四自由度型机器人实验指导书

实验 1 机器人的认识

1.1 实验目的

1、了解机器人的机构组成；

2、掌握机器人的工作原理；

3、熟悉机器人的性能指标；

4、掌握机器人的基本功能及示教运动过程。

1.2 实验设备

1、 RBT-4T03S-TC01机器人一台；

2、 RBT-4T03S-TC01机器人控制柜一台；

3、装有运动控制卡和控制软件的计算机一台。

1.3 实验原理

机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电一体化设备。机器人按技术层次分为：固定程序控制机器人，示教再现机器人，智能机器人等。本课程所使用的机器人为四自由度机器人，为平面关节式，其轴线相互平行或垂直，能够在空间内进行定位。机器人采用步进电机驱动，主要传动部件采用可视化设计，控制简单，编程方便，是专为满足高等院校机电一体化、自动控制等专业进行机电及控制课程教学实验需要和相关工业机器人应用培训需要而最新开发的四自由度机器人，它是一个多输入多输出的动力学复杂系统，是进行控制系统设计的理想平台；它具有高度的能动性和灵活性，具有广阔的开阔空间，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。

机器人按技术层次分为：固定程序控制机器人，示教再现机器人，智能机器人等。本课程所使用的机器人为四自由度示教再现式机器人。整个系统包括四自由度机器人1台，控制柜1台，控制卡2块，实验附件1套（包括轴、轴座），机器人控制软件1套。

机器人采用平面关节式开链结构，即机器人各连杆由旋转关节或移动关节串联连接，如图1-1所示。各关节轴线相互平行或垂直。连杆的一端装在固定的支座上（底座），另一端处于自由状态，可安装各种工具以实现机器人作业。关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。关节的传动采用模块化结构，由同步齿型带和谐波减速器等多种传动结构配合实现。

机器人各关节采用步进电机驱动，并通过Windows环境下的软件编程和运动控制卡实现对机器人的控制，使机器人能够在工作空间内任意位置精确定位。

底座

IV关节

III关节

II关节

I关节

图1-1 机器人结构

机器人技术参数如表1-1所示。

表1-1 机器人技术参数

结构形式		平面关节式（SCARA型）
驱动方式		步进电机驱动和伺服驱动
负载能力		2Kg
重复定位精度		±0.1mm
动作范围	关节Ⅰ	0°～ 90°
	关节Ⅱ	0°～ 300mm
	关节Ⅲ	0 ～ 150mm
	关节Ⅳ	0°～ 90°
最大速度	关节Ⅰ	10°/ S
	关节Ⅱ	15mm/ S
	关节Ⅲ	10mm / S
	关节Ⅳ	20° / S
最大展开半径		601mm
最大展开高度		529mm
本体重量		≤30Kg
操作方式		示教再现/编程
电源容量		单相 220V 50Hz4A

预备知识：

1、机器人的英文名缘由：

机器人是一种具有某种仿人功能的自动机、机器人的国际名叫“罗伯特（ROBOT）。“ROBOT”一词源于捷克作家卡列尔查培于1920年的一部名叫作《罗萨姆的万能机器人公司》的幻想剧，罗伯特是该剧主人公的名字，他是既忠诚又勤劳的机器人。

