机械工程实验.docx
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机械工程实验
《机械工程实验》
机械人机构设计与创新实验
实验指导说明书
指导老师：
蔡书平
小组成员：
牛华英
沈俊飞
郭之雷
李政
左思佳
尹新宇
一、机器人概述………………………………………………………1
二、实验目的……………………………………………………………6
三、实验原理………………………………………………………………7
四、实验设备………………………………………………………………15
五、机器人终端执行机构运动………………………………………21
六、机器人终端执行机构运动设计…………………………………23
七、机器人终端执行机构参数分析…………………………………25
八、创新部分………………………………………………………………27
九、实验心得………………………………………………………………29
十、参考书目………………………………………………………………30
一、机器人概述
1．机器人背景
概念：
机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。
它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。
它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
用途：
机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。
在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。
分类：
家务型机器人：
能帮助人们打理生活，做简单的家务活。
操作型机器人：
能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
程控型机器人：
按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。
示教再现型机器人：
通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。
数控型机器人：
不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。
感觉控制型机器人：
利用传感器获取的信息控制机器人的动作。
适应控制型机器人：
能适应环境的变化，控制其自身的行动。
学习控制型机器人：
能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。
智能机器人：
以人工智能决定其行动的机器人。
我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。
所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：
服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。
在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。
目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：
制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。
空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。
80多年来，世界无人机的
发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。
2．我们的机器人
针对我们专业水平和实用性，我们组要研究的是面向工业的多自由度机器人机器人。
它主要由两部分组成：
主体部分和控制系统。
1）主体部分（如图一）：
由立柱、大臂、小臂、手腕、手爪等五个部分组成，各关节均采用步进电机经谐波减速器或同步绳轮驱动。
图一：
机器人主体部分实物
2）控制系统（如图二）：
由计算机、示教操作盒、控制电柜等几部分组成。
图二：
机器人控制系统组成
二、实验目的
1．了解机器人控制实验台机电一体化实验系统。
2．掌握机器人的基本操作方法、运动特点和运动规律。
3．掌握机器人编程的示教编程和文本编辑编程。
4．学习运用ADAMS软件绘制机器人模型并分析其参数。
三、实验原理
