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

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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

..........................................................................................39 2.2.5 运动规划与控制.............................................................................................. 机交互实现任务理解与反馈，需要强大的感知计算与运动控制能力 （《创业邦》）； 2）人形机器人是一种仿生机器人，指形状与尺寸与人体相似，能 够模仿人类运动、表情、互动与动作的机器人，并具有一定程度的认 知和决策智能（《高工咨询》）； 3）人形机器人是一种模仿人类外形的机器人，除具备人形和模拟 人类动作外还兼具智慧化和可交互性等特点。 人形机器人主要包含三 大核心技术模块：环境感知模块、运动控制模块和人机交互模块（《觅 （《觅 途咨询》）。 6 从上述对人形机器人概念的主要观点来看，可以归纳为如下三个 主要特征：①外部特征：人形；②运动特征：双足直立行走；③智力 特征：人类智能。 国际上虽然没有对人形机器人的直接定义，但国际标准 ISO 8373:2021《Robotics - Vocabulary》中有类似人形机器人的仿人机 器人的概念：仿人机器人为“外观和动作与人类相似，并且具有躯干、 头部和肢体的机器人（robot

..............37 优易控 x 卓信创驰：基于 INtime® 的高精度柔性运动控制解决方案 .................................39 软件定义 自动化发展 趋势与挑战 01 02 随着软件定义自动化技术在工业领域的深入应用，以及基于 PC 架构的运动控制器广泛部署，特定的技术需求和行业趋势逐 渐显现： • 多轴协同控制需求激增：生产流程的 GPU AI 加速提供更充裕的性能预算，实现 AI 智能与精密控制的真正融合。 确定性实时性能是控制应用的核心要求。针对基于 PC 架构的控制系统，英特尔提供了全方位的性能优化解决方案，不仅能 够保障运动控制的确定性实时响应，更能在混合负载环境中确保关键任务的实时性能表现。该优化方案支持实时控制任务与 非实时应用程序在同一平台上并发运行，有效利用共享的计算和网络资源，提升了系统整体效率和资源利用率。 Windows 上开发针对实时核的运动控制程序，Kithara 提供了 KRmotion 运动控制系统 开发平台，包含了可视化工程配置，设备调试，变量监控，模拟仿真等功能，并集成了 I/O 控制、通用运动控制、机 器人控制、CNC、实时视觉等功能模块，为用户提供了一套基于 Windows 的纯软件解决方案，无需运动控制卡， PLC 等专用硬件即可实现高速高精度运动。 商用软件方案概览 图：KIthara

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

..........................................................................................39 2.2.5 运动规划与控制.............................................................................................. 机交互实现任务理解与反馈，需要强大的感知计算与运动控制能力 （《创业邦》）； 2）人形机器人是一种仿生机器人，指形状与尺寸与人体相似，能 够模仿人类运动、表情、互动与动作的机器人，并具有一定程度的认 知和决策智能（《高工咨询》）； 3）人形机器人是一种模仿人类外形的机器人，除具备人形和模拟 人类动作外还兼具智慧化和可交互性等特点。 人形机器人主要包含三 大核心技术模块：环境感知模块、运动控制模块和人机交互模块（《觅 （《觅 途咨询》）。 6 从上述对人形机器人概念的主要观点来看，可以归纳为如下三个 主要特征：①外部特征：人形；②运动特征：双足直立行走；③智力 特征：人类智能。 国际上虽然没有对人形机器人的直接定义，但国际标准 ISO 8373:2021《Robotics - Vocabulary》中有类似人形机器人的仿人机 器人的概念：仿人机器人为“外观和动作与人类相似，并且具有躯干、 头部和肢体的机器人（robot

感觉与运动：处理视觉、听觉、触觉等信息、并控 制自主运动 小脑 位于大脑后下方， 紧贴脑干后方， 形似蝴蝶。 运动协调：调节肌肉张力、协调精细动作（如鞋子、 弹琴） 平衡与姿势：帮助维持圣体平衡与空间定位 学习辅助：参与运动技能学习 脑干 连接大脑与脊髓， 由 中脑、桥脑、 延髓 三部分组成。 生命维持：控制呼吸、心跳、血压灯基本生命活动 信息中转：船体大脑与脊髓之间的感觉和运动型号 高级认知：负责思维、记忆、语言、决策、情感灯复杂功 能 感觉与运动：处理视觉、听觉、触觉等信息、并控制自主 运动 语义理解、环境信息理解、动 作决策等 目前为机器人中央控制器担任此角色， 但目前并未获得相应能力。后续可能 在此基础上进一步增加硬件及算力 小脑 运动协调：调节肌肉张力、协调精细动作（如穿鞋子、弹 琴等） 平衡与姿势：帮助维持身体平衡与空间定位 学习辅助：参与运动技能学习 动作学习模仿、复杂动作控制 动作学习模仿、复杂动作控制 等 机器人中央控制器，即现有的机器人 “大脑” 脑干 生命维持：控制呼吸、心跳、血压灯基本生命活动 信息中转：传递大脑与脊髓之间的感觉和运动信号 反射控制：管理咳嗽、吞咽、瞳孔反射灯原始反应 电源管理、通信网关控制、执 行器控制器状态管理等 机器人各传感器，执行器，线束，网 关 间脑 丘脑：感觉信息的中转，将视觉、听觉传递至大脑皮层 下丘脑：调节体温、饥渴、睡眠周期，并控制内分泌系统

功能的扩建、改造升级之外，数字化、智慧化的加持， 必将成为各体育场馆全力打造的新方向，使“智慧化”从体育场馆的“高配”变为“标配”。 二、体育强国战略激发体育场馆智慧化内生动力 体育场馆是大众运动健身的主要场所之一，传统老旧场馆因功能单一、配套设施欠缺、服务体验低下，客流量 普遍偏低，加之缺乏有效的经营手段，不少场馆目前濒临亏损，导致出现社会上部分公共体育场馆宁可关闭也不愿对 外开放的现 为破解这一难题，国家体育总局在 2018 年提出了“场馆两改”重要工程，其中“一改”为场馆功能改造，目 的就是满足人民群众多样化的运动健身需求和场馆的多元化经营需求。体育场馆智慧化不仅能以客观数据为基础，了 解大众的体质和运动喜好状况，为大众提供更好的运动推荐和体育培训服务，缓解现代人普遍存在的因生活不规律、 运动锻炼匮乏而导致的慢性疾病，还能帮助场馆运营者了解场馆设备设施运行、能耗开支的实时状况，提升场馆运营 效率。 群众获得感、幸福感为出发点，围绕如何让人民群众更充分、更便利地享受体育运动和参与体育运动等关键问题，重 点解决健身场地匮乏、健身体验欠佳的难题。因此，体育场馆以智慧方式进行的升级改造或新建应是今后一段时间内 建设的重点方向。 三、重大体育赛事催生体育场馆智慧化创新活力 体育场馆是举办大型体育赛事的核心载体，赛事期间涉及体育人群最广，涵盖赛事官员、运动员、裁判员、新 - 2 - 体育场馆智慧化标准体系建设指南

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