機(jī)器人技術(shù)之機(jī)械臂的制作

1、燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)題目：智能車及裝配機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整理姓 名：尤振民 李明 胡強(qiáng)強(qiáng) 布賀寧分 工：尤振民：機(jī)械手三維圖形的整理及動(dòng)畫(huà)仿真李明：資料收集，機(jī)械手臂編程及調(diào)試 胡強(qiáng)強(qiáng)：機(jī)械手臂的尺寸設(shè)計(jì)，軌跡規(guī)劃 布賀寧：機(jī)械手臂方案論證，項(xiàng)目報(bào)告，PPT課程名稱：機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)指導(dǎo)教師：李艷文、姚建濤、張慶玲2011年10月目錄1.摘要····················&#

2、183;······································12.前言··········

3、83;················································13.方案論證&#

4、183;·················································&#

5、183;····14.硬件設(shè)計(jì)············································&

6、#183;··········45.軟件設(shè)計(jì)······································

7、·················56.修改建議································

8、;······················117.項(xiàng)目心得··························

9、83;···························128.參考文獻(xiàn)·····················&

10、#183;································12智能車及裝配機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整理說(shuō)明書(shū)1摘要機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)集環(huán)境感知、軌跡規(guī)劃、機(jī)械手應(yīng)用等功能于一體的機(jī)電一體化系統(tǒng)。它是集中了計(jì)算機(jī)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能及自動(dòng)控制等多科而形成的

11、高新技術(shù)。本次課程設(shè)計(jì)的裝配機(jī)器人智能小車就是這種高新技術(shù)綜合體的一種嘗試。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。小車以單片機(jī)為核心，附以外圍電路，采用光電檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)故障和循跡，并用軟件控制小車及機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)行駛、轉(zhuǎn)彎、尋跡檢測(cè)、避障、停止及裝配等功能的智能控制系統(tǒng)。2前言本文介紹了智能車及裝配機(jī)器人系統(tǒng)。它是在智能循跡小車的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)一個(gè)球形果裝配的機(jī)械手并裝配到原有的智能小車上，完成裝配機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、整理，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制規(guī)劃，控制機(jī)器人完成一系列復(fù)雜動(dòng)作，如手抓張合、車體回轉(zhuǎn)，智能循跡避障、協(xié)同作業(yè)等任務(wù)

12、。3機(jī)械手方案論證3.1機(jī)械手臂方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案有如下三種:A方案如圖3-1（a）所示。由于手臂要執(zhí)行裝配作業(yè)，于是我們首先想到了平行四邊行的穩(wěn)定性，便設(shè)計(jì)了如下方案。該方案穩(wěn)定性較好，使用電機(jī)數(shù)量也少，節(jié)約了成本，但它同時(shí)也限制了機(jī)械手的靈活性，且機(jī)械手不能抓取地面上的物體，縮小了機(jī)械手的操作空間。舵機(jī)二舵機(jī)一圖3-1（a）B方案如圖3-1（b）所示。該方案改進(jìn)了方案A的機(jī)械手不能抓取到地面的缺點(diǎn)，但Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)只能靠小車的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，耗能多，不符合“多動(dòng)小關(guān)節(jié)、少動(dòng)大關(guān)節(jié)”原則，而且需要控制車輪方能實(shí)現(xiàn)，車輪依靠步進(jìn)電機(jī)控制，從而給編程和后期調(diào)試帶來(lái)不便。舵機(jī)一舵機(jī)二舵機(jī)三 圖3-1（b）C方

