機器人基礎三級項目

1、燕 山 大 學課程研究項目報告自平衡小車機器人系統的設計與制作學院：機械工程學院年級專業(yè)：機電20121/2班課程名稱：機電一體化系統設計組號：3學生姓名：武進、熊進、馮少日、張?zhí)杖唤M內分工：張三，車體設計與組裝，45%李四，軟件設計與調試，55%指導教師：姚建濤、劉曉飛日 期：2015.10摘要本報告主要介紹打磨機器人的機械臂和機械手的設計方法、思路、原理以及運動控制等，并結合智能車結構繪制三維圖、模擬仿真以及計算分析實現打磨、抓取等工作要求。報告主要分為三大部分：第一部分為進行機械臂方案選取，通過綜合考慮選擇最優(yōu)方案，并繪制三維圖；第二部分也是最重要的步驟為工作空間的分析（包括求運動學正解

2、與反解）、速度分析與軌跡規(guī)劃；第三部分為設計總結及心得體會。通過設計過程中查閱大量資料，組內組間積極討論最終形成此最終報告，但能力有限，對于本報告中的不足與錯誤希望老師批評指正。關鍵詞：機械臂，方案選取，三維圖，工作空間，速度，軌跡規(guī)劃前言機器人學是一門迅速發(fā)展的綜合性前沿學科，進入21 世紀，人類對空間的利用越來越迫切，隨著航天技術的發(fā)展，人類在太空中的活動也越來越多。未來將有大量的空間生產、空間加工、空間裝配和空間 設備的維護修理工作要做。但是，由于空間操作環(huán)境的特殊性和不確定性，以及載人航天技術的限制，太空中仍然需要由機器人來代替人進行一系列的作業(yè)。因此,，機器人的研發(fā)技術將成為未來宇宙

3、開發(fā)過程的關鍵技術之一。現普遍將機器人劃分為兩類：一般機器人和智能機器人。一般機器人是指不具有智能，只具有一般編程能力和操作功能的機器人。到目前為止，在世界范圍內還沒有一個統一的智能機器人定義。大多數專家認為智能機器人至少要具備以下三個要素：一是感覺要素，用來認識周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運動要素，對外界做出反應性動作；三是思考要素，根據感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動作。本次課程設計的打磨機器人小車屬于智能機器人的范疇，集中了計算機、機構學、傳感技術、電子技術、人工智能及自動控制等多科。為了實現打磨以及抓取、移動、放置物體等功能，機械臂與機械手的設計尤為重要。本次項目對于我們擴展思路、分析

4、問題、解決問題的能力進行了綜合性鍛煉，也將對今后職業(yè)生涯產生重要影響。目錄前言.I第1章 設計方案的確定. 1第2章 參數確定. . .82.1 機械手臂的設計.102.2 位移分析.112.3機械手爪設計.11第3章 工作空間分析. .123.1 運動學正解.133.2運動學反解.15第4章 速度分析.16第5章 軌跡規(guī)劃.17第6章 項目總結.18第7章 心得體會.18第8章 參考文獻.18 第1章 設計方案與參數確定1.1 機械手臂的設計該設計設計方案有如下三種: （1）該機械臂有3個轉動關節(jié)，此結構比較簡單，易制造，但由于它的工作范圍相對較小，所以不采取這種方案。圖3-1（a）（2）

5、該機械臂有4個轉動關節(jié)，手腕的轉動用于實現工件的位姿變化更順暢。此結構比較簡單，易制造，它的工作范圍也相對較大，但由于所抓取的工件有一定的質量，單臂剛度尅能會受到限制，所以不易采取這種方案。（3） 圖3-1（b）(3) 該機械臂由四個轉動關節(jié)組成，其中手部分為內外板，在夾取了螺栓后在重力產生的轉動力矩下，螺栓自動下垂為豎直狀態(tài)，便于裝配。該機械臂結構較為簡單，綜合了上述兩種方案的優(yōu)點，易于實現抓取與裝配目標。所以為最終方案。 圖3-1（c）經過分析比較我們最終選定方案3。1.2 位移分析分析確定連桿參數臂四臂三臂二臂一圖5-1 機械手初始位姿連桿參數iai-1(mm)i-1(°)di

6、（mm）關節(jié)變量初值(°)1000102148.59087203148.5003-90400040手抓0-901101.3 機械手爪的設計機械手爪的設計也有三種方案：（1）該方機械手爪的結構還是比較簡單的，它通過推動中間滑塊，實現手爪的張合，它的最大缺點是張開的范圍太小，并且控制不好的話，有時會將滑塊從兩尖角推出，所以不采取這種方案。（2）這種方案解決了方案一所存在的部分問題，張開的角度也是比較大的，但是結構比較復雜，制造成本比較高，考慮到經費和加工條件，不采取此方案。（3）最后這種方案結構比較簡單，已加工制造，且手爪張開的角度比較大，滿足要求，所以采取方案三。通過綜合考慮，我們決定

