工业机器人实验报告..docx

1、本科生实验报告实验课程 机器人技术基础学院名称 核技术与自动化工程学院专业名称 机械工程及自动化学生姓名学生学号指导教师实验地点 JB201实验成绩 二 15年5月 二 15年5月填 写 说 明1、 适用于本科生所有的实验报告（印制实验报告册除外）；2、 专业填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明；3、 格式要求： 用 A4 纸双面打印（封面双面打印）或在 A4 大小纸上用蓝黑色水笔书写。 打印排版：正文用宋体小四号，1.5 倍行距，页边距采取默认形式（上下2.54cm，左右 2.54cm，页眉 1.5cm，页脚 1.75cm）。字符间距为默认值（缩放 100%，间距：标准）；页码用小五号字

2、底端居中。 具体要求：题目（二号黑体居中）；摘要（“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小 4号宋体）；关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼 3-5 个关键词，用分号隔开，小 4 号黑体)； 正文部分采用三级标题；第 1 章 (小二号黑体居中，段前 0.5 行) 1.1 小三号黑体（段前、段后 0.5 行）1.1.1 小四号黑体（段前、段后 0.5 行）参考文献（黑体小二号居中，段前 0.5 行），参考文献用五号宋体，参照参考文献著录规则（GB/T 77142005）。目录第一章 实验一4 1.1 实验目的4.1.2 实验步骤：4.1.3 实验数据4.1.4 实验截图4.1

3、.5 实验心得5.第二章 实验二5 2.1 实验目的5.2.2 实验步骤5.2.3 实验数据5.2.4 理论计算6.2.4.1 直接求导法62.4.2 计算过程72.5 实验总结和结论8第三章 实验三8 3.1 实验目的8.3.2 实验步骤：8.3.3 实验数据9.3.4 理论计算9.3.5 实验结论9.第四章 实验四10 4.1 实验目的04.2 实验步骤04.3 实验截图04.4 实验结论2参考文献12 1. 工业机器人12摘要 理解和掌握 6 自由度机械手位资变换矩阵、雅可比矩阵的计算方法以及机械手手腕运动方式和机械手网络控制的基本程序结构和方法，利用 matlab 矩阵计算方法对所学机

4、械手的各种数据进行实际验证。关键词：斯坦福机械手；雅可比矩阵.第一章 实验一1.1 实验目的了解斯坦福机械手的PRO/E 模型在装配运动空间的具体关节各变量值的设定。1.2 实验步骤：（1） 在 PRO/E 装配环境中设定机械手各关节变量值，要求：第一个关节转动角度为学号后三位，如 2 班 30 号的同学，对应角度为 230，第二到第六个关节的变量值在装配空间进行适当的随机确定。（2） 记录下步骤（1）中各个关节变量值，并利用 PRO/E 的拍摄快照功能，记录所确定的位置。1.3 实验数据theta1=210；theta2=-30；d3=0；theta4 =120；theta5=30；thet

5、a6 = 60；1.4 实验截图1.5 实验心得关节变量值确定时主要确定其旋转或移动时的中心轴即可。第二章 实验二2.1 实验目的理解和掌握 6 自由度机械手雅可比矩阵的计算方法，通过斯坦福机械手的PRO/E 模型在装配运动空间的具体关节速度值，利用 matlab 矩阵计算方法对所学机械手速度分析进行实际验证。2.2 实验步骤（1） 在 PRO/E 装配环境中设定机械手各关节变量值，要求：第一个关节转动角度为 210，第二到第六个关节的变量值在装配空间进行适当的随机确定。（2） 记录下步骤（1）中各个关节变量值，并利用 PRO/E 的拍摄快照功能， 记录所确定的位置。（3） 在 PRO/E 装

6、配环境中设定各个关节的速度值，角速度单位取弧度/秒， 移动关节速度取 mm/秒，要求第 1、2、4、5、6 共五个关节的角速度取值为210（奇数关节角速度取正、偶数关节角速度取负），第 3 个关节是移动关节，移动速度值取为 210。（4） 在 PRO/E 运动仿真环境中测量连杆 6 的坐标原点的速度并记录。（5） 在实验 1 的基础上找到 T0 矩阵，并利用直接求导确定雅可比矩阵的上三行（速度项）和下三行（角速度项）。（6） 利用速度矢量的方法计算雅可比矩阵的前三行（速度项）（7） 在 matlab 中利用所求矩阵计算连杆 6 的坐标原点的速度并记录。（8） 比较步骤（7）和步骤（4）的结果，

7、并进行说明。2.3 实验数据各关节变量值：theta1=210；theta2=-30；d3=0；theta4 =120；theta5=30； theta6 = 60；测得的角度和距离：d2=21mm，theta1=150；theta2=-60；d3=69mm；theta4 =30；theta5=30；theta6 =-120；连杆 6 坐标原点的速度：Vx=166.777mm/s，Vy=-180.583mm/s，Vz=232.4138mm/s2.4 理论计算2.4.1 直接求导法机械手雅克比矩阵即是反应坐标系 6 坐标原点的平移速度变换矩阵 Jv 和坐标系 6 坐标原点的转动角速度变换矩阵 J

