模块化机器人实验指导书学生版.docx

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模块化机器人实验指导书学生版

模块化机器人

实验指导书

实验1机器人的机械系统及单模块运动

1.1实验目的

1、了解机器人机械系统的组成；

2、了解机器人机械系统各部分的原理及作用；

3、掌握机器人单模块运动的方法。

1.2实验设备

1、模块化机器人一台；

2、模块化机器人控制柜一台。

1.3设备介绍

本课程所使用的机器人为6自由度模块化可拆卸串联机器人，整体组合后其轴线相互平行或垂直，能够在空间内进行定位，采用伺服电机和步进电机混合驱动，它是一个多输入多输出的动力学复杂系统。

整个系统包括机器人1台、控制柜1台、实验附件1套（包括轴、套）和机器人控制软件1套。

机器人采用模块组合式串联开链结构，即机器人各连杆由旋转关节模块或移动关节模块组合串联连接，如图1-1所示。

各关节轴线相互平行或垂直。

连杆的一端装在固定的支座上（底座），另一端处于自由状态，可安装各种工具以实现机器人作业。

关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。

各模块的传动采用可视化结构，由锥齿轮、同步齿型带和谐波减速器等多种传动结构配合实现。

机器人各模块采用步进电机驱动（模块2采用伺服电机驱动），并通过Windows环境下的软件编程对机器人控制，使机器人任意组合成2～6自由度机器人后能够在工作空间内任意位置精确定位。

图1-1机器人结构

机器人技术参数如表1-1所示。

表1-1机器人技术参数

模块数量

6

驱动方式

步进电机驱动

负载能力

0.5Kg

重复定位精度

±0.8mm

动作范围

模块1

-90°～90°

模块2

-45°～45°

模块3

-45°～45°

模块4

-90°～90°

模块5

-45°～45°

模块6

-180°～180°

最大速度

模块1

60o/S

模块2

60o/S

模块3

30o/S

模块4

30o/S

模块5

30o/S

模块6

30o/S

最大展开半径

485mm

高度

685mm

本体重量

≤10Kg

操作方式

示教再现/编程

电源容量

单相220V50Hz3A

1.4实验原理

机器人各模块机械系统主要由以下几大部分组成：

原动部件、传动部件、执行部件。

基本机械结构连接方式为原动部件→传动部件→执行部件。

原动部件包括步进电机和伺服电机两大类，模块2采用伺服电机驱动方式，模块1、3、4、5、6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、谐波减速传动、行星减速传动、锥齿轮传动、涡轮蜗杆等传动方式。

执行部件采用了气动手爪机构或电磁铁吸附机构，以完成抓取、装配等作业。

1.5实验步骤

1、了解机器人机械系统中原动部分、传动部分以及执行部分的位置及在机器人系统中的工作状况；

2、接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

3、启动计算机，运行机器人软件，如图1-2所示；

图1-2主界面

4、在主界面中点击“模块组合方式”按钮，出现如图1-3所示界面；

图1-3模块组合方式界面

5、在“模块组合方式”界面中选择将6个模块都选上，手爪也选上，点击确定；

6、点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。

观察机器人的运动，六个模块全部运动完成后，机器人处于零点位置；

7、点击主界面“模块运动”按钮，出现如图1-4所示界面；

图1-4模块运动界面

8、选择“模块1”，模块方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取30度，点击“启动”按钮，观察机器人模块1运动情况；

9、选择“模块1”，模块方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人模块1运动情况，然后点击“立即停止”按钮；

10、选择“模块2”，模块方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取-60度，点击“启动”按钮，观察机器人模块2运动情况；

11、选择“模块2”，模块方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人模块2运动情况，然后点击“立即停止”按钮；

12、选择“模块3”，模块方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取30度，点击“启动”按钮，观察机器人模块3运动情况；

13、选择“模块3”，模块方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人模块3运动情况，然后点击“立即停止”按钮；

