机器人基础与仿真1. 课程教案

课题名称机器人基础与仿真教学目的及要求掌握工业机器人的历史发展与分类，了解工业机器人的工作原理。了解工业机器人的机械结构系统。了解协作型机器人的研究现状和应用现状。了解协作型机器人的位姿描述和其次变换。了解机器人运动学和动力学、轨迹规划。学会使用机器人应用仿真。本课重点1、能够阐述工业机器人的机械结构和工作原理，了解目前行业前沿的应用。2、能够推导机器人运动学、动力学运动方程，并进行轨迹规划。3、能够通过机器人虚拟仿真掌握机器人的结构件装配、运动学和动力学的正逆向推导应用，为轨迹规划打下基础。授课形式PPT+虚拟仿真授课时间8课时一、刚体位姿描述、齐次坐标和齐次变换1.位置矢量 对于参考直角坐标系{A}，空间任一点p的位置可用3×1的列矢量Ap表示,即位置矢量:2.旋转矩阵 与刚体B固连的坐标系{B}有三个单位主矢量xB，yB，zB，用相对于坐标系{A}的方向余弦组成的3×3的余弦矩阵来表示刚体B相对于坐标系{A}的方位：式中:称为旋转矩阵。的三个列矢量AxB，AyB，AzB都是单位主矢量，且两两相互垂直。3.坐标系的描述相对于参考坐标系(以下简称参考系){A},用位置矢量ApB描述坐标系{B}原点的位置,用旋转矩阵描述坐标系{B}的姿态。因此,坐标系{B}的位姿完全由ApB和来描述,即当表示位置时,旋转矩阵=I(单位矩阵)；当表示姿态时,位置矢量ApB=0。4.坐标变换（1）坐标平移设坐标系{B}与{A}方位相同,但是原点不重合，如图2所示，用位置矢量ApB描述{B}相对于{A}的平移矢量，则有（2）坐标旋转设坐标系{B}与{A}坐标原点相同，但是姿态不同，如图3所示，用旋转矩阵描述{B}相对于{A}的姿态，则有:二、齐次坐标和齐次变换复合变换式(11)对点Bp是非齐次的，可以将其表示成等价的齐次变换形式；三、机器人坐标系的建立如下图，其中：O0-x0y0z0为基座坐标系；O1-x1y1z1为关节1坐标系；O2-x2y2z2为关节2坐标系；O3-x3y3z3为关节3坐标系；O4-x4y4z4为关节4坐标系；O5-x5y5z5为关节5坐标系；O6-x6y6z6为末端坐标系；Ot-xtytzt为工具坐标系；O2X2O4Z3X3Y3O3Z2O5Y4X4Y2Y1O1X1Z1O0Y0X0Y6X6O6Z5XtOtZtYtZ6X5Y5Z4Z0O2X2O4Z3X3Y3O3Z2O5Y4X4Y2Y1O1X1Z1O0Y0X0Y6X6O6Z5XtOtZtYtZ6X5Y5Z4Z0图1SCR5机器人坐标系四、机器人正向运动学方程各个连杆坐标系的变换矩阵分别为五、机器人逆向运动学方程由运动学方程等式两边左乘六、机器人轨迹规划轨迹起点轨迹起点轨迹终点字母“A”的机器人路径字母“A”的三个顶点坐标为：（142，480）；（192，600）；（242，480）；对应于轨迹起点时的机器人关节变量为（149.56°,38.16°,98.42°,133.42°,90.00°,149.56°）七、轨迹方程线段⑥⑦线段⑤⑥线段④⑤线段③④线段②③线段①②线段⑥⑦线段⑤⑥线段④⑤线段③④线段②③线段①②①①②③④⑤⑥⑦虚仿环节一、实验背景传统工业机器人已经在汽车、电子、食品、化工、物流等行业得到广泛应用，在结构化环境中从事高强度、重复、危险和简单的工作，有效提高了生产效率和制造质量，减少了企业的用工需求。随着制造业的发展和劳动力成本的提高，期望工业机器人尽可能多地代替人类去工作，但传统工业机器人的智能程度和灵巧性还不能与人类媲美。同时，制造模式正向多品种小批量的模式转变，制造任务和环境复杂多变，需要经常调整工业机器人的部署，由于对操作人员的基础理论和编程应用等能力的要求较高，传统工业机器人很难适应这种制造模式的改变。与传统工业机器人相比，协作机器人具有强大的感知能力，更加安全、友好及易于使用（可拖动示教或离线编程），在某些行业（如3C行业等）采用人-机协作是提升制造智能化水平的有效方法，在生产线中机器人也可与人工互补完成复杂、柔性的制造任务，保障人-机协作的安全性。协作型机器人结构紧凑复杂，涉及零部件多，装配精度要求高，费时费力，若仅采用传统机械产品的拆装式教学，存在实践时间短、设备资源紧张等问题，也可能损坏教学设备，影响了学生对于协作型机器人的理解与应用，教学效果也难以达到要求。通过该虚拟仿真实验教学，在帮助学生掌握关节机器人基础理论的基础上，掌握关节机器人的运动学分析方法，基于协作型关节模块进行机器人的快速构建，结合协作型机器人的轨迹规划和动力学仿真，使学生理解协作型机器人的动力学与运动控制之间的本质关联。通过该实验的交互式和面向任务的学习，有利于学生更加深入理解协作型机器人在工业场景中的应用。二、实验目的在掌握关节机器人相关理论的基础上，采用协作型关节模块虚拟装配协作型机器人，学习机器人的运动学、轨迹规划和动力学分析方法。通过协作型机器人理论、方法及应用的学习，结合学生的认知规律由浅入深、循序渐进地开展协作型机器人的虚拟仿真实验教学，既可避免试错法带来的随意性和不确定性，有效节约机器人资源，同时又能通过机器人的快速构建和应用，使学生在有限时间内掌握机器人的基础理论与应用方法，达到虚拟仿真实验的目的。具体目的是：（1）理解刚体位姿描述、齐次坐标和齐次变换等基本概念；（2）理解关节机器人坐标系、运动学方程及正逆向运动学分析；（3）通过基于关节模块的协作型机器人虚拟装配，掌握协作型机器人的结构；（4）通过协作型机器人的轨迹规划和动力学仿真，理解机器人运动控制与动力学之间的联系；三、实验流程1.机器人正向运动学仿真实验输入机器人关节变量，机器人关节转动，机器人末端位姿矩阵也改变；2.机器人逆向运动学仿真实验输入机器人末端位姿矩阵，机器人运动至相应位姿，且关节变量改变；3.协作型机器人虚拟装配选择合适的关节模块和连杆，虚拟装配构成协作型机器人；4.协作型机器人轨迹规划给出字符“A”的顶点坐标，根据设定的周期参数，给出机器人轨迹规划结果5.协作型机器人动力学分析根据轨迹规划结果进行动力学分析，给出分析结果，即各关节的力矩曲线，并判断力矩是否超出关