应性有限。三、任务准备5.工业机器人控制方式划分（二）知识详解（1）伺服控制机器人特征：伺服控制系统中，系统通过传感器实时采集机器人实际运动状态信号，与给定装置输出的指令信号一同输入比较环节进行偏差计算，得到的误差信号经放大与调节后，驱动机器人的执行机构，使机器人按预设规律运动，最终精准达到目标位姿、速度等状态参数。该系统本质是闭环反馈控制系统，通过持续的“检测-比较-修正”循环，实现对动态过程的高精度调控。优点：精度高，动态响应强、抗干扰能力强、稳定性好。缺点：成本较高、结构与控制复杂度高、维修困难。伺服控制机器人结构框图三、任务准备5.工业机器人控制方式划分（二）知识详解（2）非伺服控制机器人特征：非伺服系统机器人的驱动过程遵循开环控制逻辑：驱动单元接入动力源后，驱动机械臂的臂部、腕部及末端执行器等执行机构按预设轨迹运动；当执行机构抵达限位开关预设的定位点时，限位开关触发状态切换，向定序器反馈任务完成信号，同时触发终端制动机构动作，切断动力输出，使执行机构实现定位停止。优点：价格较低，维修较简便；缺点：精度一般，工作能力有限。非伺服控制机器人结构框图三、任务准备6.工业机器人驱动方式划分（二）知识详解三、任务准备6.工业机器人驱动方式划分（二）知识详解（1）气压驱动特征：气压驱动机器人以压缩空气来驱动执行机构。优点：空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低，维修简便。缺点：空气具有可压缩性，致使工作速度的稳定性较差，输出功率低、抓举力小。三、任务准备6.工业机器人驱动方式划分（二）知识详解（2）液压驱动特征：液压驱动机器人使用液体油液来驱动执行机构。优点：输出功率高、抓举力大，结构紧凑，传动稳且动作灵敏。缺点：对密封的要求较高，不宜在高温或低温的场合工作，要求制造精度较高，成本较高。三、任务准备6.工业机器人驱动方式划分（二）知识详解（3）电力驱动特征：电力驱动方式是利用电动机产生的力或力矩驱动执行机构，直接或经过减速机构驱动机器人，以获得所需的位置、速度、加速度。优点：电力驱动方式具有无污染、易于控制、运动精度高、成本低、驱动效率高、精度高、工作能力强，品种多、控制方式灵活，应用最广泛。缺点：价格高，维修困难。三、任务准备6.工业机器人驱动方式划分（二）知识详解（4）新型驱动

静电驱动器

压电驱动器

形状记忆合金驱动器

人工肌肉驱动器

光驱动器三、任务准备7.工业机器人应用划分（二）知识详解四、任务实施1.填空题（1）机器人的技术发展水平可以将工业机器人分为三代：

、感知工业机器人、智能工业机器人。（2）示教再现工业机器人由操作人员利用示教器示教机器人的

和姿态，记录

信息，并通过插补指令确定轨迹信息。（3）直角坐标机器人具有空间上相互

的多个直线移动轴；通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置；动作空间为一长方体。（4）工业机器人的机械结构方式主要分为串联机器人和

机器人两种。（5）工业机器人根据驱动方式的不同，可分为气压驱动、液压驱动、

和新型驱动四种类型。

四、任务实施2.判断题（1）柱面坐标机器人主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成；具有一个回转和两个平移自由度；动作空间呈圆柱形。（

）（2）球面坐标机器人具有前后伸缩、垂直摆动、水平转动；有旋转、摆动和平移三个自由度；动作空间球面的一部分。（

）（3）垂直多关节机器人的缺点是自由实现三维空间的各种姿势，可以生成各种复杂轨迹；相对机器人的安装面积，其动作范围很宽。（

）（4）水平多关节机器人在水平方向上的刚性好，能方便地实现二维平面上的动作。（

）（5）并联机器人是一个闭环机构，运动空间相对较小。（

）

四、任务实施3.简答题（1）工业机器人的主要分类有哪些？（五种以上）（2）按机器人基本机械特征，工业机器人通常可分为哪几种类型？（3）工业机器人应用在哪些场合。（五种以上）四、任务实施4.技能实践1.列举机器人的应用领域。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

