工业机器人技术基础课标教案

《工业机器人技术基础》课程标准【课程名称】工业机器人技术基础【课程编码】【课程类别】专业基础课 【适用专业】工业机器人技术、机电一体化技术、智能制造工程技术等【授课单位】 【总学时】36【编写执笔人】 【编写日期】一、课程性质和课程设计1.1课程性质与作用工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高新技术。这一技术在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用。工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸方面具有举足轻重的地位。本课程是以初识工业机器人、认识工业机器人运动学、认识工业机器人的机械部分、认识工业机器人传感器、认识工业机器人控制系统、了解工业机器人编程技术等为研究对象的一门专业基础课。1.2课程设计思路《工业机器人技术》课程是多技术交叉融合的高新技术，在制造、医疗、服务等多领域应用广泛且需求持续拓展。本课程面向智能制造类相关专业（如工业机器人技术、机电一体化技术、智能控制技术等），作为专业基础课，聚焦教师授课实际场景，遵循“知识传授+实操引导+能力进阶”逻辑设计：先以案例导入，结合课堂演示，让学生直观认识工业机器人应用价值；再拆解运动学、机械结构、控制系统等知识模块，通过理论精讲、动画演示、模型拆解，帮助学生理解原理；融入编程实操环节，教师实时指导调试，强化知识运用；最后衔接产业需求，剖析实际工程案例，培养学生解决问题能力，为后续深入学习及投身行业筑牢根基，助力培育适配制造业转型、机器人产业发展的应用型人才。二、课程目标2.1知识目标（1）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。（2）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。（3）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。（4）掌握工业机器人传感器的类型、性能指标及其使用要求；熟悉工业机器人内、外部传感器的功能和应用。（5）掌握工业机器人控制系统的功能和特点；掌握工业机器人控制系统的组成和分类；掌握工业机器人的控制柜与示教器；了解工业机器人的控制方式。（6）熟悉工业机器人的编程方式；了解对工业机器人编程语言的要求；熟悉工业机器人编程语言的特征和特性；熟悉工业机器人编程语言的基本功能；了解工业机器人编程语言的发展；了解常用的工业机器人编程语言。2.2技能目标（1）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。（2）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。（3）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。（4）能够指出各传感器在工业机器人中的位置；能够分析工业机器人中各传感器的作用。（5）能够利用示教器手动操纵工业机器人；能够利用示教器校准工业机器人。（6）能够辨识工业机器人所用的编程语言；能够找出各编程语言之间的相同点和不同点。2.3素质目标（1）具备国家荣誉感和社会责任感；培养勤学好问的学习态度。（2）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。（3）培养开拓进取、勇于创新的精神；养成团结协作的团队精神。（4）养成客观、严谨、细致的工作作风；培养精益求精、科学严谨、追求卓越的工匠精神。（5）树立远大的职业理想，勇担国家建设的使命；培养脚踏实地、求真务实的工作作风。（6）树立远大的职业理想，激发投身国家建设的使命担当；养成脚踏实地、求真务实、终身学习的职业素养。三、课程内容与课时分配本课程包含初识工业机器人、认识工业机器人运动学、认识工业机器人的机械部分、认识工业机器人传感器、认识工业机器人控制系统、了解工业机器人编程技术六个部分，其教学内容及课时分配如表1所示。表1《工业机器人技术基础》教学内容及课时分配表项目课程名称教学内容课时分配1初识工业机器人工业机器人的基础知识工业机器人的基本组成与技术参数工业机器人的典型应用6282认识工业机器人运动学工业机器人数学基础坐标系及其关系描述坐标变换工业机器人运动学43认识工业机器人的机械部分末端执行器腕部臂部腰部机座驱动器传动机构44认识工业机器人传感器工业机器人传感器概述工业机器人内部传感器工业机器人外部传感器65认识工业机器人控制系统工业机器人控制系统概述工业机器人的控制方式46了解工业机器人编程技术工业机器人编程方式工业机器人编程语言概述工业机器人编程语言简介4四、课程实施4.1教学条件我校十分注重建设和完善本课程的教学设施，如多媒体教室、实训室、网络教学平台、网络数据库等。此外，有一支强大且专业的师资队伍，可以为本课程的教学和课程建设提供有力保障。在网络资源方面，我校选择与文旌课堂建立课程合作，可有效利用文旌课堂的文旌教学管理平台实施“线上+线下”的混合教学模式，可以帮助教师进行教学，促进学生高效学习。4.2教学方法建议本课程遵循“教师引导，学生为主”的原则，采用讲解、多媒体演示、场景模拟法、讨论、翻转课堂等多种方法，努力为学生创设更多知识应用的机会。讲解法：主要用于讲授工业机器人技术基础知识理论性较强的知识。多媒体演示法：在讲解过程中，借助音频、视频、图片等直观手段来呈现教学内容，在激发其学习兴趣和积极性的同时，不断提高其知识储备能力和综合文化素质。场景模拟法：针对所教内容布置任务，引导学生通过情景化的模拟训练来提升知识的实际应用能力和职业素养。讨论法：根据知识点，鼓励学生运用所学知识进行主题讨论，使其在讨论中逐步提升交际能力、思辨能力、解决实际问题的能力等。翻转课堂法：坚持学生的主体地位，鼓励学生在课上对自己学到的知识点进行分享和讲解，并对其讲解进行补充和评价，不断完善学生的知识结构，加深其对所学知识的理解。实践演练法：理论知识的学习离不开实践演练环节。在教学过程中，通过实践演练，学生可以将所学的知识运用到实际问题中，既加深了对知识的理解，又提高了学生的操作技能。教师在教学过程中，可根据学生的实际情况灵活选用教学方法，因材施教，尽量照顾到每一个学生的学习需求。4.3成绩考核与评定本课程考核体现多元评价方法，重视教学过程评价，突出阶段评价、目标评价、理论与实践一体化评价等。考核成绩包括形成性测评（50%）和终结性测评（50%）。形成性测评占50%，其中1．考勤（10%）：本项考核通过课前点名考核学生的课堂出勤率。迟到15分钟以内每次扣1分，迟到15分钟以上或无故缺勤一节课每次扣2分，无故缺勤5次及以上者，取消本课程成绩。2．课程参与度（20%）：本项考核主要通过线上课程参与度、线下课堂提问和课堂积极发言来评判学生的学习态度、学习主动性、课堂参与程度，以及学生的思辨能力、问题解决能力及其对课堂教学知识的掌握情况等。只要学生能按时参加线上和线下听讲，即可获得10分的基本分。学生上课发言一次或线上讨论区有效发言（与话题相关）一次，即可另外获得0.5分，课堂和讨论区发言最多可得10分。学生的最后成绩为“10+发言得分”。3．作业情况（20%）：本项考核主要通过学生作业来检测其对教学主体内容的掌握与理解程度、实际应用知识的能力、自主学习能力、信息收集与处理能力等。每次作业成绩按照相应标准而定，学生作业质量划分为优秀（10分）、良好（8分）、中等（7分）、及格（6分）和不及格（0分）五个档次。最后的作业成绩为学生作业完成质量成绩的平均数。终结性测评占50%。主要考核学生在学完本课程后所达到的水平，通过期末考试进行考核。期末考试为线上考核（20%）+线下大作业形式（30%）形式，主要评估学生对本门课程基本知识的掌握情况与综合运用能力。五、课程资源开发与利用5.1推荐使用教材5.2参考教材5.3数字化资源本课程为实现信息化教学与数字化教学平台“文旌课堂”深度合作。文旌课堂配备免费的“1+1+N”资源集合，1组五星级资源包为教师提供了前沿资讯与备课资源，1个教学管理平台让教师轻松实现纸电结合式教学，确保学生课前能在线领取并完成微课观看或填写工单等预习任务、课中能参与互动及评价、课后能在线做作业及参与考试，还有N个学习小工具，助力学生进行自主性学习、个性化学习。文旌课堂增强了师生互动，提升了教学效果，丰富了学习资源，促进了个性化学习，本课程也会持续通过实践完善该平台的数字化资源及平台功能，为学生营造良好的线上学习园地。

