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六自由度搬运机械手的设计.rar

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    编号:20180915103628178    类型:共享资源    大小:170.40MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    自由度 搬运 机械手 设计
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    1 毕 业 设 计 ( 论 文 ) 题 目:六自由度机械手的研究与设计 (英文 ) : S t u d y A n d D e s i g n F o r S i x - D e g r e e o f F r e e d o m R o b o t A r m 院 别: 自动化学院 专 业: 姓 名: 学 号: 指导教师: 日 期:2 六 自 由 度 机 械 手 的 研 究 与 设 计 六 自 由 度 机 械 手 的 研 究 与 设 计 六 自 由 度 机 械 手 的 研 究 与 设 计 六 自 由 度 机 械 手 的 研 究 与 设 计 摘 要 摘 要 摘 要 摘 要 近二十年来,机器人技术发展非常迅速,各种用途的机器人在各个领域广泛获得应 用 。 但我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距 , 因此研究和 设计各种用途的机器人特别是工业机器人对推广机器人的应用是很有现实意义的。 机 器 人 已 经 广 泛 应 用 于 工 业 生 产 中 , 从 事 点 焊 、 弧 焊 、 喷 漆 、 搬 运 、 装 配 等 作 业 ; 在电子工业、 核工业、 深海、 外太空 , 机器人正发挥着巨大的不可替代的作用 。 尤其在 汽车制造行业显得更为普遍。 怎样才能使所设计的机械手节省能源、 运动精确 、 提高效 率,成为科研人员研究的重点。 在工业机器人的实际应用中 , 串联机器人应用最为普遍 , 已经广泛的应用于生产中 的机械加工、 焊接、 热处理、 表面涂覆 、 上下料、 装配等作业。 所以机器人的工作效率 和质量是衡量机器人性能的重要指标, 提高工业机器人的工作效率 , 减小实际操作中的 误差成为工业机器人应用中急需解决的关键性问题。 本文以示教型六自由度串联机械手为试验设备, 进行机械手的复杂运动控制 , 使机 械手完成各种复杂轨迹的运动控制等功能,能够在现代工业焊接、喷漆等方面的任务。 关键词 关键词 关键词 关键词 机械臂;机器人;串联机器人;运动轨迹;运动学分析;3 S t u d y S t u d y S t u d y S t u d y A n d A n d A n d A n d D e s i g n D e s i g n D e s i g n D e s i g n F o r F o r F o r F o r S i x - D e g r e e S i x - D e g r e e S i x - D e g r e e S i x - D e g r e e o f o f o f o f F r e e d o m F r e e d o m F r e e d o m F r e e d o m R o b o t R o b o t R o b o t R o b o t A r m A r m A r m A r m A b s t r a c t A b s t r a c t A b s t r a c t A b s t r a c t I n t he pa s t t w e nt y y e a r s , t he r obot t e c hnol ogy ha s be e n de ve l ope d g r e a t l y a nd us e d i n m a ny di f f e r e nt f i e l ds . W hi l e t he r e i s s t i l l a l a r g e g a p be t w e e n our c ount r y a nd t he de ve l ope d c ount r i e s i n r e s e a r c h a nd a ppl i c a t i on of t he r obot t e c hnol ogy , s o t he r e w i l l be a g r e a t va l ue t o s t udy , de s i g n a nd