第4章--工业机器人的控制基础ppt课件.pptx

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1、篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统第4章 工业机器人的控制基础教学目标1.了解工业机器人控制系统的特点和组成2.掌握工业机器人控制系统的分类及各自优缺点3.正确规划工业机器的简单动作的运动轨迹4.掌握工业机器人的示教编程原理，并能够对简单路径进行示教编程5.养成良好的职业素养和标准操作程序工业机器人技术与应用（机械工业出版社“十三五”规划教材 屈金星主编）篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统目录页 PAGE OF CONTENT4.1工业机器人控制基

2、础4.2工业机器人的控制分类4.3工业机器人的运动轨迹规划4.4工业机器人的示教与再现4.5工业机器人的编程语言篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人控制基础4.1一一、工业机器人控制系统的特点、工业机器人控制系统的特点机机器器人人的的控控制制系系统统主主要要对对机机器器人人工工作作过过程程中中的的动动作作顺顺序序、应应到到达达的的位位置置及及姿姿态态、路路径径轨轨迹迹及及规规划划、动动作作时时间间间间隔隔以以及及末末端端执执行行器器施施加加在在被被作作用用物物上上的力和转矩等进行控制。的力和转矩等进行控制。工业机

3、器人控制系统具有如下特点：工业机器人控制系统具有如下特点：1.与机构运动学及动力学密切相关的控制系统与机构运动学及动力学密切相关的控制系统2.多变量控制系统多变量控制系统3.计算机控制系统计算机控制系统4.耦合非线性控制系统耦合非线性控制系统5.寻优控制系统寻优控制系统总总而而言言之之，机机器器人人控控制制系系统统是是一一个个与与运运动动学学和和动动力力学学原原理理密密切切相相关关的的、有有耦耦合合的的、非非线性的多变量控制系统。线性的多变量控制系统。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人控制基础4.1二、工业机器

4、人控制系统的主要功能二、工业机器人控制系统的主要功能1.具有位置伺服功能具有位置伺服功能2.方便的人机交互方便的人机交互功能功能3.具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。4.具有故障诊断和安全保护功能具有故障诊断和安全保护功能篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人控制基础4.1三、三、工业机器人控制系统的基本结构与组成工业机器人控制系统的基本结构与组成1.工业机器人控制系统的基本组成工业机器人控制系统的基本组成（1）控制计算机）控制计算机（2）示教盒）示教盒

5、（3）操作面板）操作面板（4）硬盘和软盘）硬盘和软盘存储存储（5）数字和模拟量输入输出）数字和模拟量输入输出（6）打印机接口）打印机接口（7）传感器接口）传感器接口（8）轴控制器）轴控制器（9）辅助设备控制）辅助设备控制（10）通信接口）通信接口（11）网络接口）网络接口篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人控制基础4.1三、三、工业机器人控制系统的基本结构与组成工业机器人控制系统的基本结构与组成2.工业机器人控制系统的基本结构工业机器人控制系统的基本结构一一个个典典型型的的工工业业机机器器人人控控制制系系统统，主

6、主要要由由上上位位计计算算机机、运运动动控控制制器器、驱驱动动器器、电动机、执行机构和反馈装置电动机、执行机构和反馈装置构成构成。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人控制基础4.1三、三、工业机器人控制系统的基本结构与组成工业机器人控制系统的基本结构与组成2.工业机器人控制系统的基本结构工业机器人控制系统的基本结构 利利用用PLC的的某某些些输输出出端端口口使使用用脉脉冲冲输输出出指指令令来来产产生生脉脉冲冲，从从而而驱驱动动电电动动机，同时使用通用机，同时使用通用1/0或者计数部件来实现电动机的闭环位置控制；或

7、者计数部件来实现电动机的闭环位置控制；使用使用PLC外部扩展的位置模块来进行电动机的闭环位置控制。外部扩展的位置模块来进行电动机的闭环位置控制。（1）基于）基于PLC的运动控制的运动控制工工业业机机器器人人控控制制系系统统基基本本结结构构的的构构成成方方案案有有三三种种：基基于于PLC的的运运动动控控制制、基基于于PC和运动控制卡的运动控制、纯和运动控制卡的运动控制、纯PC控制控制。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人控制基础4.1三、三、工业机器人控制系统的基本结构与组成工业机器人控制系统的基本结构与组成2.工

