1、RBT-6T/S01S 桌面型串聯關節式機器人實驗指導書哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司- I -目 錄實驗 1機器人的認識.11.1實驗目的.11.2實驗設備.11.3實驗原理.11.4實驗步驟.51.5考前須知.6實驗 2機器人的機械系統.72.1實驗目的.72.2實驗設備.72.3實驗原理.72.4實驗步驟.122.5考前須知.14實驗 3機器人的控制系統.153.1實驗目的.153.2實驗設備.153.3實驗原理.153.4實驗步驟.193.5考前須知.21實驗 4機器人示教編程與再現控制.224.1實驗目的.224.2實驗設備.224.3實

2、驗原理.224.4實驗步驟.234.5思考題.244.6考前須知.24實驗 5機器人坐標系的建立.255.1實驗目的.255.2實驗設備.255.3實驗原理.255.4實驗步驟.275.5思考題.31實驗 6機器人正運動學分析.336.1實驗目的.336.2實驗設備.336.3實驗原理.336.4實驗步驟.336.5思考題.36哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司- II -實驗 7機器人逆運動學分析.377.1實驗目的.377.2實驗設備.377.3實驗原理.377.4實驗步驟.387.5思考題.41實驗 8機器人的搬運裝配實驗.428.1實驗目的.428.2實驗設備.428.3實驗原理.

3、428.4實驗步驟.428.5考前須知.44哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 1 頁 共 52 頁實驗 1 機器人的認識1.1實驗目的1、 了解機器人的機構組成；2、 掌握機器人的工作原理；3、 熟悉機器人的性能指標；4、 掌握機器人的根本功能及示教運動過程。1.2實驗設備1、 RBT-6T/S01S 機器人一臺；2、 RBT-6T/S01S 機器人控制柜一臺；3、 裝有運動控制卡和控制軟件的計算機一臺；4、 軸和軸套各一個。1.3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。機器人按技術層次分為：固定程序控制機器人、示教再現機器人和智能機器人等。本課程所

4、使用的機器人為 6 自由度串聯機器人，其軸線相互平行或垂直，能夠在空間內進行定位，采用伺服電機和步進電機混合驅動，主要傳動部件采用可視化設計，控制簡單，編程方便，是專為滿足高等院校機電一體化、自動控制等專業進行機電及控制課程串聯關節式實驗需要和相關工業機器人應用培訓需要而最新開發的機器人，它是一個多輸入多輸出的動力學復雜系統，是進行控制系統設計的理想平臺。它具有高度的能動性和靈活性，具有廣闊的開闊空間，是進行運動規劃和編程系統設計的理想對象。整個系統包括機器人 1 臺、電控柜 1 臺、控制卡 2 塊、實驗附件 1 套包括軸、套和機器人控制軟件 1 套實驗設備用戶可選 。機器人采用串聯式開鏈結構

5、，即機器人各連桿由旋轉關節或移動關節串聯連接，如圖 1-1 所示。各關節軸線相互平行或垂直。連桿的一端裝在固定的支座上底座 ，另一端處于自由狀態，可安裝各種工具以實現機器人作業。關節的作用是使相互聯接的兩個連桿產生相對運動。關節的傳動采用模塊化結構，由錐齒輪、同步齒型帶和諧波減速器等多種傳動結構配合實現。機器人各關節采用伺服電機和步進電機混合驅動，并通過 Windows 環境下的軟件編程和運動控制卡實現對機器人的控制，使機器人能夠在工作空間內任意位置精確定位。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 2 頁 共 52 頁圖 1-1 機器人結構機器人技術參數如表 1-1 所示。標 1-1 機器人

6、技術參數結構形式串聯關節式驅動方式步進伺服混合驅動負載能力3Kg重復定位精度0.08mm關節-150 150關節-135 -45關節-70 50關節-90 90關節-90 90動作范圍關節-180 180關節60o / S關節60o / S關節60o / S關節60o / S關節60o / S最大速度關節120o / S哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 3 頁 共 52 頁最大展開半徑610 mm高度850 mm本體重 量40Kg操作方式示教再現/編程電源容量單相 220V 50Hz 4A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R

7、OBOT 。 “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?的夢想劇，羅伯特是該劇主人公的名字，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，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、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。3、 機器人的三原那么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、 機器人開展史1、 古代機器人：（1） 中國機關人世界最早的機器人?列子、湯問篇?