2、机器人的定义：（我国科学家的定义）

机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

3、机器人的三原则：

1）机器人不能伤害人类；

2）在不违反第一条的情况下，机器人必须遵守人类的命令；

3）在不违反第一、二条的情况下，机器人应能保护自己。

4、机器人发展史：

1）古代机器人：

（1）中国机关人——世界最早的机器人

《列子、汤问篇》中记载西周穆王时，有位名叫偃师的能工巧匠就制造了一个能歌善舞的伶人机器人。

春秋后期，木匠鲁班制造的木鸟，能在空中飞行“三日不下”。

1800年前的汉代，大科学家张衡发明的计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。

后汉三国时期，诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。——最早的军事机器人

（2）西方最早的机器人，是公元前2世纪古希腊人发明的最原始的机器人——自动机。

1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭。

……

2）现代机器人：

1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。

1959 年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。

1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。

1980年被称为“机器人元年”。

5、机器人的组成部分：

1）机器人的手——操作系统，作用是抓住一个工作对象使其按工作或作战要求动作。

2）机器人的眼——感测系统，作用是观测工作对象及其周围环境的信息，通过收集信息将其反馈给控制中心，作为对机器人行为控制和协调的依据。

3）机器人神经系统——信息传输系统，作用是将传感器和观测器获得的各种信息下传上达，交给各执行及其附属设备。

4）机器人的心脏——动力系统，作用是负责向机器人提供动力，主要设备有各种发动机，发电机及其附属设备。

5）机器人的大脑——指挥控制系统。作用是加工处理各种信息，指挥机器人的各种行动。

图1-2 机器人图片

6、机器人的种类：

按技术层次分为：固定程序控制机器人、示教再现机器人、数控机器人、遥控机器人、智能机器人。

按工作自由度分为自主机器人、半自主机器人、摇控机器人。

7、机器人的用途：

1）勤劳忠诚的员工——不计报酬

2）未知世界的使者——不知“天高地厚”

3）未到战争中的圣斗士——不晓得皮肉之苦

4）保姆、白衣天使和明星——不用包装炒作

8、机器人的未来发展：

人性化，智能化，普及化。

1.4 实验步骤

1、连接好气路，启动气泵到预定压力；

2、启动计算机，运行机器人软件，出现如图1-3所示主界面；

3、接通控制柜电源，按下“串口打开”按钮；

图1-3 主界面

4、点击主界面“复位”按钮，机器人进行回零运动。观察机器人的运动，四个关节全部运动完成后，机器人处于零点位置；

5、在支架的相应位置上分别放置轴，然后按下“再现”按钮，机器人实现装配动作；

6、运动完毕后，按下“复位”按钮，机器人回到零点位置，关闭对话框；

7、如果想再做一次装配动作，把轴放回相应位置，按下“再现”按钮即可；

8、点击“复位”按钮，使机器人回到零点位置；

9、按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源；

10、退出机器人软件，关闭计算机。

1.5 注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人通电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关。

实验 2 机器人的机械系统

2.1 实验目的

1、了解机器人机械系统的组成；

2、了解机器人机械系统各部分的原理及作用；

3、掌握机器人单轴运动的方法。

2.2 实验设备

1、 RBT-4T03S-TC01机器人一台；

2、 RBT-4T03S-TC01机器人控制柜一台；

3、控制软件的计算机一台。

2.3 实验原理

RBT-4T03S-TC01机器人机械系统主要由以下几大部分组成：原动部件、传动部件、执行部件。基本机械结构连接方式为原动部件—传动部件—执行部件。机器人的传动简图如图2-1所示。

Ⅰ关节传动链主要由步进电机、轴承、以及轴承座。

Ⅱ关节传动链主要由伺服电机、滚珠丝杠构成、连接器构成。

Ⅲ关节传动链主要由步进电机、滚珠丝杠构成。

Ⅳ关节传动链主要由伺服电机、气动的夹持器。

本机器人中，原动部件为步进电机，本机器人中采用了同步齿型带传动、谐波减速传动、行星减速传动、滚动螺旋传动等传动方式。执行部件采用了气动手爪机构，以完成抓取作业。

下面对在RBT-4T03S-TC01四自由度机器人中采用的各传动部件的工作原理及特点作以简要介绍。

伺服电机b

步进电机a

支架

底座

III关节

伺服电机c

I关节

步进电机d

IV关节

II关节

图2-1 机器人传动简图

1、丝杠螺旋传动

丝杠螺旋传动（梯形丝杠），滚珠丝杠副是由丝杠、螺母等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚动螺旋传动的结构形式很多，其工作原理如图2-10所示。当螺杆或螺母转动时，图2-4为结构图。

