機(jī)器人項(xiàng)目報(bào)告循跡避障智能車設(shè)計(jì)

1、機(jī)器人技術(shù)課程項(xiàng)目智能涂膠避障裝配多功能機(jī)器人姓名:指導(dǎo)教師:智能涂膠避障裝配多功能機(jī)器人摘要本次項(xiàng)目我們?cè)谡莆諉纹瑱C(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合畫圖軟件及 matlab 和機(jī)器人技術(shù)深入了解并掌握機(jī)械臂設(shè) 計(jì)的知識(shí)。設(shè)計(jì)過程當(dāng)中經(jīng)過談?wù)?，我們確定最后方案，然后用三維軟件做出了最后方案機(jī)械臂的三維實(shí) 體并做了具體操作分析，為了對(duì)其進(jìn)行控制還進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，最終確定了實(shí)體的制作過程。報(bào)告主要 包括：機(jī)械臂方案的討論及確定，機(jī)械臂尺寸參數(shù)的確定，動(dòng)力學(xué)分析及軌跡規(guī)劃。目錄目 錄 31、前 言： 42、設(shè)計(jì)方案的確定 42.1 任務(wù)分析 42.2 設(shè)計(jì)參數(shù)： 42.3 具體項(xiàng)目任務(wù)要求 53、參數(shù)的確定 53.

2、1 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) 53.1.1 機(jī)械手臂桿數(shù)和軸數(shù)的確定 53.2 手臂尺寸的確定 63.2.1 機(jī)械臂一尺寸的確定 63.1.3 機(jī)械臂二、三尺寸的確定 64、工作空間分析 74.1 空間模擬 74.2 初始位置： 84.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 94.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)反解 105、速度分析 116、軌跡規(guī)劃 136.1 各關(guān)節(jié)位移、速度、加速度曲線 136.2 詳細(xì)程序 157、項(xiàng)目總結(jié) 168、參考文獻(xiàn) 161、前言：機(jī)械手臂是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、 醫(yī)學(xué)治療、 娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。 盡管它們 的形態(tài)各有不同，但

3、它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠接受指令，精確地定位到三維 (或 二維)空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。在三級(jí)項(xiàng)目智能移動(dòng)小車的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出機(jī)械臂和手爪， 與小車組裝為一體，通過程序控制，實(shí)現(xiàn)小車的避障，循跡，通訊，以及裝配螺栓的動(dòng)作。 裝配機(jī)器人智能小車主要由機(jī)械系統(tǒng)， 環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)， 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及機(jī)械臂控制系統(tǒng)組成。2、設(shè)計(jì)方案的確定2.1 任務(wù)分析要求在已設(shè)計(jì)的智能小車上加裝機(jī)械臂，如圖 1 完成：1、按動(dòng)開關(guān)，啟動(dòng)生產(chǎn)線；2、到涂膠工位完成涂膠；3、找到迷宮入口，進(jìn)入迷宮；4、實(shí)現(xiàn)穿越迷宮；5、尋跡；6、到裝配工位車體或機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)；7、手爪張開8、實(shí)現(xiàn)對(duì)指定工件的抓取和裝配等一些列的動(dòng)作。2

4、.2 設(shè)計(jì)參數(shù)：工件的形狀為球形或圓柱形，直徑為 70-120 ，重量小于 0.5 千克，膠刷尺寸同工件。涂膠中心線距地面高 260mm長400高200mm矩形區(qū)域的正弦曲線承料臺(tái)的高度：300mm開關(guān)高度：310mm(280320mm) 開關(guān)大?。?60x60mm200-300承料臺(tái)RE工件距平臺(tái)上表面iirj3Cl0ttiin50臬-0300涂膠目標(biāo)為中心 線距地面高260nun 的長400 X高200!迷宮入口1500+200的矩形區(qū)域內(nèi)的丨 正弦曲線 丨 l200 a-o-n 開關(guān)涂膠工位2.3具體項(xiàng)目任務(wù)要求本小車的第一任務(wù)為前半部分的涂膠避障過程，主要包括在迷宮的入口通過尋跡定位抓

5、涂膠，然后然后通過智能避障系統(tǒng)走出迷宮；第二任務(wù)為后半部分的循跡和裝配過程，主要包括小車循跡走到指定工作位置，然后用機(jī)械臂及手抓取零件并進(jìn)行裝配。3、參數(shù)的確定3.1機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)3.1.1機(jī)械手臂桿數(shù)和軸數(shù)的確定機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)很多，但是為了實(shí)現(xiàn)其抓球、放球及灌籃的功能，一般應(yīng)采用有兩 個(gè)連桿組成的機(jī)械臂。關(guān)節(jié)可采用移動(dòng)關(guān)節(jié)，也可以采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)?？紤]到項(xiàng)目中的實(shí)際情況和手臂制作的可實(shí)現(xiàn)行，初步確定采用三桿轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的手 臂。3.2手臂尺寸的確定321機(jī)械臂一尺寸的確定設(shè)計(jì)用的尺寸包括：小車的高度80mm ;涂膠目標(biāo)為中心線距地面高260mm的長400 X200mm的矩形區(qū)域內(nèi)的正弦曲線，距掃描

