《工业机器人技术基础》高职全套教学课件

工业机器人技术基础全套可编辑PPT课件项目一初识工业机器人项目二熟悉工业机器人原理项目三认识工业机器人的机械系统项目四认识工业机器人的动力系统项目五认识工业机器人的感知系统项目六认识工业机器人控制系统项目七感知工业机器人编程项目八体验工业机器人的应用初识工业机器人项目一全套可编辑PPT课件目录01任务一

工业机器人的定义及分类02任务二

工业机器人的基本组成与技术参数03任务三

工业机器人的发展历史和发展趋势项目概述人类对机器人的长期想象古代自动机械装置体现了人类对“人造人”的探索与创新精神。工业机器人的组成与特点工业机器人由机械臂、驱动和控制系统组成，专为高效精准作业设计。科技自立对国家发展的重要性工业机器人项目展示了科技自立对国家发展的重要性，凝聚了科学家和工程师的智慧。工业机器人的定义及分类任务一任务导入任务描述新学期伊始，工业机器人技术专业的学生小梁，对即将开启的专业课充满期待。“机器人”一词的出现仅仅不过百年，而人类对机器人的幻想与追求却已延续3000多年。那么，机器人是如何被发明的？什么是工业机器人？工业机器人又有哪些分类方式？小梁对此充满了好奇。任务目标1.了解机器人的由来。2.熟悉工业机器人的定义。3.能对工业机器人进行正确分类。4.培育学生勤学好问、钻研求真的专业素养，厚植助力智能制造发展的职业担当意识。一、机器人的由来任务实施从西周的“伶人”到春秋的飞行木鸟，再到东汉的地动仪，古代中国已出现机器人构想。鲁班、张衡、诸葛亮等人的发明，展现了早期机器人技术的雏形。早期机器人的概念与雏形希腊人海隆设计了自动化机器，中世纪阿拉伯的时钟城堡和达·芬奇的人形机器人草图，均体现了对机器人构想的持续探索。古代至中世纪的机器人构想从日本的端茶偶人到法国的机器鸭，再到瑞士的自动偶人，机器人技术在文艺复兴至工业革命期间逐渐成熟。1920年，“Robot”一词首次出现，机器人概念进一步明确。文艺复兴至工业革命的机器人发展20世纪工业机器人的快速发展，推动了机器人技术在制造业、医疗、服务等领域的广泛应用，显著提高了生产效率。20世纪工业机器人的兴起随着AI、机器学习和物联网的进步，工业机器人将更智能、自主。挑战包括提高适应性、安全性、协作能力，以及解决伦理法律问题。机器人技术的未来趋势与挑战工业机器人在现代制造业中承担关键任务，执行高重复性、高危险性或高精度工作，确保了生产效率和产品质量。工业机器人在现代制造业中的角色智造视窗机器人三原则1942年，俄裔美籍科幻小说家艾萨克·阿西莫夫在其短篇小说《转圈圈》中，提出了著名的“机器人三原则”，具体内容如下。（1）机器人不得伤害人类，且不得见人类受伤害而袖手旁观。（2）机器人必须服从人类的命令，除非该命令会对人类造成伤害。（3）机器人必须保护自身的安全，除非保护行为与前两条原则相冲突。“机器人三原则”后发展为机器人学中的重要伦理准则，至今仍是机器人研发领域的重要参考依据。二、工业机器人的定义及特点01美国机器人工业协会定义根据美国机器人工业协会的定义，工业机器人是可再编程的多功能机械手，用于搬运材料、零件、工具等，并能通过调用不同程序完成各类工作任务的特种装置。02英国机器人协会定义英国机器人协会采用了与美国机器人工业协会相似的定义，强调了工业机器人的可再编程性和多功能性。（一）工业机器人的定义国际标准化组织将工业机器人定义为一种能自动控制操作和移动功能，能够完成各类作业的可编程操作机。国际标准化组织定义03我国GB/T12643-2013《机器人与机器人装备

