六自由度中型串联关节式机器人试验参考指导书.doc

RBT-6T/S02S中型串联关节式
机器人实验指引书

苏州 博实机器人技术有限公司
目 录
实验1 机器人结识 1
1.1 实验目 1
1.2 实验设备 1
1.3 实验原理 1
1.4 实验环节 5
1.5 注意事项 6
实验2 机器人机械系统 7
2.1 实验目 7
2.2 实验设备 7
2.3 实验原理 7
2.4 实验环节 12
2.5 注意事项 14
实验3 机器人控制系统 15
3.1 实验目 15
3.2 实验设备 15
3.3 实验原理 15
3.4 实验环节 19
3.5 注意事项 21
实验4 机器人示教编程与再现控制 22
4.1 实验目 22
4.2 实验设备 22
4.3 实验原理 22
4.4 实验环节 23
4.5 思考题 24
4.6 注意事项 24
实验5 机器人坐标系建立 25
5.1 实验目 25
5.2 实验设备 25
5.3 实验原理 25
5.4 实验环节 27
5.5 思考题 31
实验6 机器人正运动学分析 33
6.1 实验目 33
6.2 实验设备 33
6.3 实验原理 33
6.4 实验环节 33
6.5 思考题 36
实验7 机器人逆运动学分析 37
7.1 实验目 37
7.2 实验设备 37
7.3 实验原理 37
7.4 实验环节 38
7.5 思考题 41
实验8 机器人搬运装配实验 42
8.1 实验目 42
8.2 实验设备 42
8.3 实验原理 42
8.4 实验环节 42
8.5 注意事项 44

实验1 机器人结识
1.1 实验目
1、 理解机器人机构构成；
2、 掌握机器人工作原理；
3、 熟悉机器人性能指标；
4、 掌握机器人基本功能及示教运动过程。
1.2 实验设备
1、 RBT-6T/S02S机器人一台；
2、 RBT-6T/S02S机器人控制柜一台；
3、 装有运动控制卡和控制软件计算机一台；
4、 轴和轴套各一种。
1.3 实验原理
机器人是一种具备高度灵活性自动化机器，是一种复杂机电一体化设备。机器人按技术层次分为：固定程序控制机器人、示教再现机器人和智能机器人等。本课程所使用机器人为6自由度串联关节式机器人，其轴线互相平行或垂直，可以在空间内进行定位，采用伺服电机和步进电机混合驱动，重要传动部件采用可视化设计，控制简朴，编程以便，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有关工业机器人应用培训需要而最新开发机器人，它是一种多输入多输出动力学复杂系统，是进行控制系统设计抱负平台。它具备高度能动性和灵活性，具备辽阔开阔空间，是进行运动规划和编程系统设计抱负对象。
整个系统涉及机器人1台、控制柜1台、控制卡2块、实验附件1套（涉及轴、套）和机器人控制软件1套（实验设备顾客可选）。
机器人采用串联式开链构造，即机器人各连杆由旋转关节或移动关节串联连接，如图1-1所示。各关节轴线互相平行或垂直。连杆一端装在固定支座上（底座），另一端处在自由状态，可安装各种工具以实现机器人作业。关节作用是使互相联接两个连杆产生相对运动。关节传动采用模块化构造，由锥齿轮、同步齿型带和谐波减速器等各种传动构造配合实现。
机器人各关节采用伺服电机和步进电机混合驱动，并通过Windows环境下软件编程和运动控制卡实现对机器人控制，使机器人可以在工作空间内任意位置精准定位。

