機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及上機(jī)

指導(dǎo)書(shū)機(jī)械電子工程實(shí)驗(yàn)室2004年8月實(shí)驗(yàn)一齊次變換與HNC-IR機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、認(rèn)識(shí)串并聯(lián)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)，掌握串、并聯(lián)機(jī)器人的自由度運(yùn)算方法。2、熟悉串、并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖的畫(huà)法。3、理解齊次變換的物理意義，掌握齊次變換矩陣表示剛體位姿的方法，能正確地進(jìn)行齊次變換矩陣的運(yùn)算。4、熟悉D-H表示法，正確確定連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。二、實(shí)驗(yàn)原理及方法齊次變換和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)。剛體的位姿通過(guò)在剛體上建立坐標(biāo)系來(lái)描述。齊次變換矩陣是一個(gè)四行四列的矩陣，它的前三列描述剛體的姿態(tài)（方向），第四列描述剛體的位置。齊次變換矩陣的乘表示剛體或坐標(biāo)系間的復(fù)合變換，齊次變換矩陣的逆表示反變換。即：如果坐標(biāo)系由｝相對(duì)w的齊次變換矩陣是T，那么T-1表示坐標(biāo)系"｝相對(duì)曷的描述。連桿的功能在于保持其兩端的關(guān)節(jié)軸線(xiàn)具有固定的幾何關(guān)系，連桿的特征也是由這兩條軸線(xiàn)規(guī)定的。兩軸線(xiàn)的公法線(xiàn)長(zhǎng)度就是連桿的長(zhǎng)度，兩軸線(xiàn)的扭角就是連桿的扭角。兩連桿之間的連接關(guān)系由兩連桿的公法線(xiàn)之間的偏置和夾角描述?；谏鲜鯠-H法的原理在機(jī)器人操作臂的每一連桿（構(gòu)件）上建立坐標(biāo)系，確定連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。三、實(shí)驗(yàn)儀器及材料HNC-1R教學(xué)機(jī)器人并聯(lián)機(jī)器人模型3-RPS或6-SPS一部四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟及數(shù)據(jù)整理1、觀(guān)察并聯(lián)機(jī)器人與HNC-IR機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，了解其動(dòng)作原理，并繪制其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。2、計(jì)算自由度3、對(duì)HNC-IR機(jī)器人建立連桿坐標(biāo)系，確定連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量。相應(yīng)參數(shù)填入HNC-IR連桿參數(shù)表。4、建立連桿3的齊次變換矩陣2T，求3T，指出2T、3T的物理意義，（要求能3232正確進(jìn)行矩陣運(yùn)算，并能把矩陣運(yùn)算模型存入軟盤(pán)，以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)用）。五、思考題齊次變換矩陣的物理意義是什么？怎樣進(jìn)行機(jī)器人操作臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模？實(shí)驗(yàn)二HNC-1R機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的建立方法2、掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)正、反解方法3、了解運(yùn)動(dòng)反解中多解的處理方法4、熟悉D-H表示法，正確確定連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。二、實(shí)驗(yàn)原理及方法在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，連桿坐標(biāo)系杪相對(duì)^-11可看作經(jīng)過(guò)了以下四個(gè)子變換:繞*軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿*軸的移動(dòng)，繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿z軸的移動(dòng)。利用矩陣乘i-1i-1f)i-1i-1的原理得到坐標(biāo)系宙相對(duì)1-1：的齊次變換矩陣是-t(即教材上公式3.3)，將各個(gè)連桿變換it(i=1,2,,n)相乘得oT。根據(jù)'關(guān)節(jié)變量Qj(i=1,2,,n)求解"的過(guò)程是運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，反之已知oT求解關(guān)節(jié)變量％(i=1,2,……,n)則為運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。反解用反變換法通過(guò)分離變量得到只含單變量的方程，從而解出關(guān)節(jié)變量Qi(i=1,2,,n)。