《工业机器人技术基础》教案课时分配表章序课程内容理论课时1初识工业机器人62认识工业机器人运动学83认识工业机器人的机械部分64认识工业机器人传感器65认识工业机器人控制系统66了解工业机器人编程技术4合计36

课题项目1初识工业机器人课时6课时（270min）教学目标知识目标：（1）掌握工业机器人的定义及特点（2）了解工业机器人的历史与发展（3）掌握不同分类方式下工业机器人的结构与特征（4）掌握工业机器人的基本组成与技术参数（5）了解工业机器人的典型应用技能目标：（1）能够指出工业机器人的各组成部分（2）能够收集工业机器人的相关信息素质目标：（1）具备国家荣誉感和社会责任感（2）培养勤学好问的学习态度教学重难点教学重点：了解工业机器人的历史与发展；了解工业机器人的典型应用教学难点：掌握工业机器人的定义及特点；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教学方法问答法、讨论法、讲授法、演示法、实践演练法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】清点上课人数，记录好考勤【学生】班干部报请假人员及原因新课预热【教师】自我介绍，与学生简单互动，介绍课程内容、考核标准等【学生】聆听、互动【教师】简要介绍学习工业机器人技术基础的必要性随着物联网、大数据、人工智能等新兴技术加速融合发展，制造业正全面迈向智能化、柔性化升级。企业为提升生产效率、突破成本瓶颈、构建核心竞争力，对工业机器人的依赖程度持续加深——汽车产线的精准焊接、电子工厂的高速分拣、新能源领域的智能装配，工业机器人已成为重塑生产模式的关键力量。学习《工业机器人技术基础》，能够让大家紧跟智能制造时代步伐，掌握机器人本体认知、控制逻辑、编程应用等核心技能。无论是适配岗位需求（如机器人运维、系统集成），还是为未来参与智能产线设计、工业自动化改造筑牢根基，这门课程都是大家叩开制造业升级大门的“钥匙”，帮助我们更好地顺应产业变革、抓住职业发展机遇。【学生】聆听、记录、理解教学过程1.1工业机器人的基础知识课堂引入【教师】播放课件中的视频，提出以下问题：【学生】思考、举手回答【教师】通过学生的回答引入要讲的知识传授新知1.1.1工业机器人的定义及特点工业机器人最早的定义为“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。”目前，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。工业机器人有以下几个特点。1．可编程工业机器人可根据工作环境的需要进行编程。因此，它在小批量、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．拟人化工业机器人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。此外，智能化工业机器人还配有传感器，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，这些传感器提高了工业机器人对周围环境的适应能力。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．技术综合性工业机器人融合了多种技术，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。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．安全性工业机器人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工业机器人的发展历程一般可以分为4个阶段：萌芽阶段、初级阶段、迅速发展阶段和智能化阶段。1）萌芽阶段（二十世纪五十年代）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。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，Unimate的意思是“万能自动”。这标志着工业机器人的历史真正拉开了帷幕。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，其意思是“万能搬动”。1967年，Unimate机器人被引入欧洲。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。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。【教师】引导同学扫码观看视频【学生】扫码观看——SCARA机器人3）迅速发展阶段（二十世纪八十至九十年代）随着电子技术和传感器技术的迅速发展，工业机器人开始具备感知、反馈能力，并逐渐在工业生产中得到更广泛的应用。与此同时，工业机器人控制系统的发展也开始了质的飞跃。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（即现在的安川电机）推出机器人控制系统，使同步控制两台机器人成为可能。4）智能化阶段（二十一世纪初至今）进入二十一世纪后，随着大数据与人工智能技术的发展，众多机器人制造企业开始研制具有逻辑思维、决策能力及自主学习能力的智能工业机器人。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。【开拓视野】播放课件中的视频：2．工业机器人的发展趋势工业机器人自问世以来，从简单工业机器人到智能工业机器人，其技术发展已取得长足进步。从近几年的社会、经济、技术发展方向来看，工业机器人技术的发展趋势主要有以下几个。1）高性能化和低成本化工业机器人正向高速度、高精度、高可靠性、轻便化等方向发展，且随着各项技术的普及，单机价格将会不断下降。2）机械结构模块化及可重构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。目前已有模块化装配的工业机器人问世，这样的工业机器人将来会越来越多。3）智能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。4）控制系统的开放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，这可提高器件集成度，并可缩小控制柜体积。