8、中記載西周穆王時，有位名叫偃師的能工巧匠就制造了一個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，大科學家張衡創造的計里鼓車。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，諸葛亮成功地創造出了“木牛流馬，并用其運送軍糧，支援前方戰爭。最早的軍事機器人（2） 西方最早的機器人，是公元前 2 世紀古希臘人創造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創造了一只機器鴨。2、 現代機器人：1954 年美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念，并申請了專利。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 4 頁 共 52

9、 頁1959 年第一臺工業機器人可編程、圓坐標在美國誕生，開創了機器人開展的新紀元。1967 年日本成立了人工手研究會現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機器人學術會議。1980 年被稱為“機器人元年。5、 機器人的組成局部機器人的手操作系統，作用是抓住一個工作對象使其按工作或作戰要求動作。機器人的眼感測系統，作用是觀測工作對象及其周圍環境的信息，通過收集信息將其反應給控制中心，作為對機器人行為控制和協調的依據。機器人神經系統信息傳輸系統，作用是將傳感器和觀測器獲得的各種信息下傳上達，交給各執行及其附屬設備。機器人的心臟動力系統，作用

10、是負責向機器人提供動力，主要設備有各種發動機，發電機及其附屬設備。機器人的大腦指揮控制系統。作用是加工處理各種信息，指揮、控制機器人的各種行動。 圖 1-2 6、 機器人的種類按技術層次分為固定程序控制機器人、示教再現機器人、數控機器人、遙控機器人和智能機器人。按工作自由度分為自主機器人、半自主機器人和搖控機器人。7、 機器人的用途1） 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。8、 機器人的未來開展人性化、智能化、普及化。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 5 頁 共 52 頁1.4實驗步

11、驟1、 連接好氣路，啟動氣泵到預定壓力；2、 啟動計算機，運行機器人軟件，出現如圖 1-3 所示主界面；3、 接通控制柜電源，按下“啟動按鈕；圖 1-3 主界面4、 點擊主界面“機器人復位按鈕，機器人進行回零運動。觀察機器人的運動，六個關節全部運動完成后，機器人處于零點位置；5、 點擊“關節示教按鈕，出現如圖 1-4 所示界面，按下“翻開按鈕，在機器人軟件目錄下選擇示教文件 1.RBT，示教數據會在示教列表中顯示；6、 裝配操作演示，在 2 個支架的相應位置上分別放置軸和軸套，然后按下“再現按鈕，機器人實現裝配動作；7、 運動完畢后，按下“復位按鈕，機器人回到零點位置，關閉對話框；8、 如果想

12、再做一次裝配動作，把軸放回相應位置，按下“再現按鈕即可；9、 點擊“機器人復位按鈕，使機器人回到零點位置；10、 按下控制柜上的“停止按鈕，斷開控制柜電源；11、 退出機器人軟件，關閉計算機。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 6 頁 共 52 頁圖 1-4 關節示教界面1.5考前須知1、 在老師的指導下進行實驗；2、 機器人通電后，身體的任何部位不要進入機器人運動可達范圍之內；3、 機器人運動不正常時，及時按下控制柜的急停開關。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 7 頁 共 44 頁實驗 2 機器人的機械系統2.1實驗目的1、 了解機器人機械系統的組成；2、 了解機器人機械系統各

13、局部的原理及作用；3、 掌握機器人單軸運動的方法。2.2實驗設備1、 RBT-6T/S01S 機器人一臺；2、 RBT-6T/S01S 機器人控制柜一臺；3、 裝有運動控制卡和控制軟件的計算機一臺。2.3實驗原理機器人機械系統主要由以下幾大局部組成：原動部件、傳動部件、執行部件。根本機械結構連接方式為原動部件傳動部件執行部件。機器人的傳動簡圖如圖 2-1 所示。關節傳動鏈主要由伺服或步進電機、減速器構成。關節傳動鏈主要由伺服電機、減速器構成。關節傳動鏈主要由步進電機、同步帶、減速器構成。關節傳動鏈主要由步進電機、減速器構成。關節傳動鏈主要由步進電機、同步帶、減速器構成。關節傳動鏈主要由步進電機

14、、減速器構成。在機器人末端還有一個氣動夾持器。原動部件包括步進電機和伺服電機兩大類，關節采用伺服或步進電機驅動方式、關節采用伺服電機驅動方式；關節、采用步進電機驅動方式。本機器人中采用了同步齒型帶傳動、諧波減速傳動等傳動方式。執行部件采用了氣動手爪機構，以完成抓取作業。下面對機器人中采用的各傳動部件的工作原理及特點作以簡要介紹。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 8 頁 共 44 頁圖 2-1 機器人傳動簡圖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 2-2 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

15、以下特點：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，可達 98%以上，節能效果明顯；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，動態特性良好，能吸振，噪音小；5） 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千瓦，速比可達 10 左右；7） 使用保養方便，不需要潤滑，耐油、耐磨性和抗老化好，還能在高溫、灰塵、水及腐蝕介質等惡劣環境中工作；8） 安裝要求較高，兩帶輪軸心線平行度要高，中心距要求嚴格；9） 帶和帶輪的制造工藝復雜、本錢高。盡管如此，同步帶傳動不失為