图2-4 梯形丝杆结构图

槽中循环。图2-4(b)为内循环，每一圈螺纹有一反向器，滚珠只在本圈内循环。外循环加工方便，但径向尺寸大。

滚动螺旋传动的特点如下：

1）采用梯形丝杆副把电机的旋转运动变为直线运动。

2）采用循环式直线滚动导轨约束平台面的运动，动静摩擦系数差别小，灵敏度高，启动阻力小，不易出现爬行现象。

3）刚性好、抗振性强，能承受较大的冲击和振动。

4）运动灵活平稳，能微量准确运动，定位精度比较高。

5）结构紧凑，体积小。

导向部分采用的是直线轴承与圆柱导轨的形式如图2-5所示，它具有以下特点：

1）摩擦系数小，只有0.001-0.004 ，节省动力。微量移动灵活、准确，低速时无蠕动爬行；

2）精度高，行程长，移动速度快。具有自调整能力，可降低相配件加工精度。维修、润滑简便。导轨与导套呈圆柱形，造价低，但滚动体与轴呈点接触，承载能力较小，适用于精度要求较高、载荷较轻的场合；

3）由于均采用滚动部件，无法形成自锁，所以在步进电机的后部使用电磁制动器保证在失电情况下的位置保持。

2.4 实验步骤

1、介绍机器人机械系统中原动部分、传动部分以及执行部分的位置及在机器人系统中的工作状况；

2、启动计算机，运行机器人软件；

3、接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

4、点击“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动，观察机器人运动，四个关节全部运动完成后，机器人处于零点位置；

5、选择“关节Ⅰ”，关节方向选择“+”，运动模式选择“相对位置模式运动”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取10度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅰ关节运动情况；

6、选择“关节Ⅰ”，关节方向选择“-”，运动方式选择“速度模式运动”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅰ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；

7、选择“关节关节Ⅱ”，关节方向选择“+”，运动模式选择“相对位置模式运动”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取-10毫米，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅱ关节运动情况；

8、选择“关节Ⅱ”，关节方向选择“-”，运动方式选择“速度模式运动”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅱ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；

9、选择“关节Ⅲ”，关节方向选择“+”，运动模式选择“相对位置模式运动”，加减速曲线选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取10度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅲ关节运动情况；

10、选择“关节Ⅲ”，关节方向选择“-”，运动方式选择“速度模式运动”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅲ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；

11、选择“关节Ⅳ”，关节方向选择“+”，运动模式选择“相对位置模式运动”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取10度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅳ关节运动情况；

12、选择“关节Ⅳ”，关节方向选择“-”，运动方式选择“速度模式运动”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅳ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；

13、点击“退出”按钮，退出运动测试窗口；

14、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；

15、按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源；

16、退出机器人软件，关闭计算机。

2.5 注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人上电后，身体的任何部位不要进入机器人运动范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关；

4、机器人示教与再现

实验 3 机器人示教与再现

3.1 实验目的

1、了解示教再现的意义；

2、掌握机器人示教与再现过程的操作方法。

3.2 实验设备

1、 RBT-4T03S-TC01机器人一台；

2、 RBT-4T03S-TC01机器人控制柜一台；

3、控制软件的计算机一台。

3.3 实验原理

机器人的示教-再现过程是分为四个步骤进行的，它包括：

机器人示教(teach programming)，就是操作者把规定的目标动作(包括每个运动部件，每个运动轴的动作)一步一步的教给机器人。示教的简繁，标志着机器人自动化水平的高低。

记忆，即是机器人将操作者所示教的各个点的动作顺序信息、动作速度信息、位姿信息等记录在存储器中。存储信息的形式、存储存量的大小决定机器人能够进行的操作的复杂程度。

再现，便是将示教信息再次浮现，即根据需要，将存储器所存储的信息读出，向执行机构发出具体的指令。至于是根据给定顺序再现，还是根据工作情况，由机器人自动选择相应的程序再现这一功能的不同，标志着机器人对工作环境的适应性。

操作，指机器人以再现信号作为输入指令，使执行机构重复示教过程规定的各种动作。

在示教-再现这一动作循环中，示教和记忆是同时进行的；再现和操作也是同时进行的。这种方式是机器人控制中比较方便和常用的方法之一。

示教的方法有很多种，有主从式，编程式，示教盒式等多种。

主从式既是由结构相同的大、小两个机器人组成，当操作者对主动小机器人手把手进行操作控制的时候，由于两机器人所对应关节之间装有传感器，所以从动大机器人可以以相同的运动姿态完成所示教操作。

