双臂工业机器人运动学概述
工业机器人主要课程
工业机器人主要课程
工业机器人作为现代制造业中的重要装备，其应用领域日益扩大，对于工程技术人员来说，掌握工业机器人的相关知识和技能是至关重要的。
下面将介绍工业机器人主要课程的内容，包括但不限于以下几个方面：
1. 机器人基础知识：这门课程主要介绍机器人的基本概念、分类、工作原理、结构组成等内容，让学生对机器人有一个全面的了解。
2. 机器人运动学：这门课程主要介绍机器人的运动学原理，包括坐标变换、正运动学、逆运动学等内容，让学生能够理解机器人的运动规律和控制方法。
3. 机器人控制技术：这门课程主要介绍机器人的控制系统、传感器、执行器等方面的知识，包括PID控制、轨迹规划、运动控制算法等内容，让学生能够掌握机器人的控制技术。
4. 机器人视觉与感知：这门课程主要介绍机器人视觉系统、图像处理、目标识别等内容，让学生了解机器人的视觉感知技术及其在工业生产中的应用。
5. 机器人应用与实践：这门课程主要通过案例分析和实验操作，让学
生了解机器人在各个领域的应用情况，并且能够独立进行机器人系统的设计与开发。
6. 机器人安全与维护：这门课程主要介绍机器人的安全标准、安全防护设施、维护保养等内容，让学生能够掌握机器人的安全管理和维护技术。
以上是工业机器人主要课程的简要介绍，工业机器人技术涉及面广，需要学生具备扎实的理论基础和实践操作能力。
工业机器人运动学课件
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
定义与分类
定义
工业机器人是一种可编程、多自 由度的自动化机械业任务。
分类
根据应用领域和功能特点，工业 机器人可分为搬运机器人、焊接 机器人、装配机器人、加工机器 人等。
工业机器人运动学课件
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
• 工业机器人概述 • 工业机器人运动学基础 • 工业机器人关节结构与运动特性 • 工业机器人运动学建模 • 工业机器人轨迹规划 • 工业机器人控制技术 • 工业机器人应用案例分析
目录
CONTENTS
01
人工操作成本。
THANKS
感谢观看
位置控制与速度控制
位置控制
通过设定目标位置，控制器计算出机 器人需要执行的路径和动作，使机器 人准确到达目标位置。
速度控制
通过设定目标速度，控制器计算出机 器人需要执行的动作，使机器人在运 动过程中保持恒定的速度。
力控制与力矩控制
力控制
通过设定目标力，控制器计算出机器人需要执行的路径和动作，使机器人施加的目标力作用于被操作 物体上。
学要求。
轨迹规划的分类
根据运动学和动力学模型的不同 ，轨迹规划可以分为运动学轨迹
规划和动力学轨迹规划。
轨迹规划的步骤
包括路径生成、速度和加速度控 制、碰撞检测和避障等。
关节空间的轨迹规划
01
关节空间定义
关节空间是指机器人的各个关节角度构成的坐标系，是机器人的内部状
态空间。
02 03
关节空间轨迹规划方法
逆运动学模型
已知机器人末端执行器的位置和姿态，求解对应的关节变量。
机器人学-第3章_机器人运动学
o
X
由（3-1）式可得运动学约束条件，x&sinq y&cosq 0 平面轮式移动机器人
是所谓的“非完整约束”。物理含义是，机器人不能沿轮轴线方向横移。
设轮距为D，轮半径为r，两轮独立驱动时轮子转速wL，wR 则
v
r 2
wR
wL
,
w
r D
wR
wL
（3-2）
1
v
r 2
wR
wL
,
w
r D
wR
wL
q2 L1
定义参考坐标系{0}，它固定在基座上，当第一
个关节变量（q1）为0时坐标系{1}与坐标系{0}重合
，因此建立参考坐标系{0}如图所示，Z0轴与关节1 的轴线重合且垂直于机械臂所在平面。
q1
平面3R机械臂
由于机械臂位于一个平面上，因此所有Z轴相互平
X3
行，且连杆偏距d和连杆转角均为0。该机械臂的DH
动距离分别为lR = rR和lL = rL，
机器人移动距离
l=(lR+lL)/2
方位角变化
q =(lR-lL)/D。
第n步机器人位姿可以按下面公式更新：
qn qn1 q
xn
xn1
l
cos qn1
q
/
2
yn
yn1
l
sin qn1
q
/
2
