四自由度串聯(lián)機器人實驗指導書

1、rbt-4t/s02s教學機器人實驗指導書哈爾濱工業(yè)大學博實精密測控有限責任公司哈爾濱工業(yè)大學博實精密測控有限責任公司目 錄實驗1 機器人的認識1實驗2 機器人機械系統(tǒng)8實驗3 機器人控制系統(tǒng)17實驗4 機器人示教編程與再現(xiàn)控制24實驗5 機器人坐標系的建立27實驗6 機器人正運動學分析32實驗7 機器人逆運動學分析36實驗8 機器人關節(jié)運動軌跡規(guī)劃40實驗9 機器人ptp(點到點)運動軌跡控制45實驗10 機器人cp(連續(xù))運動控制49實驗11 機器人的搬運裝配實驗54實驗1 機器人的認識一、實驗目的1、了解機器人的組成；2、了解機器人的工作原理；3、了解rbt系列教學機器人的性能指標；4、

2、熟悉機器人的基本功能及示教運動過程二、實驗設備1、rbt4t/s02s教學機器人一臺；2、rbt4t/s02s教學機器人控制系統(tǒng)軟件一套；3、rbt4t/s02s教學機器人控制柜一個；4、裝有運動控制卡的計算機一臺；5、軸和軸套各一個；6、機器人氣動手爪和噴筆裝置各一套三、實驗原理機器人是一種具有高度靈活性的自動化機器，是一種復雜的機電一體化設備。圖11 機器人結構機器人按技術層次分為：固定程序控制機器人，示教再現(xiàn)機器人，智能機器人等。本課程所使用的機器人為四自由度示教再現(xiàn)式機器人。整個系統(tǒng)包括四自由度機器人1臺，電控柜1臺，控制卡1塊，實驗附件1套（包括軸、套），噴繪裝置1套、機器人控制軟件

3、1套。機器人采用串聯(lián)平面式開鏈結構，即機器人各連桿由旋轉關節(jié)串聯(lián)連接，如圖11所示。各關節(jié)軸線相互平行或垂直。連桿的一端裝在固定的支座上(基座)，另一端處于自由狀態(tài)，可安裝各種工具以實現(xiàn)機器人作業(yè)。關節(jié)的作用是連接的兩連桿產(chǎn)生相對運動。關節(jié)的傳動采用模塊化結構，由斜齒輪、同步帶和諧波減速器等多種傳動結構配合實現(xiàn)。機器人各關節(jié)采用伺服電機和步進電機混合驅動，并通過windows環(huán)境下的軟件編程和運動控制器實現(xiàn)對機器人的控制，使機器人能夠在運動范圍內(nèi)任意位置精確定位。機器人技術參數(shù)如下：機構形態(tài)水平多關節(jié)型自由度4可搬質(zhì)量2kg動作范圍關節(jié)轉動-150 +150關節(jié)轉動-60 +60關節(jié)轉動-90

4、 +90關節(jié)轉動-100 +100最大速度關節(jié)轉動45o /s關節(jié)轉動45o /s關節(jié)轉動30o /s關節(jié)轉動60o /s本體重量60kg安裝環(huán)境溫度0+45oc濕度2080%不結露振動0.5g以下其它避免易燃、腐蝕性氣體、液體勿漸水、油、粉塵等勿接近電器噪聲源電源容量1kva預備知識：1)機器人的英文名緣由機器人是一種具有某種仿人功能的自動機、機器人的國際名叫“羅伯特”（robot）。“robot”一詞源于捷克作家卡列爾查培于1920年的一部名叫作羅薩姆的萬能機器人公司的幻想劇，羅伯特是給劇主人公的名字，他是既忠誠又勤勞的機器人。2)機器人的定義：（我國科學家的定義）機器人是一種自動化的機器

5、，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。3)機器人的三原則1、機器人不能傷害人類；2、在不違反第一條的情況下，機器人必須遵守人類的命令；3、在不違反第一、二條的情況下，機器人應能保護自己。4)機器人發(fā)展史：a、古代機器人1、中國機關人世界最早的機器人列子、湯問篇中記載西周穆王時，有位名叫偃師的能工巧匠就制造了一下能歌善舞的伶人機器人。春秋后期，木匠魯班制造的木鳥，能在空中飛行“三日不下”1800年前的漢代，大科學家張衡發(fā)明的計里鼓車。計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。后漢三國時期，諸葛

6、亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。最早的軍事機器人2、西方最早的機器人，是公元前2世紀古希臘人發(fā)明的最原始的機器人自動機。1738年，法國天才技師杰克戴瓦克遜發(fā)明了一只機器鴨。b、現(xiàn)代機器人1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。1959年第一臺工業(yè)機器人（可編程、圓坐標）在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。1967年日本成立了人工手研究會（現(xiàn)改名為仿生機構研究會），同年召開了日本首屆機器人學術會。1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會議。1980年被稱為“機器人元年”。機器人的組成部分：機器人的手操作系統(tǒng)，作用是抓住一個工作對象使其

7、按工作或作戰(zhàn)要求動作。機器人的眼感測系統(tǒng)，作用是觀測量工作對象及其周圍環(huán)境的信息，通過收集散地些信息將其反饋給控制中心，作為對機器人行為控制和協(xié)調(diào)的依據(jù)。機器人神經(jīng)系統(tǒng)信息傳輸系統(tǒng)，作用是將傳感器和觀測器獲得的各種信息下傳上達，交給各執(zhí)行及其附屬設備。機器人的心臟動力系統(tǒng)，作用負責向機器人提供動力，主要設備有各種發(fā)動機，發(fā)電機及其附屬設備。機器人的大腦指揮控制系統(tǒng)。作用是加工處理各種信息、指揮、控制機器人的各種行動。5)機器人的種類：按技術層次分為：固定程序控制機器人，示教再現(xiàn)機器人，數(shù)控機器人，遙控機器人，智能機器人。按工作自由度分為自主機器人，半自主機器人，搖控機器人。6)機器人的用途：1

