1.1-机械臂安装与机械臂空间坐标《智能机器人技术应用》

项目一机械臂移动与物体抓取创灵实验平台机械臂安装与机械臂空间坐标任务二职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务二

机械臂安装与机械臂空间坐标了解并掌握安装机械臂的详细步骤（详细步骤请参考说明书）；学习机械臂的空间坐标（即x、y、z轴上）表示；了解并测试机械臂运动范围极限测试。掌握uArm机械臂的安装方法；了解机械臂空间坐标；了解机械臂运动范围。职业能力目标01实验目的实验内容职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务二

机械臂安装与机械臂空间坐标

此任务要求同学们了解并掌握安装机械臂的详细步骤（详细步骤请参考说明书），学习如何标识并使用机械臂的空间坐标（即x、y、z轴上），以及完成机械臂运动范围极限测试。任务描述任务要求掌握uArm机械臂的安装方法，并成功完成机械臂安装与搭建；了解机械臂空间坐标，完成机械臂移动的相关实验；了解机械臂运动范围并完成机械臂极限范围测试。任务描述与要求02职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务二

机械臂安装与机械臂空间坐标任务分析想象一下在未来，机械臂会有哪些用途？我们可以设置多种机械臂模式来简化我们的生活吗？有哪些方法？三.根据自己的了解，要怎样去学习使用机械臂，可以促进自己进一步地学习？任务分析与计划03任务计划表项目名称创灵实验平台任务名称机械臂安装与机械臂空间坐标计划方式自主设计计划要求请用6个计划步骤来完整描述出如何完成本次任务序号任务计划1

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通过上面的思考，你是否对本任务要完成的工作有所了解？让我们一起来制订完成本次任务的实施计划吧！任务分析与计划03职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务二

机械臂安装与机械臂空间坐标机械臂204知识储备异步装饰器1什么是装饰器？04

器指的是工具，可以定义成成函数，装饰指的是为其他事物添加额外的东西点缀。

合到一起的解释：

装饰器指的定义一个函数，该函数是用来为其他函数添加额外的功能，就是拓展原来函数功能的一种函数思考一下，我们要怎么使用装饰器呢？为何要用装饰器？04开放封闭原则

开放：指的是对拓展功能是开放的；

封闭：指的是对修改源代码是封闭的。

装饰器就是在不修改被装饰器对象源代码以及调用方式的前提下为被装饰对象添加新功能。思考一下，我们要怎么使用装饰器呢？异步装饰器04

Python装饰器:可以让被装饰的函数在不修改代码的情况下增加额外的功能，装饰器本质上是一个函数。异步装饰器件:即非阻塞，意味着在执行某项任务时候不会阻塞后续或其他任务的执行的Python装饰器。思考一下，我们要怎么使用异步装饰器呢？05任务实施机械臂2异步装饰器13什么是机械臂？04

机械臂是指高精度，多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性，已在工业装配、安全防爆等领域得到广泛应用。

机械臂是一个复杂系统，存在着参数摄动、外界干扰及未建模动态等不确定性。因而机械臂的建模模型也存在着不确定性，对于不同的任务，需要规划机械臂关节空间的运动轨迹，从而级联构成末端位姿。认识机械臂04

uArm机械臂为本平台所使用的机械臂，它是一款桌面级四轴迷你开源机械臂，其各种的资源可以免费在网络下载获取，其源代码在网络代码社区GitHub上下载，它使用Arduino主板制作作为控制主板（教材使用ATmega2560为核心的控制板），UFACTORY公司的核心产品之一，其灵感来自于ABB码垛机械人IRB460如图2-3-1IRB460机械臂。团队将机械臂的价格做到了“消费级”，尺寸都做到了“桌面级”。认识机械臂04智能机械臂-你的第三只手机械臂可以变成你的第三只手，无论是书写、绘画还是3D打印、激光雕刻都能胜任。1）让它变成一个智能的绘画机器，如下图机械臂全能画手所示。

2）让它变成帮忙递饮料的手臂，如图下图递饮料所示。

3）让他变成一个写字机器人，如下图写字机器人所示。4）让他变成国际象棋棋手，如下图所示国际象棋棋手。

5）让他变成围棋棋手，如下图所示国际象棋棋手。04认识机械臂机械臂的结构是什么样的呢？包括一个连杆式的机械臂，一款基于开源硬件Arduino的开发板用于控制整个操作，最大的特点是底部转盘，所有动力装置都装在这个地方以减少机械臂部分的重量，从而减少惯性动作对稳定性的影响，同时也能增加机械臂的负载能力以提高效力。在功能上与可以与Leapmotion(体感控制器)合作，通过手势操作机械臂，可以比如操控吸盘吸s附非规则物体或者用机械臂操控规则物体。在Processing后台，你也可以对Leapmotion(体感控制器)所开放的接口编程，把变成你定制化的机械臂。有X、Y、Z，三个移动动作组成。支持180度旋转，如头部使用气管，则自由度为170度左右。X轴则对应平面状态下的前后移动，Y轴则对应平面状态下的左右移动，Z轴则为机械臂的上下移动。注：在本实验教程中仅使用吸泵型手抓，如需使用其他类型手抓，请在教师指导下使用。机械臂的结构04机械臂的研究背景04

