机器人焊接技术（PPT 精品）

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1、机器人焊接技术机器人焊接技术1课程内容课程内容内容：内容：机器人基本知识机器人基本知识工业机器人工作原理工业机器人工作原理弧焊机器人离线编程及标定技术弧焊机器人离线编程及标定技术机器人焊接系统的组成及特点机器人焊接系统的组成及特点主要参考教材：主要参考教材：林尚扬等林尚扬等,焊接机器人及其应用焊接机器人及其应用 机械工业出版社机械工业出版社, 2000年年7月月吴林等，智能化焊接技术国防工业出版社，吴林等，智能化焊接技术国防工业出版社，2000年年8月月陈善本等陈善本等,焊接过程现代控制技术焊接过程现代控制技术 哈工大出版社哈工大出版社, 2001年年5月月2机器人焊接的特点机器人焊接的特点早

2、期的焊接自动化程度低，基本是手工操作，产品质量不稳定，甚至出现某早期的焊接自动化程度低，基本是手工操作，产品质量不稳定，甚至出现某个产品只能由某个人或某几个人完成的情况，出现了个产品只能由某个人或某几个人完成的情况，出现了“王麻子菜刀王麻子菜刀”、“张张小泉剪刀小泉剪刀”、“张氏陀螺张氏陀螺”。手工操作受操作人员情绪等个人状态的影响，产品质量不稳定。所以现代企手工操作受操作人员情绪等个人状态的影响，产品质量不稳定。所以现代企业要尽量摆脱这种对专门人员的依赖，采用自动化的机器设备来保证产品质业要尽量摆脱这种对专门人员的依赖，采用自动化的机器设备来保证产品质量及效率。量及效率。2020世纪世纪70

3、70年代：工业机器人技术被应用到焊接领域，焊接自动化程度发生了年代：工业机器人技术被应用到焊接领域，焊接自动化程度发生了质的飞跃，焊接质量及效率得到显著提高。质的飞跃，焊接质量及效率得到显著提高。3机器人焊接的特点机器人焊接的特点根据对产品的适应能力，焊接自动化系统可以分为：根据对产品的适应能力，焊接自动化系统可以分为： “刚性刚性”自动化系统自动化系统，也称专机，主要针对大批量定型产品，特点为成，也称专机，主要针对大批量定型产品，特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一旦产品换型，生产线就要更换。本低、效率高，但适应的产品单一。一旦产品换型，生产线就要更换。 “柔性柔性”自动化系统自动化系

4、统，主要指通过编程可改变操作的机器，产品换型时，主要指通过编程可改变操作的机器，产品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新产品。机器人属于典型的具有柔，只需通过改变相应程序，便可适应新产品。机器人属于典型的具有柔性的设备。性的设备。 随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量生产变为多品种随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量生产变为多品种小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以焊接机器人在生产中的应用越来小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以焊接机器人在生产中的应用越来越广泛，越广泛，机器人焊接已成为焊接自动化的发展趋势机器人焊接已成为焊接自动化的发展趋势。4采用机器人焊

5、接，具有如下优点：采用机器人焊接，具有如下优点： 易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性； 提高生产率，一天可提高生产率，一天可2424小时连续生产，机器人不会疲倦；小时连续生产，机器人不会疲倦； 改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作；改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作； 降低对工人操作技术难度的要求；降低对工人操作技术难度的要求； 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资； 可实现小批量产品焊接自动化；可实现小批量产品焊接自动化； 可作为数字化制造的一个环节。可作为数字化制

6、造的一个环节。机器人焊接的特点机器人焊接的特点5第一章第一章 机器人工作原理机器人工作原理第一节第一节 机器人基本知识机器人基本知识第二节第二节 机器人工作原理机器人工作原理6第一节第一节 机器人基本知识机器人基本知识一一 机器人的概念机器人的概念二二 机器人的发展及现状机器人的发展及现状三三 机器人的分类机器人的分类四四 工业机器人常用术语工业机器人常用术语7一、机器人的概念一、机器人的概念“Robot”的来源的来源 1920年，捷克作家年，捷克作家Karel Capek的科幻剧的科幻剧Rossums Universal Robots（罗萨姆的万能罗萨姆的万能机器人），剧中描写了一批能从事各

7、项劳动、听机器人），剧中描写了一批能从事各项劳动、听命于人的机器，取名为命于人的机器，取名为“Robota”（捷克语），捷克语），含义为：含义为：forced worker （奴隶）。奴隶）。 英语：英语：Robot 德语：德语：Robot 日语：日语： 俄语：俄语： 汉字：机器人汉字：机器人 KarelKarel CapekCapek（1890189019381938）8一、机器人的概念一、机器人的概念机器人的定义：国际上对机器人的定义很多机器人的定义：国际上对机器人的定义很多 The Webster dictionary (Webster, 1993) : “An automatic de

8、vice that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human.” 一个自动化设备，它一个自动化设备，它能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器 美国机器人学会美国机器人学会（The Robot Institute of America，1979) : “A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, o

9、r specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks.” 一一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。 ISO，1987：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。业的可编程操作机。9二、工业机器人的发展及现

10、状二、工业机器人的发展及现状19541954年，美国人年，美国人G.DevolG.Devol 和和J.EnglebergerJ.Engleberger设设计了一台可编程的机器人计了一台可编程的机器人19611961年，他们生产了世界上第一台工业机器人年，他们生产了世界上第一台工业机器人“UnimatesUnimates”，并获得了专利并获得了专利19621962年，年，EnglebergerEngleberger 成立了成立了UnimationUnimation公司公司，他被称为，他被称为“机器人之父机器人之父”日本从上世纪日本从上世纪7070年代中后期开始开发工业机器年代中后期开始开发工业机