编好程序，程序给出输入指令信号，计算机中软件及控制柜中NC板解释指令信号并控制各轴芯片发出脉冲信号，驱动电机运转，从而使机器人各关节运动。
图三:
机器人的信号传递与控制图
1.示教盒操作
当按下“+JOG”键后教学机器人示教操作盒的操作信号通过电缆传输到控制电柜，220v电源为机器人的控制提供强电，
它把控制单元和示教操作盒送来的命令和操作通过NC板解释指
令信号，并转换为控制机器人动作的信号，控制电柜通过“机器人互连”插头由连接电缆连接到机器人尾部的插头上。
然后把这个信号送到固定在机器人主体上的步进电机。
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，将电脉冲转换成相应的角位移或线位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步距角）。
它可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
通过以上介绍可知，当这个信号传输到步进电机，首先经过脉冲分配器的处理，（脉冲分配器的作用就是将控制装置送来的一系列指令脉冲，按照一定的顺和分配方式送给步进电机各相绕组，使其各相绕组按照预先规定的控制方式通、断电。
）形成环形脉冲信号，再经过功率放大器放大脉冲信号，对步进电机进行控制，将电脉冲转换成相应的角位移，角位移与输入脉冲个数成严格的正比关系.每输入一个电脉冲就旋转一定角度。
图四：
步进电机原理图
接着，这个运动传递到谐波减速器，（谐波减速器一种独特的精密减速器，它由波发生器、柔轮和刚轮3个基本部分组成，通过独特的机构实现高精度的传动控制。
谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的。
）谐波减速器的刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态。
由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。
由于柔轮比刚轮的齿数少2，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比，形成差动传动。
谐波减速器带动绳轮，从而使绳轮驱动带动机器人的相应关节转动，实现一定的轨迹。
2.示教编程操作
程序
示教盒手动操作以外，还需要掌握编程操作.由于机器人的关节坐标和直角坐标之间的关系一般很难凭感觉确定，直接输入关节值编程几乎不可能；又由于机器人的运动范围一般不是矩形区
域，直接输入直角坐标可能造成机器人超出运动范围，因此，机器人一般应具有示教编程功能。
另外当机器人工作于恶劣环境下，人很难靠近目标点时，示教编程功能更是必不可少。
首先让我们了解程序结构形式：
一个机器人程序是一组被传送到控制系统中去的指令和数据。
HNC-1R教学机器人程序是由遵循一定结构、句法和格式规则的若干个程序段组成的。
而每个程序段是由一个程序段号、一定指令字和若干个指令参数组成的。
程序
程序起始符
%1000
N10SPEED700
N20MOVEJ{19.000,20.470,0.000,0.000,0.000}
N30
N40
N60END
程序段
指令字符
程序结束符
HNC-1R教学机器人的编程指令表
指令字
功能
指令参数
MOVE
LINE
ARCvia_to_
CIRCLEvia_und_
关节移动命令
空间直线移动命令
空间圆弧运动命令
空间整圆运动命令
目标点坐标：
地址符＋数字
目标点坐标：
地址符＋数字
中间点及目标点坐标：
地址符＋数字
第一及第二中间点坐标：
地址符＋数字
SPEED
运行速度
数字
DELAY
延时等待
时间（ms）：
数字
HOMEvia
自动返回参考点
中间点坐标：
地址符＋数字
OPEN
CLOSE
打开机械手
关闭机械手
无
无
WAIT
NWAIT
精确停止校验
连续方式校验
无
无
GOSUB
RET
调用子程序
从子程序返回
子程序号：
0～9999
无
END
程序结束
无
由以上表可进行示教编程。
（HNC-1R教学机器人的控制可在关节空间或笛卡尔空间下进行，相应的空间任意一点坐标值有关节空间和笛卡尔空间坐标两种表示形式。
关节空间坐标是以每个关节所在的轴为参考对象，因为轴长不变，所以其运动曲线为圆弧，表示每个关节所在位置。
笛卡尔空间坐标以空间原点为参考对象，表示手爪所在位置。
它们受臂长限制，运动范围有限.）
关节空间坐标
A_B_C_D_E_,A、B、C、D、E、为关节坐标轴名，其后数字表示相应的关节坐标值。
