工业机器人实验报告..docx
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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
二〇15 年5 月 二〇15 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：
①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。
②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）；页码用小五号字底端居中。
③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/T7714－2005）》。
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.
1.5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 6
2.4.2计算过程 7
2.5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 0
4.2实验步骤 0
4.3实验截图 0
4.4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；theta6=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，并进行说明。
2.3实验数据
①各关节变量值：
theta1=210；theta2=-30；d3=0；theta4=120；theta5=30；theta6=60；
②测得的角度和距离：
d2=21mm，theta1=150°；theta2=-60°；d3=69mm；
theta4=30°；theta5=30；theta6=-120°；
③连杆6坐标原点的速度：
Vx=166.777mm/s，Vy=-180.583mm/s，Vz=232.4138mm/s
2.4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Jw。
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Jw（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
6
1
3
1
2
换就是位姿矩阵T0第一行第四列的CS2d-Sd（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
T0
y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z
T0
方向的变换就是位姿矩阵6第三行第四列（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~Z6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
V
r0
由速度合成定理可知：
o6
r r
1
2
V V
o6 o6
r r r
3
4
5
V V V
o6 o6 o6
r r
6
i
o6
V，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：
ri v
ir0 0
Vo6（Zi
iv0
OiO6）qi
（Zi
P6）qi，其中Zi就是Ti的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
functionRe=result（d2,d3,theta1,theta2,theta3,theta4,theta5,theta6,v1,v2,v3,v4,v5,v6）symsd2d3theta1theta2theta3theta4theta5theta6v1v2v3v4v5v6;theta1=210*pi/180;
theta2=-60*pi/180;theta3=0;
theta4=30*pi/180;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）*d3 cos（theta1）*cos（theta2）*d3cos（theta1）*sin（theta2）000;
-sin（theta1）*d2+cos（theta1）*sin（theta2）*d3 sin（theta1）*cos（theta2）*d3
sin（theta1）*sin（theta2）000;
0-sin（theta2）*d3cos（theta2）000;
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）+cos（theta1）*sin（theta2）*cos（theta5）;
0cos（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）+sin（theta1）*sin（theta2）*cos（theta5）;
10 0 sin（theta2）*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
-180.5765
232.4446
-5.7835
4.3369
0.7856
2.5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，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°/s，经运动仿真验证Wsz=0，Wwb=0
3.4理论计算
①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。
②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，即行星架角速度为210°/s，WB=WS=0，即齿轮①②固定，齿轮③传动比为1:
4，齿轮④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visualstudio2010，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，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GW01~GW06以及GS01~GS06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logo
4.3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
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