11、器人，人，1515年后就成为产量最多、应用最广的世界年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人工业机器人“王国王国”。 Unimates 机器人10二、工业机器人的发展及现状二、工业机器人的发展及现状20002000年，统计数据表明，全世界工业机器人总量为年，统计数据表明，全世界工业机器人总量为757,000757,000台，其中台，其中 日本，日本，402,200402,200台台 美国，美国， 92,900 92,900台台 德国，德国， 81,200 81,200台台 新加坡，新加坡，5,3005,300台台 台湾，台湾， 6,400 6,400台台这些机器人中这些机器人中4545为焊

12、接机器人（点焊、弧焊）为焊接机器人（点焊、弧焊）我国大陆地区工业机器人用户我国大陆地区工业机器人用户700700多家，拥有工业机器人约多家，拥有工业机器人约35003500台，其中台，其中焊接机器人约焊接机器人约10001000台，与国外的差距是明显的。台，与国外的差距是明显的。值得欣喜的是，我国机器人应用发展较快，值得欣喜的是，我国机器人应用发展较快，19961996年我国焊接机器人仅为年我国焊接机器人仅为500500台，目前以每年台，目前以每年3030以上的速度增长。以上的速度增长。11二、工业机器人的发展及现状二、工业机器人的发展及现状主要机器人厂家主要机器人厂家日本：日本：Motoma

13、nMotoman、OTCOTC、PanasonicPanasonic、FANUCFANUC等等美国：美国：AdeptAdept等等欧洲：奥地利欧洲：奥地利IGMIGM、德国德国CLOOSCLOOS、KUKAKUKA、瑞典瑞典ABBABB韩国：韩国：HYUNDAIHYUNDAI沈阳新松沈阳新松FANUC12三、机器人的分类三、机器人的分类机器人分类方法很多机器人分类方法很多按照技术水平划分：按照技术水平划分： 第一代：示教再现型，具有记忆能力。目前，绝大部分应用中的工业第一代：示教再现型，具有记忆能力。目前，绝大部分应用中的工业机器人均属于这一类。缺点是操作人员的水平影响工作质量。机器人均属于这

14、一类。缺点是操作人员的水平影响工作质量。 第二代：初步智能机器人，对外界有反馈能力。部分已经应用到生产第二代：初步智能机器人，对外界有反馈能力。部分已经应用到生产中。中。 第三代：智能机器人，具有高度的适应性，有自行学习、推理、决策第三代：智能机器人，具有高度的适应性，有自行学习、推理、决策等功能，处在研究阶段。等功能，处在研究阶段。13三、机器人的分类三、机器人的分类按照基本结构划分：按照基本结构划分： 直角坐标型，直角坐标型，也称也称“机床型机床型” 圆柱坐标型圆柱坐标型 球坐标型球坐标型 全关节型全关节型14三、机器人的分类三、机器人的分类按照受控运动方式划分：按照受控运动方式划分： 点

15、位控制（点位控制（PTPPTP）型，型，Point to Point, Point to Point, 如点焊、搬运机器人如点焊、搬运机器人 连续轨迹控制（连续轨迹控制（CPCP）型，型，ContinousContinous Path Path，如弧焊、喷漆机器人如弧焊、喷漆机器人按驱动方式划分：按驱动方式划分： 气压驱动（压缩空气）气压驱动（压缩空气） 液压驱动（重型机器人，如搬运、点焊机器人）液压驱动（重型机器人，如搬运、点焊机器人） 电驱动（电动机），应用最多电驱动（电动机），应用最多15三、机器人的分类三、机器人的分类按照应用领域划分：按照应用领域划分：工业机器人，面向工业领域的多关节

16、机械手或多自由度机器人。工业机器人，面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。特种机器人，用于非制造业的各种机器人，服务机器人、水下机器特种机器人，用于非制造业的各种机器人，服务机器人、水下机器人、农业机器人、军用机器人等人、农业机器人、军用机器人等16三、机器人的分类三、机器人的分类华宇华宇I I型弧焊机器人型弧焊机器人17三、机器人的分类三、机器人的分类弧焊机器人弧焊机器人 点焊机器人点焊机器人18三、机器人的分类三、机器人的分类伐根机器人伐根机器人 摘果机器人摘果机器人19三、机器人的分类三、机器人的分类擦玻璃机器人擦玻璃机器人 无人潜水器无人潜水器20三、机器人的分类三、机器人的分类

17、排爆机器人排爆机器人 外科手术机器人外科手术机器人21三、机器人的分类三、机器人的分类双足仿人机器人双足仿人机器人 球机器人球机器人22三、工业机器人常用术语三、工业机器人常用术语自由度自由度（degree of freedomdegree of freedom， DOF DOF ）, ,物体能够对坐标系进行独立运动物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度，对于自由刚体，具有的数目称为自由度，对于自由刚体，具有6 6个自由度。通常作为机器人的个自由度。通常作为机器人的技术指标，反映机器人灵活性，对于焊接机器人一般具有技术指标，反映机器人灵活性，对于焊接机器人一般具有5 56 6个自由度个自

18、由度位姿位姿（PosePose），），指工具的位置和姿态。指工具的位置和姿态。末端操作器末端操作器（End End EffectorEffector），），位于机器人腕部末端，直接执行工作要求的装置，如夹持器、焊枪、焊位于机器人腕部末端，直接执行工作要求的装置，如夹持器、焊枪、焊钳等钳等额定负载额定负载（PayloadPayload），），也称为持重也称为持重弧焊机器人：弧焊机器人：5 52020kgkg点焊机器人：点焊机器人：5050200200kgkg23三、工业机器人常用术语三、工业机器人常用术语工作空间工作空间（Working SpaceWorking Space），），机器人工作时，

19、其腕轴交点能在空间活动机器人工作时，其腕轴交点能在空间活动的范围。的范围。重复位姿精度重复位姿精度（Pose RepeatabilityPose Repeatability），），在同一条件下，重复在同一条件下，重复N N次所测得次所测得的位姿一致程度。的位姿一致程度。轨迹重复精度轨迹重复精度（Path RepeatabilityPath Repeatability），），沿同一轨迹跟随沿同一轨迹跟随N N次，所测得的次，所测得的轨迹之间的一致程度轨迹之间的一致程度24第二章第二章 机器人运动学分析机器人运动学分析第一节第一节 位置和姿态的表示位置和姿态的表示第二节第二节 坐标变换坐标变换第三

