六自由度桌面型并联机器人RBT-6S03P实验指导书

苏州博实机器人技术有限公司 从以上分析看来，并联式与串联式确实形成了鲜明的对比。在优缺点上串联的优点恰是并联的缺点，而并联的优点又恰是串联的缺点；此外正反运动学求解的难易上也有明显的对比关系。有学者将这些情况抽象到更高程度，称为是串联并联的“对偶”关系，并以此对偶观来进一步研究串、并联机构。

并联机器人的应用

由于串联、并联机器人结构上和性能特点上的对偶关系，串联、并联之间在应用上不是替代作用而是互补关系，且并联机器人有它的特殊应用领域。因此可以说并联机构的出现，扩大了机器人的应用范围。

在工业上，并联机器人可以在汽车总装线上安装车轮，将并联机器人横向安装于能绕垂直轴线回转的转台上，它从侧面抓住从传送链送来的车轮。转过来以与总装线同步的速度将车轮装到车体上，再将所有螺栓一次拧紧。并联机器人还可以倒装在具有xy两方向受控的天车上用作大件装配，可以用在汽车总装线上吊装汽车发动机。

并联机器人也用作飞船对接器的对接机构，飞船的对接可以达到补给物品、人员交流等目的。要求上下平台中间都有通孔，以作为结合后的通道，这样上平台就成为对接机构的对接环，它由6个直线式驱动器驱功，其上的导向片可帮助两飞船的对正，对接器还有吸收能量和减振的作用；对接机构可完成主动抓取、对正拉紧、柔性结合、最后锁住卡紧等工作。航海上也有类似的应用，如潜艇救援中也用并联机构作为两者的对接器。

对于困难的地下工程，如土方挖掘、煤矿开采，也可应用这种强力的并联机构，Arai等1991年提出将并联机构装于履带式或步行式可移动的小车上，挖头装于并联机构的上平台上，强有力的并联机构能承受巨大的挖掘力。

并联机器人在工业上还有一个特别突出的重要应用，就是作为6自由度数控加工中心，传统数控机床各自由度是串接相连，悬臂结构，且层迭嵌套，至使传动链长，传动系统复杂，积累误差大而精度低，成本昂贵。至今多数机床只是4轴联动，极少5抽。而并联式加工中心结构特别简单，传动链极短，刚度大、质量轻，切削效率高，成本低，特别是很容易实现“6轴联动”。因而能加工更复杂的三维曲剧。1994年美国芝加哥IMTS’94博览会上GIDDINGS & LEWIS公司就推出了新开发的并联式VARIAX“虚拟铀机床”（如图1所示），引起广泛关注，被称为“本世纪机床首次革命性改型”和“21世纪的机床”，这在国内外正成为广泛关注的一个热点。

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图1 美国GIDDINGS & LEWIS的6轴联动加工中心

图2 微动双指机构

并联机器人的另一个重要的应用方面，是作为微动机构或微型机构。三维空间微小移动的2um～20um之间，并有小的工作空间，这种微动机构发挥了并联机构的特点，工作空间不大但精度和分辨串都非常高。并联式微动机构的一个应用例子是用在眼科手术中，为治疗视网膜静脉闭塞，要将抗凝剂直接注射到视网膜脉管血凝处，要用纤细的玻璃管从皮下注射针孔中间穿过，伸到视网膜脉管处，这就可以应用并联机构进行操作。另一种在生物工程中的应用是微细

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苏州博实机器人技术有限公司 外科手术中的细胞操作，图2是一种微动双指并联机器人，它由两个并联机构再串联起来，两指头分别连于第二和第二平台，分别控制两手指的运动，进行微细操作，每个指头都有6个自由度，十分灵活，并联机构的6个可伸长的作微运动的杆件是由压电元件驱动的，在150v下伸长8um，工作空间长宽约130um，高为l 8um。另—种方案还可以将两指头分别安装于两个并联机构上，两并联机构间又再进行并联组合。

