Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Роботы и робототехника лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
Д.Б. Кулаков, Б.Б. Кулаков
РОБОТЫ
И РОБОТОТЕХНИКА
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Учебное пособие
Москва
Российский университет дружбы народов
2018
1
УДК 621
ББК 32.816я73
.865.8(075.8)
К90
Утверждено
РИС Ученого совета
Российского университета
дружбы народов
Рецензенты:
С.Л. Зенкевич, доктор физико-математических наук,
профессор кафедры «Робототехнические системы и мехатроника»
МГТУ им. Н.Э. Баумана;
А.В. Назарова, кандидат технических наук, доцент кафедры
«Робототехнические системы и мехатроника» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Кулаков, Д. Б.
К90
Роботы и робототехника : лабораторный практикум :
учебное пособие / Д. Б. Кулаков, Б. Б. Кулаков. – Москва :
РУДН, 2018. – 124 с. : ил.
ISBN 978-5-209-07506-6
собии представлены основы кинематического описания роботов-
В по
манипуляторов, принципы их управления и программирования на примере
робота-манипулятора Kawasaki FS03N. Приведен пример разработки программы управления роботом Kawasaki FS03N с подключенной системой технического зрения. Также рассматриваются основы группового управления
роботов на основе теории конечных автоматов и сетей Петри с реализованным примером в виде практической задачи совместного переноса деталей
группой роботов Kawasaki FS03N с общими рабочими зонами. При этом используются программный комплекс LabView и соответствующее аппаратное
обеспечение. Рассмотрены основы 3D-моделирования промышленных роботов на базе пакета PC-Roset имитационного моделирования роботовманипуляторов Kawasaki.
Для студентов вузов, обучающихся по специальностям, связанным с
управлением робототехническими системами. Также представляет интерес
для аспирантов, преподавателей и специалистов.
978-5-209-07506-6 © Кулаков Д.Б., Кулаков Б.Б., 2018
ISBN
© Российский университет дружбы народов, 2018
2
УДК 621.865.8(075.8)
ББК 32.816я73
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ И ПОНЯТИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1.
НА ПРИМЕРЕ РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА KAWASAKI FS03N 14
Глава
ПРОГРАММЫ ДВИЖЕНИЯ РОБОТА 32
Глава
ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СХВАТА
РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА 57
Глава
СРЕДЫ LABVIEW В РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ИЗ ЧЕТЫРЕХ РОБОТОВ-МАНИПУЛЯТОРОВ 69
Глава
НА БАЗЕ ЧЕТЫРЕХ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ KAWASAKI FS03N
С ЛОГИКОЙ НА КОНЕЧНЫХ АВТОМАТАХ 76
Глава
МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ PC-ROSET 102
ЗНАКОМСТВО С МАНИПУЛЯЦИОННЫМИ РОБОТАМИ
2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМАНД ЯЗЫКА AS ДЛЯ НАПИСАНИЯ
3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ОДНОРОДНЫХ
4. ПРОГРАММНАЯ И АППАРАТНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ
5. РЕАЛИЗАЦИЯ ЧАСТИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИНИИ
6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СРЕДЫ ИМИТАЦИОННОГО
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 116
О
ПИСАНИЕ И ПРОГРАММА КУРСА «РОБОТЫ И РОБОТОТЕХНИКА» 118
3
СПИСОК ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ И ПОНЯТИЙ
КА – конечный автомат.
Кинематическая цепь – система звеньев, образующих кине-
матические пары.
Кинематические пары – звенья, образующие попарные со-
единения и допускающие относительные перемещения.
Манипулятор – механизм, обладающий несколькими степенями подвижности, который предназначен для перемещения и
ориентации объектов в рабочем пространстве.
Механизм – система тел, предназначенная для преобразова-
ния движения
Обратная позиционная задача (обратная задача кинематики) – задача определения обобщенных координат манипулятора,
обеспечивающих заданные положение и ориентацию схвата (конечного звена робота).
Однородное преобразование – преобразование однородного
вектора, осуществляющее его поворот, перенос, масштабирование,
перспективное проектирование.
ПК – персональный компьютер.
