工业机器人实验课程指导书

机器人技术作业指导书一、简介机器人技术是指利用计算机科学、人工智能、机械工程等相关学科知识和技术，开发和制造能够自主执行任务的机器人系统。

在本任务指导书中，我们将介绍机器人技术的基本原理、操作方法以及常见应用场景，帮助同学们更好地掌握和应用机器人技术。

二、机器人技术基础知识1. 机器人定义和分类机器人是一种能够执行人类给定任务的自动化设备。

根据机器人的外观和应用领域的不同，可以将其分为工业机器人、服务机器人、医疗机器人等多个类别。

2. 机器人感知与定位机器人通过传感器获取周围环境信息，并根据这些信息对自身位置进行定位。

感知与定位是机器人实现自主导航和操作任务的基础。

3. 机器人运动控制机器人运动控制涉及机器人的路径规划和运动规划，通过算法和控制器实现机器人的精确运动和动作执行。

三、机器人操作方法1. 远程操作机器人可以通过远程控制器进行操作，远程操作可以减少人工接触，降低风险，适用于高风险环境和远距离操作。

2. 自主导航机器人通过内置算法和传感器，能够自主感知环境、规划路径并实现自主导航，适用于需要长时间工作或复杂环境下的应用。

3. 人机协作机器人与人类进行密切配合，通过感应人类的动作和指令，实现协同操作。

人机协作在工业生产、医疗护理等领域有广泛应用。

四、机器人技术应用场景1. 工业自动化工业机器人在生产线上完成重复性工作，提高生产效率，降低劳动强度，广泛应用于汽车制造、电子生产等行业。

2. 医疗服务医疗机器人在手术、康复护理等领域发挥着重要作用，能够提高手术的准确性和安全性，辅助康复治疗，减轻医护人员负担。

3. 农业领域农业机器人可以自动化完成农田作业，如播种、施肥、除草等，提高生产效率，减少劳动力需求，为农业生产带来新的变革。

五、机器人技术的挑战与未来发展1. 感知能力的提升当前机器人在复杂环境下的感知能力仍有限，需要进一步加强对环境的感知和理解，提高自主决策能力。

2. 人工智能的融合机器人技术与人工智能的融合将会推动机器人领域的进一步发展，使机器人能够更好地理解和适应人类需求。

工业技术应用作业指导书第1章工业概述 (4)1.1 工业的发展历程 (4)1.2 工业的分类与特点 (4)1.3 工业的应用领域 (4)第2章工业的结构与原理 (5)2.1 工业的机械结构 (5)2.1.1 关节 (5)2.1.2 连杆 (5)2.1.3 末端执行器 (5)2.1.4 基座 (5)2.2 工业的驱动系统 (5)2.2.1 电动驱动 (5)2.2.2 气动驱动 (5)2.2.3 液压驱动 (6)2.3 工业的控制系统 (6)2.3.1 控制器 (6)2.3.2 传感器 (6)2.3.3 驱动器 (6)2.3.4 通信接口 (6)第3章工业的关键技术与参数 (6)3.1 工业的精度与重复定位精度 (6)3.1.1 位置精度 (6)3.1.2 重复定位精度 (6)3.2 工业的负载能力与速度 (7)3.2.1 负载能力 (7)3.2.2 速度 (7)3.3 工业的自由度与坐标变换 (7)3.3.1 自由度 (7)3.3.2 坐标变换 (7)第4章工业编程与仿真 (7)4.1 工业编程语言 (7)4.1.1 编程语言的分类与特点 (7)4.1.2 常用编程语言介绍 (8)4.2 工业编程方法 (8)4.2.1 编程步骤 (8)4.2.2 编程技巧 (8)4.2.3 编程注意事项 (8)4.3 工业仿真技术 (8)4.3.1 仿真技术的意义与作用 (8)4.3.2 常用仿真软件介绍 (8)4.3.3 仿真流程与方法 (8)4.3.4 仿真与实际应用的结合 (8)第5章工业视觉系统 (9)5.1 视觉系统的基本原理 (9)5.1.1 图像获取 (9)5.1.2 图像处理 (9)5.1.3 图像分析 (9)5.2 视觉系统的硬件组成 (9)5.2.1 相机 (9)5.2.2 光源 (9)5.2.3 镜头 (9)5.2.4 图像采集卡 (10)5.3 视觉系统的软件算法 (10)5.3.1 图像预处理算法 (10)5.3.2 特征提取算法 (10)5.3.3 特征匹配算法 (10)5.3.4 目标定位与跟踪算法 (10)5.3.5 机器学习与深度学习算法 (10)第6章工业感知与认知技术 (10)6.1 工业传感器技术 (10)6.1.1 传感器概述 (10)6.1.2 传感器选型与应用 (11)6.1.3 传感器信号处理 (11)6.2 工业感知技术 (11)6.2.1 视觉感知技术 (11)6.2.2 触觉感知技术 (11)6.2.3 听觉与嗅觉感知技术 (11)6.3 工业认知技术 (11)6.3.1 认知技术概述 (11)6.3.2 机器学习与深度学习 (11)6.3.3 认知推理与决策 (11)第7章工业典型应用案例分析 (12)7.1 汽车制造领域的应用 (12)7.1.1 点焊 (12)7.1.2 喷涂 (12)7.1.3 装配 (12)7.2 电子制造领域的应用 (12)7.2.1 SMT贴片 (12)7.2.2 焊接 (12)7.2.3 检测与测试 (12)7.3 食品饮料领域的应用 (12)7.3.1 分拣 (12)7.3.2 包装 (13)7.3.3 清洗 (13)第8章工业安全与防护 (13)8.1 工业安全标准与法规 (13)8.1.1 我国工业安全标准 (13)8.1.2 国际工业安全标准 (13)8.1.3 工业安全法规 (13)8.2 工业安全防护措施 (13)8.2.1 设计阶段安全措施 (13)8.2.2 制造与安装阶段安全措施 (14)8.2.3 运行阶段安全措施 (14)8.3 工业安全监控系统 (14)8.3.1 安全监控设备 (14)8.3.2 安全监控策略 (14)8.3.3 安全监控管理 (14)第9章工业系统集成与自动化生产线 (14)9.1 工业系统集成技术 (15)9.1.1 系统集成概述 (15)9.1.2 系统集成关键技术与流程 (15)9.1.3 系统集成案例分析 (15)9.2 工业自动化生产线设计 (15)9.2.1 自动化生产线概述 (15)9.2.2 自动化生产线设计原则与方法 (15)9.2.3 自动化生产线关键设备与组成 (15)9.2.4 自动化生产线实施与优化 (15)9.3 工业与智能物流系统的融合 (15)9.3.1 智能物流系统概述 (15)9.3.2 工业与智能物流系统的融合技术 (15)9.3.3 融合案例分析与启示 (16)9.3.4 发展趋势与挑战 (16)第10章工业发展趋势与展望 (16)10.1 工业技术的发展趋势 (16)10.1.1 市场规模持续扩大 (16)10.1.2 技术水平不断提高 (16)10.1.3 应用领域不断拓展 (16)10.1.4 产业链逐渐完善 (16)10.2 工业技术的创新与挑战 (16)10.2.1 创新方向 (16)10.2.2 挑战 (17)10.3 工业技术的未来展望 (17)10.3.1 普及化 (17)10.3.2 定制化 (17)10.3.3 网络化 (17)10.3.4 绿色化 (17)第1章工业概述1.1 工业的发展历程工业作为一种重要的自动化设备，其发展历程可追溯至20世纪中叶。

实验一机器人运动学实验一、基本理论本实验以SCARA四自由度机械臂为例研究机器人的运动学问题。

机器人运动学问题包括运动学方程的表示,运动学方程的正解、反解等,这些是研究机器人动力学和机器人控制的重要基础，也是开放式机器人系统轨迹规划的重要基础.机械臂杆件链的最末端是机器人工作的末端执行器（或者机械手),末端执行器的位姿是机器人运动学研究的目标，对于位姿的描述常有两种方法：关节坐标空间法和直角坐标空间法。