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苏州博实机器人技术有限公司 实验1 并联机器人的认识

1.1 实验目的

1、 了解并联机器人的机构组成； 2、 掌握并联机器人的工作原理； 3、 熟悉并联机器人的性能指标；

4、 掌握并联机器人的基本功能及示教运动过程。

1.2 实验设备

1、 RBT-6S03P机器人一台； 2、 RBT-6S03P机器人控制柜一台；

3、 装有运动控制卡和控制软件的计算机一台。

1.3 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。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1台6自由度并联机器人，机器人采用伺服电机驱动，主要传动部件采用可视化设计，控制简单，编程方便，是专为满足高等院校机电一体化、自动控制等专业进行机电及控制课程教学实验需要和相关工业机器人应用培训需要而最新开发的六自由度机器人，它是一个多输入多输出的动力学复杂系统，是进行控制系统设计的理想平台；它具有高度的能动性和灵活性，具有广阔的开阔空间，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。

机器人采用并联式结构，即机器人各连杆两端由虎克铰连接，如图1-1所示。六连杆上端虎克铰安装于丝杠导轨滑块上，通过滑块运动，带动六连杆运动，是活动平台产生各自由度运动。

机器人各连杆采用伺服电机驱动，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，使机器人运动平台能够在工作空间内任意位置精确定位。

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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

结构形式 驱动方式 运动自由度 负载能力 重复定位精度 动作范围 X ±50mm Y ±50mm X Y 每轴最大 运动速度 Z θx θy θz 本体重量 操作方式 供电电源 Z ±50mm θx ±10 o并联式 伺服电机驱动 6自由度 10Kg ±0.1mm θy ±10 100mm /S 100mm /S 100mm /S 20o /S 20 /S 20 /S ≤50Kg 示教再现/编程 单相220V 50Hz 4A oo oθz ±10 o第 7 页 共40页

RBT-6S03P桌面型 并联机器人实验指导书

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苏州博实机器人技术有限公司 目 录

并联机器人的理论知识 ...................................................................................................... 1

并联机器人概念及发展历史 ................................................................................................ 1 并联机器人的术语解释 ........................................................................................................ 1 并联机器人与传统串联机器人的比较 ................................................................................ 2 并联机器人的应用 ................................................................................................................ 3

实验1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

并联机器人的认识 ........................................................................................... 6

实验目的 .................................................................................................................... 6 实验设备 .................................................................................................................... 6 实验原理 .................................................................................................................... 6 实验步骤 .................................................................................................................... 8 注意事项 .................................................................................................................. 10

实验2

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

并联机器人的机械系统 ................................................................................. 11

实验目的 ................................................................................................................... 11 实验设备 ................................................................................................................... 11 实验原理 ................................................................................................................... 11 实验步骤 .................................................................................................................. 14 注意事项 .................................................................................................................. 16

实验3

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

并联机器人的控制系统（扩展其他品牌伺服） ......................................... 17

实验目的 .................................................................................................................. 17 实验设备 .................................................................................................................. 17 实验原理 .................................................................................................................. 17 实验步骤 .................................................................................................................. 20 注意事项 .................................................................................................................. 21

实验4

4.1 4.2 4.3 4.4

并联机器人运动学基础 ................................................................................. 22

1实验目的 ............................................................................................................... 22 实验设备 .................................................................................................................. 22 实验原理 .................................................................................................................. 22 实验步骤 .................................................................................................................. 24

实验5

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

插补与平面绘图实验 ..................................................................................... 27

实验目的 .................................................................................................................. 27 实验设备 .................................................................................................................. 27 实验原理 .................................................................................................................. 27 实验步骤 .................................................................................................................. 28 思考题 ...................................................................................................................... 31 注意事项 .................................................................................................................. 31

实验6

6.1 6.2 6.3

示教再现实验 ................................................................................................. 32

实验目的 .................................................................................................................. 32 实验设备 .................................................................................................................. 32 实验原理 .................................................................................................................. 32

- I -

苏州博实机器人技术有限公司 6.4 6.5 实验步骤 .................................................................................................................. 32 注意事项 .................................................................................................................. 33

实验7

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

沟槽、钻孔加工实验 ..................................................................................... 34

实验目的 .................................................................................................................. 34 实验设备 .................................................................................................................. 34 实验原理 .................................................................................................................. 34 实验步骤 .................................................................................................................. 34 思考题 ...................................................................................................................... 36 注意事项 .................................................................................................................. 37

实验8

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

斜面加工实验 ................................................................................................. 38

实验目的 .................................................................................................................. 38 实验设备 .................................................................................................................. 38 实验原理 .................................................................................................................. 38 实验步骤 .................................................................................................................. 38 思考题 ...................................................................................................................... 40 注意事项 .................................................................................................................. 40