J{_,_,_,_,_}J表示关节坐标，其后表示关节坐标轴A、B、C、D、E的坐标值。
笛卡尔空间坐标
X
示X_Y_Z_P_R_,X、Y、Z后面的数字表示终端执行器在空间的位置，P后的数字表示端执行器绕Y轴转动的角度、R后的数字表示端执行绕Z轴转动的角度。
P{_,_,_,_,_}P表示笛卡尔空间坐标。
其后的数字表示笛卡尔空间坐标轴X、Y、Z、P、R的坐标值。
3．文本编程操作
示教编程完后，运行程序，由计算机把程序指令在计算机软件中翻译成机器指令，传输到控制柜中，控制柜中NC板解释指令信号，并把指令信号传输到步进电机，控制电机按指令运动，相应的带动谐波减速器转动，最终由绳轮驱动带动机器人的相应关节转动，实现一定的轨迹。
后面的过程与示教操作盒操作机器人时一样，不再细说。
示教编程熟练后，进行文本编辑编程。
文本编辑编程与示教编程过程相类似，只不过是自己完全编写程序，并不通过示教操作盒辅助编程。
由计算机编好程序，检查无误后，在自动状态下运行程序，由计算机给出输入指令信号传输到计算机中软件及控制柜中NC板，并在计算机中软件及控制柜中NC板解释指令信号并把指令信号控制各轴芯片发出脉冲信号，驱动电机运转，从而使机器人各关节运动。
4步进电机原理
结构：
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图
旋转：
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。
如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。
如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て
这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。
如按A，C，B，A……通电，电机就反转。
四、实验设备
HNC-1R教学机器人1台，模型棒4个、弹坑模型盒1只。
HNC-1R教学机器人由实验台机器人主体、示教操作盒、控制电柜、计算机等部分组成，通过连接电缆连成一体。
1．机器人本体：
立柱、大臂、小臂、手腕、手爪等五个部分组成，各关节均采用步进电机经谐波减速器或同步绳轮驱动。
机器人的主体包含的重要元件，如：
步进电机.环形脉冲分配器.以及谐波齿轮减速器等等。
这些元件的具体原理和结构在实验原理中已有介绍。
1）轴的具体参数：
自由度（轴）数5
机械结构形式立式关节形
连杆长或高连杆1360mm
连杆2280mm
连杆3220mm
连杆4150mm
负荷能力2kg
重复定位精度±0.5mm
驱动电机步进电机
总重量（约）40kg
2）轴的运动平面图：
机器人的作业空间图
运动范围：
轴A（立柱）-120°~+140°
轴B（大臂）+3°~+135°
轴C（小臂）-63°~+50°
轴D（手腕）-68°~+88°
轴E-154°~+170°
3）机器臂驱动示意
根据上图可得，当A轴转动的信号传到机器人，先由步进电机A接到信号，A轴转动，其他相对不动。
当B轴转动的信号传到机器人，先由步进电机B接到信号，B轴转动，其他相对不动。
当C轴转动的信号传到机器人，先由步进电机C接到信号，通过绳轮带动C轴（即小臂）转动，其他相对不动。
当D轴转动的信号传到机器人，先由步进电机D接到信号，通过一级绳轮传动到二级
绳轮，再由二级绳轮带动D轴（即手腕）转动，其他相对不动。
当E轴转动的信号传到机器人，先由步进电机E接到信号，通过电磁感应使手爪收合，其他相对不动。
2、示教操作盒
如图所示，示教操作盒通过连接电缆直接连于控制电柜后面的“示教盒互连”插头上。
示教操作盒用于直接控制机器人的动作及获取示教编程位置。
HNC－1R教学机器人示教操作盒
使用教学机器人示教操作盒操作机器人时，在方式选择开关处选择运动轴对应波段，然后在速度选择开关处选择运动轴的运
动速度，此时在点动运行方式下，按压“+JOG”或“－JOG”，由坐标轴选择开关选择的轴将向正向或负向产生连续移动，松开“+JOG”或“－JOG”即减速停止。
点动运行的速率为最大运行速率的
乘以“自动点动修调”开关选择的倍率。
若同时按下/“－JOG”和“快进”键，则产生所选坐标轴的正向或负向快速运动。
此时JOG速率为最大运行速率乘以点动倍率。
3．控制电柜
控制电柜把控制单元和示教操作盒送来的命令和操作转换为控制机器人动作的信号送到固定在机器人主体上的步进电机，经谐波减速器和绳轮驱动带动机器人关节转动。
控制电柜由一块NC主板和五块控制电板以及若干继电器组成，五块控制电板分别负责控制A、B、C、D、E五个关节的步进电机。
