六自由度机器人认知实验.docx

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六自由度机器人认知实验

实验二六自由度串联机器人认知实验

一．实验目的

1.了解串联机器人的机构组成；

2.了解机器人机械系统各部分的原理及作用；

3.认识RBT机器人的运动特点及控制原理

4.掌握机器人单轴运动的方法。

5.

二．实验设备和工具

1、RBT-6T/S03S教学机器人一台；

2、RBT-6T/S03S教学机器人控制系统软件一套；

3、RBT-6T/S03S教学机器人控制柜一台；

4、装有运动控制卡计算机一台；

5、机器人气动手爪一套。

三．实验原理与方法

1,RBT教学机器人的性能指标

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、示教再现机器人和智能机器人等。

如图2-1所示，本实验所使用的RBT机器人为6自由度串联关节式机器人，即机器人各连杆由旋转关节串联连接，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。

关节的传动采用模块化结构，由锥齿轮、同步齿型带和谐波减速器等多种传动结构配合实现。

机器人各关节采用伺服电机和步进电机混合驱动，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。

RBT机器人技术参数如下：

机构形态

串联关节型

自由度

6

负载能力

10Kg

动作范围

关节Ⅰ转动

-150°～+150°

关节Ⅱ转动

-150°～-30°

关节Ⅲ转动

+50°～-70°

关节Ⅳ转动

-150°～+150°

关节Ⅴ转动

-90°～+90°

关节Ⅵ转动

-180°～+180°

最大速度

关节Ⅰ转动

60o/s

关节Ⅱ转动

60o/s

关节Ⅲ转动

60o/s

关节Ⅳ转动

60o/s

关节Ⅴ转动

60o/s

关节Ⅵ转动

60o/s

本体重量

≤150Kg

安装环境

温度

0～+45℃

湿度

20～80％不结露

振动

0.5G以下

其它

避免易燃、腐蚀性气体、液体

勿溅水、油、粉尘等

勿接近电器噪声源

电源容量

三相380V50Hz2KVA

2,机器人机械系统组成

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2-2所示。

Ⅰ关节传动链主要由伺服电机、减速器构成。

Ⅱ关节传动链主要由伺服电机、减速器构成。

Ⅲ关节传动链主要由步进电机、同步带、减速器构成。

Ⅳ关节传动链主要由步进电机、减速器构成。

Ⅴ关节传动链主要由步进电机、同步带、减速器构成。

Ⅵ关节传动链主要由步进电机、同步带、减速器构成。

在机器人末端还有一个气动夹持器。

图2-2机器人传动简图

下面对在RBT-6T/S03S六自由度教学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:

（1）同步齿型带传动

同步齿型带传动是通过带齿与轮齿的啮合传递运动和动力，如图2-2所示。

与摩擦型带传动相比，同步带传动兼有带传动、链传动和齿轮传动的一些特点，与一般带传动相比具有以下特点：

1）、传动比准确，同步带传动是啮合传动，工作时无滑动；

2）、传动效率高，可达98%以上，节能效果明显；

3）、不需依靠摩擦传动，预紧张力小，对轴和轴承的作用力小，带轮直径小，所占空间小，重量轻，结构紧凑；

4）、传动平稳，动态特性良好，能吸振，噪音小；

5）、齿型带较薄，允许线速度高，可达50m/s；

6）、使用广泛，传递功率由几瓦至数千瓦，速比可达10左右；

7）、使用保养方便，不需要润滑，耐油、耐磨性和抗老化好，还能在高温、灰尘、水及腐蚀介质等恶劣环境中工作；

8）、安装要求较高，两带轮轴心线平行度要高，中心距要求严格；

9）、

带和带轮的制造工艺复杂、成本高。

尽管如此，同步带传动不失为一种十分经济的传动装置，现已广泛用于要求精密定位的各种机械传动中。

（2）谐波齿轮传动

谐波齿轮传动由三个基本构件组成：

1）、谐波发生器（简称波发生器）——是由凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内）；

2）、刚轮——是刚性的内齿轮；

3）、柔轮——是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。

以上三个构件可以任意固定一个，成为减速传动及增速传动；或者发生器、刚轮主动，柔轮从动，成为差动机构（即转动的代数合成）。

谐波传动工作过程如下图2-3所示，当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，使长轴附近柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮出）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处于完全的脱开状态。