图1-1 机器人构造
机器人技术参数如表1-1所示。
表1-1 机器人技术参数
构造形式
串联关节式
驱动方式
步进伺服混合驱动
负载能力
6Kg
重复定位精度
±0.08mm
动作范畴
关节Ⅰ
-150°～ 150°
关节Ⅱ
-150°～ -30°
关节Ⅲ
-70°～ 50°
关节Ⅳ
-150°～ 150°
关节Ⅴ
-90°～ 90°
关节Ⅵ
-180°～ 180°
最大速度
关节Ⅰ
60o / S
关节Ⅱ
60o / S
关节Ⅲ
60o / S
关节Ⅳ
60o / S
关节Ⅴ
60o / S
关节Ⅵ
120o / S
最大展开半径
870mm
高度
1150mm
本体重量
≤100Kg
操作方式
示教再现/编程
电源容量
单相220V 50Hz 4A
预备知识：
1、 机器人英文名缘由
机器人是一种具备某种仿人功能自动机，机器人国际名叫“罗伯特”（ROBOT）。“ROBOT”一词源于捷克作家卡列尔查培于19一部名叫作《罗萨姆万能机器人公司》幻想剧，罗伯特是该剧主人公名字，她是既忠诚又勤快机器人。
2、 机器人定义（国内科学家定义）
机器人是一种自动化机器，所不同是这种机器具备某些与人或生物相似智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具备高度灵活性自动化机器。
3、 机器人三原则
1、 机器人不能伤害人类；
2、 在不违背第一条状况下，机器人必要遵守人类命令；
3、 在不违背第一、二条状况下，机器人应能保护自己。
4、 机器人发展史
1） 古代机器人：
（1）、 中华人民共和国机关人——世界最早机器人
《列子、汤问篇》中记载西周穆王时，有位名叫偃师能工巧匠就制造了一种能歌善舞伶人机器人。
春秋后期，木匠鲁班制造木鸟，能在空中飞行“三日不下”。
18前汉代，大科学家张衡创造计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。
后汉三国时期，诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，增援前方战争。——最早军事机器人
2） 西方最早机器人，是公元前2世纪古希腊人创造最原始机器人——自动机。
1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊创造了一只机器鸭。
……
3） 当代机器人：
1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人概念，并申请了专利。
1959 年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了机器人发展新纪元。
1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。
1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。
1980年被称为“机器人元年”。
5、 机器人构成某些
机器人手——操作系统，作用是抓住一种工作对象使其按工作或作战规定动作。
机器人眼——感测系统，作用是观测工作对象及其周边环境信息，通过收集信息将其反馈给控制中心，作为对机器人行为控制和协调根据。
机器人神经系统——信息传播系统，作用是将传感器和观测器获得各种信息下传上达，交给各执行及其附属设备。
机器人心脏——动力系统，作用是负责向机器人提供动力，重要设备有各种发动机，发电机及其附属设备。
机器人大脑——指挥控制系统。作用是加工解决各种信息，指挥、控制机器人各种行动。

图1-2
6、 机器人种类
按技术层次分为固定程序控制机器人、示教再现机器人、数控机器人、遥控机器人和智能机器人。
按工作自由度分为自主机器人、半自主机器人和摇控机器人。
1） 机器人用途
1） 勤快忠诚员工——不计报酬；
2） 未知世界使者——不知“天高地厚”；
3） 未到战争中圣斗士——不晓得皮肉之苦；
4） 保姆、白衣天使和明星——不用包装炒作。
8、 机器人将来发展
人性化、智能化、普及化。
1.4 实验环节
1、 连接好气路，启动气泵到预定压力；
2、 启动计算机，运营机器人软件，浮现如图1-3所示主界面；
3、 接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

图 1-3 主界面
4、 点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。观测机器人运动，六个关节所有运动完毕后，机器人处在零点位置；
5、 点击“关节示教”按钮，浮现如图1-4所示界面，按下“打开”按钮，在机器人软件安装目录下选取示教文献BANYUN.RBT6，示教数据会在示教列表中显示；
6、 装配操作演示，在2个支架相应位置上分别放置轴和轴套，然后按下“再现”按钮，机器人实现装配动作；
7、 运动完毕后，按下“复位”按钮，机器人回到零点位置，关闭对话框；
8、 如果想再做一次装配动作，把轴放回相应位置，按下“再现”按钮即可；
9、 点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；
10、 按下控制柜上“停止”按钮，断开控制柜电源；
11、 退出机器人软件，关闭计算机。

图1-4 关节示教界面
1.5 注意事项
1、 在教师指引下进行实验；
2、 机器人通电后，身体任何部位不要进入机器人运动可达范畴之内；
3、 机器人运动不正常时，及时按下控制柜急停开关。

实验2 机器人机械系统
2.1 实验目
1、 理解机器人机械系统构成；
2、 理解机器人机械系统各某些原理及作用；
3、 掌握机器人单轴运动办法。
2.2 实验设备
1、 RBT-6T/S02S机器人一台；
2、 RBT-6T/S02S机器人控制柜一台；
3、 装有运动控制卡和控制软件计算机一台。
2.3 实验原理
机器人机械系统重要由如下几大某些构成：原动部件、传动部件、执行部件。基本机械构造连接方式为原动部件→传动部件→执行部件。机器人传动简图如图2-1所示。
Ⅰ关节传动链重要由伺服电机、减速器构成。
Ⅱ关节传动链重要由伺服电机、减速器构成。
Ⅲ关节传动链重要由步进电机、同步带、减速器构成。
Ⅳ关节传动链重要由步进电机、减速器构成。
Ⅴ关节传动链重要由步进电机、同步带、减速器构成。
Ⅵ关节传动链重要由步进电机、同步带、减速器构成。
在机器人末端尚有一种气动夹持器。
原动部件涉及步进电机和伺服电机两大类，关节Ⅰ、Ⅱ采用伺服电机驱动方式；关节Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ采用步进电机驱动方式。本机器人中采用了同步齿型带传动、RV减速器、谐波减速传动等传动方式。执行部件采用了气动手爪机构，以完毕抓取作业。
下面对RBT-6T/S02S机器人中采用各传动部件工作原理及特点作以简要简介。

