第4章 工业机器人运动轨迹规划
《工业机器人技术》课程教学大纲
《工业机器人技术》课程教学大纲课程名称：工业机器人技术英文名称：Industry Robot Technology课程编码：学时/学分：18/1课程性质：选修适用专业：机械设计制造及其自动化先修课程：理论力学，机械原理，机械设计，液压传动，自动控制理论一、课程的目的与任务《工业机器人技术》是一门培养学生具有机器人设计和使用方面基础知识的专业选修课，本课程主要研究机器人的结构设计与基本理论。
通过本课程的学习，可使学生掌握工业机器人基本概念、机器人运动学理论、工业机器人机械系统设计、工业机器人控制等方面的知识。
其主要任务是培养学生：1、掌握工业机器人运动系统设计方法，具有进行总体设计的能力；2、掌握工业机器人整体性能、主要部件性能的分析方法；3、掌握工业机器人常用的控制理论与方法，具有进行工业机器人控制系统设计的能力；4、了解工业机器人的新理论，新方法及发展趋向。
二、教学内容及基本要求第一章绪论教学目的和要求：了解工业机器人的发展及现状，结构原理及应用情况。
教学重点和难点：介绍工业机器人的产生和发展过程，掌握机器人的概念、特点、工业机器人的基本分类、工业机器人的应用、工业机器人的组成以及主要性能参数，工业机器人的手部、腕部、臂部、机座的结构原理和实例。
教学方法与手段：课堂教学第一节机器人的分类第二节工业机器人的应用和发展1.2.1 工业机器人的应用1.2.2 工业机器人的发展第三节工业机器人的基本组成及技术参数1.3.1 工业机器人的基本组成1.3.2 工业机器人的技术参数1.3.3 工业机器人的坐标1.3.4 工业机器人的参考坐标系习题第二章工业机器人机构教学目的和要求：本部分介绍常用机器人机构，要求学生掌握常用机器人机构设计形式。
教学重点和难点：主要介绍机器人末端操作器、手腕、手臂及机器人驱动与传动形式。
教学方法与手段：课堂教学第一节机器人末端操作器2.1.1 夹钳式取料手2.1.2 吸附式取料手2.1.3 专用操作器及转换器2.1.4 仿生多指灵巧手2.1.5 其它手第二节机器人手腕2.2.1 手腕的分类2.2.2 手腕的典型结构2.2.3 柔顺手腕结构第三节机器人手臂第四节机器人机座2.4.1 固定式机器人2.4.2 移动式机器人第五节工业机器人的驱动与传动2.5.1 直线驱动机构2.5.2 旋转驱动机构2.5.3 直线驱动和旋转驱动的选用和制动2.5.4 工业机器人的传动2.5.5 新型的驱动方式2.5.6 驱动传动方式的应用习题第三章机器人运动学教学目的和要求：机器人运动学主要研究两个问题：一个是运动学问题，即给定机器人手臂、腕部等各个构件的几何参数及各个关节变量求机器人手部对参考坐标系的位置和姿态；介绍机器人的微移动和微转动概念、两坐标系间的微分运动关系、变换式（方程）中的微分关系、机器人雅可比矩阵的概念、求法——微分变换法；了解逆雅可比矩阵的概念和求解。
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。
六轴工业机器人设计与轨迹规划方法研究
01 引言
03 轨迹规划
目录
02 设计 04 方法研究
引言
六轴工业机器人是一种常见的自动化设备，广泛应用于制造业、医疗保健、服 务业等多个领域。它具有高精度、高速度和高效率等特点，能够完成各种复杂 任务。本次演示将探讨六轴工业机器人的设计与轨迹规划方法，旨在为机器人 的优化设计和应用提供理论支持和实践指导。
在具体应用中，可以根据实际需求选择合适的方法。例如，在需要高精度轨迹 规划的场景中，可以采用提高机器人精度的方法；在需要适应多种环境因素的 场景中，可以考虑采用考虑环境因素的方法；在需要实现精细控制的场景中， 可以选择多层次控制方法。
