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1、 圖2-1機器人結(jié)構(gòu) 六自由度串聯(lián)機器人認(rèn)知實驗 一.實驗?zāi)康? 1. 了解串聯(lián)機器人的機構(gòu)組成； 2. 了解機器人機械系統(tǒng)各部分的原理及作用； 3. 認(rèn)識RBTM器人的運動特點及控制原理 4. 掌握機器人單軸運動的方法。 5. 二.實驗設(shè)備和工具 1、RBT-6T/S03Sa 學(xué)機器人一臺； 2、RBT-6T/S03S＞學(xué)機器人控制系統(tǒng)軟件一套; 3、RBT-6T/S03Sa學(xué)機器人控制柜一臺； 4、裝有運動控制卡計算機一臺； 5、機器人氣動手爪一套。 三.實驗原理與方法 1, RBT教學(xué)機器人的性能指標(biāo) 機器人是一種具有高度靈活性 的自動化機

2、器，是一種復(fù)雜的機電 一體化設(shè)備。機器人按技術(shù)層次分 為：固定程序控制機器人、示教再 現(xiàn)機器人和智能機器人等。如圖2-1 所示，本實驗所使用的RBTL器人為 6自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式機器人，即機器 人各連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)連接，各 關(guān)節(jié)軸線相互平行或垂直。連桿的 一端裝在固定的支座上（底座）， 另一端處于自由狀態(tài)，可安裝各種 工具以實現(xiàn)機器人作業(yè)。關(guān)節(jié)的傳 動采用模塊化結(jié)構(gòu)，由錐齒輪、同步齒型帶和諧波減速器等多種傳動結(jié)構(gòu)配合實 現(xiàn)。機器人各關(guān)節(jié)采用伺服電機和步進電機混合驅(qū)動，并通過 Window壞境下的 軟件編程和運動控制卡實現(xiàn)對機器人的控制，使機器人能夠在工作空間內(nèi)任意位 置精確定位。 RB

3、TL器人技術(shù)參數(shù)如下： 機構(gòu)形態(tài) 串聯(lián)關(guān)節(jié)型 自由度 6 能力 10Kg 動作范圍 關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)動 -150 ° ?+150 ° 關(guān)節(jié)n轉(zhuǎn)動 -150 ?-30 ° 關(guān)節(jié)山轉(zhuǎn)動 +50° ?-70 ° 關(guān)節(jié)IV轉(zhuǎn)動 -150 ° ?+150 ° 關(guān)節(jié)V轉(zhuǎn)動 -90 ?+90 ° 關(guān)節(jié)VI轉(zhuǎn)動 -180 ° ?+180 ° 最大速度 關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)動 60° /s 關(guān)節(jié)n轉(zhuǎn)動 60° /s 關(guān)節(jié)山轉(zhuǎn)動 60° /s 關(guān)節(jié)IV轉(zhuǎn)動 60° /s 關(guān)節(jié)V轉(zhuǎn)動 60° /s 關(guān)節(jié)VI轉(zhuǎn)動 60° /s 本體重里 <150Kg 安裝劃、境 溫

4、度 0 ?+45 C 濕度 20?80 %不結(jié)露 振動 0.5 G以下 其它 避免易燃、腐蝕性氣體、液體 勿濺水、油、粉塵等 勿接近電器噪聲源 電源容量 三相 380V 50Hz 2KVA 2,機器人機械系統(tǒng)組成 機器人機械系統(tǒng)主要由以下幾大部分組成： 原動部件、傳動部件、執(zhí)行部件＜ 基本機械結(jié)構(gòu)連接方式為原動部件一傳動部件一執(zhí)行部件。機器人的傳動簡圖如 圖2-2所示。 I關(guān)節(jié)傳動鏈主要由伺服電機、減速器構(gòu)成。 R關(guān)節(jié)傳動鏈主要由伺服電機、減速器構(gòu)成。 出關(guān)節(jié)傳動鏈主要由步進電機、同步帶、減速器構(gòu)成。 IV關(guān)節(jié)傳動鏈主要由步進電機、減速器構(gòu)成。 V關(guān)節(jié)傳