波发生器通常为椭圆形的凸轮，凸轮位于薄壁轴承内。

薄壁轴承装在柔轮内，此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。

这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出；有的逐渐进入刚轮齿间，处在半啮合状态，称之为啮入。

波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。

这种现象称之为错齿运动，正是这一错齿运动，使减速器可以将输入的高速转动变为输出的低速转动。

谐波齿轮传动的特点：

1）、传动比大、单级传动比为70～320；

2）、侧隙小。

由于其啮合原理不同于一般齿轮传动，侧隙很小，甚至可以实现无侧隙传动；

3）、精度高。

同时啮合齿数达到总齿数的20%左右，在相180°的两个对称方向上同时啮合，因此误差被平均化，从而达到高运动精度；

4）、零件数少、安装方便。

仅有三个基本部件，且输入轴与输出轴为同轴线，因此结构简单，安装方便；

5）、体积小、重量轻。

与一般减速器比较，输出力矩相同时，通常其体积可减小2/3，重量可减小1/2；

6）、承载能力大。

因同时啮合齿数多，柔轮又采用了高疲劳强度的特殊钢材，从而获得了高的承载能力；

7）、效率高。

在齿的啮合部分滑移量极小，摩擦损失少。

即使在高速比情况下，还能维持高的效率；

8）、运转平稳。

周向速度低，又实现了力的平衡，故噪声低、振动小；

9）、可向密闭空间传递运动。

利用其柔性的特点，可向密闭空间传递运动。

这一点是其它任何机械传动无法实现的。

（3）齿轮传动

齿轮传动的特点：

1）、瞬时传动比恒定。

非圆齿轮传动的瞬时传动比又能按需要的变化规律设计；

2）、传动比范围大，可用于减速或增速；

3）、速度（指节圆圆周速度）和传动功率的范围大，可用于高速（v>40m/s）、中速和低速（v<25m/s）的传动；功率可从小于1W到105Kw；

4）、传动效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上；

5）、结构紧凑，适用于近距离传动；

6）、制造成本较高，某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因需要专用或高精度的机床、刀具和量仪等，故制造工艺复杂，成本高；

7）、精度不高的齿轮，传动时噪声、振动和冲击大，污染环境；

8）、无过载保护作用。

（4）RV传动

RV传动是在摆线针轮传动基础上发展起来的一种新型传动，它具有体积小，重量轻，传动比范围大，传动效率高等一系列优点，比单纯的摆线针轮行星传动具有更小的体积和更大的过载能力，且输出轴刚度大，因而在国内外受到广泛重视，在日本机器人的传动机构中，已在很大程度上逐渐取代单纯的摆线针轮行星传动和谐波传动。

RV传动原理如图2-5所示，它由渐开线圆柱齿轮行星减速机构和摆线针轮行星减速机构二部分组成．渐开线行星齿轮2与曲柄轴3连成一体,作为摆线针轮传动部分的输入,如果渐开线中心齿轮1顺时针方向旋转,那么渐开线行星齿轮在公转的同时还有逆时针方向自转,并通过曲柄轴带动摆线轮做偏心运动,此时,摆线轮在其轴线公转的同时,还将反向自转,即顺时针转动.同时还通过曲柄轴推动钢架结构的输出机构顺时针方向转动.