词汇》中定义工业机器人是一种自动控制的、可重复编程、多用途的操作机，能够对三个及以上轴进行编程，并且可以是固定式或移动式，在工业自动化中使用。中国国家标准定义04随着机器人制造工艺与智能水平的不断提升，机器人与工业机器人的定义将进一步得到修正、明确和统一。定义的未来展望051.可编程工业机器人可重新编程，适应小批量、多品种生产，实现柔性制造。适应小批量多品种生产通过重新编程，机器人能迅速适应环境变化，确保制造过程的连续性和灵活性。快速适应生产变化作为核心组件，工业机器人通过可编程性保障生产过程的均衡与高效。柔性制造系统核心（二）工业机器人的特点2.拟人化工业机器人模仿人类构造，执行多种复杂任务。机械结构仿人形多种传感器提升机器人对环境的自适应能力。高度自适应传感器传感器增强机器人与环境互动，执行精确任务。环境感知能力提升3.通用性更换末端执行器，机器人可执行多样化作业任务。灵活更换末端执行器通用性机器人适应搬运、组装等多种任务。多样化作业任务执行提升生产效率和灵活性，减少停机时间。提高生产效率和灵活性4.涉及学科广泛机电一体化技术机电一体化技术结合机械学与微电子学，实现精确操作。人工智能与微电子学结合智能机器人集成传感器，具备人工智能能力。推动相关技术进步工业机器人技术发展反映国家科技和工业水平。三、工业机器人的分类机械结构操作机坐标形式控制方式工业机器人的分类方式多样，可按机械结构、操作机坐标形式、控制方式等进行分类。1.串联机器人串联机器人由一系列连杆和关节组成，从底座延伸至末端执行器。01串联机器人的定义其连杆和关节设计为可实现独立平移和指定方向运动的结构。02串联机器人的结构特点串联机器人结构简单、易于控制、成本相对较低且运动空间较大，广泛应用于工业领域。03串联机器人的优势与应用（一）按机械结构分类2.并联机器人并联机器人由结构相同且对称布置的支链联结机座和移动平台组成。并联机器人的定义运动空间具有对称性，这种对称性由支链数目和驱动关节类型决定，并非轴对称。并联机器人的结构特点并联机器人刚度大、结构稳固、运动负荷较小，适用于高速度、高精度或高负荷的作业场景。并联机器人的优势与应用3.混联机器人并联机构的支链可采用异构结构，通过嵌入不同自由度的并联机构，增加结构多样性。多个并联机构可按串联方式连接，通过运动副形成柔性机器人，实现复杂运动。混联机器人通过将串联机构的关节或杆件替换为并联机构，形成独特的结构，如在串联机器人末端加入并联机构。（1）并联机构与其他机构串联（2）并联机构直接串联（3）并联机构的支链采用异构结构（二）按操作机坐标形式分类运动空间特点直角坐标机器人的运动空间易于求解，但灵活性欠佳，自身占用空间较大。应用领域与优缺点直角坐标机器人广泛应用于自动化生产线，能完成多种作业任务，如搬运、装配等，其控制简单但空间利用率不高。机器人定义与结构直角坐标机器人是一种具有三个相互垂直独立自由度的工业机器人，能够实现自动控制与可重复编程。1.直角坐标机器人2.圆柱坐标机器人圆柱坐标机器人由旋转机座构成的转动关节和水平、垂直移动的移动关节组成，形成圆柱坐标系的运动轨迹。机器人定义与结构圆柱坐标机器人具有较小的占地面积和较大的工作范围，末端执行器运动速度快，控制简单。运动空间特点圆柱坐标机器人主要用于重物装卸、搬运等作业，其优点是运动灵活，但空间利用率较低。应用领域与优缺点3.球坐标机器人球坐标机器人由两个回转关节和一个移动关节构成，其轴线按极坐标配置，运动空间为半球面。机器人定义与结构球坐标机器人占用空间小，操作灵活，工作范围大，但运动学模型复杂，控制难度较高。运动空间特点球坐标机器人适用于需要占用空间小和操作灵活的场合，但其结构和控制复杂性限制了应用范围。应用领域与优缺点4.多关节机器人机器人定义与结构多关节机器人，也称为关节手臂机器人，是工业领域应用广泛的机器人，具有铅垂方向和水平方向的摆动。运动空间特点多关节机器人结构紧凑、工作范围大，其动作最接近人类肢体动作。应用领域与优缺点多关节机器人对喷漆、装配、焊接等作业具有良好的适应性，应用范围广泛，但结构复杂度较高。1.伺服控制机器人伺服控制机器人通过闭环系统监测位置和速度，确保精确移动至指定位置。控制方式与闭环控制具备大容量存储，价格较高，可靠性略低，可实现多运动方式，通过调整伺服回路增益提升位置精度。伺服控制特点支持点到点、直线、连续轨迹运动，采用示教模式编程，实现多轴协同。运动方式与编程模式通过调整伺服回路增益，实现高精度位置控制，协同运动在计算机控制下自动完成。协同运动与位置精度（三）按控制方式分类2.非伺服控制机器人开环控制与定位特点非伺服控制机器人采用开环控制，轴仅在起止点定位，无监测环节。非伺服控制特点定位方式与编程灵活性定位和编程灵活性有限，主要依赖预设定位点操作。机械臂尺寸小，轴驱动器动力强，速度较快，价格低，稳定易维护。工作重复精度与操作维护重复精度约±0.254mm，操作和维护简便。工业机器人的基本组成与技术参数任务二任务导入任务描述通过前文的学习，小梁了解到工业机器人的分类方式繁多，尽管不同工业机器人的工作环境和工作方式存在差异，但它们具有共同的基本组成，且需研究的技术参数也一致。本任务中小梁将学习工业机器人基本组成与技术参数的相关知识。任务目标1.掌握工业机器人的基本组成。2.熟悉工业机器人的核心技术参数。3.能准确阐述工业机器人的基本组成和技术参数。4.培养学生精益求精、追求卓越的职业态度，为制造强国建设贡献力量。一、工业机器人的基本组成任务实施工业机器人的机械部分包括驱动系统和结构，执行精确动作。机械部分传感部分由感受系统和交互系统构成，感知环境变化。传感部分控制部分规划执行作业，包括人机交互和控制系统。控制部分各系统及与工作对象的协同关系，确保机器人高效完成任务。系统协同与交互（一）机械部分末端执行器是完成作业任务的关键部件，直接与对象接触执行操作。末端执行器的作用腕部提供灵活定位，臂部承载末端执行器，机座提供稳定支撑。腕部、臂部和机座功能杆件和关节构成骨架，实现多自由度运动，适应复杂工作环境。杆件和关节的组成1.机械结构2.驱动系统驱动系统与机械结构配合，实现预定运动和操作任务。驱动系统与机械结构的配合传动机构包括连杆、滚珠丝杠等，负责动力传递和精确控制。传动机构的类型介绍驱动器采用电动、液压、气动三种方式，各有特点。驱动器的三种驱动方式1.感受系统当内部检测系统发现执行机构动作与设定值存在偏差时，会将信息反馈至控制系统，控制系统据此进行调整，以保证动作符合设计要求。反馈与调整机制外部检测系统负责监测机器人所处的环境和外部物体状态，以及机器人与外部物体之间的相对位置和运动关系。外部检测系统功能内部检测系统通过内置的各类检测器，实时监控执行机构的运动状态，确保机器人动作的精确性和可靠性。内部检测系统功能（二）传感部分2.机器人—环境交互系统机器人—环境交互系统使得工业机器人能够与外部环境设备实现有效的联系和协作，提高作业效率和灵活性。交互系统的作用通过交互系统，工业机器人可以与加工制造单元、焊接单元、装配单元等外部设备集成，形成单一功能单元，以完成特定的生产任务。集成功能单元示例利用交互系统，多台机器人、机床/设备、零件存储装置等可以集成在一起，形成多功能的作业单元，以执行更为复杂和多样化的作业任务。复杂作业任务的执行1.人机交互系统人机交互系统是操作人员与机器人进行控制和信息交换的接口，包括计算机标准终端、信息显示板等设备，它允许操作者输入指令并接收机器人状态信息。概念与功能指令给定装置是人机交互系统的一部分，用于操作人员向机器人发出动作指令，如通过指令控制台进行编程和控制。指令给定装置信息显示装置用于向操作人员展示机器人状态和环境信息，例如通过信息显示板或危险信号报警器来提供视觉或听觉反馈。信息显示装置（三）控制部分2.控制系统伺服控制器的作用伺服控制器管理各关节驱动器，确保杆件按照精确的速度、加速度和位置要求运动，是实现精确控制的关键组件。控制计算机的作用控制计算机是工业机器人控制系统的核心，负责发出动作指令、协调各关节运动，并处理传感器信息和外部设备之间的通信。驱动器与杆件运动控制驱动器接收控制计算机和伺服控制器的指令，控制杆件运动，确保机器人执行机构能够按照既定程序完成作业任务。工程师手记工业机器人是机电一体化的精密系统，核心由机械臂（执行机构）、伺服驱动（动力源）、控制器（大脑）和传感器（感知反馈）构成，如同积木搭建的“钢铁工人”：机械臂如同人的手臂，负责完成各类动作；伺服电机相当于肌肉，为运动提供动力；控制器是机器人的大脑，负责指挥整体动作；末端执行器则是机器人的“手”，可完成夹持、焊接等作业。安全是工业机器人应用的首要前提，急停按钮和防护栏应确保可靠有效。二、工业机器人的技术参数自由度决定了机器人执行复杂任务的能力，高自由度机器人适应性更广。自由度与任务执行能力工作精度影响产品质量和生产效率，精度高的机器人适合精密作业。工作精度与产品质量承载能力决定了机器人处理物料或工具的大小和重量，对稳定运行至关重要。承载能力与稳定性（一）自由度自由度数目与灵活性一般而言，自由度越高，机器人的动作灵活性越好。例如，工业机器人通常具有3至6个自由度，而具有7个自由度的机器人则属于冗余自由度机器人，它们通常用于需要更高灵活性的协作型机器人。定义与重要性自由度是指机器人具有的独立运动坐标数，它决定了机器人可以执行多少种不同的运动。控制算法设计难度随着自由度的增加，控制算法的设计难度也随之提高。这是因为需要更复杂的算法来协调更多的运动坐标，以实现精确的控制。（二）工作精度定位精度是机器人末端执行器实际位置与目标位置之间的偏差，受机械误差、控制算法等因素影响。定位精度的定义工业机器人绝对定位精度通常低于重复定位精度，绝对精度低1～2个数量级，受模型误差影响。精度比较的重要性重复定位精度反映机器人重复操作时位置与姿态的一致性，与驱动器分辨率、反馈装置等因素有关。重复定位精度的含义重复定位精度是衡量示教-再现型机器人的重要指标，精度高，广泛应用于工业自动化。重复定位精度的应用01020304（三）工作空间工作空间是指机器人手腕参考点或末端执行器安装点所能到达的全部空间区域，不包括末端执行器自身所能到达的区域。工作空间定义工作空间的大小受到机器人手臂展开后能覆盖的最大水平半径影响，通常以机器人第二轴的中心为原点。影响因素工作空间的范围决定了机器人可以执行任务的多样性和复杂性，是评估机器人适用性的重要指标。重要性说明（四）最大工作速度最大工作速度是指机器人手腕中心在各轴联动情况下所能达到的最大线速度或角速度。最大速度定义最大速度受到伺服电动机的总线电压或电动机最大允许转速的限制，大型机器人的末端执行器峰值速度可高达20m/s。