16、一種十分經濟的傳動裝置，現已廣泛用于要求精密定位的各種機械傳動中。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 9 頁 共 44 頁圖 2-2 同步齒型帶傳動結構2、 諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動由三個根本構件組成：1） 諧波發生器簡稱波發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，薄壁軸承的外環作橢圓形變形運動彈性范圍內 ；2） 剛輪是剛性的內齒輪；3） 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；或者發生器、剛輪主動，柔輪從動，成為差動機構即轉動的代數合成 。諧波傳開工作過程如以下圖 2-3 所示，當波發生器為主動時，凸輪在柔輪內轉動，使長軸

17、附近柔輪及薄壁軸承發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，在波發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。圖 2-3 諧波齒輪傳開工作過程波發生器通常為橢圓形的凸輪，凸輪位于薄壁軸承內。薄壁軸承裝在柔輪內，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那么處于完全嚙合狀態，即柔輪的外齒與剛輪的內齒沿齒高嚙合。這是嚙合區，一般有 30%左右的齒處在嚙合狀態；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態，簡稱脫開；在波發生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區段內，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態，稱之

18、為嚙出；有的逐漸進入剛輪齒間，處在半嚙合狀態，稱之為嚙入。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 10 頁 共 44 頁波發生器在柔輪內轉動時，迫使柔輪產生連續的彈性變形，此時波發生器的連續轉動，就使柔輪齒的嚙入嚙合嚙出脫開這四種狀態循環往復不斷地改變各自原來的嚙合狀態。這種現象稱之為錯齒運動，正是這一錯齒運動，使減速器可以將輸入的高速轉動變為輸出的低速轉動。對于雙波發生器的諧波齒輪傳動，當波發生器順時針轉動 1/8 周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態而成嚙合狀態，而原來脫開狀態就成為嚙入狀態。同樣道理，嚙出變為脫開，嚙合變為嚙出，這樣柔輪相對剛輪轉動角位移了 1/4 齒；同理，波發生器

19、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圓處嚙合過程就如同兩個純滾動無滑動的圓環一樣，兩者在任何瞬間，在節圓上轉過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節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，從而實現了減速的目的。波發生器的連續轉動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節圓的任一點，隨著波發生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為：“諧波。諧波齒輪傳動的特點：1） 傳動比大、單級傳動比為 7032

20、0；2） 側隙小。由于其嚙合原理不同于一般齒輪傳動，側隙很小，甚至可以實現無側隙傳動；3） 精度高。同時嚙合齒數到達總齒數的 20%左右，在相 180的兩個對稱方向上同時嚙合，因此誤差被平均化，從而到達高運動精度；4） 零件數少、安裝方便。僅有三個根本部件，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。與一般減速器比擬，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。因同時嚙合齒數多，柔輪又采用了高疲勞強度的特殊鋼材，從而獲得了高的承載能力；7） 效率高。在齒的嚙合局部滑移量極小，摩擦損失少。即使在高速比情況下，還能維持高的效率；8） 運

21、轉平穩。周向速度低，又實現了力的平衡，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的。3、 齒輪傳動齒輪傳動的分類：哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 11 頁 共 44 頁齒輪傳動的特點：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律設計；2） 傳動比范圍大，可用于減速或增速；3） 速度指節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，

22、適用于近距離傳動；6） 制造本錢較高，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，本錢高；7） 精度不高的齒輪，傳動時噪聲、振動和沖擊大，污染環境；8） 無過載保護作用。4、 RV 傳動 圖 2-4 RV 減速器實物圖RV 傳動是在擺線針輪傳動根底上開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波傳動。RV 傳動原理如圖 2-5 所示，它由漸

23、開線圓柱齒輪行星減速機構和擺線針輪行星減速機構二局部組成漸開線行星齒輪 2 與曲柄軸 3 連成一體, 作為擺線針輪傳動局部的輸入,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,哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 12 頁 共 44 頁還將反向自轉, 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根本方法，可以計算出 RV 傳動的傳動比計算公式如下：i16=1+Z2*Z5/Z1 其中 Z1-漸開線中心輪齒數 Z2-漸開線行星輪齒

24、數 Z5-針輪齒數，Z5Z4+1 Z4 -擺線輪齒數圖 2-5 RV 傳動簡圖RV 傳動作為一種新型傳動，從結構上看，其根本特點可概括如下：1） 如果傳動機構置于行星架的支撐主軸承內，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，同時，由于轉臂軸承個數增多且內外環相對轉速下降，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不變，只