编程式既是运用上位机进行控制，将示教点以程序的格式输入到计算机中，当再现时，按照程序语句一条一条的执行。这种方法除了计算机外，不需要任何其他设备，简单可靠，适用小批量、单件机器人的控制。

示教盒和上位机控制的方法大体一致，只是由示教盒中的单片机代替了电脑，从而使示教过程简单化。这种方法由于成本较高，所以适用在较大批量的成型的产品中。

3.4 实验步骤

1、启动计算机，运行机器人软件；

2、接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

3、点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。观察机器人的运动，四个关节全部运动完成后，机器人处于零点位置；

4、点击“机器人示教”按钮，弹出示教窗口，如图3-1所示；

5、在“示教速度控制”中选择示教速度(分为低速、中速、高速和超高速四个挡，默认是中速，一般情况下建议选择中速)；在“示教盒”中有每个关节的正反向运动、手爪张开和关闭的控制按钮，持续按下相应的按钮，机器人的各关节会按照指令运动，抬起相应的按钮，机器人的关节会停止运动。在机器人“关节信息”、“末端坐标信息”和“机器人状态信息”中，可以实时显示机器人的运动状态，当每个关节运动完成一次，必须按下“纪录”按钮，否则影响再现精度，在“示教点信息列表”中会记录并显示机器人相应关节运动的信息，继续运动其他关节，直到整个示教程序完成；

6、点击“保存”按钮，示教完的信息以(*.RBT4)格式保存在示教文件中；

7、点击“复位”按钮，机器人回到原点位置；

8、点击“打开”按钮，选择打开之前保存的示教文件；

9、点击“再现”按钮，机器人按照纪录的机器人关节信息再现一遍运动轨迹；

图3-1 机器人控制界面

10、点击“清零”按钮会把关节信息、末端点信息和示教信息列表全部清除；

11、点击“复位”按钮，机器人会做回零运动；

12、点击“退出”按钮，退出机器人示教窗口；

13、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；

14、按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源；

15、退出机器人软件，关闭计算机。

3.5 注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人上电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关；

4、机器人连续轨迹运动控制

实验 4 机器人连续轨迹运动控制

4.1 实验目的

1、理解机器人连续轨迹运动的概念

2、了解机器人连续轨迹运动的控制方法；

3、了解RBT系列机器人实现连续轨迹运动的过程。

4、掌握机器人的直线和圆弧插补控制方法。

4.2 实验设备

1、 RBT-4T03S-TC01机器人一台；

2、 RBT-4T03S-TC01机器人控制柜一台；

3、装有控制软件的计算机一台。

4.3 实验原理

在机器人完成一些复杂的作业时，除了对机器人的运动起点和末端点有位置要求外，还要求机器人在运动过程中对中间点的轨迹进行严格控制，如使机器人末端在平面或空间内按照直线和圆弧运动，这类运动控制方式就是CP(连续)运动控制方式。机器人进行切割、弧焊、涂胶等作业常采用这种轨迹模式。

实现机器人的平面和空间连续轨迹（直线和圆弧）控制要用到轨迹插补算法和机器人逆向运动学算法。插补算法是独立于机器人结构的，而机器人逆运动学算法则随机器人不同而不同。

直线插补和圆弧插补是两种基本的插补算法。对于非直线和圆弧轨迹，可以采用直线或圆弧逼近的方法实现。

空间直线插补是已知该直线始末两点的位置和姿态，求各轨迹中间点(插补点)的位置和姿态的一种算法。如图4-1所示。

已知直线始末两点在基础坐标系中的的坐标值为P0(x0，y0，z0)、Pe(xe，ye，ze)，v为要求的沿直线的运动速度，Ts为插补时间间隔，则图4-1直线上的各点既是插补运算的结果。

所谓平面圆弧，是指圆弧平面与基础系的三大平面之一重含，以xOy平面圆弧为例。

已知不在一直线上的三点p1，p2，p3及这三点对应的机器人手端的姿态，设v为沿圆弧的运动速度，T_S为插补时间间隔，图4-2和图4-3表示出三点决定的圆弧和圆弧插补的说明。

