SCARA机器人实验指导书.doc

SCARA机器人实验指导书 A SCARA机器人实验指导书SCARA教学机器人简介KLD400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1和2，及移动关节的位移Z决定的，即Pf(1，2，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,KLD400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，KLD400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（SCARA）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KLD400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）KLD400机器人图形示教软件技术参数结构形式平面关节式（SCARA型）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10270关节20200关节3060mm关节40345每轴最大运动速度关节10.5rad/S关节20.5rad/S关节36mm/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1（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045湿度2080RH（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实验一SCARA机器人的运动学分析 一、实验目的1.理解SCARA机器人运动学的D-H坐标系的建立方法；2.掌握SCARA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； 二、实验原理1SCARA机器人齐次坐标系的建立Y2Y3图1SCARA机器人的D-H连杆坐标系的建立采用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 1、 2、d 3、4为关节变量。 表1SCARA机器人的杆件参数连杆变量n-1an-1dn cosn-1sinn-11100010220l1010300l2d3104400010设与机器人机座相固连的坐标系统O0X0Y0Z0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-1Tn），如下所示（1-1）（1-2）（1-3）（1-4）其中ci=cosi,，si=sini2SCARA机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=（1-5）式1-5表示了SCARA手臂变换矩阵，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。 式中3SCARA机器人的逆运动学分析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1为了分离变量，对方程的两边同时左乘，得即=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（1-6）（1-7）由以上两式联立可得（1-8）式中；2).关节变量2由式（1-7）可得（1-9）式中；3).求关节变量d3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4令左右矩阵中的第二行第一个元素（1.1,2.1）相等，即由上式可求得（1-11） 三、实验步骤1.先把运动控制卡插入ISA插槽，按要求将SCARA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1软件正运动学分析结果:输入值d3输出值nx oxax pxny oyay pynz ozaz pz2软件逆运动学分析结果:输入值px pypz nxny输出值d3 五、思考题1求解SCARA机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120，240，可以得出px255.439，py185.317，pz190，nx0.5,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1和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Y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 一、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； 二、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SCARA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。 在示教之前应该设置关节的示教速度，如图3所示，文本框中的值是系统默认的示教速度值，用户可以根据不同需要可以更改，但是必须在一定范围内更改，关节 1、2的速度设置范围是0.020.5弧度/秒，关节3的速度设置范围是16毫米/秒，关节4的速度范围是0.8-3弧度/秒。 当按下有右转时，站在机器人底座的后面看，关节 1、 2、4是向右转，关节3是下降，按下的时间的长短决定了关节所转过角度的大小，当抬起按钮时，对应的关节电机就会停止，当按下左转时，站在机器人底座的后面看，关节 1、 2、4是向左转，关节3是上升，按下的时间的长短决定了关节所转过角度的大小，当抬起按钮时，对应的关节电机就会停止。 当按下张开时，手爪就会张开，当按下合拢时，手爪就会关闭，这样软件就会自动记下手爪是张开还是合；图2图33当机器人到达的点是需要记录的点时，这时按下记录按钮，这个点的坐标值可以在右边的文本框中显示出来，坐标值可以以文本文档的形式保存，根据需要可以记录多个点的信息；4记录完成后，按下复位按钮，将机器人复位到机器人的原点位置；5然后按下回放按钮，这时可以观察机器人是否和示教时所走过的路径一致；6回放完成后，按下清零按钮，将这次示教的信息清除，然后再循环前几步骤可以进行连续示教；7实验完成前，必须将机器人复位到原点，以便下次实验。 四、实验结果1记录点坐标值记录点的个数n记录点的坐标值px pypz2绘制示教轨迹曲线(根据记录点的坐标值绘制路径曲线) 五、思考题1通过实验自己总结示教再现的概念。 2分析示教轨迹与再现轨迹的误差有多大？实验三高级语言编程控制SCARA机器人 一、实验目的1学会使用高级语言(VC、VB)对机器人的控制方法；2理解动态连接库的概念；3掌握高级语言调用动态连接库的方法。 二、实验原理DLL是动态链接函数库（Dynamic LinkLibraries）的简称，是组成Windows系统的最重要的元素。 Windows将构成其系统的大部分程序代码、数据以及经常用到的资源以二进制文件（类似于可执行文件）的形式，存储在磁盘里。 DLL就是允许用户的应用程序共享代码和资源的可执行模块，这种分享能力存在于应用程序模块之间或不同的应用程序之间，同一个动态链接库里的同一个函数可同时被不同应用程序调用。 Windows系统核心的绝大部分代码、数据、资源及大量的设备驱动程序等均以动态链接库的形式存在，DLL实质上是Windows环境下的一个特殊的可执行模块，它内含一系列的函数或资源，供一般的应用程序或动态链接库调用。 硬件设备的控制，实质上也就是从外设上读取设备状态，把控制信息传送到外部设备。 在微机和系统控制接口插卡之间实现数据传送和交换的过程，这其中