机器人技术实验指导书.doc

机械与动力工程学院学院机器人技术实验指导书适用专业：机械设计制造及其自动化、近机专业陈西平编写河南理工大学二八年八月前 言（以下宋体，小4号， 1.5倍行距）本实验指导书为配合本科高年级机器人技术课程教学而编写，适用于机械制造及其自动化和测控仪器与技术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RBT-4s01s教学机器人进行介绍，主要包括机械结构、手爪结构、运动学分析和动力学分析、控制系统构成、编程与控制系统构成及离线编程与仿真等部分；自主足球机器人主要包括机器人的整体结构、机器人传感器、机器人控制系统和机器人足球比赛的知识构成。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。目 录RBT-4s01s教学机器人演示1自主式足球机器人系统演示6实验一 RBT-4s01s教学机器人演示实验类型：演示 实验学时：2 实验要求：必修一、实验目的通过对RBT-4S01S 教学型机器人的机械结构、控制系统、软件编程和离线仿真等部分的介绍，使学生对工业机器人的结构、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工业机器人论述方面的内容。通过试验使得学生达到：1 了解RBT-4S01S 教学型机器人的机械结构；2 掌握RBT-4S01S 教学型机器人的控制系统构成和控制过程；3 掌握RBT-4S01S 教学型机器人求教再现过程。二、实验内容1 介绍RBT-4S01S 教学型机器人的机械结构；2 演示RBT-4S01S 教学型机器人的控制系统构成和控制过程；3 演示RBT-4S01S 教学型机器人求教再现过程。三、仪器设备1 RBT-4S01S 教学型机器人；2 RBT-4S01S教学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 机器人气动手爪一套；(包括气源、组合三联件和电磁阀等)。四、所需耗材电容、电阻、导线、焊接剂等。五、实验原理、方法和手段RBT-4S01S 教学型机器人为四自由度平面关节型SCARA机器人，其基本结构如下图所示。若有四台伺服电机驱动，每个自由度由一个电机驱动。图二显示了其内部结构。图一 机器人的结构示意图 机器人各关节通过电机驱动，由运动控制卡驱动电机的伺服驱动器控制；通过工业计算机实现机器人的求教再现编程过程。图三显示电机驱动的控制示意图，图四显示了机器人的运动控制系统流程图。图三 机器人交流伺服驱动控制系统示意图图四机器人的运动控制系统六、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) 控制气爪系统介绍；结合控制气路的实物，由指导教师介绍并演示气爪的动作；3) 机器人系统介绍；打开控制柜，由指导教师介绍控制柜内各部分的组成、功用和与本体之间的联接等；4) 机器人示教过程演示。打开机器人电源和控制用计算机，运行机器人软件，进行完整的机器人求教操作和求教后机器人动作的再现过程。七、实验结果处理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和求教再现编程过程的完整流程等。八、实验注意事项1 实验时注意机器人的工作范围，防止机器人动作时损伤机器人或人员；2 机器人操作时，必须关闭控制柜门，防止意外触电事故发生；3 注意地面电缆线和信号线，防止阻断线缆；4 注意上电顺序，一定要先主设备上电以后再计算机上电。九、预习与思考题1 画出SCARA机器人的D-H坐标系，并说明其D-H参数；2 示教再现型机器人的工作过程。十、实验报告要求根据试验的记录，认真总结试验的各个环节，汇总成为实验报告，深课程教学所学的知识。实验报告应该包括以下内容：1)本体结构介绍：主要介绍RBT-4S01S机器人整体结构，驱动方式和D-H坐标系的建立等内容；2) 控制气爪系统介绍： 气爪的整体结构、功用和供气回路的原理图；3) 机器人系统介绍； 机器人的控制系统构成，整体布置和控制方式的选择等；4) 机器人示教过程演示： 求教再现型机器人的工作原理，离线编程和RBT-4S01S机器人的求教与再现的过程。 试验结束一般应在一周内将试验报告收齐送交。实验二 自主式足球机器人系统演示实验类型：演示 实验学时：2 实验要求：必修一、实验目的通过实验培养学生总体上了解掌握：1 了解Frontier III型中型组足球机器人的硬件结构；2 掌握Frontier III型中型组足球机器人的控制系统构成和控制软件的功用；3 掌握中型组足球机器人系统比赛的整个控制过程。二、实验内容1足球机器人比赛的意义与竞赛规则；2足球机器人的结构和控制系统构成；3足球机器人控制过程；4 足球机器人系统的协调工作过程。