機(jī)器人基礎(chǔ)三級項(xiàng)目

機(jī)器人基礎(chǔ)三級項(xiàng)目機(jī)器人基礎(chǔ)三級項(xiàng)目機(jī)器人基礎(chǔ)三級項(xiàng)目xxx公司機(jī)器人基礎(chǔ)三級項(xiàng)目文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度燕山大學(xué)課程研究項(xiàng)目報告自平衡小車機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院年級專業(yè)：機(jī)電2012—1/2班課程名稱：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)組號：3學(xué)生姓名：武進(jìn)、熊進(jìn)、馮少日、張?zhí)杖唤M內(nèi)分工：張三，車體設(shè)計(jì)與組裝，45%李四，軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試，55%指導(dǎo)教師：姚建濤、劉曉飛日期：摘要本報告主要介紹打磨機(jī)器人的機(jī)械臂和機(jī)械手的設(shè)計(jì)方法、思路、原理以及運(yùn)動控制等，并結(jié)合智能車結(jié)構(gòu)繪制三維圖、模擬仿真以及計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)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(jìn)行機(jī)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(yùn)動學(xué)正解與反解）、速度分析與軌跡規(guī)劃；第三部分為設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會。通過設(shè)計(jì)過程中查閱大量資料，組內(nèi)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(guān)鍵詞：機(jī)械臂，方案選取，三維圖，工作空間，速度，軌跡規(guī)劃

前言機(jī)器人學(xué)是一門迅速發(fā)展的綜合性前沿學(xué)科，進(jìn)入21世紀(jì)，人類對空間的利用越來越迫切，隨著航天技術(shù)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(chǎn)、空間加工、空間裝配和空間設(shè)備的維護(hù)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(shù)的限制，太空中仍然需要由機(jī)器人來代替人進(jìn)行一系列的作業(yè)。因此,，機(jī)器人的研發(fā)技術(shù)將成為未來宇宙開發(fā)過程的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)普遍將機(jī)器人劃分為兩類：一般機(jī)器人和智能機(jī)器人。一般機(jī)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(jī)器人。到目前為止，在世界范圍內(nèi)還沒有一個統(tǒng)一的智能機(jī)器人定義。大多數(shù)專家認(rèn)為智能機(jī)器人至少要具備以下三個要素：一是感覺要素，用來認(rèn)識周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運(yùn)動要素，對外界做出反應(yīng)性動作；三是思考要素，根據(jù)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(shè)計(jì)的打磨機(jī)器人小車屬于智能機(jī)器人的范疇，集中了計(jì)算機(jī)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能及自動控制等多科。為了實(shí)現(xiàn)打磨以及抓取、移動、放置物體等功能，機(jī)械臂與機(jī)械手的設(shè)計(jì)尤為重要。本次項(xiàng)目對于我們擴(kuò)展思路、分析問題、解決問題的能力進(jìn)行了綜合性鍛煉，也將對今后職業(yè)生涯產(chǎn)生重要影響。目錄前言.....................................................................I第1章設(shè)計(jì)方案的確定...................................................1第2章參數(shù)確定..........................................................8機(jī)械手臂的設(shè)計(jì).................................................10位移分析..................................................11機(jī)械手爪設(shè)計(jì)..................................................11第3章工作空間分析.....................................................12運(yùn)動學(xué)正解.................................................13運(yùn)動學(xué)反解...................................................15第4章速度分析.....................................................16第5章軌跡規(guī)劃..........................................................17第6章項(xiàng)目總結(jié)..........................................................18第7章心得體會..........................................................18第8章參考文獻(xiàn)..........................................................18