5、動鏈主要由步進電機、同步帶、減速器構(gòu)成。 VI關(guān)節(jié)傳動鏈主要由步進電機、同步帶、減速器構(gòu)成 在機器人末端還有一個氣動夾持器。 圖2-2機器人傳動簡圖 下面對在RBT-6T/S03y自由度教學(xué)機器人中采用的各傳動部件的工作原理 及特點作以簡要介紹： （1）同步齒型帶傳動 同步齒型帶傳動是通過帶齒與輪齒的嚙合傳遞運動和動力，如圖 2-2所示 與摩擦型帶傳動相比，同步帶傳動兼有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的一些特點， 與一般帶傳動相比具有以下特點： 1）、傳動比準(zhǔn)確，同步帶傳動是嚙合傳動，工作時無滑動； 2）、傳動效率高，可達98%Z上，節(jié)能效果明顯； 3）、不需依靠摩擦傳動，

6、預(yù)緊張力小，對軸和軸承的作用力小，帶輪直徑 小，所占空間小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊； 4）、傳動平穩(wěn)，動態(tài)特性良好，能吸振，噪音小； 5）、齒型帶較薄，允許線速度高，可達 50m/s； 6）、使用廣泛，傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦，速比可達 10左右； 7）、使用保養(yǎng)方便，不需要潤滑，耐油、耐磨性和抗老化好，還能在高溫、 灰塵、水及腐蝕介質(zhì)等惡劣環(huán)境中工作； 8）、安裝要求較高，兩帶輪軸心線平行度要高，中心距要求嚴(yán)格； 9）、帶和帶輪的制造工藝復(fù)雜、成本高。盡管如此，同步帶傳動不失為一 種十分經(jīng)濟的傳動裝置，現(xiàn)已廣泛用于要求精密定位的各種機械傳動中。 圖2-3同步齒形帶傳動結(jié)構(gòu)

7、 嚙合 圖2-4諧波齒輪傳動工作過程 兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài), 即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒 （2）諧波齒輪傳動 諧波齒輪傳動由三個基本構(gòu)件組成: 1）、諧波發(fā)生器（簡稱波發(fā)生器）一一是由凸輪（通常為橢圓形）及薄壁 軸承組成，隨著凸輪轉(zhuǎn)動，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運動（彈性范圍內(nèi)） 2）、剛輪一一是剛性的內(nèi)齒輪； 3）、柔輪一一是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。 以上三個構(gòu)件可以任意固定一個，成為減速傳動及增速傳動；或者發(fā)生器、 剛輪主動，柔輪從動，成為差動機構(gòu)（即轉(zhuǎn)動的代數(shù)合成）。 諧波傳動工作過程如下圖2-3所示，當(dāng) 波發(fā)生器為主動

8、時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，使 長軸附近柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的 彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程 中進入（嚙合）或退出（嚙出）剛輪的齒問， 在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸 方向的齒就處于完全的脫開狀態(tài)。 波發(fā)生器通常為橢圓形的凸輪，凸輪位 于薄壁軸承內(nèi)。薄壁軸承裝在柔輪內(nèi)，此時 柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸 沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有 30流右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的 柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)， 簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔 輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱 之為嚙出；有的逐漸進入剛輪齒間，處在半嚙合