25、改變漸開線齒數，就可以得到很多的速比。其傳動比為 i=31171；6） 傳動效率高，其傳動效率為 =0.850.92。2.4實驗步驟1、 教師介紹機器人機械系統中原動局部、傳動局部以及執行局部的位置及在機器人系統中的工作狀況；哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 13 頁 共 44 頁2、 啟動計算機，運行機器人軟件；3、 接通控制柜電源，按下“啟動按鈕；圖 2-6 關節運動界面4、 點擊主界面“機器人復位按鈕，機器人進行回零運動。觀察機器人的運動，六個關節全部運動完成后，機器人處于零點位置；5、 點擊主界面“關節運動按鈕, 出現如圖 2-6 所示界面；6、 選擇“關節，關節方向選擇“正向

26、，啟動方式選擇“加速，運動方式選擇“位置模式，運行速度取默認值，目標位置取-120 度，點擊“啟動按鈕，觀察機器人第關節運動情況；7、 選擇“關節，關節方向選擇“反向，啟動方式選擇“加速，運動方式選擇“速度模式，運行速度取默認值，點擊“啟動按鈕，觀察機器人第關節運動情況，然后點擊“立即停止按鈕；8、 選擇“關節，關節方向選擇“正向，啟動方式選擇“勻速，運動方式選擇“位置模式，運行速度取默認值，目標位置取-120 度，點擊“啟動按鈕，觀察機器人第關節運動情況；9、 選擇“關節，關節方向選擇“反向，啟動方式選擇“勻速，運動方式選擇“速度模式，運行速度取默認值，點擊“啟動按鈕,觀察機器人第關節運動情

27、況，然后點擊“立即停止按鈕；10、 選擇“關節，關節方向選擇“正向，啟動方式選擇“加速,運動方式選擇“位置模式，運行速度取默認值，目標位置取 30 度，點擊“啟動按鈕,觀察機器人第關節運動情況；11、 選擇“關節，關節方向選擇“反向，啟動方式選擇“加速,運動方式選擇“速度模式，運行速度取默認值，點擊“啟動按鈕觀察機器人第關節運動情況，然后點擊“立即停止按鈕；12、 選擇“關節，關節方向選擇“正向，啟動方式選擇“勻速,運動方式選擇“位置模式，運行速度取默認值，目標位置取 60 度，點擊“啟動按鈕,觀察機器人第關節運動情況；哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 14 頁 共 44 頁13、 選

28、擇“關節，關節方向選擇“反向，啟動方式選擇“勻速，運動方式選擇“速度模式，運行速度取默認值，點擊“啟動按鈕觀察機器人第關節運動情況，然后點擊“立即停止按鈕；14、 選擇“關節，關節方向選擇“正向， 啟動方式選擇“加速， 運動方式選擇“位置模式，運行速度取默認值，目標位置取 60 度，點擊“啟動按鈕,觀察機器人第關節運動情況；15、 選擇“關節，關節方向選擇“反向 ， 啟動方式選擇“加速， 運動方式選擇“速度模式，運行速度取默認值，點擊“啟動按鈕觀察機器人第關節運動情況，然后點擊“減速停止按鈕；16、 選擇“關節，關節方向選擇“正向，啟動方式選擇“加速，運動方式選擇“位置模式，運行速度取默認值，

29、目標位置取 60 度，點擊“啟動按鈕,觀察機器人第關節運動情況；17、 選擇“關節，關節方向選擇“反向，啟動方式選擇“加速，運動方式選擇“速度模式，運行速度取默認值，點擊“啟動按鈕觀察機器人第關節運動情況，然后點擊“減速停止按鈕；18、 點擊“退出按鈕，退出關節運動界面；19、 點擊“機器人復位按鈕，使機器人回到零點位置；20、 按下控制柜上的“停止按鈕，斷開控制柜電源；21、 退出機器人軟件，關閉計算機。2.5考前須知1、 在老師的指導下進行實驗；2、 機器人通電后，身體的任何部位不要進入機器人運動可達范圍之內；3、 機器人運動不正常時，及時按下控制柜的急停開關。哈爾濱工業大學博實精密測控有

30、限責任公司第 15 頁 共 44 頁實驗 3 機器人的控制系統3.1實驗目的1、 了解機器人控制系統的組成；2、 熟悉機器人控制系統各局部的原理及作用。3.2實驗設備1、 RBT-6T/S01S 機器人一臺；2、 RBT-6T/S01S 機器人控制柜一臺；3、 裝有運動控制卡和控制軟件的計算機一臺。3.3實驗原理RBT-6T/S01S 機器人控制系統主要由計算機、伺服步進電機驅動器及伺服步進電機、電源、控制柜、操作電路等幾局部組成。計算機內安裝有運動控制卡和機器人控制軟件。 運動控制卡由高性能 DSP 處理器、CPLD 可編程器件及伺服電機接口器件等組成，用于實現伺服電機的位置、速度、加速度的

