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六自由度機械手復雜運動控制

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更新時間：2015-05-08
發布人： 2907301063

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摘要

本文以示教型六自由度串聯機械手為試驗設備，進行機械手的復雜運動控制，使機械手完成各種復雜軌跡的運動控制等功能，能夠在現代工業焊接、噴漆等方面的任務。
本文從運動學分析的基礎上著手研究軌跡控制的問題，利用運動學逆解的方式分析復雜軌跡運動的可行性和實用性。目前，六自由度機械手的復雜運動控制已經有了比較好的逆解算法，也有一些針對欠自由度機械手的逆解算法。逆解算法求出的解不是唯一的，它能使機械手達到更多位姿，完成大部分的原計劃任務，但其中的一些解并不是最優化的，因此必須討論其反解的存在性和唯一性。
本文通過建立機械手的笛卡爾坐標系，推導出機械手的正、逆運動學矩陣方程，并研究了正、逆運動學方程的解；在此基礎上建立機械手的工作空間，并討論其工作空間的靈活性和存在可能性。
因此本文的另一種方式對六自由度串聯機械手的復雜運動控制問題進行研究，提出以機械手示教手柄引導末端執行器對復雜運動軌跡進行預設計。然后通過記錄程序進行復雜軌跡的再實現，再對記錄程序進行預修改，最終通過現有的程序進行設計編程完成復雜軌跡設計任務。并利用MATLAB對軌跡進行仿真，對比其實際與計算的正確性。
最后本設計通過六自由度串聯機械手實現平面文字軌跡，得出其設計的方式。即首先利用示教手柄實現軌跡預設，記錄預設軌跡程序，然后再對比程序初始化坐標進行手動編程。
關鍵詞：六自由度機械手，笛卡爾坐標系，運動學方程，仿真，示教手柄ABSTRACT

目錄

緒論 …………………………………………………………………1
課題研究背景和意義…………………………………………………1
國內外研究狀況………………………………………………………2
六自由度機械手復雜運動控制的現實意義…………………………4
課題的提出……………………………………………………………5
本課題研究的主要內容………………………………………………5
串聯機器人運動學…………………………………………………7
2.1 機器人運動學方程的表示……………………………………………7
2.1.1 運動姿態和方向角……………………………………………8
2.1.2 運動位置和坐標………………………………………………9
2.1.3 連桿變換矩陣及其乘和………………………………………12
2.2 機械手運動方程的求解………………………………………………15
2.2.1 歐拉變換解……………………………………………………16
2.2.2 滾、仰、偏變換解……………………………………………20
2.2.3 球面變換解……………………………………………………21
2.3 反解的存在性和唯一性………………………………………………23
2.3.1 反解的存在性和工作空間……………………………………23
2.3.2 反解的唯一性和最優解………………………………………24
2.3.3 求解方法………………………………………………………25
六自由度機械手的平面復雜軌跡設計及運動學分析……………27
3.1 系統描述及機械手運動軌跡設計方式………………………………27
3.1.1 機器人技術參數一覽表………………………………………27
3.1.2 機器人控制系統軟件的主界面………………………………27
3.1.3 機器人各部位和動作軸名稱…………………………………28
3.1.4 機械手運動軌跡設計方式……………………………………29
3.2 平面復雜軌跡設計目的………………………………………………33
3.2.1“西”字的軌跡設計和分析…………………………………33
3.2.2“南”字的軌跡設計和分析…………………………………34
3.2.3機械手的起始位姿和末態位姿………………………………35
3.3機械手軌跡設計中坐標系的建立……………………………………35
3.4 平面軌跡設計的正運動學分析………………………………………43
3.4.1平面軌跡設計的正運動學分析原理…………………………43
3.4.2 正運動學分析步驟及計算……………………………………44
3.5 平面軌跡設計的逆運動學分析………………………………………45
3.5.1 平面軌跡設計的逆運動學分析原理…………………………45
3.5.2.逆運動學分析步驟及計算……………………………………46
設計實現過程和MATLAB仿真計算……………………………50
4.1 設計實現過程…………………………………………………………50
4.2 MATLAB仿真計算……………………………………………………53
結論與展望…………………………………………………………57
5.1 結論……………………………………………………………………57
5.2 展望……………………………………………………………………58
致謝……………………………………………………………………………59
參考文獻………………………………………………………………………60

第一章緒論
1.1 課題研究背景和意義
在現代制造行業中，先進的制造技術不斷的代替傳統的加工方法和操作方式。現代工業的高技術要求，更促進了機器人的發展：例如，實行無人化的工作車間，自動生產線等。
特別九十年代以來，工業機器人性能不斷提高，向著高速度、高精度、高可靠性的方向發展，同時表現在以下方面：
1．機械結構向模塊化、可重構化發展。如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化:由關節模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。國外己有模塊化裝配機器人產品問市。
2．工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化;器件集成速度高，控制距日見小巧，且采用模塊化機構;大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。
3．機器人中的傳感器作用日益重要。除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器:而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統中己有成熟應用。
4．虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。
5．當代遙控機器人系統發展的特點不是追求全自治系統，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統來構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。
6．機器人機械化開始興起。從1994年美國開發出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。
當今機器人技術的發展趨勢主要有兩個突出的特點:一個是在橫向上，機器人的應用領域在不斷擴大，機器人的種類日趨增多;另一個是在縱向上，機器人的性能不斷提高，并逐步向智能化方向發展。在21世紀，機器人技術將繼續是科學與技術發展的一個熱點。機器人技術的進一步發展必將對社會經濟和生產力的發展產生更加深遠的影響。機器人將成為集機械、電子、計算機、控制、傳感器、仿生學和人工智能等多學科理論與技術的機電一體化機器。在未來的100年中科學與技術的發展將會使機器人技術提高到一個更高的水平。機器人將成為人類多才多藝和聰明伶俐的“伙伴”，更加廣泛地參與人類的生產活動和社會生活。
串聯式機器人是一種典型的工業機器人，在自動搬運、裝配、焊接、噴涂等工業現場中有著廣泛的應用，通過該系列教學機器人可使學生能夠模擬工業現場的實際運行狀況。結構緊湊，工作范圍大，具有高度的靈活性，是進行運動規劃和編程系統設計的理想對象。
多自由度機械手做為現代機器人的一個重要組成部分，也隨著技術的發展不斷更新。普通機械手只能完成單工作任務或者較簡單的操作，多自由度機械手在很多的工程技術及工程實際中能更為合理的進行一些現實操作。本課題正是在此背景下，研究其六自由度機械手復雜運動控制也更為重要。 ...

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