20、节第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系机器人连杆参数及连杆坐标系第四节第四节 连杆坐标变换及运动学方程连杆坐标变换及运动学方程第五节第五节 运动学逆问题的相关问题运动学逆问题的相关问题25机器人运动学的研究内容机器人运动学的研究内容 一般可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机一般可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节连接在一起。座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节连接在一起。机器人运动学包括两方面问题：机器人运动学包括两方面问题：运动学正问题：已知各关节角值，求工具在空间的位置和姿态。实际上，

21、运动学正问题：已知各关节角值，求工具在空间的位置和姿态。实际上，这是建立运动学方程的过程。这是建立运动学方程的过程。运动学逆问题：已知工具的位姿，求各关节角值，这是求解运动学方程的运动学逆问题：已知工具的位姿，求各关节角值，这是求解运动学方程的问题。问题。26第一节第一节 位置和方位的表示位置和方位的表示 为了描述机器人本身各连杆之间、机器人和环境之间的运动关系，通常将它为了描述机器人本身各连杆之间、机器人和环境之间的运动关系，通常将它们看作刚体。们看作刚体。 刚体的位置和姿态描述刚体的位置和姿态描述 在直角坐标系在直角坐标系A中，任意一点中，任意一点P的位置可以用的位置可以用31列向量表示。

22、称为列向量表示。称为位置矢量位置矢量xAyzppppAxAyAz(,)xyzp pppApO27第一节第一节 位置和方位的表示位置和方位的表示 为了确定刚体为了确定刚体B的姿态（也称方位），设一个坐标系的姿态（也称方位），设一个坐标系B与该刚体固接。与该刚体固接。用坐标系的三个单位主矢量用坐标系的三个单位主矢量xB， yB，zB相对于参考坐标系相对于参考坐标系A的方向余弦组的方向余弦组成的成的33矩阵表示刚体矩阵表示刚体B相对于坐标系相对于坐标系A的姿态。的姿态。 称为称为旋转矩阵旋转矩阵，也可表示成：，也可表示成： 旋转矩阵是正交的。旋转矩阵是正交的。111213212223313233AB

23、rrrRrrrrrrAAAABBBBRxyz28第一节第一节 位置和方位的表示位置和方位的表示按照上述定义，绕按照上述定义，绕 x 轴旋转了轴旋转了 角的旋转矩阵，为角的旋转矩阵，为100( , )0cossin0sincosR x()ABxxAyAzOByBz同样也可以写出同样也可以写出R（y，），），R（z，）总之，总之，用位置矢量描述刚体的位置，用旋转矩阵描述刚体的姿态用位置矢量描述刚体的位置，用旋转矩阵描述刚体的姿态（方位）（方位）29第一节第一节 位置和方位的表示位置和方位的表示 为了完全描述刚体为了完全描述刚体B在空间的位置和姿态，通常将刚体在空间的位置和姿态，通常将刚体B与某一坐

24、标系相固与某一坐标系相固接，通常记为接，通常记为B，B的原点一般选在刚体的原点一般选在刚体B的特征点上，如质心或对称中的特征点上，如质心或对称中心等。对弧焊机器人中的焊枪可以将原点选在焊枪电极端部。心等。对弧焊机器人中的焊枪可以将原点选在焊枪电极端部。则相对于参考坐标系则相对于参考坐标系A，用位置矢量用位置矢量ApB0和旋转矩阵和旋转矩阵 分别描述分别描述B原点位原点位置及坐标系的方位，即刚体置及坐标系的方位，即刚体B的位置和姿态可由坐标系的位置和姿态可由坐标系B来描述：来描述： ,OAABBBRpABR当表示位置时，旋转矩阵为单位阵；当表示位置时，旋转矩阵为单位阵；当表示姿态时，位置矢量等于

25、零。当表示姿态时，位置矢量等于零。30第二节第二节 坐标变换坐标变换 1、坐标平移、坐标平移坐标系坐标系B与与A具有相同的方位，但具有相同的方位，但B的原点与的原点与A的原点不重合，的原点不重合，则空间任意点则空间任意点P在在A中的描述可以表示为：中的描述可以表示为：OABABppp称为坐标平移方程称为坐标平移方程AxAyAzApOBxByBzOpBpOABp31第二节第二节 坐标变换坐标变换 2、坐标旋转、坐标旋转坐标系坐标系B与与A原点重合，但两者的方位不同，则空间任意点原点重合，但两者的方位不同，则空间任意点P在在A中中的描述可以表示为：的描述可以表示为：AABBpR p称为坐标旋转方程

26、称为坐标旋转方程 3、一般变换、一般变换坐标系坐标系B与与A既不共原点，方位亦不同，此时，既不共原点，方位亦不同，此时，OAABABBpR pp32第二节第二节 坐标变换坐标变换 4 4、齐次坐标变换、齐次坐标变换用用4 41 1列向量表示三维空间坐标系中的点：列向量表示三维空间坐标系中的点：xayxyzbabczc 称为齐次坐标，齐次坐标具有不唯一性。引入齐次坐标后，一般变换变为：称为齐次坐标，齐次坐标具有不唯一性。引入齐次坐标后，一般变换变为：110001OAAABBBRpppApBpAABBpTp33第二节第二节 坐标变换坐标变换0001OAABBABRpT称为齐次变换矩阵称为齐次变换矩

27、阵300()( , )000010001OOAABBAABBIpRTTranspRot k34第二节第二节 坐标变换坐标变换001110030101.50001ABT举例：如果举例：如果AxAyAzOBxByBzOxB与与yA同向；同向；yB与与zA同向；同向；zB与与xA同向。同向。131.51OABp则，则，35第三节第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系机器人连杆参数及连杆坐标系 对于一个对于一个6自由度机器人，有自由度机器人，有6个连杆和个连杆和6个关节组成。编号时，机个关节组成。编号时，机座称为连杆座称为连杆0，不包含在这，不包含在这6个连杆个连杆内，连杆内，连杆1与机座由关节与机座由关