近年来，随着机器人技术的发展，应用高速度、高精度、高负载自重比的机器人结构受到工业和航空航天领域的关注。由于运动过程中关节和连杆的柔性效应的增加，使结构发生变形从而使任务执行的精度降低。所以，机器人机械臂结构柔性特征必须予以考虑，实现柔性机械臂高精度有效控制也必须考虑系统动力学特性。柔性机械臂是一个非常复杂的动力学系统，其动力学方程具有非线性、强耦合、实变等特点。机械臂的研究背景04

而进行柔性臂动力学问题的研究，其模型的建立是极其重要的。柔性机械臂不仅是一个刚柔耦合的非线性系统，而且也是系统动力学特性与控制特性相互耦合即机电耦合的非线性系统。动力学建模的目的是为控制系统描述及控制器设计提供依据。一般控制系统的描述（包括时域的状态空间描述和频域的传递函数描述）与传感器/执行器的定位，从执行器到传感器的信息传递以及机械臂的动力学特性密切相关。机械臂的建模理论04

柔性机械臂动力学方程的建立主要是利用Lagrange方程和NeWton-Euler方程这两个最具代表性的方程。另外比较常用的还有变分原理，虚位移原理以及Kane方程的方法。而柔性体变形的描述是柔性机械臂系统建模与控制的基础。因此因首先选择一定的方式描述柔性体的变形，同时变形的描述与系统动力学方程的求解关系密切。机械臂的控制策略04

对柔性机械臂的控制一般有如下方式：

1）刚性化处理。完全忽略结构的弹性变形对结构刚体运动的影响。例如为了避免过大的弹性变形破坏柔性机械臂的稳定性和末端定位精度，NASA的遥控太空手运动的最大角速度为0.5deg/s。机械臂的控制策略04

2）前馈补偿法。将机械臂柔性变形形成的机械振动看成是对刚性运动的确定性干扰而采用前馈补偿的办法来抵消这种干扰。德国的BerndGebler研究了具有弹性杆和弹性关节的工业机器人的前馈控制。张铁民研究了基于利用增加零点来消除系统的主导极点和系统不稳定的方法，设计了具有时间延时的前馈控制器，和PID控制器比较起来，可以更加明显的消除系统的残余振动。SeeringWarrenP.等学者对前馈补偿技术进行了深入的研究。机械臂的控制策略04

3）加速度反馈控制。KhorramiFarShad和JainSandeep研究了利用末端加速度反馈控制柔性机械臂的末端轨迹控制问题。机械臂的控制策略04

4）被动阻尼控制。为降低柔性体相对弹性变形的影响选用各种耗能或储能材料设计臂的结构以控制振动。或者在柔性梁上采用阻尼减振器、阻尼材料、复合型阻尼金属板、阻尼合金或用粘弹性大阻尼材料形成附加阻尼结构均属于被动阻尼控制。近年来，粘弹性大阻尼材料用于柔性机械臂的振动控制已引起高度重视。RossiMauro和WangDavid研究了柔性机器人的被动控制问题。机械臂的控制策略04

5）力反馈控制法。柔性机械臂振动的力反馈控制实际上是基于逆动力学分析的控制方法，即根据逆动力学分析，通过臂末端的给定运动求得施加于驱动端的力矩，并通过运动或力检测对驱动力矩进行反馈补偿。机械臂的空间坐标04

机械臂的末端在移动过程中是通过空间坐标进行定位，空间坐标分为x轴、y轴、z轴，x:前后方向坐标，y:机械臂左右方向坐标，z:机械臂高度坐标，通过控制x、y、z轴的坐标设置来控制机械臂的定点移动，如图所示：职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务二

机械臂安装与机械臂空间坐标05任务实施机械臂的空间坐标与坐标获取2安装机械臂1机械臂空间坐标极限测试与验证3机械臂安装与机械臂空间坐标任务二创灵实验平台安装机械臂（此部分仅介绍吸盘末端安装流程，详细流程请参考安装手册）步骤一：将吸盘装在第四轴电机上，锁紧手拧螺丝注意:如果需要取下吸盘，请松开手拧螺丝步骤二：连接第四轴电机线,吸管及限位开关机械臂安装与机械臂空间坐标任务二创灵实验平台*电动夹子安装（此章为选学请在教师指导下使用，避免设备损坏）步骤一：如图所示，松开手拧螺丝，取下吸盘步骤二：如图所示，装上电动夹子，锁紧固定螺丝步骤三：如图所示，将电动夹子末端固定在机械臂上05任务实施机械臂的空间坐标与坐标获取2安装机械臂1机械臂空间坐标极限测试与验证3

