（1）实验原理(限1000字以内)

实验原理：在实现工业机器人轨迹规划中，“工业机器人工具坐标系标定原理”确定坐标系，“工业机器人示教编程原理”确定示教点，“工业机器人轨迹运行插补原理”获得抓取和放置的工作轨迹；在实现人机协同评判中，“六点定位原理”确定工件加工位置，“自动化生产线生产节拍协同控制原理”评判协同参数能否达到协同要求。5个实验原理相互逻辑关系如图7所示。

图7 实验原理逻辑关系示意图

① 工业机器人工具坐标系标定原理

机器人工具坐标的标定是确定工具坐标系相对于末端法兰盘中心坐标系的变换矩阵。工具中心点（TCP）位置标定采用最小二乘法进行拟合；工具坐标系（TCF）姿态标定采用坐标系变换进行计算。

② 工业机器人示教编程原理

利用机器人示教器手动操作机器人各关节运动，使机器人末端TCP点分别运动至图8和表1中的各程序点，并调整末端执行器的姿态至所需姿态，记录各程序点位姿。

图8 机器人的运动轨迹

表1 各程序点说明

③ 工业机器人轨迹运行插补原理

机器人运动过程中可采用不同的插补方式实现，分别有关节插补、直线插补、圆弧插补。其中，关节插补是机器人在未规定采取何种轨迹运动时，默认采用关节插补，出于安全考虑，通常在程序点1用关节插补示教规避奇异点；直线插补是机器人从前一程序点到当前程序点运行一段直线，即直线轨迹仅示教1个程序点（直线结束点）即可，直线插补主要用于直线轨迹的作业示教；圆弧插补是机器人沿着圆弧插补示教的3个程序点执行圆弧轨迹运动，圆弧插补需要示教三个程序点，即圆弧起始点、中间点、圆弧结束点，圆弧插补主要用于圆弧轨迹的作业示教。

④ 六点定位原理

任何未定位的工件在空间直角坐标系中都具有六个自由度。用合理分布的六个支承点去限制工件的六个自由度，使工件在空间得到唯一确定位置的方法。

⑤ 自动化生产线生产节拍协同控制原理

齿轮和泵体的人机协同控制中，间隔输送约束机制如下：

式中，S为齿轮与泵体之间距离；T齿为齿轮总加工工时（包括齿轮的抓取时间，加工时间，放置时间）；W泵为泵体总加工工时（包括泵体的抓取时间，加工时间，放置时间）；V为输送带的速度。约束的目的实现，当泵体未加工完，齿轮就不能运动到放置泵体的位置；当泵体未被工业机器人从主输送带抓往装配操作台，齿轮就不要放置到输送带上。

知识点：共11个知识点，

知识点1：机器人原理认知，分解为①型号规格编制，②6个轴的运动形式，③工具坐标系标定原理；

知识点2：设备认知，分解为①工业机器人进行虚拟拆装，②机械抓手类型，③自动化生产线组成；

知识点3：示教器认知，分解为①示教器的功能和类型，②示教器按键的使用，③示教编程原理；

知识点4：示教前准备分析，分解为①工业机器人插补原理，②机械抓手选择；

知识点5：虚拟示教操作，分解为①示教轨迹规划作业避障分析，②示教轨迹规划路径距离合理性评判；

知识点6：工业机器人工作路径设计，分解为①示教模式，②系统默认模式；

知识点7：输送线速度设置，即传输带参数设置；

知识点8：自动化生产线生产节拍参数设置，分解为①六点定位原理，②切削深度、进给量、切削速度设置；

知识点9：协同控制效果评判，分解为①生产节拍协同控制原理，②自动化生产虚拟仿真，③显示数据分析；

知识点10：产品虚拟装配实验，分解为①保证产品装配精度的方法，②产品虚拟仿真运动分析；

知识点11：产品入库码放实验，即产品仓储放置位置设置。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

总体思路为：针对自动化生产线的人机协同控制要求，通过工业机器人示教实现避障作业轨迹规划；通过齿轮泵的轴、齿轮和泵体自动化加工、齿轮泵装配等4个单元组成虚拟自动化生产车间，制作与实际齿轮泵生产相同生产节拍，进行评判各个生产单元协同效果；将装配产品码放立体货架指定位置备用。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

总体思路为：针对自动化生产线的人机协同控制要求，通过工业机器人示教实现避障作业轨迹规划；通过齿轮泵的轴、齿轮和泵体自动化加工、齿轮泵装配、齿轮泵产品入库码等5个单元组成虚拟自动化协同生产车间，制作与实际齿轮泵生产相同生产节拍，评判各个生产单元协同效果；齿轮泵装配产品码放立体货架指定位置备用。

核心要素包括：生产装备选型、协同控制数据、生产工艺设计。

①生产装备选型虚拟仿真

实验生产装置再现真实自动化生产车间。由工业机器人本体、手爪库、示教器、数控加工车床、数控滚齿加工机床、数控加工铣床、输送线、仓储货架等组成虚拟自动化生产车间，结构尺寸和实物等比例虚拟仿真，实现了“以虚代实”无缝对接。

② 协同控制数据虚拟仿真

实验协同控制数据是真实的。工业机器人性能参数、坐标系、示教点参数、工作路径长度、人机协同生产节拍控制参数、产品入库码放位置等依据真实数据进行设置，拉近了实验教学与真实工程实践之间的距离。

③ 生产工艺设计虚拟仿真

实验生产工艺设计是真实的，操作规范符合相关标准。外圆加工、平面加工和齿轮展成法加工等典型生产工艺流程设计，为学生提供了工业机器人轨迹规划及人机协同评判操作的真实工程背景。