28、节1相连，连相连，连杆杆2通过关节通过关节2与连杆与连杆1相连，依此类相连，依此类推。推。关节关节1 1关节关节2 2关节关节3 3关节关节4 4关节关节5 5关节关节6 6连杆连杆0 0连杆连杆1 1连杆连杆2 2连杆连杆3 3连杆连杆4 4连杆连杆5 5连杆连杆6 6 如前所述，可以将机器人看作如前所述，可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机座，末端连杆与杆就是机器人的机座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关工具相连，相邻连杆之间用一个关节连接在一起。节连接在一起。36第三节第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系机器人连杆参数及连杆坐

29、标系1、连杆参数、连杆参数（1）连杆长度）连杆长度ai-1连杆两端轴线间的距离连杆两端轴线间的距离连杆i-1轴i-1轴ii-1a1i（2）连杆扭角）连杆扭角连杆两端轴线间的夹角，方向为连杆两端轴线间的夹角，方向为从从 i-1轴到轴到 i 轴轴1i37第三节第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系机器人连杆参数及连杆坐标系2、连杆连接参数、连杆连接参数（1）连杆之间的距离）连杆之间的距离diai , ai-1 之间的距离之间的距离（2）关节角）关节角ai , ai-1 之间的夹角，方向为从之间的夹角，方向为从 ai-1 到到 ai i连杆i-1轴i-1轴ii-1a1iiaiid连杆i38第三节第三节

30、机器人连杆参数及连杆坐标系机器人连杆参数及连杆坐标系 以上定义为一般情况，对运动链的两端，有一些习惯约定：以上定义为一般情况，对运动链的两端，有一些习惯约定：0na =a =000n 如果关节如果关节1为转动关节，则为转动关节，则 1是可变的，习惯上约定是可变的，习惯上约定d1=0 如果关节如果关节1为移动关节，则为移动关节，则d1是可变的，习惯上约定是可变的，习惯上约定 1 =0 这些约定同样适用于关节这些约定同样适用于关节n 所以，每个连杆可以由四个参数所以，每个连杆可以由四个参数 来描述，其中来描述，其中描述的为连杆描述的为连杆i-1本身的性质，本身的性质， 描述的为连杆描述的为连杆i-

31、1 和连杆和连杆i之间的之间的关系。关系。 i-1i-1iia , ,d ,i-1i-1a ,iid , 当机器人的连杆链制作完成后，如果为转动关节，当机器人的连杆链制作完成后，如果为转动关节， i 为变量，若为移动关为变量，若为移动关节，则节，则di 为变量，其余参数为常量。所以对于一个为变量，其余参数为常量。所以对于一个6自由度机器人，用自由度机器人，用18个参数个参数描述其固定部分，用描述其固定部分，用6个关节变量描述其变动部分，这种描述方法成为个关节变量描述其变动部分，这种描述方法成为D-H法。法。（Denavit 和和 Hartenberg提出的）提出的）39第三节第三节 机器人连杆

32、参数及连杆坐标系机器人连杆参数及连杆坐标系3、连杆坐标系、连杆坐标系为了确定各连杆之间的相对运动为了确定各连杆之间的相对运动关系，在各连杆上分别建立一个关系，在各连杆上分别建立一个坐标系。与机座固接的坐标系记坐标系。与机座固接的坐标系记为为0，与连杆，与连杆 i 固接的坐标系固接的坐标系记为记为i坐标系坐标系i1的建立过程：的建立过程： zi-1与轴与轴i-1重合，一般指向关节重合，一般指向关节i-1 xi-1与与ai-1重合，指向关节重合，指向关节i yi-1按右手法则确定，按右手法则确定，yi-1=zi-1xi-1 原点取在轴原点取在轴i-1与与ai-1交点上交点上连杆i-1轴i-1轴ii

33、-1a1iiaiid连杆i1ix1iy1iz1ioixiyizio40第三节第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系机器人连杆参数及连杆坐标系对于基坐标系对于基坐标系0，一般约定当关节，一般约定当关节1变量为零时，变量为零时，0与与1重合重合对于末端连杆坐标系对于末端连杆坐标系n，也约定，当关节也约定，当关节n-1为零时，为零时，n与与n-1重合重合 连杆参数在坐标系中的含义：连杆参数在坐标系中的含义：连杆i-1轴i-1轴ii-1a1iiaiid连杆i1ix1iy1iz1ioixiyizioi-1i-1ii-1a zzx到 沿的距离i-1i-1ii-1 zzx到 绕的转角ii-1iid xxz到 沿

34、 的距离ii-1ii xxz到 绕 的转角41第四节第四节 连杆坐标变换及运动学方程连杆坐标变换及运动学方程在各连杆上建立坐标系之后，可以进行连杆坐标系之间的变换。在各连杆上建立坐标系之后，可以进行连杆坐标系之间的变换。i到到i-1的变换矩阵用的变换矩阵用 表示。表示。根据连杆坐标系的定义，根据连杆坐标系的定义， i到到i-1的变换如下：的变换如下：先假设先假设i与与i-1重合重合i-1iTi-1i-1(1) x绕旋转i-1i-12 xa（ ） 沿平移i-1i(3) z绕旋转i-1i4 zd（ ） 沿平移得到坐标系得到坐标系ii-1ii-1i-1iiT=Rot(x, )Trans(x,a )R

35、ot(z,)Trans(z,d)42第四节第四节 连杆坐标变换及运动学方程连杆坐标变换及运动学方程iii-1ii-1ii-1i-1ii-1ii-1ii-1i-1ii-1cos-sin0asin coscos sin-sin-d cossin sincos sincosd cos0001i-1iT=这就是连杆坐标系之间的转换矩阵，机器人制作完成后，每个关节只有这就是连杆坐标系之间的转换矩阵，机器人制作完成后，每个关节只有一个变量，一个变量，对于转动关节对于转动关节对于移动关节对于移动关节i-1iiT= f()di-1iiT= f()43第四节第四节 连杆坐标变换及运动学方程连杆坐标变换及运动学方