4.4 思考题

1、工业控制过程中，什么场合经常用到机器人的连续轨迹控制，试列举几例说明。

2、机器人常用的插补方法有哪些？

3、机器人机械系统的间隙对机器人实现圆弧轨迹有什么影响？

思考题参考答案：

1、机器人弧焊、机器人激光与等离子切割、机器人涂胶等

2、机器人常用的插补方法有定时插补和定距插补两种方法

3、机器人机械系统的间隙对机器人的圆弧插补轨迹影响很大，由于其中某一轴的机械间隙很大，会造成机器人末端点的运动轨迹精度达不到图形轨迹要求精度，会出现偏差。

4.5 注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人上电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关。

4.6 实验步骤

1、参照RBT系列机器人的运动机构简图，如图5-2所示，根据D-H方法建立机器人的笛卡尔坐标系，并且标出每个关节坐标系的原点；

图5-2 运动机构简图

2、建好坐标系后填写下表的各个变量的值；

表5-1 RBT系列机器人的参数

连杆	θ_n	α_n	a_n	d_n
1
2
3
4

3、根据表5-1的各个变量的值以及各杆件之间的关系，写出相应的矩阵；

4、根据A矩阵和T矩阵之间的关系，写出T矩阵

实验步骤参考答案：

如图5-3及表5-2所示。

图5-3

表5-2

连杆	θ_n	α_n	a_n	d_n
1	θ₁	0	0	l₀
2	θ₂	0	l₁	0
3	0	0	l₂	-l₃+d₃
4	θ₄	0	l₄	0

4.7 思考题

1、对于机器人来说，笛卡尔的坐标原点选择的不同，会对哪个变量产生影响？

答案：笛卡尔的坐标原点选择的不同，会对d₃变量产生影响。

2、试着用D-H坐标法建立其他机器人的运动学模型，并画出坐标系。

4.8 注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人上电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关。

4、机器人正运动学分析

实验 5 机器人正运动学分析

5.1 实验目的

1、了解齐次变换矩阵的概念；

2、掌握机器人笛卡尔坐标系建立的过程；

3、掌握运用齐次变换矩阵求解机器人正运动学的方法。

5.2 实验设备

1、 RBT-4T03S-TC01机器人一台；

2、 RBT-4T03S-TC01机器人控制柜一台；

3、装有控制软件的计算机一台。

5.3 实验原理

机器人运动学只涉及到物体的运动规律，不考虑产生运动的力和力矩。机器人正运动学所研究的内容是：给定机器人各关节的角度或位移，求解计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。

各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程（正运动学方程）为： (式6-1)

其中：向矢量处于手爪入物体的方向上，称之为接近矢量，y向矢量的方向从一个指尖指向另一个指尖，处于规定手爪方向上，称为方向矢量；最后一个矢量叫法线矢量，它与矢量和矢量一起构成一个右手矢量集合，并由矢量的叉乘所规定：。

式6-1表示了机器人变换矩阵，它描述了末端连杆坐标系{4}相对基坐标系{0}的位姿，是机械手运动分析和综合的基础。

5.4 实验步骤

1、根据机器人坐标系的建立中得出的A矩阵，相乘后得到T矩阵，根据一一对应的关系，写出机器人正解的运算公式，并填入表6-1中；

表6-1机器人的正运动学的参数

参数	计算公式
n_x
n_y
n_z
o_x
o_y
o_z
a_x
a_y
a_z
p_x
p_y
p_z

2、将变这组数据带入表6-2中，求出各个分量的值，填入表6-2中；

表6-2 机器人正运动学输入和输出参数

输入值		10		-15	d₃	23		45
输出值	nx		ox		ax		px
	ny		oy		ay		py
	nz		oz		az		pz

3、运行机器人控制软件，点击“正运动学分析”按钮，出现如图6-1所示界面，输入各个关节的变量值，点击“计算”按钮，各个参数的值显示在相应的框内；

4、将计算的值和控制系统软件计算出的值相比较，比较结果是否一致，如果不一致请您分析原因。

实验步骤参考答案如表6-3和6-4所示。

表6-3

参数	计算公式
n_x
n_y
n_z	0
o_x
o_y
o_z	0
a_x	0
a_y	0
a_z	1
p_x
p_y
p_z

表6-4

输入值		10		-15	d₃	23		45
输出值	nx	0.766044	ox	-0.642788	ax	0	px	384.360023
	ny	0.642788	oy	0.766044	ay	0	py	15.736317
	nz	0	oz	0	az	1	pz	183