7、選擇第三種方案。第二章 工作空間分析2.1 運動學正解說明：由幾何關系算得連桿轉角，帶入驗證x y z 的坐標關系。a1 a2 a3 表示連桿1、2、3的轉角。最后解得，矩陣最后一列表示小球在原點坐標系中的位置。syms a1 a2 a3 a4 d1 d2 d3 d4 ;%連桿間齊次變換矩陣T10=cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1)*cos(0) cos(a1)*cos(0) -sin(0) -d1*sin(0); sin(a1)*sin(0) cos(a1)*sin(0) cos(0) d1*cos(0);0 0 0 1;T21=cos(a2) -sin(a2) 0 0

8、;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi/2) -d2*sin(pi/2); sin(a2)*sin(pi/2) cos(a2)*sin(pi/2) cos(pi/2) d2*cos(pi/2);0 0 0 1;T32=cos(a3) -sin(a3) 0 201;sin(a3)*cos(0) cos(a3)*cos(0) -sin(0) -d3*sin(0); sin(a3)*sin(0) cos(a3)*sin(0) cos(0) d3*cos(0);0 0 0 1;T43=cos(a4) -sin(a4) 0 0;sin(a4)*cos(0

9、) cos(a4)*cos(0) -sin(0) -d4*sin(0); sin(a4)*sin(0) cos(a4)*sin(0) cos(0) d4*cos(0);0 0 0 1;T40=T10*T21*T32*T43%代入初值：a1=0*pi/180;a2=0*pi/180;a3=-90*pi/180;a4=0*pi/180;d1=0;d2=87;d3=0;d4=0;%解得 T40 = 0.0000 1.0000 0 201.0000 -0.0000 0.0000 -1.0000 -87.0000 -1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0 0 0 1.0000即= 2

10、.2 運動學反解 運動學反解是已知末端連桿的位姿，求解關節(jié)變量的過程。syms a1 a2 a3 a4T10=cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1)*cos(0) cos(a1)*cos(0) -sin(0) -d1*sin(0); sin(a1)*sin(0) cos(a1)*sin(0) cos(0) d1*cos(0);0 0 0 1;T21=cos(a2) -sin(a2) 0 0;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi/2) -d2*sin(pi/2); sin(a2)*sin(pi/2) cos(a2)*sin(pi

11、/2) cos(pi/2) d2*cos(pi/2);0 0 0 1;T32=cos(a3) -sin(a3) 0 201;sin(a3)*cos(0) cos(a3)*cos(0) -sin(0) -d3*sin(0); sin(a3)*sin(0) cos(a3)*sin(0) cos(0) d3*cos(0);0 0 0 1;T43=cos(a4) -sin(a4) 0 0;sin(a4)*cos(-pi/2) cos(a4)*cos(-pi/2) -sin(-pi/2) -d4*sin(-pi/2); sin(a4)*sin(-pi/2) cos(a4)*sin(-pi/2) cos(

12、-pi/2) d4*cos(-pi/2);0 0 0 1;T40=T10*T21*T32*T43; T1=inv(T10);%求T10的逆矩陣。T41=T1*T40;%T41=T21*T32*T43對應各元素相等即可求出各關節(jié)變量。另見附錄一第3章 速度分析先求出雅克比矩陣，我們可以得到末端執(zhí)行器速度與各關節(jié)的速度關系。a1=0*pi/180;a2=0*pi/180;a3=-90*pi/180;a4=0*pi/180;d1=0;d2=87;d3=0;d4=0;T10=cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1)*cos(0) cos(a1)*cos(0) -sin(0) -d1*s

13、in(0); sin(a1)*sin(0) cos(a1)*sin(0) cos(0) d1*cos(0);0 0 0 1;T21=cos(a2) -sin(a2) 0 0;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi/2) -d2*sin(pi/2); sin(a2)*sin(pi/2) cos(a2)*sin(pi/2) cos(pi/2) d2*cos(pi/2);0 0 0 1;T32=cos(a3) -sin(a3) 0 201;sin(a3)*cos(0) cos(a3)*cos(0) -sin(0) -d3*sin(0); sin(a3)

14、*sin(0) cos(a3)*sin(0) cos(0) d3*cos(0);0 0 0 1;T43=cos(a4) -sin(a4) 0 0;sin(a4)*cos(0) cos(a4)*cos(0) -sin(0) -d4*sin(0); sin(a4)*sin(0) cos(a4)*sin(0) cos(0) d4*cos(0);0 0 0 1; T40=T10*T21*T32*T43;T30=T10*T21*T32;T20=T10*T21;T10=T10; R10=T10(1:3,1:3);%取T10第一行到第三行即第一列到第三列R20=T20(1:3,1:3);R30=T30(1:

