2019年IRB1400机器人的运动控制实验指导书
机器人技术实验指导书21页word文档
机器人技术基础实验指导书机电一体化实验室2009年6月学生实验规则1、实验前，学生要认真阅读实验指导书中内容，以求对实验目的、内容、方法和步骤有初步的了解。
2、遵守实验室的各项规章制度，听从教师的指导，实验时必须严肃、认真、细致。
3、要求在教师指导下，独立按时完成规定的实验内容。
4、实验过程中，学生不得无故迟到、早退、旷课、有事须请假批准。
5、遵守操作规则，注意安全。
6、爱护实验中用到的相关设备与工具，丢失损失东西，及时报告，照价赔偿。
7、实验结束，应将设备、仪器、工具清理干净，搞好当天卫生。
第一章HNC-IR型教学机器人简介HNC-IR型教学机器人的总体结构为立式关节形式，具有五个自由度，各关节均采用步进电机经谐波减速器和绳轮驱动，绳轮轮系具有消除间隙机构，因此定位精度较高。
机器人的各关节结构实现了部件化，便于更换不同形式的驱动电机，根据教学、科研和工业的需要可以在各关节的驱动轴上安装力或位置检测元件，更换不同手爪非常简便。
1.1 HNC-IR教学机器人基本配置HNC-IR教学机器人由控制单元、示教操作盒、控制电柜和机器人主体等部分组成，通过连接电缆连成一体，如图1.1所示。
1.1.1 控制单元HNC-IR教学机器人的控制单元实际上就是一台工控PC机或商用PC机。
它包括主机、彩色CRT显示器、标准键盘等几部分，通过打印机接口(并行接口)由打印电缆与控制电柜侧面的“计算机接口”插座相连。
PC机键盘和CRT是人机交互的主要设备，负责编程及系统管理操作。
1.1.2 示教操作盒HNC-IR教学机器人的示教操作盒如图1.2所示，通过连接电缆直接连于控制电柜后面的“示教盒互连”插头上。
示教操作盒用于直接控制机器人的动作及获取示教编程位姿。
示教操作盒的使用介绍1.4节。
1.1.3 控制电柜控制电柜通过“220V电源”插头由连接电缆连到交流220V电源上，为机器人的控制提供强电，它把控制单元和示教操作盒送来的命令和操作转换为控制机器人动作的信号，送到固定在机器人主体上的步进电机，经谐波减速器和绳轮驱动带动机器人关节转动。
机器人实验指导书
机器人实验指导书主编王俊于洋洋贺莹天津大学仁爱学院专用教材2017年6月实验须知1. 实验是学习现代制造技术课程不可缺少的组成部分，这对加深理解基本概念，巩固课堂上所学的知识都很重要，每次实验必须认真对待。
2.做实验前，必须认真预习有关课程内容和阅读实验指导书，熟悉实验内容和步骤。
3. 做实验时要严格按照实验指导书的内容，步骤进行，认真操作，做好实验记录。
4. 做完实验，请指导教师看实验结果，教师确认实验通过后．应将实验台恢复原状，经指导教师同意后才能离开实验室。
5. 每次实验后，按实验指导书的要求，填好实验报告，交给指导老师审阅。
实验一MD-1200机器人机构测绘和焊接实验（一）实验目的及意义1、实验意义：机器人技术是综合了许多学科的知识，例如计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当今研究领域十分重视的课题，机器人在很多领域都得到广泛应用。
机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。
机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。
目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。
简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。
国际标准化组织(ISO)在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务”。
通过本次实验使学生充分认识焊接工业机器人结构组成及应用，熟练进行精确的测绘与控制，对于学好工业机器人技术及应用、机械工程测试技术基础等专业课程有着非常重要的意义。