5）多传感器融合技术的实用化工业机器人传感器的作用日益重要，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，而遥控机器人则采用视觉、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。多传感器融合技术在产品化系统中将会有更广泛的应用。6）多智能体协调控制技术的创新化多智能体协调控制技术是目前工业机器人技术中的一个崭新技术，主要针对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、群体行为控制等方面进行研究。【开拓视野】国外的工业机器人起步较早，目前最为著名的工业机器人企业有瑞士的ABB、德国的KUKA、日本的FANUC和安川电机，它们并称为工业机器人“四大家族”。1.1.3工业机器人的分类工业机器人的分类方式有很多，包括按机械结构分类、按坐标形式分类、按控制方式分类等，具体如下。1．按机械结构分类按机械结构的不同，工业机器人可分为串联机器人和并联机器人。1）串联机器人串联机器人是由一系列连杆通过移动轴或转动轴串联组成的，其中一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点。串联机器人通过控制系统的控制，可实现复杂的空间作业运动。它具有结构简单、易于控制、成本低、运动空间大等特点，是当前应用最多的工业机器人。2）并联机器人并联机器人是指动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连，具有两个或两个以上的自由度，以并联方式驱动的闭环机器人。对于并联机器人所采用的并联机构，其中一个轴的运动不会改变另一个轴的坐标原点。并联机器人具有刚度大、结构稳定、运动负荷小等特点，非常适合高速度、高精度、高负荷的场合。【知识窗口】将串联机器人和并联机器人有机结合起来的工业机器人，称为混联机器人。2．按坐标形式分类按坐标形式的不同，工业机器人可分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人和多关节机器人等。1）直角坐标机器人直角坐标机器人是指具有三个滑动关节、其轴按直角坐标配置的操作机。直角坐标机器人易于控制，空间轨迹易于求解，但是其灵活性较差，自身占据空间较大。目前，直角坐标机器人普遍用于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。2）圆柱坐标机器人圆柱坐标机器人是指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。圆柱坐标机器人具有占地面积小、工作空间大，末端执行器速度快、易于控制、运动灵活等优点，其缺点是工作时必须有沿r轴线前后方向的移动空间，空间利用率低。圆柱坐标机器人主要用于重物的装卸、搬运等工作。3）球坐标机器人球坐标机器人是指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。球坐标机器人的运动空间中R为移动坐标，β为臂杆在铅垂面内的摆动角，θ为绕臂杆支撑底座垂直轴的转动角。球坐标机器人占用空间小、操作灵活、工作空间大，但是其运动学模型较复杂，难以控制。4）多关节机器人多关节机器人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。多关节机器人的摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。多关节机器人结构紧凑、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。【教师】提出以下问题：【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】总结回答3．按控制方式分类按控制方式的不同，工业机器人可分为伺服控制机器人和非伺服控制机器人两种。1）伺服控制机器人伺服控制机器人的控制方式可分为连续控制和点位（点到点）控制两种。无论是哪一种控制方式，都要对位置和速度进行连续监测，并将监测结果反馈到与工业机器人各轴有关的控制系统中，因此各轴都是闭环控制。闭环控制的应用，使工业机器人的部件能按照指令移动到各轴行程范围内的任何位置。伺服控制机器人具有以下几个特点。（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。2）非伺服控制机器人从控制的角度来看，非伺服控制是最简单的控制方式。非伺服控制机器人又称为端点机器人或开关式机器人。非伺服控制机器人的每个轴只有两个位置，即起始位置和终止位置。轴开始运动后会一直保持运动，只有碰到适当的定位挡块才会停止运动，运动过程中没有监测处于开环控制状态。非伺服控制机器人具有以下几个特点。（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。【学生】聆听、记录、理解随堂检测【教师】提出与本节课相关的问题一、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？【学生】思考、举手、回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业请根据课堂上所学知识，完成教材课后练习。【学生】完成课后任务教学反思教学过程1.2工业机器人的基本组成与技术参数课堂引入【教师】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！【学生】聆听、思考【教师】引入要讲的知识传授新知1.2.1工业机器人的基本组成工业机器人主要由机械部分、传感部分和控制部分（共含6个子系统）组成，具体如下。机械部分：用于实现各种动作，包括机械结构系统和驱动系统。传感部分：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。控制部分：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。【教师】引导同学扫码观看视频【学生】扫码观看——工业机器人的基本组成1．机械部分机械结构系统与驱动系统共同组成工业机器人的机械部分。1）机械结构系统机械结构系统又称为执行机构或操作机，它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。2．传感部分1）感知系统感知系统包括内部传感器与外部传感器两部分。内部传感器的作用是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。外部传感器则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-环境交互系统机器人-环境交互系统是指实现工业机器人与外部环境设备相互联系和协调的系统。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。3．控制部分1）人机交互系统人机交互系统是指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，包括计算机的标准终端、信息显示板、指令控制台、危险信号报警器等。该系统归纳起来可分为指令给定装置和信息显示装置两大类。2）控制系统控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。控制计算机不仅要发出指令，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。