a ppl y di f f e r e nt K i nds of r obot s , e s pe c i a l l y i ndus t r i a l r obot s . R obot ha s be e n w i de l y us e d f or i ndus t r i a l pr oduc t i on, s uc h a s doi ng s pot w e l di ng, a r c w e l di ng , s pr a y pa i nt , t r a ns i t a nd s o on. I n t he f i e l d of e l e c t r on, nuc l e us , out e r s pa c e , I t s how s hug e f unc t i on. E s pe c i a l l y i n t he f i e l d of a ut om obi l e pr oduc t i on, i t ’ s us e d m or e c om m onl y . H ow t o m a ke i ndus t r i a l m a ni pul a t or s a ve m or e e ne r g y , r un m or e e x a c t l y , he i ght e n m or e e f f i c i e nc y , ha s be c a m e t he ke y f or r e s e a r c he r s . D ur i ng t he pr a c t i c a l a ppl i c a t i on of t he i ndus t r i a l r obot , s e r i a l r obot i s be i ng u ni ve r s a l l y us e d, w hi c h ha s be e n w i l dl y us e d i n pr oduc t i on of m a c hi ni ng, w e l di ng , he a t t r e a t m e nt , s ur f a c e c oa t i ng , c a r r y i ng m a t e r i a l s a s s e m bl y a nd s o on. T he r e f or e t he w or ki ng e f f i c i e nc y a nd qua l i t y a r e i m por t a nt i nde x of j udg i ng t he pe r f or m a nc e of t he r obot . I t be c om e s t he ke y pr obl e m s w hi c h ne e d s ol vi ng ba dl y t o r a i s e t he w or ki ng e f f i c i e nc i e s a nd r e duc e e r r or s of i ndus t r i a l r obot i n a c t ua l ope r a t i on. I n t hi s pa pe r , m e c ha ni c a l ha nd c ont r ol t he c om pl e x m ove m e nt ba s e d on t he s e r i e s of s i x de gr e e s of f r e e dom m a ni pul a t or s o t ha t t he m e c ha ni c a l ha nd c om pl e t e t he c om pl e x t r a j e c t or y of t he m ove m e nt c ont r ol f unc t i ons . I n m ode r n i ndus t r i a l w e l di ng, pa i nt i ng , a nd ot he r a s pe c t s of t he m a nda t e c a n be us e d. K e y K e y K e y K e y w o r d s : w o r d s : w o r d s : w o r d s : r obot a r m ; r obot ; s e r i a l r obot ; K i ne m a t i c s A na l y s i s ; G r a phi c a l s i m ul a t i on4 目 录 目 录 目 录 