13、案如圖3-1（c）所示。該方案在基座處又加了一個(gè)電機(jī)，改進(jìn)了方案B的缺點(diǎn)，在球形果偏離預(yù)定位置時(shí)仍能通過(guò)腰關(guān)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)作業(yè)，增強(qiáng)了機(jī)械手的靈活性,并能實(shí)現(xiàn)預(yù)定工作空間。舵機(jī)四舵機(jī)三舵機(jī)二舵機(jī)一 圖3-1（c）經(jīng)過(guò)分析比較我們最終選定方案C。3.2機(jī)械手爪方案設(shè)計(jì)方案一如圖3-2（a）所示。該方案手爪張合靈活且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但由于其為懸臂結(jié)構(gòu)且鋁合金材料強(qiáng)度有限，不能抓取強(qiáng)度很大的物體。 圖3-2（a）方案二如圖3-2（b）所示。該方案了在支撐手爪處增加一個(gè)平行四邊行機(jī)構(gòu)，增加了手爪的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，且抓取自如，方便靈活。平行四邊形機(jī)構(gòu) 圖3-2（b）4硬件設(shè)計(jì)4.1機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)4.1

14、.1機(jī)械一尺寸的確定設(shè)計(jì)用的尺寸包括：小車的高度75mm，機(jī)械手所能達(dá)到的總高度為200-400mm，小車在裝配時(shí)機(jī)械手機(jī)座距球形果175mm，球形果直徑38-40mm，重量小于0.5kg。動(dòng)作時(shí)小車到球的水平位置分別為350mm。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(zhǎng)度，根據(jù)計(jì)算，手臂末端要達(dá)到的豎直高度為200mm，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(zhǎng)度便會(huì)相應(yīng)增長(zhǎng)，影響其強(qiáng)度，因此選機(jī)座高度為40mm；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(lái)穩(wěn)定其位置，并用木質(zhì)的支撐來(lái)支持基座，這樣

15、也可以很好的吸收舵機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。手臂二關(guān)節(jié)二關(guān)節(jié)一手爪手臂三手臂一關(guān)節(jié)三圖4-1機(jī)械手抓球時(shí)的位姿4.1.2機(jī)械臂二、三尺寸的確定根據(jù)要求，基座到球形果的距離即機(jī)械手最大高度為430mm，而小車在裝配是的停車位置距球形果175mm。為保證機(jī)械手能裝配到球形果，我們選定與末端執(zhí)行器相連的手臂長(zhǎng)為175mm；而為保證機(jī)械手能達(dá)到最大高度，我們選定與機(jī)座相連的手臂長(zhǎng)為200mm。橫向距離：175+200=375>350mm；垂直距離：200+175+40=410>400mm，即所設(shè)計(jì)的尺寸符合任務(wù)要求。4.2 機(jī)械手爪設(shè)計(jì) 手爪的外形如圖所示，球形果的直徑為30mm-80mm。為保

16、證在裝配過(guò)程中不致?lián)p傷球形果表面，在手爪上需要加裝海綿，讓手爪能夠有效的抓緊球形果。海綿的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為80mm，同時(shí)設(shè)定手爪內(nèi)部的海綿厚度為5mm，這樣兩邊的厚度加和為10m。并且保證小球在被夾緊時(shí)手爪是平行的（這樣可以更有效的夾緊）5軟件設(shè)計(jì)5.1位移分析分析確定連桿參數(shù)圖5-1 機(jī)械手初始位姿連桿參數(shù)iai-1(mm)i-1(°)di（mm）關(guān)節(jié)變量初值(°)10040102090025.7320100384.340-90175 5.1.1運(yùn)動(dòng)學(xué)正解說(shuō)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。a1 a2 a3 表示連桿1、2、3的轉(zhuǎn)角。最后解得，矩陣最后

17、一列表示小球在原點(diǎn)坐標(biāo)系中的位置。a1=0*pi/180;a2=150*pi/180;a3=-60*pi/180;a4=0*pi/180;d1=40;d2=0;d3=0;d4=176;%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;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi

18、/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(-pi/2) cos(a4)*cos(-pi/2) -sin(-pi/2) -d4*sin

19、(-pi/2); sin(a4)*sin(-pi/2) cos(a4)*sin(-pi/2) cos(-pi/2) d4*cos(-pi/2);0 0 0 1;t=t10*t21*t32*t43t = -0.0000 -0.0000 -1.0000 -350.0711 0.0000 1.0000 -0.0000 -0.0000 1.0000 -0.0000 -0.0000 140.5000 0 0 0 1.00005.1.1運(yùn)動(dòng)學(xué)反解說(shuō)明：代入坐標(biāo)x=-350，y=0， z=140。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。選擇最優(yōu)解。syms a1 a2 a3a4=0*pi/180;d1=