31、控制及多個伺服電機的多軸協調控制。其主要功能為：S 形、梯形自動加減速曲線規劃；輸出控制脈沖到電機驅動器使電機運動；具有編碼器位置反應信號接口，監控電機實際運行狀態；能利用零位開關、減速開關及編碼器 Z 相信號實現高速高精度原點返回操作；具有伺服驅動器報警信號 ALM 等伺服驅動器專用信號接口。伺服步進電機驅動器用來把運動控制卡提供的低功率的脈沖信號轉換為能驅動電機的大功率電信號,以驅動電機帶動負載旋轉。電源局部用來給控制柜提供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所需的電源開、關順序操作及保護、報警、狀態指示等控制操作。下面對本系統中所使用的步進電機及伺服電機系

32、統作以簡要介紹。1、 步進電機控制系統示意圖如圖 3-1 所示。 圖 3-1 步進電機控制系統哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 16 頁 共 44 頁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個步距角，CP 的頻率和步進電機的轉速成正比，CP 的脈沖個數決定了步進電機旋轉的角度。這樣，控制系統通過脈沖信號 CP 就可以到達控制電機位置和速度的目的。2） 方向電平信號 DIR ：控制卡發出此信號用來控制電機的旋轉方向。比方說，此信號為高電平時電機為順時針旋轉，此信號為低電

33、平時電機那么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，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、 本書提供兩種伺服控制系統示意圖，如圖 3-2、圖 3-3 所示。用戶可根據需要自行選擇閱讀。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 17 頁 共 44 頁圖 3-2 安川 YSKAWA -系列 SGDM 型伺服控制系統示意圖哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 18 頁 共 44 頁 圖 3-3 富士 FUJI FALDIC-W 系列伺服控制系統示意圖其主要控制信號有：1） 脈沖信號 PULS ：此信號由運動控制卡發出，驅

34、動器接收此信號驅動伺服電機旋轉；2） 方向信號 SIGN ：此信號由運動控制卡發出，用來控制電機旋轉方向；3） 原點信號 ORG ：由零位開關發出。ORG 信號可單獨用于尋零操作，ORG 信號也可與編碼器 Z 相信號配合得到精度更高的尋零操作；4） 限位信號 EL ：由限位開關發出。+EL 為電機運行正方向的限位信號，-EL 為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狀態時，控制卡立即停止發出脈沖，電機自動停止運行。這個信號被鎖存，即使 EL 又恢復成哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 19 頁 共 44 頁“OFF狀態，控制卡也不會再發出脈沖，可由指令發出相

35、反方向運動的脈沖鏈使電機反向運動，解除這一鎖存狀態；5） 驅動器報警信號 ALM：由驅動器發出。當驅動器發生故障時，報警信號 ALM為“ON狀態，控制卡接收到這個信號后立即停止發出脈沖，電機自動停止運行；6） 伺服 ON 信號：由運動控制卡發出，伺服驅動器接收到此信號后，即處于伺服狀態；7） 編碼器信號：編碼器輸出 A、B、Z 相信號送到伺服驅動器，經伺服驅動器分頻后發送到運動控制卡，用來反應伺服電機實際運行位置及實現閉環控制。3.4實驗步驟1、介紹控制柜各組成局部教師講解結合實驗原理，介紹 RBT-6T/S01S 機器人的控制系統的組成，電控系統主要由電機及驅動器、斷路器、開關電源、按鈕指示

36、燈等其他附件組成。控制柜前視圖如圖 3-4所示，電氣安裝板布局圖如圖 3-5 所示，控制柜側視圖如圖 3-6 所示。電氣元件具體說明如下：SA1：電源開關，用于接通和斷開控制柜電源；HL1：電源指示燈；HL2：報警指示燈；SB1：啟動按鈕，接通電機驅動器主回路電源；SB2：停止按鈕，切斷電機驅動器主回路電源；SB3：急停按鈕； 圖 3-4 控制柜前視圖哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 20 頁 共 44 頁 圖 3-5 電氣安裝板布局圖DRV1DRV6: 驅動器；P1：開關電源，為電機驅動器提供 DC24V 電源；AP1：接口板，用于機器人各軸命令脈沖和限位開關等信號的轉接；XT1：接

37、線端子排；QF1：斷路器，控制系統出現過電流時，自動切斷電源回路，保護設備及人員平安；KM1：交流接觸器，切斷和接通電源主回路；NF1：濾波器，濾除交流電源產生的噪聲； 圖 3-5 控制柜側視圖CN1CN4：圓形連接器，位于控制柜后部，用來連接控制柜和機器人之間的電纜；XS1：電源插座；2、 控制柜的使用1） 接通控制柜電源；哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 21 頁 共 44 頁2） 按下“啟動按鈕；3） 使用結束后，按下“停止按鈕；4） 斷開控制柜電源。3.5考前須知1、 在老師的指導下進行實驗；2、 機器人通電后，身體的任何部位不要進入機器人運動可達范圍之內；3、 機器人運動不正