影响因素工作速度越高，机器人的工作效率越高，生产节拍也越快，从而提升整体生产效率。速度与效率关系（五）承载能力承载能力定义承载能力是指机器人在作业范围内的任意位置，所能承受的最大质量，特指机器人高速运行时的承载能力。影响因素承载能力与负载质量、末端执行器质量、机器人运行的速度、加速度的大小和方向有关。高速运行下的承载机器人在高速运行时，其承载能力是衡量其性能的关键技术参数，影响作业的稳定性和安全性。123（六）分辨率分辨率定义分辨率是指机器人每个关节能够实现的最小移动距离或最小转动角度，反映了实际所需运动距离与编程指令可设定最小距离之间的差值。影响分辨率的因素分辨率与关节位置编码器的分辨率、伺服电动机和传动装置的步长相关，同时受到系统摩擦、扭曲、齿隙游移和运动配置等因素的影响。分辨率与运动精度关系分辨率直接影响机器人的运动精度，若分辨率无法满足特定运动要求，则无法实现精确控制。工业机器人的发展历史和发展趋势任务三任务导入任务描述人类一直希望制造出类人机器，以替代人类完成各类作业，这一想法最终在工业领域得以实现。小梁了解到，世界上第一台工业机器人问世至今仅有60余年，那么工业机器人的发展历史是怎样的？未来的发展趋势又将如何？任务目标1.了解工业机器人的发展历史，以及我国工业机器人的发展历程。2.了解工业机器人的未来发展趋势。3.能大致介绍国内外工业机器人的发展历程。4.感悟创新精神，增强科技报国的使命感和责任感。（一）萌芽阶段（20世纪40—50年代）Unimate机器人的诞生与应用1959年，德沃尔与约瑟夫·英格伯格合作，制造出了世界上第一台工业机器人Unimate。这台机器人随后被应用于工业生产，开启了工业机器人发展的历史篇章。工业机器人历史的开启Unimate机器人的问世标志着工业机器人发展历史的正式开启，它不仅定义了工业机器人的基本概念，还展示了机器人技术在工业生产中的巨大潜力。德沃尔的机器人概念界定20世纪40年代末至50年代初，美国发明家乔治·德沃尔明确界定工业机器人概念，1954年申请相关专利，该专利阐述了用伺服技术控制机器人关节、通过人工示教实现动作记录与再现的核心技术。一、工业机器人的发展历史任务实施（二）初级阶段（20世纪60—70年代）1961年，德沃尔创立的Unimation公司为通用汽车生产线安装了第一台工业生产用机器人，该机器人主要用于生产汽车内饰五金件等零部件，展示了工业机器人在制造业中的实际应用价值。Unimation公司的工业应用在20世纪60至70年代，面临劳动力短缺问题的欧洲和日本通过引入美国已投入生产的工业机器人，找到了有效的劳动力解决方案，Unimate机器人因此被引入欧洲市场，并与川崎重工合作进入亚洲市场。欧洲和日本的劳动力解决方案1978年，日本山梨大学的牧野洋发明了SCARA机器人，该机器人拥有四个轴和四个运动自由度，特别适用于装配作业，并且已经广泛应用于包括汽车、电子、药品和食品工业在内的多个领域。SCARA机器人的发明与应用（三）迅速发展阶段（20世纪80—90年代）随着电子技术、传感器技术和计算机技术的快速发展，工业机器人开始具备感知与反馈能力，这使得它们能够更好地适应复杂多变的工业生产环境，并逐步实现规模化应用。工业机器人的感知与反馈能力011981年，通用汽车公司成功将机器视觉系统应用于制造环境中，利用工业机器人实现了高效率的铸件分拣，标志着工业机器人在自动化和智能化方面的重大进步。机器视觉系统在制造业的应用021992年，瑞士ABB公司推出了开放式控制系统S4，优化了用户界面和机器人技术性能；1994年，Motoman公司推出了MRC控制系统，实现了两台机器人的同步控制，提高了作业效率和控制精度。开放式控制系统与机器人同步控制03（四）智能化阶段（21世纪初至今）0102进入21世纪后，随着大数据和人工智能技术的进步，机器人制造企业开始研发具备逻辑思维、决策能力和自主学习能力的智能工业机器人，以适应更加复杂和灵活的生产需求。智能工业机器人的研发2011年，日本发那科公司的R-1000iA机器人通过LVC优化运动轨迹，减少了运动振动并缩短了动作周期，展示了机器人技术与人工智能结合带来的性能提升。机器人技术与人工智能的结合2018年，发那科公司与首选网络公司合作，首次将人工智能技术应用于机器人的伺服调谐、拾取和热位移补偿等功能，进一步推动了工业机器人的智能化发展。伺服调谐与热位移补偿技术进步03（一）理论研究阶段（20世纪70年代至80年代初）关键技术与配套部件的缺失研究阶段面临关键技术与配套部件的缺失，这成为制约我国工业机器人发展的主要障碍之一。工业机器人理论研究的起点在20世纪70年代至80年代初，我国正式开始了工业机器人的理论研究，虽然当时基础条件薄弱，但为后续研究奠定了理论基础。市场应用需求的不足当时市场对工业机器人的应用需求不足，这限制了理论研究向实际产品转化的进程。二、我国工业机器人的发展史（二）样机研发阶段（20世纪80年代中后期）国家“863计划”将工业机器人列为自动化领域的重要研究课题，推动了机器人基础科学和关键技术的研究。“863计划”与机器人技术研究同时，还开发出自动引导、水下、爬壁、擦窗等特种机器人，拓展了工业机器人的应用范围。特种机器人开发与应用在“863计划”的支持下，成功研制出焊接、搬运、喷涂等类型的工业机器人样机，标志着我国在该领域取得实质性进展。工业机器人样机的研制成果（三）示范应用阶段（20世纪90年代）我国成功研制出包括平面关节型装配机器人在内的7种工业机器人系列产品，显示了技术的成熟和多样化。在特种机器人方面，开发出102种作业用机器人，进一步拓宽了工业机器人的应用领域。为推动国产机器人的产业化发展，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地，对产业发展产生了深远影响。工业机器人系列产品的成功研制特种机器人作业应用的拓展机器人产业化基地的建立与影响（四）初步产业化阶段（21世纪初至今）01发展历程概述02市场增长数据2013年，我国成为全球第一大工业机器人市场，并持续快速增长，2019年产量达到14.7万台，2020年在疫情影响下仍创历史新高，产量达23.7万台。03应用领域扩展工业机器人已广泛应用于国民经济60个行业大类、168个行业中类，推动了传统产业数字化转型，并支撑新能源汽车、锂电池、光伏、医疗、半导体等先进制造业的高质量发展。自21世纪初起，我国工业机器人研究进入初步产业化阶段，标志着从理论研究向实际应用的转变。尽管我国工业机器人市场快速增长，但国产机器人在产业化初期阶段仍面临挑战，外资品牌主导中高端市场，核心零部件如精密减速机、控制器等多依赖进口。核心技术依赖现状04为突破核心技术，我国出台多项政策鼓励自主创新，加快机器人核心零部件国产化进程，促进技术突破与产业升级。国家政策支持05技术创新主体从院校转向企业，企业通过下游系统集成提升技术创新能力，逐步开展中上游核心技术研究，取得一定成果，核心零部件国产化趋势显现。企业技术创新06国产工业机器人市场份额逐步提升，与外资品牌的差距不断缩小，自主品牌在市场中的竞争力逐渐增强。国产化趋势与市场表现07三、工业机器人的应用及发展趋势工业机器人广泛应用于搬运、焊接、喷涂、装配等场景，详情将在项目八中讨论。应用场景概述智能机器人集成视觉、触觉传感器，实现独立操作，并融合AI技术如学习、推理。智能机器人技术革新制造业正从大批量生产转向多品种、小批量的柔性生产，以适应市场需求变化。柔性生产模式转型工业机器人技术将向智能化、模块化、网络化、服务化、集成化、轻量化方向发展。技术发展方向01020304（一）智能化感知能力与自主决策01工业机器人通过集成先进的检测和判断功能，实现对自身运行状态和生产环境信息的感知，从而进行自主决策与控制。具身人工智能的实现02智能化工业机器人体现了具身人工智能（embodiedAI）的概念，它们在追求产品质量和生产效率的过程中，成为生产设备的必然要求。提升生产质量和效率03智能化工业机器人通过感知能力和自主决策，显著提升了生产过程的质量和效率，满足了工业生产的高标准需求。（二）模块化快速定制与多样化需求模块化设计允许企业根据市场需求快速定制机器人产品，实现多样化的产品功能，以满足市场的个性化需求。零部件质量与成本控制采用模块化设计可以提升零部件质量，降低生产成本，并缩短产品上市周期，同时便于产品的维护与升级。标准化与专用化模块工业机器人通过模块化设计，将机械模块、信息检测模块、控制模块等标准化、专用化，便于快速组合以适应不同功能需求。（三）网络化网络化技术使工业机器人能够实现远程监控和故障诊断，突破了时间和空间的限制，提高了生产效率和设备管理的便捷性。网络化是实现制造系统集成化的重要手段，通过网络化技术，可以实现不同设备和系统的无缝对接和高效协同工作。网络化工业机器人不仅为制造系统集成化提供了技术基础，也为跨区域的产业合作奠定了坚实的技术支持，促进了全球范围内的产业协同。制造系统集成化跨区域产业合作技术基础远程监控与故障诊断020301（四）服务化工业机器人的适用性工业机器人作为智能生产设备，可适用于多种生产环境和作业任务，其灵活性和适应性是服务化趋势的基础。重新建模与编程需求当生产环境或作业任务发生改变时，需要对机器人重新建模和编程，这一过程要求编程人员具备高技能，是机器人服务化需求的直接推动力。机器人服务化应用机器人服务化不仅体现在生产过程中的编程和建模，还包括日常保养、维护和故障修复等售后服务领域，为用户提供全方位的服务解决方案。（五）集成化随着生产自动化的发展，工业机器人必须与其他生产设备协同工作，形成全面自动化的生产线，这是集成化发展的必然趋势。协同工作的自动化生产线工业机器人的系统集成成本通常是硬件成本的3～20倍，系统集成市场规模远大于机器人产品本身，显示了集成化作为市场发展的重要方向。系统集成的成本与市场集成化程度的持续提升，不仅提高了生产线的效率，也推动了工业机器人市场的进一步发展，成为行业发展的关键因素。集成化作为市场发展方向（六）轻量化在不降低机械结构力学性能的前提下，实现机器人自身减重和占用空间缩减，是工业机器人朝着轻量化方向发展的核心目标。轻量化设计不仅减少了对作业基础设施的要求，还提高了工业机器人的灵活性和节能性，使其更适合多样化的工作环境。为提升工业机器人的灵活性和节能性，未来将采用碳纤维、铝合金等轻质材料，并采用薄壁化等紧凑设计方式，实现轻量化。采用轻质材料与紧凑设计提升灵活性与节能性机器人减重与空间缩减谢谢THEEND工业机器人技术基础熟悉工业机器人的原理项目二目录01任务一