36、程 将个连杆变换矩阵相乘，可得将个连杆变换矩阵相乘，可得001n-1n12ni= ( ) i=1,2nT= T TT f 这就是机器人的运动学方程，描述的是末端连杆（工具）相对于基这就是机器人的运动学方程，描述的是末端连杆（工具）相对于基坐标系之间的变换矩阵与关节变量的之间的关系。坐标系之间的变换矩阵与关节变量的之间的关系。 如果通过传感器获得各关节变量的值，就可以确定机器人末端连杆如果通过传感器获得各关节变量的值，就可以确定机器人末端连杆上工具的位置和姿态。这样就解决了机器人的正运动学问题。上工具的位置和姿态。这样就解决了机器人的正运动学问题。44第五节第五节 运动学逆问题的相关问题运动学逆

37、问题的相关问题 运动学方程运动学方程001n-1n12ni= ( ) i=1,2nT= T TT f 对于机器人运动学逆问题，即已知末端位姿，求各关节变量值，也对于机器人运动学逆问题，即已知末端位姿，求各关节变量值，也就是已知就是已知 求求 （求运动学方程的根）（求运动学方程的根） 在运动学方程两端左乘在运动学方程两端左乘 ，对于，对于6自由度机器人，有自由度机器人，有0nTi0-11()T0-10123451623456()TT= T T T T T123456( )( , , , , )g= f 求解时，一般不是联立求解求解时，一般不是联立求解12个方程，而是找出方程右端的常数项，令个方程

38、，而是找出方程右端的常数项，令其与左端相应项相等，即找出仅含有其与左端相应项相等，即找出仅含有1 1 的方程，求出的方程，求出1 1 将将1 1 代入上面方程中，利用同样方法，可以依次求出代入上面方程中，利用同样方法，可以依次求出2 23 34 4 5 56 6 求解时，需要直觉观察与经验，也可以采用数值解法（复杂）。求解时，需要直觉观察与经验，也可以采用数值解法（复杂）。45第五节第五节 运动学逆问题的相关问题运动学逆问题的相关问题 1、解的存在性和工作空间、解的存在性和工作空间 指机器人能否到达所指定的位姿。指机器人能否到达所指定的位姿。 例如，对于平面例如，对于平面2R机械手，可直观机械

39、手，可直观地写出其运动学方程地写出其运动学方程1121211212coscos()sinsin()xllyll 运动学逆问题：运动学逆问题：12 x, y) 已知（，求121l2lxyp()x, y46第五节第五节 运动学逆问题的相关问题运动学逆问题的相关问题 p点在圆环内有解点在圆环内有解 通常将解存在的区域称为机器人通常将解存在的区域称为机器人的工作空间。分为的工作空间。分为2类：类： 灵活工作空间，工具能以任意姿灵活工作空间，工具能以任意姿态到达的目标点集合；态到达的目标点集合； 可达工作空间，机器人工具至少可达工作空间，机器人工具至少能以一个姿态到达的目标点集合。能以一个姿态到达的目标

40、点集合。 对于本例，灵活工作空间只有一对于本例，灵活工作空间只有一个点。个点。121l2lxyp()x, y12ll12-l l 如果末端再增加一个转动关节，则如果末端再增加一个转动关节，则灵活空间会变大。即自由度增多，机灵活空间会变大。即自由度增多，机器人变灵活。器人变灵活。47第五节第五节 运动学逆问题的相关问题运动学逆问题的相关问题 2、解的唯一性和最优解、解的唯一性和最优解 随着自由度的增多，运动学方程的解越随着自由度的增多，运动学方程的解越多，即达到空间某一位姿，各关节变量可多，即达到空间某一位姿，各关节变量可以有多种不同的组合。如以有多种不同的组合。如3R机械手当前机械手当前的位姿

41、，有两组解。的位姿，有两组解。p()x, y 对于对于6自由度机器人，解自由度机器人，解的数量最多可达的数量最多可达16个。个。 右图为右图为PUMA560机器人，机器人，工具在当前位姿条件下，具工具在当前位姿条件下，具有有8组解。组解。48第五节第五节 运动学逆问题的相关问题运动学逆问题的相关问题 如何选取？如何选取？ 避免碰撞；避免碰撞； 最短行程；最短行程； 多动小关节，少动大关节；多动小关节，少动大关节； 机器人动力学：运动与受力之间的关系机器人动力学：运动与受力之间的关系 正问题：根据关节驱动力矩，计算操作臂的运动（位移、速度、加速度）；正问题：根据关节驱动力矩，计算操作臂的运动（位

42、移、速度、加速度）； 逆问题：已知机器人运动轨迹对应的位移、速度、加速度，求所需每个关节逆问题：已知机器人运动轨迹对应的位移、速度、加速度，求所需每个关节的驱动力矩；的驱动力矩；49第三章第三章 机器人驱动与控制技术机器人驱动与控制技术第一节第一节 驱动电机驱动电机第二节第二节 位置控制位置控制50第一节第一节 驱动电机驱动电机 电动机是机器人驱动系统中的执行元件。电动机是机器人驱动系统中的执行元件。 常采用的电动机为：常采用的电动机为： 步进电机步进电机 直流伺服电机直流伺服电机 交流伺服电机交流伺服电机51第一节第一节 驱动电机驱动电机 步进电机步进电机 经常应用于开环控制系统，特点为具有