6、軌跡200mm，故機(jī)械臂末端執(zhí)行器能達(dá)到的最低高度為160mm ,最高高度為360mm ;膠刷形狀球形或圓柱形，直徑70120mm，重量小于0.5kg ;工件距平臺(tái)上表面高 300mm，承料臺(tái)距軌跡距離為200300mm。根據(jù)實(shí)際的要求尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先我們需要確定手臂一的高度，手臂一的高度將會(huì)很大程度上影響手臂的長度，根據(jù)計(jì)算，手臂末端要達(dá)到的豎直高度為360mm，如果機(jī)座太高則整個(gè)機(jī)械手穩(wěn)定性將降低，而機(jī)座太低則手臂長度便會(huì)相應(yīng)增長，影響其強(qiáng)度，因此選機(jī)座高度為90mm;樣基座將不會(huì)非常的穩(wěn)定，為此，我們采用在三角鋁合金的下面加木質(zhì)墊片 來穩(wěn)定其位置，并用木質(zhì)的支撐來支持基座，這樣也可以很

7、好的吸收舵機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。3.1.3機(jī)械臂二、三尺寸的確定根據(jù)要求，基座到承料臺(tái)上工件的距離即機(jī)械手最大高度為300m m,而小車在裝配時(shí)的停車位置距工件 200-300mm。為保證機(jī)械手能抓到工件， 我們選定260mm L 2+L 3340mm ； 而為保證機(jī)械手能完成涂膠工作，我們選定200mmL2+L3300mm。故 200mmL2+L3 300mm ;垂直距離：180+120+90=390360mm，即所設(shè)計(jì)的尺寸符合任務(wù)要求。涂膠工位的草圖模擬:三桿3.2位移分析4、工作空間分析4.1空間模擬在solidworks中建立了機(jī)構(gòu)簡圖后，直接描繪出工作空間，如圖工作空間是以機(jī)械臂 1

8、末端為圓心，機(jī)械臂 2和機(jī)械臂3差值為半徑的小圓，和機(jī)械臂 2和機(jī)械臂3的和為大圓所圍成的圓環(huán)，再圍繞機(jī)械臂 1回轉(zhuǎn)形成的空心球環(huán)。4.2初始位置:連桿參數(shù):連桿參數(shù)iai-1 (mm)a i-1 ( )di (mm關(guān)節(jié)變量初值（ ）100909 1020-9009 203180009 304090120-說明：由幾何關(guān)系算得連桿轉(zhuǎn)角，帶入驗(yàn)證x y z的坐標(biāo)關(guān)系。al a2 a3表示連桿1、2、3的轉(zhuǎn)角。最后解得0T ,矩陣最后一列表示小球在原點(diǎn)坐標(biāo)系中的位置。4.3運(yùn)動(dòng)學(xué)正解symsa0a1a2a3y0y1y2y3d1d2d3d4x1x2x3x4正解程序:a0=0a1=0a2=150a3=

9、0y0=(0/180)*piy1=(-90/180)*piy2=(0/180)*piy3=(90/180)*pid1=90d2=0d3=0d4=100x1=(0/180)*pix2=(0/180)*pix3=(0/180)*pix4=(0/180)*piT10=cos(x1)-si n(x1)-d1*si n(y0);si n(x1)*si n(y0)T21=cos(x2)-si n(x2)-d2*si n(y1);si n(x2)*si n(y1)T32=cos(x3)-si n(x3)-d3*si n(y2);si n(x3)*si n(y2)%yi表示扭角，xi表示關(guān)節(jié)角%繞x軸轉(zhuǎn)一定的

10、角度%繞z軸轉(zhuǎn)角度0 a0;si n(x1)*cos(y0) cos(x1)*si n(y0)0 a1;si n(x2)*cos(y1) cos(x2)*si n(y1)0 a2;si n(x3)*cos(y2)cos(x3)*si n(y2)cos(x1)*cos(y0)-sin(y0)cos(y0)d1*cos(y0);0001cos(x2)*cos(y1)-sin(y1)cos(y1)d2*cos(y1);0001cos(x3)*cos(y2)-sin(y2)cos(y2)d3*cos(y2);0001T43=cos(x4)-sin(x4)0 a3;sin(x4)*cos(y3)cos(

11、x4)*cos(y3)-sin(y3)-d4*sin(y3);sin(x4)*sin(y3)cos(x4)*sin(y3)cos(y3) d4*cos(y3);00 0 1T40=T10*T21*T32*T43最后得出位姿為：T40 =100180010000121000014.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)反解反解程序 :說明：代入坐標(biāo)x=200, y=0 ,z=230。根據(jù)等式左右兩端對(duì)應(yīng)相等。解出關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度syms a1 a2 a3 a4a4=0*pi/180;x=220;y=300;z=0;t10=cos(a1) -sin(a1) 0 100;sin(a1) cos(a1) 0 0;0 0 1 0;0