9、狀態(tài)，稱之為嚙入。 波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的 連續(xù)轉(zhuǎn)動，就使柔輪齒的嚙入一嚙合一嚙出一脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改 變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之為錯齒運動，正是這一錯齒運動，使減速 器可以將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。 諧波齒輪傳動的特點： 1）、傳動比大、單級傳動比為 70?320; 2）、側(cè)隙小。由于其嚙合原理不同于一般齒輪傳動，側(cè)隙很小，甚至可以 實現(xiàn)無側(cè)隙傳動； 3）、精度高。同時嚙合齒數(shù)達到總齒數(shù)的20流右，在相180°的兩個對稱 方向上同時嚙合，因此誤差被平均化，從而達到高運動精度； 4）、零件數(shù)少、安裝方便。僅

10、有三個基本部件，且輸入軸與輸出軸為同軸 線，因此結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便； 5）、體積小、重量輕。與一般減速器比較，輸出力矩相同時，通常其體積 可減小2/3 ,重量可減小1/2 ; 6）、承載能力大。因同時嚙合齒數(shù)多，柔輪又采用了高疲勞強度的特殊鋼 材，從而獲得了高的承載能力； 7）、效率高。在齒的嚙合部分滑移量極小，摩擦損失少。即使在高速比情 況下，還能維持高的效率； 8）、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。周向速度低，又實現(xiàn)了力的平衡，故噪聲低、振動?。? 9）、可向密閉空間傳遞運動。利用其柔性的特點，可向密閉空間傳遞運動。 這一點是其它任何機械傳動無法實現(xiàn)的。 （3）齒輪傳動 齒輪傳動的特點： 1）

11、、瞬時傳動比恒定。非圓齒輪傳動的瞬時傳動比又能按需要的變化規(guī)律 設(shè)計； 2）、傳動比范圍大，可用于減速或增速； 3）、速度（指節(jié)圓圓周速度）和傳動功率的范圍大，可用于高速（v>40m/s）、 中速和低速（v<25m/s）的傳動；功率可從小于1MJ 105Kw 4）、傳動效率高，一對高精度的漸開線圓柱齒輪，效率可達 99犯上； 5）、結(jié)構(gòu)緊湊，適用于近距離傳動； 6）、制造成本較高，某些具有特殊齒形或精度很高的齒輪，因需要專用或 高精度的機床、刀具和量儀等，故制造工藝復(fù)雜，成本高； 7）、精度不高的齒輪，傳動時噪聲、振動和沖擊大，污染環(huán)境； 8）、無過載保護作用。 （4） R

12、VW動 I 一中心輪2一行星輪3一曲柄軸 4 一攜線輪5—針齒6—輸出軸7一甘齒殼 RV傳動是在擺線針輪傳動基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動，它具有體積 小，重量輕，傳動比范圍大，傳動效率高等一系列優(yōu)點，比單純的擺線針輪行星 傳動具有更小的體積和更大的過 載能力，且輸出軸剛度大，因而 在國內(nèi)外受到廣泛重視，在日本 機器人的傳動機構(gòu)中，已在很大 程度上逐漸取代單純的擺線針輪 行星傳動和諧波傳動。 圖2-5 RV傳動簡圖 R叱動原理如圖2-5所示，它 由漸開線圓柱齒輪行星減速機構(gòu) 和擺線針輪行星減速機構(gòu)二部分 組成.漸開線行星齒輪2與曲柄軸 3連成一體，作為擺線針輪傳動部分的輸入，如果漸開

13、線中心齒輪1順時針方向旋 轉(zhuǎn)，那么漸開線行星齒輪在公轉(zhuǎn)的同時還有逆時針方向自轉(zhuǎn) ，并通過曲柄軸帶動 擺線輪做偏心運動，此時，擺線輪在其軸線公轉(zhuǎn)的同時，還將反向自轉(zhuǎn)，即順時針 轉(zhuǎn)動.同時還通過曲柄軸推動鋼架結(jié)構(gòu)的輸出機構(gòu)順時針方向轉(zhuǎn)動 . R叱動作為一種新型傳動，從結(jié)構(gòu)上看，其基本特點可概括如下： 1）、如果傳動機構(gòu)置于行星架的支撐主軸承內(nèi)，那么這種傳動的軸向尺寸 可大大縮小； 2）、采用二級減速機構(gòu)，處于低速極的擺線針輪行星傳動更加平穩(wěn)， 同時, 由于轉(zhuǎn)臂軸承個數(shù)增多且內(nèi)外環(huán)相對轉(zhuǎn)速下降，其壽命也可大大提高； 3）、只要設(shè)計合理，就可以獲得很高的運動精度和很小的回差； 4）、RV傳

