为了控制工业机器人 ( 机械臂 ) 的运动，首先需要在机器人中建 立相应的坐标系。机器人运动学主要研究机器人各个坐标系之间的 运动关系，是机器人进行运动控制的基础。那么，机器人运动学研 究包含哪些问题呢？我们该如何去解决呢？ 本 节 导 入 在工业机器人控制中，先根据工作任务的要求确定手部要到达的目 标位姿，然后根据逆向运动学求出关节变量，控制器以求出的关节变量 为目标值，对各关节的驱动元件发出控制命令，驱动关节运动，使手部 到达并呈现目标位姿。 逆向运动学 工业机器人控制的基础 正向运动学 又是逆向运动学的基础 工业机器人相邻连杆之间的相对运动 旋转运动、平移运动 这种运动体现在连接两个连杆的关节上 坐标变换 物理上的旋转运动或平移运动 在数学上可以用矩阵代数来表达 旋转运动 → 旋转变换 平移运动 → 平移变换 坐标系之间的运动关系可以用矩阵之间的乘法运算来表达。用坐标 算来表达。用坐标 变换来描述坐标系 ( 刚体 ) 之间的运动关系是工业机器人运动学分析的 基础。在工业机器人运动学分析中要注意下面四个问题： 工业机器人操作臂可以看成是一个开式运动链，开链的一端固定在机座上， 另一端是自由的。 在开链机构简图中，关节符号只表示了运动关系。 为了研究操作臂各连杆之间的位移关系，可在每个连杆上固连一个坐标系， 然后描述这些坐标系之间的关系。 在轨迹规划

球坐标机器人 • 关节机器人 • 笛卡尔坐标机器人 球坐标系机器人 A 纯球状 机械臂的上臂和前臂相连，该枢轴常称为肘关节，允许前臂 转动角度 α ；上臂与基座相连，与基座垂直的面内的运动可 绕此肩关节进行角度 φ ；而基座可自由转动，因而整个组合 件可在与基座平行的平面内移动角度 θ ，具有这类结构的机 器人的工作包络范围大体上是球状的。 优点：机械臂可以方便灵活的到达机器人基座附近的地方， • 机械刚度比其它大多数机械手大。 缺点：工作范围受到的限制较大。 2 、工业机器人的分类 2 、工业机器人的分类 运动学链系代替纯圆柱状机器人中 的单一轴部件。 这种机器人有精密且快速的优点， 但一般垂直作用范围有限（ Z 方向 ），通常 Z 轴运动用一简单的气缸 或步进电机控制，而其它轴则采用 较精巧的电气执行器（如伺服电机 ）。 z r1 r2 r3 腕的 横滚 2 悬臂笛卡尔式 • 从支撑架伸出的长度有限， 刚性差，但其工作空间所受 约束较其它机器人所受的约 束少，故重复性和精度高； • 其坐标更近乎自然状态，故 编程容易； • 但有些运动形式，由于需要 大量计算，此结构可能较难 完成，如方向与任何轴都不 平行的直线轨迹。 x z 腕的俯仰 腕的偏摆 腕的偏摆 腕的横滚 腕的横滚 2 、工业机器人的分类 • 柱坐标机器人

公共部分 工作装置 操作简单、易于掌握 示教再现过程很快 示教之后即可应用 随时监视机器人动作 避免发生错误指令 编程占用机器人作业时间 难以与其他操作同步 很难规划复杂的运动轨迹 以及准确的直线运动 难以与传感信息相配合 机器人语言编程是指采用专用的机器人语言来描述机器人的动作 轨迹。机器人语言编程实现了计算机编程，它具有良好的通用性，同 一种机器人语言可用于不同类型的机器人。此外，机器人编程语言可 床中编制数控加工程序非常相似。一些离线编程系统带有仿真功能， 这使得在编程时就可解决障碍干涉和路径优化问题。 3 、离线编程 离线编程 为了使机器人能够进行再现示教的动作，就必须把机器人运动命令 编成程序。控制机器人运动的命令就是移动命令。在移动命令中，记录 有移动到的位置坐标、插补方式、再现速度等参数。 空走点 / 作业点 机器人再现时，决定从当前程序点到下一个程序点是否实施作业 空走点 程 需 要 实 施 作 业 ， 主 要 用 于 作 业 开 始 点 和 作 业 中 间 点 两种情况 机器人语言提供一种通用的人与机器人之间的通信手段。它是一 种专用语言，用符号述机器人的运动，与常用的计算机编程语言相似。 1 、工业机器人语言的发展概况 1975 年 IBM 公司研制出 ML 语言 随后又研制出 AUTOPASS 语言 1974 年 在 WAVE 语言的基础上开

