机器人实验指导用书

《工业机器人》课程实验指导书

刘极峰  肖增文  邵秋萍  郝飞  编

机电工程实验中心机器人实验室

实验一  慧鱼机器人模型组装综合实验

一、实验内容

学生运用已学的机械设计基础、工业机器人、机电传动控制、电工电子技术等课程的相关知识，阅读慧鱼机器人说明书，根据教师拟定的一些设计题目或学生自选题目，设计并组装一个机电一体化机械系统。

进行机械组件和电气组件与电机的连接，输入并运行程序，记录参数，分析结果，培养学生在机电一体化技术的工程应用方面分析与解决问题的综合能力。

二、实验目的及要求

（一）实验目的

本实验的目的是使学生了解机器人和机电一体化技术基本原理，了解和掌握机器人和机电一体化技术的基本知识，使学生对机器人和机电一体化技术有一个完整的理解。培养学生机电一体化设计的能力。

（二）实验要求

1. 学生在实验课前必须认真预习教科书与实验指导书中的相关内容，为实验做好充分准备。

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，了解电机安装与使用的基本知识，学习电机控制技术、机电传动控制、电工电子技术等课程的相关内容，培养学生在机电一体化技术方面综合分析与解决实际问题的能力。

三、实验条件及要求

实验室具有若干成套的慧鱼机器人组件、计算机、通信线、连接线、LLWin3.0软件包等必需设备和工具，已进行过调试和试运行，方可进行本实验项目的实施。

四、实验相关知识点

（一）机器人技术课程综合

1.机器人原理；

2.机器人的技术参数；

3.机器人的机械部分；

4.机器人的控制部分。

（二）机电一体化技术等课程综合

1.机械原理；

2.机械元件的选择；

3.传感器的选择

4.电机的运行；

5.控制系统的基本构成，通信连接；

6.基于LLWin3.0的程序设计。

五、实验实施步骤

（一）阅读阅读慧鱼机器人说明书

根据慧鱼机器人说明书的内容，了解相应慧鱼机器人的基本结构、工作原理、包含的组件等。

（二）确定慧鱼机器人的组件

根据已有的器材，指定几种组装方案，由学生利用机电一体化手段，为实现机器人的动作，确定需要选用的不同的机构和传动装置（如连杆与凸轮、行星传动与蜗杆传动等）。

（三）慧鱼机器人的机械和电气组装

首先进行机械构件的组装，机械构件装配时要确保构件到位，不滑动；然后进行电子构件的装配，电子构件装配时要注意电子元件的正负极性，接线稳定可靠，没有松动；最后，对整个模型进行整体布线调整，整个模型完成后还要考虑模型的美观，整体布线要规范。

（四）慧鱼机器人运动程序的编制

由教师给定组装后不同慧鱼机器人要实现的动作，及其运动速度和轨迹等参数，利用LLWin3.0软件编制相应程序，通过RS232串口把控制程序下载到慧鱼机器人上的单片机中。

（五）运行程序，记录参数，分析结果

根据试运行情况，反复进行调试，直到达到教师给定的相应参数，无误后进行相应数据的记录，并分析结果。

六、思考问题

1.机器人的主要技术参数有哪些？

2.慧鱼机器人组装与调试过程中应注意哪些问题？

3.慧鱼机器人中单片机选择注意事项有哪些？

4.简述机器人的基本组成。

七、实验成绩评定办法

实验成绩评定比例为：考勤20%，安装操作20%，编制程序20%，实验报告40%。最终成绩按优秀（90-100）、良好（80-）、中等（70-79）、及格（60-69）和不及格（60以下）五级记分制评报。

附件1实验一    慧鱼机器人模型组装综合实验

实  验  报  告

实 验 预 习 报 告

一、实验目的

1、了解MOTOMAN机器人基本原理及MOTOMAN机器人气动手爪动作原理；

2、理解直角坐标下机器人手部的位置与速度实验；

3、理解关节坐标下机器人手部的位置与速度实验。

二、实验设备

1、MOTOMAN YASNAC XRC UP6机器人一台；

2、机器人控制柜一台；

3、PC电脑一台；

三、注意事项

1、进行机器人示教作业前要检查以下事项，有异常则应及时修理或采取其它必要措施：

·机器人动作有无异常

·外部电线遮盖物及外包装有无破损

2、示教编程器用完后须放回原处；不要强迫机器人移动，更不要吊在机器人上或站在机器人上；

3、不要依靠在XRC控制柜上，不要随意按开关、按钮；

4、通电过程中，除专职的操作人员外，其他人员均不得触摸XRC柜和示教编程器。

5、注意安全，听从老师的安排，操作机器人时不要进入机器人工作范围内。

6、着装要求

·操作机器人时请不要戴手套；

·请不要佩服带特别大的耳环、饰物等；

·请务必穿戴安全鞋、安全帽。

四、实验内容及步骤

工业机器人是用来进行搬运物料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工业作业任务的特种装置。

一台数控机床有若干个的坐标轴运动，也可再编程，能完成不同程序的加工作业，因此工业机器人和数控机床在运动控制上和可编程上是很相似的，尽管复杂一些的数控机床也能把装载工件的托盘移动到床身上从而实现工件搬运和定位，但是工业机器人通常在抓握、操纵、定位对象物的过程中比传统的数控机床更灵巧，在诸多工业生产领域里具有更广泛的用途。

