机器人技术及其应用实验指导书（第1版试用）周高峰 编写机械电子工程教研室2014年9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、仪器关闭，工具清理干净，搞好当天卫生目 录实验一 机器人机械机构 1一、实验目的 1二、实验属性 1三、实验设备、仪器 1四、实验要求 1五、实验原理 1六、实验步骤 2七、讨论题思考题与实验报告 3附件1：实验一 机器人机械机构实验报告 4附件2：实验一 机器人机械机构实验预习报告 5实验二 机器人运动学 6一、实验目的 6二、实验属性 6三、实验设备、仪器 6四、实验要求 6五、实验原理 6六、实验步骤 7七、讨论题思考题与实验报告 8附件3：实验二 机器人运动学实验报告 8附件4：实验二 机器人运动学实验预习报告 10实验三 机器人感觉 11一、实验目的 11二、实验属性 11三、实验设备、仪器 11四、实验要求 11五、实验原理 11六、实验步骤 14七、讨论题思考题与实验报告 14附件5：实验三 机器人感觉实验报告 15附件6：实验三 机器人感觉实验预习报告 16实验四 机器人视觉 17一、实验目的 17二、实验属性 17三、实验设备、仪器 17四、实验要求 17五、实验原理 17六、实验步骤 19七、讨论题思考题与实验报告 19附件7：实验四 机器人视觉实验报告 19附件8：实验四 机器人视觉实验预习报告 21《机器人技术及其应用》教学大纲 22《机器人技术及其应用》实验教学大纲 27实验一 机器人机械机构一、实验目的1．了解机器人的基本机械结构组成与分类；2．知道机器人的主要技术参数；3．掌握机器人的机构运动；4．掌握机器人的驱动方式。
二、实验属性验证性实验理解和知道机器人的机械结构组成，及其驱动方式三、实验设备、仪器机器人、计算机操作台、工件传输线、工件、堆垛机、料架四、实验要求1．学生在实验课前必须认真预习教科书与实验指导书中的相关内容，为实验做好充分准备2．要求学生综合利用前期课程及本门课程中所学的相关知识点，了解机器人机械机构的基本知识，学习机械原理、流体传动、电工学、机械设计、机电传动控制等课程的相关内容，培养学生在机器人技术方面综合分析与设计机器人机械结构的能力五、实验原理明确机器人的种类，绘制出所观察机器人的图形符号，例如移动符号、回转机构符号、机座等到在此基础上，明确所观察机器人的主要参数，包括：自由度、工作空间、工作速度、工作载荷、控制方式、驱动方式、精度、重复精度和分辨率给出机器人的机械结构组成，同时知道相应机械结构的运动，例如手臂、手腕的运动接着讨论所观察机器人的机身和臂部机构、手腕机构和手部机构在明确了以上内容的基础上，给出相应机器人的驱动方式及其对应的驱动机构启动相应的机械手，观察实际的机械手中机械结构的运动过程，以检验所分析的机械结构工作原理是否正确所观察的机器手，如下图所示机器手1示意图机械手2示意图六、实验步骤第一步 观察机械手1或机械手2所示的实际机械手种类，绘制出所观察机械手的图形符号，然后再根据所绘制的图形符号反推其相应的机械结构是否符合自己所观察的机器人的机械结构。
第二步 阅读《机器人技术及其应用》和《〈机器人技术及其应用〉实验指导书》中的相关内容，讨论并明确自己所观察机械手的主要参数第三步 从机械手指末端开始到机身结束，逐步分解整个机械手所含有的机械结构及其相应的运动方式，包括手部、腕部和机身的机械结构与运动方式第四步 启动机械手，认真观察机械手中各个机械结构的运动方式和过程，检验你们的分析与推断是否正确第五步 给出你所观察机器人的想法、缺陷与改进之处七、讨论题思考题与实验报告1．据你所知，除了你所观察的机器人之外，生活或工业之中还有哪些机械手？2．工业机械手中最常用的驱动方式是什么？3．简述你所观察机械手的机身和臂部的机械结构，由哪几部分组成，其作用是什么？4．实验报告表格见附件1和附件2附件1：实验一 机器人机械机构实验报告实 验 报 告班 级机电112指导教师评语姓 名梁俊实验地点八号实验楼实验名称机器人机械结构实验日期设备、 工具、 材料实验目的与要求设备名称柔性制造系统1.了解机器人的基本机械结构组成与分类；2.知道机器人的主要技术参数；3.掌握机器人的机构运动和驱动方式要求：课前预习教科书与实验指导书相关内容，了解机械结构和和原理的知识。