控制系统也有许多特殊之处，如下： 多关节 联动控制 每个关节由一个伺服系 统控制，多个关节的运 动要求各个伺服系统协 同工作以实现联动控制 基于坐标变换的 运动控制 工业机器人的空间点位 运动控制，需要进行复 杂的坐标变换运算，以 及矩阵函数的逆运算 复杂的 数学模型 其数学模型是一个多变 量、非线性和变参数的 复杂模型，控制中经常 使用复杂控制技术 Control System ) 分布式结构 对于具有多自由度的工业机器人而言，当轴的数量增加到使控制算 法变得很复杂时，其控制性能会恶化，甚至可能会导致系统的重新设计。 与之相比，分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理，这意 味着，系统有较少的轴间耦合和较高的系统重构性。 分布式控制系统的优点在于： ● 系统灵活性好，控制系统的危险性降低 ● 采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执 机器人操作系统，是工业机器人控制系统的“软部分”，实质上都是采 用了嵌入式实时操作系统。 工业机器人的驱动系统是直接驱使各运动部件动作的机构，对工业 机器人的性能和功能影响很大。工业机器人驱动方式主要有：液压式、 气动式和电动式。 电动驱动 利用各种电动机产生的力矩和力， 直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构 气动驱动 以压缩空气为动力源驱动， 气动执行机构包括气缸、气动马达 液压驱动

进行游程检验和独立性检验均通过，调查结果真实可信。 针对问卷调查的结果，我们运用描述性统计方法，分别对用户和非用户的基 本信息进行分析。借助 Logit 二元选择模型，分析得到性别、年龄、学历、兴趣 爱好、性格、运动频率是购买智能手环的显著影响因素。基于回归结果，利用 K-means 聚类的方法，定量分析潜在用户性别、年龄、学历、爱好、年收入、购 买意愿，将潜在用户分为 5 类，以定性为基础结合定量方法分析了潜在客户价值。 •主打运动 •佩戴较轻便 •续航能力差 •功能单薄 - 2 - 3.智能手环发展机遇与面临的挑战 （1）发展机遇 在 2015 年，国内出台了首个智能可穿戴设备行业标准，促进该行业的正规 化，包括《可穿戴产品分类与标识》、《可穿戴产品数据规范》、《可穿戴产品应用 服务框架要求》。这三项标准对于智能穿戴设备的发展具有正向激励作用。 在人们越来越关注健康的大环境下，能提供运动数据分析和监测的运动手环 和监测的运动手环 很有市场;在饱受慢性病侵袭的老年人中，相比于繁重的医疗设备轻巧的健康监 测手环很有市场;对于对世界充满好奇又缺乏危险意识的小朋友，一款颜色鲜艳 的定位手环很有市场;面对商场超市排长龙的结账队伍，快速高效的支付手环很 有市场，但是这一切需要一个完整的市场体系来支撑。数据记录的真实准确、食 物摄入的精准分析、睡眠质量的监测提示，GPS 定位的正确与否，快捷支付的账 户安全等问题将成为制约智能手环产品未来的难题。

内部传感器 外部传感器 传感系统 （ 1 ）内部传感器 用于确定机器人在其自身坐标系内的姿态位置，是完成机器人运动控制 ( 驱动系统及执行机械 ) 所必需的传感器，多数是用于测量位移、速度、加 速度和应力的通用型传感器。 如：为测量回转关节位置的轴角编码器、测量速度以控制其运动的测速计 （ 2 ）外部传感器 用于检测机器人所处环境、外部物体状态或机器人与外部物体 ( 即工作对 象 ) 工业机器人的传感器按检测对象的不同分类 触觉传感器 力觉传感器 接近觉传感器 听觉传感器 嗅觉传感器 温度传感器 视觉传感器 内部传感器 外部传感器 传感器 位置检测传感器 运动检测传感器 确定位置和角度 任意位置和角度 速度和加速度 速度和角加速度 姿态 立体 平面 工业机器人用于执行各种加工任务，不同的任务对工业机器人提出 不同的要求。例如，搬运任务和装配任务对传感器要求主要是力觉触觉 机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置、速度、加速 度等。除了较简单的开环控制机器人外，多数机器人都采用了位置传 感器作为闭环控制的反馈原件。 机器人根据位置传感器反馈的位置信息，对机器人的运动误差进 行补偿。不少机器人还装备有速度传感器和加速度传感器。 加速度传感器 可以检测机器人构件受到的惯性力，使控制能够补 偿惯性力引起的变形误差。 速度传感器 用于预测机器人的运动时间，计算和控制由离心力引