工业机器人最显著的特点有：可编程、拟人化、通用性、机电

一体化。常用的工业机器人有

焊接机器人：汽车制造厂已广泛应用焊接机器人进行承重大梁和车身结构的焊接。

搬运机器人：材料搬运机器人可用来上料、码垛、卸货以及抓取零件重新定向等作业。

其它工业作业机器人如检测机器人、装配机器人、喷漆和喷涂机器人等。

五、操作步骤：

1、了解MOTOMAN UP6机器人的基本组成与主要特点；

2、根据注意事项1进行检查；

3、打开空气压缩机；

4、利用示教编程器对机器人进行各个关节的运动实验、不同坐标下的手部位置与速度实验、点位控制实验；

5、输入程序对机器人进行连续轨迹控制；

6、观看机器人手爪对工件的抓住、握持、释放的动作。

六、问答题

1、何谓E/ρ？为什么机器人结构件要选用E/ρ较大的材料？

2、简述工业机器人的定义，说明MOTOMAN UP6机器人的的主要特点是什么？

3、机器人为几自由度机器人？主要有哪几个关节？分别可作什么样的运动？

4．工业机器人与数控机床有什么区别？

5、说明工业机器人的基本组成与主要特点。

实验三  MOTOMAN机器人焊动作与编程实验

一、 实验目的

1.了解自动控制单循环实验；

2.了解自动控制及程序循环实验；

3. 理解焊动作的位姿变换。

二、实验设备

MOTOMAN YASNAC XRC UP6机器人一台；

机器人控制柜一台；

三、注意事项

1、机器人示教作业前要检查以下事项，有异常则应及时修理或采取其它必要措施：

·机器人动作有无异常；

·外部电线遮盖物及外包装有无破损。

2、示教编程器用完后须放回原处；

3、不要强迫机器人移动，更不要用手扒机器人或站在机器人上；

4、不要依靠XRC和其他控制柜，不要随意按开关、按钮；

5、通电过程中，除专职的操作人员外，其他人员均不得触摸XRC和示教编程器；

6、注意安全，听从老师的安排，不要停留在机器人工作范围；

7、着装要求

·操作机器人进时请不要戴手套；

·请不要佩服带特别大的耳环、饰物等；

·请务必穿戴安全鞋、安全帽。

四、实验步骤

机器人是一个在三维空间中具有较多自由度的，并能实现拟人动作和功能的机器；而工业机器人（Industrial Robot）则是在工业生产上应用的机器人，是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。

机器人焊动作，首先归原点，然后机器人根据原先编好的程序运动，到达工件部位，推动执行机构，焊按照程序运动，机器人复位，工作完毕。

五、操作步骤：

1、根据注意事项1进行检查；

2、将程序用示教编程器输入控制柜；

3、检查焊安装正确与否；

4、运行程序；

5、观看机器人各关节部位运动过程。

MOTOMAN-UP6机器人用于焊接作业时的示教编程的例子（其轨迹见图3所示），经过示教自动产生的一个作业程序，见表1所示：

图3  MOTOMAN–UP6机器人焊接示教

要焊接图3所示焊缝，MOTOMAN-UP6机器人首先在示教状态下走出图示轨迹。说明如下：点1、6为待机位置，两点重合，选取时需处于工件、夹具不干涉的位置，程序点5在向程序点6移动时，也需处于与工件、夹具不干涉的位置。从点1到点2到点3和从点4到点5再回到点6为空行程，对轨迹无要求，所以选择工作状态佳、效率高的关节插补，生成的代码为MOVJ。空行程中在接近焊接的轨迹段选择慢速。程序中关节插补的速度用VJ表示，数值代表最高关节速度的百分比，如VJ=25表示以关节最高运行速度的25%运动。

从点3到点4为焊接轨迹段，以焊接轨迹的要求（这里为直线）走过，生成的代码为MOVL，以要求的焊接速度前进，速度用V表示，单位为mm/s。程序中ARCON为引弧指令，ARCOF为熄弧指令，分别用于引弧的开始和结束，也是在示教过程中通过按下上示教盒上的功能键自动产生的。NOP表示程序的开始，END表示程序的结束。