8、业机器人控制系统的基本结构工业机器人控制系统的基本结构运运动动控控制制器器以以运运动动控控制制卡卡为为主主，工工控控PC只只提提供供插插补补运运算算和和运运动动指指令令。运运动动控制卡完成速度控制和位置控制。控制卡完成速度控制和位置控制。（2）基于）基于PC和运动控制卡的运动控制和运动控制卡的运动控制篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人控制基础4.1三、三、工业机器人控制系统的基本结构与组成工业机器人控制系统的基本结构与组成2.工业机器人控制系统的基本结构工业机器人控制系统的基本结构完完全全采采用用PC的的全全软

9、软件件形形式式的的机机器器人人系系统统。在在高高性性能能工工业业PC和和嵌嵌入入式式PC（配配备备专专为为工工业业应应用用而而开开发发的的主主板板）的的硬硬件件平平台台上上，可可通通过过软软件件程程序序实实现现PLC和和运运动动控控制制等等功功能能，实实现现机机器器人人需需要要的的逻逻辑辑控控制制和和运动控制。运动控制。（3）纯）纯PC控制控制篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.21.位置控制方式位置控制方式按按运运动动控控制制方方式式的的不不同同，将将机机器器人人控控制制分分为为位位置置控控制制、

10、速速度度控控制制、力力控控制制(包括位置包括位置/力混合控制力混合控制)三类。三类。工业机器人位置控制又分为工业机器人位置控制又分为点位控制和连续轨迹控制点位控制和连续轨迹控制两类两类a）点位控制 b）连续轨迹控制篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.22.速度控制方式速度控制方式对对工工业业机机器器人人的的运运动动控控制制来来说说，在在位位置置控控制制的的同同时时，有有时时还还要要进进行行速速度度控控制制。例例如如，在在连连续续轨轨迹迹控控制制方方式式的的情情况况下下，工工业业机机器器人人按按预预定

11、定的的指指令令，控控制制运运动动部部件件的的速速度度和和实实行行加加、减减速速，以以满满足足运运动动平平稳稳、定定位位准准确确的的要要求求。为了实现这一要求，机器人的行程要遵循一定的速度变化为了实现这一要求，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线曲线。机器人行程的速度/时间曲线篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.23.力力(力矩力矩)控制方式控制方式在在进进行行装装配配或或抓抓取取物物体体等等作作业业时时，工工业业机机器器人人末末端端操操作作器器与与环环境境或或作作业业对对象象的的表表面面接接触触，除

12、除了了要要求求准准确确定定位位之之外外，还还要要求求使使用用适适度度的的力力或或力力矩矩进进行行工工作作，这这时时就就要要采采取取力力(力力矩矩)控控制制方方式式。力力(力力矩矩)控控制制是是对对位位置置控控制制的的补补充充，这这种种方方式式的的控控制制原原理理与与位位置置伺伺服服控控制制原原理理也也基基本本相相同同，只只不不过过输输入入量量和和反反馈馈量量不不是是位位置置信信号号，而而是是力力(力力矩矩)信信号号，因因此此，要要求求系系统统中中有有力力(力力矩矩)传传感感器。有时也利用接近觉、滑觉等功能进行适应式控制。器。有时也利用接近觉、滑觉等功能进行适应式控制。篮球比赛是根据运动队在规定

13、的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.2一、位置控制一、位置控制工工业业机机器器人人位位置置控控制制的的目目的的就就是是要要使使机机器器人人各各关关节节实实现现预预先先所所规规划划的的运运动动，最终保证工业机器人末端执行器沿预定的轨迹运行。最终保证工业机器人末端执行器沿预定的轨迹运行。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.2一、位置控制一、位置控制1.数学模型与传递函数数学模型与传递函数篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来

14、决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.2二、速度控制二、速度控制1.工业机器人加减速曲线特性分析工业机器人加减速曲线特性分析为为了了使使机机器器人人更更快快更更精精确确更更稳稳定定地地从从起起始始点点到到达达目目的的点点，则则在在启启动动和和终终止止时时运运动动必必须须是是平缓平缓的，不能有运动上的突变行为的，不能有运动上的突变行为，对，对运动曲线也必须进行精确运动曲线也必须进行精确控制。控制。机机器器人人的的最最大大速速度度是是机机器器人人运运动动特特性性的的一一个个重重要要指指标标，质质量量一一定定的的情情况况下下，由由物物理理定定理理可可知知