- II -

苏州博实机器人技术有限公司 并联机器人的理论知识

并联机器人概念及发展历史

传统的工业机器人一般是由机座、腰部(或肩部)、大臂、小臂、腕部和手部构成，大臂小臂以串联方式联接，因而也称串联机器人。这类机器人的型式很多，可分为球坐标型式，还有直角坐标、圆柱坐标等型式，后来又出现全铰链的多关节型，这种多关节型机器人，在三维空间有很高的灵活性和广泛的通用性，典型的如PUMA机器人。

在串联机器人发展方兴未艾时，澳大利亚著名机构学教授Hunt在1978年提出，可以应用六自由度的SteWart平台机构作为机器人机构，到80年代中期、国际上研究并联机器人的人还寥寥无几，仅有McDowell、Ear1、Fincht、Yang、Lee、Duffy、Tesar等数人，出的成果也不多。到80年代末特别是90年代以来，并联式机器人才被广泛注意，并成为了新的热点，许多大型会议均设多个专题讨论，国际上也出现了很多这方面的著名学者。并联机构从结构上看，是用6根支杆将上下两平台联接而形成的，这6根支杆都可以独立的自由伸缩，它分别用球铰和虎克铰与上下平台联接，这样上平行与下平台就可进行6个独立运动，即有6个自由度，在三维空间可以作任意方向的移动和绕任何方向、位置的轴线转动。这种机构在1965年由Stewart提出，原是作为飞行模拟器用于训练飞行员的，机舱由6个液压缸支撑和驱动，可以使机舱获得任何需要的位姿。在我国燕山大学系统地开展了并联机器人机构学理论的研究，并于1990年研制出我国第一台并联机器人实验室样机，是计算机控制、液压伺服驱动，具有6个自由度，活动范围是1200mm×250mm的蘑菇形空间，持重1000N，外形尺寸高1750mm，圆周直径4500mm，全部用国产器件制成。哈尔滨工业大学，清华大学、北京航天航空大学等单位也在进行着这方面的研究。

并联机器人机构可以严格定义为：上下平台用2个或2个以上分支相连，机构只有2个或2个以上自由度，且以并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。但从机构学的角度出发，只要是各自由度的，驱动器分配在不同的环路上的并联多环机构都可称并联机构。

并联机器人无论是从结构上还是功能实现上都是一种新型机器人。并联机器人具有精度高、刚度大、惯性小、承载能力高、运动反解模型简单、操作速度高、易于控制等特点，因此，其应用范围从最初的飞行模拟器到近几年来的宇宙飞船空间对接器、精密操作微动机器人以及虚拟轴加工车床等。现在并联机器人的研究吸引了越来越多的科研学者，其应用范围也在不断的扩大。

并联机器人的术语解释

并联机器人的机构学与运动学主要研究并联机器人的运动学、奇异位形、工作空间和灵活度分析等方面，这是实现并联机器人控制和应用研究的基础。

1、运动学

运动学研究的内容包括位置正解和逆解两方面。位置正解就是根据给定的关节变量求机器人手部位姿，逆解就是根据机器人手部位姿求各关节变量。对于并联机器人而言，其位置逆解很容易，而正解是相当复杂的，许多理论研究者在求正解方面颇有建树。

燕山大学的黄真教授选用了 Stewart 机器人作为研究对象，发展了Tesar影响系数原理，提出了应用机构影响系数来求解机器人的位置正解。哈尔滨工业大学的孙立宁教授以刚体运动学的原理为基础，研究了机构影响系数，用运动坐标系和拟牵连速度的概念给出了机构速度影响系数公式，给出了求解并联机器人的雅克比矩阵的方法。北京交通大学的方跃法教授将螺旋理论应用于并联机器人机构设计中，他提出基于二阶曲线分解理论的操作器运动螺旋系主螺旋的识

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苏州博实机器人技术有限公司 别的解析方法，为少自由度并联机构的运动特性研究提供必要的理论基础。东北大学的郭阳在建立了基本的并联机器人约束方程以后，利用符号计算与折配消元法推导出高次多项式，并应用了先进的计算机软件Mathematica进行了求正问题实解的数值验证。