15、3,1:3);R40=T40(1:3,1:3); T41=T21*T32*T43;T42=T32*T43;T43=T43;T44=T43; P41=T71(1:3,4);%取最后一列的前三行P42=T72(1:3,4);P43=T73(1:3,4);P44=T74(1:3,4); Z1=T10(1:3,3);%z軸單位向量Z2=T20(1:3,3);Z3=T30(1:3,3);Z4=T40(1:3,3); R1=cross(Z1,(R10*P41);%速度VR2=cross(Z2,(R20*P42);R3=cross(Z3,(R30*P43);R4=cross(Z4,(R40*P44); J=

16、R1 R2 R3 R4;Z1 Z2 Z3 Z4得J = 87.0000 0 0 0 201.0000 0.0000 0 0 0 201.0000 0 0 0 0 0 0 0 -1.0000 -1.0000 -1.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 第4章 軌跡規(guī)劃 我們通過三維模擬，得到各個關節(jié)角位移和角速度的曲線如下：角位移： 關節(jié)一角位移 關節(jié)二角位移 關節(jié)三角位移 關節(jié)四角位移 角速度： 關節(jié)一角速度 關節(jié)二角速度 關節(jié)三角速度 關節(jié)四角速度第5章 項目總結機械臂與機械手的設計與運動控制是機器人實現自身功能的非常重要的一個環(huán)節(jié)，盡管我們通過學習與自身能力結合

17、完成了本次項目，但其內容與功能上仍有不足與缺陷，希望將來能有有機會再次完善。本報告主要概述了利用maTlab和SolidWorks來實現機械臂運動模擬的整個過程和基本原理。機械臂模擬是建立在機器人的基礎之上，以矩陣為基本單位，通過矩陣變換以及maTlab數學計算求得運動學的正解與反解，簡化了計算過程；然后利用SolidWorks三維建模進行運動模擬，它的運動可以通過修改運動軌跡來改善機械臂的運行情況，避免了大量的編程，使運動模擬更加快捷簡便?？傊畽C械臂與機械手的設計有各種各樣的方案等著我們去思考實現，相信如果再有機會我們能夠比現在做得更好。第六章 心得體會本次課程設計時間緊任務重，通過全組人員

18、的通力協作終于在匯報前按時完成，在此過程中也讓我們更深入的了解了機器人這門課程的實際應用。本次設計綜合了所學的機器人學的所有知識，是對過去學習的檢驗，同時也是鞏固提高、溫故知新的過程。通過此次設計使我們發(fā)現如今學習到的知識面還是太窄，內容有限，僅僅為取得考試成績所學的知識根本遠遠不夠，只有更廣泛的學習和調查各方面的資料才能達到真真的提高。首先面臨機械臂多種方案的設計，開始無從下手，后通過查閱各方資料不斷吸取新的內容才完成了項目的第一步，最重要的運動學正反解在實際計算時也面臨很多困難，再者就是在完成此次項目的同時還交叉著其他各科的許多項目與考試，如何合理的安排時間調高項目的進行效率也是一個考驗。

19、設計過程中，在老師、助教以及同學的幫助和配合下，才使得項目如期基本完成，這體現了團隊精神的重要性。本次課程實踐項目無論在專業(yè)知識還是在學習能力上都對我們有很大的啟發(fā)，也非常感謝老師和助教的指導。參考文獻 1. 劉杰 機電一體化技術基礎與產品設計 冶金工業(yè)出版社,2003 2. 李廣弟 朱月秀 冷祖祁 單片機基礎 北京航空航天大學出版社，20073. 熊有倫 機器人技術基礎 華中科技大學出版社附錄T41 = (sin(a1)*(cos(a4)*(cos(a3)*(4967757600021511*cos(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 +

20、 cos(a2)*sin(a1) - sin(a3)*(sin(a1)*sin(a2) - (4967757600021511*cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064) - (4967757600021511*sin(a4)*(cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2) - (4967757600021511*cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064) + sin(a3)*(4967757600021511*cos(a1)*sin(a2)/811296384146066816

21、95789005144064 + cos(a2)*sin(a1)/81129638414606681695789005144064 + cos(a1)*sin(a4)/(cos(a1)2 + sin(a1)2) - (cos(a1)*(sin(a1)*sin(a4) + cos(a4)*(cos(a3)*(4967757600021511*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a2) + sin(a3)*(cos(a1)*sin(a2) + (4967757600021511*cos(a2)*sin(a1)

22、/81129638414606681695789005144064) + (4967757600021511*sin(a4)*(cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2) + (4967757600021511*cos(a2)*sin(a1)/81129638414606681695789005144064) - sin(a3)*(4967757600021511*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064)/(cos(a1)2 +