目 录 1 绪论 1.1 引言 1.2 机器人的产生和发展史 1.3 国内外机器人的发展状况及发展战略 1.4 课题研究的目的、意义及主要研究内容 2 机器人定义、结构和分类 2.1 机器人的定义 2.2 机器人的能力评价标准 2.3 机器人的性能指标 2.4 机器人的自由度 2.5 机器人组成 2.6 机器人的分类 3 串联机械人数理基础 3.1 引言 3.2 位置和姿态的表示 3.2.1 位置描述 3.2.2 方位的描述 3.2.3 位姿描述 3.3 坐标变换 3.3.1 平移坐标变换 3.3.2 旋转坐标变换 4 六自由度机械臂运动控制系统硬件设计 4.1 六自由度机械臂的结构模型 4.2 主要的器件选型与使用说明 4.2.1 关节伺服机构及其控制原理 4.2.2 传感器的选型 4.2.3 电源、降压模块的器件选型与器件说明 4.2.4 处理器的选型 5 六自由度机械臂运动控制系统电路设计 5.1 主控电路设计 5.2 电源电路设计 5.3 舵机控制电路设计 5.4 传感器控制电路设计 6 六自由度机械臂运动控制系统程序设计 6.1 舵机控制程序设计 6.2 测距传感器程序设计 7 总结与展望 7.1 总结 7.2 展望 参考文献 致谢 附录 A1 1 1 1 1 绪 论 绪 论 绪 论 绪 论 1 . 1 1 . 1 1 . 1 1 . 1 引言 引言 引言 引言 机器人是当代科学技术的产物,是高新技术的代表。从 20 世纪 60 年代开始 , 伴 随着微计算机技术的发展, 机器人科学与技术得到了迅猛的发展 。 全世界已经有近 100 万台机器人在各个领域(特别是在制造系统)应用。 工业机器人由操作机 、 控制器、 伺服驱动系统和检测传感器装置构成 , 是一种仿人 操作 、 自动控制、 可重复编程、 能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设 备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产,它对稳定提高产品质量、提高生产效率、 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了机械学 、 计算机、 控制论、 信息和传感技术、 人工智能 、 仿生 学等多学科而形成的高新技术, 建立在多学科发展的基础之上, 具有应用领域广 、 技术 新 、 学科综合与交叉性强等特点 。 是当代研究十分活跃, 应用日益广泛的领域 , 机器人 的应用情况, 是一个国家工业自动化水平的重要标志 。 各种各样的机器人不但已经成为 现 代 高 科 技 的 应 用 载 体 , 而 且 自 身 也 迅 速 发 展 成 为 一 个 相 对 独 立 的 研 究 与 交 叉 技 术 领 域,形成了特有的理论研究和学术发展方向,具有鲜明的学科特色。 随着工业机器人的应用越来越广泛, 对机器人的调试也有了更高的要求 。 在机器人 的工业应用中都需要在实际工作环境中对机器人进行调试, 多数采用手控调试 , 这就对 调试人员有较高的要求, 并且由于实际环境的千变万化 , 很难在短时间内找到最优的轨 迹 , 这时就有必要用到机器人运动仿真系统, 他可以为此提供一个方便的, 灵活的手段。 对机器人进行图形仿真,可以将仿真结果以图形的方式直观的形象的表示出来 , 得 到从数据曲线和数据本身很多难以直接得到的信息, 还可以从图形上看到机器人在一定 控制条件下的运动规律。 这样就可以在实际调试设备前对机器人的运动进行仿真 , 减少 了实际调试的时间, 优化了运动轨迹, 提升了生产效率。 本文的主要内容包括六自由度 串联机器人运动学方程的求解公式推导, 并通过理论计算验证仿真模型的正确性以及工 作空间的讨论。 1 . 2 1 . 2 1 . 2 1 . 2 机器 人的 产生 与发 展史 机器 人的 产生 与发 展史 机器 人的 产生 与发 展史 机器 人的 产生 与发 展史 “ 机 器 人 ” 是 存 在 于 多 种 语 言 和 文 字 的 新 造 词 , 它 体 现 了 人 类 长 期 以 来 的 一 种 愿 望 , 即 创 造 出2 一 种像 人一 样的 机器 或人 造人 ,以 便能 够取 代人 去进 行各 种工 作。 1 9 2 0 年 ,捷 克剧 作家 卡雷 尔 · 凯 培克 ( K a r e l C a p e k ) 在 他的 幻想 情节 剧《 罗萨 姆的 万能 机器 人》 中 , 第 一次 提出 来 “ 机 器人 ” 这 个名 词 。 各 国对 机器 人的 译法 , 几 乎都 从斯 洛伐 克语 “ r o b o t a ” 音 译 为 “ 罗 伯特 ” , 只有 中国 译为 “ 机 器人 ” 。 