14、動的輸出機構(gòu)是采用兩端支承的盡可能大的鋼性圓盤輸出結(jié)構(gòu)， 比一般擺線減速器的輸出架構(gòu)（懸臂梁結(jié)構(gòu)）具有更大的剛度，且抗沖擊性能也 有很大提高； 5）、傳動比范圍大，因為即使擺線輪齒數(shù)不變，只改變漸開線齒數(shù)，就可 以得到很多的速比。其傳動比為i=31?171; 6）、傳動效率高，其傳動效率為 4=0.85?0.92。 3,機器人單軸運動 1、連接好氣路，啟動氣泵到預(yù)定壓力 2、啟動計算機，運行RBT-6T/S03Sa學(xué)機器人軟件“RBT6TS3S.ex3,出現(xiàn) 如圖2-6所示主界面； 圖2-6系統(tǒng)運行主界面 3、 連接好控制柜電源，打開控制柜門，合上斷路器，關(guān)閉控制柜門；

15、 4、開啟“電源開關(guān)”，按下“啟動按鈕”； 5、點擊主界面“機器人復(fù)位”按鈕，機器人進行回零運動。觀察機器人的 運動，六個關(guān)節(jié)全部運動完成后，系統(tǒng)會提示您機器人復(fù)位完成， 機器人處于零 點位置； 6、點擊“關(guān)節(jié)運動”按鈕，出現(xiàn)如圖2-6所示界面; 圖2-7 關(guān)節(jié)運動界面 7、選擇“關(guān)節(jié)I”，關(guān)節(jié)方向選擇“正向”，啟動方式選擇“加速”，運動方 式選擇“位置模式”，運行速度取默認(rèn)值，目標(biāo)位置取-120度，點擊“啟動”按 鈕，觀察機器人第I關(guān)節(jié)運動情況； 8、選擇“關(guān)節(jié)I ”，關(guān)節(jié)方向選擇“反向”，啟動方式選擇“加速”，運動方 式選擇“速度模式”，運行速度取默認(rèn)值，點擊“啟動”按鈕，觀

16、察機器人第I 關(guān)節(jié)運動情況，然后點擊“立即停止”按鈕； 9、選擇“關(guān)節(jié)―，關(guān)節(jié)方向選擇“正向”，啟動方式選擇“勻速”，運動方 式選擇“位置模式”，運行速度取默認(rèn)值，目標(biāo)位置取30度，點擊“啟動”按鈕， 觀察機器人第H關(guān)節(jié)運動情況； 10、 選擇“關(guān)節(jié)―，關(guān)節(jié)方向選擇“反向”,啟動方式選擇“勻速”,運 動方式選擇“速度模式”，運行速度取默認(rèn)值，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人第 n關(guān)節(jié)運動情況，然后點擊“立即停止”按鈕； 11、 選擇“關(guān)節(jié)田”，關(guān)節(jié)方向選擇“正向”，啟動方式選擇“加速”，運 動方式選擇“位置模式”，運行速度取默認(rèn)值，目標(biāo)位置取 30度，點擊“啟動” 按鈕，觀察機器人第出關(guān)節(jié)