1.2.2工业机器人的技术参数技术参数是各工业机器人生产商在供货时所提供的技术数据，主要包括工业机器人的工作空间、自由度、定位精度、重复定位精度、运动速度和有效负载等。1．工作空间工作空间又称为工作区域，是指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。理解工业机器人的工作空间时，要注意以下几点。（1）产品说明书中的工作空间通常是指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，即末端执行器端部法兰的中心点在空间所能到达的范围。（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。这是因为在可达空间中，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；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。此外，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。（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。2．自由度自由度是指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。【教师】引导同学扫码观看视频【学生】扫码观看——自由度【教师】提出问题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？【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】总结回答3．定位精度和重复定位精度定位精度是指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。重复定位精度是指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）。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。就目前的技术水平而言，普通工业机器人的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。一般情况下，生产商会在技术参数中标明出厂工业机器人的最大运动速度。5．有效负载有效负载是指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。【教师】提出问题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？【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】总结回答【学生】聆听、记录、理解随堂检测【教师】提出与本节课相关的问题一、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。【学生】思考、举手、回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业请根据课堂上所学知识，完成教材课后练习。【学生】完成课后任务教学反思教学过程1.3工业机器人的典型应用课堂引入【教师】播放课件中的视频：【学生】观看、思考【教师】引入要讲的知识传授新知1.3.1焊接机器人焊接机器人是从事焊接作业的工业机器人，可分为点焊机器人和弧焊机器人两种。焊接机器人安装面积小、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。焊接机器人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。1.3.2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。其中，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。与一般工业机器人相比，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作空间小、适配性好等特点。在工业生产中，使用装配机器人可以保证产品质量，降低生产成本，提高生产自动化水平。目前，装配机器人主要用于各种电器、电动机、汽车、计算机、玩具等产品及其组件的装配。【教师】提出问题：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？【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】总结回答1.3.3喷涂机器人喷涂机器人又称为喷漆机器人，是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。喷涂机器人动作速度快、喷涂质量高、材料使用率高、操作维护简单，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是指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。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。搬运机器人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，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。【教师】提出问题：【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】总结回答【教师】播放课件中的视频：【学生】观看、思考【学生】聆听、记录、理解项目实训【教师】组织学生进行收集工业机器人的相关信息活动【学生】按要求完成实训【教师】及时解决学生遇到的问题随堂检测【教师】提出与本节课相关的问题一、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。三、在素材采集与加工阶段，需要注意哪些问题？【学生】思考、举手、回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业请根据课堂上所学知识，完成教材课后练习。【学生】完成课后任务教学反思

