《机器人技术及其应用》实验指导书1Word格式文档下载.docx
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自由度、工作空间、工作速度、工作载荷、控制方式、驱动方式、精度、重复精度和分辨率。
给出机器人的机械结构组成，同时知道相应机械结构的运动，例如手臂、手腕的运动。
接着讨论所观察机器人的机身和臂部机构、手腕机构和手部机构。
在明确了以上内容的基础上，给出相应机器人的驱动方式及其对应的驱动机构。
启动相应的机械手，观察实际的机械手中机械结构的运动过程，以检验所分析的机械结构工作原理是否正确。
所观察的机器手，如下图所示。
机器手1示意图
机械手2示意图
六、实验步骤
第一步观察机械手1或机械手2所示的实际机械手种类，绘制出所观察机械手的图形符号，然后再根据所绘制的图形符号反推其相应的机械结构是否符合自己所观察的机器人的机械结构。
第二步阅读《机器人技术及其应用》和《〈机器人技术及其应用〉实验指导书》中的相关内容，讨论并明确自己所观察机械手的主要参数。
第三步从机械手指末端开始到机身结束，逐步分解整个机械手所含有的机械结构及其相应的运动方式，包括手部、腕部和机身的机械结构与运动方式。
第四步启动机械手，认真观察机械手中各个机械结构的运动方式和过程，检验你们的分析与推断是否正确。
第五步给出你所观察机器人的想法、缺陷与改进之处。
七、讨论题思考题与实验报告
1．据你所知，除了你所观察的机器人之外，生活或工业之中还有哪些机械手？
2．工业机械手中最常用的驱动方式是什么？
3．简述你所观察机械手的机身和臂部的机械结构，由哪几部分组成，其作用是什么？
4．实验报告表格见附件1和附件2。
附件1：
实验一机器人机械机构实验报告
实验报告
班级
机电112
指导教师评语
姓名
梁俊
实验地点
八号实验楼
实验名称
机器人机械结构
实验日期
设备、工具、材料
实验目的与要求
设备名称
柔性制造系统
1.了解机器人的基本机械结构组成与分类；
2.知道机器人的主要技术参数；
3.掌握机器人的机构运动和驱动方式。
要求：
课前预习教科书与实验指导书相关内容，了解机械结构和和原理的知识。
辅助设备
计算机工作台
辅助材料
电缆线
工量具
螺丝刀、钳子、万用表
实验总结：
通过本次实验我们知道一个工件毛胚如何从储存室被取出，然后放上传送装置并经过传送带两边的各类传感器进行检测、辨别、分类特别是工件如何在传送的过程中进行定位和改变方向。
机械手臂是本实验的重点，其通过各个关节的自由的进行灵活的抓取工件，并放入数控机床进行各种加工。
带工件加工完成后自动取出进行下一道工序直至在被放入储存仓。
在这整个过程中柔性制造系统是其统一的控制系统，其能适应加工对象的变化和实现高度的自动化，完全实现无人操作大大的减轻了劳动量。
它将微电子、计算机和系统工程等技术等有机的结合在一起进行全自动化的生产，并实现一定范围内多种工件的成批高效的生产，同时还能及时的改变所加工的产品以满足市场的需求。
附件2：
实验一机器人机械机构实验预习报告
实验预习报告
指导教师评语
预习日期
主要内容提要：
1.机器人的组成与分类：
机器人是自动执行工作的机器装置。
它由执行机构，检测装置，驱动装置，控
制系统，和一些复杂的机械组成。
分类：
家务型机器人，操作型机器人，搜救
机器人，数控型机器人，感觉控型机器人，适应控制型机器人，智能机器人。
2.机器人的主要技术参数：
自由度，工作空间，工作速度，工作载荷，控制方式，驱动方式，精度、重复
精度和分辨率。
3.机器人运动及其驱动机构：
手臂的运动包括垂直运动，径向移动，回转运动手腕的运动包括手腕的旋转，
手腕的弯曲，手腕侧摆。
实验二 机器人运动学
1．测定和理解机器人变换矩阵；
2．理解机器人运动方式。
3．理解机器人位置与关节变量的关系；