14、选择“模块4”，模块方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取30度，点击“启动”按钮，观察机器人模块4运动情况；

15、选择“模块4”，模块方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人模块4运动情况，然后点击“立即停止”按钮；

16、选择“模块5”，模块方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取30度，点击“启动”按钮，观察机器人模块5运动情况；

17、选择“模块5”，模块方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人模块5运动情况，然后点击“立即停止”按钮；

18、选择“模块6”，模块方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取30度，点击“启动”按钮，观察机器人模块6运动情况；

19、选择“模块6”，模块方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人模块6运动情况，然后点击“立即停止”按钮；

20、点击“退出”按钮，退出模块运动界面；

21、点击主界面“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；

22、退出机器人软件，关闭计算机。

按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源。

1.6注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人通电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开

实验2机器人示教编程与再现控制

2.1实验目的

1、了解机器人示教与再现的原理；

2、掌握机器人示教和再现过程的操作方法。

2.2实验设备

1、模块化机器人一台；

2、模块化机器人控制柜一台。

2.3实验原理

机器人的示教-再现过程是分为四个步骤进行的，它包括：

机器人示教（teachprogramming），就是操作者把规定的目标动作（包括每个运动部件，每个运动轴的动作）一步一步的教给机器人。

示教的简繁，标志着机器人自动化水平的高低。

记忆，即是机器人将操作者所示教的各个点的动作顺序信息、动作速度信息、位姿信息等记录在存储器中。

存储信息的形式、存储存量的大小决定机器人能够进行的操作的复杂程度。

再现，便是将示教信息再次浮现，即根据需要，将存储器所存储的信息读出，向执行机构发出具体的指令。

至于是根据给定顺序再现，还是根据工作情况，由机器人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。

在示教-再现这一动作循环中，示教和记忆是同时进行的；再现和操作也是同时进行的。

这种方式是机器人控制中比较方便和常用的方法之一。

示教的方法有很多种，有主从式，编程式，示教盒式等多种。

主从式既是由结构相同的大、小两个机器人组成，当操作者对主动小机器人手把手进行操作控制的时候，由于两机器人所对应关节之间装有传感器，所以从动大机器人可以以相同的运动姿态完成所示教操作。

编程式既是运用上位机进行控制，将示教点以程序的格式输入到计算机中，当再现时，按照程序语句一条一条的执行。

这种方法除了计算机外，不需要任何其他设备，简单可靠，适用小批量、单件机器人的控制。

示教盒和上位机控制的方法大体一致，只是由示教盒中的单片机代替了电脑，从而使示教过程简单化。

这种方法由于成本较高，所以适用在较大批量的成型的产品中。

2.4实验步骤

1、接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

2、启动计算机，运行机器人软件；

3、点击主界面“模块组合方式”按钮，按照实际情况选择已组合的模块设备，并点击“确定”按钮；

4、点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。

观察机器人的运动，所有模块全部运动完成后，机器人处于零点位置；

5、点击“示教”按钮，出现如图2-1所示界面；

6、在“速度”中选择示教速度（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，一般情况下建议选择12度/秒；在“模块运动”中有每个关节的正反向运动，持续按下相应模块的按钮，机器人的模块会按照指令运动，松开相应的按钮，机器人的模块会停止运动；

7、在机器人“模块状态”和“当前坐标”中，可以实时显示机器人的运动状态，当每运动到一个点，必须按下“记录”按钮，在再现时机器人将忽略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模块运动的信息，继续运动其他模块，直到整个示教程序完成；