Прямая позиционная задача (прямая задача
задача определения положения и ориентации схвата манипулятора
(в общем случае звеньев робота) по известным обобщенным координатам.
Пульт – пульт ручного управления (ПРУ) роботаманипулятора.
Рабочее пространство манипулятора – область, в которой
может находиться схват, при всех допустимых значениях обобщенных координат.
РТК – робототехнический комплекс.
Траектория схвата – кривая
лятора движется из начального положения в конечное.
одних тел в требуемое движение других.
кинематики) –
, вдоль которой схват манипу-
4
ВВЕДЕНИЕ
Манипулятором называют разомкнутую механическую
систему (цепь), состоящую из твёрдых тел, которые последовательно соединены между собой при помощи шарниров или призматических (телескопических) сочленений. Каждое из составляющих манипулятор твёрдых тел называют звеном [1].
Сочленение 2
Сочленение 1
звено 0
звено 1
Основание
звено 2
Сочленение 3
звено 3
Схват
Рис. В.1. Простая разомкнутая кинематическая цепь
Подвижные звенья манипулятора нумеруют начиная с единицы (рис. В.1). Нулевое звено является основанием и служит для
закрепления манипулятора. Это основание чаще всего неподвижно. Иногда его следует рассматривать как подвижное, когда манипулятор будет перемещаться относительно некоторой инерциальной системы координат.
Способ соединения звеньев, обобщённые координаты
Будем считать, что звенья манипулятора образуют кинематические пары пятого класса. Известно, что свободное тело имеет
шесть степеней свободы, т.е. его положение можно задать шестью
независимыми параметрами
вается геометрическая интерпретация этих параметров). Принадлежность к пятому классу означает, что на относительное движе-
(в данном случае не учиты-
,...,, uuu
621
5
ние звеньев, составляющих кинематическую пару, накладывается
пять независимых условий, которые можно представить в виде
()
i
,0,...,61=uur
1, 2, ..., 5i = .
Тогда число независимых параметров, определяющих относительное положение звеньев, становится равным (6 – 5 = 1). Как
правило, используются два вида сочленения, оставляющих звеньям одну степень свободы в относительном движении, – это вращательные и поступательные (телескопические) шарниры (рис. В.2).
Рис. В.2. Основные типы сочленений:
телескопический шарнир (слева), вращательный шарнир (справа)
Таким образом, естественно задать положение одного звена
относительного другого углом относительного поворота для вращательного сочленения и относительным смещением для телескопического сочленения. Ясно, что набор этих параметров, с одной
стороны, однозначно определяет конфигурацию манипулятора, а с
другой – является минимальным и независимым, а следовательно,
его элементы можно назвать обобщёнными координатами
манипулятора. Таким образом, для N-звенного манипулятора с кинематическими парами пятого класса вектором обобщённых коорди-
нат
q называют вектор
()
21
T
qqq=q
N
,,...,,
каждая компонента
q которого является обобщённой координа-
i
той и представляет собой либо угол поворота, либо перемещение
i-го звена относительно
()
1−i звена (напомним, что нулевым зве-
ном является основание).
6
Преобразование координат векторных величин
Координаты точки в декартовой системе координат (СК)
Oxyz можно вычислить, если известны координаты этой же точки
в другой декартовой СК
лам преобразования [20]:
′′′′
zyxO
(рис. В.3), по следующим форму-
′
+
=
′
+
=
где
темы
Систему (1) можно представить в виде произведения матриц,
если перейти к однородным координатам.
Однородными координатами точки в трёхмерном про-
странстве называются любые четыре числа
′
+
=
−
ppp ,, координаты начала СК zyxO
zyx
′′′′
zyxO
по отношению к системе Oxyz .