工业机器人的关节机构02任务二

坐标系与坐标变换03任务三

工业机器人运动学与动力学运动等与矩阵运算绑定，是描述工业机器人相关方程的关键工具矩阵法的核心作用以四阶方程变换齐次坐标，构建机器人运动学与动力学数学框架齐次坐标的支撑逻辑掌握矩阵法等理论是突破工业机器人核心技术、推动智能制造前提矩阵法的产业价值项目概述工业机器人的关节机构任务一任务导入任务描述新当今工业机器人的自动化程度让小梁惊叹不已。5轴6轴机器人拥有众多关节，还能够做到运动和指令的精确传输，各部位紧密配合完成复杂工作。这让他不禁好奇关节到底是什么结构的呢？本任务小梁将学习工业机器人的关节知识、关节及结构简化图和运动简图。任务目标1.了解工业机器人的关节。2.熟悉工业机器人的关节及结构简化图、机构运动简图。3.能分辨和识别工业机器人的关节类型。4.锤炼扎实专业本领，树立服务智能制造的职业意识。一、工业机器人的关节01移动关节：代号P，允许相邻连杆沿轴线相对移动，1个自由度，见图2-1-1（a）。020304转动关节：用字母R表示，允许相邻连杆绕关节轴线相对转动，具1个自由度，如图2-1-1（b）所示。球面关节：用字母S表示，允许两连杆间有3个独立相对转动，具3个自由度，如图2-1-1（c）所示。虎克铰关节：用T表示，允许两连杆间有2个相对转动，具2个自由度，如图2-1-1（d）所示。任务实施二、工业机器人各关节及结构简化图工业机器人是一个非常复杂的系统，通常由一系列连杆、关节或其他形式的运动副组成。为方便对其运动控制原理进行分析和计算，常用运动简图简化表示。表2-1-1详细列出了工业机器人各关节及结构的简化表示图形符号。三、工业机器人的机构运动简图多个关节组合构成了机器人的机构。工业机器人的机构运动简图是指运用机构与运动符号表示机器人手臂、手腕和手指等机构，以及机构间运动形式的简易图形符号，如表2-1-2所示。工业机器人机构运动简图可分析、记录其运动及组合，展现运动状态，便于对比不同设计方案。坐标系与坐标变换任务二任务导入任务描述工业机器人系统极为复杂，所以通常会采用坐标系来准确且清晰地描述机器人的位姿（位置和姿态）参数。本任务小梁将学习坐标系与坐标变换的相关知识。任务目标1.了解坐标系的分类。2.熟悉向量与坐标的表示。3.掌握坐标系关系描述。4.了解刚体的表示方法。5.熟悉坐标转换。6.能够进行简单的坐标设置。7.培养学生专注严谨、认真负责的工作态度，筑牢服务智能制造的职业根基。一、坐标系的分类任务实施（一）直角坐标系在平面直角坐标系中对于任意一点，则可用该点到两条互相垂直坐标轴的距离来确定该点的位置，即平面内的点P与二维有序数组（a，b）一一对应。当在空间建立三维直角坐标系后，可利用点到三个互相垂直坐标平面的距离来确定点的位置，即空间的点P与三维有序数组（a，b，c）一一对应。如图2-2-1所示建立坐标系，取三条相互垂直具有一定方向和度量单位的直线，称为三维直角坐标系R3

或空间直角坐标系O-XYZ（又称右手坐标系，图2-2-2）。（二）柱面坐标系如图2-2-3所示，设M（x，y，z）为空间内一点，并设点M在XOY面上的投影

P

的极坐标为（r，θ），则r，θ，z

这三个数便称为点M的柱面坐标。（三）球面坐标系如图2-2-4所示，假设P（x，y，z）为空间内一点，则点

P

也可用三个有次序的数（r，θ，φ）来确定。其中，r为原点O

与点P间的距离；θ

为有向线段OP与Z轴正向所形成的夹角；φ

为从正Z轴来看，自

X

轴按逆时针方向转到OM所转过的角度，这里的M

为点P在XOY

面上的投影。我们称

r，θ，φ

这三个数为点

P的球面坐标。（四）其他形式的坐标系参考坐标系的位置和方向不会随着工业机器人各关节的运动而变化，对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O-XYZ来描述，如图2-2-5所示。1.参考坐标系在计算工业机器人的位姿时，除了上述三种坐标系外，还经常应用另外两种坐标系，即参考坐标系和关节坐标系。如图2-2-6所示，若要将工业机器人末端执行器移至特定位置，可通过控制各关节单独运动实现，每个关节可建立关节坐标系。因关节类型不同，机器人末端动作各异，如旋转关节运动时，末端执行器会绕关节轴旋转。2.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状态。二、向量与坐标表示向量是兼具大小与方向的量，可具象为带箭头线段，对应仅含大小的标量。核心定义零向量长度为0、方向任意；单位向量长度为1；自由向量与起始点无关。特殊向量印刷常用黑体小写字母，手写在字母上加箭头，也可通过起止点带箭头的大写字母表示。表示方式（一）空间点的表示如图2-2-7所示，空间点

P的位置可以通过它相对于直角坐标系的三个坐标分量来表示，即P=ai+bj+ck式中，a，b，c为点P在直角坐标系中的三个坐标分量；i，j，k为直角坐标系三个坐标轴上的单位坐标向量。（二）空间向量的表示有向线段可以由起始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Ax、Ay和Az是点A在直角坐标系中的三个坐标分量，Bx、By和Bz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PAB=（Bx-Ax）i+（By-Ay）j+（Bz-Az）k特殊情况下，如果一个向量起始于原点，如图2-9所示，则有式（2-1）称为向量OP的分量式，a，b，c称为向量OP的坐标，OP