1 9 3 9 年 ,美 国纽 约世 博会 上展 出了 西屋 电气 公司 制造 的家 用机 器人 E l e k t r o 。 它由 电缆 控制 , 可 以 行走 ,会 说 7 7 个 字, 甚至 可以 抽烟 ,不 过离 真正 干家 务活 还差 得远 。但 它让 人们 对家 用机 器人 的 憧憬 变得 更加 具体 。 1 9 4 2 年 ,美 国科 幻巨 匠阿 西莫 夫提 出 “机 器人 三定 律 ” 。 即 ( 1 ) 机 器人 不应 伤害 人类 ; ( 2 ) 机 器人 应遵 守人 类的 命令 ,与 第一 条违 背的 命令 除外 ; ( 3 ) 机 器人 应能 保护 自己 ,与 第一 条相 抵触 者除 外。 这 是 给 机 器 人 赋 予 的 伦 理 性 纲 领 。 虽 然 这 只 是 科 幻 小 说 里 的 创 造 , 机 器 人 学 术 界 一 直 将 这 三 原 则 作为 机器 人开 发的 准则 。 1 9 5 4 年, 美 国人 乔治 · 德 沃尔 设计 了第 一台 电子 程序 可编 的工 业机 器人 , 并 与 1 9 6 1 年 发表 了 该 项机 器人 专利 。 1 9 5 9 年, 德 沃尔 与美 国发 明家 约瑟 夫 · 英 格伯 格联 手制 造出 第一 台工 业机 器人 。 随 后 , 成 立了 世 界 上 第 一 家 机 器 人 制 造 工 厂 — — U n i m a t i o n 公 司 。 由 于 英 格 伯 格 对 工 业 机 器 人 的 研 发 和 宣 传 , 他 也 被称 为 “ 工 业机 器人 之父 ” 。 1 9 6 2 年 ,美 国万 能自 动化 ( U n i m a t i o n ) 公 司的 第一 台机 器人 U n i m a t e 在 美国 通用 汽车 公司 ( G M ) 投 入使 用, 这标 志着 第一 代机 器人 的诞 生。 从 2 0 世 纪下 半叶 起 , 世 界机 器人 产业 一直 保持 着稳 步增 长的 良好 势头 。 进 入 2 0 世 纪 9 0 年 代 , 机 器人 产品 发展 速度 加快 ,年 增长 率平 均在 1 0 % 左 右。 2 0 0 4 年 增长 率达 到创 记录 的 2 0 % 。 其中 , 亚 洲机 器人 增长 幅度 最为 突出 , 高 达 4 3 % 。 日 本是 目前 使用 机器 人最 多的 国家 , 机 器人 数量 占世 界 总 量的 6 0 % 以 上, 其次 是美 国、 德国 、新 加坡 使用 机器 人的 数目 也在 飞速 增长 。 经 过 半 个 多 世 纪 的 发 展 , 工 业 机 器 人 已 在 越 来 越 多 的 领 域 得 到 了 应 用 。 在 制 造 业 中 , 尤 其 是 在 汽 车产 业中 , 工 业机 器人 得到 了广 泛的 应用 。 如 在毛 坯制 造 ( 冲 压 、 压 铸 、 锻 造等 ) 、 机 械加 工 、 焊 接 、 热 处理 、表 面涂 覆、 上下 料、 装配 、检 测及 仓库 堆垛 等作 业中 ,机 器人 都已 逐步 取代 了人 工作 业。 随 着 工 业 机 器 人 向 更 深 更 广 方 向 的 发 展 以 及 机 器 人 智 能 化 水 平 的 提 高 , 机 器 人 的 应 用 范 围 还 在 不 断地 扩大 ,已 从汽 车制 造业 推广 到其 他制 造业 ,进 而推 广到 诸如 采矿 机器 人、 建筑 业机 器人 以及 水 电系 统维 护维 修机 器人 等各 种非 制造 行业 。此 外, 在国 防军 事、 医疗 卫生 、生 活服 务等 领域 机器3 人 的应 用也 越来 越多 , 如 无人 侦察 机 ( 飞 行器 ) 、 警 备机 器人 、 医 疗机 器人 、 家 政服 务机 器人 等均 有应 用 实例 。机 器人 正在 为提 高人 类的 生活 质量 发挥 着重 要的 作用 。 1 . 3 1 . 3 1 . 3 1 . 3 国内 外机 器人 的发 展状 况及 发展 战略 国内 外机 器人 的发 展状 况及 发展 战略 国内 外机 器人 的发 展状 况及 发展 战略 国内 外机 器人 的发 展状 况及 发展 战略 工业机器人运动学是机器人学的一个研究领域, 是机器人系统的基础, 因此, 机器 人运动学的研究对机器人的设计和控制是十分重要和必须的。 运动学问题是研究机械手 末端执行器(即手部)相对参考基的位置、 姿态和速度与各关节, 包括运动学正问题和运 动学反问题。 运动学正问题是己知关节的位置和速度确定末端执行器的位置 、 姿态和速 度 ; 反之, 为使机器人所握工具相对参考系的位姿(位置和姿态)满足给定的要求 , 计算 相应的关节变量,这一工程称为运动学反问题。 