15、速速度度越越大大，则则机机器器人人的的动动量量也也就就越越大大。在在满满足足要要求求的的情情况况下下也也应应该该尽尽量量减减小小最最大速度。大速度。加加速速度度曲曲线线直直接接关关联联到到关关节节的的力力矩矩输输出出，所所以以加加速速度度曲曲线线也也应应该该做做到到突突变变较较小小或或者者连连续续，最最大大加加速速度度越越大大，效效率率越越高高，但但也也会会加加大大机机械械系系统统的的负负担担，引引发发一一些些事事故故，在在满满足要求情况下也应尽量减小。足要求情况下也应尽量减小。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器

16、人的控制分类4.2二、速度控制二、速度控制2加减速控制方法分析加减速控制方法分析加加减减速速控控制制方方法法可可以以分分为为梯梯形形加加减减速速、指指数数加加减减速速、多多项项式式插插补补曲曲线线、三三角角函函数数加加减减速速，前前两两种种是是机机器器人人最最常常用用最最基基本本的的轨轨迹迹曲曲线线，然然而而矩矩形形曲曲线线的的加加速速度度曲曲线线不不连连续续，冲冲击击很很大大，性性能能响响应应非非常常差差，不不符符合合轨轨迹迹曲曲线线加加速速度连续的最基本的度连续的最基本的要求。要求。梯梯形形函函数数特特点点：其其加加速速度度曲曲线线是是连连续续的的，由由加加速速段段、等等速速段段和和减减速

17、速段段曲曲线线构构成成，但但是是加加速速度度曲曲线线的的导导数数加加加加速速度度曲曲线线不不连连续续，并并且且其其开开始始和和结结束束处处的的加加加加速速度度曲曲线线突突变变值值方方向向不不同同大大小小也也不不同同，会会使使机机器器人人系系统统遭遭受受严严重重的的冲击造成抖动，影响冲击造成抖动，影响精度。精度。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.2二、速度控制二、速度控制2加减速控制方法分析加减速控制方法分析梯梯形形函函数数特特点点：其其加加速速度度曲曲线线是是连连续续的的，由由加加速速段段、等等速

18、速段段和和减减速速段段曲曲线线构构成成，但但是是加加速速度度曲曲线线的的导导数数加加加加速速度度曲曲线线不不连连续续，并并且且其其开开始始和和结结束束处处的的加加加加速速度度曲曲线线突突变变值值方方向向不不同同大大小小也也不不同同，会会使使机机器器人人系系统统遭遭受受严严重重的的冲击造成抖动，影响精度；指数类型的缺点也在高速运动时稳定性冲击造成抖动，影响精度；指数类型的缺点也在高速运动时稳定性较差；较差；多多项项式式插插补补曲曲线线特特点点：能能够够生生成成速速度度与与加加速速度度曲曲线线都都连连续续的的平平滑滑曲曲线线，可可以以避避免免运运动动时时的的突突变变或或抖抖振振，但但多多项项式式次

19、次数数较较低低时时平平滑滑度度不不够够，与与预预想想轨轨迹迹差差距距较较大大，用用高高阶阶多多项项式式处处理理时时复复杂杂度度也也随随之之增增加加，最最大大速速度度和和最最大大加加速度也会加大，给电机控制带来难度；速度也会加大，给电机控制带来难度；篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.2二、速度控制二、速度控制2加减速控制方法分析加减速控制方法分析正正弦弦函函数数加加速速度度曲曲线线特特点点：其其导导数数加加加加速速度度曲曲线线是是光光滑滑连连续续的的余余弦弦函函数数曲曲线线，余余弦弦加加速速度度运运

20、动动规规律律的的特特点点是是其其曲曲线线导导数数光光滑滑连连续续的的，但但与与原原曲曲线线存存在在着着90度度的的偏偏移移，在在开开始始与与终终止止位位置置不不能能够够无无误误差差连连接接，初初始始值值较较大大且且存存在在加加速速度度的的突突变变，所所以以往往往往造造成成机机器器人人启启动动和和停停止止时时的的大大幅幅度度震震动动，降降低低系统性能同时带来安全上的顾虑。系统性能同时带来安全上的顾虑。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.2二、速度控制二、速度控制3.力力控制控制由由于于力力是是在在两两

