郑州轻院机器人技术实验指导书

《机器人原理与应用》

实验指导书

适用专业：机械设计制造及其自动化

王才东编写

郑州轻工业学院

机电工程学院

二一二年九月

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本实验指导书为配合本科高年级《机器人原理及应用》课程教学而编写，适用于机械制造及其自动化专业机器人技术课程实验时使用。

本实验指导书包括两方面的内容：工业机器人部分主要对具有手足融合功能的四足仿生机器人进行介绍，主要包括机械结构、手爪结构、运动学分析、控制系统构成；六自由度机器人运动控制仿真实验要包括认识机器人的结构，通过虚拟机械手的仿真运动理解机器人的运动控制过程。通过本实验可以使得学生对工业机器人和智能机器人的相关知识有一个全面而系统的了解，是对课堂教学的深化与补充。

四足仿生机器人构型分析及运动学实验 (1)

六自由度机器人运动控制仿真实验 (4)

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实验一 四足仿生机器人构型分析及运动学实验

实验类型：演示 实验学时：2 实验要求：必修

一、实验目的

通过对四足仿生机器人的机械结构、控制系统、软件编程和离线仿真等部分的介绍，使学生对机器人的结构、坐标系建立、控制方式、轨迹规划、编程与仿真等方面有一个全面而深入的认识，全面深化机器人课程关于机器人构型论述方面的内容。

通过试验使得学生达到：

1 了解四足仿生机器人的机械结构；

2 掌握四足仿生机器人的控制系统构成和控制过程；

3会建立四足机器人的运动学模型。

二、实验内容

1 介绍四足仿生机器人的机械结构；

2 演示四足仿生机器人的控制系统构成和控制过程；

3 演示四足仿生机器人求教再现过程。

三、仪器设备

1 四足仿生机器人；

2 四足仿生机器人控制系统软件一套；

3 装有运动控制卡的工业计算机一台；

4 机器人手爪一套。

四、实验原理、方法和手段

四足仿生机器人实物图如图1所示。四足仿生机器人的结构设计中采用模块化方法，使具有手脚融合功能的多足步行机器人不仅具有移动和搬运物体的机能，还能够根据环境和任务的需求进行动态的组合成多种运动结构形式的机器人系统。该机器人既可完成在地面的行走，又可以利用腿的抓取功能，实现对物体的抓取。该机器人具有模块化的结构，由机体模块、行走腿结构模块、手脚融合的腿部结构模块、控制模块等组成。

机器人采用基于CAN总线的分布式分层控制系统及基于ARM和DSP的5层分布式控制系统，如图2所示。基于CAN总线的分布式分层控制系统中，控制系统由上位PC机、USB-CAN 机身接口转接卡和多个关节控制器组成。其中上位PC机主要完成监控、步态生成、路径规划等上层功能。机身接口转接卡负责实现上位PC机与下位关节控制器的通信，接收并转发上位PC机的控制指令给下层关节控制器。底层关节控制器负责控制和驱动关节电机

按运动指令运动。

图1 机器人实物图

在采用基于ARM和DSP的5层分布式控制系统中，ARM可以运行操作系统和复杂的数据处理程序；DSP能够满足多轴控制对通信速率及实时性的要求；分布式控制使各个轴相互独立，减少了主控制器的负担。基于ARM和DSP的分布式控制系统具有嵌入式的优点，能够使机器人摆脱体积庞大的复杂上位机的束缚。

图2 四足机器人的运动控制系统

五、实验步骤

1) 本体结构介绍：

结合机器人本体实物和教学内容，由指导教师对机器人的整体结构进行介绍和说明；

2) 机器人控制系统介绍；

由指导教师介绍控制系统各部分的组成、功用和与本体之间的联接等；

3) 机器人示教过程演示。

机器人运动演示。

六、实验报告要求

1）根据自己的观察和指导教师的演示，整理出机器人本体的结构特点、控制系统的完整构成等。

2）观察机器人构型，绘制机器人机构简图，建立机器人的D-H坐标系

3）建立机器人运动学方程。

实验二 六自由度机器人运动控制仿真实验

实验类型：演示 实验学时：2 实验要求：必修 一、实验目的

通过对六自由度机器人的机械结构、控制系统、上位机仿真软件等部分的介绍，使学生对机器人的结构、控制系统、轨迹规划、编程与仿真等方面有一个全面而深入的认识，全面深化机器人课程关于机器人控制系统论述方面的内容。

通过试验使得学生达到：

1 了解六自由度机器人的机械结构；

2 掌握六自由度机器人的控制系统构成和控制过程；

3 了解机器人上位机仿真软件的使用方法。

4. 了解机器人不同坐标系的控制过程。

5.了解机器人的点位控制与连续轨迹控制。

二、实验内容

1 介绍六自由度机器人的机械结构；

2 演示六自由度机器人的控制系统构成和控制过程；

3 演示六自由度机器人虚拟样机运动仿真过程。

4.通过仿真软件验证机器人运动学方程的正确性。

5.进行虚拟机器人的点位控制与连续轨迹控制。

三、仪器设备

1.六自由度机器人控制系统软件一套；

2 装有运动控制卡的计算机一台；

四、实验原理、方法和手段

机器人机械本体采用六自由度串联关节式结构型式，其结构图如图1所示。教学机器人的六个关节均为转动关节，第二、三、五关节作俯仰运动，第一、四、六关节作回转运动。机器人后三个关节轴线相交与一点，为腕关节的原点，前3个关节确定腕关节原点的位置，后3个关节确定末端执行器的姿态。第6关节预留适配接口，可以安装不同的末端执行器（如手爪）以适应不同的任务要求。机器人结构参数及D-H坐标系图如图2所示。

机器人的前五个关节采用直流力矩电机和谐波减速器相结合的机械结构，位置反馈元件选用长春三峰传感器技术有限公司生产的增量式旋转编码器，第六关节电机、减速器和增量式编码器选用瑞典的MAXON公司产品。各关节电机和减速器型号、参数如表2.1所示。