创新能力以及广泛的国际销售和服务网络，树立了强大的品牌影响力，在全球市场占据主要 份额，国产品牌在技术水平、品牌认知和市场覆盖等方面与上述外资企业相比仍存在较大差 距。 弧焊机器人则适用于更广泛的材料厚度和焊接要求，对运动轨迹要求更加严格，需要沿 着预设的焊缝路径精确地移动，保持焊枪与工件之间的距离一致。目前，国产焊接机器人厂 商主要聚焦在这个领域，市场竞争较为激烈。现阶段，市场上智能焊接机器人产品中，用于 弧焊工艺的占据了主导地位。 识别焊缝的中心位置， 通过主控计算机控制焊枪的运动，从而实现对焊缝跟踪的精确控制。 线激光视觉传感器的工作原理在于将激光投射到焊缝表面，形成具有一定特征的激光条 纹并由视觉传感器进行焊缝特征信息提取，进而识别焊缝特征点位置，后续焊接机器人依据 相关信息进行焊接位置实时校准。 焊接机器人需要精确控制焊枪与工件之间的相对轨迹位置关系、运动速度以及焊枪姿态 等，因此焊缝跟踪的研究在机器人 用范围的方向发展。 二、焊接机器人离线编程与仿真技术 机器人离线编程是一种在不直接使用实际物理机器人的情况下设计、测试和优化机器人 控制程序的方法。允许工程师在虚拟环境中创建和优化机器人的运动轨迹和任务流程，从而 避免了在真实环境中进行调试的时间和成本。 离线编程技术主要包括两大方向：基于三维软件的机器人离线编程和基于视觉技术的机 器人快速编程。 1、基于三维软件的机器人离线编程技术开发

装配工作站和搬运 工作站中的末端执行器。 质量参数是选择机器人最基本的参数，决不允许机器人超负荷运行。 8.1.2 机器人工作站的一般设计原则 2 ）确定机器人的工作空间 工作空间是机器人运动时手臂末端或手腕中心所能到达的所有 点的集合，也称为工作区域，它是机器人的另一个重要性能指标。 由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的 特征参数，故作业范围是指不安装末端执行器时的工作区域。 启时，工作站中的所有设备不能启动工作。 工作站必须设置各种传感器，包括光屏、电磁场、压敏装置、超声和红 外装置及摄像装置等。当人员无故进入防护区时，利用这些传感器能立 即使工作站中的各种运动设备停止工作。 当人员必须在设备运动条件下进入防护区工作时，机器人及其周边设备 必须在降速条件下启动运转。工作者附近的地方应设急停开关，围栏外 应有监护人员，并随时可操纵急停开关。 用于有害介质或有害光环境下的工作站，应设置遮光板、罩或其他专用 气体 保护焊 焊条 电弧焊 弧焊机器人是指用于 进行自动电弧焊的工业机 器人，其末端持握的工具 是焊枪。由于弧焊过程比 点焊过程要复杂一些，工 具中心点（ TCP ），也 就是焊丝端头的运动路径、 焊枪的姿态、焊接的参数 都要求精确掌控。所以弧 焊用机器人还必须具备一 些适应弧焊要求的功能。 图 8-2 弧焊机器人 3 、激光焊接与激光焊接机器人 （ 1 ）激光焊接

> 车辆 > 机器人 > 机床 152 四、智能制造案例分析—数字工厂 数控分析 状态监控 仿真分析 布局建模 > 通过不同组件相互联系 组建物流系统 > 设置自动化 设备运动 参 数与运动逻辑 > 通过载荷生成器控制载 荷生成与消失 > 设置仿真速度 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分 析 153 四、智能制造案例分析—数字工厂 动自动化 设备 模型运动 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分 析 157 四、智能制造案例分析—数字工厂 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分 析 > 将自动化 设备 同 PLC 信号 关 联，实时 采集 PLC 信 号驱动 自动 化 设备模 型 运动 158 四、智能制造案例分析—数字工厂

的交易、分析等多个数据库实例进行整合，简化系统架构，大幅降低运维复杂度和 IT 成本。 李宁：升级订单管理系统，从容应对百万级大促订单洪峰 李宁作为中国专业体育用品领域的标杆品牌，连续多年稳居中国运动品牌市场份额前 三。在发展过程中，李宁以“运动精神+国潮文化”双核驱动消费者认知，叠加线上线 下差异化运营策略，构建起全域渠道销售网络。 业务痛点 李宁全渠道的订单管理系统（OMS）作为统筹订单处理、库存管理与寻源配货的核心 降低运维成本：通过多租户架构和高效存储技术，大幅精简实例数量，降低运维 工作量和存储成本，总拥有成本（TCO）降低 40%。 斯凯奇：落地全渠道智能履约，云资源成本降低 30% 斯凯奇（SKECHERS）是全球知名运动休闲品牌，产品覆盖全年龄段、全场景的鞋类及 服饰，主打健步鞋、跑鞋和复古潮流鞋款。 业务痛点 2020 年，斯凯奇转向 DTC（直接面向消费者）战略，进入全渠道业务发展阶段，从传 统经销模式 长 时非必要的成本支出。 COROS 高驰：统一多云技术栈，全球数据存储成本降低 70% COROS 高驰是一家专业户外运动科技品牌，深受全球户外运动爱好者的信赖。销售和 服务网络已覆盖全球 100 + 国家与地区。作为深受全球户外探险家及运动者喜爱的专 业运动科技品牌，如今已拥有超百万级规模的注册用户。 业务痛点 随着业务的全球化扩张，COROS 高驰面临多云环境的技术割裂、数据存储成本攀升以