三、實(shí)驗(yàn)儀器及材料HNC-1R教學(xué)機(jī)器人每組每生電腦一部并配置相應(yīng)軟件四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟及數(shù)據(jù)整理1、結(jié)合實(shí)驗(yàn)一的內(nèi)容，建立HNC-1R機(jī)器運(yùn)動(dòng)學(xué)方程2、實(shí)現(xiàn)HNC-1R機(jī)器人正解算法(借助Matlab，在已知q(i=1,2,……,n)的前提下，求出"，這里n=5)3、實(shí)現(xiàn)HNC-1R機(jī)器人反解算法(把已求得的°尸作為已知，求得關(guān)節(jié)變量q.(i=1,2,……,n),與正解結(jié)果互相驗(yàn)證)^五、思考題運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的多重解如何處理？怎樣得出最優(yōu)解？運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的數(shù)目與機(jī)器人的結(jié)構(gòu)本身有無(wú)關(guān)系？實(shí)驗(yàn)三HNC-1R機(jī)器人通信及軌跡規(guī)劃一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜づc機(jī)器人通信的三種主要方法掌握機(jī)器人語(yǔ)言結(jié)構(gòu)與編程特點(diǎn)掌握示教再現(xiàn)法了解軌跡規(guī)劃的基本方法二、實(shí)驗(yàn)原理及方法目前與機(jī)器人通信的方法主要有三種，即：示教再現(xiàn)，機(jī)器人語(yǔ)言和離線(xiàn)編程。示教再現(xiàn)就是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的需要，用手或示教盒把機(jī)器人的末端執(zhí)行器移動(dòng)到所需的位姿上，然后把每一位姿存儲(chǔ)起來(lái)，編輯并再現(xiàn)示教過(guò)的動(dòng)作，如果示教正確，則機(jī)器人可重復(fù)再現(xiàn)運(yùn)行。機(jī)器人語(yǔ)言是人一機(jī)通信問(wèn)題的通用方式。它是一種專(zhuān)用語(yǔ)言，用符號(hào)描述機(jī)器人動(dòng)作。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)際編程或示教再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)茶杯蓋子的互換，掌握HNC-1R型教學(xué)機(jī)器人程序的基本結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)示教編程獲取各點(diǎn)位置姿態(tài)的方法，熟悉機(jī)器人及其控制系統(tǒng)的基本操作和處理方法并通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)行體會(huì)軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)方法。三、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備HNC-1R型教學(xué)機(jī)器人一部四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟觀(guān)察示教再現(xiàn)過(guò)程，理解掌握與機(jī)器人通信的方法。通過(guò)演示程序的運(yùn)行，掌握程序結(jié)構(gòu)，了解程序編制方法和軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)。參考程序%01021N1speed500N5；程序名;N1是語(yǔ)句標(biāo)號(hào)，speed是指令，表示速度，500是速度的具體值;手指開(kāi)N10N20N30N40openMOVEJ{19.122,20.470,-60.093,0.364,0.000)；J是關(guān)節(jié)坐標(biāo)moveJ{20.358,17.783,-59.482,0.370,0.000)2；delay2表示延時(shí)2秒;手閉合delayCLOSEN50delayN60moveN70moveN80moveP(401.263,152.891,-73.804,0.370,20.858)；P是直角坐標(biāo)P{429.40l,1.461,-73.804,0.370,0.195)J{0.195,0.463,-39.412,0.370,0.000)N90delayN100N110N120N130N140Opendelay1moveP(472.060,1.607,moveJ{-25.032,23.559,moveJ{-25.032,21.472,-142.620，-71.811,-71.586,0.370,0.195)0.370,0.000)0.370,0.000)N150N160delay2CloseN170N180N190N200N210delay1P(349.635,-163.275,-17.483,0.370,-25.032)P(361.284,135.560,-17.483,0.370,20.567)J{21.J{21.movemovemovemoveN220delayN230N240N250N260opendelaymoveP(400.moveP(428.405,905,529,488,20.554,-62.049,0.370,19.692,-60.967,0.370,154.591,-94.324,0.370,26.831,-94.324,0.370,0。