辅助设备计算机工作台辅助材料电缆线工量具螺丝刀、钳子、万用表实验总结： 通过本次实验我们知道一个工件毛胚如何从储存室被取出，然后放上传送装置并经过传送带两边的各类传感器进行检测、辨别、分类特别是工件如何在传送的过程中进行定位和改变方向机械手臂是本实验的重点，其通过各个关节的自由的进行灵活的抓取工件，并放入数控机床进行各种加工带工件加工完成后自动取出进行下一道工序直至在被放入储存仓在这整个过程中柔性制造系统是其统一的控制系统，其能适应加工对象的变化和实现高度的自动化，完全实现无人操作大大的减轻了劳动量它将微电子、计算机和系统工程等技术等有机的结合在一起进行全自动化的生产，并实现一定范围内多种工件的成批高效的生产，同时还能及时的改变所加工的产品以满足市场的需求附件2：实验一 机器人机械机构实验预习报告实 验 预 习 报 告班 级机电112 指导教师评语姓 名梁俊实验地点八号实验楼实验名称机器人机械结构预习日期主要内容提要：1.机器人的组成与分类：机器人是自动执行工作的机器装置它由执行机构，检测装置，驱动装置，控制系统，和一些复杂的机械组成分类：家务型机器人，操作型机器人，搜救机器人，数控型机器人，感觉控型机器人，适应控制型机器人，智能机器人。
2.机器人的主要技术参数：自由度，工作空间，工作速度，工作载荷，控制方式，驱动方式，精度、重复精度和分辨率3.机器人运动及其驱动机构：手臂的运动包括垂直运动，径向移动，回转运动手腕的运动包括手腕的旋转，手腕的弯曲，手腕侧摆实验二 机器人运动学一、实验目的1．测定和理解机器人变换矩阵；2．理解机器人运动方式3．理解机器人位置与关节变量的关系；4．理解雅可比矩阵在机器人中的作用二、实验属性验证性实验观察机器人的运动过程，分析机器人的变换矩阵，以及位置与速度的雅可比矩阵三、实验设备、仪器机器人、计算机操作台、工件四、实验要求1．学生在实验课前需要预先复习机器人常规的运动方式，明确机器人运动学的基本问题，尤其是位置与关节变量的关系2．要求学生综合利用前期课程及本门课程中所学的相关知识点，了解大学普通物学、机械原理、线性代数、空间解析几何等课程内容复习《机器人技术及其应用》课本中有关机器人位置的表示方法，空间坐标变换方法、姿态变换、齐次变换、坐标变换矩阵的一般表示等内容，培养学生在机器人技术方面综合分析机器人动力学的能力五、实验原理明确并确定机器人关节变量空间和机器人末端执行器的位置与姿态的关系，给出机器人的固定参考坐标系，同时理解机器人相对于固定坐标系的运动几何学关系，说明机器人末端执行器位置和姿态与关节变量空间之间的关系。
在此基础上，表示机器人末端执行的变换坐标矩阵，同时复习或学习指尖速度与关节速度之间的关系矩阵即雅可比矩阵在明确了以上内容的基础上，结合机器人的运动过程即空间运动轨迹，确定所操作机器人的末端执行器相对于固定参考坐标系的变换矩阵，即空间坐标变换矩阵操作机器人，使手臂部旋转和移动，观察机器人的运动过程是否与所给的变换矩阵一致在此基础上，确定手爪与关节速度之间的雅可比矩阵，即与平移有关的雅可比矩阵或者与旋转速度有关的雅可比矩阵所观察的机器手运动轨迹，示意图所示如下所示6自由度机械手示意图六、实验步骤第一步 当机器人从一个位置到达另一位置的过程中，明确机器人的姿态，分析确定末端执行器的变换矩阵，从而确定末端执行器的位置与速度变化第二步 给出机器人相对于固定坐标系的运动几何关系，确定末端执行器的位置与速度的关系第三步 给出机械手在运动过程中，相应关节的坐标变换矩阵，以及末端执行的坐标变换矩阵第四步 列出手爪位置与各个关节变量之间的正运动学方程，即确定手爪在某一运动过程中的雅可比矩阵第五步 重复机械手的运动过程，再次检验和修正对机械手运动过程的分析七、讨论题思考题与实验报告1．据你的实验观察，机械手运动过程轨迹是否可以重复？2．机械手末端执行器（通常为手爪）的坐标变换矩阵是依据什么得到的？3．机器人末端执行器的位置与速度之间的关系是通过什么来体现的？4．实验报告表格见附件3和附件4。
附件3：实验二 机器人运动学实验报告实 验 报 告班 级机电112指导教师评语姓 名梁俊实验地点八号实验楼实验名称机器人机械结构实验日期设备、 工具、 材料实验目的与要求设备名称柔性制造系统1．测定和理解机器人变换矩阵；2．理解机器人运动方式3．理解机器人位置与关节变量的关系；4．理解雅可比矩阵在机器人中的作用要求：复习机器人常规运动方式明确运动学基本问题，和位置与关节的变量关系，了解物理、线代、机械原理等知识辅助设备计算机工作台辅助材料电缆线工量具螺丝刀、钳子、万用表实验总结： 机器人的运动学主要是运用线性代数矩阵分析，从而控制末端执行器的各个动作操作通过特定数据分析提高其运动的准确性对于执行器的位置方向是用3维笛卡尔坐标系XYZ描述的而对于复杂矩阵的处理是通过计算机进行处理对于各运动构件上笛卡尔坐标系的变换关系，采用齐次坐标变换，以此导出末端执行器完成各个动作对于机器人的机械手臂是由多个自由度的机构组成，自由度越多完成的动作越复杂笛卡尔坐标的3维矢量空间与关节变量决定的n维矢量空间的相互变换，是在机器人运动分析的过程中的基本方法附件4：实验二 机器人运动学实验预习报告实 验 预 习 报 告班 级机电112 指导教师评语姓 名梁俊实验地点八号实验楼实验名称机器人运动学预习日期主要内容提要：1.机器人运动学的问题：对于给定的机器人，已知杆件几何参数和关节角矢量求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置。