结论六轴工业机器人的设计与轨迹规划方法在自动化制造和服务等领域具有广 泛的应用前景。本次演示对六轴工业机器人的设计与轨迹规划方法进行了研究， 总结了设计方法和轨迹规划方法的关键要素，同时探讨了解决轨迹规划中常见 问题的方法。通过这些方法的研究和应用，可以提高机器人的轨迹规划精度和 实用性，进一步拓展其应用领域。
4、多层次控制：采用多层次控制策略，包括关节层控制、轨迹规划层控制和 任务层控制，以实现更加精细的轨迹规划。
3、总结所述方法的特点和应用
上述方法各有特点和应用范围。提高机器人精度可以提高轨迹规划的准确性， 但可能增加制造成本；优化控制算法可以提高轨迹规划的精度，但可能需要更 高级的技术支持；考虑环境因素可以使轨迹规划更加实用，但可能增加规划的 复杂性；多层次控制可以提供更加灵活和精细的控制，但可能增加控制系统的 复杂性。
2、探讨针对这些问题的方法
针对上述问题，可以采取以下方法进行解决：
1、提高机器人精度：采用高精度关节和连杆组件，减小机器人本身的误差；
工业机器人中的运动规划算法及实际应用案例分析
工业机器人中的运动规划算法及实际应用案例分析工业机器人已经成为现代生产线的主要组成部分，它们能够以高效、准确和精确的方式完成各种任务。
机器人的运动规划是其中一个关键的技术，它决定了机器人如何在给定的环境中移动、定位和执行任务。
本文将介绍工业机器人中常用的运动规划算法，以及几个实际应用案例的分析。
一、运动规划算法概述1. RRT算法：Rapidly-exploring Random Tree（快速探索随机树）算法是一种常用的机器人运动规划算法。
它通过随机扩展树的方式，快速生成一棵树来表示机器人的运动空间。
RRT 算法广泛应用于机器人路径规划、避障和运动控制等领域。
2. A*算法：A*算法是一种启发式搜索算法，可用于机器人在环境中的路径规划。
该算法通过评估各个路径的启发式代价函数来选择最佳的路径。
A*算法在机器人导航、地图制图和自动驾驶等领域具有广泛的应用。
3. DWA算法：Dynamic Window Approach（动态窗口法）是一种用于机器人运动规划的实时算法。
DWA算法通过考虑机器人的动力学限制和环境的动态变化来生成高效、安全的轨迹。
该算法常用于机器人的导航、定位和运动控制等领域。
二、实际应用案例分析1. 自动化仓储系统：自动化仓储系统主要由工业机器人和仓库管理系统组成，用于实现货物的自动存储和检索。
在该系统中，机器人需要在仓库中准确地定位货物并执行搬运任务。
运动规划算法可以帮助机器人规划最佳的路径，减少运动时间，并确保机器人与其他设备和人员的安全距离。
通过应用运动规划算法，自动化仓储系统可以提高效率、降低成本，并实现自动化的物流操作。
2. 车辆生产线：在车辆生产线上，工业机器人通常用于自动焊接、喷涂和组装等工艺。
在执行这些任务时，机器人需要准确地控制其运动轨迹，并在与车辆和其他设备的接触中保持安全。
运动规划算法可以帮助机器人规划最佳的运动路径，确保焊接、喷涂和组装等工艺的准确性和一致性。
智能制造装备设计与故障诊断课件第4章-工业机器人基础
4.1.2 工业机器人的基本技术参数
工业机器人的设计与大多数机器设计过程相同，在进行工业机器人选型设 计之前，首先要对工业机器人的作业目的、功能需求、作业空间和生产条 件等做出规划，然后由机器人技术参数可选择机器人机械结构和坐标形式， 这度、作业范围、最大工作速度和承载能力等。
目前，由于工业机器人具有重复精度高、可靠性好、适用性强等优点，已广泛应用于汽车、 机械、电子、物流等行业，如在自动化生产线上的垛码机器人、包装机器人、转线机器人 等；在汽车生产线上的焊接机器人等。
One
4.1
工业机器人整体方案
工业机器人是应用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机械装置，能 够自动执行工作指令，靠自身动力和控制能力来实现预期功能的装置。它 既可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的指令程序运行，现代智能工 业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则和纲领作业，达到智能处理 作业的水平。