={a，b，c}为向量OP的坐标式。向量OP也可用3×1矩阵来表示，即→→→→→思行致远向量是一个具有方向的线段，如果一个向量的方向是任意的，则该向量为零向量，我们从中可以看出向量方向的重要性。同样，作为一名拥有大好青春的青年学生，我们不要做一个“没有理想和信念”的“零向量”，而是应提高自我管理能力，树立崇高远大的人生理想和目标追求。党的二十大报告指出：“青年强，则国家强。当代中国青年生逢其时，施展才干的舞台无比广阔，实现梦想的前景无比光明。”“广大青年要坚定不移听党话、跟党走，怀抱梦想又脚踏实地，敢想敢为又善作善成，立志做有理想、敢担当、能吃苦、肯奋斗的新时代好青年，让青春在全面建设社会主义现代化国家的火热实践中绽放绚丽之花。”三、坐标系关系描述空间中任意点P或向量，在不同坐标系下的表述不同，核心源于坐标系位姿（位置和姿态）的差异01差异核心根源定义O-XYZ为固定全局参考坐标系，Om-XmYmZm为随刚体运动的局部坐标系，二者由正交轴组构成02坐标系分类定义两坐标系的位姿转换分为平移、旋转及平移旋转复合三类，是空间坐标转换的核心方法03位姿变换类型（一）共原点如图2-2-8所示，设{O}系和{m}系共原点，i，j，k为{O}系的三个正交轴单位向量，im，jm，km

为{m}系的三个正交轴单位向量，则这两个坐标系的位姿关系可以用下列3×3方阵来描述，即由此可见，方阵A的元素

Aij为两个坐标系的单位坐标向量的点积。由于两个向量的点积为这两个向量的模与它们夹角的余弦乘积，因此方阵A又称为方向余弦阵。方向余弦阵元素的排列可制作成如表2-2-1所示的表格，以便于记忆。（二）不共原点如图2-2-9所示，固定坐标系{O}和运动坐标系{m}不共原点，可用下列矩阵来描述这两个坐标系之间的位姿关系，即矩阵M的元素M14，M24，M34

分别表示运动坐标系{m}的原点

Om

在固定坐标系{O}的坐标值，可用矩阵表示为则矩阵

M可简化为也就是讲，方向余弦阵A表示两个坐标系的姿态关系，位置向量OmO

表示运动坐标系{m}的原点Om在固定坐标系{O}中的位置。四、刚体的表示方法运动中，物体内任意两点距离不变则为刚体。机器人学中，刚体的位置和姿态由其上基准点及过该点的坐标系相对参考坐标系的关系确定。如图2-2-10，运动的椭圆刚体A以圆心Om为基准点，长轴为Ym轴、短轴为Xm、椭圆面法向为Zm，构建坐标系Om-XmYmZm。选固定坐标系{O}，其空间位置和姿态可由式（2-3）的矩阵表示。其中五、坐标变换坐标系姿态一致，仅原点不同，可通过平移向量转换点坐标。平移坐标变换坐标系原点重合，姿态存在差异，借助旋转矩阵实现点的坐标转换。旋转坐标变换融合平移与旋转操作，同时调整坐标系原点位置与姿态完成转换。复合坐标变换（一）平移坐标变换固定直角坐标系{O}与运动直角坐标系{m}方位相同，原点不重合，用平移向量OPOm描述{m}相对{O}的位置。平移向量OPOm在{O}系X、Y、Z轴的分量为dx、dy、dz，表达式为列向量若点P在{m}系中的位置为mP，则其在{O}系的位置向量OP满足OP=mP+OPOm。坐标系定义平移向量分量点坐标转换式（2-4）称为坐标平移方程。式（2-3）所示的{m}系在{O}系的位姿可简单表示为

坐标系平移变换的矩阵表达与特性

坐标系{m}可视为与坐标系{O}初始重合后平移到位，其最终位姿矩阵为平移变换矩阵与原位姿矩阵的乘积，即01平移变换的矩阵推导逻辑

02平移变换矩阵的结构

新坐标系位姿由原矩阵左乘平移变换矩阵得到；方向向量平移后保持不变；矩阵乘法计算便捷，变换前后矩阵维数一致。03平移坐标变换的核心特性矩阵表示坐标{m}最初在坐标系{O}的位姿，而TOmnew矩阵表示坐标系{m}最终在坐标系{O}的位姿。（二）旋转坐标变换为简化绕轴旋转推导，先设该坐标系与参考坐标系重合，再推广到其他旋转及旋转组合。如图2-2-12（a），设坐标系{m}与参考坐标系{O}重合，{m}绕{O}的Z轴逆时针转θ角，设{m}上点P在{O}中坐标为px，py，pz，在{m}中坐标为pxm，pym，pzm。坐标系绕Z轴旋转时，P点随其转动。旋转前P点在两坐标系中坐标相同；旋转后，P点在{m}中坐标不变，在{O}中px、py改变，如图2-2-12（b）。从Z轴俯视观察点

P在二维平面上的坐标，如图2-2-13所示，可以得到px=pxmcosθ-pymsinθpy=pxmsinθ+pymcosθpz=pzm写成矩阵形式为由此可见，旋转后为得到点

P

在固定参考坐标系{O}中的坐标矩阵，需要在点P所在运动坐标系{m}的坐标矩阵的左边乘以一个矩阵，该矩阵也就是绕

Z

轴旋转的旋转矩阵Rot（Z，θ），即则（三）复合坐标变换由固定或运动坐标系的平移、旋转变换组合而成，可分解为特定顺序的变换序列。01变换本质变换顺序直接影响结果，颠倒依次变换的顺序，可能导致位姿结果完全不同。02顺序关键多步变换可通过依次左乘对应变换矩阵得到最终位姿矩阵，如绕Y旋、平移、绕X旋的组合运算。03矩阵推导上述结果可通过图2-2-14验证。工业机器人运动学与动力学任务三任务导入任务描述机器人运动学专注于分析和研究机器人相对于固定坐标系的运动几何学关系，与产生运动所需的力或力矩无关。因此，机器人运动学主要涉及机器人空间位移作为时间函数的解析说明，特别是机器人末端执行器的位置和姿态，及其与关节变量之间的关系。相比之下，机器人动力学主要研究物体运动与受力之间的关系。本任务小梁将学习工业机器人运动学与动力学的相关知识。任务目标1.了解机器人运动学概述及机器人的运动学方程。2.了解机器人动力学概述及机器人的动力学方程。3.能够描述机器人运动学和动力学问题。4.培养学生勇于探索、敢于创新的科学精神，为实现机器人技术自主可控贡献力量。已知杆件几何参数和末端执行器期望位姿，求解各关节角矢量，是机器人作业再现时的核心运算，实际应用中更为常见逆向运动学问题已知杆件几何参数和关节角矢量，求解末端执行器相对参考坐标系的位置和姿态，是机器人示教时控制器逐点进行的运算正向运动学问题关节机器人实质为关节串联的空间连杆开链机构，以开环关节链建模，通过关节相对运动驱动杆件，使末端执行器定位至所需方位机器人运动学建模本质任务实施一、机器人运动学（一）机器人运动学概述智造视窗1955年，德纳维（Denavit）和哈滕伯格（Hartenberg）提出了一种矩阵代数方法，用于描述机器人手臂杆件相对固定参考坐标系的空间几何关系。这种方法使用4×4齐次变换矩阵来描述两个相邻的机械刚性构件间的空间几何关系，将正向运动学问题简化为求解等价4×4齐次变换矩阵，此矩阵把手臂坐标系的空间位移与参考坐标系联系起来，并且该矩阵还可用于推导手臂运动的动力学方程。而逆向运动学问题可采用如矩阵代数、迭代或几何方法等来解决。（二）机器人的运动学方程连杆坐标系与齐次变换机器人机械手由一系列关节连接的连杆构成，可为每个连杆建立坐标系，并用齐次变换描述坐标系间的相对位置和姿态。A矩阵的定义描述一个连杆与下一个连杆间相对关系的齐次变换称为A矩阵，它是描述连杆坐标系间相对平移和旋转的齐次变换矩阵。T矩阵的递推与构成若A₁、A₂分别为第一、第二个连杆相对基坐标系、第一个连杆的位姿，则第二个连杆在基坐标系的位姿T₂=A₁A₂；以此类推，6连杆机械手的T₆=A₁A₂A₃A₄A₅A₆，A矩阵的乘积统称为T矩阵。1.机器人运动学方程的表示工程师手记一个6连杆机械手可具有6个自由度，每个连杆含有1个自由度，并能在其运动范围内任意定位与定向。其中，3个自由度用于规定位置，而另外3个自由度用来规定姿态。T6表示机械手的位置和姿态。2.PUMA560机器人运动学方程6自由度臂式机器人PUMA560，前3关节定末端工具位置，后3关节定末端姿态，后3关节轴线共点，坐标系原点重合。自由度与运动分工以关节角度为核心变量，通过坐标变换方法推导运动学方程，需结合连杆坐标系及对应连杆参数完成求解。运动学方程推导基础关节1轴线呈垂直方向，关节2、3轴线水平且平行，间距为a2；关节1与2轴线垂直相交，关节3与4轴线垂直相交。关节轴线布局特征通过6连杆坐标变换矩阵乘积得出⁰T₆变换矩阵，矩阵各分量由关节角的三角函数组合构成（如c1=cosθ₁，c23=cos(θ₂+θ₃)等）。正向运动学方程推导0T6表为手臂变换矩阵，精准描述末端连杆坐标系{6}相对基坐标系{0}的位姿状态。正向方程核心含义已知末端连杆位姿（n、a、o、P）时，可改写运动学方程求解关节变量θ₁~θ₆，实现从位姿到关节参数的反向转换。逆运动学求解逻辑二、机器人动力学动力学方程关联关节位姿、速度、加速度与关节驱动力矩，包含正问题（由驱动力矩求解关节运动状态）和逆问题（由关节运动状态求解所需驱动力矩）两类核心问题。核心方程与两类问题01主要用于机器人运动仿真，覆盖设计阶段验证结构参数合理性、离线编程时预估高速运动的动载荷与路径偏差，支撑方案优化与仿真验证。正问题的应用场景02目标是实现机器人实时轨迹控制以达成预期动态性能；但机器人系统耦合性强、非线性复杂，实时计算难度大，实际控制需合理简化假设。逆问题的目标与难点03（一）机器人动力学概述智造视窗目前机器人动力学的研究方法很多，如牛顿-欧拉法、拉格朗日法、阿贝尔法和凯恩法等，详细内容可查阅相关书籍。（二）机器人的动力学方程以连杆串联结构为基础，经五步推导动力学方程。五步推导流程惯性力矩阵呈对称特性，耦合力仅在高速运动时显著，三类项直接决定系统稳定性与定位精度。关键项特性与影响最终简化为，涵盖惯性力、耦合力、重力三类核心项。标准简化方程谢谢THEEND工业机器人技术基础认识工业机器人机械系统项目三目录01任务一