8、、勤勞忠誠的員工不計報酬2、未知世界的使者不知“天高地厚”3、未到戰(zhàn)爭中的圣斗士不曉得皮肉之苦4、保姆、白衣天使和明星不用包裝炒作7)機器人的未來發(fā)展人性化，智能化，普及化。四、實驗步驟1、 連好控制柜的電源，開啟計算機后，旋轉控制柜上面的鑰匙，開啟“電源開關”，等待控制柜的報警指示燈變灰后，按下教學機器人控制柜的“啟動開關”按鈕，等待變綠后方可操作；1. 運行rbt-4t/s02s四自由度教學機器人軟件“四自由度串聯(lián)機器人.exe”，如圖。圖12 機器人控制軟件界面2、 點擊“限位開關測試”按鈕，當機器人的四個關節(jié)都不在極限位置時，對機器人的全部限位開關進行測試，提示“限位開關正常”后方可進

9、行下一步操作，如圖13；圖13 限位開關界面3、 點擊主界面“機器人復位”按鈕，機器人進行回零運動，觀察機器人運動，四個關節(jié)全部運動完成后，系統(tǒng)會提示您復位完成，機器人處于零點位置；4、 點擊“機器人示教”按鈕，顯示機器人示教對話框，如圖14，按下“打開按鈕”后進入機器人軟件安裝目錄，進行示教文件選擇；圖14 機器人示教對話框5、 單軸高速運動演示：打開文件gaosu.rbt4，文件數(shù)據(jù)會在示教點信息列表中顯示，按下“識別示教點”按鈕，然后按下“再現(xiàn)”按鈕，機器人關節(jié)依次高速運動，運動完畢后，按下“機器人復位”按鈕，使機器人回到零點位置；6、 搬運操作演示：在桌面合適的位置放置軸和軸套，打開文

10、件banyun.rbt4，文件數(shù)據(jù)會在示教點信息列表中顯示，按下“識別示教點”按鈕，然后按下“再現(xiàn)”按鈕，機器人關節(jié)實現(xiàn)搬運運動，運動完畢后，按下“機器人復位”按鈕，使機器人回到零點位置，關閉機器人示教對話框；7、 圖形噴繪演示：將噴搶固定在機器人的末端的法蘭盤上，連接氣路，開啟氣泵，粘貼畫紙，將有機玻璃板固定在實驗桌對應位置，在板上夾一張紙。點擊“圖形插補控制”按鈕，顯示圖形插補控制對話框，如圖1-7，按下“打開按鈕”后進入機器人軟件安裝目錄(默認目錄c:program filesrbt-4t/s02s教學機器人控制系統(tǒng)files)，打開文件cp.fig4，圖形會在坐標系中顯示，點擊“運動”

11、按鈕，機器人會按照顯示的圖形軌跡連續(xù)運動，運動完畢后，系統(tǒng)會提示您圖形插補運動已經(jīng)完成；圖1-7 圖形插補控制界面8、點擊“機器人復位”按鈕，使機器人回到零點位置；9、點擊“伺服關閉”按鈕，伺服電機關閉，制動閉合。10、關閉rbt-4t/s02s四自由度教學機器人軟件“四自由度串聯(lián)機器人.exe”；11、按下教學機器人控制柜的“停止開關”按鈕，等待變紅后，打開教學機器人的控制柜，關閉“電源開關”。五、注意事項1、 實驗前確保機器人各連接電纜正確連接；2、 應該在老師的指導下進行實驗；3、 機器人上電后，請千萬注意身體的任何部位不要進入機器人運動可達范圍之內(nèi)；4、機器人運動不正常時，要及時按下控

12、制柜的急停開關。實驗2 機器人機械系統(tǒng)一、實驗目的1、了解機器人機械系統(tǒng)的組成；2、了解機器人機械系統(tǒng)各部分的原理及作用；3、掌握機器人單軸運動的方法；二、實驗設備1、rbt4t/s02s教學機器人一臺；2、rbt4t/s02s教學機器人控制系統(tǒng)軟件一套；3、裝有運動控制卡的計算機一臺。三、實驗原理rbt4t/s02s四自由度教學機器人機械系統(tǒng)主要由以下幾大部分組成：原動部件、傳動部件、執(zhí)行部件?；緳C械結構連接方式為原動部件傳動部件執(zhí)行部件。機器人的傳動簡圖如圖21所示。圖21 機器人傳動簡圖軸傳動鏈主要由伺服電機、同步帶、減速器構成，軸傳動鏈由伺服電機、rv減速器、構成，軸傳動鏈主要由步進

13、電機、同步帶、減速器構成，軸傳動鏈主要由步進電機、同步帶、減速器構成，在機器人末端還有一個氣動的夾持器。本機器人中，原動部件包括步進電機和伺服電機兩大類，關節(jié)、采用交流伺服電機驅動方式；關節(jié)、采用步進電機驅動方式。本機器人中采用了帶傳動、諧波減速傳動、rv減速傳動三種傳動方式。執(zhí)行部件采用了氣動手爪機構，以完成抓取作業(yè)。下面對在rbt4t/s02s四自由度教學機器人中采用的各傳動部件的工作原理及特點作一簡要介紹。1. 同步齒型帶傳動同步齒型帶傳動是通過帶齒與輪齒的嚙合傳遞運動和動力，如圖21所示。與摩擦型帶傳動相比，同步帶傳動兼有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的一些特點。與一般帶傳動相比具有以下特點