第1章設(shè)計(jì)方案與參數(shù)確定機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案有如下三種:（1）該機(jī)械臂有3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，此結(jié)構(gòu)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）該機(jī)械臂有4個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，手腕的轉(zhuǎn)動用于實(shí)現(xiàn)工件的位姿變化更順暢。此結(jié)構(gòu)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(zhì)量，單臂剛度尅能會受到限制，所以不易采取這種方案。圖3-1（b）(3)該機(jī)械臂由四個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成，其中手部分為內(nèi)外板，在夾取了螺栓后在重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩下，螺栓自動下垂為豎直狀態(tài)，便于裝配。該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)較為簡單，綜合了上述兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)抓取與裝配目標(biāo)。所以為最終方案。圖3-1（c）經(jīng)過分析比較我們最終選定方案3。位移分析分析確定連桿參數(shù)臂四臂三臂二臂一臂四臂三臂二臂一圖5-1機(jī)械手初始位姿連桿參數(shù)iai-1(mm)αi-1(°)di（mm）關(guān)節(jié)變量初值(°)1000θ1029087θ20300θ3-904000θ40手抓0-90110——機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)也有三種方案：（1）該方機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)還是比較簡單的，它通過推動中間滑塊，實(shí)現(xiàn)手爪的張合，它的最大缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本比較高，考慮到經(jīng)費(fèi)和加工條件，不采取此方案。（3）最后這種方案結(jié)構(gòu)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，我們決定選擇第三種方案。第二章工作空間分析運(yùn)動學(xué)正解說明：由幾何關(guān)系算得連桿轉(zhuǎn)角，帶入驗(yàn)證xyz的坐標(biāo)關(guān)系。a1a2a3表示連桿1、2、3的轉(zhuǎn)角。最后解得，矩陣最后一列表示小球在原點(diǎn)坐標(biāo)系中的位置。symsa1a2a3a4d1d2d3d4;%連桿間齊次變換矩陣T10=[cos(a1)-sin(a1)00;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);0001];T21=[cos(a2)-sin(a2)00;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);0001];T32=[cos(a3)-sin(a3)0201;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);0001];T43=[cos(a4)-sin(a4)00;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);0001];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=0000即=運(yùn)動學(xué)反解運(yùn)動學(xué)反解是已知末端連桿的位姿，求解關(guān)節(jié)變量的過程。symsa1a2a3a4T10=[cos(a1)-sin(a1)00;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);0001];T21=[cos(a2)-sin(a2)00;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);0001];T32=[cos(a3)-sin(a3)0201;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);0001];T43=[cos(a4)-sin(a4)00;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(-pi/2);0001];T40=T10*T21*T32*T43;T1=inv(T10);%求T10的逆矩陣。T41=T1*T40;%T41=T21*T32*T43對應(yīng)各元素相等即可求出各關(guān)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(guān)節(jié)的速度關(guān)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)00;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);0001];T21=[cos(a2)-sin(a2)00;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);0001];T32=[cos(a3)-sin(a3)0201;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);0001];T43=[cos(a4)-sin(a4)00;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);0001];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(1:3,1:3);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=[R1R2R3R4;Z1Z2Z3Z4]得J=0000000000000第4章軌跡規(guī)劃我們通過三維模擬，得到各個關(guān)節(jié)角位移和角速度的曲線如下：角位移：關(guān)節(jié)一角位移關(guān)節(jié)二角位移關(guān)節(jié)三角位移關(guān)節(jié)四角位移角速度：關(guān)節(jié)一角速度關(guān)節(jié)二角速度關(guān)節(jié)三角速度關(guān)節(jié)四角速度第5章項(xiàng)目總結(jié)機(jī)械臂與機(jī)械手的設(shè)計(jì)與運(yùn)動控制是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自身功能的非常重要的一個環(huán)節(jié)，盡管我們通過學(xué)習(xí)與自身能力結(jié)合完成了本次項(xiàng)目，但其內(nèi)容與功能上仍有不足與缺陷，希望將來能有有機(jī)會再次完善。本報告主要概述了利用maTlab和SolidWorks來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動模擬的整個過程和基本原理。機(jī)械臂模擬是建立在機(jī)器人的基礎(chǔ)之上，以矩陣為基本單位，通過矩陣變換以及maTlab數(shù)學(xué)計(jì)算求得運(yùn)動學(xué)的正解與反解，簡化了計(jì)算過程；然后利用SolidWorks三維建模進(jìn)行運(yùn)動模擬，它的運(yùn)動可以通過修改運(yùn)動軌跡來改善機(jī)械臂的運(yùn)行情況，避免了大量的編程，使運(yùn)動模擬更加快捷簡便?？