机器人实验指导书.docx

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机器人实验指导书

实验1机器人机械系统

一、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和作用；

3、掌握机器人单轴运动的方法；

二、实验设备

1、RBT-5T/S02S教学机器人一台

2、RBT-5T/S02S教学机器人控制系统软件一套

3、装有运动控制卡的计算机一台

三、实验原理

RBT-5T/S02S五自由度教学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。

图2-1机器人的传动简图

Ⅰ关节传动链主要由伺服电机、同步带、减速器构成，Ⅱ关节传动链有伺服电机、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、公布戴、减速器构成，Ⅴ关节传动链主要由步进电机、同步带、锥齿轮、减速器构成在机器人末端还有一个气动的夹持器。

本机器人中，远东部件包括步进电机河伺服电机两大类，关节Ⅰ、Ⅱ采用交流伺服电机驱动方式：

关节Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ采用步进电机驱动方式。

本机器人中采用了带传动、谐波减速传动、锥齿轮传动三种传动方式。

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-5T/S02S五自由度教学机器人中采用的各种传动部件的工作原理及特点作一简单介绍。

1、同步齿形带传动

同步齿形带是以钢丝为强力层，外面覆聚氨酯或橡胶，带的工作面制成齿形（图2-2）。

带轮轮面也制成相应的齿形，靠带齿与轮齿啮合实现传动。

由于带与轮无相对滑动，能保持两轮的圆周速度同步，故称为同步齿形带传动。

同步齿形带传动如下特点：

　　1.平均传动比准确；

　　2.带的初拉力较小，轴和轴承上所受的载荷较小；

　　3.由于带薄而轻，强力层强度高，故带速可达40m/s,传动比可达10，结构紧凑，传递功率可达200kW，因而应用日益广泛；

　　4.效率较高，约为0.98。

　　5.带及带轮价格较高，对制造安装要求高。

　　同步齿形带常用于要求传动比准确的中小功率传动中，其传动能力取决于带的强度。

带的模数m及宽度b越大，则能传递的圆周力也越大。

图2-2同步齿形带传动结构

2.谐波传动

谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。

谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。

（一）传动原理

图2-3谐波传动原理

图2-3示出一种最简单的谐波传动工作原理图。

 它主要由三个基本构件组成：

（1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）2，它相当于行星系中的中心轮；

（2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）1，它相当于行星齿轮；

（3）波发生器H，它相当于行星架。

作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。

（二）特点

1．承载能力高谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。

2．传动比大单级谐波齿轮传动的传动比，可达i=70～500。

3．体积小、重量轻。

4．传动效率高、寿命长。

5．传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。

6．由于柔轮承受较大的交变载荷，因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。

谐波减速器在国内于六七十年代才开始研制，到目前已有不少厂家专门生产，并形成系列化。

广泛应用于电子、航天航空、机器人等行业，由于它的独特优点，在化工行业的应用也逐渐增多。

3、齿轮传动

齿轮传动是机械传动中最主要的一种传动型式，历史悠久，应用非常广泛。

齿轮传动的优点主要是：

1.传动的适用功率和传动速度范围广，从极小到10万kW，从极低到40m/s以上。

2.传动平稳，传动比恒定。

3.传动效率高，可达99%。

4.结构紧凑，传动方式多样。

就齿轮传动装置的密封形式来说，分为开式、半开式及闭式三种；就使用情况来说，有低速、高速及轻载、中载、重载之别；就齿轮热处理的不同，齿轮又分为硬齿面齿轮（如经整体或渗碳淬火、表面淬火或氮化处理，齿面硬度HRC>55）、中硬齿面（齿轮经过整体淬火或表面淬火，齿面硬度大约载55>HRC>38，HB>350）和软齿面齿轮（如经调质、常化的齿轮，齿面硬度HB<350）。