项目一认识工业机器人

任务三

初识工业机器人组成与技术指标目录任务工单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

汽车行业大量使用工业机器人进行汽车的搬运、涂胶、装配、焊接、喷涂等工艺生产。通过本次任务学习可以了解工业机器人的组成与技术指标。二、任务工单任务工单项目名称项目一

认识工业机器人任务名称任务三

初识工业机器人组成与技术指标实训场地

实训设备

学

时

班

级

学号

姓

名

工位号

知识目标（1）了解工业机器人组成。（2）了解工业机器人的技术指标。技能目标（1）能够绘制工业机器人组成框图。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.工业机器人的组成。

2.工业机器人本体的组成。

3.工业机器人控制柜的组成。

4.工业机器人的技术指标。

5.工业机器人的精度指标。

6.工业机器人的速度指标。

三、任务准备（一）思维导图三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人的基本组成（1）机器人本体（2）控制柜（控制器与控制系统）（3）示教器（TP）三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人的基本组成（1）机器人本体机器人本体也称为操作机，是工业机器人的工作主体，是完成各种作业的执行机构，主要由机械臂、驱动装置、传动装置以及各种内外传感器组成。三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人的基本组成（1）机器人本体机器人本体也称为操作机。机械臂基座腰部手臂手腕驱动装置传动装置各种内外传感器三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人的基本组成（2）控制柜（控制器与控制系统）控制柜是工业机器人的神经中枢或控制中心。计算机硬件、软件专用电路控制器驱动器三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人的基本组成（3）示教器（TP）1）主要组成示教器是人机交互的一个接口，也称为示教盒或示教编程器。其主要组成为：液晶显示区功能按键区急停按钮出入线端口摇杆三、任务准备（二）知识详解1.工业机器人的基本组成（3）示教器（TP）2）不同品牌的示教器a.KUKA

b.ABBc.华数

d.FUNAC三、任务准备（二）知识详解2.工业机器人的技术性能机器人的性能参数反映了机器人能够胜任的工作具有的最高操作性能等。工业机器人的技术参数的主要技术参数有：自由度作业范围载荷最大力矩精准度速度三、任务准备（二）知识详解2.工业机器人的技术性能（1）自由度

定义：自由度(degreesoffreedom)是指工业机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不包括手爪(末端操作器)的开合自由度,它直接影响到机器人的灵活性。