5.5 思考题

1、对于机器人来说，笛卡尔的坐标原点选择的不同，会对正运动学运算产生什么样的影响？

思考题参考答案

笛卡尔的坐标原点选择的不同，正运动学运算的位置点的z坐标值会有不同。

5.6 注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人上电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关；

实验 6 机器人逆运动学分析

6.1 实验目的

1、了解齐次变换矩阵的概念

2、了解机器人工作空间的概念

3、掌握机器人笛卡尔坐标系建立的过程；

4、掌握运用齐次变换矩阵求解机器人逆运动学的方法。

6.2 实验设备

1、 RBT-4T03S-TC01机器人一台；

2、 RBT-4T03S-TC01机器人控制柜一台；

3、装有控制软件的计算机一台。

6.3 实验原理

机器人的运动学反解存在的区域称为机器人的工作空间，求解机器人逆解的目的也在于要求出机器人的工作空间。

工作空间是操作臂的末端能够到达的空间范围，即末端能够到达的目标点集合。值得指出的是，工作空间应该严格地区分为两类：

灵活（工作）空间指机器人手爪能够以任意方位到达的目标点集合。因此，在灵活空间的每个点上，手爪的指向可任意规定。

可达（工作）空间指机器人手爪至少在一个方位上能够到达的目标点集合。

机器人操作臂运动学反解的数目决定于关节数目和连杆参数（对于旋转关节操作臂指的是，）和关节变量的活动范围。

在解运动学方程时，碰到的另一问题是解不唯一（称为多重解）。RBT-4T03S-TC01机器人的灵活空间是大半个圆环。在此区域中的任何点，机械手能以任意方位到达，并且有两种可能的形位，即运动学方程可能有两组解。

求解RBT系列机器人的过程如下：求解的变量为。

运动学的方程的两边分别乘的逆矩阵，如下：得出

(式7-1)

根据上述公式两边的对应分量分别相等求出相应的变量

6.4 实验步骤

1、计算出机器人运动学方程，根据一一对应的关系，求解出机器人逆解的运算公式，如果有的变量有两个值应该全部保留，并填入表7-1中。机器人的基坐标系建立的不同，求解出来的变量值也不相同。

表7-1 机器人的逆运动学求解公式

关节变量
求解公式

2、将这组变量数据带入表7-2中，求出各个分量的值，如果有两组值分别填入表7-2中；

表7-2 机器人的逆运动学的输入和输出参数

输入值	211.30249	402.22132	0
输入值	0.258819	0.965926	-0.965926	0.258819
输出值

3、运行机器人控制系统软件，点击“逆运动学分析”按钮，在相应的位置输入各个关节的变量值，点击“计算”按钮，逆解的值显示在相应的框内；

4、将计算的值和控制系统软件计算出的值相比较，比较结果是否一致，在机器人的运动空间内，机器人有两组解，软件只是输出一组解，分析另外一组解的合理性。

实验步骤参考答案：

（式中：；）

；

表7-3

输入值	211.30249	402.22132	0
输入值	0.258819	0.965926	-0.965926	0.258819
输出值	44.999994	30.000012	0.000000	0.000000

6.5 思考题

1、如果机器人逆解有两组解，如果只取其中一个解，试分析取哪组解比较合理？

答：根据机器人到达目标点所走路径最短原则，应该取4个解的绝对值的和最小的一组解是合理的。

6.6 注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人上电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关。

4、机器人关节运动轨迹规划

实验 7 机器人关节运动轨迹规划

7.1 实验目的

1、理解机器人关节坐标运动的概念；

2、了解机器人关节坐标运动时的轨迹规划方法；

3、了解基于运动控制器的机器人关节运动的梯形和S形速度曲线的规划过程；

4、理解机器人相对运动位置模式和绝对运动位置模式的概念。

7.2 实验设备

1、 RBT-4T03S-TC01机器人一台；

2、 RBT-4T03S-TC01机器人控制柜一台；

3、装有控制软件的计算机一台。

7.3 实验原理

机器人在坐标系内运动时，每个坐标轴的运动都是独立的运动，各轴之间不发生联系，因此，机器人的控制问题归结为单个电机的运动控制问题，机器人的运动轨迹规划归结为单个电机的运动规划问题。