43、较大的低速转矩，可经常应用于开环控制系统，特点为具有较大的低速转矩，可不配减速器，直接驱动。主要分为三类：不配减速器，直接驱动。主要分为三类： 永磁式步进电动机：转子由磁性材料制成，永磁式步进电动机：转子由磁性材料制成，具有低力矩、低速度、低成本的特点。一般用具有低力矩、低速度、低成本的特点。一般用于计算机外围设备（打印机、光驱等）于计算机外围设备（打印机、光驱等） 变磁阻式步进电动机：没有磁性材料，不通变磁阻式步进电动机：没有磁性材料，不通电时，没有保持力矩，也称感应式步进电机电时，没有保持力矩，也称感应式步进电机 混合式步进电动机：上述原理的结合，是目混合式步进电动机：上述原理的结合，是目

44、前应用越来越广的一种。前应用越来越广的一种。52第一节第一节 驱动电机驱动电机 直流伺服电机直流伺服电机 20世纪世纪80年代中期以前被广泛使用，优点为易于控制，缺点是需要定期维年代中期以前被广泛使用，优点为易于控制，缺点是需要定期维护，速度不能太高，功率不能太大。护，速度不能太高，功率不能太大。 定子磁场是永磁铁提供的，线圈中通入定子磁场是永磁铁提供的，线圈中通入电流，产生转矩，转一个角度后，需要换向电流，产生转矩，转一个角度后，需要换向器改变电流方向。受换向器（电刷）影响，器改变电流方向。受换向器（电刷）影响，需要定期维护，且速度不能太高。由于线圈需要定期维护，且速度不能太高。由于线圈绕在

45、转子上，散热问题不易解决，功率不能绕在转子上，散热问题不易解决，功率不能太大。太大。53第一节第一节 驱动电机驱动电机 交流伺服电动机交流伺服电动机 转子是永磁的，线圈绕在定子上，没有电刷。线圈中通交变电流。转子上转子是永磁的，线圈绕在定子上，没有电刷。线圈中通交变电流。转子上装有码盘传感器，检测转子所处的位置，根据转子的位置，控制通电方向。装有码盘传感器，检测转子所处的位置，根据转子的位置，控制通电方向。由于线圈绕在定子上，可以通过外壳散热，可做成大功率电机。没有电刷，免由于线圈绕在定子上，可以通过外壳散热，可做成大功率电机。没有电刷，免维护。是目前在机器人上应用最多的电动机。维护。是目前在

46、机器人上应用最多的电动机。54第一节第一节 驱动电机驱动电机和步进电机相比，伺服电机有以下几点优势：和步进电机相比，伺服电机有以下几点优势：1、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；2、高速性能好，一般额定转速能达到、高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；转；3、抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求、抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；快速起动的场合特别适用；4、低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现

47、象。、低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。5、电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；、电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；6、发热和噪音明显降低。、发热和噪音明显降低。55第一节第一节 驱动电机驱动电机 减速机减速机 目前，机器人普遍采用交流伺服电机驱动，为了提高控制精度，增大驱动目前，机器人普遍采用交流伺服电机驱动，为了提高控制精度，增大驱动力矩，一般均需配置减速机。通常配备力矩，一般均需配置减速机。通常配备RV减速机（精度高、刚性好）减速机（精度高、刚性好）56第二节第二节 位置控制位置控制 机器人是由多轴（关节）组成，每轴的运动都影响机器人

48、未端的位置和机器人是由多轴（关节）组成，每轴的运动都影响机器人未端的位置和姿态。如何协调各轴的运动，使机器人未端完成要求的轨迹，姿态。如何协调各轴的运动，使机器人未端完成要求的轨迹， 是需要解决的是需要解决的问题。问题。 由于绝大多数机器人是关节式运动形式，很难直接检测机器人未端的运由于绝大多数机器人是关节式运动形式，很难直接检测机器人未端的运动，只能对各关节进行控制。属于半闭环系统，即仅从电动机轴上闭环。动，只能对各关节进行控制。属于半闭环系统，即仅从电动机轴上闭环。 位置控制器功率放大光电码盘给定位置M位置反馈速度反馈电流反馈57第二节第二节 位置控制位置控制 目前机器人基本操作方式为示教

49、再现，示教时，不能将轨迹上的所有点目前机器人基本操作方式为示教再现，示教时，不能将轨迹上的所有点都示教一遍，一是费时，二是占用大量的存储器。都示教一遍，一是费时，二是占用大量的存储器。 实际上，对于有规律的轨迹，仅示教几个特征点。对直线轨迹，仅示教两实际上，对于有规律的轨迹，仅示教几个特征点。对直线轨迹，仅示教两个端点；对圆弧轨迹，示教三点（起点、终点、中间点），轨迹上其它中间点个端点；对圆弧轨迹，示教三点（起点、终点、中间点），轨迹上其它中间点的坐标通过插补方法获得。的坐标通过插补方法获得。 逆运动学关节位置控制轨迹的示教点位姿反馈插补算法中间位姿i关节电机1上位计算机伺服控制器关节位置控制

50、反馈关节电机258第二节第二节 位置控制位置控制 插补方式：插补方式： 定时插补定时插补每隔一定时间插补一次，插补时间间隔每隔一定时间插补一次，插补时间间隔Ts一般不超过一般不超过25ms 定距插补定距插补每隔一定距离插补一次，可避免快速运动时，定时插补造成的轨迹失真。每隔一定距离插补一次，可避免快速运动时，定时插补造成的轨迹失真。但也受伺服周期限制。但也受伺服周期限制。 插补算法插补算法： 直线插补直线插补将两示教点之间按照直线规律计算中间点坐标。将两示教点之间按照直线规律计算中间点坐标。圆弧插补圆弧插补按圆弧规律计算中间点。按圆弧规律计算中间点。59第二节第二节 位置控制位置控制直线插补直

51、线插补设机器人末端要从设机器人末端要从Po运动到运动到Pe，运动速度运动速度v，插补时间间隔插补时间间隔Ts直线长度：直线长度：插补间隔内的行程：插补间隔内的行程：d=vTs插补的总步数：插补的总步数：N=int( L/d ) + 1各方向上的增量：各方向上的增量：各插补点的坐标：各插补点的坐标：xyz(,)eeeep xy zO (,)oooopxyz222000)eeeLxxyyzz（000)/)/)/eeexxxNyyyNzzzN （111(0 1 2iiiiiixxxyyyiNzzz ， ， ， ）60第二节第二节 位置控制位置控制圆弧插补圆弧插补空间不共线三点空间不共线三点P1，P2