20、40;d2=0;d3=0;d4=176;x=-350;y=0;z=140;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;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)

21、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(-pi/2) d4*cos(

22、-pi/2);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=vpa(a1*180/pi,6)a22=vpa(a2*180/pi,6)a33=vpa(a3*180/pi,6) a11 = -.761823e-15 -180.000 -180.000 -.761818e-15 a22 = 149.960 30.0398 1.85098 178.149 a33 = -59.7578 -120.242 -59.7578 -120.242

23、5.2速度分析說(shuō)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=150*pi/180;a3=-60*pi/180;a4=0*pi/180;d1=40;d2=0;d3=0;d4=176;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;sin(a

24、2)*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(-pi/2)

25、cos(a4)*cos(-pi/2) -sin(-pi/2) -d4*sin(-pi/2); sin(a4)*sin(-pi/2) cos(a4)*sin(-pi/2) cos(-pi/2) d4*cos(-pi/2);0 0 0 1;t40=t10*t21*t32*t43;t20=t10*t21;t30=t20*t32;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)

26、;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) t10(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

27、); 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); 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

28、 v1 v2 v3 w1 w2 w3v=v1;v2;v3;w1;w2;w3q=q1;q2;q3ji=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(f1,f2,f3,q1,q2,q3)q1=vpa(q1,6)q2=vpa(q2,6)q3=vpa(q3,6)j = 0.0000 -100.5000 0.0000 -350.0711 -0.0000 -0.0000 0 -350.0711 -176.0000 0 0 0 0 -1.0000 -1.0000 1.00

29、00 0.0000 0.0000q1 = -.345199e-34*v1-.285656e-2*v2+.174914e-18*v3 q2 = -.131403e-18*v2-.198743e-17*v3-.995025e-2*v1 q3 = -.568182e-2*v3+.261366e-18*v2+.197914e-1*v15.3軌跡規(guī)劃說(shuō)明：程序中速度，加速度函數(shù)先通過(guò)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）關(guān)節(jié)2關(guān)節(jié)三5.4 詳細(xì)程序每個(gè)關(guān)節(jié)分別求出，改變a0,af值即可，其余部分不變。syms a2 a3 tf t;tf=5af=-60*pi/180;a0=8

30、4.3*pi/180; a1=0;f(tf)=a0+a1*tf+a2*tf2+a3*tf3-af ;v(tf)=a1+2*a2*tf+3*a3*tf2 ;a2,a3=solve(f(tf),v(tf),a2,a3)t=0:0.01:tf;f3=a0+a1*t+a2*t.2+a3*t.3subplot(2,2,1)plot(t,f3)gridxlabel('t/s');ylabel('');title('位移時(shí)間曲線')v =(481*pi*t.2)/12500 - (481*pi*t)/2500 subplot(2,2,2);plot(t,v);

31、grid;xlabel('t/s')ylabel('v')title('速度時(shí)間曲線')a =(481*pi*t)/6250 - (481*pi)/2500subplot(2,2,3);plot(t,a);grid;xlabel('t/s')ylabel('a')title('加速度時(shí)間曲線')6項(xiàng)目改進(jìn)意見(jiàn)6.1智能小車車速調(diào)節(jié)在小車調(diào)試過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，如果把速度調(diào)的稍高時(shí)在拐彎時(shí)小車會(huì)沖出黑線，而速度太低時(shí)小車會(huì)出現(xiàn)震顫，因而只靠軟件調(diào)速，不能完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，可在小車上安裝一個(gè)調(diào)速器從而使調(diào)速