课题项目2认识工业机器人运动学课时8课时（360min）教学目标知识目标：（1）了解矩阵概述（2）掌握矩阵的基本运算（3）掌握坐标系的相关知识和刚体的表示方法（4）掌握坐标变换的三种方式（5）了解工业机器人D-H表示法（6）掌握工业机器人运动学的基本计算技能目标：（1）能够求解经过坐标变换后某点的坐标（2）能够利用图解法检验变换后坐标的正确性素质目标：（1）培养爱党爱国情怀，坚定制度自信（2）树立崇高远大的职业理想和投身国家建设的使命担当教学重难点教学重点：了解矩阵概述；了解工业机器人D-H表示法教学难点：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；掌握工业机器人运动学的基本计算教学方法问答法、讨论法、讲授法、演示法、实践演练法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】清点上课人数，记录好考勤【学生】班干部报请假人员及原因项目引入【教师】讲解：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。【学生】聆听、记录、理解教学过程2.1工业机器人数学基础课堂引入【教师】播放课件中的视频，提出以下问题：【学生】思考、举手回答【教师】通过学生的回答引入要讲的知识传授新知2.1.1矩阵概述1．矩阵的定义由个元素排成一个m行n列的数表，并用括号括起来，称为m行n列矩阵，简称矩阵，即或通常矩阵用大写字母表示，表示矩阵中第i行、第j列的元素，这个元素可以是实数，也可以是虚数。一个矩阵可以记为。将矩阵的行与列依次互换得到的矩阵称为矩阵的转置矩阵，简称转置，记为。例如，，则。2．几种特殊形式的矩阵1）行矩阵只有一行的矩阵称为行矩阵或行向量。为避免元素之间混淆，也可将行矩阵记为。2）列矩阵只有一列的矩阵称为列矩阵或列向量。列矩阵也可记为。3）零矩阵所有元素都为零的矩阵称为零矩阵，零矩阵记为或简记为。4）方阵对于矩阵，当时，称为n阶方阵，记为或，即其中，的位置称为矩阵的主对角线。若矩阵不是方阵，则没有主对角线。5）上三角矩阵主对角线以下均为零的方阵称为上三角矩阵，即6）下三角矩阵主对角线以上均为零的方阵称为下三角矩阵，即7）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，称为对角矩阵，记为8）数量矩阵主对角线上元素相同的对角矩阵，称为数量矩阵，记为9）单位矩阵主对角线上元素全为1的数量矩阵，称为单位矩阵。n阶单位矩阵记为或，即上三角矩阵、下三角矩阵、对角矩阵、数量矩阵、单位矩阵都是方阵。10）同型矩阵具有相同行数和相同列数的矩阵，称为同型矩阵。11）相等矩阵如果与是同型矩阵，并且它们对应元素相等，即则称矩阵和矩阵相等，记为。需要注意的是，非同型矩阵是不能进行相等比较的。12）负矩阵对于矩阵，每个元素取相反数，得到的矩阵称为的负矩阵，记为，即2.1.2矩阵的基本运算1．矩阵的加法设同型矩阵，，那么与的对应元素相加，称为矩阵与的和，记为，即矩阵的加法满足以下运算规律。（1）。（2）。（3）。（4）。其中，均为矩阵，为零矩阵。2．矩阵的数乘数与矩阵的乘积称为数乘，记为，即矩阵的数乘满足以下运算规律。（1）。（2）。（3）。（4）。3．矩阵的乘法设，那么称为矩阵与的乘积，记为，其中。【知识窗口】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。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）。（1）。（2）。（3）（其中为标量）。（4）设是矩阵，则，简记为。【学生】聆听、记录、理解随堂检测【教师】提出与本节课相关的问题一、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。【学生】思考、举手、回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业请根据课堂上所学知识，完成教材课后练习。【学生】完成课后任务教学反思教学过程2.2坐标系及其关系描述课堂引入【教师】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。【学生】聆听、思考【教师】引入要讲的知识传授新知2.2.1坐标系的分类按形式的不同，坐标系可分为直角坐标系、柱面坐标系、球面坐标系、参考坐标系和关节坐标系等。1．直角坐标系若平面直角坐标系上存在一点P，则可用点P到两条互相垂直的坐标轴的距离来确定点P的位置，即平面点P与二维有序数组一一对应。当在空间建立三维直角坐标系后，可用点P到三个互相垂直的坐标平面的距离来确定点P的位置，即空间点P与三维有序数组一一对应。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，该坐标系称为空间直角坐标系OXYZ，即右手坐标系。2．柱面坐标系设为空间内一点，点M在XOY面上的投影P的极坐标为，则由r，，z这三个数组成的有序数组称为点M的柱面坐标。3．球面坐标系设P为空间内一点，则点P也可用r，，这三个数来确定。其中，r为原点O与点P之间的距离；为有向线段OP与Z轴正向的夹角；为从X轴按逆时针方向转到OM所转过的角（从Z轴正向来看），这里点M为点P在XOY面上的投影。我们称有序数组为点P的球面坐标。4．参考坐标系参考坐标系可用来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。参考坐标系对工业机器人其他坐标系起参考定位的作用，通常采用三维空间中的固定坐标系OXYZ来描述。5．关节坐标系关节坐标系可用来描述工业机器人每一个独立关节的运动。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。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又称为欧几里得向量、几何向量、矢量，它是具有大小和方向的量，可以形象化地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。向量常用字母上面加箭头或黑体的形式表示，如或a。向量a的大小称为向量的模或长度，记为。长度为0的向量称为零向量，其方向是任意的；长度为1的向量称为单位向量；与起始点无关的向量称为自由向量。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，即（2-1）式中：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．空间向量的表示有向线段可以由起始点和终止点的坐标来表示。如果一个向量起始于点A，终止于点B，则，和是点A在直角坐标系中的三个坐标分量，，和是点B在直角坐标系中的三个坐标分量，则该向量可以表示为特殊情况下，如果一个向量起始于原点，则有（2-2）式（2-2）称为向量的分量式。其中，a，b，c称为向量的三个坐标分量。向量也可用矩阵来表示，即2.2.3坐标系的关系描述空间中任意点或向量在不同坐标系的描述是不同的。为阐明这些描述之间的关系，需要先讨论并确定各坐标系之间的位姿关系。坐标系通常由三个互相正交的坐标轴来表示，如X，Y，Z轴。由于在任意给定空间内可能有多个坐标系，因此定义OXYZ为固定的全局参考坐标系（简称固定坐标系或定系），为运动的刚体坐标系（简称运动坐标系或动系）。下面通过两种情况来具体说明两个坐标系之间的位姿关系。1．共原点定系和动系共原点，，，为定系的三个正交轴单位向量，，，为动系的三个正交轴单位向量，则这两个坐标系之间的位姿关系可以用方阵来描述，即（2-3）根据式（2-3）可知，方阵A的元素为两个坐标系单位向量的点积。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。例2-1初始状态时，动系的初始位姿与定系重合。经过一段时间后，动系开始运动，最终动系相对于定系的Z轴逆时针旋转了，试用方向余弦矩阵A分别表示运动初始和运动终了两个状态时的两个坐标系之间的位姿关系。解：（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（2）运动终了状态。根据式（2-3），可写出方向余弦矩阵A为2．不共原点若定系和动系不共原点，则这两个坐标系之间的位姿关系可以用方阵来描述，即（2-4）其中，矩阵M的元素，，分别表示动系的原点在定系中的三个坐标分量，故可用位置向量表示为则矩阵M可简化为也就是说，方向余弦矩阵A表示两个坐标系之间的姿态关系，位置向量表示动系的原点在定系中的位置。