机器人技术基础实验及上机

1、 PAGE PAGE 16机器人技术基础础实验及上机机指导书机械电子工程实实验室2004年8月月实验一 齐次变换换与HNC-IR机器人人运动学建模模实验目的认识串并联机器器人的典型结结构，掌握串串、并联机器器人的自由度度运算方法。熟悉串、并联机机器人结构示示意图的画法法。 理解齐次变换的的物理意义，掌掌握齐次变换换矩阵表示刚刚体位姿的方方法，能正确确地进行齐次次变换矩阵的的运算。熟悉D-H表示示法，正确确确定连杆参数数和关节变量量，进行运动动学建模。实验原理及方法法齐次变换和运动动学建模是机机器人运动学学的基础。刚刚体的位姿通通过在刚体上上建立坐标系系来描述。齐齐次变换矩阵阵是一个四行行四列的

2、矩阵阵，它的前三三列描述刚体体的姿态（方方向），第四四列描述刚体体的位置。齐齐次变换矩阵阵的乘表示刚刚体或坐标系系间的复合变变换，齐次变变换矩阵的逆逆表示反变换换。即：如果果坐标系相对对的齐次变换换矩阵是T，那那么T1表示坐标标系相对的描述。连杆的功能在于于保持其两端端的关节轴线线具有固定的的几何关系，连连杆的特征也也是由这两条条轴线规定的的。两轴线的的公法线长度度就是连杆的的长度，两轴轴线的扭角就就是连杆的扭扭角。两连杆杆之间的连接接关系由两连连杆的公法线线之间的偏置置和夹角描述述。基于上述述DH法的的原理在机器器人操作臂的的每一连杆（构构件）上建立立坐标系，确确定连杆参数数和关节变量量，进

3、行运动动学建模。实验仪器及材料料 HNC-11R教学机器器人2并联机器人人模型3RRPS或6SPS一部部实验内容、步骤骤及数据整理理观察并联机器人人与HNC-IR机器人人的结构，了了解其动作原原理，并绘制制其结构简图图。计算自由度对HNC-IRR机器人建立立连杆坐标系系，确定连杆杆参数和关节节变量。相应应参数填入HHNC-IRR连杆参数表表。 HNC-1R连杆参参数表连杆序号i关节变量123456建立连杆3的齐齐次变换矩阵阵23T，求32T，指出23T、32T的物理意意义，（要求求能正确进行行矩阵运算，并并能把矩阵运运算模型存入入软盘，以备备后续实验用用）。思考题 齐次变换矩矩阵的物理意意义是

4、什么？ 怎样进行机机器人操作臂臂的运动学建建模？实验二 HHNC-1RR机器人运动动学正反解实验目的1、掌握机器人人运动方程的的建立方法2、掌握机器人人运动正、反反解方法 3、了解运动反反解中多解的的处理方法4、熟悉D-HH表示法，正正确确定连杆杆参数和关节节变量，进行行运动学建模模。实验原理及方法法在实验一的基础础上，连杆坐坐标系相对可看作经经过了以下四四个子变换：绕轴的转动动，沿轴的移移动，绕轴的的转动，沿轴轴的移动。利利用矩阵乘的的原理得到坐坐标系相对的齐次变变换矩阵是（即即教材上公式式3.3），将将各个连杆变变换（i=1,2,n）相相乘得。根据据关节变量qqi（i=1,2,n）求求解的

5、过程是是运动学正解解，反之已知知求解关节变变量qi（i=1,2,n）则则为运动学反反解。反解用用反变换法通通过分离变量量得到只含单单变量的方程程，从而解出出关节变量qqi（i=1,2,n）。实验仪器及材料料 HNC-11R教学机器器人2每组每生电电脑一部并配配置相应软件件实验内容、步骤骤及数据整理理1、结合实验一一的内容，建建立HNC-1R机器运运动学方程2、实现HNCC-1R机器人正解解算法（借助助Matlaab，在已知知qi（i=1,2,n）的的前提下，求求出，这里nn5）3、实现HNCC-1R机器人反解解算法（把已已求得的作为为已知，求得得关节变量qqi（i=1,2,n），与与正解结果互

6、互相验证）思考题1运动学反解解的多重解如如何处理？怎怎样得出最优优解？2运动学反解解的数目与机机器人的结构构本身有无关关系？实验三 HHNC-1RR机器人通信信及轨迹规划划一、实验目的熟悉与机器人通通信的三种主主要方法掌握机器人语言言结构与编程程特点掌握示教再现法法了解轨迹规划的的基本方法 二、实验原理及及方法目前与机器人通通信的方法主主要有三种，即即：示教再现现，机器人语语言和离线编编程。示教再再现就是根据据作业任务的的需要，用手手或示教盒把把机器人的末末端执行器移移动到所需的的位姿上，然然后把每一位位姿存储起来来，编辑并再再现示教过的的动作，如果果示教正确，则则机器人可重重复再现运行行。机

7、器人语语言是人机机通信问题的的通用方式。它它是一种专用用语言，用符符号描述机器器人动作。本本实验通过实实际编程或示示教再现，实实现2个茶杯杯盖子的互换换，掌握HNNC-1R型型教学机器人人程序的基本本结构，学习习示教编程获获取各点位置置姿态的方法法，熟悉机器器人及其控制制系统的基本本操作和处理理方法并通过过机器人的运运行体会轨迹迹规划的实现现方法。 三、实验仪器器设备HNC-1R型型教学机器人人一部 四、实验内容容及步骤观察示教再现过过程，理解掌掌握与机器人人通信的方法法。通过演示程序的的运行，掌握握程序结构，了了解程序编制制方法和轨迹迹规划的实现现。参考程序 % 001021 ;程程序名 N