14、：1. 傳動比準確，同步帶傳動是嚙合傳動，工作時無滑動；2. 傳動效率高，圖21 帶傳動結構可達98%以上，節(jié)能效果明顯；3. 不需依靠摩擦傳動，預緊張力小，對軸和軸承的作用力小，帶輪直徑小，所占空間小，重量輕，結構緊湊；4. 傳動平穩(wěn)，動態(tài)特性良好，能吸振，噪音?。?. 齒型帶較薄，允許線速度高，可達50m/s；6. 使用廣泛，傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦，速比可達10左右；7. 使用保養(yǎng)方便，不需要潤滑，耐油、耐磨性和抗老化好，還能在高溫、灰塵、水及腐蝕介質(zhì)等惡劣環(huán)境中工作；8. 安裝要求較高，兩帶輪軸心線平行度要高，中心矩要求嚴格；9. 帶和帶輪的制造工藝復雜、成本高。盡管如此，同步帶傳動不失

15、為一種十分經(jīng)濟的傳動裝置，現(xiàn)已廣泛用于要求精密定位的各種機械傳動中。2. 諧波傳動諧波齒輪傳動由三個基本構件組成：諧波發(fā)生器（簡稱波發(fā)生器）是由凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉動，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運動（彈性范圍內(nèi)）。剛輪是剛性的內(nèi)齒輪。柔輪是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。以上三個構件可以任意固定一個，成為減速傳動及增速傳動；或者發(fā)生器、剛輪主動，柔輪從動，成為差動機構（即轉動的代數(shù)合成）。諧波傳動工作過程如下圖22：當波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內(nèi)轉動，使長軸附近柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程中進入（嚙合）或退出（嚙出）剛輪的齒間，

16、在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處于完全的脫開狀態(tài)。 圖22 諧波工作過程波發(fā)生器通常為橢圓形的凸輪，凸輪位于薄壁軸承內(nèi)。薄壁軸承裝在柔輪內(nèi)，此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出；有的逐漸進入剛輪齒間，處在半嚙合狀態(tài)，稱之為嚙入。波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波

17、發(fā)生器的連續(xù)轉動，就使柔輪齒的嚙入嚙合嚙出脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之為錯齒運動，正是這一錯齒運動，使減速器可以將輸入的高速轉動變?yōu)檩敵龅牡退俎D動。對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當波發(fā)生器順時針轉動1/8周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С觯@樣柔輪相對剛輪轉動（角位移）了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉動1/8周時，重復上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距。柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)

18、一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉動，從而實現(xiàn)了減速的目的。波發(fā)生器的連續(xù)轉動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節(jié)圓的任一點，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為：“諧波”。3. 齒輪傳動：齒輪傳動分類：齒輪傳動特點：1) 瞬時傳動比恒定。非圓齒輪傳動的瞬時傳動比又能按需要的變化規(guī)律來設計。2) 傳動比范圍大，可用于減速或增速。3) 速度（指節(jié)圓圓周速度）和傳動功率的范圍大，可用于高速（v40m/s）、中速和低

19、速（v25m/s）的傳動；功率可從小于1w到105kw。4) 傳動效率高，一對高精度的漸開線圓柱齒輪，效率可達99%以上。5) 結構緊湊，適用于近距離傳動。6) 制造成本較高，某些具有特殊齒形或精度很高的齒輪，因需要專用或高精度的機床、刀具和量儀等，故制造工藝復雜，成本高。7) 精度不高的齒輪，傳動時噪聲、振動和沖擊大，污染環(huán)境。8) 無過載保護作用。輪系：用一系列互相嚙合的齒輪將主動軸的運動傳到從動軸，這種多齒輪的傳動裝置稱為輪系。輪系分為兩大類：定軸線輪系（簡稱定軸輪系）在傳動時，輪系中的全部齒輪軸線位置都固定；動軸線輪系（也稱周轉輪系）在傳動時，輪系中有一個或一個以上的齒輪軸線繞位置固定

20、的幾何軸線回轉。其中只有一個自由度的輪系稱為行星輪系，有兩個自由度的輪系稱為差動輪系。行星輪系與定軸輪系相比，具有體積小、重量輕、傳動比范圍大、效率高（需型式選用得當）和工作平穩(wěn)等優(yōu)點，同時差動輪系還可以用于速度的合成與分解或用于變速傳動，所以行星傳動的應用日益廣泛。但缺點是結構較復雜、制造精度要求較高、制造安裝較困難。常用的輪系傳動裝置有：擺線針輪行星傳動和諧波齒輪傳動。擺線針輪行星傳動的特點：1)傳動比范圍大。單級傳動比為6119；兩級傳動比為1217569；三級傳動比可達658503。2)體積小、重量輕。用它代替兩級普通圓柱齒輪減速器，體積可減小1/22/3；重量約減輕1/31/2。3)

21、效率高。一般單級效率為0.90.95。4)運轉平穩(wěn)，噪聲低。5)工作可靠，壽命長。諧波齒輪傳動的特點：1)傳動比大、單級傳動比為70320。2)側隙小。由于其嚙合原理不同于一般齒輪傳動，側隙很小，甚至可以實現(xiàn)無側隙傳動。3)精度高。同時嚙合齒數(shù)達到總齒數(shù)的20%左右，在相180的二個對稱方向上同時嚙合，因此誤差被平均化，從而達到高運動精度。4)零件數(shù)少、安裝方便。僅有三個基本部件，且輸入軸與輸出軸為同軸線，因此結構簡單，安裝方便。5)體積小、重量輕。與一般減速器比較，輸出力矩相同時，通常其體積可減小2/3，重量可減小1/2。6)承載能力大。因同時嚙合齒數(shù)多，柔輪又采用了高疲勞強度的特殊鋼材，從