2、实验目的：（1）掌握机器人的组成。
《机器人系统》实验指导书
（二）机器人结构功能
机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、控制系统、传感器、和驱动器等四 部分组成。机械本体是机器人实施作业的执行机构。为对本体进行精确控制，传感器应提供 机器人本体或其所处环境的信息，控制系统依据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运 动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指 定的位置。驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号，以驱动执行器工作。
防护装置功能正常。 8) 确认外部动力源包括控制电源、气源等能被切断。 9) 确认示教和再现功能正常。 10) 确认机器人的轴可正常移动并且能够执行工作。 11) 确认机器人能够在自动模式下能正确动作，并且能按指定的速度和负荷执行规划的
动作。
4 示教过程的安全
4.1. 开动机器人前，请确认所有的安全防护装置（安全围栏）工作正常。 4.2. 示教工作应由两个人来做，一个示教员、一个观察员。观察员同时也承担安全监 督的责任；并在示教前，确认“工作启动”等信号情况。 4.3 示教员在进入安全围栏前，必须把示教器上的 示教锁定 开关打到ON 位置，以防 控制箱模式开关打到自动模式而引发事故。一旦机器人做出任何不正常的运动，立即按下紧 急停止 开关，并立即从预设的撤退路径退出机器人工作区。 4.4在安全围栏外、可监控整个机器人运动的位置上，请为观察员安装一个紧停开关。 一旦机器人出现不正确的运动，观察员必须可以非常方便地按下紧停 开关来立即停止机器 人。另外，如果需在紧急停止后重新启动机器人，请在安全围栏外进行复位和重启手动操作。 4.5 请清楚地标示示教工作正在进行中，以免有人通过控制器、操作面板、示教器等误 操作任何机器人系统装置。 4.6 完成示教工作后，在确认示教的运动轨迹和示教数据前，请清除安全围栏内、机器 人周围的全部人员和障碍遗留物，确认安全围栏内没有任何人员和障碍遗留物后，请在安全 围栏外执行确认工作。这时，机器人的速度应小于等于安全速度（250 毫米/秒），直到运动 确认正常。 4.7 如需在紧急停止后重启机器人，请在安全围栏外手动复位和重启。 同时确认所有 的安全条件，确认机器人周围、安全围栏内没有任何人员和障碍遗留物。 4.8 示教过程中，请确认机器人的运动范围，永远不要大意靠近机器人或进入机器人手 臂的下方。特别地，当机器人手爪中抓有工件时，永远不要靠近它或进入它的下方，因为工 件随时可能由于误操作而突然掉落。 4.9 为了安全，在示教或检查模式中，机器人的最大速度被限制在了250 毫米/秒之内 （安全操作速度）。 但是，在刚完成示教或出错恢复后，操作员校验示教数据时，请把检查 运行的速度设得越低越好。 4.10 示教过程中，无论示教操作员还是监督员，必须时刻监视机器人有无异常运动、
智能机器人实验报告电子稿
实验一教你的机器人“走路”一、要求与目的熟悉机器人用于走路的“脚”，要教你的机器人学会走路，同时你要掌握控制机器人走路的基本方法。
二、内容1、机器人为什么会“走”要想让机器人移动，就要控制电机的转动。
控制机器人“行走”的基本指令是motor(x,y)函数和drive(x,y)函数。
2、驱动电机的函数通过JC程序控制电机转动，使机器人行走的指令有两个，它们是motor（x,y）函数和drive（x,y）函数，介绍：一、motor（x,y）函数此函数是“启动”电机，x取值1、2，分别表示左右两个电机；y表示电机转速两个电机同时以相同速度启动，意味着什么？机器人将怎样运动？答：机器人将直走。
进一步讨论：如果将一侧电机速度改为0，机器人将会怎样运动？（顺时针、逆时针旋转）答：左侧电机速度为零，则逆时针旋转；反之，则顺时针旋转。