4.1.2 工业机器人的基本技术参数
（2）精度
工业机器人精度往往指的是定位精度与重复定位精度两个精度指标。
➢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，它是由于受机器人的机械误差、控制算法与系统分辨率等参 数影响产生。
➢重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一 命令下，机器人连续重复运动若干次，每一次的运动目标位置分 布情况，是一个关于位姿精度的统计数据。
机器人。运动耦合性强，控制较复杂，但运动灵活性最好，自身占据空间
最小。多关节型机器人的臂部有多个转动关节。
α
θ4
θ5
θ3
θ6
φ θ
示意图
θ2 θ1
EDUBOT-PUMA 560
4.1.3工业机器人的分类
工业机器人技术及应用(教案)4-初识工业机器人的作业示教
第四章初识工业机器人的作业示教4.1 工业机器人示教的主要内容4.1.1 运动轨迹4.1.2 作业条件4.1.3 作业顺序学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习4.2 工业机器人的简单试教学与再现4.2.1 在线示教及其特点4.2.2 在线示教的基本步骤其特点4.3 工业机器人的离线编程技术4.3.1 离线编程及其特点4.3.2 离线编程系统的软件架构4.3.3 离线编程的基本步骤课前回顾如何选择机器人坐标系和运动轴？机器人点动与连续移动有何区别，分别适合在哪些场合运用？学习目标认知目标掌握工业机器人示教的主要内容熟悉机器人在线示教的特点与操作流程熟悉机器人离线编程的特点与操作流程掌握机器人示教 - 再现工作原理能力目标能够进行工业机器人简单作业在线示教与再现能够进行工业机器人离线作业示教与再现导入案例机器人职业前景分析对于机器人企业来说，他们需要的高端人才，至少应熟悉编程语言和仿真设计，以及神经网络、模糊控制等常用控制算法，能达到指导员工的程度。
在此基础上，能依据实际情况自主研究算法。
此外，最好还能主导大型机电一体化设备的研发，具备一定的管理能力。
而其余调试，操作员工的要求相应递减。
跟据职能划分，大概可分为四个工种： 1. 工程师助手，主要责任是协助工程师绘制机械图样、电气图样、简单工装夹具设计、制作工艺卡片、指导工人按照装配图进行组装；2. 机器人生产线试产员与操作员；3. 机器人总装与调试者；4.高端维修或售后服务人员。
课堂认知4.1 工业机器人示教的主要内容目前，企业引入的以第一代工业机器人为主，其基本工作原理是“示教 - 再现”。
“示教”也称导引，即由操作者直接或间接导引机器人，一步步按实际作业要求告知机器人应该完成的动作和作业的具体内容，机器人在导引过程中以程序的形式将其记忆下来，并存储在机器人控制装置内；“再现”则是通过存储内容的回放，机器人就能在一定精度范围内按照程序展现所示教的动作和赋予的作业内容程序是把机器人的作业内容用机器人语言加以描述的文件，用于保存示教操作中产生的示教数据和机器人指令。
机械行业工业机器人技术与应用方案
