沈阳SCARA机器人实验指导书

SCARA机器人实验指导书哈尔滨科利达智能控制技术有限公司SCAR/教学机器人简介KLD—400教学机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。

另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直平面的运动。

手腕参考点的位置由两旋转关节的角位移①1和①2,及移动关节的位移Z决定的，即P= f（①1,①2,Z）, SCARA教学机器人为平面关节型机器人，本机器人采用伺服电机和步进电机驱动，控制简单，编程方便， KLD—400教学机器人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教学实验需要和相关工业机器人应用培训需要而最新开发的四自由度机器人，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，具有广阔的可达空间，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。

除教学和培训外，KLD—400还可用于细小零件的搬运和电子元件的装配等工业作业。

系统特点•机构采用平面关节型（SCAR）结构，按工业标准要求设计，速度快、柔性好；•采用交流伺服电机和谐波减速器等，模块化结构，简单、紧凑，完全满足实验的要求；；•控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验•提供通用机器人语言编程系统，可通过图形示教自动生成机器人语言等程序；•提供实验教材，内容涵盖机器人运动学、动力学、控制系统的设计、机器人轨迹规划等。

用户可以从中选择相关内容满足不同层次的教学实验需要。

•性价比高；适于在高等院校大范围推广。

系统配置•硬件平台：KLD—400系列伺服运动控制器和微机平台（PC用户自备,带ISA插槽）•软件平台：1）Windows操作系统；2）KLD—400机器人图形示教软件技术参数结构形式平面关节式（SCARAB）负载能力1kg运动精度（脉冲当量/转）关节112800关节212800关节3800pulse/mm关节41600未端重复定位精度± 0.1mm每轴最大运动范围关节10~270°关节20~200°关节30~60mm关节40~345°每轴最大运动速度关节1 0.5rad/S 关节2 0.5rad/S 关节3 6mm/S 关节43.14rda/S 最大展开半径 335mm 高度 480mm本体重量 < 25Kg几何尺寸关节（长度）200mm关节2（长度） 135mm 关节3（行程） 60mm控制方式 PTP/CP操作方式 示教再现供电电源 二相 220U 50HZ安装要求安装方式 水平安装安装环境温度：0~45C 湿度：20~80% RH （不 能结露）震动：0.5G 以下避免接触易燃腐 蚀性液体或气体，远离电气噪声源软件界面KLB JBOiK 自由丘宜血如君人狂制至!S 丈件让〕^a （i ）运动学労折跋 典塑翼疊解助⑥□回函a ft歟 IgRHT非常椎遐出程厅未箱坐杯牯总 *坐标录快逮度i 尅E关节与业掠信•息 （豪0［初关W 3芙节2（ri 关忙关龙5C«*JCBUV^J裝和ag■J ■坐标L 酬誤磁写悝制宜关协关在J 2 口=》正常■ ■■■■■■■ ■引緬运动半井新氏SS 帼处担 k Hi ；动堂好折I 粉丨r 逆运議学井析KLD-400SLKelida室■三由度教学机器人控制系统啥拯鴻利利这智罐披刮技水有跟公司M H 1£ELHiX 皑四P 曰实验一SCARA机器人的运动学分析、实验目的：1. 理解SCAR机器人运动学的D-H坐标系的建立方法;2. 掌握SCAR机器人的运动学方程的建立；3. 会运用方程求解运动学的正解和反解；、实验原理：1. SCARA机器人齐次坐标系的建立：采用Denavit-Hartenberg 运动学表示法建立坐标系。

SCARA机器人属于平面关节式机器人，各连杆坐标系如图1。

相应的连杆参数列于表1,表中B1、9 2、d3、B 4为关节变量。

连杆变量 a n-1 a n- 1d n COS a n-1sin a n-119 10001029 20丨1010300l 2d31049 400010设与机器人机座相固连的坐标系统O o X o Y o Z o为参考坐标系，每个杆件上固连一个坐标系统，即为动坐标系，从而根据表1各杆件之间的关系，可写出相应的位姿变换矩阵（记为n-1T n ），如下所示：0 00 01 0 0 1 (1-1)图1 SCARA机器人的D-H连杆坐标系的建立c2- s2 0 l1S2 c20 0|0 0 1 0.0 0 0 1一c4-s40 03 S4 C4 0 0T 4 =|0 0 1 0.0 0 0 1一其中:C i =cos 0 i, , S i=sin 0 i2. SCAR刪器人的正运动学分析机器人运动学只涉及到物体的运动规律，不考虑产生运动的力和力矩。

机器人正运动学所研究的内容是：给定机器人各关节的角度，计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。