实验题一：让机器人顺时针、逆时针旋转(1)用vjc语言或者流程图让能力风暴顺时针走直径约1米的圆形路径；程序：void main(){while(1){motor( 1 , 80 );motor( 2 , 20 );}stop();}(2)用vjc语言或者流程图让能力风暴逆时针走约1米立方的正方形路径；程序：void main(){while(1){drive( 100 ,0);wait( 1.000000 );stop();motor( 1 , -20 );motor( 2 , 20 );wait( 0.500000 );stop();}}实验题二：首先机器人前进2秒，之后机器人逆时针旋转1.8秒，然后机器人前进1秒，最后停下来。
小结：motor函数主要是实现旋转。
实验代码:Void main(){Drive(60,0);Wait(2.000000);Stop();Drive(0,-60);Wait(1.800000);Stop();Drive(80,0);Wait(1.000000);Stop();}二、drive（x,y）函数此函数是“直行”，x表示基准速度，y表示左右电机与基准速度的差。
机器人控制实验共5页word资料
实验二自由度机器人的位置控制一、实验目的1. 运用Matlab语言、Simulink及Robot工具箱，搭建二自由度机器人的几何模型、动力学模型，2. 构建控制器的模型，通过调整控制器参数，对二自由度机器人的位姿进行控制，并达到较好控制效果。
二、工具软件1.Matlab软件2.Simulink动态仿真环境3.robot工具箱模型可以和实际中一样，有自己的质量、质心、长度以及转动惯量等，但需要注意的是它所描述的模型是理想的模型，即质量均匀。
这个工具箱还支持Simulink的功能，因此，可以根据需要建立流程图，这样就可以使仿真比较明了。
把robot 工具箱拷贝到MATLAB/toolbox文件夹后，打开matalb软件，点击file--set path，在打开的对话框中选add with subfolders，选中添加MATLAB/toolbox/robot，保存。
这是在matlab命令窗口键入roblocks就会弹出robot 工具箱中的模块（如下图）。
三、实验原理在本次仿真实验中，主要任务是实现对二自由度机器人的控制，那么首先就要创建二自由度机器人对象，二自由度机器人坐标配置仿真参数如下表1：表1 二连杆参数配置1.运动学模型构建二连杆的运动学模型，搭建twolink模型在MATLAB命令窗口下用函数drivebot(WJB)即可观察到该二连杆的动态位姿图。
%文件名命名为自己名字的首字母_twolink%构造连杆一L{1}=link([0 0.45 0 0 0],'standard') ;L{1}.m=23.9 ;L{1}.r=[0.091 0 0] ;L{1}.I=[0 0 0 0 0 0] ;L{1}.Jm=0 ;L{1}.G=1 ;%构造连杆二L{2}=link([0 0.55 0 0 0],'standard') ;L{2}.m=4.44 ;L{2}.r=[0.105 0 0] ;L{2}.I=[0 0 0 0 0 0] ;L{2}.Jm=0 ;L{2}.G=1 ;%（机器人的名字请用自己名字的首字母如）WJB=robot(L) ;='WJB_twolink' ; %设定二连杆名字qz=[0 0] ;qr=[0 pi/2] ;2.二连杆动力学部分实现机器人内部动力学构建，根据拉格朗日法建立机器人动力学模型（见书上P55）即下式：仍然用matlab下M函数来实现：%文件名命名为自己名字的首字母_dl%二连杆动力学部分function qdd=WJB_dl(u) %自己名字的首字母q=u(1:2); qd=u(3:4); tau=u(5:6);g=9.8;m1=23.9 ; m2=4.44 ;l1=0.45 ; l2=0.55 ;lc1=0.091 ;lc2=0.105 ;I1=1.27 ; I2=0.24 ;M11=m1*lc1^2+m2*(l1^2+lc2^2+2*l1*lc2*cos(q(2)))+I1+I2 ;M12=m2*(lc2^2+l1*lc2*cos(q(2)))+I2 ;M21=m2*(lc2^2+l1*lc2*cos(q(2)))+I2 ;M22=m2*lc2^2+I2 ;M=[M11 M12 ;M21 M22] ;C11=-(m2*l1*lc2*sin(q(2)))*qd(2) ;C12=-m2*l1*lc2*sin(q(2))*(qd(1)+qd(2)) ;C21=m2*l1*lc2*sin(q(2))*qd(1);C22=0 ;C=[C11 C12 ;C21 C22] ;G1=(m1*lc1+m2*l1)*g*sin(q(1))+m2*lc2*g*sin(q(1)+q(2)) ;G2=m2*lc2*g*sin(q(1)+q(2)) ;G=[G1 ;G2] ;qdd=inv(M)*(tau-G-C*qd)最后，还需将机器人动力学和几何学联系在一起。
机器人技术基础实验指导书
机器人技术基础实验指导书目录实验注意事项 (1)实验软件操作指南 (3)实验一机器人认知和操作实验 (7)实验二机械手臂排列小木块实验 (10)实验注意事项1.安全预防措施(Precautions)实验室的每台机械手臂均配备有快速操作手册，为正确的安装和操作机械臂提供了完善的详细资料。
在没有彻底完全学习使用手册之前不要安装或者操作机械手臂。
注意机械手臂和控制器的安全指导。
1)正确安全地固定好机械臂的底座。
2)确定机械手臂有足够的、自由的操作空间。
3)不要进入机器人的安全范围或者当系统在运行操作中时触摸机器人。
在触摸机器人之前，确定控制器前面板上马达的开关处于关闭状态。
4)在操作机械臂之前确定头发和衣服已系好。
出现异常时，请立即中断全部正在运行的程序和停止所有轴的传动，请按控制器或者控制柜上的“EMERGENCY STOP紧急停止”按钮。
2. 警告(Warnings)不要超过机械手臂的有效负荷。
夹爪能夹起的有效负荷为1KG。
强烈推荐当夹爪抓取物体时要夹住物体的重心。
不要使用外力去移动或者停止机械手臂的任何部件。
不要让机械手臂碰到障碍物。
不要让机械手臂带着负载伸展数分钟。
不要让任何一个轴长时间处于机械应变的状态，尤其是不要夹不明物体3．实验要求1)机械臂实验可以帮助加深理解《机器人技术基础》课程中的基本概念，通过操作机械臂，可以巩固和应用课堂上所学的知识，培养同学的实验技能，因此学生对每次实验都必须认真对待。
2)预习是做好实验的前提。
在实验之前,应认真复习与实验有关的课程内容，仔细阅读实验指导书,了解实验的目的、要求,掌握基本原理和主要实验步骤。
3)实验中要注意安全，严格按照前面的安全预防措施和警告事项进行操作。
不要随意扳动和操作，当实验发生故障时，应立即按控制器或者教导器上的“EMERGENCY STOP”按钮，中断正在运行的程序和停止所有轴的传动。
然后向指导老师报告，以便妥善处理。
4)必须熟悉机械臂控制软件——“SCORBASE for ER 4U”和“RBT-6T/S01S”的操作指南以及机械臂的编程指令。
1×IRB14000
Quotation No.:
ABB Engineering (Shanghai) Ltd.
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3 机器人在系统中的功能及技术要求
3.1 卖方按照供货范围提供 1 台 ABB IRB 14000-0.5/0.5 型工业机器人裸机,买方提供相关的周边 设备，并将机器人与这些设备集成，形成完整的机器人应用系统。
3.2 与机器人安装有关的土建参数
3.3 机器人与周边设备的控制连接 机器人提供 2.1 供货范围内的通信模块，用于与周边设备的通信。
集成视觉（包含相机、镜头、线缆和集成光源） Ethernet/IP™ Fieldbus Adapter
以太网总线适配器 Documentation(DVD)
机器人资料(DVD 版)
Quantity /数量
1台
1
1 1 1 2 1 1 1
Quotation No.:
ABB Engineering (Shanghai) Ltd.