32、過(guò)程更平穩(wěn)。6.2信號(hào)檢測(cè)與響應(yīng)我們通過(guò)軟件檢測(cè)與其相連的芯片引腳的電平高低來(lái)判斷其是否檢測(cè)到信號(hào)，但由于在程序順序執(zhí)行且有延時(shí)，因此可能會(huì)造成小車來(lái)不及反應(yīng)就撞上障礙物。因此最好的方法就是使用中斷，等芯片一檢測(cè)到信號(hào)就優(yōu)先處理中斷程序，從而使小車反應(yīng)更靈敏。6.3小車車體由于小車車體是由鋁合金制成，重量較輕，而后仍需在車體上安裝用來(lái)執(zhí)行作業(yè)的機(jī)械臂，使小車受力不平衡，因而小車在行進(jìn)過(guò)程中遇到上坡或障礙物時(shí)易震顫或翻車。因而可在小車車體上安裝木塊等來(lái)平衡小車受力，增強(qiáng)小車的穩(wěn)定性。7心得體會(huì)我們的智能車及裝配機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有機(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)械手控制系統(tǒng)三大部分組成。

33、智能小車以單片機(jī)為核心，附以外圍電路，采用紅外線檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)故障采用黑白線法進(jìn)行循跡，并用軟件控制小車及機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)行駛、轉(zhuǎn)彎、尋跡檢測(cè)、避障、停止及手臂彎曲，手爪張合，裝配等功能的智能控制系統(tǒng)。剛拿到項(xiàng)目的時(shí)候，雖然對(duì)機(jī)器人很感興趣，但是由于缺乏系統(tǒng)的理論知識(shí)而毫無(wú)頭緒，在我們后來(lái)的邊查資料，邊焊電路板的過(guò)程中，才慢慢進(jìn)入狀態(tài)。到后來(lái)的編寫(xiě)程序及調(diào)試，我們采取了“簡(jiǎn)單入手，循序漸進(jìn)，模塊化，分工合作”的方法。即任務(wù)要求模塊化，并根據(jù)我們組成員的相對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行任務(wù)分配；在調(diào)試程序時(shí)，先編寫(xiě)各段簡(jiǎn)單程序，等調(diào)試成功，再進(jìn)行綜合，調(diào)試；最后我們整合各成員的成果，并作進(jìn)一步整理，

34、分析，完善，最終調(diào)試成功。在項(xiàng)目中我們也遇到了各種問(wèn)題。例如在完成電路板焊接進(jìn)行初步測(cè)試時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)小車的一個(gè)電機(jī)不轉(zhuǎn)，而另一個(gè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。我們便開(kāi)始排障，一根一根的檢查線路的鏈接。經(jīng)過(guò)一下午的檢查，最終才發(fā)現(xiàn)是光電耦合芯片的一個(gè)引腳有問(wèn)題，這才進(jìn)行了修正，而這顯然對(duì)我們的項(xiàng)目進(jìn)度造成影響，我們不得不在課后找時(shí)間趕上進(jìn)度。因此我們?cè)谧鲰?xiàng)目的過(guò)程中深刻的學(xué)習(xí)到了細(xì)心和耐心的重要性。細(xì)節(jié)決定成敗，真是至理名言。在本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，我們對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理、機(jī)器人技術(shù)的基本理論又有了更深層次的認(rèn)識(shí)同時(shí)還復(fù)習(xí)了Solidworks三維制圖及模擬仿真；機(jī)械臂軌跡規(guī)劃及速度、位移分析；單片機(jī)C51的原理及編程的內(nèi)容。我們對(duì)CDIO的設(shè)計(jì)理念構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作，也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，也體會(huì)到了在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中一個(gè)團(tuán)隊(duì)合作的重要性。此外它還訓(xùn)練了我們?nèi)绾尾橘Y料及圖、數(shù)據(jù)處理。自動(dòng)控制以及創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了我們獨(dú)立設(shè)計(jì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的能了，提高我們綜合應(yīng)用已有知識(shí)解決問(wèn)題的能和綜合素質(zhì)。最后它還使我們“做中學(xué)”，以熟練運(yùn)用系統(tǒng)的有機(jī)集成技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，促進(jìn)交流與合作，拓展視野，勇于創(chuàng)新，提高思考與決策水平，形成解決實(shí)