应用：

三维空间中描述一个物体的位置和姿态(简称位姿)需要六个自由度。

根据其用途而设计的,常用的自由度通常不超过6个。

焊接和涂装作业机器人多为6自由度。

搬运、码垛和装配机器人多为4~6自由度。三、任务准备（二）知识详解2.工业机器人的技术性能（2）作业范围

定义：作业范围也成工作空间、工作区域，是指机器人做所有可达的运动时末端扫过的全部空间,是由工业机器人本体的几何形状和关节限位决定的。

实质：末端能够到达的所有点的集合,而灵巧空间为末端能够以任意姿态到达的所有点的集合,灵巧空间是可达空间的子集。

设计：机器人本体的机械结构设计是将关节分为：区域性结构和方向性结构。

区域性结构关节实现末端在空间中的定位。

方向性结构关节实现末端的姿态。三、任务准备（二）知识详解2.工业机器人的技术性能（3）载荷1）额定负载：额定负载是正常作业下,作用于机器人末端且不会造成机器人性能降低的最大负载。2）极限负载：极限负载是由制造厂给出的,在限定的操作条件下,能作用于机器人末端,且机器人结构不会被损坏或失效的最大负载。3）附加负载：附加负载是机器人能携带的附加于额定负载上的负载,它并不作用于机器人末端法兰接口,通常在机器人臂部上,有时则在关节结构上。三、任务准备（二）知识详解2.工业机器人的技术性能（4）最大力矩定义：最大力矩是保证机器人机构不受持久损伤,除惯性作用外,可连续作用于机器人末端的力矩(扭矩)。三、任务准备（二）知识详解2.工业机器人的技术性能（5）精准度机器人的精准度参数用来定义机器人手部的定位能力，主要包括分辨率、重复精度和定位精度。分辨率：机器人每轴或关节所能达到的最小位移增量。重复精度：在相同的运动位置命令下,机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。定位精度：定位精度是指机器人末端执行器的实际位置与目标位置之间的偏差，由机械误差、控制算法与系统分辨率等部分组成。三、任务准备（二）知识详解2.工业机器人的技术性能（6）速度单轴速度/单关节速度：单个关节运动时机器人上某一固定点产生的速度。路径速度：沿规定路径单位时间内,机器人末端执行器安装点(腕部末端法兰中心点)或工具中心点位姿的变动。单轴加速度/单关节加速度：单个关节运动时机器人上某固定点产生的加速度。路径加速度：沿规定路径单位时间内,机器人末端执行器安装点(腕部末端法兰中心点)或工具中心点速度的变化。三、任务准备（二）知识详解2.工业机器人的技术性能（7）其他项目指标控制方式驱动方式安装方式存储容量插补功能语言转换自诊断及自保护安全保障功能四、任务实施1.填空题1.工业机器人是一种模拟手臂、

和手等功能的机电一体化装置。2.通用的工业机器人从体系结构来看，可分为

、控制柜（控制器与控制系统）、示教器（TP）三大部分。3.机器人本体也称为

，是工业机器人的工作主体，是完成各种作业的执行机构，主要由机械臂、

、传动装置以及各种内外传感器组成。4.机械臂基本由

和旋转关节组成。5.移动式机器人：基座安装在移动机构上，可分为

和无轨两种。6.驱动方式：主要有

、气压式和电力式。

四、任务实施1.填空题7.传动装置是带动机械臂产生运动，以保证末端执行器所要求的

、姿态准确和实现其运动。8.传动装置主要有谐波减速器、

、丝杠传动、链条传动和同步带传动。9.示教器是人机交互的一个接口，也称为示教盒或示教编程器，主要由

、功能按键区、

、出入线端口、摇杆等组成。10.工业机器人的技术参数的主要技术参数有

、

、

、精准度、速度等。

四、任务实施2.判断题（1）关节型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。（

）（2）固定式机器人的基座直接连接在地面基础上。（

）（3）机器人执行机构中的主要运动部件，也称为主轴，主要用于改变手腕和末端执行器的空间位置。（

）（4）改变机器人末端执行器的空间姿态的轴，也称为次轴。（

）（5）驱动装置是向机器人各机械臂提供动力和运动的装置。（

）（6）控制柜是工业机器人的神经中枢或控制中心。（

）（7）示教器可以利用机器人语言进行在线编程，实现程序回放，让机器人可以按照编写好的程序完成指定的动作。（

）四、任务实施2.判断题（8）自由度（degreesoffreedom）是指工业机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度，它直接影响到机器人的灵活性。（

）（9）作业范围是指机器人做所有可达的运动时末端扫过的全部空间。（

）（10）机器人的精准度参数用来定义机器人手部的定位能力，主要包括分辨率、重复精度和定位精度。（

）四、任务实施3.简答题（1）什么是机器人作业范围？（2）机器人的分辨率包括哪两种？四、任务实施4.技能实践1.绘制工业机器人组成框图。五、任务总结01020304任务提出任务工单任务准备任务实施81感谢聆听！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101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118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135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

，