22、而獲得了高的承載能力。7)效率高。在齒的嚙合部分滑移量極小，摩擦損失少。即使在高速比情況下，還能維持高的效率。8)運轉平穩(wěn)。周向速度低，又實現(xiàn)了力的平衡，故噪聲低、振動小。9)可向密閉空間傳遞運動。利用其柔性的特點，可向密閉空間傳遞運動。這一點是其它任何機械傳動無法實現(xiàn)的。rv減速傳動 圖2-4 rv減速器實物圖rv傳動是在擺線針輪傳動基礎上發(fā)展起來的一種新型傳動，它具有體積小，重量輕，傳動比范圍大，傳動效率高等一系列優(yōu)點，比單純的擺線針輪行星傳動具有更小的體積和更大的過載能力，且輸出軸剛度大，因而在國內(nèi)外受到廣泛重視，在日本機器人的傳動機構中，已在很大程度上逐漸取代單純的擺線針輪行星傳動和諧

23、波傳動。rv傳動原理圖2-5 rv傳動簡圖見圖2-5，它由漸開線圓柱齒輪行星減速機構和擺線針輪行星減速機構二部分組成。漸開線行星齒輪2與曲柄軸3連成一體，作為擺線針輪傳動部分的輸入，如果漸開線中心齒輪1順時針方向旋轉，那么漸開線行星齒輪在公轉的同時還有逆時針方向自轉，并通過曲柄軸帶動擺線輪做偏心運動，此時，擺線輪在其軸線公轉的同時，還將反向自轉，即順時針轉動，同時還通過曲柄軸推動鋼架結構的輸出機構順時針方向轉動。按照封閉差動輪系求解傳動比基本方法，可以計算出rv傳動的傳動比計算公式如下：其中 -漸開線中心輪齒數(shù) -漸開線行星輪齒數(shù) -針輪齒數(shù)， -擺線輪齒數(shù)rv傳動特點rv傳動作為一種新型傳動

24、,從結構上看,其基本特點可概括如下：1） 如果傳動機構置于行星架的支撐主軸承內(nèi)，那么這種傳動的軸向尺寸可大大縮小。2） 采用二級減速機構，處于低速極的擺線針輪行星傳動更加平穩(wěn)，同時，由于轉臂軸承個數(shù)增多且內(nèi)外環(huán)相對轉速下降，其壽命也可大大提高。3） 只要設計合理，就可以獲得很高的運動精度和很小的回差。4） rv傳動的輸出機構是采用兩端支承的盡可能大的鋼性圓盤輸出結構，比一般擺線減速器的輸出架構（懸臂梁結構）具有更大的剛度，且抗沖擊性能也有很大提高。5） 傳動比范圍大，因為即使擺線輪齒數(shù)不變，只改變漸開線齒數(shù)，就可以得到很多的速比。其傳動比為。6） 傳動效率高，其傳動效率為。四、實驗步驟1、介紹

25、機器人機械系統(tǒng)中原動部分、傳動部分以及執(zhí)行部分的位置及在機器人系統(tǒng)中的工作狀況；2、 連好控制柜的電源，開啟計算機后，旋轉控制柜上面的鑰匙，開啟“電源開關”，等待控制柜的報警指示燈變灰后，按下教學機器人控制柜的“啟動開關”按鈕，等待變綠后方可操作；3、 運行rbt-4t/s02s四自由度教學機器人軟件“四自由度串聯(lián)機器人.exe”，進入控制主界面；4、 點擊“啟動”按鈕，伺服電機啟動，制動打開。5、點擊“機器人復位”按鈕，機器人進行回零運動，觀察機器人運動，四個關節(jié)全部運動完成后，機器人處于零點位置；6、點擊“運動測試”按鈕，進入運動測試窗口，如圖24；圖24運動學測試窗口7、選擇關節(jié)，關節(jié)方

26、向選擇正向，運動模式選擇相對位置運動，加減速曲線選擇梯形，啟動速度及運行速度取默認值，運行距離取50度，點擊“啟動”按鈕觀察機器人第關節(jié)運動情況；8、選擇關節(jié)，關節(jié)方向選擇反向，運動模式選擇相對位置運動，加減速曲線選擇s形，啟動速度及運行速度取默認值，運行距離取50度，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人第關節(jié)運動情況；9、選擇關節(jié)，關節(jié)方向選擇正向，運動模式選擇相對位置運動，加減速曲線選擇梯形，啟動速度及運行速度取默認值，運行距離取50度，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人第關節(jié)運動情況；10、選擇關節(jié)，關節(jié)方向選擇反向，運動模式選擇相對位置運動，加減速曲線選擇s形，啟動速度及運行速度取默認值，運行距離取

27、30度，點擊“啟動”按鈕觀察機器人第關節(jié)運動及機械傳動情況；11、選擇關節(jié)，關節(jié)方向選擇正向，運動模式選擇相對位置運動，加減速曲線選擇梯形，啟動速度及運行速度取默認值，運行距離取10度，點擊啟動按鈕觀察機器人第關節(jié)運動情況；12、選擇關節(jié)，關節(jié)方向選擇反向，運動模式選擇相對位置運動，加減速曲線選擇s形，啟動速度及運行速度取默認值，運行距離取30度，點擊“啟動”按鈕觀察機器人第關節(jié)運動情況；13、選擇關節(jié)，關節(jié)方向選擇正向，運動模式選擇相對位置運動，加減速曲線選擇梯形，啟動速度及運行速度取默認值，運行距離取60度，點擊“啟動”按鈕觀察機器人第關節(jié)運動情況；14、選擇關節(jié)，關節(jié)方向選擇反向，運動模