21、物物体体相相互互作作用用后后才才产产生生的的，因因此此力力控控制制是是首首先先将将环环境境考考虑虑在在内内的的控控制制问问题题。为为了了对对机机器器人人进进行行力力控控制制，需需要要分分析析机机器器人人手手爪爪与与环环境境的的约约束束状状态态，并并根根据据约约束束条件制定控制条件制定控制策略。策略。力力传传感感器器安安装装在在工工业业机机器器人人上上的的位位置置有有下下列列三三种种，第第一一种种可可装装在在关关节节驱驱动动器器轴轴上上，传传感感器器测测量量驱驱动动器器本本身身输输出出力力和和力力矩矩，是是一一般般情情况况下下，无无法法提提供供机机器器人人手手爪爪与与环环境境接接触触力力的的信信

22、息息；第第二二种种可可装装在在工工业业机机器器人人腕腕部部，即即安安放放在在手手爪爪与与机机器器人人最最后后一一个个关关节节之之间间，这这种种方方式式能能够够比比较较直直接接地地测测量量作作用用在在机机器器人人手手爪爪上上的的力力和和力力矩矩。第第三三种种可可装装于于手手爪爪指指尖尖上上，这这种种情情况况下下测测得得的的环环境境对对手手爪爪的的作作用用力力最最直直接接，一一般般是是在在手手指指内内部部贴贴应应变变片片，形成形成“力敏感手指力敏感手指”，可以测量作用于每个手指上的，可以测量作用于每个手指上的14个分力。个分力。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球

23、比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.2二、速度控制二、速度控制3.力力控制控制（1）约束条件）约束条件约约束束条条件件包包括括自自然然约约束束和和人人为为约约束束。所所谓谓自自然然约约束束，是是指指由由环环境境的的几几何何特特性性或或作作业业结结构构特特征征等等引引起起的的对对机机器器人人的的约约束束，是是当当机机器器人人手手爪爪接接触触外外界界环环境境的的时时候候自自然然生生成成的的约约束束条条件件。人人为为约约束束则则是是人人为为给给定定的的约约束束，用用来来描描述述机机器器人人预预期期的的运运动动或或施施加加的的力力，也也就就是是说说，当当要要描描述述预预期期的

24、的位位置置或或力力的的轨轨迹迹时时，就就要定义一组人为约束条件。要定义一组人为约束条件。自自然然约约束束条条件件与与人人为为约约束束条条件件表表达达了了位位置置控控制制与与力力控控制制的的对对偶偶性性。人人为为约约束束条条件件必必须须与与自自然然约约束束条条件件相相适适应应，因因为为在在一一个个给给定定的的自自由由度度上上不不能能同同时时对对力力和位置实施控制。和位置实施控制。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.2二、速度控制二、速度控制3.力力控制控制（2）约束坐标系）约束坐标系在在许许多多机机器

25、器人人的的作作业业任任务务中中，可可以以定定义义这这样样一一个个广广义义平平面面：沿沿此此广广义义平平面面的的法法线线方方向向有有自自然然位位置置约约束束,可可以以加加人人为为力力约约束束，即即实实施施力力控控制制；而而沿沿切切向向方方向向有有自自然然力力约约束束，可可以以加加人人为为位位置置约约束束，即即实实施施位位置置控控制制。为为了了便便于于描描述述，可可用用一一个个坐坐标标系系C来来取取代代这这一一广义平面，我们称坐标系广义平面，我们称坐标系C为约束坐标系为约束坐标系具有以下特点：具有以下特点：C为直角坐标系，以方便描述作业操作；为直角坐标系，以方便描述作业操作；视任务的不同，视任务的

26、不同，C可能在环境中固定不动，也可能随手爪一起运动；可能在环境中固定不动，也可能随手爪一起运动；C有有六六个个自自由由度度。任任一一时时刻刻的的作作业业均均可可分分解解为为沿沿C中中每每一一自自由由度度的的位位置置控控制制或或力力控制。控制。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的控制分类4.2二、速度控制二、速度控制3.力力控制控制当当工工业业机机器器人人手手爪爪与与环环境境相相接接触触时时，会会产产生生相相互互作作用用的的力力。一一般般情情况况下下，在在考考虑虑接接触触力力时时，必必须须设设计计某某种种环环境境