运 动 学 正 问 题 的 研 究 目 前 主 要 是 利 用 齐 次 坐 标 变 换 矩 阵 方 法 将 位 置 和 姿 态 统 一 描 述 , 该法思路清晰, 但运算速度较慢, 随着机器人机构自由度的增加对运动学正问题的 讨论带来很多不便。 运动学逆问题比正问题复杂的多 , 主要表现在逆解的存在性和唯一 性 , 存在性决定机器人的操作空间, 逆解一般来说非唯一。 目前对具有特殊形状的机器 人机构如球形手腕机器人机构, 其逆解是封闭的, 但并不唯一。 对一般的机器人机构逆 解必须使用数值计算方法, 因而数值解的计算速度和精度受到人们的关注 , 同时机器人 机构中常见的奇异状态(不可解状态)也是讨论的问题之一。 国外目前机器人研究的重点主要有以下儿个方面: (1)机器人操作机 通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用, 机器人操作机己实现了优化设计。 以德国 KUKA 公司为代表的机器人公司 , 将机器人并 联平行四边形结构改为开链结构, 拓展了机器人的工作范围 , 加之轻质铝合金材料的应 用,大大提高了机器人的性能。 (2)并联机器人 采用并联机构, 利用机器人技术, 实现高精度测量及加工 , 这是机 器人技术向数控技术的拓展, 为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础 。 意大利 COMAU 公司,日本 FANUC 等公司己开发出了此类产品。 (3) 控 制 系 统 控 制 系 统 的 性 能 进 一 步 提 高 , 己 由 过 去 控 制 标 准 的 6 轴 机 器 人 发 展 到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴机器人, 并且实现了软件伺服和全数字控制 。 人机界 面更加友好, 基于图形操作的界面也已问世。 编程方式仍以示教编程为主 , 但在某些领 域的离线编程已实现实用化。 (4) 传 感 系 统 激 光 传 感 器 、 视 觉 传 感 器 和 力 传 感 器 在 机 器 人 系 统 中 已 得 到 成 功 应4 用,并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等, 大 大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。 日本 KAWASAKI 、 YASKAWA、 FANUC 和瑞 典 ABB、德国 KUKA、REIS 等公司皆推出了此类产品。 (5) 网 络 通 信 功 能 日 本 YASKAWA 和 德 国 KUKA 公 司 的 最 新 机 器 人 控 制 器 已 实 现 了 与 Canbus, Profibu 总 线 及 一 些 网 络 的 联 接 , 使 机 器 人 由 过 去 的 独 立 应 用 向 网 络 化 应 用迈进了一大步,也使机器人由过去的专用设备向标准化设备有了发展。 (6)可靠性 由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用, 使机器人系统的 可 靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性一般为几千小时,而现在己达到 5 万 小时,几乎可以满足任何场合的需求。 国外研究现状: 自世界上第一台工业机器人诞生以来,机器人在工业发达国家得到了迅速发展 。 应 用领域从汽车工业逐渐向其他行业渗透,据国际机器人联合会 (正 R)统计,世界机器人 市场前景看好, 从 20 世纪下半叶起, 世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头 。 进 入 90 年 代 , 机 器 人 产 品 发 展 速 度 加 快 , 年 增 长 率 平 均 在 10% 左 右 , 2000 年 增 长 率 上 升到 15% 。机器人的应用主要有两种方式,一种是机器人工作单元,另一种是带机器人 的生产线, 而后者在国外已经成为机器人应用的主要方式 。 以机器人为核心的自动化生 产线适应了现代制造业多品种、 少批量的柔性生产发展方向 , 具有广阔的市场发展前景 和强劲生命力, 已武汉理工大学硕士学位论文开发出多种面向汽车 、 电气机械等行业的 自动化成套装备和生产线产品。 在发达国家 , 机器人自动化生产线已形成一个巨大的产 业 , 年市场容量约为 1000 亿美元。 像国际上著名公司 ABB、 COMAU、 KUKA、 BOSCH 、 NDC、 SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。 据国际机器人协会统计, 2003 年工业机器人发货量呈现强劲增长势头。