工业机器人的机座02任务二

工业机器人的末端执行器03任务三

工业机器人的腕部04任务四

工业机器人的臂部05任务五

工业机器人的传动机构工业机器人大都并非呈现人类形态，更多以机械手臂的形式存在。常见形态非类人化机械系统相当于机器人的“骨骼”和“肌肉”，是动作实现基础，包含机座、末端执行器等，可配行走机构扩范围。机械系统核心构成这些精密机械结构是现代制造业基石，助力我国从制造大国向制造强国迈进。制造业升级关键支撑通过学习深刻认识掌握核心技术的重要性，为实现科技自立自强贡献自身力量。核心技术学习的使命项目概述工业机器人的机座任务一任务导入任务描述通过观察，小梁发现工业机器人都安装在机座上。那么工业机器人的机座有什么作用？又有哪些分类方式呢？本任务小梁将学习工业机器人机座的相关知识。任务目标1.了解工业机器人机座的作用。2.了解工业机器人机座的分类。3.能判断工业机器人机座的类型。4.培养学生主动思考、勇于探索的品格，为将来投身智能制造事业打下基础。机座的定义与安装关系工业机器人需便于安装的机座（图3-1-1），必须安装在机座上，机座常与机身一体，机身连臂部并支承臂部，臂部支承腕部和手部。机座的主要作用机座作为整个工业机器人的支撑部分，其主要作用是确定和固定机器人的位置、支撑整个机器人及工作载荷，因此机座需要具备一定的刚度和稳定性。一、机座的作用任务实施二、机座的分类固定式机座及对应机器人固定式机座包含工作台架安装、直接地面安装等形式，对应工业机器人为固定式机器人移动式机座及对应机器人移动式机座分为固定轨迹式和无固定轨迹式，对应工业机器人为移动式机器人（一）固定式机座030201固定式机座一般使用铆钉、螺栓等连接件，固定在地面或者工作台架上，有的也固定在横梁上。核心固定方式相当于机器人躯干，支承臂部、腕部及末端执行器，决定运行精确度与可靠性。核心支承功能适配作业范围固定、稳定性要求极高的工业场景，如汽车发动机装配线的定点精确装配环节。适配作业场景1.直接地面安装通常将底板埋入混凝土中，或采用地脚螺栓实现固定安装固定方式01必须具备足够稳固性，可承受机器人负载工作时产生的反作用力底板稳固性要求02底板与机器人机座之间，采用高强度螺栓完成连接机座连接规范032.工作台架安装机器人通过工作台架进行安装和固定时，与机器人机座直接安装在地面上的要领基本相同。机器人机座与工作台架用高强度螺栓固定连接，而工作台架与底板用高强度螺栓固定连接。3.横梁倒挂安装有时受空间限制或因工作需求，工业机器人也可倒挂安装在横梁上，此时，机座运用螺栓安装在横梁上。机器人机座与底板用高强度螺栓固定连接。（二）移动式机座作为移动式机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成核心组成构成按行走机构运动轨迹是否固定，工业机器人可分为固定轨迹式和无固定轨迹式两类行走机构行走机构分类一方面支承机器人的机身、臂部和手部；另一方面带动机器人按照工作任务的要求完成移动双重核心功能1.固定轨迹式行走机构机座装于可移动拖板座，靠丝杠螺母驱动，带动机器人沿丝杠轴向移动，为多数移动式机器人行走方案。横梁式占地小、空间利用率高；导轨式占地大，适用于重载、大作业区结构驱动逻辑两类形式特性对比主要分为横梁式移动和导轨式移动两种，分别适配不同的工业作业场景需求。主流应用形式2.无固定轨迹式行走机构按结构特点可分为轮式、履带式、关节式（足式）行走机构，是当前应用的核心类型。主流三类核心结构轮式、履带式与地面连续接触，技术成熟，多用于野外、大型作业场景；关节式为间断接触，类生物腿脚结构，复杂场景适应性更强。两类接触模式差异还衍生出蠕动式、混合式、蛇形等特殊步行机构，适配管道、台阶等难接近的作业场合。特殊场景衍生机构工业机器人的末端执行器任务二任务导入任务描述小梁了解到，工业机器人的末端执行器又称手部。他不禁想：人手的作业功能大致可分为“抓取”和“操作”两类，其中抓取又分为捏、夹、握三种形式，每种形式又具有多种形态。工业机器人的末端执行器能完成这么细致的作业吗？本任务小梁将学习工业机器人的末端执行器的相关知识。任务目标1.了解工业机器人末端执行器的定义及特点。2.熟悉工业机器人末端执行器的分类。3.能区分各类工业机器人末端执行器。4.提升学生观察能力，锤炼其扎实专业素质，树立服务智能制造产业的职业意识。在高温、有毒、高危等特殊环境中，末端执行器作业能力优于人手。场景优势核心作用工业机器人操作靠末端执行器，其结构功能影响任务处理能力与效率本质定位工业机器人末端执行器装于手腕，用于夹持工件或让工具作业一、工业机器人末端执行器的定义及特点任务实施（一）末端执行器的定义（二）末端执行器的特点多为专用装置，通常仅能执行单一任务，通用性弱。通用性受限可按需定制，采用夹具、吸盘、钳子等适配不同工业场景。形式多元化可快速更换，适配不同工件，实现生产线布局及流程灵活调整。换型效率高1.通用性弱但灵活性好2.精度较高且可拆卸可实现高精度定位和控制工件位置与姿态，保障稳定、高质量生产高精度定位与腕部设机械/电液气接口，作业时可方便拆卸和更换末端执行器便捷拆换适配可用Creo建模，借AltairInspire做拓扑优化与强度校核，兼顾工艺获最优方案轻量化结构优化3.结构复杂但自动化程度高既可以是带手指的似人手爪，也可以是喷枪、焊枪等作业工具，结构形态灵活复杂01结构形态丰富多样可与机器人控制系统无缝集成，实现自动化生产，有效提升生产效率与产品质量02自动化集成赋能生产搭载安全传感器与控制系统，能实现安全保护，避免机器人与人员或设备碰撞引发意外03安全防护保障作业二、工业机器人末端执行器的分类夹持式末端执行器又称夹钳式末端或夹钳式取料手，是工业机器人常用末端执行器，广泛应用于搬运、装配流水线，通过手爪开闭夹持工件，实物见图3-2-1。（一）夹持式末端执行器夹持式末端执行器一般由手指（手爪）、驱动装置、传动机构、连接支架组成，如图3-2-2所示。手指是直接接触工件的部件，通过张开与闭合实现工件的松开和夹紧。机器人手部手指数量通常为两个，也有三个、四个或五个，结构取决于被夹持工件的形状和特性。指端是手指直接接触工件的部位，结构取决于工件形状，常用手指有以下类型。1.V形指固定V形指（图3-2-3（a））适用于夹持圆柱形工件，夹紧平稳可靠、误差小，也可用滚柱代替其工作面；滚柱V形指（图3-2-3（b））能快速夹持旋转中的圆柱体；可浮动式V形指（图3-2-3（c））有自定位能力、与工件接触好，但浮动件不稳定，需固定支承承受外力，应设计成可自锁结构。2.平面指3.尖指和长指4.特形指平面一般用于夹持方形工件、方形板或细小棒料，如图3-2-4（a）所示。尖指用于狭窄处细小工件，长指用于炽热工件，避免障碍与热辐射，如图3-2-4（b）所示。。