38、常時，及時按下控制柜的急停開關。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 22 頁 共 44 頁實驗 4 機器人示教編程與再現控制 4.1實驗目的1、 了解機器人示教與再現的原理；2、 掌握機器人示教和再現過程的操作方法。4.2實驗設備1、 RBT-6T/S01S 機器人一臺；2、 RBT-6T/S01S 機器人控制柜一臺；3、 裝有運動控制卡和控制軟件的計算機一臺。4.3實驗原理機器人的示教-再現過程是分為四個步驟進行的，它包括：機器人示教(teach programming)，就是操作者把規定的目標動作(包括每個運動部件，每個運動軸的動作)一步一步的教給機器人。示教的簡繁，標志著機器人自動

39、化水平的上下。記憶，即是機器人將操作者所示教的各個點的動作順序信息、動作速度信息、位姿信息等記錄在存儲器中。存儲信息的形式、存儲存量的大小決定機器人能夠進行的操作的復雜程度。再現，便是將示教信息再次浮現，即根據需要，將存儲器所存儲的信息讀出，向執行機構發出具體的指令。至于是根據給定順序再現，還是根據工作情況，由機器人自動選擇相應的程序再現這一功能的不同，標志著機器人對工作環境的適應性。操作，指機器人以再現信號作為輸入指令，使執行機構重復示教過程規定的各種動作。在示教-再現這一動作循環中，示教和記憶是同時進行的；再現和操作也是同時進行的。這種方式是的機器人控制中比擬方便和常用的方法之一。示教的方

40、法有很多種，有主從式，編程式，示教盒式等多種。主從式既是由結構相同的大、小兩個機器人組成，當操作者對主動小機器人手把手進行操作控制的時候，由于兩機器人所對應關節之間裝有傳感器，所以從動大機器人可以以相同的運動姿態完成所示教操作。編程式既是運用上位機進行控制，將示教點以程序的格式輸入到計算機中，當再現時，按照程序語句一條一條的執行。這種方法除了計算機外，不需要任何其他設備，簡單可靠，適用小批量、單件機器人的控制。示教盒和上位機控制的方法大體一致，只是由示教盒中的單片機代替了電腦，從而使示教過程簡單化。這種方法由于本錢較高，所以適用在較大批量的成型的產品中。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第

41、 23 頁 共 44 頁4.4實驗步驟1、 啟動計算機，運行機器人軟件；2、 接通控制柜電源，按下“啟動按鈕；3、 點擊主界面“機器人復位按鈕，機器人進行回零運動。觀察機器人的運動，六個關節全部運動完成后，機器人處于零點位置；4、 點擊“關節示教按鈕，出現如圖 4-1 所示界面；5、 在“速度中選擇示教速度(由左到右從低速到高速 1.5 度/秒、6 度/秒、12 度/秒、24 度/秒共四個擋，默認是 6 度/秒，一般情況下建議選擇 12 度/秒)；在“關節運動中有每個關節的正反向運動，持續按下相應關節的按鈕，機器人的關節會按照指令運動，松開相應的按鈕，機器人的關節會停止運動；6、 在機器人“各

42、關節狀態和“當前坐標中，可以實時顯示機器人的運動狀態，當每運動到一個點，必須按下“記錄按鈕，在再現時機器人將忽略中間過程而只再現各個點，在“示教列表中會記錄并顯示機器人相應關節運動的信息，繼續運動其他關節，直到整個示教程序完成；圖 4-1 關節示教界面7、 點擊“保存按鈕，示教完的信息以(*.RBT)格式保存在示教文件中；8、 點擊“再現按鈕，機器人按照記錄的機器人關節信息再現一遍運動軌跡；9、 點擊“清空按鈕會把示教列表全部去除。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 24 頁 共 44 頁10、 點擊“退出按鈕，退出當前界面；11、 點擊“機器人復位按鈕，使機器人回到零點位置；12、 按

43、下控制柜上的“停止按鈕，斷開控制柜電源；13、 退出機器人軟件，關閉計算機。4.5思考題1、 通過實驗總結機器人示教再現的概念；2、 試分析機器人的示教屬于PTP(點到點)控制還是輸入CP(連續軌跡)控制。思考題參考答案1、 示教，就是人把規定的動作(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，便是將上述示教信息再現，即根據需要，將存儲的信息讀出，向執行機構發出具體指令。2、 機器人的示教屬于 PTP(點到點)控制。4.6考前須知1、 在老師的指導下進行實驗；2、 機器人通電后，身體的任何部位不要進入機器人運動可達范圍之內；3、 機器人運動不正常時，及時