000)0.000)31.105)3.583)N270moveJ{-0.132,2.713,-41.279,0.370,0.000)N280moveJ{2.932,0.N300CloseN310delaylN320moveP(450.224,N330moveJ{-24.844,N340moveJ{-24.844,N350delay2N360openN370delaylN380moveP(360.369,N390moveP(188.702,N400end946,-42.279,0.370,0.000)-1.037,-17.505,0.370,—0.132)24.101,-71.653.0.370,0.000)22.275,-71.653,0.370,0.000)-151.811,-34.136,0.370,-22.844)342.497,-34.136,0.370,61.147)運(yùn)行操作在示教編程界面下，保存上述程序；在自動(dòng)運(yùn)行方式下，選擇上述程序：按下示教操作盒上的“循環(huán)啟動(dòng)”按鈕；運(yùn)行程序直到完畢。五思考題與機(jī)器人通信的三種主要方法是什么？什么是示教再現(xiàn)法，體會(huì)如何對(duì)機(jī)器人示教？機(jī)器人語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)是怎樣的？體會(huì)用機(jī)器人語(yǔ)言如何與機(jī)器人通信？MATLAB上機(jī)指導(dǎo)MATLAB是一種編程語(yǔ)言，它的科學(xué)計(jì)算功能強(qiáng)大。在國(guó)外，尤其是美國(guó)，早在八十年代末期，各著名大學(xué)巳開(kāi)設(shè)MATLAB課程。MATLAB是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中必須掌握的技術(shù)工具。一上機(jī)要求1能夠熟練進(jìn)行數(shù)值和符號(hào)矩陣的加、減、乘、逆運(yùn)算2能夠熟練求解矩陣方程3熟悉MATLAB編程和運(yùn)算環(huán)境4熟悉MATLAB標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的應(yīng)用二MATLAB入門(mén)知識(shí)上機(jī)過(guò)程點(diǎn)擊桌面上的Matlab圖標(biāo)（進(jìn)入command窗口）f點(diǎn)擊File^點(diǎn)New^點(diǎn)擊M-file（進(jìn)入編程窗口，在此窗口下進(jìn)行編程）f編程完畢，點(diǎn)擊Filef點(diǎn)擊save或saveas保存程序（程序名應(yīng)以字母開(kāi)頭，且不能是Matlab的保留字，程序的擴(kuò)展名必須是.m），保存程序后f點(diǎn)擊Debugf點(diǎn)擊Run,運(yùn)行程序。程序運(yùn)行結(jié)果程序運(yùn)行結(jié)果在Command窗口中（在任務(wù)欄中點(diǎn)擊）。矩陣輸入舉例t1=[12;34]表示矩陣t1是2X2的，第一行兀素是1和2，第二行兀素是3和4。矩陣t1的第i行第j列的元素表示為t1（i,j），如：t1（2,1）=3矩陣運(yùn)算指令舉例1矩陣乘法t1*t2表示矩陣t1與矩陣t2相乘4.2矩陣的逆inv(tl)表示求矩陣tl的逆矩陣賦值語(yǔ)句a=inv(tl)表示把矩陣tl的逆矩陣用a表示。方程及方程組的解法6.1方程的解法要解方程f(x)=0在程序中寫(xiě)成f1=f(x)[x]=solve(f1,x)要解方程fl(x)=0,需按下列指令處理：y=f1(x)[x]=solve(y,x)6.2方程組的解法若要求解方程組mx,y,z)=0^n(x,y,z)=0I(x,y,z)=0在程序中寫(xiě)成：f1=m(x,y,z)f2=n(x,y,z)f3=l(x,y,z)[x,y,z]=solve(f1,f2,f3,x,y,z)此時(shí)在command窗口中可得變量x、y、z的具體數(shù)值或表達(dá)式。角度的輸入需要注意角度的輸入，系統(tǒng)中默認(rèn)的是弧度。Matlab中用pi表示兀數(shù)值運(yùn)算若進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，可直接給變量賦值，進(jìn)行運(yùn)算，這與其它高級(jí)語(yǔ)言類(lèi)似。符號(hào)運(yùn)算若進(jìn)行的不是數(shù)值運(yùn)算，而是符號(hào)運(yùn)算，則需要在程序開(kāi)始的第一行進(jìn)行符號(hào)說(shuō)明，即說(shuō)明變量是符號(hào)變量。例：a和b是符號(hào)變量，則說(shuō)明如下：symsabc=a+b則在command窗口中可見(jiàn)c的內(nèi)容就是a+b。如果數(shù)據(jù)表達(dá)式復(fù)雜，可用simplify(fl)語(yǔ)句對(duì)fl整理簡(jiǎn)化。如果數(shù)據(jù)太長(zhǎng)，可用vpa(q2)看數(shù)據(jù)q2?？勺兙鹊倪\(yùn)算，可以設(shè)置任意多的有效計(jì)算位數(shù)進(jìn)行計(jì)算Vpa,digits)如：digits(16)[x，y]=solve(f1,f2.x,y)三上機(jī)作業(yè)：1.編程計(jì)算矩陣T1與T2的乘積，其中cos(x)3sin(y)cos(y)3sin(x)T1=cos(y)7sin(x)T2=cos(x)7sin(y)