4．理解雅可比矩阵在机器人中的作用。
观察机器人的运动过程，分析机器人的变换矩阵，以及位置与速度的雅可比矩阵。
机器人、计算机操作台、工件
1．学生在实验课前需要预先复习机器人常规的运动方式，明确机器人运动学的基本问题，尤其是位置与关节变量的关系。
2．要求学生综合利用前期课程及本门课程中所学的相关知识点，了解大学普通物学、机械原理、线性代数、空间解析几何等课程内容。
复习《机器人技术及其应用》课本中有关机器人位置的表示方法，空间坐标变换方法、姿态变换、齐次变换、坐标变换矩阵的一般表示等内容，培养学生在机器人技术方面综合分析机器人动力学的能力。
明确并确定机器人关节变量空间和机器人末端执行器的位置与姿态的关系，给出机器人的固定参考坐标系，同时理解机器人相对于固定坐标系的运动几何学关系，说明机器人末端执行器位置和姿态与关节变量空间之间的关系。
在此基础上，表示机器人末端执行的变换坐标矩阵，同时复习或学习指尖速度与关节速度之间的关系矩阵即雅可比矩阵。
在明确了以上内容的基础上，结合机器人的运动过程即空间运动轨迹，确定所操作机器人的末端执行器相对于固定参考坐标系的变换矩阵，即空间坐标变换矩阵。
操作机器人，使手臂部旋转和移动，观察机器人的运动过程是否与所给的变换矩阵一致。
在此基础上，确定手爪与关节速度之间的雅可比矩阵，即与平移有关的雅可比矩阵或者与旋转速度有关的雅可比矩阵。
所观察的机器手运动轨迹，示意图所示如下所示。
6自由度机械手示意图
第一步当机器人从一个位置到达另一位置的过程中，明确机器人的姿态，分析确定末端执行器的变换矩阵，从而确定末端执行器的位置与速度变化。
第二步给出机器人相对于固定坐标系的运动几何关系，确定末端执行器的位置与速度的关系。
第三步给出机械手在运动过程中，相应关节的坐标变换矩阵，以及末端执行的坐标变换矩阵。
第四步列出手爪位置
与各个关节变量
之间的正运动学方程，即确定手爪在某一运动过程中的雅可比矩阵
。
第五步重复机械手的运动过程，再次检验和修正对机械手运动过程的分析。
1．据你的实验观察，机械手运动过程轨迹是否可以重复？
2．机械手末端执行器（通常为手爪）的坐标变换矩阵是依据什么得到的？
3．机器人末端执行器的位置与速度之间的关系是通过什么来体现的？
4．实验报告表格见附件3和附件4。
附件3：
实验二机器人运动学实验报告
复习机器人常规运动方式明
确运动学基本问题，和位置与关节
的变量关系，了解物理、线代、机
械原理等知识。
机器人的运动学主要是运用线性代数矩阵分析，从而控制末端执行器的各个动作操作。
通过特定数据分析提高其运动的准确性。
对于执行器的位置方向是用3维笛卡尔坐标系XYZ描述的。
而对于复杂矩阵的处理是通过计算机进行处理。
对于各运动构件上笛卡尔坐标系的变换关系，采用齐次坐标变换，以此导出末端执行器完成各个动作。
对于机器人的机械手臂是由多个自由度的机构组成，自由度越多完成的动作越复杂。
笛卡尔坐标的3维矢量空间与关节变量决定的n维矢量空间的相互变换，是在机器人运动分析的过程中的基本方法。
附件4：
实验二机器人运动学实验预习报告
机器人运动学
1.机器人运动学的问题：
对于给定的机器人，已知杆件几何参数和关节角矢量
求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。
2.已知机器人杆件的几
何参数，给定机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态，机器人
能否使其末端执行器达到这个预期的位姿？
如能达到，那么机器人有几种不同
形态可满足同样的条件？
2.机器人位置与关节变量的关系：
从几何的观点来处理手指位置与关节变量的关系称为运动学。
引入手爪位置r
和关节变量，
，那么我们可以用一个矢量来表示这个关系r=f（θ）.