44、按下控制柜的急停開關。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 25 頁 共 44 頁實驗 5 機器人坐標系的建立5.1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。5.2實驗設備1、 RBT-6T/S01S機器人一臺；2、 RBT-6T/S01S機器人控制柜一臺；3、 裝有運動控制卡和控制軟件的計算機一臺。5.3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，實現復雜的運動，完成規定的操作。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

45、些連桿和運動副都是剛性的，描述剛體的位置和姿態(簡稱位姿)的方法是這樣的：首先規定一個直角坐標系，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 33 的旋轉矩陣來表示，而 44 的齊次變換矩陣那么可將剛體位置和姿態(位姿)的描述統一起來。機器人的每個關節坐標系的建立可參照以下的三原那么：1）軸沿著第 n 個關節的運動軸；1nz2）軸垂直于軸并指向離開軸的方向；nx1nz1nz3）軸的方向按右手定那么確定。ny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的坐標系，并對連桿和關節定義了 4 個參數，如圖 5-1。哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司

46、第 26 頁 共 44 頁圖 5-1 轉動關節連桿四參數示意圖機器人機械手是由一系列連接在一起的連桿桿件構成的。需要用兩個參數來描述一個連桿，即公共法線距離和垂直于所在平面內兩軸的夾角；需要另外兩個iaiai參數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。idi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，idiai為兩連桿距離，為兩連桿夾角。idi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和棱柱聯軸節。對于轉動關節，為關節變量。連桿 i 的坐標系原點位

47、于關節 i 和ii+1 的公共法線與關節 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 i+1 的軸線在一直線上，而 x 軸那么在1id關節 i 和 i+1 的公共法線上，其方向從 i 指向 i+1，當兩關節軸線相交時，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1iizzi+1。當兩軸和平行且同向時，第 i 個轉動關節的為零。 1ixixi一旦對全部連桿規定坐標系之后，我們就能夠按照以下順序由兩個旋轉和兩個平移來建立相

48、鄰兩連桿 i-1 與 i 之間的相對關系。繞軸旋轉角，使軸轉到與同一平面內。1izi1ixix沿軸平移一距離，把移到與同一直線上。1izid1ixix沿 i 軸平移距離，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1ia合的地方。繞軸旋轉角，使轉到與同一直線上。1ix1ia1iziz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iA哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 27 頁 共 44 頁 式 5-1( ,)(0,0,)( ,0,0)( ,)iiiiiARot zTransd Trans aRot x a展開上式可得 式

49、5-10000111111111iiiiiiiiiiiiiiiiiiidcssascccscasscscA2當機械手各連桿的坐標系被規定之后，就能夠列出各連桿的常量參數。 對于跟在旋轉關節 i 后的連桿，這些參數為，和。對于跟在棱柱聯軸節 i 后的連桿來id1ia1i說，這些參數為和。然后，角的正弦值和余弦值也可計算出來。這樣，A 矩陣i1i就成為關節變量的函數對于旋轉關節或變量 d 的函數對于棱柱聯軸節 。一旦求得這些數據之后，就能夠確定六個變換矩陣的值。iA5.4實驗步驟1、 參照機器人的運動機構簡圖圖5-2所示)，根據D-H方法建立機器人的笛卡爾坐標系，并且標出每個關節坐標系的原點；圖

50、5-2 機器人運動機構簡圖2、 建好坐標系后填寫表 5-1 的各個變量的值；表 5-1 機器人的參數桿件變量為轉角 n偏距 dn(mm)扭角 n桿長 an(mm)12哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 28 頁 共 44 頁34563、 根據表5-1的各個變量的值以及各桿件之間關系，寫出相應的矩陣；iiA14、 根據A矩陣和T矩陣之間的關系，寫出T矩陣；65544332211060AAAAAAT 實驗步驟參考答案：圖 5-3 D-H 坐標系的建立表 5-2 機器人的參數桿件變量為轉角 n偏距 dn(mm)扭角 n桿長 an(mm)11(0)200-90022(-90)0019733(0)

51、0-909044(0)8390055(0)0-90066(0)8200規定逆時針為正，順時針為負。C =cos S =siniiii哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 29 頁 共 44 頁 0A1= A =1000010000011111dCSSC12100001000022222222SaCSCaSC A = 3A4=23100000100033333333SaCSCaSC1000010000044444dCSSCA = 5A6=451000001000005555CSSC1000100000066666dCSSCT1=0A11A22A3= * 1000010000011111dCS