关节坐标空间：末端执行器的位姿直接由各个关节的坐标来确定,所有关节变量构成一个关节矢量，关节矢量构成的空间称为关节坐标空间。

图1—1是GRB400机械臂的关节坐标空间的定义。

因为关节坐标是机器人运动控制直接可以操纵的，因此这种描述对于运动控制是非常直接的。

图1-1 机器人的关节坐标空间图1-2 机器人的直角坐标空间法直角坐标空间:机器人末端的位置和方位也可用所在的直角坐标空间的坐标及方位角来描述，当描述机器人的操作任务时，对于使用者来讲采用直角坐标更为直观和方便（如图1—2）。

当机器人末端执行器的关节坐标给定时,求解其在直角坐标系中的坐标就是正向运动学求解（运动学正解）问题；反之，当末端执行器在直角坐标系中的坐标给定时求出对应的关节坐标就是机器人运动学逆解（运动学反解）问题.运动学反解问题相对难度较大，但在机器人控制中占有重要的地位。

机器人逆运动学求解问题包括解的存在性、唯一性及解法三个问题.存在性：至少存在一组关节变量来产生期望的末端执行器位姿，如果给定末端执行器位置在工作空间外，则解不存在.唯一性：对于给定的位姿，仅有一组关节变量来产生希望的机器人位姿.机器人运动学逆解的数目决定于关节数目、连杆参数和关节变量的活动范围.通常按照最短行程的准则来选择最优解,尽量使每个关节的移动量最小.解法：逆运动学的解法有封闭解法和数值解法两种。

在末端位姿已知的情况下，封闭解法可以给出每个关节变量的数学函数表达式；数值解法则使用递推算法给出关节变量的具体数值，速度快、效率高，便于实时控制。

机器人技术及其在空间中应用实验指导书陶建国 赵海红 编哈尔滨工业大学航空宇航制造工程系2013年8月一、机器人与空间机构样品展示1.1 实验目的1）通过参观和讲解，使学生了解空间应用机器人及其相关空间机构的特点和设计原则；2）通过参观和讲解，使学生系统地掌握几种常用机器人和一些空间机构的特点、组成和工作原理。

1.2 实验设备1.2.1八轮扭杆双摇杆摇臂悬架星球探测车移动系统八轮扭杆双摇杆摇臂悬架星球探测车移动系统的工作状态如图1-1所示。

图 1‐1 八轮扭杆双摇杆摇臂悬架星球探测车移动系统其机构原理如图1-2所示。

该探测车移动系统由车轮、转向架、悬架和车体组成，两侧悬架间引入了差动装置11，及同侧悬架摇臂间设置了扭杆弹簧9。

当遇到障碍时，可通过扭杆弹簧9的转动，并借助差动装置11来调整重力在各驱动轮上的分配，以提高车体的稳定性和越障能力。

前驱动轮1和后驱动轮4可相对前差动摇杆6与后差动摇杆作绕其回转轴的回转运动，并通过转向电机实现驱动轮垂直其回转轴的转向运动。

该移动系统的八个车轮均独立驱动，前后四个驱动轮独立转向，可实现前进、后退和转向等多种运动功能。

差动装置11的两个伸出轴分别与位于差动装置两侧的两个单侧独立悬架机构相连接，这样，可保证两侧悬架的车轮在车体移动过程中能完全着地，还可保证车体的平稳性，即车体的俯仰角为两侧独立悬架俯仰角的平均值。

悬架各关节处设计有光电编码器，用于检测关节的相对运动状态。

1,2,3,4-车轮；5-自由关节；6-摇杆；7-转向装置8-扭杆压臂；9-扭杆；10-摇臂；11-差速机构图1‐ 2 八轮扭杆双摇杆摇臂月球车悬架机构原理图该探测车移动系统四角的车轮有独立的转向驱动，但两侧中间的车轮没有独立的转向驱动，依靠车轮的速度差来实现转向，即是差速转向方式。

