六轴机械臂离线编程与碰撞检测

📚 共计 30 章节

什么是离线编程？为什么需要碰撞检测？六轴机械臂应用场景与课程目标。

机械臂运动学基础（上）

坐标系与变换（齐次变换矩阵）、DH参数法建立模型。

坐标系DH参数

机械臂运动学基础（下）

正运动学求解、逆运动学求解（解析法与数值法）。

正逆解解析法

轨迹规划基础

关节空间轨迹规划（梯形、S形速度曲线）、笛卡尔空间轨迹规划（直线、圆弧插补）。

碰撞检测数学基础

包围盒技术（AABB、OBB、包围球）、分离轴定理（SAT）与GJK算法。

离线编程软件架构

主控模块、通信模块、运动学引擎、碰撞检测引擎、UI模块设计。

Python环境搭建

Anaconda安装、虚拟环境配置、NumPy/SciPy/Matplotlib安装。

核心库实战（一）

NumPy矩阵运算与坐标变换实现。

核心库实战（二）

Matplotlib 3D可视化与机械臂模型绘制。

DH参数建模实战

使用Python定义六轴机械臂DH参数表，实现正运动学函数。

逆运动学求解实战

基于解析法实现六轴机械臂逆解函数（以典型6R机器人为例）。

轨迹生成实战

实现梯形速度曲线规划与直线插补算法。

碰撞检测实战（一）

实现AABB包围盒的构建与相交测试。

碰撞检测实战（二）

实现OBB包围盒的构建与基于SAT的相交测试。

碰撞检测实战（三）

实现GJK算法核心步骤（支持函数、单纯形更新）。

定义工件、夹具、环境障碍物的几何模型与位姿。

离线编程核心流程

加载模型 → 设置目标点 → 规划路径 → 碰撞检测 → 生成代码。

路径规划与避障

基于采样（RRT）的路径规划与碰撞检测结合。

后处理与代码生成

生成机器人控制器可执行的代码（如URScript、KRL）。

仿真与验证

在虚拟环境中回放轨迹，验证运动学与碰撞检测结果。

项目实战（一）

搭建一个完整的离线编程原型系统（框架搭建）。

项目实战（二）

实现从加载模型到生成无碰撞路径的完整Pipeline。

Pipeline无碰撞

项目实战（三）

集成UI界面（基于Tkinter或PyQt），实现交互式操作。

碰撞检测加速（空间划分、并行计算）、轨迹优化（时间最优）。

高级话题：连续碰撞检测

连续碰撞检测（CCD）与离散碰撞检测（DCD）的区别与应用。

高级话题：动力学约束

考虑机器人动力学约束的轨迹规划。

动力学约束

工业标准与接口

TCP/IP通信与机器人控制器交互（Socket编程）。

焊接、搬运、喷涂场景的离线编程方案对比。

常见问题与调试

逆解多解选择、奇异点处理、碰撞误报与漏报。

调试奇异点

课程总结与未来展望

数字孪生、AI赋能离线编程、云端碰撞检测。