3.机器人运动学的表示及其坐标变换矩阵:
首先先建立坐标系，基坐标系为（O1-x1y1z1）手爪坐标系为（O2-x2y2z2）
是由O1指向O2的位置矢量，
是由面1看面2的变换矩阵。
那么坐
标的变换矩阵为
实验三机器人感觉
1．了解机器人内部传感器和外部传感器；
2．理解机器人外部传感器的工作原理及其转换方法；
3．理解机器人外部传感器在机器人中的作用。
理解传感器在机器人中的作用，熟悉和识别具体的外部传感器如触觉传感器和距离传感器。
机器人、计算机操作台、工件、工件传输线、料架
1．学生在实验课前需要预先复习机器人内外部传感器，明确机器人传感器的分类及其作用，并了解位置传感器、角度传感器、姿态传感器、触觉传感器的基本工作原理。
2．要求学生综合利用前期课程及本门课程中所学的相关知识点，了解或复习机械原理、工程力学、传感器技术基础、电工学、电子电路等课程内容。
同时复习《机器人技术及其应用》课本中有关机器人传感器的内容如力觉传感器、接近觉传感器等，培养学生在机器人技术方面分析机器人利用不同传感器与周围环境的具体沟通方式和途径的能力，同时也培养学生对检测知识的应用与检测电路的设计能力。
启动机器人使其沿着某一固定轨迹运动，观察机器人的动作变化。
在此基础上，每个动作中相应传感器的作用，正确理解机器人传感器及分析相应的信号转换过程及其可能转换电路。
在明确了以上内容的基础上，结合机器人的具体动作过程和姿态变化过程，确定主要传感器的工作原理如接近觉传感器、腕力传感器、指力传感器和关节传感器等传感器的工作原理。
操作机器人，使机械手重复原来的过程，观察是如何机器人感觉外部信息的。
在此基础上，利用机械原理、机械设计等知识确定机器人的具体机械传感结构，以及相应机械传感机构在电路中所对应的元件如电阻、电容、电感和可变电源等。
接触觉传感器如下图所示。
压觉传感器工作原理示意图
实际触觉传感器的照片如下图所示。
触觉压力传感器
柔性触觉传感器
柔性薄膜触觉传感器如下图所示。
柔性薄膜触觉传感器
接近开关
第一步启动机器人，使其沿着某一轨迹运动，观察在此过程中机器人的动作变化，并注意细节动作和状态的变化。
第二步确定机器人在某一轨迹运动过程中所有的传感器，同时讨论和明确相应传感器的作用。
第三步推测相应传感器的可能信号转换电路，并利用相关动作解释和证明所确定的信号转换电路。
第四步结合机器人的具体动作过程和姿态变化过程，将相应传感器与机器人传感器相对应，如角度传感器、位置传感器、姿态传感器、接触觉传感器、压觉传感器、滑觉传感器、力觉传感器和机器人距离传感器。
第五步给出机器人中的接近觉传感器、力觉传感器、角度传感器和姿态传感器的具体工作原理。
第六步集体讨论和分析将机器人传感器在电路中对应的电子元件。
第七步再次重复机器人的动作和运动轨迹，验证对相关机器人传感器的分析和推断。
1．机器人传感器在机器人工作过程中的作用？
2．机器人外部传感器都有哪些，请说明滑觉传感器的工作原理？
3．接近开关是否属于接近觉传感器？
请说明电容式接近开关的检测原理。
4．实验报告表格见附件5和附件6。
附件5：
实验三机器人感觉实验报告
1.了解机器人内部传感器和外部传感器。
2.理解机器人外部传感器的工作原理及其转换方法；
3.理解机器人外部传感器在机器人中的作用。
要
求：
复习机器人内外部传感器明确其作用复习机械原理、工程力学、传感器技术基础。
所谓的机器人的感觉其实就是传感器，几乎所有的机器人都是由内外传感器所组成，而这传感器又构成机器人获取信息的窗口。
机器人拥有智能首先必须感知周围的环境能力。
二是采取合适的方法将信息综合处理。
这样才能达到预期的动作。