与 2002 年 相比 , 2003 年全球范围内机器人的订货量增长约 10%以上。 预计, 工业机器人的世界市 场将从 2002 年的 68600 台套增长到 2006 年的 91100 多台套,年平均增长 7.4%。 国内研究现状: 随着科学技术和世界各国机器人技术的发展, 我国在机器人科学研究 、 技术开发和 应 用工程等方面取得了可喜的进步。从 80 年 代末到 90 年 代,国家 863 计 划把机器 人列为自动化领域的重要研究课题, 系统地开展了机器人基础科学 、 关键技术与机器人 元部件 、 先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用 。 在工业机器 人选型方面, 确定以开发点焊 、 弧焊、 喷漆 、 装配、 搬运等机器人为主。 这是中国机器5 人事业从研制到应用迈出的重要一步。 一批从事机器人研究、 开发、 应用的人才和队伍 在实践中成长、壮大,一批以机器人为主业的产业化基地己经破土而出。 但是 , 无论从工业机器人的数量上还是技术上, 我们都是比较落后的 。 而我国作为 一个工业大国, 不能寄希望从其他国家得到真正的高技术 , 必须自主的发展我国的高技 术 , 机器人作为高技术领域的一个重要分支 , 将成为 21 世纪各国争夺的经济技术制高 点 。 如何在 21 世纪加速我国机器人的发展, 使我国早日进入机器人大国行列 , 已成为 当务之急。 由于目前我国机器人的基础数量太低, 以工业机器人为例 , 到了 2010 年我 国机器人拥有量只能达到世界拥有量的 1.38-2%, 这与我国作为 21 世纪前半叶世界主 要制造国的要求差距太大, 如果这种差距只能以进口机器人来弥补 , 其巨大损失不是可 以以货币损失来计算的。 可见, 无论从资金方面考虑 , 还是从长远利益考虑, 我们有必 要自主地对机器人进行研究和开发。 由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距, 虽然计划开发的机器人基本上 采用的是在国外基木成熟的技术, 但国内各单位对这些技术的了解有相当部分还停留在 文献上或局部技术。 所以我们应该从基本做起 , 有必要研制少数型号的机器人和开展一 批基础技术研究作为机器人课题的主要研究与开发内容。 我国机器人学研究起步较晚 , 但进步较快, 己在工业机器人、 特种机器人和智能机 器人各个方面取得明显成绩, 为我国机器人学的发展打下初步基础 。 我国工业机器人经 过 20 多年的发展已在产业化的道路上迈开了步伐。 许多国内专家就我国发展机器人的对策提出很多建议意见, 也反映出我国机器人的 发展战略。 (1)进一步端正发展机器人的认识; (2)并行开发工业机器人和特种机器人; (3)培育与开拓国内机器人市场; (4)建立机器人产业集团,形成规模生产; (5)开展国际技术合作 ; (6)合理选择战略主攻方向 ; (7)重视基础研究,加大技术储备; (8)稳定和扩大研制队伍。6 1 . 4 1 . 4 1 . 4 1 . 4 课题 研究 的目 的、 意义 及主 要研 究内 容 课题 研究 的目 的、 意义 及主 要研 究内 容 课题 研究 的目 的、 意义 及主 要研 究内 容 课题 研究 的目 的、 意义 及主 要研 究内 容 串联式机器人是一种典型的工业机器人, 在自动搬运、 装配、 焊接、 喷涂等工业现 场中有着广泛的应用, 通过该系列教学机器人可使学生能够模拟工业现场的实际运行状 况 。 结构紧凑 , 工作范围大, 具有高度的灵活性, 是进行运动规划和编程系统设计的理 想对象。 多 自 由 度 机 械 手 做 为 现 代 机 器 人 的 一 个 重 要 组 成 部 分 , 也 随 着 技 术 的 发 展 不 断 更 新 。 普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作 , 多自由度机械手在很多的工程 技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。 本课题正是在此背景下 , 研究其六 自由度机械手复杂运动控制也更为重要。 1、理论意义 六自由度串联机械手是由六个关节组成, 机械手安装在工作台上, 这种结构使机械 手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性, 并同时具有移动和操作功能 , 这使 它优于普通的移动机器人和传统的机械手; 另一方面, 工作平台和机械手不但具有不同 的动力学特性, 同时考虑轨迹规划的不同特点 , 六自由度串联机械手在对固定机械手具 有优势的同时, 在运用上存在诸多难点 , 如逆解优化 、 控制方法、 路径规划、 解决方案 的选用等。