RBT-4T03S-TC01机器人使用基于PCI总线的四轴伺服/步进电机的运动控制卡控制四个关节轴电机的运动，如图8-1所示。运动控制卡本身具有梯形速度曲线和S型速度曲线规划功能，只要输入电机的速度、加速度和位置值等运动参数就能自动规划出关节坐标系内机器人末端的运动轨迹。

梯形速度曲线规划是一种恒加速运动，运动控制器按照所输入的电机最大速度、加速度和位置的值，计算出所需的加、减速时间，电机首先以要求的加速度加速到要求的最大速度，再此速度下运行一段距离后减速，直到达到希望的位置，如图8-2所示。

图8-1 机器人的运动控制系统

图8-2 梯形速度曲线

梯形速度曲线虽然简单，但运动时机械冲击较大，容易引起噪声和传动机构的磨损。

S型速度曲线规划是一种变加速运动，即在加、减速段，电机的加速度不是瞬间突变而是线性变化的，加速和减速阶段的速度曲线呈S形形状，如图8-3所示。采用此种速度规划有助于降低运动装置的震动和噪声，延长机械传动部分的寿命。

图8-3 S形速度曲线

机器人的相对运动位置模式是一种增量运动，即每次运动的位移量是相对于前一次运动的终点，而绝对运动位置模式是一种相对于机器人零位位置的运动。

7.4 实验步骤

1、启动计算机，运行机器人软件；

2、接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

3、点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。观察机器人的运动，四个关节全部运动完成后，机器人处于零点位置；

4、点击“运动测试”按钮，出现如图8-4所示界面；

5、选择“关节Ⅰ”，关节方向选择“正向”，运动模式选择“相对位置模式运动”，加减速曲线选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取10度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅰ关节运动情况；

6、选择“关节Ⅰ”，关节方向选择“反向”，运动方式选择“速度模式运动”，轨迹规划选择“S形”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅰ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；

7、选择“关节Ⅱ”，关节方向选择“正向”，运动模式选择“相对位置模式运动”，加减速曲线选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取10度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅱ关节运动情况；

8、选择“关节Ⅱ”，关节方向选择“反向”，运动方式选择“速度模式运动”，轨迹规划选择“S形”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅱ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；

9、选择“关节Ⅲ”，关节方向选择“正向”，运动模式选择“相对位置模式运动”，加减速曲线选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取10毫米，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅲ关节运动情况；

10、选择“关节Ⅲ”，关节方向选择“反向”，运动方式选择“速度模式运动”，轨迹规划选择“S形”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅲ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；

11、选择“关节Ⅳ”，关节方向选择“正向”，运动模式选择“相对位置模式运动”，加减速曲线选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取10度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅳ关节运动情况；

12、选择“关节Ⅳ”，关节方向选择“反向”，运动方式选择“速度模式运动”，轨迹规划选择“S形”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅳ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；

13、点击“退出”按钮，退出运动测试窗口；

14、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；

15、按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源；

16、退出机器人软件，关闭计算机。

7.5 注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人上电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关。

实验 8 机器人搬运装配实验

8.1 实验目的

1、解机器人完成搬运作业的过程；

2、掌握机器人示教作业的方法。

8.2 实验设备

1、 RBT-4T03S-TC01机器人一台；

2、 RBT-4T03S-TC01机器人控制柜一台；

3、装有运动控制卡和控制软件的计算机一台。

8.3 实验原理

对装配操作统计的结果表明，其中大多数为抓住零件从上方插人或连接的工作。水平多关节型机器人就是专门为此而研制的一种成本较低的机器人。它共有4个自由度：两个回转关节，上下移动以及手腕的转动，其中上下移动由安装在水平臂的前端的移动机构来实现。