17、運動情況； 12、 選擇“關(guān)節(jié)田”，關(guān)節(jié)方向選擇“反向”，啟動方式選擇“加速”，運 動方式選擇“速度模式”，運行速度取默認(rèn)值，點擊“啟動”按鈕觀察機器人第 出關(guān)節(jié)運動情況，然后點擊“立即停止”按鈕； 13、 選擇“關(guān)節(jié)IV”，關(guān)節(jié)方向選擇“正向”，啟動方式選擇“勻速”，運 動方式選擇“位置模式”，運行速度取默認(rèn)值，目標(biāo)位置取 60度，點擊“啟動” 按鈕，觀察機器人第IV關(guān)節(jié)運動情況; 14、 選擇“關(guān)節(jié)IV”，關(guān)節(jié)方向選擇“反向”，啟動方式選擇“勻速”，運 動方式選擇“速度模式”，運行速度取默認(rèn)值，點擊“啟動”按鈕觀察機器人第 IV關(guān)節(jié)運動情況，然后點擊“立即停止”按鈕； 15、

18、選擇“關(guān)節(jié)V”，關(guān)節(jié)方向選擇“正向”， 啟動方式選擇“加速”， 運動方式選擇“位置模式”，運行速度取默認(rèn)值，目標(biāo)位置取60度，點擊“啟動” 按鈕，觀察機器人第V關(guān)節(jié)運動情況； 16、 選擇“關(guān)節(jié)V”，關(guān)節(jié)方向選擇“反向”,啟動方式選擇“加速”， 運動方式選擇“速度模式”，運行速度取默認(rèn)值，點擊“啟動”按鈕觀察機器人 第V關(guān)節(jié)運動情況，然后點擊“減速停止”按鈕； 17、 選擇“關(guān)節(jié)W”，關(guān)節(jié)方向選擇“正向”，啟動方式選擇“加速”，運 動方式選擇“位置模式”，運行速度取默認(rèn)值，目標(biāo)位置取 60度，點擊“啟動” 按鈕，觀察機器人第VI關(guān)節(jié)運動情況； 18、 選擇“關(guān)節(jié)W”，關(guān)節(jié)方向選擇“反向”

19、，啟動方式選擇“加速”，運動 方式選擇“速度模式”，運行速度取默認(rèn)值，點擊“啟動”按鈕觀察機器人第 VI關(guān)節(jié)運 動情況，然后點擊“減速停止”按鈕； 19、 點擊“退出”按鈕，退出關(guān)節(jié)運動界面； 20、 點擊“機器人復(fù)位”按鈕，使機器人回到零點位置； 21、 按下控制柜上的“停止按鈕”，關(guān)閉“電源開關(guān)”； 22、 關(guān)閉控制柜內(nèi)的斷路器； 23、 關(guān)閉RBT-6T/S03S教學(xué)機器人軟件“ RBT6TS3S.exe,關(guān)閉計算機。 注意事項 1、實驗前確保機器人各電纜正確連接； 2、在老師的指導(dǎo)下進行實驗； 3、機器人通電后，身體的任何部位不要進入機器人運動可達范圍之內(nèi)； 4、機器人運動不正常時，及時按下控制柜的 急停開關(guān)（SB3按鈕）； 5、系統(tǒng)啟動順序是先啟動計算機和軟件，然后機器人通電，斷電時先斷開 機器人電源，再關(guān)閉軟件和計算機，否則可能引起機器人誤動作，造成人身傷害 和設(shè)備損壞。 四.實驗內(nèi)容與要求 1 .觀察機器人機械結(jié)構(gòu)，電氣線路硬件情況。繪制機器人結(jié)構(gòu)簡圖 2 .手動操作機器人，觀察關(guān)節(jié)動作及手部位姿狀態(tài)。 五.思考題 1,機器人各關(guān)節(jié)相對運動間的原點位置是如何保證的？ 2,機器人工作過程中，手部位姿是如何保證的？ 3,當(dāng)機器人末端沿已知路徑運動時，各關(guān)節(jié)輸入量是怎樣產(chǎn)生的？ 4,機器人各關(guān)節(jié)的運動范圍超限報警是怎樣實現(xiàn)的？