機器人基礎(chǔ)三級項目

機器人基礎(chǔ)三級項目機器人基礎(chǔ)三級項目機器人基礎(chǔ)三級項目xxx公司機器人基礎(chǔ)三級項目文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設(shè)計，管理制度燕山大學課程研究項目報告自平衡小車機器人系統(tǒng)的設(shè)計與制作學院：機械工程學院年級專業(yè)：機電2012—1/2班課程名稱：機電一體化系統(tǒng)設(shè)計組號：3學生姓名：武進、熊進、馮少日、張?zhí)杖唤M內(nèi)分工：張三，車體設(shè)計與組裝，45%李四，軟件設(shè)計與調(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器人的機械臂和機械手的設(shè)計方法、思路、原理以及運動控制等，并結(jié)合智能車結(jié)構(gòu)繪制三維圖、模擬仿真以及計算分析實現(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（包括求運動學正解與反解）、速度分析與軌跡規(guī)劃；第三部分為設(shè)計總結(jié)及心得體會。通過設(shè)計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(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(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(nèi)還沒有一個統(tǒng)一的智能機器人定義。大多數(shù)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(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(gòu)學、傳感技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能及自動控制等多科。為了實現(xiàn)打磨以及抓取、移動、放置物體等功能，機械臂與機械手的設(shè)計尤為重要。本次項目對于我們擴展思路、分析問題、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(chǎn)生重要影響。目錄前言.....................................................................I第1章設(shè)計方案的確定...................................................1第2章參數(shù)確定..........................................................8機械手臂的設(shè)計.................................................10位移分析..................................................11機械手爪設(shè)計..................................................11第3章工作空間分析.....................................................12運動學正解.................................................13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(jié)..........................................................18第7章心得體會..........................................................18第8章參考文獻..........................................................18

第1章設(shè)計方案與參數(shù)確定機械手臂的設(shè)計該設(shè)計設(shè)計方案有如下三種:（1）該機械臂有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）該機械臂有4個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，手腕的轉(zhuǎn)動用于實現(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。該機械臂結(jié)構(gòu)較為簡單，綜合了上述兩種方案的優(yōu)點，易于實現(xiàn)抓取與裝配目標。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——機械手爪的設(shè)計機械手爪的設(shè)計也有三種方案：（1）該方機械手爪的結(jié)構(gòu)還是比較簡單的，它通過推動中間滑塊，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本比較高，考慮到經(jīng)費和加工條件，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動學正解說明：由幾何關(guān)系算得連桿轉(zhuǎn)角，帶入驗證xyz的坐標關(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坐標系中的位置。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=運動學反解運動學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章項目總結(jié)機械臂與機械手的設(shè)計與運動控制是機器人實現(xiàn)自身功能的非常重要的一個環(huán)節(jié)，盡管我們通過學習與自身能力結(jié)合完成了本次項目，但其內(nèi)容與功能上仍有不足與缺陷，希望將來能有有機會再次完善。本報告主要概述了利用maTlab和SolidWorks來實現(xiàn)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(chǔ)之上，以矩陣為基本單位，通過矩陣變換以及maTlab數(shù)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(shè)計有各種各樣的方案等著我們?nèi)ニ伎紝崿F(xiàn)，相信如果再有機會我們能夠比現(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器人這門課程的實際應(yīng)用。本次設(shè)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(shè)計使我們發(fā)現(xiàn)如今學習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的知識根本遠遠不夠，只有更廣泛的學習和調(diào)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(shè)計，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(diào)高項目的進行效率也是一個考驗。設(shè)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(xiàn)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(dǎo)。參考文獻1.劉杰機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)與產(chǎn)品設(shè)計冶金工業(yè)出版社,20032.李廣弟朱月秀冷祖祁單片機基礎(chǔ)北京航空航天大學出版社，20073.熊有倫機器人技術(shù)基礎(chǔ)華中科技大學出版社

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