手爪安装在手部前端，相当于人手的功能。事实上用一种手爪很难适应形状各异的工件，通常按抓取对象的不同需要设计其手爪。一些机器人上还可配备各种可换手，以增加通用性。手爪主要有电动手爪和气动手爪两种形式。气动手爪相对来说比较简单，价格便宜，因而在一些要求不太高的场合用得比较多。电动手爪造价比较高，主要用在一些特殊场合。

8.4 实验步骤

1、启动计算机，运行机器人软件；

2、接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

3、点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。观察机器人的运动，四个关节全部运动完成后，机器人处于零点位置；（如图8.4.1）

号码板B

号码板A

（如图8.4.1）

4、点击“睿云四自由度机器人示教编程系统V1.00”按钮，出现如图9-1所示界面；

图9-1 机器人示教界面

5、打开气泵，点击手爪“张开”、“闭合”按钮，测试手爪气路部分连接状态；

6、将轴放入实验架对应的位置；

7、将机器人手爪运动到与轴比较接近位置，每示教一步都要记录；

8、精确的将手爪移动到轴的正上方；

9、伺服电机c正转，将手抓移动至物块正上方；步进电机a正转，手爪下降至手爪下端与轴高度一半相对齐的位置（小幅度缓慢下降）；（如图8.4.9）

伺服电机c

步进电机a

图8.4.9

10、闭合手爪，夹住物块；（如图8.4.10）

图8.4.10

11、步进电机a反转，向上提升手爪一定高度；（如图8.4.11）

图8.4.11

12、伺服电机b正转，使手抓旋转90度（如图8.4.12）

伺服电机b

（图8.4.12）

13、伺服电机c反转，移动轴至相应支架的上方；（如图8.4.13）

伺服电机c

（图8.4.13）

14、步进电机d正转，旋转整体关节90度，并且调节伺服电机c将手抓上的物块对准号码板B处1号位置，（如图8.4.14）

步进电机d

（图8.4.14）

15、步进电机a反转，缓缓放下，将物块放到号码板B的1号处；（如图8.4.15）

（图8.4.15）

16、松开手爪；（如图8.4.16）

（图8.4.16）

17、竖直向上方向撤离手爪；（如图8.4.17）

（图8.4.17）

18、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；（如图8.4.18）

19、保存示教文件；）

20、将轴放回原处，再现该示教文件；

21、按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源；

22、退出机器人软件，关闭计算机。

整体示教过程如图9-2所示。

图9－2 机器人示教路线图

8.5 注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人上电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关。

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	简介：四自由度型机器人实验指导书目录 TOC \o "1-2" \h \z \u 实验 1 机器人的认识... PAGEREF _Toc294876481 \h 1 1.1 实验目的... PAGEREF_Toc294876482 \h 1 1.2 实验设备... PAGEREF_Toc294876483 \h 1 1.3 实验原理... PAGEREF_Toc294876484 \h 1 1.4 实验步骤... PAGEREF_Toc294876485 \h 5 1...
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机械抓机器人

实验 1 机器人的认识

1.1 实验目的

1.2 实验设备

1.3 实验原理

1.4 实验步骤

1.5 注意事项

实验 2 机器人的机械系统

2.1 实验目的

2.2 实验设备

2.3 实验原理

2.4 实验步骤

2.5 注意事项

实验 3 机器人示教与再现

3.1 实验目的

3.2 实验设备

3.3 实验原理

3.4 实验步骤

3.5 注意事项

实验 4 机器人连续轨迹运动控制

4.1 实验目的

4.2 实验设备

4.3 实验原理

4.4 思考题

4.5 注意事项

4.6 实验步骤

4.7 思考题

4.8 注意事项

实验 5 机器人正运动学分析

5.1 实验目的

5.2 实验设备

5.3 实验原理

5.4 实验步骤

5.5 思考题

5.6 注意事项

实验 6 机器人逆运动学分析

6.1 实验目的

6.2 实验设备

6.3 实验原理

6.4 实验步骤

6.5 思考题

6.6 注意事项

实验 7 机器人关节运动轨迹规划

7.1 实验目的

7.2 实验设备

7.3 实验原理

7.4 实验步骤

7.5 注意事项

实验 8 机器人搬运装配实验

8.1 实验目的

8.2 实验设备

8.3 实验原理

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8.5 注意事项