因而在转向时，两侧中间的车轮会存在一定的侧向滑移。

1.2.2混合适应悬架六轮星球探测车移动系统混合适应悬架六轮星球探测车移动系统的工作状态如图 1-3 混合适应悬架六轮星球探测车移动系统。

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。

RBT-4T/S02S教学机器人实验指导书哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司目录实验1 机器人的认识 (1)实验2 机器人机械系统 (8)实验3 机器人控制系统 (17)实验4 机器人示教编程与再现控制 (24)实验5 机器人坐标系的建立 (27)实验6 机器人正运动学分析 (32)实验7 机器人逆运动学分析 (36)实验8 机器人关节运动轨迹规划 (40)实验9 机器人PTP(点到点)运动轨迹控制 (45)实验10 机器人CP(连续)运动控制 (49)实验11 机器人的搬运装配实验 (54)实验1 机器人的认识一、实验目的1、了解机器人的组成；2、了解机器人的工作原理；3、了解RBT系列教学机器人的性能指标；4、熟悉机器人的基本功能及示教运动过程二、实验设备1、RBT－4T/S02S教学机器人一台；2、RBT－4T/S02S教学机器人控制系统软件一套；3、RBT－4T/S02S教学机器人控制柜一个；4、装有运动控制卡的计算机一台；5、轴和轴套各一个；6、机器人气动手爪和喷笔装置各一套三、实验原理机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电一体化设备。

图1－1 机器人结构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，智能机器人等。

本课程所使用的机器人为四自由度示教再现式机器人。

整个系统包括四自由度机器人1台，电控柜1台，控制卡1块，实验附件1套（包括轴、套），喷绘装置1套、机器人控制软件1套。

机器人采用串联平面式开链结构，即机器人各连杆由旋转关节串联连接，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(基座)，另一端处于自由状态，可安装各种工具以实现机器人作业。

关节的作用是连接的两连杆产生相对运动。

关节的传动采用模块化结构，由斜齿轮、同步带和谐波减速器等多种传动结构配合实现。

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环境下的软件编程和运动控制器实现对机器人的控制，使机器人能够在运动范围内任意位置精确定位。

工业技术作业指导书第1章工业概述 (3)1.1 工业的发展历程 (3)1.2 工业的分类与特点 (3)1.3 工业的应用领域 (4)第2章工业的硬件系统 (4)2.1 本体的结构与原理 (4)2.1.1 结构概述 (4)2.1.2 运动原理 (4)2.2 驱动系统 (4)2.2.1 驱动方式 (4)2.2.2 驱动元件 (5)2.2.3 驱动控制系统 (5)2.3 传感器与执行器 (5)2.3.1 传感器 (5)2.3.2 执行器 (5)2.3.3 传感器与执行器的集成 (5)第3章工业控制系统 (5)3.1 控制系统概述 (5)3.2 控制器硬件组成 (5)3.2.1 控制器 (5)3.2.2 驱动器 (6)3.2.3 执行机构 (6)3.3 控制算法 (6)3.3.1 位置控制算法 (6)3.3.2 速度控制算法 (6)3.3.3 力矩控制算法 (6)3.3.4 碰撞检测与避障算法 (6)3.3.5 协调控制算法 (6)第4章工业编程与仿真 (6)4.1 编程语言 (6)4.1.1 编程语言概述 (6)4.1.2 常用编程语言 (7)4.1.3 编程语言的选择 (7)4.2 离线编程与仿真 (7)4.2.1 离线编程概述 (7)4.2.2 离线编程软件 (7)4.2.3 仿真过程 (7)4.3 在线编程与调试 (7)4.3.1 在线编程概述 (7)4.3.2 编程方法 (7)4.3.3 调试与优化 (8)第5章工业视觉系统 (8)5.1 视觉系统概述 (8)5.1.1 视觉系统的基本构成 (8)5.1.2 视觉系统的工作原理 (8)5.2 视觉传感器及其应用 (8)5.2.1 视觉传感器概述 (9)5.2.2 视觉传感器的应用 (9)5.3 视觉处理算法 (9)5.3.1 图像预处理算法 (9)5.3.2 特征提取算法 (9)5.3.3 模式识别算法 (9)第6章工业协同作业 (10)6.1 协同作业概述 (10)6.2 多协同作业策略 (10)6.2.1 协同作业分配策略 (10)6.2.2 协同作业协调策略 (10)6.3 与人的协同作业 (10)6.3.1 与人的协同作业模式 (10)6.3.2 与人的协同作业安全措施 (11)第7章工业安全与防护 (11)7.1 安全标准与规范 (11)7.1.1 国际安全标准 (11)7.1.2 国家安全标准 (11)7.1.3 行业安全规范 (11)7.2 安全防护技术 (11)7.2.1 物理防护 (11)7.2.2 电气防护 (11)7.2.3 功能性安全 (12)7.2.4 人机协作安全 (12)7.3 安全监控系统 (12)7.3.1 安全监控系统组成 (12)7.3.2 安全监控策略 (12)7.3.3 安全监控技术应用 (12)第8章工业典型应用案例分析 (12)8.1 汽车制造领域应用案例 (12)8.1.1 发动机组装线 (12)8.1.2 车身焊接线 (12)8.1.3 涂装线 (13)8.2 电子制造领域应用案例 (13)8.2.1 芯片封装 (13)8.2.2 手机组装线 (13)8.2.3 显示器制造 (13)8.3 食品饮料领域应用案例 (13)8.3.1 食品包装 (13)8.3.2 饮料灌装 (13)8.3.3 食品加工 (13)第9章工业故障诊断与维护 (13)9.1 故障诊断方法与策略 (14)9.1.1 故障诊断流程 (14)9.1.2 故障诊断策略 (14)9.2 常见故障类型与原因分析 (14)9.2.1 机械故障 (14)9.2.2 电气故障 (14)9.2.3 控制系统故障 (14)9.3 维护与保养 (14)9.3.1 日常保养 (14)9.3.2 定期维护 (15)9.3.3 特殊环境要求 (15)第10章工业技术发展趋势 (15)10.1 智能化发展趋势 (15)10.2 网络化与云计算技术 (15)10.3 跨领域融合与创新应用前景 (16)第1章工业概述1.1 工业的发展历程工业作为自动化设备的重要组成部分，其发展历程可追溯至20世纪中叶。