若已知机器人的初始位姿，根据该递推公式可以确定任意时刻机器
人位姿，比较简单，但因积累误差大，所以长时间不可靠。
相邻连杆间坐标变换公式
建立 {P}、{Q}和{R}3个中间坐标系， 其中{i}和{i-1}是固定在连杆 i 和 i-1 上的固 连坐标系，如图3-13所示。
机器人臂工作原理
机器人臂工作原理机器人臂作为现代智能机器人的重要组成部分，被广泛应用于工业领域，其工作原理深受工程学和机械学的影响。
本文将介绍机器人臂的工作原理，包括结构组成、动力学模型和控制系统等方面。
一、结构组成机器人臂由多个关节连接而成，每个关节通过电机驱动。
常见的机器人臂结构包括串联结构、并联结构和混合结构。
串联结构的机器人臂由多个关节依次连接，具有较高的自由度，适用于精确控制任务。
并联结构的机器人臂由多个平行连接的关节组成，可以提供较大的负载能力和刚度，适用于运输和加工操作。
混合结构则是串联结构和并联结构的组合，综合了两者的优点，用于特殊工况的需求。
二、动力学模型机器人臂的动力学模型是描述其运动规律和力学性能的数学模型。
动力学模型可以分为正向动力学和逆向动力学。
正向动力学模型利用关节力和负载力来计算末端执行器的位置、速度和加速度。
逆向动力学模型则通过末端执行器的运动目标来计算关节力和负载力，实现精确控制。
动力学模型的建立和计算对于机器人臂的运动控制和力学性能分析非常重要。
三、控制系统机器人臂的控制系统是实现其精确控制的关键。
通常，机器人臂的控制系统可以分为位置控制和力/力矩控制两种。
位置控制是通过控制各个关节的位置使机器人臂到达期望位置。
而力/力矩控制则是通过控制各个关节的力和力矩响应刚度，实现对力的精确控制。
控制系统还包括传感器、执行器、控制算法和数据通信等组成部分，用于感知和处理环境信息，并实现与外部系统的协作。
四、应用领域机器人臂的工作原理决定了其在工业生产和服务领域的广泛应用。
在工业生产中，机器人臂可以用于自动化装配、焊接、喷涂等作业。
在服务领域，机器人臂可以用于医疗护理、物流搬运、危险环境勘测等任务。
随着人工智能和机器学习的发展，机器人臂的操作和学习能力将进一步提升，为更多领域带来创新和便利。
总结本文介绍了机器人臂的工作原理，包括结构组成、动力学模型和控制系统。
机器人臂的工作原理是实现其精确控制和适应不同工况的基础。
工业机器人的运动学
工业机器人运动学的展望
未来工业机器人运动学将与人工智能、机器视觉等技 术进一步融合，实现更智能化的运动控制和决策。
输入 标题
应用拓展
随着技术的进步，工业机器人运动学的应用领域将进 一步拓展，如微纳操作、深海/空间探索等高精度、高 可靠性要求的领域。
技术融合
理论深化
随着工业机器人运动学的不断发展，对相关领域的人 才需求将进一步增加，未来将需要更多的专业人才进
运动学逆问题
定义
给定机器人末端执行器的 位置和姿态，求解实现该 位置和姿态所需的关节角 度。
计算方法
通过逆向运动学模型，将 末端执行器的笛卡尔坐标 代入机器人结构参数方程， 反解出关节角度。
应用
根据目标位置和姿态，规 划机器人的关节运动轨迹， 实现精确控制。
雅可比矩阵
定义
描述机器人末端执行器速度与关节速 度之间关系的线性映射矩阵。
03 工业机器人运动学原理
运动学正问题
01
02
03
定义
给定机器人的关节角度， 求解机器人末端执行器的 位置和姿态。
计算方法
通过正向运动学模型，将 关节角度代入机器人结构 参数方程，求解末端执行 器的笛卡尔坐标。
应用
根据已知的关节角度，预 测或验证机器人的末端位 置和姿态，为机器人控制 提供基础。
基于运动学的轨迹规划
轨迹规划
基于运动学的轨迹规划是工业机器人运动学优化与控制的 重要环节，它涉及到机器人在空间中运动的路径和速度的 规划。
路径规划
路径规划是轨迹规划的基础，它通过寻找起点和终点之间 的最优路径，确保机器人在移动过程中能够安全、高效地 完成任务。
速度规划
速度规划是在路径规划的基础上，对机器人在各个运动阶 段的速度进行优化，以达到最佳的运动效果和效率。
第3章工业机器人运动学和动力学概要
第3章工业机器人运动学和动力学机器人操作臂可看成一个开式运动链，它是由一系列连杆通过转动或移动关节串联而成。
开链的一端固定在基座上，另一端是自由的，安装着工具，用以操作物体，完成各种作业。