单台配置如下： ABB IRB 14000-0.5/0.5 Manipulator(with Integrated controller), reach0.5m,payload 0.5kg
ABB IRB 14000-0.5/0.5 机器人本体(含集成控制器)，臂展 0.5 米，有效负载 0.5 公 斤 Teach Pendant with 10m cable, with Chinese interface
机器人实验指导用书
一体化。常用的工业机器人有
焊接机器人：汽车制造厂已广泛应用焊接机器人进行承重大梁和车身结构的焊接。
搬运机器人：材料搬运机器人可用来上料、码垛、卸货以及抓取零件重新定向等作业。
其它工业作业机器人如检测机器人、装配机器人、喷漆和喷涂机器人等。
五、操作步骤：
英文名称：Industrial Robot
课程类型:专业任选课
总学时：32讲课学时：24实验学时：8
学 分：2
适用对象：四年制机械设计制造及其自动化专业（机械设计方向、制造技术方向、机械电子工程方向）
先修课程：高等数学、线性代数、工程制图、机械工程材料、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、电子技术、电工技术、机械制造基础、互换性与技术测量、液压与气压传动、机电传动控制、单片机原理及应用、自动控制原理等。
图1慧鱼机器人模型方案
图2 LLWin软件编程界面
四、实验相关知识点
（一）机器人技术课程综合
1.机器人原理；
2.机器人的技术参数；
3.机器人的机械部分；
4.机器人的控制部分。
（二）机电一体化技术等课程综合
1.机械原理；
2.机械元件的选择；
3.传感器的选择
4.电机的运行；
5.控制系统的基本构成，通信连接；
0008 MOVJ VJ=25.00
0009 END
七、问答题
1、手爪的开合为什么常用气动？
2、机器人编程方式有哪几种？
3、什么是机器人离线编程？
4、何谓轨迹规划？
5、何谓点位控制和连续轨迹控制？
6、机器人转动件定位方法有哪几种？各适应什么定位场合？
附录
课程编号：0803701002
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IRB1400机器人的运动控制实验指导书
一、实验目的
1．了解IRB1400六关节机器人的构造、动作原理和手部运动控制原理；
2．基本掌握机器人运动控制程序的编制方法。
二、IRB1400机器人
1．结构
图1 IRB1400机器人外貌图 IRB1400机器人由六个转动关节构成，是一种6自由度的工业机器人。
这种机器人的操作系统是BaseWare OS 操作系统。
BaseWare OS 操作系统用于机器人的运动控制、应用程序的执行等各个方面。
运动类型 运动范围
轴1 旋转运动 170~170-
轴2
臂运动 20~100- 轴3
臂运动 70~65- 轴4
腕运动 150~150- 轴5
摆动运动 150~150- 轴6 扭转运动 300~300-
IRB1400工业机器人的控制系统由PC 机、运动控制器及配套的连接电缆和接口端子板、交流伺服电机及驱动器等构成，从控制要求来看，需要实现末端执行器上参考点的连续轨迹控制。
该机器人末端执行器轨迹控制过程如图2所示。
首先进行轨迹规划，在轨迹上选取n 个位置，然后用插补算法获得中间点的坐标，直线插补和圆弧插补是系统中的基本插补算法。
对于非直线和非圆弧轨迹，可以采用直线或圆弧逼近以实现这些轨迹。
根据末端执行器需实现的位姿（位置和姿态），用逆向运动学算法求出各关节所应产生的位移，也就是
各关节的给定值。
IRB1400工业机器人控制系统的核心是微机控制交流伺服电机的闭环位置伺服控制。
其运动执行元件为交流伺服电机。