机器人技术实验指导书郑嫦娥编写北京林业大学工学院机械工程系目录实验一搭建机器蠕虫 (2)实验二机器人传感－控制－决策实验 (7)实验一搭建机器蠕虫【实验目的】（1）了解机器人的组成，（2）通过搭建机器蠕虫，熟悉机器人机械、控制、驱动、传感等各模块基本构成。

（3）通过控制机器蠕虫运动，熟悉MRcommander的使用。

【实验设备】博创机器人套件：A、B箱【实验内容】搭建机器蠕虫，并控制其运动。

【实验步骤】（1）首先利用博创套件，搭建由4个完全相同的关节串联的机器蠕虫。

图1 机器蠕虫的一个关节图2 4个关节串联的机器蠕虫（2）熟悉MultiFLEX控制卡的各种接口，以旧卡（体积小）为例：A：电源接口：+5~6VB：控制板总线C：4路电机接口，最大允许电流2A，电机红线＋，白线－。

连接时，白线朝电路板外侧。

D：RS-232串口，5口串口线。

插头上▲与电路板上NC对齐。

E：7路模拟量输入AD0~AD6，允许输入0~5V模拟量，主要用于传感器信号采集。

电路板外侧是地（对应“－”号），中间是电源（对应“＋”号），内侧是信号输入线。

F：12路PWM舵机控制PW0~PW11，分成了4组。

舵机引线是三芯杜邦头，棕色线是地，橙色线是电源，黄色线是信号线。

棕色线在电路板外侧。

G：16路I/O口，在MRcommander中可以被配置为输入或者输出。

如果被配置为输入，主要用于采集开关、数字式传感器的状态。

如果被配置为输出，高电平为控制器电源电压，低电平为0，可以用于驱动LED、微型电机等。

其中靠近电路板外侧是地，中间是电源，内侧是信号线。

H：A VR单片机在线编程接口。

控制器上使用A VR ATMega128微处理器，具备在线编程功能。

交叉编译好的二进制文件可以通过该接口下载到处理器内置的FLASH 中运行。

I：控制卡功能选择拨码开关，共8路。

第一路拨到ON为接通。

1)第1、2路ON，第3、4路OFF：通过RS232与上位机通讯；第1、2路OFF，第3、4路ON：通过标准总线与上位机通讯。