2、奇异位形

当并联机构处于奇异位形时，其操作平台具有多余的自由度，机构将失去控制，同时，关节驱动力将趋于无限大，从而造成机器人机构的损坏，因此在设计和应用并联机器人时应该避开奇异位形。在理论上看，当并联机构处于奇异位形时，其雅克比矩阵成为奇异阵，行列式为零，机构的速度反解不存在。实际上，并联机器人不但应该避开奇异位形，而且也应该避免奇异位形附近的区域，因为在此范围内，机器人的运动传递性很差。由此可见，并联机器人奇异位形的研究具有重要意义。许多研究者采用不同的方法对奇异位形进行计算和判定。

宝鸡文理学院的赵迎祥等以并联机构在奇异位形下产生的微小位移与关节和结构约束的关系为基础，研究了具有重合球铰中心的6-3式和6-4式并联机构的奇异位形，分别得到这两种机构奇异位形的三阶和四阶判别行列式及奇异位形的特殊情形，并给出了瞬时运动的位移螺旋。天津大学的赵新华等以动平台瞬时运动为基础建立奇异位形条件，获得简化的奇异位形判别式，并用6自由度三角平台和3支链平台为例进行了此判别式的论证。天津理工大学的张威等基于机构瞬时运动分析的方法，分析了3－RTT并联机器人处于奇异位形时的几何条件，建立其奇异位形的判别阵，并编写程序进行实时计算。

3、工作空间和灵活度

工作空间是指机器人操作器的工作区域，是衡量机器人性能的重要指标。吴生富等人在输入转化方法的基础上，对并联机器人工作空间的各截面进行分析，讨论了结构尺寸与工作空间的关系，得出可以通过改变上下平台短边夹角或平台半径、改变上平台半径、改变油缸最短长度四种途径来改变机器人的工作空间。沈阳工业学院的王铁军等研究了并联机构工作空间极限边界数值搜索算法，讨论了并联机器人位置和姿态的工作空间以及包括关节约束在内的工作空间问题。中科院的李方等以解析法为基础，结合并联机器人的运动特性，提出一种可以精确确定并联机器人工作空间的几何方法。

当并联机构接近奇异位形时，雅克比矩阵的逆矩阵精度降低，从而使得机构的输入输出运动间的传递关系失真，衡量这种失真程度的指标就是灵活度。天津大学的刘旭东研究了一种3－TPT并联机构的工作空间边界和灵活度解析模型，在灵活度解析部分，首先建立了雅克比矩阵，然后提出了灵活度指标，进而进行了局部灵活度与各向同性解析，最后指出，该并联机构所处的构形为局部最优灵活度构形。这种分析在国内此方面的研究具有很强的代表性。

并联机器人与传统串联机器人的比较

并联机器人与已经用的很好、很广泛的串联机器人相比往往使人感到它并不适合作机器人，它没有那么大的活动空间，它的活动平台远远不如串联机器人手部来得灵活。的确这种6-TPS结构的并联机构其工作空间只是一个厚度不大的蘑菇形空间，位于机构的上方，而表示灵活度的末端件3维转动的活动范围一般只在60°上下，角度最大也达不到±90°。可是和世界上任何事物一样都是一分为二的，若用并联式的优点比串联式的缺点，也同样令人吃惊。首先，并联式结构其末端件上平台同时经由6根杆支承，与串联的悬臂梁相比，刚度大多了，而且结构稳定；第二，由于刚度大，并联式较串联式在相同的自重或体积下有高得多的承载能力；第三，串联式末端件的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大而精度低，并联式没有那样的积累和放大关系，误差小而精度高；第四，串联式机器人的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而并联式则很容易将电动机置于机座上，减小了运动负荷；第五，在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。由于机器人的在线实时计算是要计算反解的，这就对串联式十分不利，而并联式却容易实现。

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苏州博实机器人技术有限公司 1.4 实验步骤

1、 将画板放好，启动计算机，运行机器人软件，出现如图1-2所示主界面； 2、 接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

3、 点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动，运动完成后，机器人处于零点位置；

图1-2主界面

4、 在主界面中按“点位运动”按钮，出现图1-3所示界面；

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图1-3 点位运动界面

5、 在点位运动界面中，保持其他数据不变，在“目标位姿”的“Z”中填写数值-25，然后按“单步运动”按钮，使画笔的笔尖可以触及到画板；

6、 保持其他数值不变，在“目标位姿”的“X”中填写数值30，在“目标位姿”的“Y”中填写数值10，然后按“单步运动”按钮，观察运动轨迹；

7、 关闭点位运动界面，在主界面中按“绘制图形”按钮，出现图1-4所示界面；

图1-4 绘制图形界面

8、 在“Z坐标” 中填写数值-25，“插补步长” 中填写数值0.5，将(10,10)、(40, 20)、(20, 40)三个坐标依次填写到“三角形”中的三个点坐标，然后按“三角形”中的“运动”按钮，观察所绘制的图形；