四、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在机器人系统中的工作状况。

2、连好控制柜的电源，开启计算机后，旋转控制柜上面的钥匙，开启电源开关，等待控制柜的报警指示灯变灰后，按下教学机器人控制柜的伺服开启按钮，等待变绿后方可操作。

3、运行RB5T/S02S五自由度教学机器人软件，进入控制主界面；

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，五个关节全部运动完成后，机器人处于零点位置。

5、点击运动测试按钮，进入运动测试窗口。

6、分别选择各个关节，关节方向选择正向，运动模式选择相对位置运动，加速曲线选择梯形，点击启动按钮观察机器人关节运动情况。

五、注意事项

1、实验前确保机器人各连接电缆正确连接；

2、应该在老师的指导下进行实验；

3、机器人上电后，请千万注意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，要及时按下控制柜的急停开关。

实验2机器人示教编程与再现控制

一、实验目的

l、了解机器人示教与再现的原理:

2、掌握RBT系列机器人示教和再现过程的操作方法。

二、实验设备

l、RBT-4T/S02S教学机器人一台

2、RBT-4T/S02S教学机器人控制系统软件一套

3、装有运动控制卡的计算机一台

4、气动手爪一套

三、实验原理

机器人的示教、再现是示教再现型机器人实现机器人作业的两个过程。

在示教过程中，操作者通过示教盒或计算机屏幕上的示教界面操作机器人运动，计算机系统内安装的示教软件将机器人运动轨迹各段的起点和终点、运动类型、运动速度等信息自动地记录在计算机存储器中:

在再现过程中，重放存储器中存储的各段轨迹的运动类型和运动速度，并通过插补算法计算出各段轨迹的起点和终点中间的各个位置点，作为电机伺服系统的指令，从而再现示教过的作业程序。

如需更改作业程序时，则需重新完成示教和再现的操作。

四、实验步骤

l、连好控制柜的电源，开启计算机后，旋转控制柜上面的钥匙，开启"电源开关"，等待控制柜的报警指示灯变灰后，按下教学机器人控制柜的"伺服开启"按钮，等待变绿后方可操作:

2、运行RBT-4T/S02S四自由度教学机器人软件"RBT4TS2S.exe"，进入教学机器人控制软件主界面，点击机器人示教按钮，弹出示教控制操作界面，如图4-l。

3、在"示教速度控制"内，通过移动指针选择示教速度（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"内有每个关节的正反向运动、手爪张开和关闭的控制按钮，按下相应的按钮，机器人的各关节会按照您的指令运动，抬起相应的按钮，机器人的关节会停止运动。

4、在机器人"关节信息"、"末端点信息"和"机器人状态信息"内，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，在示教点信息列表内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。

5、点击"保存"按钮，您刚刚示教完的信息以（*.RBT4）格式保存在示教文件中。

6、点击"复位"按钮，机器人回到笛卡尔坐标系的原点位置。

7、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。

8、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。

9、点击"复位"按钮，机器人会做回零运动。

10、如果想再现第二次，只需点击"打开"按钮，找到相应示教文件，然后点击"识别示教点"，重复7、8、9步骤即可。

11、关闭RBT-4T/S02S四自由度教学机器人软件"RBT4TS2S.exe":

12、按下教学机器人控制柜的"伺服关闭"按钮，等待变红后，打开教学机器人的控制柜，关闭"电源开关"。

五、思考题

l、通过实验总结机器人示教-再现的概念。

2、试分析RBT系列机器人的示教属于PTP（点到点）控制还是输入cP（连续轨迹）控制。

六、思考题参考答案

l、示教，就是人把规定的动作（包括每个运动部件，每个运动轴的动作）教给机器人，然后将示教的各种信息存储起来:

再现，便是将上述示教信息再现，即根据需要，将存储的信息读出，向执行机构发出具体指令。

2、RBT系列机器人的示教属于PTP（点到点）控制。

七、注意事项

1、实验前确保机器人各连接电缆正确连接:

2、应该在老师的指导下进行实验:

3、机器人上电后，请千万注意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，要及时按下控制柜的急停开关。