27、模模型型。为为使使概概念念明明确确，我我们们用用类类似似于于位位置置控控制制的的简简化化方方法法，使使用用很很简简单单的的质质量量-弹弹簧簧模模型型来来表表示示受受控控物物体体与与环环境境之间的接触之间的接触作用作用。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的运动轨迹规划4.31.机器人轨迹的概念机器人轨迹的概念机机器器人人轨轨迹迹泛泛指指工工业业机机器器人人在在运运动动过过程程中中的的运运动动轨轨迹迹，即即运运动动点点的的位位移移、速度和加速度速度和加速度。轨轨迹迹的的生生成成一一般般是是先先给给定定轨轨迹迹上上的

28、的若若干干个个点点，如如图图所所示示，将将其其经经运运动动学学反反解解映映射射到到关关节节空空间间，对对关关节节空空间间中中的的相相应应点点建建立立运运动动方方程程，然然后后按按这这些些运运动动方方程程对对关关节节进进行行插插值值，从从而而实实现现作作业业空空间间的的运运动动要要求求，这这一一过过程程通通常常称称为为轨轨迹规划。迹规划。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的运动轨迹规划4.31.机器人轨迹的概念机器人轨迹的概念机机器器人人运运动动轨轨迹迹的的描描述述一一般般是是对对其其手手部部位位姿姿的的描描述述

29、，此此位位姿姿值值可可与与关关节节变变量量相互转换。控制轨迹也就是按时间控制手部或工具中心走过的空间路径。相互转换。控制轨迹也就是按时间控制手部或工具中心走过的空间路径。2.轨迹规划的一般性问题轨迹规划的一般性问题通通常常将将操操作作臂臂的的运运动动看看作作是是工工具具坐坐标标系系T相相对对于于工工件件坐坐标标系系S的的一一系系列列运运动动。这这种种描描述述方方法法既既适适用用于于各各种种操操作作臂臂，也也适适用用于于同同一一操操作作臂臂上装夹的各种工具。上装夹的各种工具。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的运

30、动轨迹规划4.32.轨迹规划的一般性问题轨迹规划的一般性问题在在轨轨迹迹规规划划中中，为为叙叙述述方方便便，也也常常用用点点来来表表示示机机器器人人的的状状态态，或或用用它它来来表表示示工工具具坐坐标标系系的的位位姿姿，例例如如作作业业起起始始点点、作作业业终终止止点点就就分分别别表表示示工工具具坐坐标标系系的的起起始始位位姿姿及及终终止止位位姿姿。对对点点位位作作业业(pick and place operation)的的机机器器人人(如如用用于于上上、下下料料)，需需要要描描述述它它的的起起始始状状态态和和目目标标状状态态，即即工工具具坐坐标标系系的的起起始始值值T0和和目目标标值值Tf。

31、在在此此，用用“点点”这这个个词词表示工具坐标系的表示工具坐标系的位置和姿态位置和姿态(简称位姿简称位姿)，例如起始点和目标点等。，例如起始点和目标点等。对对于于另另外外一一些些作作业业，如如弧弧焊焊和和曲曲面面加加工工等等，不不仅仅要要规规定定操操作作臂臂的的起起始始点点和和终终止止点点，而而且且要要指指明明两两点点之之间间的的若若干干中中间间点点(称称路路径径点点)，必必须须沿沿特特定定的的路路径径运运动动(路路径径约约束束)。这这类类称称为为连连续续路路径径运运动动(continuousPath motion)或或轮轮廓廓运运动动(contour motion)，而而前前者者称称点到点运

32、动点到点运动(PTPpointtopoint motion)。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的运动轨迹规划4.32.轨迹规划的一般性问题轨迹规划的一般性问题轨轨迹迹规规划划既既可可在在关关节节空空间间也也可可在在直直角角空空间间中中进进行行，但但是是所所规规划划的的轨轨迹迹函函数数都都必必须须连连续续和和平平滑滑，使使得得操操作作臂臂的的运运动动平平稳稳。在在关关节节空空间间进进行行规规划划是是将将关关节节变变量量表表示示成成时时间间的的函函数数，并并规规划划它它的的一一阶阶和和二二阶阶时时间间导导数数；在