9、 在主界面中按下“回停机位”按钮，使机器人回到零停机位；

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苏州博实机器人技术有限公司 10、 按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源； 11、 退出机器人软件，关闭计算机。

1.5 注意事项

1、 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； 2、 机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关；

3、 实验完成后要按下主界面的“回停机位”按钮，使机器人回到停机位。

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苏州博实机器人技术有限公司 实验2 并联机器人的机械系统

2.1 实验目的

1、 了解并联机构的结构组成； 2、 了解机器人机械系统的组成；

3、 掌握机器人机械系统各部分的原理及作用。

2.2 实验设备

1、 RBT-6S03P机器人一台； 2、 RBT-6S03P机器人控制柜一台；

3、 装有运动控制卡和控制软件的计算机一台。

2.3 实验原理

1、 并联机构的分类

从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构, 另可按并联机构的自由度数分类。

1） 2 自由度并联机构

2 自由度并联机构，如5-R、3-R-2-P（R 表示转动副，P表示移动副）平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构，这类机构一般具有2 个移动运动。

2） 3 自由度并联机构

3 自由度并联机构各类较多，形式较复杂，一般有以下形式：平面3自由度并联机构，如3-RRR 机构、3-RPR 机构，它们具有2个移动和一个转动；球面3自由度并联机构，如3-RRR 球面机构、3-UPS-1-S球面机构，3-RRR 球面机构所有运动副的轴线汇交空间一点，这点称为机构的中心，而3-UPS-1-S 球面机构则以S的中心点为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动；3 维纯移动机构，如Star Like 并联机构、Tsai 并联机构和DELTA 机构，该类机构的运动学正反解都很简单，是一种应用很广泛的3维移动空间机构；空间3自由度并联机构，如典型的3-RPS 机构，这类机构属于欠秩机构，在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点，由于这种特殊的运动特性，阻碍了该类机构在实际中的广泛应用；还有一类是增加辅助杆件和运动副的空间机构，如德国汉诺威大学研制的并联机床用的3-UPS-1-PU 球坐标式3 自由度并联机构，由于辅助杆件和运动副的制约，使得该机构的运动平台具有1 个移动和2 个转动的运动（也可以说是3个移动运动）。

3） 4 自由度并联机构

4 自由度并联机构大多不是完全并联机构，如2-UPS-1-RRRR 机构，运动平台通过3个支链与定平台相连，有2个运动链是相同的，各具有1 个虎克铰U ，1 个移动副P ，其中P 和1 个R是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。

4） 5 自由度并联机构

现有的5 自由度并联机构结构复杂，如韩国Lee的5自由度并联机构具有双层结构（2 个并联机构的结合）。

5） 6 自由度并联机构

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苏州博实机器人技术有限公司 6自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。从完全并联的角度出发，这类机构必须具有6个运动链。但现有的并联机构中，也有拥有3 个运动链的6 自由度并联机构，如3-PRPS 和3-URS 等机构，还有在3个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的6自由度并联机构等。

2、 几种复合运动副示例 如图2-1所示。

图2-1 复合运动副示例

3、 几种典型的六自由度并联机构 如图2-2至图2-8所示。

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图2-2 6-RSS机构 图2-3 6-RSS机构

图2-4 6-SPS双三角机构 图2-5 6-SPS单三角机构

图2-6 6-RSS机构 图2-7 6-PSS机构

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图2-8 6-SPS双层机构

2.4 实验步骤

1、 结合实物介绍RBT-6S03P 六自由度并联机器人的机构形式（教师讲解）。

RBT-6S03P六自由度并联机器人的机构为6PTRT结构，即每条运动支链由平动副——虎克铰——转动副——虎克铰结构组成，平动副由电机控制可以进行垂直方向的一维平动，其具体结构由伺服电机，滚珠丝杠及导向光杠构成，运动平台倒置放置。

图2-9 机器人传动简图

RBT-6S03P六自由度并联机器人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。机器人的传动简图如图2-9所示。