实验三机器人CP（连续）运动控制

一、实验目的

1.理解机器人CP（连续轨迹）运动的概念

2.了解机器人CP（连续轨迹）运动的控制方法

3.了解机器人的用途

4.了解RBT系列教学机器人实现CP（连续轨迹）运动的过程

5.掌握机器人的直线和圆弧插补控制方法

二、实验原理及方法

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3-1所示。

已知直线始末两点在基础坐标系中的坐标值为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3-1直线上的各点即是插补运算的结果

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

已知不在一条直线上的三点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，Ts为插补时间间隔，则图3-2和图3-3表示出三点决定的圆弧和圆弧插补的说明。

图3-1直线插补图3-2由已知三点p1,p2,p3决定的圆弧图3-3圆弧插补

三、实验仪器设备

1.RBT-4T/S02S教学机器人一台

2.RBT-4T/S02S教学机器人控制系统软件一套

3.装有运动控制卡的计算机一台

4.喷绘实验装置一套

四、实验内容及步骤

1.喷绘实验准备：

1）在喷枪（如图3-4所示）内倒入少许墨水，将喷枪装到机器人末端法兰盘上；

连接用M5x12内六角螺钉，注意安装方向，然后检查底座处电磁阀电源接头是否连接在喷笔装置用电磁阀上，如不是需更换电源接头，连接φ4气管到电磁阀出口，喷笔装置已经备好气管接头，只须连接即可。

2）打开喷枪上方储料斗的盖子，倒入约1/3容积的墨水比较合适，然后盖紧储料斗盖子。

3）连接气路，打开气泵后，将红色按钮拔起，气泵进入工作状态。

气泵工作时，会自动保证气压值在4-8个大气压，所以在实验过程中，需要保持气泵通电开启，将气泵开关打到与出气端平行位置为开，将空气过滤器上的圆形按钮拔出，旋转调节压力至0.4MPa，按下按钮锁定气压值。

图3-4喷枪示意图

4）喷枪调整方法为：

松动喷笔支架上方调整片螺母，轻微调动调整片使喷笔中钢针前后位置移动。

钢针抽出的多则喷绘的线条粗，较发散；反之则为细线条。

调整位置合适后锁紧调整片前后螺母。

在插入气管时，要注意气管断口处尽量平，这样可以防止漏气；拔气管时，需要按下管接头外凸缘，不然只会越拉越紧。

5）粘贴画纸。

将有机玻璃板固定在实验桌对应位置，在板上夹一张纸。

2.连好控制柜的电源，开启计算机后，旋转控制柜上面的钥匙，开启“电源开关”，等待控制柜的报警指示灯变灰后，按下教学机器人控制柜的“启动开关”按钮，等待变绿后方可操作。

3.运行RBT-4T/S02S四自由度教学机器人软件“RBT4TS2S.exe”，出现图3-5界面，点击“启动”按钮，伺服电机启动，制动打开；

图3-5机器人控制软件界面

4.点击“限位开关测试”按钮，当机器人的四个关节都不在极限位置时，对机器人的限位开关全部测试，提示限位开关正常后方可进行下一步操作，如图3-6；

图3-6限位开关界面

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

6.点击手爪“张开”、“闭合”按钮，调整喷绘线条粗细；

7.点击“图形插补控制”，在红色点划线内，鼠标右键画直线，然后校验，验证后的图形为红色较粗线条，出现如图3-7所示；

图3-7图形插补

8.点击“运动”按钮，机器人会按照所画的图形轨迹实现CP运动控制即机器人会按照所画图形进行喷绘，喷绘过程中，计算机会以绿色粗线实时显示喷绘进度，进行喷绘仿真，运动完毕后，系统会提示您插补运动完成；