2.2.4刚体的表示方法在运动过程中，若物体内任意两点间的距离保持不变，则该物体称为刚体。在工业机器人运动学中，任一刚体的位姿可由其上的任一基准点（通常选物体的质心）和过该点的坐标系相对于定系的关系来确定。设有一运动椭圆刚体A，选其上的椭圆中心为基准点，长轴为轴，短轴为轴，椭圆面的法向为轴，可构建动系。根据定系，该运动椭圆刚体A的位姿可根据式（2-4）来表示，即【学生】聆听、记录、理解随堂检测【教师】提出与本节课相关的问题一、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。【学生】思考、举手、回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业请根据课堂上所学知识，完成教材课后练习。【学生】完成课后任务教学反思教学过程2.3坐标变换课堂引入【教师】播放课件中的视频：【学生】观看、思考【教师】引入要讲的知识传授新知2.3.1平移坐标变换若一坐标系在空间以不变的姿态运动，则其坐标变换为平移坐标变换。设有一定系和一动系具有相同方位，但定系的原点与动系的原点不重合，若用位置向量描述动系相对于定系的位置，则称为动系相对于定系的平移向量，且其中，为平移向量相对于定系的三个坐标分量。如果点P在动系中的位置为，那么它相对于定系的位置向量可由向量相加得出，即（2-5）式（2-5）称为坐标平移方程。因此，动系在定系中的位姿可表示为因此，动系对应的矩阵可以看作以下两个矩阵的乘积，即（2-6）其中，。式中： ——动系最终在定系中的位姿； ——平移矩阵； ——动系最初在定系中的位姿。平移坐标变换具有以下特点。（1）新坐标系位姿可通过原坐标系矩阵左乘平移矩阵得到。（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。例2-2初始状态时，动系在定系中的位姿为。经过一段时间后，动系沿定系的Y轴正向移动5个单位，沿Z轴正向移动5个单位。求运动终了时，动系在定系中的位姿，其中解：由式（2-6）得2.3.2旋转坐标变换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。旋转前，动系与定系重合，假设动系上有一点P，相对于定系的坐标为，相对于动系的坐标为。当动系绕Z轴逆时针旋转角时，动系上的点P也随之一起旋转。在旋转之前，点P在两个坐标系中的坐标是相同的。旋转后，点P的坐标在动系中保持不变，但点P在定系中的坐标分量，却改变了。写成矩阵形式为由此可见，旋转坐标系后为了得到点P在定系中的坐标矩阵，必须将点P在动系的坐标矩阵左乘一个矩阵，该矩阵就是绕Z轴旋转的旋转矩阵，即则（2-7）同理，可推出绕X轴旋转的旋转矩阵为则（2-8）绕Y轴旋转的旋转矩阵为则（2-9）例2-3动系中有一点，它随动系一起绕定系的Z轴逆时针旋转90°。求旋转后点P在定系中的坐标。解：由式（2-7）得2.3.3复合坐标变换复合坐标变换是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，为完成所要求的变换，可以先绕Y轴旋转，再沿X，Y，Z轴平移，最后再绕X轴旋转。上述变换顺序很重要，如果颠倒两个依次变换的顺序，结果可能会完全不同。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。（1）绕Y轴旋转角。（2）分别沿X，Y，Z轴平移，，。（3）绕X轴旋转角。那么根据式（2-9）、式（2-6）和式（2-8）可分别写出每次变换后的位姿矩阵，即则（2-10）综上可知，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。【学生】聆听、记录、理解随堂检测【教师】提出与本节课相关的问题一、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？【学生】思考、举手、回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业请根据课堂上所学知识，完成教材课后练习。【学生】完成课后任务教学反思教学过程2.4工业机器人运动学课堂引入【教师】播放课件中的视频，提出以下问题：【学生】思考、举手回答【教师】通过学生的回答引入要讲的知识传授新知2.4.1工业机器人D-H表示法1．D-H表示法概述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，简称D-H表示法。D-H表示法是一种对工业机器人关节和连杆进行建模的方法，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。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．D-H表示法的实施步骤为了描述工业机器人尺寸、位姿等复杂的几何特征，首先需要在其机械臂的每个连杆上建立连杆坐标系，然后描述这些连杆坐标系之间的关系。1）连杆参数的确定三个关节和两个连杆的组合中每个关节都是可以旋转或平移的。第一个关节指定为关节，关节后面的关节为关节，关节后面的关节为关节，在这些关节的前后可能还有其他关节。连杆的表示同关节一样，连杆位于关节与关节之间，连杆位于关节与关节之间，依此类推。单个连杆（如连杆n）的几何特征可通过两个参数来描述：连杆长度和连杆扭转角。其中，连杆长度是指连杆两端关节轴线的公垂线长度；连杆扭转角是指连杆两端关节轴线的平面夹角。相邻连杆n和之间的连接关系可通过两个参数来描述：连杆偏距和关节角。其中，连杆偏距是指相邻两条公垂线之间的距离；关节角为相邻两条公垂线的夹角。综上，每个连杆均可由上述4个参数来描述。连杆长度和连杆扭转角为连杆自身参数，连杆偏距和关节角表示两个相邻连杆之间的连接关系。对于回转关节，其关节变量为关节角；对于滑动关节，其关节变量为连杆偏距。2）连杆坐标系的建立连杆坐标系的建立规则如下。（1）连杆坐标系的坐标原点应建立在关节的轴线上，为关节的轴线与关节n和关节轴线的公垂线的交点。（2）连杆坐标系的X轴与关节n和关节轴线的公垂线重合，从关节n指向关节。（3）连杆坐标系的Z轴与关节的轴线重合。（4）连杆坐标系的Y轴根据右手法则和已定的X轴、Z轴确定。3）连杆坐标系的坐标变换各连杆坐标系建立后，连杆坐标系与连杆坐标系之间的变换可通过坐标系的平移和旋转来实现。从连杆坐标系变换到连杆坐标系的过程如下。（1）令连杆坐标系绕轴旋转，使轴与轴平行，旋转矩阵为。（2）将连杆坐标系沿轴平移，使轴与轴共线，平移矩阵为。（3）将连杆坐标系沿轴平移，使连杆坐标系与连杆坐标系的原点重合，平移矩阵为。（4）将连杆坐标系绕轴旋转，使连杆坐标系与连杆坐标系重合，旋转矩阵为。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【教师】提出问题：【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】总结回答2.4.2工业机器人运动学的基本计算1．正向运动学计算已知工业机器人各关节的变量，求末端执行器位姿的计算称为正向运动学计算。工业机器人中，若第一个连杆坐标系相对于定系的位姿用矩阵表示，第二个连杆坐标系相对于第一个连杆坐标系的位姿用矩阵表示，则第二个连杆坐标系相对于定系的位姿可用矩阵表示为（2-11）例2-4，SCARA机器人有两个关节，分别位于点，，末端执行器中心为点。这三个点分别为三个坐标系的原点，调整工业机器人各关节使末端执行器最终到达指定位置（未沿Z轴发生平移）。其中，，，，。