特形指用于夹持不规则工件，需设计与工件形状适配的专用特形手指，如图3-2-4（c）所示。工业机器人末端执行器的驱动与传动系统驱动装置为传动机构供能，常见气动等形式，气压驱动气爪可使手爪张合。驱动装置类型与气爪原理回转型与平移型传动机构，一般由连杆、斜楔、滑槽、齿轮齿条、蜗轮蜗杆等机构组成。传动机构核心构成驱动源经传动机构使手指开合产生夹紧力，分回转型和平移型。传动机构按运动方式分类（二）吸附式末端执行器核心取料逻辑依靠吸附力抓取物料，适配大平面、易碎（玻璃、磁盘）及微小物体，应用场景覆盖面广。两大主流类型按吸附力分为气吸附式与磁吸附式，气吸附适配轻质光滑物料，磁吸附针对金属材质工件。典型行业应用广泛应用于医药、食品、金属加工等行业，承担码垛、薄板上下料等核心作业任务。1.气吸附式末端执行器气吸附式末端执行器以轻型塑胶或塑料皮碗吸盘，抽空密封型腔空气产生负压吸力，抓取搬运物体。定义与原理由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，结构简单、轻便易用，无损工件，对精度要求不高。组成与特点适用于非金属或无剩磁材料吸附；要求工件与吸盘接触面光洁，工件材质致密无空隙。应用与限制真空由真空泵或真空装置产生，取料时碟形橡胶吸盘接触物体表面，边缘起密封缓冲作用，抽气吸料，放料时接通大气消除真空。真空吸盘01取物时，压缩空气经喷嘴使吸盘腔形成负压完成取物；释放时切断压缩空气即可。气流负压吸盘02取料时末端执行器下移，吸盘压向工件，橡胶吸盘形变排气形成负压吸住工件；释放时借助碰撞力或电磁力使吸盘腔通大气失负压，吸附力和时间有限。03挤压排气吸盘利用正压气源产负压的新型真空元器件，可在特定气动系统中获负压，配合吸盘实现物料吸附搬运，仅适用于抽气量小、真空度要求不高的间歇工作场合。04真空发生器2.磁吸附式末端执行器磁吸附式末端执行器是利用磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附工件，适用于金属物件，且不会破坏被吸工件表面。其实物如图3-2-10所示。磁吸附式末端执行器特性与分类吸力大、对表面要求低，但仅吸铁磁材料，超723℃失效，有剩磁，应用受限特性对比与应用局限按磁力来源分为永磁体、电磁铁末端执行器，电磁铁分交流、直流两类，永磁体需强迫取工件。磁力来源分类通电磁阻、电感、电流大，断电吸力消失，需算参数并选系数电磁铁工作与设计要点（三）专用末端执行器工业机器人是通用性强的自动化设备，配专用末端执行器可完成各类作业，如装焊枪成焊接机器人、装拧螺母机成装配机器人等。目前有多种由专用电动、气动工具改型的末端执行器，如拧螺母机、焊枪等，形成系列部件供选用，让机器人胜任多种工作。（四）仿生机器人末端执行器大部分工业机器人末端执行器仅有两个无关节手指，无法对复杂形状物体实施夹持与操作传统工业末端执行器局限仿生末端执行器核心优势能像人手一样完成各类复杂作业，例如精密装配作业，弥补传统执行器的功能短板仿生末端执行器两大类型主要分为柔性手和仿生多指灵巧手两类，适配不同复杂作业场景需求柔性手可抓取不同外形物体，使物体表面受力均匀。图3-2-13为多关节柔性手，手指由多关节串接而成，传动部分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成，分紧握、放松状态，可均匀受力抓取凹凸物体。1.柔性手机器人末端执行器和腕部的仿生形式即模仿人的多指灵巧手。多指灵巧手有多根手指，每根手指有三个回转关节，各关节自由度独立控制，几乎能模仿人手指的各类复杂动作，如图3-2-14所示。2.仿生多指灵巧手工程师手记工具快换装置为了提高生产效率、降低生产成本，部分机器人工作站需要承担多种不同的生产任务，在作业时需要自动更换不同的末端执行器。机器人工具快换装置是一种用于机器人快速更换末端执行器的装置，可以在数秒内快速更换不同的末端执行器，使机器人具有更高的柔性和高效，因此被广泛应用于自动化行业的各个领域。在部分重要应用场景中，工具快换装置能够提供备份工具，有效避免意外事件。相对于人工更换工具需要数小时，工具快换装置自动更换备用工具仅需数秒。工业机器人的腕部任务三任务导入任务描述小梁看到机器人的腕部，不禁想到人的手腕，随即推想出机器人手腕的作用。那么，工业机器人的腕部能做哪些动作？它又是如何运动自如的呢？本任务我们将一同学习工业机器人的腕部的相关知识。任务目标1.了解工业机器人腕部的定义及作用。2.掌握工业机器人腕部的运动形式。3.熟悉工业机器人腕部的分类。4.能识别工业机器人腕部的驱动方式。5.培养学生独立思考与综合分析问题能力的同时，树立勇于探索、敢于创新的科学精神，为推动我国机器人技术发展贡献力量。一、工业机器人腕部的定义及作用工业机器人腕部是连接末端执行器与臂部、用于支撑和调整末端执行器的部件，可助其呈现期望姿态、扩大臂部运动范围、增加自由度，通常有2或3个独立自由度。部分机器人无腕部，多数腕部由R形、T形关节配置组成。任务实施二、工业机器人腕部的运动形式工业机器人腕部运动模拟人腕部运动，回转效果有臂转、手转、腕摆三种（如图3-3-1所示）。臂转即绕小臂轴线旋转；手转即末端执行器绕自身轴线旋转；腕摆即末端执行器相对臂部摆动。臂转、手转时腕部翻转；腕摆时腕部俯仰或偏转。腕部具备翻转、俯仰、偏转（RPY）能力，部分腕部还可通过线性关节L实现直线移动。图3-3-2为工业机器人腕部坐标系。三、工业机器人腕部的分类（一）单自由度腕部如图3-3-3所示，单自由度手腕可分为以下三种。1.单一的翻转功能腕部关节轴线与手臂的纵轴线共线结构轴线特征该翻转运动通过翻转关节（R型关节）实现功能实现载体回转角度不受结构限制，可实现360°以上回转回转角度优势2.单一的俯仰功能腕部关节轴线与臂部及手部的轴线相互垂直01轴线关系回转角度受结构限制，通常小于360°02角度限制该运动由弯转关节（B型关节）实现03实现关节3.单一的偏转功能腕部关节轴线与臂部及手部的轴线在另一方向上相互垂直，构建独特运动基础。轴线垂直布局偏转运动的转角受结构限制，通常小于360°，无法完成完整圆周动作。转角范围受限该单一偏转功能依靠折曲关节（B型关节）实现，由关节结构特性主导动作完成。运动实现依托（二）二自由度腕部二自由度腕部可由R+B关节组成BR腕部、两个B关节组成BB腕部，如图3-3-4（a）（b）所示；不能由两个共轴线R关节组成RR腕部（如图3-3-4（c）），此类腕部因两R关节功能重复，实际为单自由度腕部。（三）三自由度腕部R、B关节构成的三自由度腕部有多形式，可实现臂转、手转、腕摆功能。主流结构形式图3-3-5：(a)BBR腕部可RPY运动；(b)BRR腕部需配竖直R关节；(c)RRR腕部可RPY运动；(d)BBB腕部退化为二自由度。