机械行业工业技术与应用方案第一章概述 (2)1.1 工业技术发展历程 (2)1.2 工业应用现状及趋势 (3)第二章工业技术原理 (3)2.1 运动学原理 (4)2.2 动力学原理 (4)2.3 传感器与控制系统 (4)第三章工业硬件系统 (5)3.1 本体结构 (5)3.1.1 基座 (5)3.1.2 铰链 (5)3.1.3 关节 (6)3.1.4 机身 (6)3.2 驱动系统 (6)3.2.1 电动机 (6)3.2.2 伺服系统 (6)3.2.3 传动系统 (6)3.3 末端执行器 (6)3.3.1 夹爪 (6)3.3.2 电磁铁 (7)3.3.3 针筒 (7)3.3.4 刀具 (7)第四章工业软件系统 (7)4.1 控制系统软件 (7)4.2 编程语言 (7)4.3 视觉系统 (8)第五章工业感知与导航技术 (8)5.1 传感器技术 (8)5.2 导航技术 (9)5.3 感知与导航集成 (9)第六章工业应用领域 (9)6.1 制造业应用 (9)6.1.1 汽车制造业 (9)6.1.2 电子制造业 (10)6.1.3 食品制造业 (10)6.2 物流与仓储应用 (10)6.2.1 仓库搬运 (10)6.2.2 分拣与拣选 (10)6.2.3 货物配送 (10)6.3 医疗与康复应用 (10)6.3.1 手术辅助 (10)6.3.2 康复治疗 (10)6.3.3 诊断与检测 (10)第七章工业系统集成 (11)7.1 系统集成原理 (11)7.2 系统集成设计 (11)7.3 系统集成调试与优化 (12)第八章工业安全与可靠性 (12)8.1 安全规范与标准 (12)8.2 安全设计 (13)8.3 故障诊断与维护 (13)第九章工业行业解决方案 (14)9.1 汽车行业解决方案 (14)9.1.1 概述 (14)9.1.2 焊接解决方案 (14)9.1.3 涂装解决方案 (14)9.1.4 装配解决方案 (14)9.1.5 检测解决方案 (14)9.2 电子行业解决方案 (15)9.2.1 概述 (15)9.2.2 SMT贴片解决方案 (15)9.2.3 组装解决方案 (15)9.2.4 测试解决方案 (15)9.3 食品与药品行业解决方案 (15)9.3.1 概述 (15)9.3.2 包装解决方案 (15)9.3.3 检测解决方案 (16)9.3.4 生产线优化解决方案 (16)第十章工业发展趋势与展望 (16)10.1 技术发展趋势 (16)10.2 行业应用拓展 (16)10.3 市场前景预测 (16)第一章概述1.1 工业技术发展历程工业技术作为机械行业的重要组成部分，其发展历程可追溯至上世纪中叶。
机器人学及其智能控制第4章 机器人的控制系统
一般地说，机器人控制问题分为下面两部分：(1)求得操 作机的动态模型；(2)利用这些模型确定控制规律或策赂，以 达到所需的系统响应和性能。
人
控制
I/O 设
系统
备
计算机硬件及软件
（任务规划，轨迹规划）
控制器
内部传感器 驱动器
外部传感器
操作机
2
环境
机器人控制时，要求操作机各关节按所规划的轨迹运动。
u(t)Kp e(t)T 1 i
t
e(t)dtu0
0
(4.4)
式中，T i 称为积分时间。图3.3所示为PI控制器对单位阶跃输入的阶跃响 应。
PI控制器对偏差的作用有两个部分：一个是按比例部分的成分， 另一个是带有累积的成分（即呈一定斜率变化的部分），这就是积 分控制部分的作用。只要偏差存在，积分将起作用，将偏差累计， 并对控制量产生影响，即偏差减小，直至偏差为零，积分作用才会 停止。因此，加入积分环节将有助于消除系统的静差，改善系统的 稳态性能。
驱动器
9
PID算法
PID 控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至今70 年 多年来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控 制的主要技术之一。单位反馈的PID 控制原理框图如图所示。
PID算法
PID（Proportional Integral Differential）控制是比例、积分、 微分控制的简称。在自动控制领域中，PID控制是历史最久、生命力最强的 基本控制方式。
而控制系统中的驱动器是由力矩指令驱动关节运动的。 ( t ) D ( q d ( t ) ) q d ( t ) h ( q d ( t ) , q d ( t ) ) G ( q d ( t ) )