28、式選擇相對位置運動，加減速曲線選擇s形，啟動速度及運行速度取默認值，運行距離取60度，點擊“啟動”按鈕觀察機器人第關節(jié)運動情況；15、點擊“機器人復位”按鈕，使機器人回到零點位置；16、點擊“伺服關閉”按鈕，伺服電機關閉，制動閉合。17、關閉rbt-4t/s02s四自由度教學機器人軟件“四自由度串聯(lián)機器人.exe”；18、按下教學機器人控制柜的“停止開關”按鈕，等待變紅后，打開教學機器人的控制柜，關閉“電源開關”。五、注意事項1、實驗前確保機器人各連接電纜正確連接；2、應該在老師的指導下進行實驗；3、機器人上電后，請千萬注意身體的任何部位不要進入機器人運動可達范圍之內(nèi)；4、機器人運動不正常時，

29、要及時按下控制柜的急停開關。實驗3 機器人控制系統(tǒng)一、實驗目的1、了解機器人控制系統(tǒng)的組成。2、了解機器人控制系統(tǒng)各部分的原理及作用。二、實驗設備1、rbt4t/s02s教學機器人一臺；2、rbt4t/s02s教學機器人控制柜一個；3、裝有運動控制卡的計算機一臺；4、rbt4t/s02s型教學機器人控制系統(tǒng)軟件一套。三、實驗原理rbt4t/s02s型四自由度教學機器人電控系統(tǒng)主要由計算機系統(tǒng)、電機驅動器及電機、傳感器、電源、控制柜、操作電路等幾部分組成。計算機系統(tǒng)內(nèi)安裝有運動控制器等硬件和人機交互、機器人控制等軟件。 運動控制器由高性能專用微處理器、大規(guī)?？删幊唐骷八欧姍C接口器件等組成，用

30、于實現(xiàn)伺服電機的位置、速度、加速度的控制及多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制。其主要功能為：s形、梯形自動加減速速度曲線規(guī)劃；輸出控制脈沖到電機驅動器以使電機運動；具有編碼器位置反饋信號接口，以監(jiān)控電機實際運行狀態(tài)；能利用零位開關、減速開關及編碼器z相信號實現(xiàn)高速高精度原點返回操作；具有伺服驅動器報警信號alm、伺服運動完成信號inp及清伺服驅動器位置誤差信號clr等伺服驅動器專用信號接口。電機驅動器用來把運動控制器提供的低功率的脈沖信號放大為能驅動電機的大功率電信號,以驅動電機帶動負載旋轉。 位置傳感器用來測量電機實際運動位置并反饋給運動控制器，以監(jiān)控電機實際運行狀態(tài)及實現(xiàn)閉環(huán)控制。電源部分用來提供

31、電機供電電源及各驅動器的控制用電源，包括相關保護，濾波器件等。操作電路提供電氣系統(tǒng)所需的電源開、關順序操作及保護、報警、狀態(tài)指示等控制操作。下面對本系統(tǒng)中所使用的步進電機及伺服電機系統(tǒng)作一簡要介紹：1、步進電機控制系統(tǒng)示意圖如圖31所示： 圖31 步進電機控制系統(tǒng)其主要的控制信號有：1)步進脈沖信號cp：這是最重要的一路信號，控制卡發(fā)出此信號用來控制步進電機旋轉，驅動器每接受一個脈沖信號cp，就驅動步進電機旋轉一步距角， cp的頻率和步進電機的轉速成正比，cp的脈沖個數(shù)決定了步進電機旋轉的角度。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號cp就可以達到控制電機位置和速度的目的。2)方向電平信號dir：控制卡發(fā)出

32、此信號用來控制電機的旋轉方向。比如說，此信號為高電平時電機為順時針旋轉，此信號為低電平時電機則為反方向逆時針旋轉。3)使能信號en：此信號在不連接時默認為有效狀態(tài)，這時驅動器正常工作。當此信號回路導通時，驅動器停止工作，此信號為選用信號。2、交流伺服電機控制系統(tǒng)示意圖如圖32：圖32交流伺服電機控制示意圖 其主要控制信號有：1） 脈沖信號puls：此信號由運動控制器發(fā)出，驅動器接受此信號驅動伺服電機旋轉；2） 方向信號sign：用來控制電機旋轉方向，由運動控制器發(fā)出；3） 原點返回信號 org 和減速信號sd：分別由零位開關和減速開關發(fā)出。org信號可單獨用于尋零操作，org信號也可與編碼器z

33、相信號配合得到精度更高的尋零操作，sd信號也可與編碼器z相信號配合得到速度更快的尋零操作；4） 限位信號el：由限位開關發(fā)出。el+引入電機運行正方向的限位信號，el-引入電機運行負方向的限位信號，當與電機運行相同方向的el信號為“on”狀態(tài)時，控制卡立即停止發(fā)出脈沖，電機自動停止運行。這個信號被鎖存，所以即使el又恢復成“off”狀態(tài)，控制卡也不會再發(fā)出脈沖，可由指令發(fā)出相反方向運動的脈沖鏈使電機反向運動解除這一鎖存狀態(tài)；5） 驅動器報警信號alm：由驅動器發(fā)出。當驅動器發(fā)生故障時，報警信號alm為“on”狀態(tài)，控制卡接收到這個信號后立即停止發(fā)出脈沖，電機自動停止運行；6） 位置到達信號in