其内部的不管是内部传感器还是外部的传感器都是检测并采集信号并将其传送到中央处理器进行分析的结果。
通过本次实验我们知道对于机器人的“感觉”应该具有精度高、可重复性好、可靠性高、抗干扰能力强、体积小等特点。
同时通过这次实验加深我们对机器人的了解，更进一步的掌握了各部件之间的功能特性，并且对其特有的感觉系统有了更深的了解，明白了其各个传感部分的协调处理机制，和机器人能够智能化的根本原因。
附件6：
实验三机器人感觉实验预习报告
机器人感觉实验
1.机器人传感器的分类：
内部传感器包括位移、速度、加速度、和应力的通用性传感器。
外部传感
器负责距离、接近程度和接触程度之类的变量如接近觉、触觉和力觉传感
器。
按完成的功能来分类可分为非接触传感器和接触传感器。
2.机器人外部传感器：
对机器人工作环境及工作对象进行检测的传感器。
外传感器主要包括触觉、
力觉、压觉、视觉和听觉等传感器，可以使机器人具有自校正能力及对环
境变化的反应能力。
3.机器人力觉传感器与接近传感器
用来检测机器人自身力与外部环境力之间相互作用力的传感器。
力觉传感
器经常装于机器人关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受力。
接近
传感器，是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检
测为目的的传感器的总称。
它能检测对象的移动信息和存在信息转换为电。
气信号。
实验四机器人视觉
1．了解视觉传感器的组成与工作原理。
2．理解视觉传感器的信息转换与处理。
3．机器人视觉传感器的应用。
了解机器人视觉系统的组成及其工作原理，机器人对视觉信息的转换与处理。
机器人、计算机操作台、工件、图像传感器、VAL机器人编程软件
1．学生在实验课前需要预先复习机器人的视觉系统，明确机器人视觉系统在机器人工作过程中的作用，并了解CCD的基本工作原理。
2．要求学生综合利用前期课程及本门课程中所学的相关知识点，了解或复习电工学（下册）（秦曾煌主编）、传感器技术基础尤其是图像传感器、光电检测技术、电子电路、图像识别等课程内容。
同时复习《机器人技术及其应用》课本中有关机器人视觉系统的内容，培养学生在机器人视觉技术方面正确理解和分析机器人对空间图像信息的获取、分离与编码方法，能够正确使用和构建机器人视觉系统的能力。
启动带有视觉系统的机器人，并对其进行调试，使机器人处于正常工作状态。
在此基础上，保持机器人不动，将某一物体放置于机器面前，观察机器人对物体的图像识别与反应。
在明确了以上内容的基础上，使机器人开始运动，将某一物体放置于远处，命令机器人拿取物体，观察机器人是如何对周围物体信息进行获取、分离、判断与反应的。
使机器人停止运动，在原有的基础上利用机器人语言如AUTOPASS、LUNA等，对机器人的视觉系统和动作轨迹进行编程，以便改变机器人的运动轨迹及其对周围图像的识别控制算法。
在此基础上，将相应程序写入机器人中，使机器人开始运动，观察机器人新的运动轨迹及其对周围信息的获取、分离与编码方式是否发生了改变，同时验证机器人的活动方式与反应方式是否与自己所预定的方式相同。
机器人离线编程系统的基本构成如下图所示。
机器人离线系统编程框架图
机器人编程系统的组成如下图所示。
机器人编程系统的构成
系统设计逻辑框图
机器人运动轨迹程序如下（仅供参考）。
利用VAL语言编程示例如下。
将物体从位置1（PICK位置）搬运至位置Ⅱ（PLACE位置）
EDITDEMO启动编辑状态
PROGRAMDEMOVAL响应
1OPEN下一步手张开
2APPROPICK50运动至距PICK位置50mm处
3SPEED30下一步降至30%满速