33、在直直角角空空间间进进行行规规划划是是指指将将手手部部位位姿姿、速速度度和和加加速速度度表表示示为为时时间间的的函函数数。而而相相应应的的关关节节位位移移、速速度度和和加加速速度度由由手手部部的的信信息息导导出出。通通常常通通过过运运动动学学逆逆解解得得出出关关节节位位移移、用用逆逆雅雅克克比比求求出出关关节节速速度度，用用逆逆雅雅可可比比及及其其导导数数求求解关节加速度。解关节加速度。用用户户根根据据作作业业给给出出各各个个路路径径结结点点后后，规规划划器器的的任任务务包包含含：解解变变换换方方程程、进进行行运运动动学学逆逆解和插值运算等解和插值运算等；在关节空间进行规划时，大量工作是对关节

34、变量的；在关节空间进行规划时，大量工作是对关节变量的插值插值运算。运算。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的运动轨迹规划4.33.轨迹的生成方式轨迹的生成方式运动轨迹的描述或生成有以下几种方式：运动轨迹的描述或生成有以下几种方式：（1）示示教教-再再现现运运动动。这这种种运运动动由由人人手手把把手手示示教教机机器器人人，定定时时记记录录各各关关节节变变量量，得得到到沿沿路路径径运运动动时时各各关关节节的的位位移移时时间间函函数数q(t)；再再现现时时，按按内内存存中中记记录录的的各各点点的的值值产产生生序序列列

35、动动作。作。（2）关关节节空空间间运运动动。这这种种运运动动直直接接在在关关节节空空间间里里进进行行。由由于于动动力力学学参参数数及及其其极极限限值值直直接在关节空间里描述，所以用这种方式求最短时间运动很方便。接在关节空间里描述，所以用这种方式求最短时间运动很方便。（3）空空间间直直线线运运动动。这这是是一一种种直直角角空空间间里里的的运运动动，它它便便于于描描述述空空间间操操作作，计计算算量量小小，适宜简单的作业。适宜简单的作业。（4）空空间间曲曲线线运运动动。这这是是一一种种在在描描述述空空间间中中用用明明确确的的函函数数表表达达的的运运动动，如如圆圆周周运运动动、螺旋运动等。螺旋运动等。

36、篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的运动轨迹规划4.34.机器人轨迹控制过程机器人轨迹控制过程机机器器人人的的基基本本操操作作方方式式是是示示教教-再再现现，即即首首先先教教机机器器人人如如何何做做，机机器器人人记记住住了了这这个个过过程程，于是它可以根据需要重复这个动作。于是它可以根据需要重复这个动作。对对于于有有规规律律的的轨轨迹迹，仅仅示示教教几几个个特特征征点点，计计算算机机就就能能利利用用插插补补算算法法获获得得中中间间点点的的坐坐标标，如如直直线线需需要要示示教教两两点点，圆圆弧弧需需要要示示教教三

37、三点点，通通过过机机器器人人逆逆向向运运动动学学算算法法由由这这些些点点的的坐坐标标求求出出机机器器人人各各关关节节的的位位置置和和角角度度(q1,qn)，然然后后由由后后面面的的角角位位置置闭闭环环控控制制系系统统实实现现要求的轨迹上的一点。要求的轨迹上的一点。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的运动轨迹规划4.35.关节空间插补关节空间插补路路径径点点(结结点点)通通常常用用工工具具坐坐标标系系以以相相对对于于工工件件坐坐标标系系位位姿姿来来表表示示。为为了了求求得得在在关关节节空空间间形形成成所所要要求求

38、的的轨轨迹迹，首首先先用用运运动动学学逆逆解解将将路路径径点点转转换换成成关关节节矢矢量量角角度度值值，然然后后对对每每个个关节拟合一个光滑函数，使之从起始点开始，依次通过所有路径点，最后到达目标点。关节拟合一个光滑函数，使之从起始点开始，依次通过所有路径点，最后到达目标点。对对于于每每一一段段路路径径，各各个个关关节节运运动动时时间间均均相相同同，这这样样保保证证所所有有关关节节同同时时到到达达路路径径点点和和终终止止点点，从从而而得得到到工工具具坐坐标标系系应应有有的的位位置置和和姿姿态态。但但是是，尽尽管管每每个个关关节节在在同同一一段段路路径径中中的运动时间相同，各个关节函数之间却是相

