六自由度機(jī)械手復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制
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- 摘 要
本文以示教型六自由度串聯(lián)機(jī)械手為試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行機(jī)械手的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制，使機(jī)械手完成各種復(fù)雜軌跡的運(yùn)動(dòng)控制等功能，能夠在現(xiàn)代工業(yè)焊接、噴漆等方面的任務(wù)。
本文從運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上著手研究軌跡控制的問(wèn)題，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的方式分析復(fù)雜軌跡運(yùn)動(dòng)的可行性和實(shí)用性。目前，六自由度機(jī)械手的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制已經(jīng)有了比較好的逆解算法，也有一些針對(duì)欠自由度機(jī)械手的逆解算法。逆解算法求出的解不是唯一的，它能使機(jī)械手達(dá)到更多位姿，完成大部分的原計(jì)劃任務(wù)，但其中的一些解并不是最優(yōu)化的，因此必須討論其反解的存在性和唯一性。
本文通過(guò)建立機(jī)械手的笛卡爾坐標(biāo)系，推導(dǎo)出機(jī)械手的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)矩陣方程，并研究了正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的解；在此基礎(chǔ)上建立機(jī)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(duì)六自由度串聯(lián)機(jī)械手的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行研究，提出以機(jī)械手示教手柄引導(dǎo)末端執(zhí)行器對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)。然后通過(guò)記錄程序進(jìn)行復(fù)雜軌跡的再實(shí)現(xiàn)，再對(duì)記錄程序進(jìn)行預(yù)修改，最終通過(guò)現(xiàn)有的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)編程完成復(fù)雜軌跡設(shè)計(jì)任務(wù)。并利用MATLAB對(duì)軌跡進(jìn)行仿真，對(duì)比其實(shí)際與計(jì)算的正確性。
最后本設(shè)計(jì)通過(guò)六自由度串聯(lián)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)平面文字軌跡，得出其設(shè)計(jì)的方式。即首先利用示教手柄實(shí)現(xiàn)軌跡預(yù)設(shè)，記錄預(yù)設(shè)軌跡程序，然后再對(duì)比程序初始化坐標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)編程。
關(guān)鍵詞：六自由度機(jī)械手，笛卡爾坐標(biāo)系，運(yùn)動(dòng)學(xué)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(guó)內(nèi)外研究狀況………………………………………………………2
六自由度機(jī)械手復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)實(shí)意義…………………………4
課題的提出……………………………………………………………5
本課題研究的主要內(nèi)容………………………………………………5
串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)…………………………………………………7
2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的表示……………………………………………7
2.1.1 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和方向角……………………………………………8
2.1.2 運(yùn)動(dòng)位置和坐標(biāo)………………………………………………9
2.1.3 連桿變換矩陣及其乘和………………………………………12
2.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)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(yōu)解………………………………………24
2.3.3 求解方法………………………………………………………25
六自由度機(jī)械手的平面復(fù)雜軌跡設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析……………27
3.1 系統(tǒng)描述及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)方式………………………………27
3.1.1 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)一覽表………………………………………27
3.1.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件的主界面………………………………27
3.1.3 機(jī)器人各部位和動(dòng)作軸名稱…………………………………28
3.1.4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)方式……………………………………29
3.2 平面復(fù)雜軌跡設(shè)計(jì)目的………………………………………………33
3.2.1“西”字的軌跡設(shè)計(jì)和分析…………………………………33
3.2.2“南”字的軌跡設(shè)計(jì)和分析…………………………………34
3.2.3機(jī)械手的起始位姿和末態(tài)位姿………………………………35
3.3機(jī)械手軌跡設(shè)計(jì)中坐標(biāo)系的建立……………………………………35
3.4 平面軌跡設(shè)計(jì)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析………………………………………43
3.4.1平面軌跡設(shè)計(jì)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析原理…………………………43
3.4.2 正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析步驟及計(jì)算……………………………………44
3.5 平面軌跡設(shè)計(jì)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析………………………………………45
3.5.1 平面軌跡設(shè)計(jì)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析原理…………………………45
3.5.2.逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析步驟及計(jì)算……………………………………46
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程和MATLAB仿真計(jì)算……………………………50
4.1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程…………………………………………………………50
4.2 MATLAB仿真計(jì)算……………………………………………………53
結(jié)論與展望…………………………………………………………57
5.1 結(jié)論……………………………………………………………………57
5.2 展望……………………………………………………………………58
致謝……………………………………………………………………………59
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………60
第一章 緒論
1.1 課題研究背景和意義
在現(xiàn)代制造行業(yè)中，先進(jìn)的制造技術(shù)不斷的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工方法和操作方式。現(xiàn)代工業(yè)的高技術(shù)要求，更促進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展：例如，實(shí)行無(wú)人化的工作車間，自動(dòng)生產(chǎn)線等。
特別九十年代以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高，向著高速度、高精度、高可靠性的方向發(fā)展，同時(shí)表現(xiàn)在以下方面：
1．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。國(guó)外己有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。
2．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成速度高，控制距日見(jiàn)小巧，且采用模塊化機(jī)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
3．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要。除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器:而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中己有成熟應(yīng)用。
4．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。
5．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展的特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)來(lái)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。
6．機(jī)器人機(jī)械化開(kāi)始興起。從1994年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。
當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有兩個(gè)突出的特點(diǎn):一個(gè)是在橫向上，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，機(jī)器人的種類日趨增多;另一個(gè)是在縱向上，機(jī)器人的性能不斷提高，并逐步向智能化方向發(fā)展。在21世紀(jì)，機(jī)器人技術(shù)將繼續(xù)是科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展必將對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。機(jī)器人將成為集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制、傳感器、仿生學(xué)和人工智能等多學(xué)科理論與技術(shù)的機(jī)電一體化機(jī)器。在未來(lái)的100年中科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展將會(huì)使機(jī)器人技術(shù)提高到一個(gè)更高的水平。機(jī)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(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)生活。
串聯(lián)式機(jī)器人是一種典型的工業(yè)機(jī)器人，在自動(dòng)搬運(yùn)、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有著廣泛的應(yīng)用，通過(guò)該系列教學(xué)機(jī)器人可使學(xué)生能夠模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況。結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大，具有高度的靈活性，是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想對(duì)象。
多自由度機(jī)械手做為現(xiàn)代機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分，也隨著技術(shù)的發(fā)展不斷更新。普通機(jī)械手只能完成單工作任務(wù)或者較簡(jiǎn)單的操作，多自由度機(jī)械手在很多的工程技術(shù)及工程實(shí)際中能更為合理的進(jìn)行一些現(xiàn)實(shí)操作。本課題正是在此背景下，研究其六自由度機(jī)械手復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制也更為重要。 ...
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