五、机器人终端执行机构运动
我们在了解了机器人的结构和基本工作原理之后，自己动手进行试验操
作。
让机械手实现抓取零件然后移动放置到规定的位置最后回复到初始位置的一系列动作。
下图为部分操作程序：
虽然这操作看上去很简单但是在实际的操作过程中我们还是发现了很多问题，例如如何准确把手爪部分移动到零件正上方，然后
实现垂直下降，因为机械手的运动都是圆周的，而且由3个大臂加可转动的底座构成，要使运动按我们预想的路线运行难度还是会比较大的。
所以我们只能一步步慢慢调试，积累经验。
经过多次失败的尝试之后，终于能够把手爪基本准确地运动到我们所需要的位置。
但是新的问题又出现了，两指的手爪部分夹取零件时并不能抓得很紧。
而且即使夹紧了，在上升的过程中因为运行不了直线，所以还是会使零件碰触到边上的物品，造成零件的脱落，让人很沮丧。
于是，我们便重新设计路线，经过集体讨论，选择出一条最合理的路线，尽量让零件被夹紧，并且不与边上物品发生碰触，这样才暂时解决了抓取这一步的问题。
最后是把零件放在指定的位置，然后机械手回到初始位置。
这一步看似简单，不过也需要小心翼翼，尤其是把零件放定后把手爪移回的过程，要仔细地让手爪慢慢从零件两边抽离，一个不小心就会碰到零件，造成不必要的碰触移位，就功亏一篑了。
解决了这么多问题，我们才最终完成了这一操作，并把操作程序和整个运动过程拍了下来。
六、机器人终端执行机构运动设计
根据机器人实物:
用ADAMS软件建立机器人模型:
七、机器人终端执行机构参数分析
在运动参数分析的过程中，采用了一种处理问题的方法，称为控制变量法。
即先让其余的构件都铰接，而只让一个构件运动（在所要求的范围内），从而绘出终端执行器的运动参数曲线。
该工业机器人的主要功能是抓取物品，通过在建立好的模型中，调整好各个步进电机的转速，对抓取好物品的机器人各个手臂的运动进行模拟，获取夹持物体的手爪的位移，速度，加速度图线后，对其进行分析如下
位移图像：
速度图像：
加速度图像：
由图中数据可以看出：
虽然位移的变化量很小，但还是存在保持恒定的加速度和随之缓慢变化的速度，在整体位移量大，精度不高的情况下，可以将其忽略。
八、创新部分
针对现有的机械手的不足之处的分析：
1.运动范围具有局限性，现有的机械手只能依靠搬运才能移动到其他地方进行操作。
而这种搬运过程无法做到平动，会带来物品某空间位置上不必要的变动。
针对这一问题，我们小组讨论，在底座上加上4个轮子。
首先保证底座的稳定，然后让其具有可移动的功能。
而且，可以满足平动的要求，使在移动过程中不带来竖直方向上的不必要移动。
另外，小轮子是固定在一块可以转动的架座上，这样小轮在水平方向上可以360度转动，能够满足最大的空间移动要求。
当不需
要移动时，也可以把小轮卸下来，底座下方的小橡皮垫可以保证整个机器人的稳定。
2.手抓部分两个手指的造型，在实际的操作中，很容易造成夹持不稳。
针对这一问题，我们讨论决定把手爪部分改为4指，并且改变原来两指水平往中间夹紧的工作方式，改成4指向平面中心抓紧的方式。
这样使被夹物体受力更多更集中，更易于被夹紧。
同时，这样的方式也能夹取一些特殊形状的物品，例如球状的物品也能轻松夹起。
所以，改成这样的造型既增加了其功能，同时也使原夹取物品的功能更可靠。
九、实验心得
经过十多周的机械实验课程，我们学到的不仅是如何操作机器人，对机械人进行软件建模分析更多的是激发了我们自己动手研究和创作的兴趣。
在操作机器人的过程里，我们感受到了机器人的便利，同时也体会到了机器人设计师的用心，联想到我们自己，以后在工作和生活中也可以学习这一思维方式，为自己为他人带来便利。
另外，对机器人的建模分析让我们知道这一简单的工业机器人实际上是非常复杂的，看到分析出来的各项数据，可以更直观地得到机器人的各项性能指标，再与机器人的工作方式进行对比，发现只有充分了解其性能和特点，才能让机器人在工作中发挥最大的功用，创造最多的便利。
我们学习了ADAMS这款软件，深刻感受到了它的方便，尤其是对于各项数据的分析，让抽象的性能立即变得清楚明了。
对于我们机械专业的学生，熟练掌握各种好的机械设计软件是非常必要的，而ADAMS就是这么一款软件，虽然现在我们只能运用其一部分的功能可使已经足够让我们感受到其便利与强大的功能，也让我们有兴趣继续学下去，以至熟练掌握。
另外，在这么久的团队合作中我们也学到很多。
团队创作可以很好地整合每个人的能力，以发挥各自优势，使大家的力量聚集到最大。
我们分成了建模分析，论文创作和PPT答辩三个小组，分配了各自任务，同时进行创作工作，既节省了时间，也使大家都发挥了所长。
以
后的工作中肯定不会是孤军奋战，与人合作往往比一个人埋头苦干更能显示出效果。