伺服电机驱动滚珠丝杠，带动丝杠上滑块上下移动, 并联六连杆上虎克铰与滑块螺钉连接,

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苏州博实机器人技术有限公司 下虎克铰与活动平台连接, 通过上虎克铰的移动带动活动平台各自由度运动，各连杆成一定角度, 此角度通过仿真和有限元优化分析而得, 达到系统最佳状态.。

2、 结合实物介绍在RBT-6S03P机器人中采用的各传动部件的工作原理及特点（教师讲解）。

传动部分结构特点:

滚动螺旋传动（滚珠丝杠），滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。与传统滑动丝杠相比，它用滚动摩擦代替滑动摩擦，降低了螺旋传动的摩擦，提高了效率，克服了低速运动时的爬行现象。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。

滚动螺旋传动的结构形式很多，其工作原理如图2-10所示。当螺杆或螺母转动时， 滚珠依次沿螺纹滚道滚动，借助于返回装置使滚珠不断循环。滚珠返回装置的结构可 分为外循环和内循环两种。图2-10(a)为外循环式，滚珠在螺母的外表面经导路返回

图2-10 滚动螺旋结构图

槽中循环。图2-10(b)为内循环，每一圈螺纹有一反向器，滚珠只在本圈内循环。外循环加工方便，但径向尺寸大。

滚动螺旋传动的特点如下：

1） 采用丝杠螺母副把电机的旋转运动变为直线运动；

2） 采用循环式直线滚动导轨约束平台面的运动，动静摩擦系数差别小，灵敏度高，启动阻力小，不易出现爬行现象；。

3） 刚性好、抗振性强，能承受较大的冲击和振动； 4） 运动灵活平稳，能微量准确运动，定位精度高； 5） 结构紧凑，体积小。

导向部分采用的是直线轴承与圆柱导轨的形式如图2-11所示，它具有以下特点： 1） 摩擦系数小，只有0.001-0.004 ，节省动力。微量移动灵活、准确，低速时无蠕动爬行；

2） 精度高，行程长，移动速度快。具有自调整能力，可降低相配件加工精度。维修、润滑简便。导轨与导套呈圆柱形，造价低，但滚动体与轴呈点接触，承载能力较小，适用于精度要求较高、载荷较轻的场合；

3） 由于均采用滚动部件，无法形成自锁，所以在伺服电机的后部使用电磁制动器保证在失电情况下的位置保持。

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图2-11 直线轴承结构图

2.5 注意事项

1、 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； 2、 机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关；

3、 实验完成后要按下主界面的“回停机位”按钮，使机器人回到停机位。

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苏州博实机器人技术有限公司 实验3 并联机器人的控制系统（扩展其他品牌伺服）

3.1 实验目的

1、 了解并联机器人控制系统的组成。

2、 熟悉并联机器人控制系统各部分的原理及作用。

3.2 实验设备

1、 RBT-6S03P机器人一台； 2、 RBT-6S03P机器人控制柜一台；

3、 装有运动控制卡和控制软件的计算机一台。

3.3 实验原理

RBT-6S03P机器人控制系统主要由计算机、伺服电机驱动器及伺服电机、电源、控制柜、操作电路等几部分组成。

计算机内安装有运动控制卡和机器人控制软件。

运动控制卡由高性能DSP处理器、CPLD可编程器件及伺服电机接口器件等组成，用于实现伺服电机的位置、速度、加速度的控制及多个伺服电机的多轴协调控制。其主要功能为：S形、梯形自动加减速曲线规划；输出控制脉冲到电机驱动器使电机运动；具有编码器位置反馈信号接口，监控电机实际运行状态；能利用零位开关、减速开关及编码器Z相信号实现高速高精度原点返回操作；具有伺服驱动器报警信号ALM等伺服驱动器专用信号接口。

伺服电机驱动器用来把运动控制卡提供的低功率的脉冲信号放大为能驱动伺服电机的大功率电信号，以驱动伺服电机带动负载旋转。

电源部分用来给控制柜提供各驱动器的控制用电源，包括相关保护、滤波器件等。 操作电路提供电气系统所需的电源开、关顺序操作及保护、报警、状态指示等控制操作。 本书提供两种伺服控制系统示意图，如图3-1，图3-2所示。用户可根据需要自行选择阅读。

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图3-1 安川 YSKAWA ∑-Ⅱ系列SGDM型伺服控制系统示意图