各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程（正运动学方程）为：式1-5表示了SCARA手臂变换矩阵叮4，它描述了末端连杆坐标系｛4｝相对基坐标系｛0｝的位姿，是机械手运动分析和综合的基础o z - 0，a x = 0，a y = 0，a z -1p^ - s1c2l 2 C1S2l2 S1l1，P z = d33. SCARAn器人的逆运动学分析(1-2)1 0 0 l20 10 00 0 1 d3(1-3)(1-4 )-nx O x a xPx 1叮4=叮（日1八（日2汀3©盯他＞n y O y a y P yn z O z a z P z-000 1 _(1-5)式中: “X - C1C2C4 ■S1S2C4 ■ C1S2S4 ■S1C2S4，n^ —S1C2C4 C1S2C4 - S| S2S4 C1C2S4 n z =0，O x = 1C1C2S4 S1S2 S4 - GS2C4 - S1C2C4--S i C2 s4-C1S2S4 ■ S1S2C4GC2C4p x - C1C2l^ _S1S2l2 C1l1，1已知机器人末端的位置和姿态，求机器人对应于这个位置和姿态的 全部关节角，以驱动关节上的电机，从而使手部的位姿符合要求。

与机 器人正运动学分析不同，逆问题的解是复杂的，而且具有多解性。

1）.求关节变量B 1为了分离变量，对方程的两边同时左乘OTfGJ ，得: 叮1」（如叮6 =吓2（匕）叮393）叮4（如 即：ps 1 0 0「n x O x a x P xl - C 2 C 4 — s2 S 4 一 C 2S 4 — s2 c 4 0 。

2匚 * 111G 0 0n yO ya y P ys 2c 4+ OS 4—S2S 4 + c ?C 4 0S 2I 20 0 1 0n z O z a z P z0 0 1d a .00 0 1_0 0 0 1 一 10 0 01 一令左右矩阵中的第一行第四个元素（1.4），第二行第四个元素（2.4 ） 分别相等。

即:式中：r=Jp 2+py ; ® = arctg HP y3）.求关节变量d a令左右矩阵中的第三行第四个元素（3.4）相等，可得:(1-10 )4）.求关节变量9 4令左右矩阵中的第二行第一个元素（1.1,2.1 ）相等，即：-sin 片 n x costn y =sin^ cos^ cos^ si由上式可求得：Jcos 哥 P x sin ^P y =cosv 2 l 2 l 1 -sin ① p xcos^P y 二sinv 2 l 2由以上两式联立可得：F A ）d =arctg ——, 1-^1 ^Z —A2 丿式中:=arctg 邑P y2）.关节变量9 2 由式（1-7）可得:二 arctg r cos®)j sin(日 1 +9) -I 1 _(1-6)(1-7 )(1-8 )(1-9)d a 二 P z— sin 也n x+cosdn yt =arctg( -- 一)-七(1-11 ) cos® n x +sindn y三、实验步骤：1. 先把运动控制卡插入ISA插槽，按要求将SCAR机器人的连线都连好；2. 然后运行科利达公司提供的软件，运行菜单栏内的运动学分析，点击正运动学菜单，就会看到操作界面，在要求输入数值的地方输入相应的数值，点击计算按钮，结果就会在文本框中显示，记录下此时的输入与输出值；3. 这个结果与手工算出的结果相比较，是否一致，如果不一致，请分析原因；4•点击运动学分析菜单下的逆运动学分析的菜单，按要求输入相应的数值，点击计算按钮，结果就会在输出的文本框中显示，记录此时的输入和输出值；5.这个结果与手工算出的结果相比较，是否一致，由于逆解具有多解性，分析计算时应该舍哪个解是正确的。

四、实验结果：五、思考题:1 •求解SCARAB器人运动学反解的时候，应该舍哪个解是合理的？2 •在正运动学分析对话框内输入9 1 = 20，9 2 = 40，可以得出px =255.439，py = 185.317，pz =—190，nx = 0.5,ny=0.866025,然后再把这几个值输入逆运动学分析的对话框内，看看得出的值与输入9 1和9 2的值一样吗？如果不一样，请你分析原因。

六、注意事项1、注意接线时不要错开连结，即将X轴电机电源线连到X轴，但却将X轴码盘电缆连到丫轴或者正好相反。

2、实验中不要随意拆卸零件。

需要时，在老师的指导下进行。

3、不要用硬物撞击机器人，以免损伤或影响系统精度。

实验二SCARA机器人的示教过程、实验目的:1. 理解机器人示教的概念;2. 掌握示教的方法；3. 理解机器人示教的过程; 、实验原理：机器人示教(teachprogramming),就是人把规定的动作(包括每个运动部件，每个运动抽的动作)教给机器人。

示教的简繁，标志着机器人自动化水平的高低。

记忆，即是将各示教点的动作顺序信息、动作速度信息、位姿信息记忆在存储器中。

存储信息的形式、存储存量的大小决定机器人能进行操作的复杂环度。

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

是根据给定顺序再现，还是根据工作情况，自动选择相应的程序再现这一功能的不同，标志着机器人对工作环境的适应性。

操作，指机器人以再现信号作为输入指令，使执行机构重复示教过程规定的各种动作。

在这一动作循环中，示教和记亿足同时进行的；再现和操作也是同时进行的。

三、实验步骤：1. 先把运动控制卡插入ISA插槽，按要求将SCAR机器人的连线都连好；2. 然后运行科利达公司提供的软件，就会看到示教的控制界面，如图2所示，示教盒是控制机器人的各个关节的所转过角度的大小、各个关节所转的方向。