因此,六自由度串联机械手复杂运动控制的研究有十分重要的理论意义。 2、应用价值 本课题的六自由度串联机器人具有重量轻、 运动速度快、 空间通过能力强 、 完成空 间范围大等特点, 通过在通用控制窗口上不同轴的控制上各个关节角度来实现不同的功 能以完成各种示教及工作任务, 由于其采用的控制方式为软件编程实现 , 对于国内工业 发展各种机械手运用于现代工业焊接和汽车企业等的喷漆等方面有重要意义, 因此对提 高国家工业水平、实现其重要价值也具有十分重要的意义。 主要研究内容: 1、理论计算 分析并应用现有的一些数学模型,推导出串联机器人运动学正解和反 解的理论计算公式 , 得到机器人末端坐标 , 各关节角和末端运动姿态角的计算公式, 2、工作空间的分析 对机器人的工作空间进行了研究,方便以后对机器人空间运动 的研究及软件编程调试。 3、硬件结构设计。 4、软件程序调试。7 2 2 2 2 机 器 人 的 定 义 、 结 构 和 分 类 机 器 人 的 定 义 、 结 构 和 分 类 机 器 人 的 定 义 、 结 构 和 分 类 机 器 人 的 定 义 、 结 构 和 分 类 2 . 1 2 . 1 2 . 1 2 . 1 机器 人的 定义 机器 人的 定义 机器 人的 定义 机器 人的 定义 机 器 人 ( Robot ) 是 自 动 执 行 工 作 的 机 器 装 置 。 它 既 可 以 接 受 人 类 指 挥 , 又 可 以 运 行预先编排的程序, 也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动 。 它的任务是协助 或取代人类工作的工作,例如生产业、建筑业,或是危险的工作。 一般来说, 机器人即靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器 。 联合国标准化 组织给机器人下的定义为 “ 一种可编程和多功能的的操作机 ; 或是为了执行不同的任务 而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。 ” 我 国 科 学 家 对 机 器 人 的 定 义 是 : “ 机 器 人 是 一 种 自 动 化 的 机 器 , 所 不 同 的 是 这 种 机 器具备一些与人或生物相似的智能能力, 如感知能力、 规划能力、 动作能力和协同能力, 是一种具有高度灵活性的自动化机器” 。 国际上,关于机器人定义主要有如下几种: (1)英国简明牛津字典的定义。机器人是“貌似人的自动机,具有智力 的和顺从于人的但不具备人格的机器。 这一定义并不完全正确,因为还不存在与人类相似的机器人在运行。 这是一种理想的机器人。具有智力的和顺从于人的但不具备人格的机器。 (2)美国机器人协会 (RIA)的定义。 机器人是 “一种用于移动各种材料 、 零件 、 工具 或专用装置的,通过可编程序动作来执行种种任务的,并具有 编程能力的多功能机械手(Manipulator)” 。 尽管这一定义较实用些,但并不全面。这里指的是工业机器人。 (3)日本工业机器人协会 (JIRA)的定义。工业机器人是“一种装备有记 忆装置和末端执行器(End Effector)的,能够转动并通过自动完成各种移动来 代替人类劳动的通用机器” 。 2 . 2 2 . 2 2 . 2 2 . 2 机器 人的 能力 评价 标准 机器 人的 能力 评价 标准 机器 人的 能力 评价 标准 机器 人的 能力 评价 标准 智能 : 指感觉和感知 , 包括记忆 、 运算 、 比较、 鉴别 、 判断、 决策、 学习和逻辑推 理等; 机能:指变通性、通用性或空间占有性等;8 物理能:指力、速度、可靠性、联用性、寿命等。 因此, 可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。 2 . 3 2 . 3 2 . 3 2 . 3 机器 人的 性能 指标 机器 人的 性能 指标 机器 人的 性能 指标 机器 人的 性能 指标 自由度数:衡量机器人适应性和灵活性的重要指标,一般等于机器人的关节数 。 机 器人所需要的自由度数决定与其作业任务 负荷能力:机器人在满足其它性能要求的前提下,能够承载的负荷重量 工 作 空 间 : 机 器 人 在 其 工 作 区 域 内 可 以 达 到 的 所 有 点 的 集 合 。 它 是 机 器 人 关 节 长 度和其构型的函数 精度 : 指机器人到达指定点的精确程度。 它与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有 关。 重复定位精度 : 指机器人重复到达同样位置的精确程度 。 