8、1 speeed 5000 ；NN1是语句标标号，speeed 是指指令，表示速速度，5000是速度的具具体值 N5 openn ；手手指开 N100 MOVEE J199.122，220.4700，-60.093，00.364，00.000；J是关节节坐标 N200 movee J200.358，117.7833，-59.482，00.370，00.000 N300 delaay 2 ；delaay 2表示示延时2秒 N400 CLOSSE ；手手闭合 N500 delaay 2 N600 movee P4401.2663, 1552.8911，-73.804，00.370，220.8588

9、；P是直直角坐标 N700 movee P4429.400l，1.4461，-773.8044，0.3770，0.1195 N800 movee J00.195，00.463，-39.4112，0.3370，0.000 N900 delaay 2 N1000 Oppen N1110 deelay 1 N1220 moove PP472.060，11.607，-142.6620，0.370，00.195 N1330 movve J-25.0332，23559，-718111，03370，0000 N1440 movve J-25.0332，21472，-715886，03370，0000 N15

10、50 dellay 2 N1660 Cloose N1770 dellay 11 N1880 movve P33496335，-1663.2755，-17483，00370,-250032 N1990 movve P3612284，13355600，-17483，00370，2205677 N2000 movve J214005，20554，-620449，03370，0。0000 N2110 movve J219005，19692，-609667，03370，0.000 N2220 dellay 2 N2330 opeen N2440 deIIay l N2550 movve P440052

11、29，1544591，-943224，0.3370，311105 N2660 movve P44284888，26831，-943224，03370，3583 N2770 movve J-0.1322，27113，-411279，00370，00.000 N2880 movve J22.932，00946，-422779，03370，0000 N3000 Cloose N3110 dellay l N3220 movve P44502224，-1037，-175005，03370，01322 N3330 movve J-248444，24101，-71655303370，0000 N3440

12、movve J-248444，22275，-716553, 00370，00000 N3550 dellay 2 N3660 opeen N3770 dellay l N3880 movve P33603669，-15518111，-34136，00370，-228444 N3990 movve P11887002，3422497，-341336，03370, 6611477N400 eend 4运行操作作 (1)在示教编程程界面下，保保存上述程序序； (2)在自动运行行方式下，选选择上述程序序： (3)按下示教操操作盒上的“循环启动”按钮；(4)运行程序序直到完毕。五 思考题与机器人通信的的

13、三种主要方方法是什么？什么是示教教再现法，体体会如何对机机器人示教？机器人语言的基基本结构是怎怎样的？体会会用机器人语语言如何与机机器人通信？MATLAB上上机指导MATLAB是是一种编程语语言，它的科科学计算功能能强大。在国国外，尤其是是美国，早在在八十年代末末期，各著名名大学已开设设MATLAAB课程。MMATLABB是学生在实实验环境中必必须掌握的技技术工具。一上机要求1能够熟练进行行数值和符号号矩阵的加、减减、乘、逆运运算2 能够熟练求求解矩阵方程程3 熟悉MATTLAB编程程和运算环境境4 熟悉MATTLAB标准准函数的应用用二MATLABB入门知识上机过程点击桌面上的MMatlab

14、b图标(进入入commaand窗口)点击Fille点New点击M-ffile（进进入编程窗口口，在此窗口口下进行编程程）编程完毕，点点击Filee点击savve或savve as保保存程序（程程序名应以字字母开头，且且不能是Maatlab的的保留字，程程序的扩展名名必须是.mm），保存程程序后点击Debbug点击Runn,运行程序序。2程序运行结结果程序运行结果在在Commaand窗口中中(在任务栏栏中点击)。矩阵输入举例t1=1 2 ; 33 4表示矩阵t1是是22的，第一一行元素是11和2，第二二行元素是33和4。矩阵t1的第ii行第j列的的元素表示为为t1（i,j），如：t1（2,1）=

15、34矩阵运算指指令举例41 矩阵乘乘法t1*t2表示矩阵t1与与矩阵t2相相乘42矩阵的逆逆inv(t1)表示求矩阵t11的逆矩阵5赋值语句a= inv(t1)表示把矩阵t11的逆矩阵用用a表示。6方程及方程程组的解法61 方程的的解法要解方程f(xx)=0在程序中写成f1=f(x)x=sollve(f11,x)要解方程f1（xx）=0，需需按下列指令令处理：y=f1(x)x=sollve(y,x)62 方程组组的解法若要求解方程组组在程序中写成:x，y,z=solvve(f1,f2,f33,x,y,z)此时在commmand窗口口中可得变量量x、y、zz的具体数值值或表达式。7角度的输入入需

16、要注意角度的的输入，系统统中默认的是是弧度。Maatlab中中用pi表示示8数值运算若进行数值运算算，可直接给给变量赋值，进进行运算，这这与其它高级级语言类似。9符号运算若进行的不是数数值运算，而而是符号运算算，则需要在在程序开始的的第一行进行行符号说明，即即说明变量是是符号变量。例例：a和b是符号变变量，则说明明如下：syms a bc=a+b则在commaand 窗口口中可见c的的内容就是aa+b。10.如果数据据表达式复杂杂，可用simpliffy(f1)语句对f11整理简化。11. 如果数数据太长，可可用vpa(q2)看数数据q2。12可变精度度的运算，可可以设置任意意多的有效计计算位数进行行计算（Vppa,diggits）如：digitts（16） xx，yssolve（ff1,f2.x,y）三 上机作业：编程计算矩阵TT1与