六、在表1中填写焊接程序各行的内容说明，对各行的内容进行解释。

表1  焊接程序

1、手爪的开合为什么常用气动？

2、机器人编程方式有哪几种？

3、什么是机器人离线编程？

4、何谓轨迹规划？

5、何谓点位控制和连续轨迹控制？

6、机器人转动件定位方法有哪几种？各适应什么定位场合？

附录A         《 工业机器人》课程教学大纲

课程编号：0803701002

课程名称：工业机器人                           

英文名称： Industrial  Robot 

课程类型: 专业任选课

总 学 时：32      讲课学时：24      实验学时：8

学　　分：2

适用对象：四年制机械设计制造及其自动化专业（机械设计方向、制造技术方向、机械电子工程方向）

先修课程：高等数学、线性代数、工程制图、机械工程材料、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、电子技术、电工技术、机械制造基础、互换性与技术测量、液压与气压传动、机电传动控制、单片机原理及应用、自动控制原理等。

一、课程性质、目的和任务   

工业机器人课程是机械设计制造及其自动化专业各专业方向的一门主要专业技术课，是一门多学科的综合性技术，它涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多学科的内容。其目的是使学生了解工业机器人的基本结构，了解和掌握工业机器人的基本知识，使学生对机器人及其控制系统有一个完整的理解。培养学生在机器人技术方面分析与解决问题的能力，培养学生在机器人技术方面具有一定的动手能力，为毕业后从事专业工作打下必要的机器人技术基础。