39、互独立的。的运动时间相同，各个关节函数之间却是相互独立的。关关节节空空间间法法是是以以关关节节角角度度的的函函数数来来描描述述机机器器人人的的轨轨迹迹的的，关关节节空空间间法法不不必必在在直直角角坐坐标标系系中中描描述述两两个个路路径径点点之之间间的的路路径径形形状状，计计算算简简单单、容容易易。再再者者，由由于于关关节节空空间间与与直直角角坐标空间之间并不是连续的对应关系，因而不会发生机构的奇异性问题。坐标空间之间并不是连续的对应关系，因而不会发生机构的奇异性问题。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的运动轨迹

40、规划4.36.机器人手部路径的轨迹规划机器人手部路径的轨迹规划任任一一刚刚体体相相对对参参考考系系的的位位姿姿是是用用与与它它固固连连的的坐坐标标系系来来描描述述的的。刚刚体体上上相相对对于于固固连连坐坐标标系系的的任任一一点点用用相相应应的的位位置置矢矢量量P表表示示；任任一一方方向向用用方方向向余余弦弦表表示示。给给出出刚刚体体的的几几何何图图形形及及固固连连坐坐标标系系后后，只只要要规规定定固固连连坐坐标标系系的的位位姿姿，便便可可重重构该刚体在空间的位姿。构该刚体在空间的位姿。（1）操作对象的描述）操作对象的描述篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛

41、的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的运动轨迹规划4.36.机器人手部路径的轨迹规划机器人手部路径的轨迹规划机机器器人人的的作作业业过过程程可可用用手手部部位位姿姿结结点点序序列列来来规规定定，每每个个结结点点可可用用工工具具坐坐标标系系相相对对于于作作业业坐坐标标系系的的齐齐次次变变换换来来描描述述。相相应应的的关关节节变变量量可可用用运运动动学学逆逆解解方程计算。方程计算。（2）作业的描述）作业的描述篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的示教与再现4.4一、示教再现原理一、示教再现原理示示教教再再现现

42、控控制制是是指指控控制制系系统统可可以以通通过过示示教教编编程程器器或或手手把把手手进进行行示示教教，将将动动作作顺顺序序、运运动动速速度度、位位置置等等信信息息用用一一定定的的方方法法预预先先教教给给工工业业机机器器人人，再再由由工工业业机机器器人人的的记记忆忆装装置置将将所所教教的的操操作作过过程程自自动动记记录录在在磁磁盘盘、磁磁带带等等存存储储器器中，当需要再现操作时，重放存储器中存储的内容即可。中，当需要再现操作时，重放存储器中存储的内容即可。示教的方法有很多种，有示教的方法有很多种，有主从式、编程式、示教盒式主从式、编程式、示教盒式等多种。等多种。主主从从式式由由结结构构相相同同的

43、的大大、小小两两个个机机器器人人组组成成，当当操操作作者者对对主主动动小小机机器器人人手手把把手手进进行行操操作作控控制制的的时时候候，由由于于两两机机器器人人所所对对应应关关节节之之间间装装有有传传感感器器，所所以从动大机器人可以以相同的运动姿态完成所示教操作。以从动大机器人可以以相同的运动姿态完成所示教操作。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的示教与再现4.4一、示教再现原理一、示教再现原理编编程程式式运运用用上上位位机机进进行行控控制制，将将示示教教点点以以程程序序的的格格式式输输入入到到计计算算机机中中

44、，当当再再现现时时，按按照照程程序序语语句句一一条条一一条条地地执执行行。这这种种方方法法除除了了计计算算机机外外，不不需需要要任何其他设备，简单可靠，适用小批量、单件机器人的控制。任何其他设备，简单可靠，适用小批量、单件机器人的控制。示示教教盒盒和和上上位位机机控控制制的的方方法法大大体体一一致致，只只是是由由示示教教盒盒中中的的单单片片机机代代替替了了计计算算机机，从从而而使使示示教教过过程程简简单单化化。这这种种方方法法由由于于成成本本较较高高，所所以以适适用用在在较较大大批批量量的的成成型型的的产产品品中。中。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的