Рис. В.3. Положение точки в СК
′
′
+
′
+
′
+
pznymxlx
+
xzxx
′
pznymxly
+
, (1)
yyyy
′
pznymxlz
+
zzyz
′′′′
в СК Oxyz ;
nnnmmmlll ,,,,,,,, – направляющие косинусы осей сис-
zyxyyyzyx
и ′′′′
Oxyz
Oxyz
()
,,, aaaa , не все
4321
7
одновременно равные нулю и связанные с её декартовыми коор-
y
x
динатами
x ===
Аналогичные равенства для координат в СК
′
x
Если принять, что
ных координатах запишется в виде
z
,, следующими равенствами:
a
1
a
4
′
a
1
=
′
a
4
a
2
y
a
4
′
a
2
′
y
=
′
a
4
a
3
(2)
.,,
z
a
4
′
a
3
′
z
=
′
a
4
′
= aa
′′′′
zyxO
:
.,,
144=
, то выражение (1) в однород-
′
или
Таким образом, однородные координаты точки в различных
СК связаны линейным невырожденным однородным преобразованием
′
, матрица которого T имеет вид
aTa
⋅=
⋅=
′
⋅=
′
⋅=
′
aa
=
44
′
⋅=
′
⋅=
′
⋅=
=
11
=
T
′
⋅+
′
⋅+
′
⋅+
′
⋅+
′
⋅+
′
⋅+
pnml
xxxx
pnml
yyyy
=
pnml
zzzz
1000
′
⋅+
′
⋅+
′
⋅+
′
+
⋅+
pznymxlx
′
+
⋅+
′
+
⋅+
pznymxlz
′
⋅+
apanamala
43211
xxxx
′
apanamala
⋅+
43212
yyyy
′
apanamala
⋅+
43213
zzzz
xxxx
pznymxly
yyyy
(3)
zzzz
pR
××
1333
, (4)
IO
××
1131
8
где
T
T
R – матрица направляющих косинусов относительного по-
33×
ворота;
перенос систем координат;
ная матрица. Т.е. с помощью одной матрицы
p – вектор-столбец, характеризующий относительный
13×
O – нулевая матрица;
31×
I – единич-
11×
определяется пре-
образование и переноса и поворота. При обратных преобразовани-
1−
ях используют матрицу
T
−
1
T
=
pRR
−
IO
:
. (5)
В большинстве случаев приходится многократно преобразовывать координаты точек и векторов из одних СК в другие. Например, это требуется при последовательных преобразованиях
векторов из СК одного звена в СК звена, шарнирно связанного с
ним. В случае, когда необходимо преобразовать вектор из СК конечного звена манипулятора в СК его
основания, мы имеем сле-
дующую последовательность преобразований:
…
→→
zyOxzyOx
−−− 111 nnnnnn
.
zyOxzyOx →→
000111
Обозначим матрицу однородного преобразования, осуществляющую преобразование координат точек из СК
k
1−
как
zyOx
111 −−− kkk
A
. Правый нижний индекс – номер СК, из
k
в СК
zyOx
kkk
которой осуществляется преобразование, левый верхний – номер
СК, в которую осуществляется преобразование. Тогда для любой
точки, координаты которой в системах координат
определены через однородные радиус-векторы
zyOx
n
a
nnn
, соответственно, можно записать:
n
n
n
− 1
n
1
−
n
−
1
.
aAa ⋅=
n
n
и
zyOx
1-n1-n1-n
n
и
a
11−−n
Итоговое преобразование, позволяющее пересчитать координаты точки из СК
зовую СК
0
0
, будет иметь вид
zyOx
000
211
n
− 01
, связанной с конечным звеном, в ба-
zyOx
n
nn
.
rTrAAAr ⋅=⋅⋅⋅⋅=
nnnn
9
Матрица однородного преобразования
чить преобразование
→
n
zyOxzyOx
000nn
0
T
позволяет полу-
n
.
Назначение связанных систем координат
по правилам Денавита – Хартенберга
В робототехнике широкое распространение получил специальный метод построения связанных систем координат, дающий
однозначные и четкие правила построения математической модели
исполнительного механизма автоматического манипулятора. При
этом число параметров, входящих в матрицы
A , минимально, ес-
i
тественным образом определяет взаиморасположение последовательности звеньев, а вид этой матрицы одинаков как для вращательного, так и для телескопического сочленения.
Введём понятие оси кинематической пары (сочленения): для
вращательного сочленения – это ось относительного поворота, а
для телескопического сочленения – любая прямая, параллельная
направлению относительного поступательного перемещения.
Рис. В.4. Определение связанных систем координат
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]