图2-1 机器人传动简图
1、 同步齿型带传动
同步齿型带传动是通过带齿与轮齿啮合传递运动和动力，如图2-2所示。与摩擦型带传动相比，同步带传动兼有带传动、链传动和齿轮传动某些特点，与普通带传动相比具备如下特点：
1） 传动比精确，同步带传动是啮合传动，工作时无滑动；
2） 传动效率高，可达98%以上，节能效果明显；
3） 不需依托摩擦传动，预紧张力小，对轴和轴承作用力小，带轮直径小，所占空间小，重量轻，构造紧凑；
4） 传动平稳，动态特性良好，能吸振，噪音小；
5） 齿型带较薄，容许线速度高，可达50m/s；
6） 使用广泛，传递功率由几瓦至数千瓦，速比可达10左右；
7） 使用保养以便，不需要润滑，耐油、耐磨性和抗老化好，还能在高温、灰尘、水及腐蚀介质等恶劣环境中工作；
8） 安装规定较高，两带轮轴心线平行度要高，中心距规定严格；
9） 带和带轮制造工艺复杂、成本高。尽管如此，同步带传动不失为一种十分经济传动装置，现已广泛用于规定精密定位各种机械传动中。

图 2-2 同步齿型带传动构造
2、 谐波齿轮传动
谐波齿轮传动由三个基本构件构成：
1） 谐波发生器（简称波发生器）——是由凸轮（普通为椭圆形）及薄壁轴承构成，随着凸轮转动，薄壁轴承外环作椭圆形变形运动（弹性范畴内）；
2） 刚轮——是刚性内齿轮；
3） 柔轮——是薄壳形元件，具备弹性外齿轮。
以上三个构件可以任意固定一种，成为减速传动及增速传动；或者发生器、刚轮积极，柔轮从动，成为差动机构（即转动代数合成）。
谐波传动工作过程如下图2-3所示，当波发生器为积极时，凸轮在柔轮内转动，使长轴附近柔轮及薄壁轴承发生变形（可控弹性变形），这时柔轮齿就在变形过程中进入（啮合）或退出（啮出）刚轮齿间，在波发生器长轴处处在完全啮合，而短轴方向齿就处在完全脱开状态。

图2-3 谐波齿轮传动工作过程
波发生器普通为椭圆形凸轮，凸轮位于薄壁轴承内。薄壁轴承装在柔轮内，此时柔轮由本来圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端柔轮与之配合刚轮齿则处在完全啮合状态，即柔轮外齿与刚轮内齿沿齿高啮合。这是啮合区，普通有30%左右齿处在啮合状态；椭圆短轴两端柔轮齿与刚轮齿处在完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间柔轮齿，沿柔轮周长不同区段内，有逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出；有逐渐进入刚轮齿间，处在半啮合状态，称之为啮入。
波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生持续弹性变形，此时波发生器持续转动，就使柔轮齿啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地变化各自本来啮合状态。这种现象称之为错齿运动，正是这一错齿运动，使减速器可以将输入高速转动变为输出低速转动。
对于双波发生器谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由本来啮入状态而成啮合状态，而本来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一种齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮位移为两个齿距。
柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就犹如两个纯滚动（无滑动）圆环同样，两者在任何瞬间，在节圆上转过弧长必要相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，因此柔轮在啮合过程中，就必要相对刚轮转过两个齿距角位移，这个角位移正是减速器输出轴转动，从而实现了减速目。
波发生器持续转动，迫使柔轮上一点不断变化位置，这时在柔轮节圆任一点，随着波发生器角位移过程，形成一种上下左右相对称和谐波，故称之为：“谐波”。
谐波齿轮传动特点：
1） 传动比大、单级传动比为70～320；
2） 侧隙小。由于其啮合原理不同于普通齿轮传动，侧隙很小，甚至可以实现无侧隙传动；
3） 精度高。同步啮合齿数达到总齿数20%左右，在相180°两个对称方向上同步啮合，因而误差被平均化，从而达到高运动精度；
4） 零件数少、安装以便。仅有三个基本部件，且输入轴与输出轴为同轴线，因而构造简朴，安装以便；
5） 体积小、重量轻。与普通减速器比较，输出力矩相似时，普通其体积可减小2/3，重量可减小1/2；
6） 承载能力大。因同步啮合齿数多，柔轮又采用了高疲劳强度特殊钢材，从而获得了高承载能力；
7） 效率高。在齿啮合某些滑移量极小，摩擦损失少。虽然在高速比状况下，还能维持高效率；
8） 运转平稳。周向速度低，又实现了力平衡，故噪声低、振动小；
9） 可向密闭空间传递运动。运用其柔性特点，可向密闭空间传递运动。这一点是其他任何机械传动无法实现。
3、 齿轮传动
齿轮传动分类：