34、p：由驅動器發(fā)出。當電機按照控制卡發(fā)出的指令脈沖數(shù)到達目標位置時，驅動器發(fā)出的位置到達信號inp為“on”狀態(tài)，控制卡接收到這個信號后可對pc發(fā)出中斷信號；7） 清驅動器誤差寄存器信號clr：由運動控制器發(fā)出。當尋零操作完成時或el信號、alm信號成為“on”狀態(tài)時，控制卡將自動發(fā)出clr信號。clr信號是一個短的脈沖信號（5ms），用于清除驅動器位置回路誤差寄存器中的剩余脈沖，使電機立即停止；8） 伺服on信號：由運動控制器發(fā)出。驅動器接受到此信號后，即處于伺服狀態(tài)。9）編碼器信號：編碼器輸出a、b、c相信號送到驅動器和運動控制器，以監(jiān)控電機實際運行狀態(tài)及實現(xiàn)閉環(huán)控制。四、實驗步驟1、介紹電

35、控系統(tǒng)各組成部分（教師演示） 結合實驗原理，介紹rbt4t/s02s型四自由度教學機器人的電控系統(tǒng)的組成。2、介紹電控柜各組成部分（教師演示）切斷為控制柜供電的ac220v電源，確?？刂乒駜?nèi)無電。打開控制柜柜門。結合接線圖（圖34）及控制內(nèi)各部件位置平面圖（圖35、圖36）講解各部分原理及作用。- 57 -圖34rbt4t/s02s型四自由度教學機器人控制柜電機電控系統(tǒng)接線圖圖35控制柜布置示意圖圖36控制柜安裝板布件圖1） 伺服電機驅動器：本系統(tǒng)采用富士伺服電機驅動器兩個，用來驅動第一關節(jié)和第二關節(jié)伺服電機。2） 步進電機驅動器：白山wm234ma步進電機驅動器兩個，驅動第三和第四關節(jié)步進電

36、機。3） 位置傳感器：本系統(tǒng)中伺服電機系統(tǒng)采用自帶的光電編碼器測量位置，步進電機采用開環(huán)控制，沒有位置傳感器。4） 斷路器：用于保護電源線，當它出現(xiàn)過電流時，切斷電源回路。5） 直流繼電器：用于接通電源。6） 交流接觸器：打開和關閉伺服電源。7） 控制板：用于各部件之間的電路連接、伺服報警用繼電器，電機制動器用繼電器、限位開關連接器等信號處理及轉接電路。8） 開關電源：用來提供步進電機驅動器及控制信號及電機制動器用dc24v電源。9)圓形連接器：用于控制柜和機器人之間電源及控制信號的電纜連接。3、按鈕及指示燈（教師演示）1）接通控制柜外部電源，閉合柜內(nèi)空氣開關，此時各部分電路均處于通電狀態(tài)，伺

37、服驅動器前面板數(shù)碼管點亮，步進驅動器電源指示燈、開關電源指示燈、接線板電源指示燈均應點亮。注意：通電后不得觸及控制柜內(nèi)部分。2）關閉控制柜柜門，柜門上電源指示燈點亮，“停止開關”按鈕指示燈亮。說明此時電控柜處于通電狀態(tài)。3）伺服開啟：按下控制柜上“啟動開關”按鈕，則“啟動開關”指示燈亮，“停止開關”指示燈滅，此開關用來啟動伺服驅動器，按下開關后伺服電機方可運行。機器人正常運行時應按下此開關。3）伺服關閉：按下控制柜上的“停止開關”按鈕，則“停止開關”指示燈變紅，“啟動開關”指示燈滅，此開關用來停止伺服驅動器工作，按下此開關后，伺服電機將不能運行。5）急停開關：當遇到故障等需要緊急停車的情況時，

38、按下此開關，則電機供電電路全部切斷，電機立刻停止，“停止開關”指示燈亮。6）報警指示燈：當機器人系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，指示燈亮。五、注意事項1、實驗前確保機器人各連接電纜正確連接；2、應該在老師的指導下進行實驗；3、機器人上電后，請千萬注意身體的任何部位不要進入機器人運動可達范圍之內(nèi)；4、機器人運動不正常時，要及時按下控制柜的急停開關實驗4 機器人示教編程與再現(xiàn)控制一、實驗目的1、 了解機器人示教與再現(xiàn)的原理；2、掌握rbt系列機器人示教和再現(xiàn)過程的操作方法。二、實驗設備1、rbt4t/s02s教學機器人一臺2、rbt4t/s02s教學機器人控制系統(tǒng)軟件一套3、裝有運動控制卡的計算機一臺4、氣動手爪

39、一套三、實驗原理機器人的示教、再現(xiàn)是示教再現(xiàn)型機器人實現(xiàn)機器人作業(yè)的兩個過程。在示教過程中，操作者通過示教盒或計算機屏幕上的示教界面操作機器人運動，計算機系統(tǒng)內(nèi)安裝的示教軟件將機器人運動軌跡各段的起點和終點、運動類型、運動速度等信息自動地記錄在計算機存儲器中；在再現(xiàn)過程中，重放存儲器中存儲的各段軌跡的運動類型和運動速度，并通過插補算法計算出各段軌跡的起點和終點中間的各個位置點，作為電機伺服系統(tǒng)的指令，從而再現(xiàn)示教過的作業(yè)程序。如需更改作業(yè)程序時，則需重新完成示教和再現(xiàn)的操作。四、實驗步驟1、 連好控制柜的電源，開啟計算機后，旋轉控制柜上面的鑰匙，開啟“電源開關”，等待控制柜的報警指示燈變灰后，

40、按下教學機器人控制柜的“啟動開關”按鈕，等待變綠后方可操作；2、 運行rbt4t/s02s四自由度教學機器人軟件“四自由度串聯(lián)機器人.exe”，進入教學機器人控制軟件主界面，點擊“啟動”按鈕，伺服電機啟動，制動打開。點擊機器人示教按鈕，彈出示教控制操作界面，如圖41。3、 在“示教速度控制”內(nèi)，通過移動指針選擇示教速度(分為低速、中速、高速和超高速四個擋，默認是中速，一般情況下建議選擇中速)；在“示教盒”內(nèi)有每個關節(jié)的正反向運動、手爪張開和關閉的控制按鈕，按下相應的按鈕，機器人的各關節(jié)會按照您的指令運動，抬起相應的按鈕，機器人的關節(jié)會停止運動。4、 在機器人“關節(jié)信息”、“末端點信息”和“機器