23、sin(a1)2), - (sin(a1)*(4967757600021511*cos(a4)*(cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2) - (4967757600021511*cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064) + sin(a3)*(4967757600021511*cos(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 + cos(a2)*sin(a1)/81129638414606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a4) + sin(a4)*

24、(cos(a3)*(4967757600021511*cos(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 + cos(a2)*sin(a1) - sin(a3)*(sin(a1)*sin(a2) - (4967757600021511*cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064)/(cos(a1)2 + sin(a1)2) - (cos(a1)*(4967757600021511*cos(a4)*(cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2) + (4967757600021511*cos(

25、a2)*sin(a1)/81129638414606681695789005144064) - sin(a3)*(4967757600021511*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064 - sin(a4)*(cos(a3)*(4967757600021511*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a2) + sin(a3)*(cos(a1)*sin

26、(a2) + (4967757600021511*cos(a2)*sin(a1)/81129638414606681695789005144064) + cos(a4)*sin(a1)/(cos(a1)2 + sin(a1)2), (cos(a1)*(4967757600021511*sin(a1)/81129638414606681695789005144064 - cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2) + (4967757600021511*cos(a2)*sin(a1)/81129638414606681695789005144064) + sin(a3)*(49677576

27、00021511*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a2)/(cos(a1)2 + sin(a1)2) - (sin(a1)*(4967757600021511*cos(a1)/81129638414606681695789005144064 + cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2) - (4967757600021511*cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064) + sin(a3)*(4967757600021511*cos(a1)

28、*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 + cos(a2)*sin(a1)/(cos(a1)2 + sin(a1)2), (cos(a1)*(87*sin(a1) - (998519277604323711*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 + 201*cos(a1)*cos(a2)/(cos(a1)2 + sin(a1)2) + (sin(a1)*(998519277604323711*cos(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 -

29、 87*cos(a1) + 201*cos(a2)*sin(a1)/(cos(a1)2 + sin(a1)2) (cos(a1)*(cos(a4)*(cos(a3)*(4967757600021511*cos(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 + cos(a2)*sin(a1) - sin(a3)*(sin(a1)*sin(a2) - (4967757600021511*cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064) - (4967757600021511*sin(a4)*(cos(a3

30、)*(sin(a1)*sin(a2) - (4967757600021511*cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064) + sin(a3)*(4967757600021511*cos(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 + cos(a2)*sin(a1)/81129638414606681695789005144064 + cos(a1)*sin(a4)/(cos(a1)2 + sin(a1)2) + (sin(a1)*(sin(a1)*sin(a4) + cos(a4)*(cos(

31、a3)*(4967757600021511*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a2) + sin(a3)*(cos(a1)*sin(a2) + (4967757600021511*cos(a2)*sin(a1)/81129638414606681695789005144064) + (4967757600021511*sin(a4)*(cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2) + (4967757600021511*cos(a2)*sin(a1)/811296384146066816957890

32、05144064) - sin(a3)*(4967757600021511*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064)/(cos(a1)2 + sin(a1)2), (sin(a1)*(4967757600021511*cos(a4)*(cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2) + (4967757600021511*cos(a2)*sin(a1)/81129638414606681695789005144064) - sin(a

33、3)*(4967757600021511*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064 - sin(a4)*(cos(a3)*(4967757600021511*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a2) + sin(a3)*(cos(a1)*sin(a2) + (4967757600021511*cos(a2)*sin(a1)/811296384146

34、06681695789005144064) + cos(a4)*sin(a1)/(cos(a1)2 + sin(a1)2) - (cos(a1)*(4967757600021511*cos(a4)*(cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2) - (4967757600021511*cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064) + sin(a3)*(4967757600021511*cos(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 + cos(a2)*sin(a1)/8112963841

35、4606681695789005144064 - cos(a1)*cos(a4) + sin(a4)*(cos(a3)*(4967757600021511*cos(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 + cos(a2)*sin(a1) - sin(a3)*(sin(a1)*sin(a2) - (4967757600021511*cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064)/(cos(a1)2 + sin(a1)2), - (cos(a1)*(4967757600021511*cos(a1

36、)/81129638414606681695789005144064 + cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2) - (4967757600021511*cos(a1)*cos(a2)/81129638414606681695789005144064) + sin(a3)*(4967757600021511*cos(a1)*sin(a2)/81129638414606681695789005144064 + cos(a2)*sin(a1)/(cos(a1)2 + sin(a1)2) - (sin(a1)*(4967757600021511*sin(a1)/81129638414606681695789005144064 - cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2) + (4967757600021511*cos(a2)*sin(a1)/81129638414606681695789005144064) + sin(a3)*(4967757600021511*sin(a1)*sin(a2)/81129638414606681695