图2-1示教界面

8、点击“保存”按钮，示教完的信息以（*.RBT6）格式保存在示教文件中；

9、点击“再现”按钮，机器人按照记录的机器人各模块信息再现一遍运动轨迹；

10、点击“清空”按钮会把示教列表全部清除。

11、点击“退出”按钮，退出当前界面；

12、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；

13、按下控制柜上的“停止”按钮，关闭计算机；

14、断开控制柜电源。

实验3机器人的搬运装配实验

3.1实验目的

1、了解机器人完成搬运作业的过程；

2、掌握机器人示教作业的方法。

3.2实验设备

1、模块化机器人一台；

2、模块化机器人控制柜一台。

3.3实验原理

对装配操作统计的结果表明，其中大多数为抓住零件从上方插人或连接的工作。

串联关节型机器人就是专门为此而研制的一种成本较低的机器人。

它共有6个自由度，六个回转关节。

手爪安装在手部前端，相当于人手的功能。

事实上用一种手爪很难适应形状各异的工件，通常按抓取对象的不同需要设计其手爪。

3.4实验步骤

1、接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

2、启动计算机，运行机器人软件；

3、在“模块组合方式”界面中选择6个模块和手爪；

4、点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。

观察机器人的运动，六个模块全部运动完成后，机器人处于零点位置；

5、点击“示教”按钮，出现如图3-1所示界面；

6、打开气泵，点击手爪“张开”、“闭合”按钮，测试手爪气路部分连接状态；

7、将轴和轴套放入实验架对应的位置；

8、在示教界面中将机器人运动到与轴比较接近位置，每示教一步都要记录；

9、比较精确的将手爪移动到轴的正上方；

10、手爪下降至轴高度一半的位置（下降方法为3轴小幅度缓慢下降）；

11、闭合手爪；

12、向上提升手爪一定高度（大约比套稍高）；

13、移动轴至轴套的上方；

14、缓缓放下，将轴放到轴套里；

15、松开手爪；

16、竖直向上方向撤离手爪；

17、保存示教文件；

18、将轴放回原处，再现该示教文件；

19、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；

20、按下控制柜上的“停止”按钮，关闭计算机；

21、断开控制柜电源。

图3-1示教界面

整体示教过程如图3-2所示。

图3-2机器人示教路线图

3.5注意事项

1、在老师的指导下进行实验；

2、机器人通电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关。

实验4机器人链接库VC编程实验

4.1实验目的

1、了解机器人链接库中各函数的相关功能及调用；

2、掌握简单的使用机器人链接库的VC应用程序的编制方法。

4.2实验设备

1、模块化机器人一台；

2、模块化机器人控制柜一台。

4.3实验原理

DLL是DynamicLinkLibrary的缩写，意为动态链接库。

在Windows中，许多应用程序并不是一个完整的可执行文件，它们被分割成一些相对独立的动态链接库，即DLL文件，放置于系统中。

当我们执行某一个程序时，相应的DLL文件就会被调用。

一个应用程序可有多个DLL文件，一个DLL文件也可能被几个应用程序所共用，这样的DLL文件被称为共享DLL文件。

DLL文件一般被存放在Windows\System目录下。

S6s1机器人动态链接库是基于MAC3002SSI2的运动函数库开发的机器人控制模块，可以进行机器人的复位、单轴运动、状态检测等多种控制，用户通过对链接库的调用，可实现对机器人的二次开发。

MAC3002SSI2运动函数库是一个运动控制API函数库，在MAC3002SSI2平台上开发用户应用软件并不是一件很难的事情，只要用VisualC++或VisualBasic编写一个接口，并调用MAC3002SSI2运动函数库中的相关函数，就可以对自己的设备进行精确的控制。

由于MAC3002SSI2的运动函数库能帮您处理所有与运动控制有关的复杂细节，因此，不必了解底层硬件运作细节就可以根据特定的应用要求开发出自己的系统，从而大大缩短软件开发周期。

MAC3002SSI２控制卡的最重要特点是开放式结构，您可以从MAC3002SSI2运动函数库中挑选想要的运动函数和功能，编写自己的应用程序，构成自己的应用系统。