41、人狀態(tài)信息”內(nèi)，可以實時顯示機器人的運動狀態(tài)，當每個關節(jié)運動完成一次，必須按下“紀錄”按鈕，否則影響再現(xiàn)精度，在示教點信息列表內(nèi)會記錄并顯示機器人相應關節(jié)運動的信息，繼續(xù)運動其他關節(jié)，直到整個示教程序完成。5、 點擊“保存”按鈕，您剛剛示教完的信息以(*.rbt4)格式保存在示教文件中。6、 點擊“復位”按鈕，機器人回到笛卡爾坐標系的原點位置。圖43 機器人示教對話框7、 點擊“再現(xiàn)”按鈕，機器人按照紀錄的機器人關節(jié)信息再現(xiàn)一遍運動軌跡。8、 點擊“清零”按鈕會把關節(jié)信息、末端點信息和示教信息列表全部清除。10、點擊“復位”按鈕，機器人會做回零運動。11、如果想再現(xiàn)第二次，只需點擊“打開”按鈕

42、，找到相應示教文件，然后點擊“識別示教點”，重復7、8、9、10步驟即可。12、點擊“伺服關閉”按鈕，伺服電機關閉，制動閉合。13、關閉rbt-4t/s02s四自由度教學機器人軟件“四自由度串聯(lián)機器人.exe”；14、按下教學機器人控制柜的“停止開關”按鈕，等待變紅后，打開教學機器人的控制柜，關閉“電源開關”。五、思考題1、 通過實驗總結機器人示教再現(xiàn)的概念。2、試分析rbt系列機器人的示教屬于ptp(點到點)控制還是輸入cp(連續(xù)軌跡)控制。六、思考題參考答案1、示教，就是人把規(guī)定的動作(包括每個運動部件，每個運動軸的動作)教給機器人，然后將示教的各種信息存儲起來；再現(xiàn)，便是將上述示教信息再

43、現(xiàn)，即根據(jù)需要，將存儲的信息讀出，向執(zhí)行機構發(fā)出具體指令。2、rbt系列機器人的示教屬于ptp(點到點)控制。七、注意事項1、實驗前確保機器人各連接電纜正確連接；2、應該在老師的指導下進行實驗；3、機器人上電后，請千萬注意身體的任何部位不要進入機器人運動可達范圍之內(nèi)；4、機器人運動不正常時，要及時按下控制柜的急停開關。實驗5 機器人坐標系的建立一、實驗目的1、 了解機器人建立坐標系的意義；2、 了解機器人坐標系的類型；3、 掌握用d-h方法建立機器人坐標系的步驟。二、實驗設備1、rbt4t/s02s教學機器人一臺三、實驗原理機器人通常是由一系列連桿和相應的運動副組合而成的空間開式鏈，實現(xiàn)復雜的

44、運動，完成規(guī)定的操作。因此，機器人運動學描述的第一步，自然是描述這些連桿之間以及它們和操作對象(工件或工具)之間的相對運動關系。假定這些連桿和運動副都是剛性的，描述剛體的位置和姿態(tài)(簡稱位姿)的方法是這樣的：首先規(guī)定一個直角坐標系，相對于該坐標系，點的位置可以用3維列向量表示；剛體的方位可用3 x 3的旋轉矩陣來表示，而4x4的齊次變換矩陣則可將剛體位置和姿態(tài)(位姿)的描述統(tǒng)一起來。機器人的每個關節(jié)坐標系的建立可參照以下的三原則：1）軸沿著第個關節(jié)的運動軸；2）軸垂直于軸并指向離開軸的方向；3）軸的方向按右手定則確定。機器人坐標系建立的方法常用的是d-h方法，這種方法嚴格定義了每個關節(jié)的坐標系

45、，并對連桿和關節(jié)定義了4個參數(shù)。機器人機械手是由一系列連接在一起的連桿（桿件）構成的。需要用兩個參數(shù)來描述一個連桿，即公共法線距離和垂直于所在平面內(nèi)兩軸的夾角；需要另外兩個參數(shù)來表示相鄰兩桿的關系，即兩連桿的相對位置和兩連桿法線的夾角，如圖5-1所示。除第一個和最后一個連桿外，每個連桿兩端的軸線各有一條法線，分別為前、后相鄰連桿的公共法線。這兩法線間的距離即為。我們稱為連桿長度，為連桿扭角，為兩連桿距離，為兩連桿夾角。圖5-1 轉動關節(jié)連桿四參數(shù)示意圖機器人機械手上坐標系的配置取決于機械手連桿連接的類型。有兩種連接轉動關節(jié)和棱柱聯(lián)軸節(jié)。對于轉動關節(jié)，為關節(jié)變量。連桿i的坐標系原點位于關節(jié)i和i

46、+1的公共法線與關節(jié)i+1軸線的交點上。如果兩相鄰連桿的軸線相交于一點，那么原點就在這一交點上。如果兩軸線互相平行，那么就選擇原點使對下一連桿（其坐標原點已確定）的距離為零。連桿i的z軸與關節(jié)i+1的軸線在一直線上，而x軸則在關節(jié)i和i+1的公共法線上其方向從i指向i+1，見（圖5-1）。當兩關節(jié)軸線相交時，x軸的方向與兩矢量的交積平行或反向平行，x軸的方向總是沿著公共法線從轉軸n指向i+1。當兩軸和平行且同向時，第i個轉動關節(jié)的為零。一旦對全部連桿規(guī)定坐標系之后，我們就能夠按照下列順序由兩個旋轉和兩個平移來建立相鄰兩連桿i-1與i之間的相對關系，見（圖5-1）。1）繞軸旋轉角，使軸轉到與同一