45、计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的示教与再现4.4一、示教再现原理一、示教再现原理机器人的示教再现过程分为四个步骤机器人的示教再现过程分为四个步骤进行：进行：步步骤骤一一：示示教教。操操作作者者把把规规定定的的目目标标动动作作一一步步一一步步地地教教给给机机器器人人，主主要要示示教教工工业业机机器器人人运运动动路路径径上上的的特特殊殊点点，示示教教同同时时给给出出相相邻邻点点之之间间的的移移动动形形式式（直直线线、圆圆弧弧、点点到到点点），速度等参数。，速度等参数。步步骤骤二二：记记忆忆。机机器器人人将将操操作作者者所所示示教教的的各各个个点点的的动动作作顺顺序序信信息息、动动作作速

46、速度度信信息息、位位姿信息等记录在存储器中。姿信息等记录在存储器中。步步骤骤三三：再再现现。根根据据需需要要，将将存存储储器器所所存存储储的的信信息息读读出出，向向执执行行机机构构发发出出具具体体的的指指令令。机机器器人人根根据据给给定定顺顺序序或或者者工工作作情情况况，自自动动选选择择相相应应程程序序再再现现，这这一一功功能能标标志志着着机机器器人人对工作环境的适应性。对工作环境的适应性。步步骤骤四四：操操作作。指指机机器器人人以以再再现现信信号号作作为为输输入入指指令令，使使执执行行机机构构重重复复示示教教过过程程的的各各种种动作。动作。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定

47、胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的示教与再现4.4二二、示教再现操作方法示教再现操作方法（1）接通主电源）接通主电源 把控制柜的主电源开关切换到接通的位置，接通主电源并进入系统。把控制柜的主电源开关切换到接通的位置，接通主电源并进入系统。（2）选择示教模式）选择示教模式 示教模式分为手动模式和自动模式，示教阶段选择手动模式。示教模式分为手动模式和自动模式，示教阶段选择手动模式。（3）接通伺服电源）接通伺服电源1.示教前准备示教前准备2.示教示教（1）创创建建示示教教程程序序文文件件 在在示示教教器器上上创创建建一一个个未未曾曾示示教教过过的的程程序序文文件件名

48、名称称，用用于于储储存存后后面的示教程序文件。面的示教程序文件。（2）示教点的设置）示教点的设置 示教作业是一种工作程序，它表示机械手将要执行的任务。示教作业是一种工作程序，它表示机械手将要执行的任务。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的示教与再现4.4二二、示教再现操作方法示教再现操作方法以工业机器人从以工业机器人从A处搬运工件至处搬运工件至B处为例，说明工业机器人示教点的设置处为例，说明工业机器人示教点的设置步骤。步骤。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统

49、是一种得分类型的系统工业机器人的示教与再现4.4二二、示教再现操作方法示教再现操作方法（1）选择已经示教好的程序文件，并将光标移到程序开头；）选择已经示教好的程序文件，并将光标移到程序开头；（2）回初始位置手动操作机器人移到步骤）回初始位置手动操作机器人移到步骤1位置；位置；（3）示教路径确认在手动模式下，使工业机器人沿着示教路径执行示教运行路径正确；）示教路径确认在手动模式下，使工业机器人沿着示教路径执行示教运行路径正确；（4）选择自动模式；）选择自动模式；（5）接通伺服电源。）接通伺服电源。3.再现前再现前准备准备4.再现再现篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此

50、，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工业机器人的示教与再现4.4三三、离线编程离线编程机机器器人人离离线线编编程程系系统统是是在在机机器器人人编编程程语语言言的的基基础础上上发发展展起起来来的的，是是机机器器人人语语言言的的拓拓展展。它它利利用用机机器器人人图图形形学学的的成成果果，建建立立起起机机器器人人及及其其作作业业环环境境的的模模型型，再再利利用用一一些些规规划划算算法法，通过对图形的操作和控制，在离线的情况下进行轨迹规划。通过对图形的操作和控制，在离线的情况下进行轨迹规划。1.机器人离线编程的特点机器人离线编程的特点（1）机器人离线编程的优点）机器人离线编程的优点1）减少机器