关节由驱动器驱动，关节的相对运动导致连杆的运动，使手爪到达所需的位姿。
在轨迹规划时，最感兴趣的是末端执行器相对于固定参考系的空间描述。
为了研究机器人各连杆之间的位移关系，可在每个连杆上固接一个坐标系，然后描述这些坐标系之间的关系。
Denavit和Hartenberg提出一种通用方法，用一个4*4的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而推导出“手爪坐标系”相对于“参考系”的等价齐次变换矩阵，建立出操作臂的运动方程。
称之为D-H矩阵法。
3.1 工业机器人的运动学教学时数：4学时教学目标：理解工业机器人的位姿描述和齐次变换；掌握齐次坐标和齐次变换矩阵的运算；理解连杆参数、连杆变换和运动学方程的求解；教学重点：掌握齐次变换及运动学方程的求解教学难点：齐次变换及运算教学方法：讲授教学步骤：齐次变换有较直观的几何意义，而且可描述各杆件之间的关系，所以常用于解决运动学问题。
已知关节运动学参数，求出末端执行器运动学参数是工业机器人正向运动学问题的求解；反之，是工业机器人逆向运动学问题的求解。
3.1.1 工业机器人位姿描述1.点的位置描述在选定的指教坐标系{A}中，空间任一点P的位置可用3*1的位置矢量表示，其左上标代表选定的参考坐标系。
2.点的齐次坐标如果用四个数组成4*1列阵表示三维空间直角坐标系{A}中点P，则该列阵称为三维空间点P的齐次坐标，如下：必须注意，齐次坐标的表示不是惟一的。
我们将其各元素同乘一个非零因子后，仍然代表同一点P，即其中：，，。
该列阵也表示P点，齐次坐标的表示不是惟一的。
3.坐标轴方向的描述用i、j、k分别表示直角坐标系中X、Y、Z坐标轴的单位向量，用齐次坐标来描述X、Y、Z轴的方向，则有，，从上可知，我们规定：4*1列阵中第四个元素为零，且，则表示某轴（某矢量）的方向。
机械手臂运动学分析及运动轨迹规划
机械手臂运动学分析及运动轨迹规划机械手臂是一种能够模仿人手臂运动的工业机器人，正因为它的出现，可以将传统的人工操作转变为高效自动化生产，大大提高了生产效率和质量。
而机械手臂的运动学分析和运动轨迹规划则是实现机械手臂完美运动的关键。
一、机械手臂运动学分析机械手臂的运动学分析需要从几何学和向量代数角度出发，推导出机械手臂的位姿、速度和加速度等运动参数。
其中，机械臂的位姿参数包括位置和姿态，位置参数表示机械臂末端在空间中的坐标，姿态表示机械臂在空间中的方向。
对于机械臂的位姿参数，一般采用欧拉角、四元数或旋转矩阵的形式描述。
其中，欧拉角是一种常用的描述方法，它将机械臂的姿态分解为绕三个坐标轴的旋转角度。
然而，欧拉角的局限性在于其存在万向锁问题和奇异性等问题，因此在实际应用中，四元数和旋转矩阵往往更为常用。
对于机械臂的运动速度和加速度，可以通过运动学方程求出。
运动学方程描述了机械臂末端的速度和加速度与机械臂各关节角度和速度之间的关系，一般采用梯度方程或逆动力学方程求解。
二、机械手臂运动轨迹规划机械手臂的运动轨迹规划是指通过预设规划点确定机械臂的运动轨迹，以实现机械臂的自动化运动。
运动轨迹的规划需要结合机械臂的运动学特性和运动控制策略，选择合适的路径规划算法和控制策略。
在机械臂运动轨迹规划中，最重要的是选择合适的路径规划算法。
常见的路径规划算法有直线插补、圆弧插补、样条插值等。
其中，直线插补最简单、最直接，但是在复杂曲线的拟合上存在一定的不足。
圆弧插补适用于弧形、曲线路径的规划，加工精度高，但需要计算机械臂末端的方向变化，计算复杂。
样条插值虽能够精确拟合曲线轨迹，但计算速度较慢，适用于对路径要求较高的任务。
除了选择合适的路径规划算法，机械臂运动轨迹规划中还需要采用合适的控制策略。
常用的控制策略包括开环控制和闭环控制。
开环控制适用于简单的单点运动，对于复杂的轨迹运动不太适用；而闭环控制可以根据机械臂末端位置的反馈信息及时调整控制器输出，适用于复杂轨迹运动。
机器人运动学
机器人运动学机器人运动学是研究机器人运动和姿态变化的一门学科。
它通过分析机器人的构造和动力学参数，研究机器人在特定环境下的运动规律和遵循的动力学约束，以实现机器人的准确控制和运动规划。
本文将从机器人运动学的基本概念、运动学模型、运动学正解和逆解等方面进行介绍。