图2 轨迹控制过程
图3为电机控制原理图。
对各关节给定值与由码盘得到的反馈信号经闭环PID伺服运算后，利用该输出值进行PWM调制，调制后的波形分三路输出到驱动器中，以控制驱动器中电流的通断时间，从而达到控制电机的转动的目的。
图3 电机控制原理
三、操作步骤
1．在准备操作机器人之前，仔细阅读并确保理解操作手册中的有关内容，特别是如下所述的关于安全方面的内容：
（1）在操作之前确保没有人在机器人的工作所及的范围内，保证操作者自己在安全的位置；
（2）出现问题时，立刻按急停按钮；
（3）在操作之前检查急停按钮是否正常工作。
方法是按下急停按钮看SERVO ON 指示灯是否熄灭；
（4）在开始示教时，设置示教锁定以避免由自动工作方式所可能带来的伤害。
2．将控制柜上的主电源开关旋到ON，打开电源，此时系统开始自检，如果出现异常，将显示错误或没有任何显示。
正常情况下，在屏幕上将出现各种键的显示。
此时还不能进行机器人的操作。
3．按SERVO POWER 键开伺服，此时可以进行机器人操作。
4．用示教盒进行人工示教可以快速、直观地实现机器人复杂轨迹的控制，是控制中最常采用的方法。
观察示教盒上的各个软键和开关以及屏幕显示，仔细阅读操作手册，熟悉各个软键的作用。
机器人的运动速度有快、中、慢、最慢四档。
在开始进行操作时，为了保证安全，通过SLW键应将工作速度设定为慢速。
在操作时，应仔细观察各关节的转动方向和各个软件上所标明的方向的关系。
5．工作模式选择
根据示教盒显示屏上的软键进行工作模式选择。
IRB1400有两种工作模式，一种是自动工作模式，一种是手动工作模式。
手动工作模式是指机器人采用示教盒操作；自动工作模式是指利用编制的程序来操作机器人。
6．在操作机器人时可能会涉及到关节坐标系、笛卡儿坐标系、圆柱坐标系、工具坐标系和用户坐标系，可以通过按MOTION TYPE键进行坐标系的选择。
机器人每个轴的运动取决于所选的坐标系。
在本实验中，选取笛卡儿坐标系。
7．在熟悉了上述机器人的轴操作和运动速度设定等方法后，可以进行机器人的示教了。
在示教时机器人示教的每一步将被记录为一条运动指令。
（1）按TEACH键，然后按SEL JOB 键，输入字符work作为此次实验的工作名，按 ENTER键，工作内容就显示在工作区；
（2）按EDIT键将光标移动到开始位置；
（3）按ENABLE键使ENABLE键的指示灯亮，反复对机器人进行轴操作使机器人运动到一指定位置；
（4）按MOTIONG TYPE键进行运动类型选择，这里我们选择直线运动类型，被选的运动类型将显示在状态显示区；
（5）按PLAY SPD键，移动光标到所要选择的运动速度处；
（6）按下ENTER键记录一条运动指令；
（7）重复（3）到（6）的步骤可以实现复杂的运动轨迹；
8．在示教工作完成后，需要将机器人的状态从示教锁定状态释放出来。
为此，应按SELECT键和MORE键，调出具有UNLOCK软键的界面；再按UNLOCK键系统的状态就从锁定转到示教状态。
9．按TEACH键将系统的控制模式转为自动模式。
运行上述示教所得的程序，比较自动运行时机器人所走的路径和示教时所设定的路径是否相同，如不同找出原因，并改正。
10．关机
关电源的顺序是先关伺服电源，再关主电源。
按下将伺服电源关断，然后将控制器面板上的开关旋到OFF位置。
四、实验报告
1．概述IRB1400六关节机器人的构造，动作原理和运动控制原理；
2．对IRB1400六关节机器人进行逆运动学分析，推导有关公式；
3．总结示教过程，分析比较示教结果；
4．编制并调试为实现手部指定运动所需的控制程序；
5*. 根据所编控制程序，采用自动工作模式，对机器人进行控制操作，并对操作过程进行总结，对操作结果进行分析比较。
注：打“*”内容为选作内容。