12、0 0 1;t21=cos(a2) -sin(a2) 0 100;sin(a2) cos(a2) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1;t32=cos(a3) -sin(a3) 0 150;sin(a3) cos(a3) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1; t43=cos(a4) -sin(a4) 0 0;0 0 -1 -100;sin(a4) cos(a4) 0 0;0 0 0 1;t=t10*t21*t32*t43;f1=x-t(1,4);f2=y-t(2,4);f3=z-t(3,4); a1,a2,a3=solve(f1,f2,f3,a1,a2,a3);%轉(zhuǎn)化為角度值 a11=v

13、pa(a1*180/pi,6) a22=vpa(a2*180/pi,6) a33=vpa(a3*180/pi,6)運(yùn)行結(jié)果：a11 =00180.0180.0180.0180.0 a22 =-62.4756-3.33493-117.524-176.66557.2958*z57.2958*z a33 =-177.771-2.22873-2.22873-177.771180.0180.05、速度分析說明：先求出雅克比矩陣，我們可以得到末端執(zhí)行器速度與各關(guān)節(jié)的速度關(guān)系。在末端 執(zhí)行器速度已知的情況下求的各關(guān)節(jié)的速度。a1=0*pi/180;a2=0*pi/180;a3=180*pi/180;a4=0

14、*pi/180;d1=90;d2=0;d3=0;d4=120;t10=cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1) cos(a1) 0 0;0 0 1 d1;0 0 0 1;t21=cos(a2) -sin(a2) 0 0;0 0 1 d2;sin(a2) cos(a2) 0 0;0 0 0 1; t32=cos(a3) -sin(a3) 0 200;sin(a3) cos(a3) 0 0;0 0 1 d3;0 0 0 1; t43=cos(a4) -sin(a4) 0 0;0 0 -1 -160;sin(a4) cos(a4) 0 0;0 0 0 1;t20=t10*t21;t3

15、0=t20*t32;t40=t30*t43;t41=t21*t32*t43;t42=t32*t43;z1=t10(1,3);t10(2,3);t10(3,3);z2=t20(1,3);t20(2,3);t20(3,3);z3=t30(1,3);t30(2,3);t30(3,3);z4=t40(1,3);t40(2,3);t40(3,3);p1=t41(1,4);t41(2,4);t41(3,4);p2=t42(1,4);t42(2,4);t42(3,4);p3=t43(1,4);t43(2,4);t43(3,4);r1=t10(1,1) t10(1,2) t10(1,3);t10(2,1) t

16、10(2,2) t10(2,3);t10(3,1) t10(3,2) t10(3,3);r2=t20(1,1) t20(1,2) t20(1,3);t20(2,1) t20(2,2) t20(2,3);t20(3,1) t20(3,2) t20(3,3);r3=t30(1,1) t30(1,2) t30(1,3);t30(2,1) t30(2,2) t30(2,3);t30(3,1) t30(3,2) t30(3,3);p11=cross(z1,r1*p1);p22=cross(z2,r2*p2);p33=cross(z3,r3*p3);j=p11(1,1) p22(1,1) p33(1,1)

17、;p11(2,1) p22(2,1) p33(2,1);p11(3,1) p22(3,1) p33(3,1);z1(1,1) z2(1,1) z3(1,1);z1(2,1) z2(2,1) z3(2,1);z1(3,1) z2(3,1) z3(3,1);syms q1 q2 q3 q4 q5 q6 v1 v2 v3 w1 w2 w3 v=v1;v2;v3;w1;w2;w3;q=q1;q2;q3;ji=j*q;%等式左右兩端矩陣中元素對(duì)應(yīng)相等，列出三個(gè)方程 f1=v(1,1)-ji(1,1);f2=v(2,1)-ji(2,1);f3=v(3,1)-ji(3,1);q1,q2,q3=solve(f

18、1,f2,f3,q1,q2,q3);q1=vpa(q1,6)q2=vpa(q2,6)q3=vpa(q3,6)運(yùn)行結(jié)果：j =0 160.0000 160.0000200.0000 0 0 0 -200.0000 -0.0000 0000 1.0000 1.00001.000000q1 =0.005*v2q2 =- 6.12323e-19*v1 - 0.005*v3q3 =0.00625*v1 + 0.005*v36、軌跡規(guī)劃6.1 各關(guān)節(jié)位移、速度、加速度曲線說明：程序中速度，加速度函數(shù)先通過 diff 函數(shù)求得，再代入得到各曲線。關(guān)節(jié) 1 （假設(shè)旋轉(zhuǎn)角度 30 度）位移時(shí)間曲線速度時(shí)間曲線t/s加速度時(shí)間曲線a關(guān)節(jié)2位移時(shí)間曲線關(guān)節(jié)t/s速度時(shí)間曲線t/sat/s加速度時(shí)間曲線10.5加速度時(shí)間曲線V6.2詳細(xì)程序每個(gè)關(guān)節(jié)分別求出，改變aO,af值即可，其余部分不變。syms a2 a3 tf t;tf=5af=-60*pi/180;a0=84.3*pi/180;a1=0;