52、SC100000100022222222SaCSCaSC* = 100000100033333333SaCSCaSC1000111111111111zzzzyyyyxxxxpaonpaonpaon3213211ssccccnx3213211sssccsny32321sccsnz11sox11coy01zo3213211cscsccax3213211cssscsay32321ccssaz212321332131ccasscacccapx哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 30 頁 共 44 頁212321332131csasssaccsapy2213233231sadscacsapzT2=

53、3A44A55A6=*1000010000044444dCSSC1000001000005555CSSC = 1000100000066666dCSSC1000222222222222zzzzyyyyxxxxpaonpaonpaon646542sscccnx646542scccsny652csnz646542cssccox646542ccscsoy652ssoz542scax542ssay52caz5462scdpx5462ssdpy5642cddpzT=T1*T2=*=1000111111111111zzzzyyyyxxxxpaonpaonpaon1000222222222222zzzzyy

54、yyxxxxpaonpaonpaon1000zzzzyyyyxxxxpaonpaonpaon6532132164654164654321321)()()()(cscscsccscccsssscccssccccnx6532132164654164654321321)()()()(cscssscsscccscsscccsssccsny哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 31 頁 共 44 頁653232646543232)()()(csccsssscccsccsnz6532132164654164654321321)()()()(sssscsccccscsscssccssccccox 653

55、2132164654164654321321)()()()(sssssscsccscsccssccsssccsoy653232646543232)()()(ssccsscssccsccsoz532132154154321321)()(ccscsccsssscssccccax532132154154321321)()(ccssscssscscsssccsay53232543232)()(cccssscsccsaz11212321332135643213215416543213216)()()(caccasscacccacddcscsccsssdscssccccdpx112123213321356

56、43213215416543213216)()()(sacsasssaccsacddcssscssscdscsssccsdpy22323323564323215432326)()()(sascacsacddccssdscsccsdpz5.5思考題根據圖5-4某機器人運動機構簡圖，試著用D-H坐標法建立其運動學模型，并畫出坐標系，答案見圖5-5。圖 5-4 某機器人運動機構簡圖 哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 32 頁 共 44 頁 圖 5-5 某機器人 D-H 坐標系的建立哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 33 頁 共 44 頁實驗 6 機器人正運動學分析6.1實驗目的1、

57、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。6.2實驗設備1、 RBT-6T/S01S機器人一臺；2、 RBT-6T/S01S機器人控制柜一臺；3、 裝有運動控制卡和控制軟件的計算機一臺。6.3實驗原理機器人運動學只涉及到物體的運動規律，不考慮產生運動的力和力矩。機器人正運動學所研究的內容是：給定機器人各關節的角度或位移，求解計算機器人末端執行器相對于參考坐標系的位置和姿態問題。各連桿變換矩陣相乘，可得到機器人末端執行器的位姿方程正運動學方程為 ：= 式 6-165544332211060AAAAAAT 1000zzzzy

58、yyyxxxxpaonpaonpaon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za一個指尖指向另一個指尖，處于規定手爪方向上，稱為方向矢量；最后一個矢量叫法o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定：noa。aon式 6-1 表示了機器人變換矩陣，它描述了末端連桿坐標系4相對基坐標系040T的位姿，是機械手運動分析和綜合的根底。6.4實驗步驟1、根據機器人坐標系的建立中得出的 A 矩陣，相乘后得到 T 矩陣，根據一一對應的關系，寫出機器人正解的運算公式，并填入下表 6-1 中；表 6-1 機器人的正運動學的參數哈爾濱工業大學博實精密測控

59、有限責任公司第 34 頁 共 44 頁參數計算公式nxnynzoxoyozaxayazpxpypz2、 將這組數據帶入式 6-1 中，求出各個分量的值，填入表 6-2 中；表 6-2 機器人的正運動學的輸入和輸出參數1234輸入值56nxoxaxpxnyoyaypy輸出值nzozazpz3、 運行機器人控制系統軟件，點擊“空間學計算按鈕，出現如圖 6-1 所示界面 ，在“關節角度中相應的位置輸入各個關節的變量值，點擊“正解計算按鈕，各個參數的值顯示在“末端位姿相應的框內；4、 將計算的值和控制系統軟件計算出的值相比擬，比擬結果是否一致，如果不哈爾濱工業大學博實精密測控有限責任公司第 35 頁

60、共 44 頁一致請您分析原因。 圖 6-1 空間學計算界面實驗步驟參考答案：表 6-3 機器人的正運動學的參數參數計算公式nx6532132164654164654321321)()()()(cscscsccscccsssscccssccccnxny6532132164654164654321321)()()()(cscssscsscccscsscccsssccsnynz653232646543232)()()(csccsssscccsccsnzox6532132164654164654321321)()()()(sssscsccccscsscssccssccccoxoy65321321646