求工业机器人末端执行器的位姿。解法一：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。末端执行器的坐标为解法二：由式（2-11）得，工业机器人末端执行器的位姿为2．逆向运动学计算控制工业机器人时，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。已知工业机器人末端执行器的位姿，求各关节变量的计算称为逆向运动学计算。正向运动学计算比较简单，逆向运动学计算则复杂许多，且存在无解或多个解的情况。例2-5某工业机器人有三个关节，分别位于点，，，末端执行器中心为点。调整工业机器人各关节使末端执行器最终到达指定位置（未沿Z轴发生平移）。直角坐标系中，点的坐标为，其中，，，。求工业机器人各关节的角度，，及可能的位姿。解：由题意可知，第三关节的坐标可由末端执行器的坐标求得，即所以点到直角坐标系原点的距离平方为由余弦定理可知联立上述两式，可知。又因为，则有当时，解得或（舍去），又因，故。当时，同理可得，。【教师】播放课件中的视频：【学生】观看、思考【学生】聆听、记录、理解项目实训【教师】组织学生进行利用图解法检验变换后坐标的正确性活动【学生】按要求完成实训【教师】及时解决学生遇到的问题随堂检测【教师】提出与本节课相关的问题一、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。【学生】思考、举手、回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业请根据课堂上所学知识，完成教材课后练习。【学生】完成课后任务教学反思

课题项目3工业机器人的机械部分课时6课时（270min）教学目标知识目标：（1）掌握工业机器人末端执行器的类型及特点（2）熟悉工业机器人腕部、臂部、腰部、机座的类型及特点（3）熟悉工业机器人的驱动器和驱动方式（4）了解工业机器人的传动机构技能目标：（1）能够指出工业机器人机械结构系统的组成及其功能（2）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：（1）培养开拓进取、勇于创新的精神（2）养成团结协作的团队精神教学重难点教学重点：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教学难点：掌握工业机器人末端执行器的类型及特点教学方法问答法、讨论法、讲授法、演示法、实践演练法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】清点上课人数，记录好考勤【学生】班干部报请假人员及原因项目引入【教师】播放课件中的视频【学生】观看、记录、理解教学过程3.1执行器课堂引入【教师】讲解：工业机器人的末端执行器即工业机器人的手部，它安装在工业机器人的腕部末端，用于直接抓握工件或执行焊接、喷涂等作业。末端执行器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。大多数末端执行器都是根据不同的作业要求来设计结构和尺寸的，因此形成了多种多样的类型。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。【学生】聆听、思考【教师】引入要讲的知识传授新知3.1.1夹持式末端执行器夹持式末端执行器主要由手指、驱动机构、传动机构和支架等组成，通过手指的开合动作实现对工件的夹持。【教师】引导同学扫码观看视频【学生】扫码观看——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。常用的手指类型有V形指、平面指、尖指和特形指等。V形指一般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。根据手指开合动作特点的不同，夹持式末端执行器又可分为回转型末端执行器和平移型末端执行器两种。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有以下几种类型。1）单作用斜楔式斜楔向下运动，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；斜楔向上运动，在弹簧拉力作用下使手指松开工件。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。2）双支点连杆式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。3）滑槽杠杆式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。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。平移型末端执行器的结构较回转型末端执行器复杂。1）直线往复移动机构实现直线往复的移动机构很多，如斜楔平移机构、杠杆平移机构、螺旋平移机构等。直线往复移动机构既可以是双指型的，也可以是三指型的，还可以是多指型的；可以是自动定心的，也可以是非自动定心的。【教师】引导同学扫码观看视频【学生】扫码观看——直线往复移动机构2）平面平行移动机构平面平行移动机构一般采用平行四边形铰链机构（即双曲柄铰链机构）来实现手指平移。平面平行移动机构的传动方法有齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动和连杆斜滑槽传动等。【知识窗口】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。3.1.2吸附式末端执行器吸附式末端执行器是目前应用较多的一种末端执行器，特别适用于搬运机器人。根据吸附原理的不同，吸附式末端执行器可分为气吸式末端执行器和磁吸式末端执行器两种。【教师】引导同学扫码观看视频【学生】扫码观看——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主要由吸盘、吸盘架及进/排气系统组成，其结构简单、质量轻、使用方便，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。气吸式末端执行器是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的。根据形成压力差方法的不同，气吸式末端执行器可分为真空气吸、喷气式负压气吸和挤压排气负压气吸三种类型。2．磁吸式末端执行器磁吸式末端执行器主要由电磁式吸盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。由于磁吸式末端执行器是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料，因此其只对铁磁物体起作用，对某些不允许有剩磁的零件应禁止使用。综上所述，磁吸式末端执行器的使用具有一定的局限性。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。实际使用时，一般采用盘式电磁铁，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。3.1.3专用工具工业机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求装配各种专用工具来执行各种动作。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。