8、w 。机械手末端连杆的运动速度可以完全由各个关节的速度来确定，与关节变量有偏导关系。第一行就是 Jv （平移变换矩阵），第二行就是J w（旋转变换矩阵）。雅克比矩阵的变换都是针对坐标系 6 坐标原点的变换，所以雅克比矩阵的X 方向的变61312换就是位姿矩阵T 0 第一行第四列的C S 2d - S d （即为原点的X 方向的变换）对每个关节变量求偏导就是 X 方向平移速度雅克比矩阵；同理，雅克比矩阵T 0y 方向的变换就是位姿矩阵 6 第二行第四列（即为原点的 y 方向的变换）对每个关节变量求偏导就是 y 方向平移速度雅克比矩阵；同理，雅克比矩阵 zT 0方向的变换就是位姿矩阵 6 第三行第

9、四列（即为原点的z 方向的变换）对每个关节变量求偏导就是 y 方向平移速度雅克比矩阵；从而得出平移雅克比矩阵 Jv 。Jw 是雅克比矩阵的旋转速度部分，就是坐标系 6 的坐标原点绕Z1 Z 6 的角速度矢量的矢量和，即就是各个关节 Z 轴相对于基座坐标系的单位向量组成的一个矩阵，从而得出了旋转雅克比矩阵 Jw矢量积法Vr 0由速度合成定理可知： o6rr12VVo6o6rrr345VVVo6o6o6rr6io6V ，其中Vo6 是O6 在对应的连杆 i 坐标系中的牵连速度。所以对于转动关节有：rivi r00Vo6 （Zii v 0Oi O6）qi（ZiP6 ）qi ，其中Zi 就是T i 的

10、 Z 轴变换（即为第三列），P6 为O6 到坐标系i 的坐标原点Oi 的连线矢量在基座标系 0 中的表示。所以可以求得雅克比矩阵。2.4.2 计算过程function Re=result(d2,d3,theta1,theta2,theta3,theta4,theta5,theta6,v1,v2,v3,v4,v5,v6) syms d2 d3 theta1 theta2 theta3 theta4 theta5 theta6 v1 v2 v3 v4 v5 v6; theta1 =210*pi/180;theta2 = -60*pi/180; theta3 = 0;theta4 =30*pi/18

11、0; theta5 =30*pi/180; theta6 = -120*pi/180; d2 = 21;d3 =69;v1=210*pi/180; v2=-210*pi/180; v3=210;v4=-210*pi/180; v5=210*pi/180; v6=-210*pi/180;J=-cos(theta1)*d2-sin(theta1)*sin(theta2)*d3cos(theta1)*cos(theta2)*d3 cos(theta1)*sin(theta2) 0 0 0;-sin(theta1)*d2+cos(theta1)*sin(theta2)*d3sin(theta1)*co

12、s(theta2)*d3sin(theta1)*sin(theta2) 0 0 0;0 -sin(theta2)*d3 cos(theta2) 0 0 0;0-sin(theta1)0-cos(theta1)*cos(theta2)*sin(theta4)-sin(theta1)*cos(theta4)-cos(theta1)*cos(theta2)*sin(theta4)-sin(theta1)*cos(theta4) cos(theta1)*cos(theta2)*cos(theta4)*sin(theta5)-sin(theta1)*sin(theta4)*sin(theta5)+c o

13、s(theta1)*sin(theta2)*cos(theta5);0 cos(theta1)0-sin(theta1)*cos(theta2)*sin(theta4)+cos(theta1)*cos(theta4)-sin(theta1)*cos(theta2)*sin(theta4)+cos(theta1)*cos(theta4) sin(theta1)*cos(theta2)*cos(theta4)*sin(theta5)+cos(theta1)*sin(theta4)*sin(theta5)+s in(theta1)*sin(theta2)*cos(theta5);1 00sin(th

14、eta2)*sin(theta4)sin(theta2)*sin(theta4)-sin(theta2)*cos(theta4)*sin(theta5)+cos(theta5)*cos(theta2);v=v1;v2;v3;v4;v5;v6;Re=J*v;ans =166.7594-180.5765232.4446-5.78354.33690.78562.5 实验总结和结论通过对机械手各参数的控制以及雅克比矩阵的辅助计算，可以很好的控制 需要输出的速度和运动。第三章 实验三3.1 实验目的理解和掌握机械手手腕的腕摆、手转、臂转三种运动，通过所建立的 PRO/E 模型在装配运动空间对三种运动的运