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苏州博实机器人技术有限公司 图3-2

富士FUJI FALDIC-W系列伺服控制系统示意图

其主要控制信号有：

1） 脉冲信号 PULS ：此信号由运动控制卡发出，驱动器接收此信号驱动伺服电机旋转； 2） 方向信号SIGN ：此信号由运动控制卡发出，用来控制电机旋转方向；

3） 原点信号 ORG ：由零位开关发出。ORG信号可单独用于寻零操作，ORG信号也可与编码器Z相信号配合得到精度更高的寻零操作；

4） 限位信号 EL ：由限位开关发出。+EL为电机运行正方向的限位信号，-EL为电机运行负方向的限位信号，当与电机运行相同方向的EL信号为“ON”状态时，控制卡立即停止发出脉冲，电机自动停止运行。这个信号被锁存，即使EL又恢复成“OFF”状态，控制卡也不会再发出脉冲，可由指令发出相反方向运动的脉冲链使电机反向运动，解除这一锁存状态； 5） 驱动器报警信号ALM：由驱动器发出。当驱动器发生故障时，报警信号ALM为“ON”状态，控制卡接收到这个信号后立即停止发出脉冲，电机自动停止运行；

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苏州博实机器人技术有限公司 6） 伺服ON信号：由运动控制卡发出，伺服驱动器接收到此信号后，即处于伺服状态； 7） 编码器信号：编码器输出A、B、Z相信号送到伺服驱动器，经伺服驱动器分频后发送到运动控制卡，用来反馈伺服电机实际运行位置及实现闭环控制。

8）

3.4 实验步骤

1、 介绍控制柜各组成部分（教师讲解）

结合实验原理，介绍RBT-6S03P机器人的控制系统的组成，控制系统主要由伺服电机及驱动器、断路器、开关电源、按钮指示灯等其他附件组成。控制柜前视图如图3-3所示，电气安装板布局图如图3-4所示，控制柜后视图如图3-5所示。电气元件具体说明如下：

SA1：电源开关，用于接通和断开控制柜电源； HL1：电源指示灯； HL2：报警指示灯；

SB1：启动按钮，接通电机驱动器主回路电源； SB2：停止按钮，切断电机驱动器主回路电源； SB3：急停按钮；

图3-3 控制柜前视图

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苏州博实机器人技术有限公司 图3-4 电气安装板布局图

图3-5 控制柜后视图

DRV1～DRV6: 驱动器；

P1：开关电源，为电机驱动器提供DC24V电源；

AP1：接口板，用于机器人各轴命令脉冲和限位开关等信号的转接； XT1：接线端子排；

QF1：断路器，控制系统出现过电流时，自动切断电源回路，保护设备及人员安全； KM1：交流接触器，切断和接通电源主回路； NF1：滤波器，滤除交流电源产生的噪声； U1：变频器；

CN1~CN5：圆形连接器，位于控制柜后部，用来连接控制柜和机器人之间的电缆； XS1：电源插座； 2、 控制柜的使用 1） 接通控制柜电源； 2） 按下“启动”按钮；

3） 使用结束后，按下“停止”按钮； 4） 断开控制柜电源。

3.5 注意事项

1、 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； 2、 机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关；

3、 实验完成后要按下主界面的“回停机位”按钮，使机器人回到停机位。

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苏州博实机器人技术有限公司 实验4 并联机器人运动学基础

4.1 1实验目的

1、 了解位置反解的意义；

2、 掌握并联机器人坐标变换方法及反解推导过程。

4.2 实验设备

1、 RBT-6S03P机器人一台； 2、 RBT-6S03P机器人控制柜一台；

3、 装有运动控制卡和控制软件的计算机一台。

4.3 实验原理

1、 位置反解的意义

机构的位置分析是求解机构的输入与输出构件之间的位置关系，这是机构运动分析的最基本的任务，也是机构速度、加速度、受力分析、误差分析、工作空间分析、动力分析和机构综合等的基础。由于并联机构机构复杂，对并联机构进行位置分析要比单环空间机构的位置分初复杂得多。

当已知机构主动件的位置，求解机构的输出件的位置和姿态称位置分析的正解，若已知输出件的位置和姿态，求解机构输入件的位置称为机构位置的反解。在串联机器人机构的位置分析中，正解比较容易，而反解比较困难。相反在并联机器入机构的位置分析中，反解比较简单而正解却十分复杂，这正是并联机器人机构分析的特点。这里特以6-SPS并联机构为例讨论并联机构的位置反解方法。