自由度配置要求腕部自由度选型需结合机器人通用性、工作性能、工艺要求等，驱动方式分液（气）压缸驱动和机械传动两类。选型与驱动分类（一）直接驱动直接驱动指驱动器装在腕部运动关节附近，直接驱动关节运动。该方式刚度高，但腕部尺寸、质量及惯量大。驱动器直接装在腕部，关键是设计加工出大转矩、高性能的驱动电机或液压马达。四、工业机器人腕部的驱动方式（二）远程驱动远程驱动指将驱动器装在机器人臂部远端或机座，经传动机构间接驱动腕部关节。其腕部紧凑、质轻，利于提升机器人整体性能，但传动设计复杂、刚度低。智造视窗工业机器人的柔性腕部在用工业机器人进行的精密装配作业时，当被装配零件之间的配合精度相当高时，由于被装配零件的不一致性，工件的定位夹具、机器人手爪的定位精度无法满足装配要求，从而导致装配困难。这就要求工业机器人在执行装配动作时具有柔性。柔性装配技术有主动柔性装配和被动柔性装配两种。1.主动柔性装配从检测、控制的角度来讲，采取各种不同的检测方法，可以实现边校正边装配。例如，在手爪上安装视觉传感器、力传感器等检测元件，这种柔性装配技术称为“主动柔性装配”。主动柔性腕部需配备一定功能的传感器，因此成本较高。2.被动柔性装配从机械结构的角度而言，在腕部配置一个柔性环节，以满足柔性装配的需求，这种柔性装配技术称为“被动柔性装配”。被动柔性腕部结构比较简单，成本较低，装配速度快。相比主动柔性装配技术，它要求装配件要有一定倾角，允许的校正补偿量受到倾角的限制，且轴孔间隙不能太小。工业机器人的臂部任务四任务导入任务描述前文学习了工业机器人的末端执行器和腕部结构，本任务中，小梁该学习工业机器人臂部的相关知识。任务目标1.了解工业机器人臂部的定义与作用。2.熟悉工业机器人臂部的分类与特点。3.掌握工业机器人臂部的组成与运动。4.能区分工业机器人臂部的配置与驱动。5.培养学生专注敬业、精益求精的职业品格，为制造业高质量发展贡献力量。一、工业机器人臂部的定义与作用是连接机身和腕部的关键部件，构成工业机器人机械结构系统的核心环节支承腕部与末端执行器，带动其完成多轴运动，精准确定末端执行器空间位置，保障作业可达性涵盖液压驱动、气压驱动及应用最广泛的电机驱动三类，适配不同负载与作业精度需求010203核心定义与连接角色核心作业职能主流驱动方式任务实施二、工业机器人臂部的分类与特点单臂式臂部工业机器人常用结构，简单灵活，用于搬运等场景，如关节、SCARA型双臂式臂部两组臂可独立或协同运动，适精密装配，效率柔度高，但成本也高悬挂式臂部悬挂安装，占地小、范围大，适用于长距离搬运等场景，如直角坐标机器人（一）工业机器人臂部的分类1.按结构形式分类2.按运动形式分类分为单极型与伸缩型：单极型结构简单、刚度高；伸缩型由单极型嵌套而成，连接紧凑、伸缩比大、运动惯性小。移动型臂部由旋转关节连接，具备大工作范围与多自由度，适用于灵活多轴任务，运动形式含左右旋转、上下摆动等。旋转型臂部由两种运动形式复合而成，涵盖直线+旋转、双直线、双旋转运动复合等类型。复合型臂部（二）工业机器人臂部的特点一般由大臂、小臂（或多臂）组成，支撑腕部和手部，实现较大运动范围，运动由驱动与传动机构实现结构组成与核心功能总质量大，受力复杂；运动时承受腕部、末端执行器及工件的静、动载荷，高速运动易产生惯性力引发冲击，影响定位精度受力与载荷特性臂部的结构、工作范围、灵活性、抓重能力和定位精度，直接决定机器人的工作性质、运动形式及作业精度对整机性能的关键影响需满足刚度高、导向性好、重量轻、运动平稳且定位精度高的核心设计标准核心设计要求1.刚度高02工字形断面弯曲刚度优于圆断面，空心管的弯曲、扭转刚度高于实心轴，常用钢管作臂杆，工字钢、槽钢作支撑杆。可采用多重闭合的平行四边形连杆机构，替代单一刚度构件的臂杆，进一步提升臂部整体刚度。断面选型优化机构刚度升级012.质量轻通过优化臂部结构、加工工艺，减轻运动部分质量，降低臂部对回转轴的转动惯量，提升机器人运动速度。结构工艺优化直线运动多的机器人用镁/铝合金，高加速度需求的如喷涂机器人用碳玻璃纤维合成物，小型轻载机器人用热塑性塑料。材料精准适配3.运动平稳臂部运动速度高易引发惯性冲击，需设计紧凑、轻量化结构，从根源减小冲击，保障运动平稳与定位精度。惯性冲击控制采用弹簧与气缸等缓冲装置，抵消定位前的惯性冲击，进一步提升臂部运动平稳性，确保定位精度达标。缓冲装置应用三、工业机器人臂部的组成与运动关节型工业机器人臂部以肩关节、大臂、小臂、肘关节为核心，构成“两关节两臂杆”的基础机械结构。核心机械骨架配备适配伸缩、屈伸或自转等动作的传动装置，为臂部各类运动提供精准动力输出。运动驱动组件集成导向定位装置、支承连接件、位置检测元件及配管配线，确保臂部运行的稳定性与精准性。辅助保障部件（一）臂部的组成1.垂直运动垂直运动是指机器人臂部的上下运动，通常采用液压缸机构或通过调整机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。径向运动是指机器人臂部的伸缩运动，可使其臂部的工作范围发生变化。2.径向运动3.回转运动回转运动是指机器人绕铅垂轴转动，它决定了机器人臂部所能达到的角度和位置。（一）工业机器人臂部的配置场景适配原则四类核心形式0103根据作业环境、功能需求及场地限制选择对应配置，确保机器人作业高效与布局合理。涵盖横梁式、立柱式、机座式、屈伸式四种，基本反映机器人总体布局，适配不同作业环境、功能与场地条件。02横梁式占地小空间利用率高，立柱式作业范围大，机座式可灵活移动，屈伸式具备平面与空间运动灵活性。各型关键特点四、工业机器人臂部的配置与驱动1.横梁式配置臂部为横梁式，用于悬挂臂部部件（见图3-4-1），分单臂、双臂悬挂式两种，具有占地小、空间利用率高、动作简单直观等优点。横梁可固定或移动，可装于厂房柱梁、相关设备或