15、动干涉进行分析，利用机械原理相关知 识，通过理论计算运动仿真消除诱导运动。3.2 实验步骤：（1） 在 PRO/E 装配环境中固定机械手的支座、T 轴（行星架）S 轴、设置机械手 B 轴的角速度值 WB，要求：WB 为学号后三位，如 2 班 30 号的同学， 对应角度为 230 度/秒，进行运动仿真，并测量此时腕摆角速度 Wwb 和手转角速度 Wsz，并进行记录。（2） 为了消除手转诱导运动，计算此时 S 轴转动所需角速度，并进行运动仿真验证（若计算正确仿真测量的手转角速度 Wsz 应该=0）。（3） 在 PRO/E 装配环境中固定机械手的支座、B 轴和S 轴、设置机械手T 轴的角速度值 WT

16、，要求：WT 为学号后三位，如 2 班 30 号的同学，对应角度为 230 度/秒，进行运动仿真，并测量此时腕摆角速度 Wwb 和手转角速度Wsz，并进行记录。（4） 为了消除手转腕摆诱导运动，计算此时 S 轴和 B 转动所需角速度，并进行运动仿真验证（若计算正确仿真测量的 Wsz 和 Wwb 均应该=0）。（5） 参考教师提供的屏幕录像文件，进行理论分析。3.3 实验数据（1） 测得 Wwb=Wsz=210/s（2） 计算得 Ws=-210/s，经运动仿真验证Wsz=0（3）设置 WT=210/s，测得Wwb=-840/s，Wsz=-1575/s（4）计算得 WB=840/s，WS=945/

17、s，经运动仿真验证 Wsz=0，Wwb=03.4 理论计算设置 WB=210/s，计算此时腕摆角速度Wwb 和手转角速度 Wsz，为了消除手转诱导运动，计算此时 S 轴转动所需角速度。已知 WB=210/s，则易得支架角度为 210/s，即 Wwb=210/s， 而 S 轴固定，支架与手部齿数比为 1:1，所以有 Wsz=Wwb= 210/s，为了消除手转诱导运动，只需使得 WS=-Wsz=-210/s，则在行星架上观察时Wsz=0。设置 WT=210/s，计算此时腕摆角速度Wwb 和手转角速度 Wsz，为了消除手转腕摆诱导运动，计算此时 S 轴和 B 轴转动所需角速度。已知 WT=210/s

18、，即行星架角速度为 210/s，WB=WS=0，即齿轮固定，齿轮传动比为 1:4，齿轮传动比 1:3.5，相对于行星架有W3=WT*4=840，W4=WT*3.5=735，腕摆也是相对于行星架，Wwb=-WB=-840，手转则是相对于腕摆，有 Wsz=-（W4- Wwb）=-1575为了消除腕摆诱导运动，使 WB=-Wwb=840，而要消除手转则要使WS=-W4-WT=-945.3.5 实验结论机械手的三种运动方式都可以通过改变对 S、T、B 轴输入速度的大小来改变。第四章 实验四4.1 实验目的理解和掌握机械手网络控制的基本程序结构和方法，利用 TCP/UDP 网络调试工具和相关程序联合调试

19、实现 6 自由度机械手关节数据的网络传输，模拟网络机械手的现场工作。4.2 实验步骤（1） 打开 visual studio 2010，选择“文件-打开项目/解决方案”，打开 robot.sln（或者 robot.csproj）文件。（2） 仔细阅读代码，理解程序各个部分的功能（包括网络连接、数据接收、程序界面等）。（3） 运行 TCP&UDP 通讯调试助手，建立 TCP 的服务端。（4） 运行 robot.exe ，输入 TCP&UDP 通讯调试助手的 IP 地址，点击“连接”，观察 TCP&UDP 通讯调试助手界面变化。（5） 打开“数据格式.txt”，文档中：GW01 表示关节 1 位置

20、，GS03 表示关节 3 速度，GL01 表示关节 1 的力矩，GJ05 表示关节 5 的加速度，以此类推。（6） 将“数据格式.txt”文档中的 GW01GW06 以及 GS01GS06 修改为本人实验 1、2 中斯坦福机械手的关节位置值和速度值，并将其拷贝到“TCP&UDP 通讯调试助手”的编辑栏内，点数据发送，观察 robot.exe 中程序界面变化。（7） 理解和消化程序运行流程，并对相关代码进行分析（8） 将程序界面的机械手图片 logo 更改为斯坦福机械手的图片 logo4.3 实验截图（1） 打开文件，阅读代码，理解功能（2） 运行 robot.exe，连接 TCP&UDP 通讯调试助手(3)发送斯坦福机械手的关节位置值和速度值4.4 实验结论利用 TCP/UDP 网络调试工具和相关程序联合调试,可实现对机械手相关参数的数据传输。参考文献1.工业机器人学生实验心得学生（签名）： 年月日指导教师评语成绩评定：指导教师（签名）： 年月日