齿轮传动特点：
1） 瞬时传动比恒定。非圆齿轮传动瞬时传动比又能按需要变化规律设计；
2） 传动比范畴大，可用于减速或增速；
3） 速度（指节圆圆周速度）和传动功率范畴大，可用于高速（v>40m/s）、中速和低速（v<25m/s）传动；功率可从不大于1W到105Kw；
4） 传动效率高，一对高精度渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上；
5） 构造紧凑，合用于近距离传动；
6） 制导致本较高，某些具备特殊齿形或精度很高齿轮，因需要专用或高精度机床、刀具和量仪等，故制造工艺复杂，成本高；
7） 精度不高齿轮，传动时噪声、振动和冲击大，污染环境；
8） 无过载保护作用。
4、 RV传动

图2-4 RV减速器实物图
RV传动是在摆线针轮传动基本上发展起来一种新型传动，它具备体积小，重量轻，传动比范畴大，传动效率高等一系列长处，比单纯摆线针轮行星传动具备更小体积和更大过载能力，且输出轴刚度大，因而在国内外受到广泛注重，在日本机器人传动机构中，已在很大限度上逐渐取代单纯摆线针轮行星传动和谐波传动。
RV传动原理如图2-5所示，它由渐开线圆柱齿轮行星减速机构和摆线针轮行星减速机构二某些构成．渐开线行星齿轮2与曲柄轴3连成一体，作为摆线针轮传动某些输入,如果渐开线中心齿轮1顺时针方向旋转,那么渐开线行星齿轮在公转同步尚有逆时针方向自转，并通过曲柄轴带动摆线轮做偏心运动,此时,摆线轮在其轴线公转同步,还将反向自转，即顺时针转动. 同步还通过曲柄轴推动钢架构造输出机构顺时针方向转动.
按照封闭差动轮系求解传动比基本办法，可以计算出RV传动传动比计算公式如下：
i16=1+Z2*Z5/Z1
其中 Z1-----渐开线中心轮齿数
Z2-----渐开线行星轮齿数
Z5-----针轮齿数，Z5＝Z4+1
Z4 -----摆线轮齿数

图 2-5 RV传动简图
RV传动作为一种新型传动,从构造上看,其基本特点可概括如下:
1） 如果传动机构置于行星架支撑主轴承内，那么这种传动轴向尺寸可大大缩小；
2） 采用二级减速机构，处在低速极摆线针轮行星传动更加平稳，同步，由于转臂轴承个数增多且内外环相对转速下降，其寿命也可大大提高；
3） 只要设计合理，就可以获得很高运动精度和很小回差；
4） RV传动输出机构是采用两端支承尽量大钢性圆盘输出构造，比普通摆线减速器输出架构（悬臂梁构造）具备更大刚度，且抗冲击性能也有很大提高；
5） 传动比范畴大，由于虽然摆线轮齿数不变，只变化渐开线齿数，就可以得到诸多速比。其传动比为i=31～171；
6） 传动效率高，其传动效率为η=0.85～0.92。
2.4 实验环节
1、 教师简介机器人机械系统中原动某些、传动某些以及执行某些位置及在机器人系统中工作状况；
2、 启动计算机，运营机器人软件；
3、 接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

