实验指导书Word格式.docx
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1.3实验原理
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。
本课程所使用的机器人为6自由度串联机器人，其轴线相互平行或垂直，能够在空间内进行定位，采用伺服电机和步进电机混合驱动，主要传动部件采用可视化设计，控制简单，编程方便，是专为满足高等院校机电一体化、自动控制等专业进行机电及控制课程串联关节式实验需要和相关工业机器人应用培训需要而最新开发的机器人，它是一个多输入多输出的动力学复杂系统，是进行控制系统设计的理想平台。
它具有高度的能动性和灵活性，具有广阔的开阔空间，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。
整个系统包括机器人1台、电控柜1台、控制卡2块、实验附件1套（包括轴、套）和机器人控制软件1套（实验设备用户可选）。
机器人采用串联式开链结构，即机器人各连杆由旋转关节或移动关节串联连接，如图1-1所示。
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。
关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。
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。
图1-1机器人结构
机器人技术参数如表1-1所示。
标1-1机器人技术参数
结构形式
串联关节式
驱动方式
步进伺服混合驱动
负载能力
3Kg
重复定位精度
±
0.08mm
动作范围
关节Ⅰ
-150°
～150°
关节Ⅱ
-135°
～-45°
关节Ⅲ
-70°
～50°
关节Ⅳ
-90°
～90°
关节Ⅴ
关节Ⅵ
-180°
～180°
最大速度
60o/S
120o/S
最大展开半径
610mm
高度
850mm
本体重量
≤40Kg
操作方式
示教再现/编程
电源容量
单相220V50Hz4A
预备知识：
1、机器人的英文名缘由
机器人是一种具有某种仿人功能的自动机，机器人的国际名叫“罗伯特”（ROBOT）。
“ROBOT”一词源于捷克作家卡列尔查培于1920年的一部名叫作《罗萨姆的万能机器人公司》的幻想剧，罗伯特是该剧主人公的名字，他是既忠诚又勤劳的机器人。
2、机器人的定义（我国科学家的定义）
机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。
3、机器人的三原则
1、机器人不能伤害人类；
2、在不违反第一条的情况下，机器人必须遵守人类的命令；
3、在不违反第一、二条的情况下，机器人应能保护自己。
4、机器人发展史
1、古代机器人：
（1）中国机关人——世界最早的机器人
《列子、汤问篇》中记载西周穆王时，有位名叫偃师的能工巧匠就制造了一个能歌善舞的伶人机器人。
春秋后期，木匠鲁班制造的木鸟，能在空中飞行“三日不下”。
1800年前的汉代，大科学家张衡发明的计里鼓车。
计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。
后汉三国时期，诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。
——最早的军事机器人
（2）西方最早的机器人，是公元前2世纪古希腊人发明的最原始的机器人——自动机。
1738年，法国天才技师杰克·
戴·
瓦克逊发明了一只机器鸭。
……
2、现代机器人：
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。
1959年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。
1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。
1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。
1980年被称为“机器人元年”。
5、机器人的组成部分
机器人的手——操作系统，作用是抓住一个工作对象使其按工作或作战要求动作。
机器人的眼——感测系统，作用是观测工作对象及其周围环境的信息，通过收集信息将其反馈给控制中心，作为对机器人行为控制和协调的依据。
机器人神经系统——信息传输系统，作用是将传感器和观测器获得的各种信息下传上达，交给各执行及其附属设备。
机器人的心脏——动力系统，作用是负责向机器人提供动力，主要设备有各种发动机，发电机及其附属设备。
机器人的大脑——指挥控制系统。
作用是加工处理各种信息，指挥、控制机器人的各种行动。
图1-2
6、机器人的种类
按技术层次分为固定程序控制机器人、示教再现机器人、数控机器人、遥控机器人和智能机器人。
按工作自由度分为自主机器人、半自主机器人和摇控机器人。
7、机器人的用途
1）勤劳忠诚的员工——不计报酬；
2）未知世界的使者——不知“天高地厚”；
3）未到战争中的圣斗士——不晓得皮肉之苦；
4）保姆、白衣天使和明星——不用包装炒作。
8、机器人的未来发展
人性化、智能化、普及化。
1.4实验步骤
1、连接好气路，启动气泵到预定压力；
2、启动计算机，运行机器人软件，出现如图1-3所示主界面；
3、接通控制柜电源，按下“启动”按钮；
图1-3主界面
4、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，机器人处于零点位置；
5、点击“关节示教”按钮，出现如图1-4所示界面，按下“打开”按钮，在机器人软件安装目录下选择示教文件BANYUN.RBT6，示教数据会在示教列表中显示；
6、装配操作演示，在2个支架的相应位置上分别放置轴和轴套，然后按下“再现”按钮，机器人实现装配动作；
7、运动完毕后，按下“复位”按钮，机器人回到零点位置，关闭对话框；
8、如果想再做一次装配动作，把轴放回相应位置，按下“再现”按钮即可；
9、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；
10、按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源；
11、退出机器人软件，关闭计算机。
图1-4关节示教界面
1.5注意事项
1、在老师的指导下进行实验；
2、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；
3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关。
实验1机器人的机械系统
1.6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及作用；
3、掌握机器人单轴运动的方法。
1.7实验设备
3、装有运动控制卡和控制软件的计算机一台。
1.8实验原理
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。
Ⅰ关节传动链主要由伺服（或步进）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、减速器构成。