1. 机器人运动学的基本概念机器人运动学是机器人学中的一个重要分支，主要研究机器人在空间中的运动状态、末端执行器的位置和姿态等基本概念。
其中，运动状态包括位置、方向和速度等；末端执行器的位置和姿态是描述机器人末端执行器在空间中的位置和朝向。
通过研究和分析这些基本概念，可以实现对机器人运动的控制和规划。
2. 运动学模型运动学模型是机器人运动学研究的重要工具，通过建立机器人的运动学模型，可以描述机器人在运动过程中的运动状态和姿态变化。
常见的运动学模型包括平面机器人模型、空间机器人模型、连续关节机器人模型等。
每种模型都有其独特的参数和运动学关系，可以根据实际情况选择合适的模型进行分析和研究。
3. 运动学正解运动学正解是指根据机器人的构造和动力学参数，求解机器人末端执行器的位置和姿态。
具体而言，根据机器人的关节角度、关节长度和连杆长度等参数，可以通过连乘法求解机器人末端执行器的位姿。
运动学正解是机器人运动学中的常见问题，解决这个问题可以帮助我们了解机器人在空间中的运动规律和运动范围。
4. 运动学逆解运动学逆解是指根据机器人末端执行器的位置和姿态，求解机器人的关节角度。
反过来，控制机器人的运动状态就需要求解逆运动学问题。
运动学逆解是机器人运动学研究的重要内容之一，它的解决可以帮助我们实现对机器人的准确定位和控制。
总结：机器人运动学是研究机器人运动和姿态变化的学科，通过运动学模型、运动学正解和运动学逆解等方法，可以描述机器人的运动状态、末端执行器的位置和姿态。
深入研究机器人运动学，可以实现对机器人的准确控制和运动规划。
随着机器人技术的不断发展，机器人运动学的研究也得到了越来越广泛的应用和重视。
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双臂工业机器人运动学概述
一、引言
双臂工业机器人是一种具有两个机械臂的机器人系统，它可以在三维
空间内完成各种复杂的任务。
在制造业、物流和医疗等领域，双臂工
业机器人已经成为了不可或缺的重要设备。
本文将对双臂工业机器人
的运动学进行概述。
二、运动学基础
1. 坐标系
双臂工业机器人通常采用笛卡尔坐标系（XYZ）或者极坐标系（RθZ）。
其中，笛卡尔坐标系是直角坐标系，可以描述物体在三维空间内的位置；极坐标系则是由一个原点和一个极轴组成，可以描述物体在平面
内的位置。
2. 运动类型
双臂工业机器人的运动类型包括直线运动和旋转运动。
其中，直线运
动可以分为沿X轴、Y轴和Z轴方向的直线运动；旋转运动则包括绕
X轴、Y轴和Z轴方向的旋转。
3. 运动自由度
双臂工业机器人通常具有6个自由度，即可以沿X轴、Y轴和Z轴方
向进行直线运动，并且可以绕X轴、Y轴和Z轴方向进行旋转。
有些机器人还具有额外的自由度，例如手指的张合等。
三、双臂工业机器人的运动学模型
1. 正运动学模型
正运动学模型是指根据机器人各个关节的角度计算出机器人末端执行器的位置和姿态。
通常采用矩阵变换法进行计算。
2. 逆运动学模型
逆运动学模型是指根据机器人末端执行器的位置和姿态计算出各个关节的角度。
由于双臂工业机器人具有多个自由度，所以逆运动学问题比较复杂，通常采用数值方法进行求解。
四、双臂工业机器人的控制方法
1. 位置控制
位置控制是指通过控制机械臂各个关节的角度来实现末端执行器的位置控制。
通常采用PID控制方法进行控制。
2. 力控制
力控制是指通过传感器感知末端执行器施加在物体上的力和力矩，从而实现对物体力和力矩的精确控制。
通常采用反馈线性化方法进行控制。
3. 路径规划
路径规划是指根据任务要求和机器人运动学模型，生成机器人的运动轨迹。
通常采用插值法、优化算法等方法进行规划。
五、双臂工业机器人的应用领域
1. 制造业
双臂工业机器人在制造业中广泛应用，可以完成装配、焊接、喷涂等各种工艺操作。
2. 物流
双臂工业机器人在物流领域中可以完成物品的搬运、分拣和包装等任务。
3. 医疗
双臂工业机器人在医疗领域中可以完成手术辅助、康复训练等任务。
六、结语
双臂工业机器人的运动学是其实现各种复杂任务的基础，了解其运动学模型和控制方法对于提高机器人的性能和应用效果具有重要意义。
未来随着技术的不断发展，双臂工业机器人将会在更多领域得到广泛应用。