图2-6 关节运动界面
4、 点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。观测机器人运动，六个关节所有运动完毕后，机器人处在零点位置；
5、 点击“关节运动”按钮，浮现如图2-6所示界面；
6、 选取“关节Ⅰ”，关节方向选取“正向”，启动方式选取“加速”，运动方式选取“位置模式”，运营速度取默认值，目的位置取-120度，点击“启动”按钮，观测机器人第Ⅰ关节运动状况；
7、 选取“关节Ⅰ”，关节方向选取“反向”，启动方式选取“加速”，运动方式选取“速度模式”，运营速度取默认值，点击“启动”按钮，观测机器人第Ⅰ关节运动状况，然后点击“及时停止”按钮；
8、 选取“关节Ⅱ”，关节方向选取“正向”，启动方式选取“匀速”，运动方式选取“位置模式”，运营速度取默认值，目的位置取-120度，点击“启动”按钮，观测机器人第Ⅱ关节运动状况；
9、 选取“关节Ⅱ”，关节方向选取“反向”，启动方式选取“匀速”，运动方式选取“速度模式”，运营速度取默认值，点击“启动”按钮,观测机器人第Ⅱ关节运动状况，然后点击“及时停止”按钮；
10、 选取“关节Ⅲ”，关节方向选取“正向”，启动方式选取“加速”,运动方式选取“位置模式”，运营速度取默认值，目的位置取30度，点击“启动”按钮,观测机器人第Ⅲ关节运动状况；
11、 选取“关节Ⅲ”，关节方向选取“反向”，启动方式选取“加速”,运动方式选取“速度模式”，运营速度取默认值，点击“启动”按钮观测机器人第Ⅲ关节运动状况，然后点击“及时停止”按钮；
12、 选取“关节Ⅳ”，关节方向选取“正向”，启动方式选取“匀速”,运动方式选取“位置模式”，运营速度取默认值，目的位置取60度，点击“启动”按钮,观测机器人第Ⅳ关节运动状况；
13、 选取“关节Ⅳ”，关节方向选取“反向”，启动方式选取“匀速”，运动方式选取“速度模式”，运营速度取默认值，点击“启动”按钮观测机器人第Ⅳ关节运动状况，然后点击“及时停止”按钮；
14、 选取“关节Ⅴ”，关节方向选取“正向”， 启动方式选取“加速”， 运动方式选取“位置模式”，运营速度取默认值，目的位置取60度，点击“启动”按钮,观测机器人第Ⅴ关节运动状况；
15、 选取“关节Ⅴ”，关节方向选取“反向” ， 启动方式选取“加速”， 运动方式选取“速度模式”，运营速度取默认值，点击“启动”按钮观测机器人第Ⅴ关节运动状况，然后点击“减速停止”按钮；
16、 选取“关节Ⅵ”，关节方向选取“正向”，启动方式选取“加速”，运动方式选取“位置模式”，运营速度取默认值，目的位置取60度，点击“启动”按钮,观测机器人第Ⅵ关节运动状况；
17、 选取“关节Ⅵ”，关节方向选取“反向”，启动方式选取“加速”，运动方式选取“速度模式”，运营速度取默认值，点击“启动”按钮观测机器人第Ⅵ关节运动状况，然后点击“减速停止”按钮；
18、 点击“退出”按钮，退出关节运动界面；
19、 点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；
20、 按下控制柜上“停止”按钮，断开控制柜电源；
21、 退出机器人软件，关闭计算机。
2.5 注意事项
1、 在教师指引下进行实验；
2、 机器人通电后，身体任何部位不要进入机器人运动可达范畴之内；
3、 机器人运动不正常时，及时按下控制柜急停开关。

实验3 机器人控制系统
3.1 实验目
1、 理解机器人控制系统构成。
2、 熟悉机器人控制系统各某些原理及作用。
3.2 实验设备
1、 RBT-6T/S02S机器人一台；
2、 RBT-6T/S02S机器人控制柜一台；
3、 装有运动控制卡和控制软件计算机一台。
3.3 实验原理
RBT-6T/S02S机器人电控系统重要由计算机、伺服（步进）电机驱动器及伺服（步进）电机、电源、控制柜、操作电路等几某些构成。
计算机内安装有运动控制卡和人机器人控制软件。
运动控制卡由高性能DSP解决器、CPLD可编程器件及伺服电机接口器件等构成，用于实现伺服电机位置、速度、加速度控制及各种伺服电机多轴协调控制。其重要功能为：S形、梯形自动加减速曲线规划；输出控制脉冲到电机驱动器使电机运动；具备编码器位置反馈信号接口，监控电机实际运营状态；能运用零位开关、减速开关及编码器Z相信号实现高速高精度原点返回操作；具备伺服驱动器报警信号ALM等伺服驱动器专用信号接口。
伺服（步进）电机驱动器用来把运动控制卡提供低功率脉冲信号转换为能驱动电机大功率电信号,以驱动电机带动负载旋转。
电源某些用来给控制柜提供各驱动器控制用电源，涉及有关保护、滤波器件等。
操作电路提供电气系统所需电源开、关顺序操作及保护、报警、状态批示等控制操作。
下面对本系统中所使用步进电机及伺服电机系统作以简要简介。
1、 步进电机控制系统示意图如图3-1所示。