在机器人末端还有一个气动夹持器。
原动部件包括步进电机和伺服电机两大类，关节Ⅰ采用伺服（或步进）电机驱动方式、关节Ⅱ采用伺服电机驱动方式；
关节Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ采用步进电机驱动方式。
本机器人中采用了同步齿型带传动、谐波减速传动等传动方式。
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。
图2-1机器人传动简图
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。
图2-2同步齿型带传动结构
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。
图2-3谐波齿轮传动工作过程
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。
对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。
同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；
同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。
依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。
柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。
由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。
波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：
“谐波”。
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
齿轮传动的分类：
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
图2-4RV减速器实物图
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.
按照封闭差动轮系求解传动比基本方法，可以计算出RV传动的传动比计算公式如下：
i16=1+Z2*Z5/Z1
其中Z1-----渐开线中心轮齿数
Z2-----渐开线行星轮齿数
Z5-----针轮齿数，Z5＝Z4+1
Z4-----摆线轮齿数
图2-5RV传动简图
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。
1.9实验步骤
1、教师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及在机器人系统中的工作状况；
2、启动计算机，运行机器人软件；
图2-6关节运动界面
5、点击主界面“关节运动”按钮,出现如图2-6所示界面；
6、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；
7、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；
8、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-120度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅱ关节运动情况；
9、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；
10、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；
11、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；
12、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；
13、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；
14、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；
15、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；
16、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；
17、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；
18、点击“退出”按钮，退出关节运动界面；
19、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；
20、按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源；
21、退出机器人软件，关闭计算机。
1.10注意事项
实验2
机器人的搬运装配实验
2.1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。
2.2实验设备
2.3实验原理
对装配操作统计的结果表明，其中大多数为抓住零件从上方插人或连接的工作。
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6个自由度，六个回转关节。
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。
2.4实验步骤
1、启动计算机，运行机器人软件；
2、接通控制柜电源，按下“启动”按钮；
3、点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。
4、点击“关节示教”按钮，出现如图3-1所示界面；
5、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；
图3-1关节示教界面
6、将轴和轴套放入实验架对应的位置；
7、在关节示教界面中将机器人运动到与轴比较接近位置，每示教一步都要记录；
8、比较精确的将手爪移动到轴的正上方；
9、手爪下降至轴高度一半的位置（下降方法为3轴小幅度缓慢下降）；
10、闭合手爪；
11、向上提升手爪一定高度（大约比套稍高）；
12、移动轴至轴套的上方；
13、缓缓放下，将轴放到轴套里；
14、松开手爪；
15、竖直向上方向撤离手爪；
16、保存示教文件；
17、将轴放回原处，再现该示教文件；
18、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；
19、按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源；
20、退出机器人软件，关闭计算机。
整体示教过程如图3-2所示。
图3-2机器人示教路线图
2.5注意事项
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