它不仅与机器人驱动器 的分辨率及反馈装置有关,还与传动机构的精度及机器人的动态性能有关。 控制模式 : 引导或点到点示教模式; 连续轨迹示教模式; 软件编程模式; 自主模式。 最大工作速度:单关节速度;合成速度。 其它动态特性:如稳定性、柔顺性等。 2 . 4 2 . 4 2 . 4 2 . 4 机器 人的 自由 度 机器 人的 自由 度 机器 人的 自由 度 机器 人的 自由 度 自由度是机器人的一个重要的技术指标, 它由机器人的结构决定的, 并直接影响到 机器人的机动性。 物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度(DOF,degree of freedom) 。 物 体所能进行的运动包括沿 x、 y、 z 轴的三个平移运动和绕 x、 y、 z 的旋转运动 。 具有 以上 6 个运动能力的机器人称为 6 个自由度机器人。 人 们 期 望 机 器 人 能 够 以 准 确 的 方 位 把 它 的 端 部 执 行 装 置 或 与 它 连 接 的 工 具 移 动 到 给定点 。 如果机器人的用途预先是不知道的 , 那么它应该具有 6 个自由度, 一般不要求 机 器人有 6 个 以上的自由度,过多的自由度可能产生冗余自由度。尽管如此,仍然有 人研究具有 9 个自由度的机器人,以求获得更大的机动性。 2 . 5 2 . 5 2 . 5 2 . 5 机器 人的 组成 机器 人的 组成 机器 人的 组成 机器 人的 组成 机器人一般由执行机构 、 驱动装置、 检测装置和控制系统等复杂机械组成 。 执行机9 构即机器人本体, 其臂部一般采用空间开链连杆机构, 其中的运动副 (转动副或移动副) 常称为机器人高科技产物(19 张)关节, 关节个数通常即为机器人的自由度数 。 根据关节 配置型式和运动坐标形式的不同,机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、 极 坐标式和关节坐标式等类型。 出于拟人化的考虑 , 常将机器人本体的有关部位分别称为 基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人) 等。 驱动装置是驱使执行机构运动的机构, 按照控制系统发出的指令信号 , 借助于动力 元件使机器人进行动作。 它输入的是电信号, 输出的是线、 角位移量。 机器人使用的驱 动装置主要是电力驱动装置, 如步进电机、 伺服电机等, 此外也有采用液压、 气动等驱 动装置。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况,根据需要反馈给控制系统 , 与设定信息进行比较后,对执行机构进行调整,以保证机器人的动作符合预定的要求。 作为检测装置的传感器大致可以分为两类: 一类是内部信息传感器, 用于检测机器人各 部分的内部状况, 如各关节的位置、 速度、 加速度等, 并将所测得的信息作为反馈信号 送至控制器, 形成闭环控制。 另一类是外部信息传感器, 为了检测作业对象及环境或机 器人与它们的关系, 在机器人上安装了触觉传感器、 视觉传感器、 力觉传感器 、 接近觉 传感器 、 超声波传感器和听觉传感器等, 用于获取有关作业对象及外界环境等方面的信 息 , 以使机器人的动作能适应外界情况的变化, 使之达到更高层次的自动化 , 甚至使机 器 人具有某种 “ 感 觉 ” , 向智能化发展,利用这些信息构成一个大的反馈回路,从而将 提高机器人的工作精度。 控制系统有两种方式 。 一种是集中式控制 , 即机器人的全部控制由一台微型计算机 完成 。 另一种是分散 ( 级) 式控制, 即采用多台微机来分担机器人的控制 , 如当采用上 、 下两级微机共同完成机器人的控制时, 主机常用于负责系统的管理、 通讯 、 运动学和动 力学计算,并向下级微机发送指令信息;作为下级从机,各关节分别对应一个 CPU,进 行插补运算和伺服控制处理, 实现给定的运动, 并向主机反馈信息。 根据作业任务要求 的不同,机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制。 2 . 6 2 . 6 2 . 6 2 . 6 机器 人的 分类 机器 人的 分类 机器 人的 分类 机器 人的 分类 机器人的分类方法很多,主要有以下几种分类法。 按机械手的几何结构来分:1 0 (1)柱面坐标机器人 柱面坐标机器人主要由垂直柱子、 水平手臂(或机械手)和底座 构成。水平机械手装在柱子上,能自由伸缩,并可沿垂直柱子上下运动。 (2)球面坐标机器人 机械手能够做里外伸缩运动、 绕垂直平面上摆
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