这些专用工具可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。【学生】聆听、记录、理解随堂检测【教师】提出与本节课相关的问题一、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。【学生】思考、举手、回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业请根据课堂上所学知识，完成教材课后练习。【学生】完成课后任务教学反思教学过程3.2腕部课堂引入【教师】讲解：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。【学生】聆听、思考【教师】引入要讲的知识传授新知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。腕部回转关节的运动形式，各运动形式的定义如下。臂转：腕部绕臂部轴线方向的旋转运动。腕摆：腕部相对于臂部进行的上下、左右摆动。手转：末端执行器绕自身轴线的旋转。根据转动特点的不同，腕部回转关节的转动又可细分为滚转和弯转两种。特点是组成关节的两个零件的回转轴线重合，因此可实现360°无障碍旋转，滚转通常用R来标记。特点是组成关节的两个零件的回转轴线相互垂直，这种转动会受到结构的限制，相对转动角度一般小于360°，弯转通常用B来标记。【知识窗口】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。2．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有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和柔顺腕部，其工作原理如下。1．RRR型三自由度腕部为实现运动的传递，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，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。RRR型三自由度腕部制造简单，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。2．二自由度腕部某种二自由度腕部设计思路是通过轴B转动实现腕摆运动，通过轴S转动实现手转运动。当轴B不动、轴S转动时，通过锥齿轮1，2，3，4的传动使得末端执行器8和夹持器9产生手转运动。当轴S不动、轴B转动时，轴B带动腕部绕轴A摆动，由于轴S不动，锥齿轮3相对于轴A无转动，因此锥齿轮4随着构架7绕轴A转动的同时还绕轴C转动，从而带动末端执行器8和夹持器9产生手转运动，这类运动称为腕部的诱导运动，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。3．齿轮链轮传动三自由度腕部当行星架9固定不动时，该机构实现腕部绕摆动轴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。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。行星架9的运动可增加腕部转动的自由度，其运动路线为油缸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。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。同样，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。这两种运动均为行星架9运动产生的诱导运动，在设计齿轮链轮传动三自由度腕部时需要考虑进行补偿。4．柔顺腕部在某些精密装配作业中，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。柔顺装配技术有两种：一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的传感方法，实现边校正边装配，这种柔顺装配技术称为主动柔顺装配；另一种是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，这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配。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。【知识窗口】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。【学生】聆听、记录、理解随堂检测【教师】提出与本节课相关的问题一、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？【学生】思考、举手、回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业请根据课堂上所学知识，完成教材课后练习。【学生】完成课后任务教学反思教学过程3.3臂部课堂引入【教师】同学们，想象一下，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！【学生】聆听、思考【教师】引入要讲的知识传授新知3.3.1臂部概述工业机器人的臂部主要由臂杆、传动装置、导向定位装置、支撑连接和位置检测元件等组成。从外形上讲，工业机器人的臂部是由回转关节、大臂和小臂组成的。工业机器人要完成空间运动，其臂部至少需要三个自由度的运动，即垂直移动、径向移动和回转运动。垂直移动：臂部的上下运动，这种运动通常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来实现。径向移动：臂部的伸缩运动，这种运动可使臂部的工作空间发生变化。回转运动：臂部绕铅垂轴的运动，这种运动决定了臂部所能达到的角度位置。3.3.2臂部的配置形式由于工业机器人作业环境和场地等因素的不同，工业机器人的臂部会存在各种配置形式，目前常见的配置形式有横梁式、立柱式、机座式和屈伸式4种。【教师】引导同学扫码观看视频【学生】扫码观看——臂部不同形式的配置1．横梁式配置横梁式配置的工业机器人，其机座被设计成横梁，用于悬挂臂部机构，一般分为单臂悬挂式和双臂悬挂式两种。此类工业机器人的运动方式大多为移动式，具有占地面积小、空间利用率高、动作简单直观等优点。横梁式工业机器人的横梁可以是固定的，也可以是行走的，一般安装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可从地面上架设。2．立柱式配置立柱式配置的工业机器人较为常见，可分为单臂式和双臂式两种。这类工业机器人的臂部可以在水平面内回转，具有占地面积小、工作空间大等优点。立柱式工业机器人的立柱可固定安装在空地上，也可固定安装在床身上，其结构较为简单，主要承担上、下料或转运等工作。3．机座式配置机座式配置的工业机器人一般为独立的、自成系统的完整装置，可分为单臂回转式、双臂回转式和多臂回转式三种。这类工业机器人既可随意安放和搬动，也可沿地面上的专用轨道移动，扩大其活动范围。4．屈伸式配置屈伸式配置的工业机器人，其臂部由大臂和小臂组成，大臂、小臂间有相对运动。这种臂部称为屈伸臂，有平面屈伸式和立体屈伸式两种。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