图3-1 步进电机控制系统
其重要控制信号有：
1） 步进脉冲信号 CP ：这是最重要一路信号，控制卡发出此信号用来控制步进电机旋转，驱动器每接受一种脉冲信号CP，就驱动步进电机旋转一种步距角，CP频率和步进电机转速成正比，CP脉冲个数决定了步进电机旋转角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到控制电机位置和速度目。
2） 方向电平信号 DIR ：控制卡发出此信号用来控制电机旋转方向。例如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。
3） 使能信号 EN ：此信号在不连接时默以为有效状态，这时驱动器正常工作。当此信号回路导通时，驱动器停止工作，此信号为选用信号。
2、 本书提供两种伺服控制系统示意图，如图3-2、图3-3所示。顾客可依照需要自行选取阅读。

图3-2 安川 YSKAWA ∑-Ⅱ系列SGDM型伺服控制系统示意图

图3-3 富士FUJI FALDIC-W系列伺服控制系统示意图
其重要控制信号有：
1） 脉冲信号 PULS ：此信号由运动控制卡发出，驱动器接受此信号驱动伺服电机旋转；
2） 方向信号SIGN ：此信号由运动控制卡发出，用来控制电机旋转方向；
3） 原点信号 ORG ：由零位开关发出。ORG信号可单独用于寻零操作，ORG信号也可与编码器Z相信号配合得到精度更高寻零操作；
4） 限位信号 EL ：由限位开关发出。+EL为电机运营正方向限位信号，-EL为电机运营负方向限位信号，当与电机运营相似方向EL信号为“ON”状态时，控制卡及时停止发出脉冲，电机自动停止运营。这个信号被锁存，虽然EL又恢复成“OFF”状态，控制卡也不会再发出脉冲，可由指令发出相反方向运动脉冲链使电机反向运动，解除这一锁存状态；
5） 驱动器报警信号ALM：由驱动器发出。当驱动器发生故障时，报警信号ALM为“ON”状态，控制卡接受到这个信号后及时停止发出脉冲，电机自动停止运营；
6） 伺服ON信号：由运动控制卡发出，伺服驱动器接受到此信号后，即处在伺服状态；
7） 编码器信号：编码器输出A、B、Z相信号送到伺服驱动器，经伺服驱动器分频后发送到运动控制卡，用来反馈伺服电机实际运营位置及实现闭环控制。
3.4 实验环节
1、 简介控制柜各构成某些（教师解说）
结合实验原理，简介RBT-6T/S02S机器人控制系统构成，电控系统重要由电机及驱动器、断路器、开关电源、按钮批示灯等其她附件构成。控制柜前视图如图3-4所示，立式电气安装板布局图如图3-5所示，控制柜后视图如图3-6所示。电气元件详细阐明如下：
SA1：电源开关，用于接通和断开控制柜电源；
HL1：电源批示灯；
HL2：报警批示灯；
SB1：启动按钮，接通电机驱动器主回路电源；
SB2：停止按钮，切断电机驱动器主回路电源；
SB3：急停按钮；

图3-4 控制柜前视图

图3-5 立式电气安装板布局图
DRV1～DRV6：驱动器；
P1：开关电源，为电机驱动器提供DC24V电源；
AP1：接口电路板，用于机器人各轴命令脉冲和限位开关等信号转接；
XT1：接线端子排；
QF1：断路器，控制系统浮现过电流时，自动切断电源回路，保护设备及人员安全；
KM1：交流接触器，切断和接通电源主回路；
NF1：滤波器，滤除交流电源产生噪声；

图3-5 控制柜后视图
XS1：电源插座；
CN1~CN4：圆形连接器，位于控制柜后部，用来连接控制柜和机器人之间电缆；
2、 控制柜使用
1） 接通控制柜电源；
2） 按下“启动”按钮；
3） 使用结束后，按下“停止”按钮；
4） 断开控制柜电源。
3.5 注意事项
1、 在教师指引下进行实验；
2、 机器人通电后，身体任何部位不要进入机器人运动可达范畴之内；
3、 机器人运动不正常时，及时按下控制柜急停开关。