三、仪器设备1 Frontier III型中型组足球机器人两台；(前锋与守门各一台)；2 Frontier III型中型组足球机器人控制系统软件两套；3 笔记本电脑两台；4 控制用计算机一台；5 无线路由器一个；6 其它相关附配件。四、所需耗材电容、电阻、导线、焊接剂等。五、实验原理、方法和手段1) 全自主移动机器人的结构全自主移动机器人共分以下几个主要部分：外壳（发黑处理，带有散气孔）、视觉系统安装机构、踢球机构（前锋）和拨球机构（守门员）、全维轮系（避震作用）。踢球机构前端有一对护球抓手（前锋）。踢球机构全维轮系笔记本电脑图1 机器人外观示意图2) 全自主移动机器人的运动控制系统主要包括硬件控制系统和软件控制系统，分别由图二和图三所示。图二 控制系统的硬件构成图三 控制系统的软件构成3) 足球机器人系统的的基本工作原理主要包括传感器模块、通讯传输模块、中央处理器模块和运动控制模块等部分构成，具体原理由图四进行说明。图四 足球机器人系统的控制框图4) 足球机器人系统的的应用软件介绍主要包括四个软件：Frontier-API：自主移动机器人控制平台，开放式应用程序开发接口，支持C/C+语言程序开发； SmartView：机器人通用视觉软件，实时处理8个通道、每通道跟踪3个目标，支持目标特征学习； TeamLab：多机器人通用软件平台，提供人机交互界面，具有团体配置、任务分配、多机器人通讯与协调以及远程监控等功能，可扩展； 操作系统：上述软件均适用于Windows2000/XP。六、实验步骤1)由指导教师介绍足球机器人比赛的意义与竞赛规则；2)结合实物介绍足球机器人的机械结构和控制系统构成；3)介绍足球机器人控制过程和足球机器人系统的协调工作过程；4) 进行足球机器人比赛的动作演示。七、实验结果处理根据自己的观察和指导教师的演示，整理出足球机器人本体的结构特点、控制系统的完整结构和自主型足球机器人工作过程的完整流程等。八、实验注意事项1 实验时人员应当远离机器人，防止机器人误动作时损伤机器人或人员；2 机器人操作时，必须收起所有线缆，防止意外事故发生；3 不允许触摸电缆线和信号线，防止静电损坏芯片；4 不许私自拆装零件，不许随意移动机器人。九、预习与思考题1 画出足球机器人的系统构成；2 复述足球机器人的工作过程。十、实验报告要求根据试验的记录，认真总结试验的各个环节，汇总成为实验报告，深课程教学所学的知识。实验报告应该包括以下内容：1)本体结构介绍：主要介绍机器人整体结构，驱动方式和D-H坐标系的建立等内容；2) 控制系统介绍： 整体框图、各部分功用和控制系统原理图；3) 机器人软件系统介绍； 机器人的控制软件系统构成，和各部分软件的功用和控制软件的连接等；4) 机器人比赛过程演示： 演示机器人的整个工作过程和其中的一些注意事项。 试验结束一般应在一周内将试验报告收齐送交。实验三 AIM-rob01清洁机器人综合试验实验类型：综合 实验学时：2 实验要求：必修一、实验目的通过对robot cleaner AIM-ROB01 清洁机器人的机械结构、控制系统、系统实现等部分的介绍，使学生对家庭服务机器人的结构、控制方式、自主作业方面有一个全面的认识，全面深化机器人课程关于服务机器人论述方面的内容。通过试验使得学生达到：1 了解AIM-ROB01 清洁机器人的机械结构；2 掌握AIM-ROB01 清洁机器人的控制系统构成和控制过程；3 掌握AIM-ROB01 清洁机器人工作过程与工作模式。二、实验内容1 介绍AIM-ROB01 清洁机器人的机械结构；2 介绍AIM-ROB01 清洁机器人的控制系统构成和控制过程；3 演示AIM-ROB01 清洁机器人工作过程与工作模式。三、仪器设备AIM-ROB01 清洁机器人系统一套。四、所需耗材电容、电阻、导线、焊接剂等。五、实验原理、方法和手段RBT-4S01S 教学型机器人为四自由度平面关节型SCARA机器人，其基本结构如下图所示。若有四台伺服电机驱动，每个自由度由一个电机驱动。图二显示了其内部结构。图一 机器人的结构示意图 机器人各关节通过电机驱动，由运动控制卡驱动电机的伺服驱动器控制；通过单片机实现机器人的编程控制。图三显示工作模式示意图，图四显示了机器人的运动控制系统流程图。图三 机器人交流伺服驱动控制系统示意图图四机器人的控制系统六、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) 机器人系统介绍；打开控制柜，由指导教师介绍控制柜内各部分的组成、功用和与本体之间的联接等；3) 机器人工作过程演示。打开机器人电源和控制用计算机，运行机器人软件，进行完整的机器人求教操作和求教后机器人动作的再现过程。七、实验结果处理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和工作过程的完整流程等。八、实验注意事项1 实验时注意机器人的工作范围和应用环境，防止机器人在不适合的地面工作；2 机器人工作时，不得充电；九、预习与思考题1 画出机器人的