47、平面內(nèi)。2）沿軸平移一距離，把移到與同一直線上，3）沿i軸平移一距離、把連桿i-l的坐標系移到使其原點與連桿n的坐標系原點重合的地方。4）繞軸旋轉角，使轉到與同一直線上。這種關系可由表示連桿i對連桿i-1相對位置的四個齊次變換來描述，并叫做矩陣。此關系式為 （5-1）展開上式可得 (5-2)當機械手各連桿的坐標系被規(guī)定之后，就能夠列出各連桿的常量參數(shù)。對于跟在旋轉關節(jié)i后的連桿，這些參數(shù)為，和。對于跟在棱柱聯(lián)軸節(jié)i后的連桿來說，這些參數(shù)為和。然后，角的正弦值和余弦值也可計算出來。這樣，a矩陣就成為關節(jié)變量的函數(shù)（對于旋轉關節(jié)）或變量d的函數(shù)（對于棱柱聯(lián)軸節(jié)）。一旦求得這些數(shù)據(jù)之后，就能夠確定六

48、個變換矩陣的值。注：其中符號意義如下：c=cos s=sin 四、實驗步驟1、 參照rbt系列機器人的運動機構簡圖(圖5-2所示)，根據(jù)d-h方法建立機器人的笛卡爾坐標系，并且標出每個關節(jié)坐標系的原點；362220200138.5圖5-2 rbt系列機器人的運動機構簡圖2、 建好坐標系后填寫下表的各個變量的值； 表5-1 rbt系列機器人的參數(shù)桿件變量為轉角n偏距dn(mm)扭角n桿長an(mm)12343、根據(jù)表3-1的各個變量的值以及各桿件之間的關系，寫出相應的矩陣；4、根據(jù)a矩陣和t矩陣之間的關系，寫出矩陣實驗步驟參考答案：z0x0x1z1x2z2x3z3x4z4362220200138

49、.5桿件變量為轉角n偏距dn(mm)扭角n桿長an(mm)11(0)362-90022(-90)0022033(90)0020044(0)00138.5=五、思考題1、 試著用d-h坐標法建立如下圖機器人的運動學模型，并畫出坐標系l1l2l3l4l0y4 z0y01z1y1x1l1l2l3x3 24z3 y3 z4 x4 l4d3 z2y2x2答案：實驗6 機器人正運動學分析一、實驗目的1、 了解齊次變換矩陣的概念；2、 掌握機器人笛卡爾坐標系建立的過程；3、 掌握運用齊次變換矩陣求解機器人正運動學的方法。二、實驗設備1、rbt4t/s02s教學機器人一臺2、rbt4t/s02s教學機器人控制

50、系統(tǒng)軟件一套3、裝有運動控制卡的計算機一臺三、實驗原理機器人運動學只涉及到物體的運動規(guī)律，不考慮產(chǎn)生運動的力和力矩。機器人正運動學所研究的內(nèi)容是：給定機器人各關節(jié)的角度或位移，求解計算機器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標系的位置和姿態(tài)問題。各連桿變換矩陣相乘，可得到機器人末端執(zhí)行器的位姿方程（正運動學方程）為 ：= (4-1)其中：向矢量處于手爪入物體的方向上，稱之為接近矢量，y向矢量的方向從一個指尖指向另一個指尖，處于規(guī)定手爪方向上，稱為方向矢量；最后一個矢量叫法線矢量，它與矢量和矢量一起構成一個右手矢量集合，并由矢量的叉乘所規(guī)定：。式4-1表示了rbt系列教學機器人變換矩陣，它描述了末端連桿坐標

51、系4相對基坐標系0的位姿，是機械手運動分析和綜合的基礎。四、實驗步驟1、根據(jù)機器人坐標系的建立中得出的a矩陣，相乘后得到t矩陣，根據(jù)一一對應的關系，寫出機器人正解的運算公式，并填入下表中； 表6-1 rbt系列機器人的正運動學的參數(shù)參數(shù)計算公式nxnynzoxoyozaxayazpxpypz3、 將變量這組數(shù)據(jù)帶入表4-1中，求出各個分量的值，填入表4-2中； 表6-2 rbt系列機器人的正運動學的輸入和輸出參數(shù)輸入值67-1008078輸出值nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz4、 運行rbt系列教學機器人控制系統(tǒng)軟件，點擊“正運動學分析”按鈕，如圖6-1所示，在相應的位置輸入各

52、個關節(jié)的變量值，點擊“計算”按鈕，各個參數(shù)的值顯示在相應的框內(nèi)；5、 將計算的值和控制系統(tǒng)軟件計算出的值相比較，比較結果是否一致，如果不一致請您分析原因。圖6-1 機器人正運動學分析實驗步驟參考答案：參數(shù)計算公式nxnynzoxoyozaxayazpxpypz輸入值67-1008078輸出值nx0.207056ox-0.331359ax-0.920505px87.183736ny0.487793oy-0.780632ay0.390731py205.392012nz-0.848048oz-0.529919az0.000000pz529.607073五、思考題1、對于rbt教學機器人來說，笛卡爾的坐標原點選擇的不同，會對正運動學運算產(chǎn)生什么樣的影響？思考題參考答案對于rbt教學機器人來說，笛卡爾的坐標原點選擇的不同，正運動學運算的位置點的z坐標值會有不同。實驗7 機器人逆運動學分析一、實驗目的1