实验4 机器人示教编程与再现控制
4.1 实验目
1、 理解机器人示教与再现原理；
2、 掌握机器人示教和再现过程操作办法。
4.2 实验设备
1、 RBT-6T/S02S机器人一台；
2、 RBT-6T/S02S机器人控制柜一台；
3、 装有运动控制卡和控制软件计算机一台。
4.3 实验原理
机器人示教-再现过程是分为四个环节进行，它涉及：
机器人示教(teach programming)，就是操作者把规定目的动作(涉及每个运动部件，每个运动轴动作)一步一步教给机器人。示教简繁，标志着机器人自动化水平高低。
记忆，即是机器人将操作者所示教各个点动作顺序信息、动作速度信息、位姿信息等记录在存储器中。存储信息形式、存储存量大小决定机器人可以进行操作复杂限度。
再现，便是将示教信息再次浮现，即依照需要，将存储器所存储信息读出，向执行机构发出详细指令。至于是依照给定顺序再现，还是依照工作状况，由机器人自动选取相应程序再现这一功能不同，标志着机器人对工作环境适应性。
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各种动作。
在示教-再现这一动作循环中，示教和记忆是同步进行；再现和操作也是同步进行。这种方式是机器人控制中比较以便和惯用办法之一。
示教办法有诸各种，有主从式，编程式，示教盒式等各种。
主从式既是由构造相似大、小两个机器人构成，当操作者对积极小机器人手把手进行操作控制时候，由于两机器人所相应关节之间装有传感器，因此从动大机器人可以以相似运动姿态完毕所示教操作。
编程式既是运用上位机进行控制，将示教点以程序格式输入到计算机中，当再现时，按照程序语句一条一条执行。这种办法除了计算机外，不需要任何其她设备，简朴可靠，合用小批量、单件机器人控制。
示教盒和上位机控制办法大体一致，只是由示教盒中单片机代替了电脑，从而使示教过程简朴化。这种办法由于成本较高，因此合用在较大批量成型产品中。
4.4 实验环节
1、 启动计算机，运营机器人软件；
2、 接通控制柜电源，按下“启动”按钮；
3、 点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。观测机器人运动，六个关节所有运动完毕后，机器人处在零点位置；
4、 点击“关节示教”按钮，浮现如图4-1所示界面；
5、 在“速度”中选取示教速度(由左到右从低速到高速1.5度/秒、6度/秒、12度/秒、24度/秒共四个挡，默认是6度/秒，普通状况下建议选取12度/秒)；在“关节运动”中有每个关节正反向运动，持续按下相应关节按钮，机器人关节会按照指令运动，松开相应按钮，机器人关节会停止运动；
6、 在机器人“各关节状态”和“当前坐标”中，可以实时显示机器人运动状态，当每运动到一种点，必要按下“记录”按钮，在再现时机器人将忽视中间过程而只再现各个点，在“示教列表”中会记录并显示机器人相应关节运动信息，继续运动其她关节，直到整个示教程序完毕；

图4-1关节示教界面
7、 点击“保存”按钮，示教完信息以(*.RBT6)格式保存在示教文献中；
8、 点击“再现”按钮，机器人按照记录机器人关节信息再现一遍运动轨迹；
9、 点击“清空”按钮会把示教列表所有清除。
10、 点击“退出”按钮，退出当前界面；
11、 点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；
12、 按下控制柜上“停止”按钮，断开控制柜电源；
13、 退出机器人软件，关闭计算机。
4.5 思考题
1、 通过实验总结机器人示教－再现概念；
2、 试分析机器人示教属于PTP(点到点)控制还是输入CP(持续轨迹)控制。

思考题参照答案
1、 示教，就是人把规定动作(涉及每个运动部件，每个运动轴动作)教给机器人，然后将示教各种信息存储起来；再现，便是将上述示教信息再现，即依照需要，将存储信息读出，向执行机构发出详细指令。
2、 机器人示教属于PTP(点到点)控制。
4.6 注意事项
1、 在教师指引下进行实验；
2、 机器人通电后，身体任何部位不要进入机器人运动可达范畴之内；
3、 机器人运动不正常时，及时按下控制柜急停开关。