52、，P3构成一段圆弧。构成一段圆弧。首先进行坐标变换，把空间圆弧变换为平面首先进行坐标变换，把空间圆弧变换为平面圆弧。圆弧。原点与圆弧的圆心重合，原点与圆弧的圆心重合，Z轴为外法线方向。轴为外法线方向。如果如果ZR与与Z0夹角为夹角为 ，XR与与X0夹角为夹角为 OR在基坐标系中的坐标为（在基坐标系中的坐标为（x0，y0，z0）0 x0y0zORzRxRyRo111122223333( ,)(,)(,)p x y zpxyzp xy zACB0R000T=Trans(x ,y ,z )R(z,)R(x, )61第二节第二节 位置控制位置控制对于平面圆弧：对于平面圆弧：半径半径R总的圆心角总的圆心

53、角TsTs时间内的角位移时间内的角位移 TsVTsV/R/R插补步数：插补步数：N= N= 1 111 0,1,2iiiiiixxyiNyyxcos- sincossinxyO11p2p3p小结：小结：1、将示教点坐标转换为、将示教点坐标转换为R坐标值坐标值 2、按平面圆弧插补算法，得到插补点坐标（、按平面圆弧插补算法，得到插补点坐标（xR，yR） 3、转换到基坐标系中、转换到基坐标系中0R( , , ,1)T( ,0,1)TTRRx y zx y62第四章第四章 弧焊机器人编程技术弧焊机器人编程技术第一节第一节 机器人的编程基础机器人的编程基础第二节第二节 弧焊机器人离线编程技术弧焊机器人离

54、线编程技术63第一节第一节 机器人的编程基础机器人的编程基础 通过前面的知识，我们知道，机器人是一个软件可控的机通过前面的知识，我们知道，机器人是一个软件可控的机电装置，可通过编程定义其作业内容。电装置，可通过编程定义其作业内容。 目前，对机器人编程的方式可以分为以下三种：目前，对机器人编程的方式可以分为以下三种： 示教编程示教编程 机器人语言编程机器人语言编程 离线编程离线编程64第一节第一节 机器人的编程基础机器人的编程基础1、示教编程、示教编程 示教编程是目前工业机器人广泛使用的编程方法，根据任示教编程是目前工业机器人广泛使用的编程方法，根据任务的需要，将机器人末端工具移动到所需的位置及

55、姿态，然后务的需要，将机器人末端工具移动到所需的位置及姿态，然后把每一个位姿连同运行速度、焊接参数等记录并存储下来，机把每一个位姿连同运行速度、焊接参数等记录并存储下来，机器人便可以按照示教的位姿再现。器人便可以按照示教的位姿再现。 示教方式有两种：示教方式有两种： 手把手示教手把手示教 示教盒示教示教盒示教 65第一节第一节 机器人的编程基础机器人的编程基础示教盒示教盒控制器控制器现场现场示教编程的优点：示教编程的优点： 不需要预备知识和复杂的计算机装置，方法简单、易于掌握。不需要预备知识和复杂的计算机装置，方法简单、易于掌握。示教编程的缺点：示教编程的缺点： 占用生产时间，难于适应小批量、

56、多品种的柔性生产需要；占用生产时间，难于适应小批量、多品种的柔性生产需要； 编程人员工作环境差、强度大，一旦失误，会造成人员伤亡或设备损坏；编程人员工作环境差、强度大，一旦失误，会造成人员伤亡或设备损坏； 编程效率低。编程效率低。66第一节第一节 机器人的编程基础机器人的编程基础2、机器人语言、机器人语言 机器人语言提供了一种通用的人与机器人之间的通讯手段。它是一种机器人语言提供了一种通用的人与机器人之间的通讯手段。它是一种专用语言，用符号描述机器人的运动，与常用的计算机编程语言相似。专用语言，用符号描述机器人的运动，与常用的计算机编程语言相似。 1973年，年，Stanford人工智能实验室

57、开发了第一种机器人语言人工智能实验室开发了第一种机器人语言WAVE语语言。言。 1974年，该实验室开发了年，该实验室开发了AL语言语言 1979年，年，Unimation公司开发了公司开发了VAL语言（类似于语言（类似于BASIC） 1984年，该公司推出了年，该公司推出了VAL II语言语言 其他的机器人语言：其他的机器人语言：IBM公司的公司的AML语言及语言及AUTOPASS语言、语言、MIT的的LAMA语言、语言、Automatix公司的公司的RAIL语言等。语言等。67第一节第一节 机器人的编程基础机器人的编程基础根据作业描述水平的高低，机器人语言通常分为三级：根据作业描述水平的高

58、低，机器人语言通常分为三级： 动作级：动作级： 每一个指令对应于一个动作，如每一个指令对应于一个动作，如 MOVE TO ，优点为：优点为：语句简洁，易于编程，缺点为：不能进行复杂的运算，不能接受传感器信语句简洁，易于编程，缺点为：不能进行复杂的运算，不能接受传感器信息。息。VAL属于动作级。属于动作级。 对象级对象级: 是描述操作物体间关系使机器人动作的语言。具有运动控制（与动作是描述操作物体间关系使机器人动作的语言。具有运动控制（与动作级语言类似的功能）、处理传感信息、通信和数字运算、良好的扩展性级语言类似的功能）、处理传感信息、通信和数字运算、良好的扩展性（用户可根据需要增加指令）等特点

59、。（用户可根据需要增加指令）等特点。AML、AUTOPASS属于对象级。属于对象级。 任务级：任务级： 是比较高级的机器人语言，允许操作人员下达直接命令，不必规定机是比较高级的机器人语言，允许操作人员下达直接命令，不必规定机器人的动作细节。如：焊接工件器人的动作细节。如：焊接工件A，需要非常高的智能，目前还没有真正需要非常高的智能，目前还没有真正的任务级语言。的任务级语言。68第一节第一节 机器人的编程基础机器人的编程基础. EDIT DEMO. PROGRAM DEMO1.? OPEN2.? APPRO PICK 503.? SPEED 304.? MOVE PICK5.? CLOSEI6.