RV传动作为一种新型传动,从结构上看,其基本特点可概括如下:

1）、如果传动机构置于行星架的支撑主轴承内，那么这种传动的轴向尺寸可大大缩小；

2）、采用二级减速机构，处于低速极的摆线针轮行星传动更加平稳，同时，由于转臂轴承个数增多且内外环相对转速下降，其寿命也可大大提高；

3）、只要设计合理，就可以获得很高的运动精度和很小的回差；

4）、RV传动的输出机构是采用两端支承的尽可能大的钢性圆盘输出结构，比一般摆线减速器的输出架构（悬臂梁结构）具有更大的刚度，且抗冲击性能也有很大提高；

5）、传动比范围大，因为即使摆线轮齿数不变，只改变渐开线齿数，就可以得到很多的速比。

其传动比为i=31～171；

6）、传动效率高，其传动效率为η=0.85～0.92。

3,机器人单轴运动

1、连接好气路，启动气泵到预定压力

2、启动计算机，运行RBT-6T/S03S教学机器人软件“RBT6TS3S.exe”，出现如图2-6所示主界面；

3、连接好控制柜电源，打开控制柜门，合上断路器，关闭控制柜门；

4、开启“电源开关”，按下“启动按钮”；

5、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，六个关节全部运动完成后，系统会提示您机器人复位完成，机器人处于零点位置；

6、点击“关节运动”按钮,出现如图2-6所示界面；

7、选择“关节Ⅰ”，关节方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取-120度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅰ关节运动情况；

8、选择“关节Ⅰ”，关节方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，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“立即停止”按钮；

9、选择“关节Ⅱ”，关节方向选择“正向”，启动方式选择“匀速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取30度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅱ关节运动情况；

10、选择“关节Ⅱ”，关节方向选择“反向”，启动方式选择“匀速”，运动方式选择“速度模式”，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“立即停止”按钮；

11、选择“关节Ⅲ”，关节方向选择“正向”，启动方式选择“加速”,运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取30度，点击“启动”按钮,观察机器人第Ⅲ关节运动情况；

12、选择“关节Ⅲ”，关节方向选择“反向”，启动方式选择“加速”,运动方式选择“速度模式”，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“立即停止”按钮；

13、选择“关节Ⅳ”，关节方向选择“正向”，启动方式选择“匀速”,运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取60度，点击“启动”按钮,观察机器人第Ⅳ关节运动情况；

14、选择“关节Ⅳ”，关节方向选择“反向”，启动方式选择“匀速”，运动方式选择“速度模式”，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“立即停止”按钮；

15、选择“关节Ⅴ”，关节方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取60度，点击“启动”按钮,观察机器人第Ⅴ关节运动情况；

16、选择“关节Ⅴ”，关节方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮观察机器人第Ⅴ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；

17、选择“关节Ⅵ”，关节方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取60度，点击“启动”按钮,观察机器人第Ⅵ关节运动情况；

18、选择“关节Ⅵ”，关节方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮观察机器人第Ⅵ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；

19、点击“退出”按钮，退出关节运动界面；

20、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；

21、按下控制柜上的“停止按钮”,关闭“电源开关”；

22、关闭控制柜内的断路器；

23、关闭RBT-6T/S03S教学机器人软件“RBT6TS3S.exe”，关闭计算机。

注意事项

1、实验前确保机器人各电缆正确连接；

2、在老师的指导下进行实验；

3、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；

4、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关（SB3按钮）；

5、系统启动顺序是先启动计算机和软件，然后机器人通电，断电时先断开机器人电源，再关闭软件和计算机，否则可能引起机器人误动作，造成人身伤害和设备损坏。

四．实验内容与要求

1.观察机器人机械结构，电气线路硬件情况。

绘制机器人结构简图。

2.手动操作机器人，观察关节动作及手部位姿状态。

五．思考题

1，机器人各关节相对运动间的原点位置是如何保证的？

2，机器人工作过程中，手部位姿是如何保证的？

3，当机器人末端沿已知路径运动时，各关节输入量是怎样产生的？

4，机器人各关节的运动范围超限报警是怎样实现的？