4MOVEPICK运动至PICK位置
5CLOSEⅠ闭合手
6DEPART70沿闭合手方向后退70mm
7APPROSPLACE75沿直线运动至距离PLACE位置75mm处
8SPEED20下一步降至20%满速
9MOVESPLACE沿直线运动至PLACE位置
10OPENⅠ在下一步之前手张开
11DEPART50自PLACE位置后退50mm
12E退出编译状态返回监控状态
第一步启动一带有视觉系统的机器人，并调试该机器人使其处于正常工作状态。
第二步使机器人保持不动，某一给定物体放置于机器人面前，观察机器人对物体的识别与动作过程。
第三步再将给定的物体置于远处，使机器人对周围环境和特定物体进行识别，特定物体图像信息获取、分离与编码。
利用VAL语言或AUTOPASS语言编程机器人的运动轨迹，并写入机器人中。
第四步观察机器人对远处特定物体的拾取过程。
第五步对机器人的运动过程轨迹和图像信息进行再次编程，改变机器人的运动轨迹和动作。
将相应程序写入机器人中，并进行调试。
第六步命令机器人拾取远处给定物体，观察其动作过程，尤其是机器人对给定物体图像信息的获取、识别、分离与编码过程。
第七步将相应现象记录下来，整理并填写实验报告。
机器人视频信号采集与转换系统框图如下图所示。
机器人视频信号采集与转换系统框图
1．机器人视觉系统的构成及其工作原理？
2．机器人是如何获取、识别外部信息的？
3．除了课本中所列的机器人语言之外，机器人语言还有哪些利用机器人语言如何对机器人的运动轨迹进行编程
4．实验报告表格见附件7和附件8。
附件7：
实验四机器人视觉实验报告
1.了解视觉传感器的组成与工作原理。
2.理解视觉传感器的信息转换与处理。
3.机器人视觉传感器的应用。
复习机器人的视觉系统，明确机器人视觉系统在机器人工作过程中的作用，并了解CCD的基本工作原理，了解或复习电工学。
机器人视觉
使机器人具有视觉感知功能的系统，是机器人系统组成的重要部分之一。
机器人视觉可以通过视觉传感器获取环境的二维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，进而转换为符号，让机器人能够辨识物体，并确定其位置。
过此次的机器视觉实验，让我加深了对机器视觉这门课程的了解，并对此产生了浓厚的兴趣。
机器人通过视觉传感器检测采集信号然后送入机器人的大脑进行处理，执行操作。
此次实验我们不仅深刻的了解到机器人的视觉系统和其处理一些情况的机制。
同时还认识到平时所使用的一些设备，还有一些实验的方法及原理。
每套设备都有它们自身的特点，应用于不同的场合，去处理不同的问题。
附件8：
实验四机器人视觉实验预习报告
机器人视觉实验
1.机器人视觉系统的组成及其工作原理：
硬件系统：
景物和距离传感器，视频信号数字化设备，视频信号快速处理器
计算机及其外设，机器人或机械手及其控制器。
软件系统：
计算机系统软件
计算机视觉信息处理算法，机器人控制软件。
原理：
CCD原理通过传感器转
换成电信号，在空间采集和幅值化后，就形成楼一幅数字图像。
2.图像信息的获取、分离与编码：
3.机器人视觉系统在工业、生活中的应用
《机器人技术及其应用》教学大纲
《机器人技术及应用》教学大纲
课程名称：
机器人技术及应用
课程编号：
DB0304072
英文名称：
RobotTechnologyanditsApplication
总学时/学分：
30/2
理论学时：
26
实验学时：
4
上机学时：
0
课外学时：
先修课程：
高等数学、工程力学、线性代数、电工电子技术、机械设计、微型机及单片机应用技术、可编程控制器应用
开课学期：
第7学期
一、教学目标和基本要求：
1．教学目标
升级会员 