傊畽C(jī)械臂與機(jī)械手的設(shè)計(jì)有各種各樣的方案等著我們?nèi)ニ伎紝?shí)現(xiàn)，相信如果再有機(jī)會我們能夠比現(xiàn)在做得更好。第六章心得體會本次課程設(shè)計(jì)時間緊任務(wù)重，通過全組人員的通力協(xié)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(jī)器人這門課程的實(shí)際應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)綜合了所學(xué)的機(jī)器人學(xué)的所有知識，是對過去學(xué)習(xí)的檢驗(yàn)，同時也是鞏固提高、溫故知新的過程。通過此次設(shè)計(jì)使我們發(fā)現(xiàn)如今學(xué)習(xí)到的知識面還是太窄，內(nèi)容有限，僅僅為取得考試成績所學(xué)的知識根本遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有更廣泛的學(xué)習(xí)和調(diào)查各方面的資料才能達(dá)到真真的提高。首先面臨機(jī)械臂多種方案的設(shè)計(jì)，開始無從下手，后通過查閱各方資料不斷吸取新的內(nèi)容才完成了項(xiàng)目的第一步，最重要的運(yùn)動學(xué)正反解在實(shí)際計(jì)算時也面臨很多困難，再者就是在完成此次項(xiàng)目的同時還交叉著其他各科的許多項(xiàng)目與考試，如何合理的安排時間調(diào)高項(xiàng)目的進(jìn)行效率也是一個考驗(yàn)。設(shè)計(jì)過程中，在老師、助教以及同學(xué)的幫助和配合下，才使得項(xiàng)目如期基本完成，這體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)精神的重要性。本次課程實(shí)踐項(xiàng)目無論在專業(yè)知識還是在學(xué)習(xí)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(dǎo)。參考文獻(xiàn)1.劉杰機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)冶金工業(yè)出版社,20032.李廣弟朱月秀冷祖祁單片機(jī)基礎(chǔ)北京航空航天大學(xué)出版社，20073.熊有倫機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)華中科技大學(xué)出版社

附錄T41=[(sin(a1)*(cos(a4)*(cos(a3)*((00021511*cos(a1)*sin(a2))/868064+cos(a2)*sin(a1))-sin(a3)*(sin(a1)*sin(a2)-(00021511*cos(a1)*cos(a2))/868064))-(00021511*sin(a4)*(cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2)-(00021511*cos(a1)*cos(a2))/868064)+sin(a3)*((00021511*cos(a1)*sin(a2))/868064+cos(a2)*sin(a1))))/868064+cos(a1)*sin(a4)))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2)-(cos(a1)*(sin(a1)*sin(a4)+cos(a4)*(cos(a3)*((00021511*sin(a1)*sin(a2))/868064-cos(a1)*cos(a2))+sin(a3)*(cos(a1)*sin(a2)+(00021511*cos(a2)*sin(a1))/868064))+(00021511*sin(a4)*(cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2)+(00021511*cos(a2)*sin(a1))/868064)-sin(a3)*((00021511*sin(a1)*sin(a2))/868064-cos(a1)*cos(a2))))/868064))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2),-(sin(a1)*((00021511*cos(a4)*(cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2)-(00021511*cos(a1)*cos(a2))/868064)+sin(a3)*((00021511*cos(a1)*sin(a2))/868064+cos(a2)*sin(a1))))/868064-cos(a1)*cos(a4)+sin(a4)*(cos(a3)*((00021511*cos(a1)*sin(a2))/868064+cos(a2)*sin(a1))-sin(a3)*(sin(a1)*sin(a2)-(00021511*cos(a1)*cos(a2))/868064))))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2)-(cos(a1)*((00021511*cos(a4)*(cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2)+(00021511*cos(a2)*sin(a1))/868064)-sin(a3)*((00021511*sin(a1)*sin(a2))/868064-cos(a1)*cos(a2))))/868064-sin(a4)*(cos(a3)*((00021511*sin(a1)*sin(a2))/868064-cos(a1)*cos(a2))+sin(a3)*(cos(a1)*sin(a2)+(00021511*cos(a2)*sin(a1))/868064))+cos(a4)*sin(a1)))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2),(cos(a1)*((00021511*sin(a1))/868064-cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2)+(00021511*cos(a2)*sin(a1))/868064)+sin(a3)*((00021511*sin(a1)*sin(a2))/868064-cos(a1)*cos(a2))))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2)-(sin(a1)*((00021511*cos(a1))/868064+cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2)-(00021511*cos(a1)*cos(a2))/868064)+sin(a3)*((00021511*cos(a1)*sin(a2))/868064+cos(a2)*sin(a1))))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2),(cos(a1)*(87*sin(a1)-(99851