9.点击“清零”按钮，对所有数据进行清零；

10.重新画图形，重复步骤4、5、6，观察机器人运动轨迹；

11.关闭“图形插补控制”对话框，点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；

12.点击“伺服关闭”按钮，伺服电机关闭，制动闭合；

13.关闭RBT-4T/S02S四自由度教学机器人软件“RBT4TS2S.exe”；

14.按下教学机器人控制柜的“停止开关”按钮，等待变红后，打开教学机器人的控制柜，关闭“电源开关”；

15.关闭气泵，取下气管及喷枪；

16.清洗喷枪，打开储料斗盖子，倒掉残余墨水，松开调整片螺母，松开钢针锁紧螺母，抽出钢针，用清水冲洗干净插回拧紧螺母即可。

小心不要弄弯或弄断钢针，注意不要伤人。

五、思考题

1.工业控制过程中，什么场合经常用到机器人的CP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？

六、注意事项

1.实验前确保机器人各连接电缆正确连接；

2.应该在老师的指导下进行实验；

3.机器人上电后，请千万注意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，要及时按下控制柜的急停开关。

实验四机器人的搬运装配实验

一、实验目的

1.了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。

二、实验原理

对装配操作进行统计的结果表明，其中大多数为抓住零件变化位置插入或连接的工作。

串联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，四个回转关节，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。

三、实验设备

1.RBT-4T/S02S教学机器人一台

2.RBT-4T/S02S教学机器人控制系统软件一套

3.装有运动控制卡的计算机一台

4.装配轴、孔各一套

四、实验步骤

1.实验准备：

1）将手爪（夹持器）用M5x8内六角螺钉安装到机器人末端法兰盘上；将手爪上所带气管插到电磁阀输出口。

连接方法如下图4-1。

图4-1机器人手爪连接图

（图中粗线表示以气管相连接，细线表示以电线相连接）

2）连好控制柜的电源，开启计算机后，旋转控制柜上面的钥匙，开启控制柜的“电源开关”，等待控制柜的报警指示灯变灰后，按下教学机器人控制柜的“启动开关”按钮，等待变绿后方可操作；

3）运行四自由度教学机器人软件；

4）连接气路，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。

2.完成上位机示教装配实验：

1）布置实验架：

将实验架1、2用M3螺栓固定到实验桌的对应位置。

2）摆放轴与套：

将套放入实验架1对应的孔里，将轴摆放到实验架2对应的孔里。

3）进行示教：

因为本次实验是同时完成搬运及装配两种功能。

所以在示教时需要注意的是，在示教时应尽量避免来回往复运动，以保证机器人示教的定位精度。

4）整体再现：

首次再现时，一定要注意准备按急停开关，以防再现过程中由于程序设置失误而产生意外。

通过试运行结果来调整时间差，在以后再现时作改进。

3.机器人搬运、装配实验：

以下每个关节运动一次，都必须记录一次，否则再现时存在误差

以下每个步骤完成后均需要记录示教点，也可以多记录几个示教点来提高程序点位置准确性，但是示教点数不能超过1000.

在完成准备工作后，用机器人开始示教程序输入。

1）利用轴操作方式将机器人运动到与轴比较接近位置；（尽量不要做往复的位置调整，以避免在再现时位置产生累计偏差）

2）比较精确的将手爪移动到轴的正上方；（注意事项同上）

3）手爪下降至轴高度一半的位置；（下降方法伟3轴小幅度缓慢下降）

4）关闭手爪

5）向上提升手爪一定高度（大约比套稍高）；（方法与下降时相反，目的是为了躲开可能存在的障碍物）

6）移动轴至支架1的套上方；

7）缓缓放下轴到预定范围；

8）松开手爪；

9）竖直向上方向撤离手爪；

10）机器人远离工作区域，进行复位。

在完成以上步骤之后，取回轴，放回原处，慢速再现该程序。

看是否有位置不准等问题出现，注意安全。

如果没有问题了，则可开始进行正常速度搬运装配的示教。

整体示教过程如图4-2所示：

图4-2机器人示教路线图

五、注意事项

严格按照实验步骤中的顺序进行实验准备；

如果在机器人运动过程中出现意外或异常情况、声响，必须立即按下控制柜上的急停开关，待检查排除故障意外后再重新开启机器人；

应该在老师的指导下进行实验；

机器人上电后，请千万注意身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内。