使用MAC3002SSI2控制卡的运动控制系统构架如图4-1所示。

从示意图可以看出，控制系统的工作原理可以简单描述为：

1、操作员的操作信息通过操作接口如鼠标或键盘传递给应用软件；

2、应用软件将操作信息转化为运动参数并根据这些参数调用DLL库中的运动函数；

3、运动函数向控制卡发出控制指令；

4、MAC3002SSI2运动控制卡再根据控制指令发出相应的指令信号给电机驱动器；

5、电机驱动器根据这个指令信号来驱动电机运动。

图4-1

4.4实验步骤

1.建立新工程。

2.将配套光盘中的s6s1文件夹下的动态链接库文件s6smi.dll、s6s1.h、s6smi.lib、mac2sspv102.dll、mac2ssp2v100.dll、DirectPort.dll和s6s1cfg.ini七个文件拷贝到建立的Example工程的工程文件夹下。

3.导入链接库

加入s6smi.lib，完成动态链接库的链接。

4.用户界面设计

界面设计如图４-2所示。

图4-2

5.代码添加

完成的控制系统，可以实现对机器人的一些简单的操作。

在使用时首先选定要运动的模块，选择运动方式和启动方式，填写运动参数，包括运动速度和目标位置，选择运动方向，然后按下“启动”按钮。

这时开始运动。

在运动期间，按下“立即停止”按钮，会立即停止模块的运动。

按下手爪张开按钮，会控制机器人的手爪张开，同时该按钮会变为手爪闭合，再次按下会使机器人的手爪闭合。

４.5注意事项

1、在老师的指导下进行实验

2、机器人通电后，身体的任何部位不要进入机器人运动可达范围之内；

3、机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关。

附录AMAC-3003SSI2运动函数列表

为了便于用户在MAC-3003SSI2卡上快速开发出功能强大的应用软件，哈工大博实精密公司为用户提供一个功能齐全的函数库，包括11类约43个函数。

功能丰富的运动函数库允许用户开发各种用途的软件，但具体应用中通常只需调用其中一部分，通常是一、二十个函数便可以满足基本的运动控制要求，为便于读者理解以下几章，本节中列出MAC-3003SSI2的全部函数名和作用。