*sin(a1)*sin(a2))/868064+201*cos(a1)*cos(a2)))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2)+(sin(a1)*((99851*cos(a1)*sin(a2))/868064-87*cos(a1)+201*cos(a2)*sin(a1)))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2)][(cos(a1)*(cos(a4)*(cos(a3)*((00021511*cos(a1)*sin(a2))/868064+cos(a2)*sin(a1))-sin(a3)*(sin(a1)*sin(a2)-(00021511*cos(a1)*cos(a2))/868064))-(00021511*sin(a4)*(cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2)-(00021511*cos(a1)*cos(a2))/868064)+sin(a3)*((00021511*cos(a1)*sin(a2))/868064+cos(a2)*sin(a1))))/868064+cos(a1)*sin(a4)))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2)+(sin(a1)*(sin(a1)*sin(a4)+cos(a4)*(cos(a3)*((00021511*sin(a1)*sin(a2))/868064-cos(a1)*cos(a2))+sin(a3)*(cos(a1)*sin(a2)+(00021511*cos(a2)*sin(a1))/868064))+(00021511*sin(a4)*(cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2)+(00021511*cos(a2)*sin(a1))/868064)-sin(a3)*((00021511*sin(a1)*sin(a2))/868064-cos(a1)*cos(a2))))/868064))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2),(sin(a1)*((00021511*cos(a4)*(cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2)+(00021511*cos(a2)*sin(a1))/868064)-sin(a3)*((00021511*sin(a1)*sin(a2))/868064-cos(a1)*cos(a2))))/868064-sin(a4)*(cos(a3)*((00021511*sin(a1)*sin(a2))/868064-cos(a1)*cos(a2))+sin(a3)*(cos(a1)*sin(a2)+(00021511*cos(a2)*sin(a1))/868064))+cos(a4)*sin(a1)))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2)-(cos(a1)*((00021511*cos(a4)*(cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2)-(00021511*cos(a1)*cos(a2))/868064)+sin(a3)*((00021511*cos(a1)*sin(a2))/868064+cos(a2)*sin(a1))))/868064-cos(a1)*cos(a4)+sin(a4)*(cos(a3)*((00021511*cos(a1)*sin(a2))/868064+cos(a2)*sin(a1))-sin(a3)*(sin(a1)*sin(a2)-(00021511*cos(a1)*cos(a2))/868064))))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2),-(cos(a1)*((00021511*cos(a1))/868064+cos(a3)*(sin(a1)*sin(a2)-(00021511*cos(a1)*cos(a2))/868064)+sin(a3)*((00021511*cos(a1)*sin(a2))/868064+cos(a2)*sin(a1))))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2)-(sin(a1)*((00021511*sin(a1))/868064-cos(a3)*(cos(a1)*sin(a2)+(00021511*cos(a2)*sin(a1))/868064)+sin(a3)*((00021511*sin(a1)*sin(a2))/868064-cos(a1)*cos(a2))))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2),(cos(a1)*((99851*cos(a1)*sin(a2))/868064-87*cos(a1)+201*cos(a2)*sin(a1)))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2)-(sin(a1)*(87*sin(a1)-(99851*sin(a1)*sin(a2))/868064+201*cos(a1)*cos(a2)))/(cos(a1)^2+sin(a1)^2)][cos(a4)*(cos(a2)*sin(a3)+cos(a3)*sin(a2))-(00021511*sin(a4))/868064-(00021511*sin(a4)*(sin(a2)*sin(a3)-cos(a2)*cos(a3)))/868064,-(00021511*cos(a4))/868064-(00021511*cos(a4)*(sin(a2)*sin(a3)-cos(a2)*cos(a3)))/868064-sin(a4)*(cos(a2)*sin(a3)+cos(a3)*sin(a2)),cos(a2)*cos(a3)-sin(a2)*sin(a3)+121/0436,201*sin(a2)+/0][0,0,0,1]T41=T21*T32*T43T41=[-cos(a4)*(sin(a2)*sin(a3)-cos(a2)*cos(a3))-(00021511*sin(a4)*(cos(a2)*sin(a3)+cos(a3)*sin(a2)))/868064,sin(a4)*(sin(a2)*sin(a3)-cos(a2)*cos(a3))-(00021511*cos(a4)*(cos(a2)*sin(a3)+cos(a3)*sin(a2)))/868064,-cos(a2)*sin(a3)-cos(a3)*sin(a2),201*cos(a2)][sin(a4)+cos(a4)*((00021511*cos(a2)*sin(a3))/868064+(00021511*cos(a3)*sin(a2))/868064)-(00021511*sin(a4)*((00021511*sin(a2)*sin(a3))/868064-(00021511*cos(a2)*cos(a3))/868064))/868064,cos(a4)-(00021511*cos(a4)*((00021511*sin(a2)*sin(a