二、教学基本要求  

本课程以机器人为研究对象，以工业机器人为重点。学完本课程应达到以下基本要求： 

1．了解机器人的由来与发展、组成与技术参数，掌握机器人分类与应用，对各类机器人有较系统地完整认识。

2．了解机器人运动学、动力学的基本概念，能进行简单机器人的位姿分析和运动分析。

3．了解机器人本体基本结构，包括机身及臂部结构、腕部及手部结构、传动及行走机构等。

4．了解机器人轨迹规划和关节插补的基本概念和特点。

5.了解机器人控制系统的构成、编程语言与编程特点。

6．了解工业机器人工作站及生产线的基本组成和特点。

7．对操纵型机器人、智能机器人有一般的了解。

三、教学内容及要求 

绪 论 

0.1概述

0.1.1机器人的由来与发展

0.1.2机器人的定义

0.1.3机器人技术的研究领域与学科范围

0.2机器人的分类

0.2.1 按机器人的开发内容与应用分类

0.2.2 按机器人的发展程度分类 

0.2.3 按机器人的性能指标分类

0.2.4 按机器人的结构形式分类 

0.2.5 按坐标形式分类

0.2.6 按控制方式分类 

0.2.7 按驱动方式分类 

0.2.8 按机器人工作时的机座可动性分类 

0.3  机器人的应用 

0.3.1 工业机器人的应用 

0.3.2 操纵型机器人的应用

0.3.3  智能机器人的应用

0.4  机器人的组成与技术参数 

0.4.1  机器人的基本组成

0.4.2  机器人主要技术参数

0.4.3  MOTOMAN  UP6型通用工业机器人技术参数 

0.4.4  MOTOMAN  EA1400型弧焊机器人技术参数

第一章 机器人运动学 

1.1齐次坐标与动系位姿矩阵

1.1.1 齐次坐标1.1.2 动系的位姿表示

1.2 齐次变换

1.2.1 旋转的齐次变换

1.2.2 平移的齐次变换

1.2.3 复合变换   

1.3  机器人的位姿分析

1.3.1杆件坐标系的建立 

1.3.2  连杆坐标系间的变换矩阵

1.4  机器人正向运动学

1.4.1  斯坦福机器人运动方程 

1.4.2  PUMA-560机器人运动学方程

1.5  机器人逆向运动学

1.5.1  逆向运动学的解

1.5.2  逆向运动学求解实例

第二章 机器人动力学 

2.1 机器人雅可比的定义

2.2 机器人速度分析 

第三章  机器人轨迹规划

3.1  机器人轨迹规划概述

3.1.1 机器人轨迹的概念

3.1.2  轨迹规划的一般性问题

3.1.3 轨迹的生成方式

3.1.4 轨迹规划涉及的主要问题

3.2  插补方式分类与轨迹控制 

3.2.1 插补方式分类

3.2.2 机器人轨迹控制过程

3.3  机器人轨迹插值计算

3.3.1  直线插补 

3.3.2  圆弧插补 

3.3.3  定时插补与定距插补

3.3.4. 关节空间插补

3.4   机器人手部路径的轨迹规划

3.4.1  操作对象的描述

3.4.2  作业的描述 

第四章 机器人本体基本结构  

4.1概述

4.1.1  机器人本体的基本结构形式

4.1.2   机器人本体材料的选择

4.2机身及臂部结构

4.2.1  机器人机身结构基本形式和特点

4.2.2  机器人臂部结构基本形式和特点

4.2.3机器人的平稳性和臂杆平衡方法

4.3腕部及手部结构

4.3.1机器人腕部结构基本形式和特点

4.3.2机器人手部结构基本形式和特点

4.4传动及行走机构

4.4.1机器人传动机构结构基本形式和特点

4.4.2机器人行走机构结构基本形式和特点

第五章 机器人控制系统 

5.1机器人传感器

5.2 驱动与运动控制系统

5.3 控制理论与算法

第六章 机器人编程语言与离线编程 

第七章 工业机器人工作站及生产线 

  7.1 焊接机器人

7.2 搬运码垛机器人

7.3 喷涂机器人

7.4 装配机器人

第八章 操纵型机器人简介 

第九章 智能机器人简介 

  四、实践环节   

（一）课内实验

工业机器人实验安排在课程内，开设3个实验：

1．慧鱼机器人模型组装综合实验                           2学时

2．MOTOMAN机器人认知实验                                2学时

3．MOTOMAN机器人焊动作与编程实验                      4学时

（二）选作实验

1．机器人关节控制与循环实验；2．慧鱼机器人创新实验。

五、课外习题及课程讨论  

为达到本课程的教学基本要求，课外习题不应少于8题。

六、教学方法与手段   

本课程采用板书与多媒体课件结合的方式进行课堂教学。

七、各教学环节学时分配  

本课程为考核课程，期末考试可为闭卷笔试，也可为课程大作业。学生的课程总评成绩由平时成绩（占10%）、实验成绩占（占20%）和期末考试成绩（占70%）三部分构成，平时成绩为出勤、作业、课堂测验、学习主动性等。

九、推荐教材和教学参考书  

教  材：《机器人技术基础》，刘极峰主编，高等教育出版社，2006

参考书：

1.《机器人技术基础》. 熊有伦编.武汉：华中理工大学出版社,1996

2.《工业机器人应用工程》，余达太，马香峰等著.北京：冶金工业出版社,1999

3.《关节型机器人》. 殷际英，何广平编著.北京： 化工工业出版社,1994

十、说明

任课教师应根据教学大纲的要求，认真研究和精选教学内容，组织好课堂教学及实践环节,确保教学大纲得以贯彻执行。

大纲制订人：刘极峰

大纲审定人：闫华

制订日期：2006年12月

附录B《工业机器人》实验教学大纲

课程编号：0803701002

课程名称：工业机器人

英文名称：Industrial  Robot 

课程类型：专业任选课

课程属性：课内实验

总 学 时：32   总学分：2   实验学时：8

开设学期：第7学期

适用专业：四年制机械设计制造及其自动化专业（制造技术方向、机械电子工程方向）

一、实验教学目标与基本要求

《工业机器人》课程实验是《工业机器人》课程的实践环节。它涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多种学科的内容，是机电专业本科生的一门专业必修课程。通过该实验课程使学生能更好地理解机器人运动控制的过程，对计算机控制系统和机器人技术系统有完整的理解。旨在培养学生在工业机器人方面分析与解决问题的能力及学生在工业控制领域应用机器人的能力。

二、本实验课程的基本理论与实验技术知识

通过现场讲解机器人的动力,传动,机械结构,传感器,伺服机构的部分的作用,进行机器人关节坐标系及直角坐标系下的运动演示。

通过使用MOTOMAN-UP6型机器人的示教编程掌握机器人焊接和搬运的应用。在编程处理机器人运动过程中,分析机器人按预定的轨迹行走的控制原理。

 三、实验方法、特点与基本要求

在MOTOMAN-UP6型工业机器人上进行机器人的结构的了解，利用所学知识进行运动及轨迹控制，掌握工业机器人的示教编程方法。

四、实验主要仪器设备

MOTOMAM-UP6机器人、慧鱼机器人

五、实验项目的设置与内容提要

实验报告中要求写出完整的操作步骤

七、考核方式与成绩评定标准

每次实验成绩根据学生预习、实验操作、实验报告的完成情况进行评定。

实验成绩：预习与考勤20%、操作40%、原始记录与实验报告40%。

八、教材及主要参考资料

教材：机器人技术基础.刘极峰，邵秋萍.高教出版社，2005年

      工业机器人实验指导书.刘极峰，邵秋萍. 2005年

参考资料：机器人控制技术.孙迪生.机械工业出版社.1997年

机器人控制技术.熊有伦.华中理工大学出版社.1997年

九、其他说明

大纲制订人：邵秋萍

大纲审定人：刘极峰

制订日期：2006年12月