实验5 机器人坐标系建立
5.1 实验目
1、 理解机器人建立坐标系意义；
2、 理解机器人坐标系类型；
3、 掌握用D-H办法建立机器人坐标系环节。
5.2 实验设备
1、 RBT-6T/S02S机器人一台；
2、 RBT-6T/S02S机器人控制柜一台；
3、 装有运动控制卡和控制软件计算机一台。
5.3 实验原理
机器人普通是由一系列连杆和相应运动副组合而成空间开式链，实现复杂运动，完毕规定操作。因而，机器人运动学描述第一步，自然是描述这些连杆之间以及它们和操作对象(工件或工具)之间相对运动关系。假定这些连杆和运动副都是刚性，描述刚体位置和姿态(简称位姿)办法是这样：一方面规定一种直角坐标系，相对于该坐标系，点位置可以用3维列向量表达；刚体方位可用3×3旋转矩阵来表达，而4×4齐次变换矩阵则可将刚体位置和姿态(位姿)描述统一起来。
机器人每个关节坐标系建立可参照如下三原则：
1、 轴沿着第n个关节运动轴；
2、 轴垂直于轴并指向离开轴方向；
3、 轴方向按右手定则拟定。
机器人坐标系建立办法惯用是D-H办法，这种办法严格定义了每个关节坐标系，并对连杆和关节定义了4个参数，如图5-1。

图5-1 转动关节连杆四参数示意图
机器人机械手是由一系列连接在一起连杆（杆件）构成。需要用两个参数来描述一种连杆，即公共法线距离和垂直于所在平面内两轴夹角；需要此外两个参数来表达相邻两杆关系，即两连杆相对位置和两连杆法线夹角。
除第一种和最后一种连杆外，每个连杆两端轴线各有一条法线，分别为前、后相邻连杆公共法线。这两法线间距离即为。咱们称为连杆长度，为连杆扭角，为两连杆距离，为两连杆夹角。
机器人机械手上坐标系配备取决于机械手连杆连接类型。有两种连接——转动关节和棱柱联轴节。对于转动关节，为关节变量。连杆i坐标系原点位于关节i和i+1公共法线与关节i+1轴线交点上。如果两相邻连杆轴线相交于一点，那么原点就在这一交点上。如果两轴线互相平行，那么就选取原点使对下一连杆（其坐标原点已拟定）距离为零。连杆iz轴与关节i+1轴线在始终线上，而x轴则在关节i和i+1公共法线上，其方向从i指向i+1，当两关节轴线相交时，x轴方向与两矢量交积平行或反向平行，x轴方向总是沿着公共法线从转轴n指向i+1。当两轴和平行且同向时，第i个转动关节为零。
一旦对所有连杆规定坐标系之后，咱们就可以按照下列顺序由两个旋转和两个平移来建立相邻两连杆i-1与i之间相对关系。
绕轴旋转角，使轴转到与同一平面内。
沿轴平移一距离，把移到与同始终线上。
沿i轴平移距离，把连杆i-l坐标系移到使其原点与连杆n坐标系原点重叠地方。
绕轴旋转角，使转到与同始终线上。
这种关系可由表达连杆i对连杆i-1相对位置四个齐次变换来描述，并叫做矩阵。此关系式为
（式5-1）
展开上式可得
（式5-2）
当机械手各连杆坐标系被规定之后，就可以列出各连杆常量参数。 对于跟在旋转关节i后连杆，这些参数为，和。对于跟在棱柱联轴节i后连杆来说，这些参数为和。然后，角正弦值和余弦值也可计算出来。这样，A矩阵就成为关节变量函数（对于旋转关节）或变量d函数（对于棱柱联轴节）。一旦求得这些数据之后，就可以拟定六个变换矩阵值。
5.4 实验环节
1、 参照机器人运动机构简图（图5-2所示)，依照D-H办法建立机器人笛卡尔坐标系，并且标出每个关节坐标系原点；

图5-2 机器人运动机构简图
2、 建好坐标系后填写表5-1各个变量值；
表5-1 机器人参数
杆件
变量为转角θn
偏距dn(mm)
扭角αn
杆长an(mm)
1

2

3

4

5

6

3、 依照表5-1各个变量值以及各杆件之间关系，写出相应矩阵；
4、 依照A矩阵和T矩阵之间关系，写出T矩阵；
实验环节参照答案：

图5-3 D-H坐标系建立

表5-2 机器人参数
杆件
变量为转角θn
偏距dn(mm)
扭角αn
杆长an(mm)
1
θ1(0)
387.5
-90°
0
2
θ2(-90°)
0
0
230
3
θ3(0)
0
-90°
107
4
θ4(0)
268
90°
0
5
θ5(0)
0
-90°
0
6
θ6(0)
165.5
0
0

规定逆时针为正，顺时针为负。
C=cos