i.3.2.1初始化函数

MAC-3003SSI2提供的初始化函数共有4个，分别用于对PC104机上存在的控制卡进行初始化、复位、查询、选定，软件运行完毕释放资源。

函数名

描述

ssi32_initial

软件初始化

ssi32_set_base_address

设置当前卡地址

ssi32_get_base_address

得到当前卡地址

ssi32_reset

软复位当前卡

ii.3.2.2设置函数

这类函数共有12个，分别用于设置脉冲的模式、各开关量信号逻辑和对应操作模式。

函数名

描述

ssi32_set_out_mode

设置脉冲输出模式

ssi32_set_encoder_mode

设置回馈编码器（EA/EB）信号输入模式

ssi32_set_feedback_mode

设置回馈计数器输入源

ssi32_set_home_mode

设置回零方式

ssi32_set_alm

设置ALM信号逻辑和操作模式

ssi32_set_sd

设置SD信号逻辑、操作模式和是否有效

ssi32_set_el

设置EL信号操作模式

ssi32_set_move_ratio

设置速度倍率

ssi32_set_svon

输出伺服驱动器使能信号SVON

ssi32_output

通用I/O输出

ssi32_input

通用I/O输入

ssi32_set_fltr_mode

设置是否对EL,SD,ORG,ALM,INP信号应用滤波器,忽略4微秒以下脉冲

iii.3.2.3单轴位置模式运动函数

这类函数共有2个，可以执行速度曲线为梯形或S形，目标位置为相对或绝对的位移运动，以及继续运动函数，其中的继续运动函数也可用于速度模式。

函数名

描述

ssi32_start_pt_move

开始速度曲线为梯形的（相对/绝对）位置运动

ssi32_start_ps_move

开始速度曲线为S形的（相对/绝对）位置运动

iv.3.2.4单轴速度模式运动函数

这类函数共有6个，用于设置速度模式下的运动参数和指令，其中的减速停止和立即停止也可用于位置模式运动。

函数名

描述

ssi32_start_vt_move

在速度模式下，开始梯形速度曲线运动

ssi32_start_vs_move

在速度模式下，开始S形速度曲线运动

ssi32_change_speed

运动期间改变速度

ssi32_get_speed

读取当前速度

ssi32_sd_stop

减速停止

ssi32_emg_stop

立即停止

v.3.2.5直线插补函数

直线插补函数共有2个，可实现2-4轴相对或绝对位置的直线插补运动，速度曲线分为梯形和S形。

函数名

描述

ssi32_start_tline_move

开始速度曲线为梯形的直线插补运动

ssi32_start_sline_move

开始速度曲线为S形的直线插补运动

vi.3.2.6圆弧插补函数

圆弧插补函数共有2个，可实现任意2轴目标位置为（相对/绝对）位置的梯形/S形变速圆弧插补运动。

函数名

描述

ssi32_start_tarc_move

开始梯形变速圆弧插补运动

ssi32_start_sarc_move

开始S形变速圆弧插补运动

vii.3.2.7回零函数

本函数实现单轴的回零运动，具体的设置可以使用3.4.2中提供的函数进行设置。

函数名

描述

ssi32_home_move

回零运动

viii.3.2.8运动状态监视函数

这类函数有2个函数，用于返回指定运动轴的工作状态。

函数名

描述

ssi32_get_motion_status

读取运动状态

ssi32_get_signals

读取轴的IO接口状态

ix.3.2.9位置管理函数

这类函数共有10个，用于对各个运动轴的位置设定和位置值的读取。

函数名

描述

ssi32_get_position

读取回馈计数器

ssi32_set_position

设置回馈计数器

ssi32_get_command

读取命令计数器

ssi32_set_command

设置命令计数器

ssi32_get_error_counter

读取偏差计数器

ssi32_set_error_counter

设置偏差计数器

ssi32_get_target_position

读取目标位置

ssi32_set_target_position

运动中重新设定目标位置

ssi32_get_rest_pulse

读取剩余脉冲数

ssi32_get_rampdown_position

读取减速点

x.3.2.10位置比较函数

此函数用于软件限位功能设置。

函数名

描述

ssi32_set_soft_limit

设置软限位

xi.3.2.11连续运动函数

本函数库提供1个函数协助用户处理连续运动，用户可以通过调用这个函数读取预置寄存器状态，从而判断是否可以继续添加连续运动。

函数名

描述

ssi32_check_continuous_buffer

读取预置寄存器状态

附录Bs6s1机器人动态连接库

i.配置文件

配置文件用于配置机器人的各项参数，包括运动控制卡和各轴参数等，一个配置文件中可以定义多套机器人，一般用户不需要修改而直接使用。

ii.运动控制函数

由于配置文件可以定义多套机器人，除了初始化、关闭等函数外，所有函数都是针对当前机器人的函数。

1、ints6s1_init（introbot_num,constchar*filename,boolinit_card）；

功能：

初始化。

参数：

robot_num，机器人编号

filename初始化文件路径名称，如果填写NULL，系统会自动使用动态连接库同一路径下的s6s1cfg.ini文件

init_card是否初始化，为true会初始化相关运动控制卡，为false时表示在此之前其他使用控制卡的代码已经初始化了运动控制卡，此功能用于多个机器人跨卡开发时，由第一个初始化的机器人进行唯一一次初始化。

2、voids6s1_close（）；

功能：

关闭

3、ints6s1_select（introbot_num）；

功能：

选择当前机器人

参数：

robot_num机器人编号

4、ints6s1_stop（）；

功能：

停止当前机器人

5、ints6s1_stop_axis（intaxis）；

功能：

停止当前机器人的指定轴

参数：

axis要停止的轴（0-5）

6、voids6s1_reset（）；

功能：

使当前机器人软件复位

7、ints6s1_moveall（doubleangle[6],doublespeed[6],boolacc）；

功能：

同时当前机器人移动所有轴

参数：

angle，长度为6的双精度数组，依次