所以这次的团队合作是一次很好的积累经验的机会，通过这次实验，每个人都有了自己的收获。
十、参考书目
（1）机器人实验台指导书交大教材科
（2）机器人运动学及动力学王庭树西安电子科技大学出版社1990年
（3）机器人应用技术孟繁华哈尔滨工业大学出版社1989年
（4）虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践王国强西北工业大学出版社2002
组员个人小结：
个人小结
通过一个学期的机械工程试验课程，我受益良多。
首先，对机械这么课程有了更加深入全面的了解。
在对机器人的程序操控，模型建立和运动分析这一系列过程中，我得以深入全面地对机器人的构造，机械运动进行了了解。
以前对于机械的概念仅限于一些参观实验，只有个模糊的概念，对机械机构的具体构造和运行没有一个成熟的概念。
而这次通过对机器人的具体结构，内部系统，动力传输系统，操作方式等的分析，对整个机器人机构有了很全面的认识。
其次，自己也进行了思考，创新一些机械来解决生活中的实际问题。
我自己就通过在生活中的观察，发现了一个实际问题，然后产生了做一个简易床的概念。
众所周之，现在这个寸土寸金的社会中买套房子并不是件容易的事，所以很多家庭就存在着房子空间拥挤的问题，当有客人来家中做客时问题会更凸显，而我这简易床就是为了解决空间问题，同时也不打乱原来的房间装饰风格，即便利又不失时尚。
这简易床是通过机构连接很安全地立着贴在墙边的，需要用时只需用手下拉即可，而其上的机构可以保证床下倒的速度较慢，以达到安全可靠的目的。
这样，平时立着节约空间，用时只需一拉，简单方便。
而对于关键部位，即连接机构，我也有好多思考。
一开始打算用电动机控制一根固定在床身上的轴以带动床身的运动。
后来为了节约成本，也使结构更简单，我又考虑了用曲柄摇杆机构来替代，利用该机
构的急回特性等来满足设计对安全，快速的要求。
很可惜最后由于一些问题没通过小组讨论，不过我通过了自己的系统全面思考，对整个
机构概念有了清晰的了解，积累了经验。
再次，我接触了ADMAS软件，并用这款软件进行绘制，建模和运动分析，虽然只是很基础很简单的操作，但是依旧能感受到软件的便利性和其强大的功能。
作为一名机械学生，对各种常用机械软件的掌握是必备的，所以对于ADMAS的掌握与熟悉是非常有必要的。
基于这些点，我们便很认真地学习了这款软件。
下图就是我在学习ADMAS时做的凸轮零件图及相应的运动分析。
最后是对整个实验过程的心得。
我们通过了近一个学期去完成这一试验，通过了一个严谨而紧凑的过程，从开始的自我构思，小组讨论确定主题，再到示教操作，建模分析，最后编写论文，PPT答辩，每一步都要付出热情，都要认真仔细。
小组各位成员都发挥各自所长才最后汇聚成了我们的试验成果。
整个过程示一个团队合作的过程，每个人必须做好自己分配的任务，同时也可以协助其他成员以完成好所有任务。
学会与他人合作使我们走入社会后必须学会的，这次就是一个很好的锻炼。
完成这个实验离不开同学的无私帮助和老师的热心指导，所以在此我想对大家说一声感谢。
机自87班李政
学号08102010
机械设计实验思想小结
这次的课程可以算是我们学机械的在迈向工作岗位上的一次帮助，学校选在大三的时候给我们这样的一门课程，无论是在我们对前两年所学的知识的一次总结和应用，也是对我们在以后的工作中的团队合作和动手操作的许多方面的一个考验。
在这次活动中，我在团队中进行建模活动，很惭愧，我并没有起到很大的作用，很大一部分是我们组的另一位建模同学做的，但是我还是学到了很多东西，尤其是对adams的建模和运动分析有了和大程度上的了解。
对于我们建模的机器人，开始我以为是一个很复杂的机构，可是经过老师的教导，和我们的实际操作，我们发现机器人并不是那么的神秘，其实很大一部分都是我们平时见过的机构，并且各个部分的工作原理也并不是那么复杂，我们还编写了对机械手臂下命令的程序，并成功的将物品送到了指定的位置。
在编程过程中，我们发现对于机械手臂的控制需要对实际情况进行考虑，否则有可能使机械手超过活动范围而无法控制。
总之，在这次活动中，我学到二楼很多东西，无论是从知识上还是在人际关系上，我感觉都有了很大的进步。
在建模方面，我以前从未接触过adams这款软件，我需要从最简单的建模开始，一步一步的深入，了解怎样建模，怎样仿真，怎样进行线元分析，对这款软件的使用越来越得心应手。
我在建模的学习中进行了曲柄四杆机构和凸轮机构的建模分析练习。
题目：
曲柄AC以角速度beta＝60
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