60、? DEPART 707.? APPROS PLACE 758.? SPEED 209.? MOVES PLACE10.? OPENI11.? DEPART 5012.? E 启动编辑状态启动编辑状态VAL 响应响应下一步手张开下一步手张开运动至距运动至距PICK位置位置50mm处处下一步降至下一步降至30满速满速运动到运动到PICK位置位置闭合手闭合手后退后退70mm运动至距运动至距PLACE位置位置75mm处处下一步降至下一步降至20满速满速运动至运动至PLACE位置位置在下一步之前手张开在下一步之前手张开后退后退50mm退出编辑状态退出编辑状态VALVAL程序举例：程序举例：将物体从位置

61、将物体从位置1 1（PICKPICK）搬运到位置搬运到位置2 2（PLACEPLACE）69第一节第一节 机器人的编程基础机器人的编程基础0000 NOP0001 MOVJ VJ10.000002 MOVL V=8000003 ARCON ASF#(1)0004 MOVL V=1000005 ARCOF0006 END空操作空操作以以10关节速度移动到焊缝起点附近一点关节速度移动到焊缝起点附近一点以以800mm/min速度移动到焊缝起点速度移动到焊缝起点按照文件按照文件ASF（1）的参数起弧的参数起弧按照按照100mm/min的焊接速度焊接的焊接速度焊接熄弧熄弧结束结束MOTOMAN XRCM

62、OTOMAN XRC控制器语言：控制器语言：焊接一段直线焊缝焊接一段直线焊缝70第一节第一节 机器人的编程基础机器人的编程基础3、离线编程、离线编程 在计算机中建立设备、环境及工件的三维模型，在这样一个虚拟的环在计算机中建立设备、环境及工件的三维模型，在这样一个虚拟的环境中对机器人进行编程。境中对机器人进行编程。 机器人离线编程（机器人离线编程（Off Line Programming，OLP）系统是机器人语言系统是机器人语言编程的拓展，它充分利用了计算机图形学的成果，建立机器人及其工作环编程的拓展，它充分利用了计算机图形学的成果，建立机器人及其工作环境的模型，再利用一些规划算法，通过对图形的

63、控制和操作在离线的情况境的模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作在离线的情况下进行编程。下进行编程。OLP控制器控制器现场现场71第一节第一节 机器人的编程基础机器人的编程基础离线编程的优点离线编程的优点 减少机器人不工作时间减少机器人不工作时间 改善了编程环境；使编程者远离危险的工作环境改善了编程环境；使编程者远离危险的工作环境 提高了编程效率与质量；可使用高级语言对复杂任务编程提高了编程效率与质量；可使用高级语言对复杂任务编程 便于和便于和CAD系统集成系统集成, 实现实现CAD/CAMRobotics一体化。一体化。示教编程示教编程离线编程离线编程需要实际机器人系统和工作环境需

64、要实际机器人系统和工作环境编程时机器人停止工作编程时机器人停止工作在实际系统上试验程序在实际系统上试验程序编程的质量取决于编程者的经验编程的质量取决于编程者的经验很难实现复杂的机器人轨迹路径很难实现复杂的机器人轨迹路径需要机器人系统和工作环境的图形模型需要机器人系统和工作环境的图形模型编程不影响机器人工作编程不影响机器人工作通过仿真试验程序通过仿真试验程序用规划技术可进行最佳参数及路径规划用规划技术可进行最佳参数及路径规划可实现复杂运动轨迹的编程可实现复杂运动轨迹的编程72第二节第二节 弧焊机器人离线编程技术弧焊机器人离线编程技术1、发展与现状发展与现状2、机器人离线编程原理机器人离线编程原理

65、3、执行级弧焊机器人离线编程系统执行级弧焊机器人离线编程系统4、任务级弧焊机器人离线编程系统任务级弧焊机器人离线编程系统73第二节第二节 弧焊机器人离线编程技术弧焊机器人离线编程技术 如前所述，机器人离线编程是在一个虚拟的环境中对机器人进如前所述，机器人离线编程是在一个虚拟的环境中对机器人进行编程。在计算机内建立机器人及其工作环境的模型，再利用一些行编程。在计算机内建立机器人及其工作环境的模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作在离线的情况下进行编程。规划算法，通过对图形的控制和操作在离线的情况下进行编程。1、发展与现状、发展与现状 国外机器人离线编程的研究起步较早，从国外机器人离线编

66、程的研究起步较早，从70年代开始进行这方年代开始进行这方面的研究工作。自面的研究工作。自80年代以来，由于机器人离线编程软件是机器人年代以来，由于机器人离线编程软件是机器人应用与研究不可缺少的工具，美国、英国、法国、德国、日本等许应用与研究不可缺少的工具，美国、英国、法国、德国、日本等许多大学实验室、研究所、制造公司对机器人离线编程与仿真技术进多大学实验室、研究所、制造公司对机器人离线编程与仿真技术进行了大的研究，并开发出原型系统和应用系统。这些软件有些已经行了大的研究，并开发出原型系统和应用系统。这些软件有些已经商品化，对机器人技术发展以及在各行业的推广应用发挥了巨大的商品化，对机器人技术发展以及在各行业的推广应用发挥了巨大的作用。作用。 74第二节第二节 弧焊机器人离线编程技术弧焊机器人离线编程技术软 件 包 生 产 公 司 或 研 究 机 构 R O B E X A a c h e n ， G e rm a n y G E O M A P T o k y o , J a p a n G R A S P U n iv e rs ity o f N o ttin g h a m ,