6-SPS并联机构的上下平台以6个分支相联，每个分支两端是两个球铰，中间是一移动副。驱动器推动移动副作相对移动，改变各杆的长度，使上平台变化在空间的位置和姿态。当给定上平台在空间的位置和姿态，求各个杆长，即各移动副的位移，这就是该机构的位置反解。

2、 并联机器人坐标变换方法及反解推导过程

首先在机构的上、下平台上各建立一坐标系,如图4-1所示,动坐标系P-XˊYˊZˊ建立在上平台上，坐标系O-XYZ固定于下平台上。在动坐标系中的任一向量Rˊ可以通过坐标变换方法变换到固定坐标系中的R。

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苏州博实机器人技术有限公司 实验8 斜面加工实验

8.1 实验目的

1、 理解机器人进行机械加工的原理； 2、 了解机器人进行机械加工的控制方法； 3、 了解机器人实现进行机械加工的过程。

8.2 实验设备

1、 RBT-6S03P机器人一台； 2、 RBT-6S03P机器人控制柜一台；

3、 装有运动控制卡和控制软件的计算机一台。

8.3 实验原理

并联机器人由于采用6根杆支撑，具有刚度大，结构稳定的特点，因此有较大的承载能力；同时由于并联式机器人没有误差的积累和方法问题，误差小而精度高；另外由于并联式机器人容易将电机放置于机座上，减少了运动负荷。

并联机器人在工业上可以作为6自由度数控加工中心，传统数控机床各自由度是串联，悬臂结构，且层迭嵌套，致使传动链长，传动系统复杂，积累误差大而精度低，成本昂贵。至今多数机床只有4轴联动。而并联式加工中心结构特别简单，传动链极短，刚度大、质量轻，切削效率高，成本低，特别是很容易实现“6轴联动”。因而能加工更复杂的三维曲面。 斜面加工原理：铣刀保持与垂直方向成a角度的姿态，沿被加工物件的一个面方向运动，用旋转铣刀铣去物件的棱，这样往复多次铣削，每次铣削掉一层物件，就会在工件上铣出一个成a度的斜面，如图8-1所示。

图8-1 斜面加工原理图

8.4 实验步骤

1、 将工件在卡具上固定好，启动电主轴冷却泵； 2、 启动计算机，运行机器人软件； 3、 接通控制柜电源，按下“启动”按钮；

4、 点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动，运动完成后，机器人处于零

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苏州博实机器人技术有限公司 点位置；

5、 在主界面中按“斜面加工”按钮，出现如图8-2所示界面；

图8-2 斜面加工界面

6、 设置“刀转速”为7级，按下“设置”按钮，使铣刀开始旋转； 7、 待铣刀达到转速后按“对刀”按钮，出现如图8-3所示的微调界面；

8、 根据工件和铣刀的实际位置关系，逐次用“X+”、“X-”、“Y+”、“Y-”、“Z+”、“Z-”、“ALF+”、“ALF-”按钮调整铣刀到要物件的上表面X轴最小Y轴最大附近位置，再逐次的按下“Z-”按钮微调，直到将铣刀头调整到恰好接触工件上表面X轴最小Y轴最大位置，如图8-4所示，调整完毕后按“关闭”按钮，回到斜面加工界面；

图8-3 微调界面

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图8-4 铣刀位置示意图

9、 按下“铣斜面”按钮，观察铣斜面过程；

10、 在主界面中按下“回停机位”按钮，使机器人回到零停机位； 11、 按下控制柜上的“停止”按钮，断开控制柜电源； 12、 退出机器人软件，关闭计算机。

8.5 思考题

1、 为什么每次铣刀返回的时候都要抬起，在到达开始点后再次落下。

答案：旋转的铣刀刀刃是向前切削的，因此铣刀的在前进的时候可以进行加工，而在返回的时候铣刀刀刃无法正常的切削到物件，刀背却在刮物件表面，这种情况不仅会影响物件的加工表面，而且对铣刀也有害。

8.6 注意事项

1、 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； 2、 机器人运动不正常时，及时按下控制柜的急停开关；

3、 实验完成后要按下主界面的“回停机位”按钮，使机器人回到停机位； 4、 为了安全不要将加工参数设置得过大； 5、 操作期间电主轴必须接水冷；

6、 对刀过程中可以根据实际情况选择每次单步的移动距离和角度。

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