在本小节中，我们已经了解了机械臂的空间坐标，那么我们如何去获取机械臂当前的坐标位置呢？机械臂空间坐标05获取机械臂当前位置的坐标机械臂空间坐标05步骤一：查看机械臂设备，当机械臂挂载到开发板上后，再执行获取坐标位置代码。!ls/dev/ttyACM*

注意：若存在/dev/ttyACM0文件，则表示机械臂已挂载到开发板上，如图所示：获取机械臂当前位置的坐标机械臂空间坐标05步骤二：将机械臂断电后末端移动到任意位置，然后接入电源，按下电源按钮，USB线连接到开发板，执行如下命令：fromuarm.wrapper

importSwiftAPIimporttimeswift=SwiftAPI()time.sleep(3)now_p=swift.get_position()print(now_p)若在机械臂挂载上开发板之前执行代码报错，可通过重启内核，如图所示，重新执行上述代码。获取机械臂当前位置的坐标机械臂空间坐标05步骤三：测试完机械臂当前坐标位置后，执行如下命令，断开机械臂连接：若在机械臂挂载上开发板之前执行代码报错，可通过重启内核，如图所示，重新执行上述代码。#断开机械臂连接swift.disconnect()05任务实施机械臂的空间坐标与坐标获取2安装机械臂1机械臂空间坐标极限测试与验证3机械臂测试极限范围分析我们要怎么了解机械臂的极限空间范围？我们要如何验证机械臂是否到了极限位置？要怎样合理减小误差？当机械臂达到极限位置后还会运动吗，如果继续运动会对机械臂造成怎样的影响？机械臂空间运动极限测试与验证05通过上面的思考，你是否对本任务要完成的任务有所了解？接下来我们进入机械臂运动空间范围测试的环节进行学习吧！机械臂空间运动极限测试与验证05机械臂重量极限测试下图为机械臂运动控制范围标识区域，以机械臂底座为原点，机械臂可在扇形区域内进行左右90°转向，前后346mm自由伸缩，如图所示：机械臂运动空间范围05那么我们如何去判断机械臂的高度以及所能吸附的物体重量多少呢？机械臂运动空间范围05相信大家在任务思考的时候已经看到了，机械臂在不同高度所能吸附物体的重量是根据机械臂的高度以及机械臂伸张的长度来影响的。接下来我们将进入实操部分，学习如何验证机械臂运动极限。机械臂空间运动极限测试05实验预览：运行下方代码，观察机械臂移动情况，当机械臂不再移动时，应立即运行stop()函数，记录最后的坐标值，详细操作如下图所示。机械臂空间运动极限测试05实验预览：@async_calldef

limit():

globalx

whileTrue:

ifstop_==

1:

breakx+=

3Y=

100Z=

80swift.set_position(x=x,y=y,z=z)

print("当前坐标：x={0},y={1},z={2}".format(x,y,z))time.sleep(1)

def

stop():

globalstop_stop_=

1swift.disconnect()

limit()stop()

#停止进程机械臂空间运动极限测试05实验预览：运行结束得到的效果如下图所示，机械臂运行到指定位置：可以看到机械臂运行到指定位置，观察得到的位置参数并记录机械臂空间运动极限测试05实验预览：我们在了解完将机械臂运行到指定位置之后，接下来我们来机型机械臂移动极限测试。

运行下方代码，观察机械臂移动情况，当机械臂不再移动时（观察机械臂运动的位置），应立即运行【stop()】函数，记录最后的坐标值。（详细代码请参考Jupyter中任务一、机械臂安装与机械臂空间坐标中的3.2机械臂运动范围极限测试的）@async_calldef

limit():

globalx

whileTrue:

ifstop_==

1:

breakx-=

3Y=100Z=80swift.set_position(x=x,y=y,z=z)

print("当前坐标：x={0},y={1},z={2}".format(x,y,z))time.sleep(1)

defstop():

globalstop_stop_=

1swift.disconnect()

limit()stop()

#停止进程代码说明：机械臂的空间坐标有3个变量分别为x、y、z三个坐标轴，通过控制两个变量不变，让另一个变量在递增或递降的方式，观察机械臂移动情况，当到某个坐标时，机械臂不再移动，则说明该坐标为极限坐标，即可判断该机械臂的在特点空间面上的极限值。

职业能力目标01任务描述与要求02任务分析与计划03知识储备04任务实施05任务检查与评价06任务小结07任务拓展08任务二

机械臂安装与机械臂空间坐标任务检查与评价06序号评价内容评价标准分值得分1知识运用（20%）掌握相关理论知识，理解本次任务要求，制定详细计划，计划条理清晰，逻辑正确（20分）20分

理解相关理论知识，能根据本次任务要求、制定合理计划（15分）了解相关理论知识，有制定计划（10分）无制定计划（0分）2专业技能（40%）完成机械臂空间运动范围极限测试与验证。（40分）40分

完成机械