机械电子工程毕业设计-七轴机械臂路径规划问题的仿真研究.doc

1、本科毕业论文（20 届）七轴机械臂路径规划问题的仿真研究所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 七轴机械臂路径规划问题的仿真研究 1设计的主要任务及目标（1）使用 matlab 软件完成七轴机械臂特定运动轨迹的运行，获得运动轨迹函数及相应运动学参数；（2）针对特定运动轨迹，利用某种优化算法针对某一目标对原有运动轨迹进行优化设计并完成相应仿真。2设计的基本要求和内容（1）完成特定轨迹的设计及优化并撰写设计说明

2、书一份；（2）完成 matlab 仿真程序一份；（3）完成运动分析比较图一份。3主要参考文献1 北京亿旗实验小组.7 轴机械臂二次开发软件包实验指导书M .北京：北京亿旗创新科技发展有限公司，2014.2 于靖军.机器人机构学的数学基础机械工业出版社,2008 3 刘金琨.机器人控制系统的设计与 matlab 仿真清华大学出版社,20084进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 开题准备 2013.12.15-2014.3.012 完成特定轨迹的运动仿真 2014.3.01-2014.4.153 完成优化设计及仿真 2014.4.16-2014.5.304 完成说明书撰写 2014.

3、6.01-2014.6.105 提交设计，答辩 2014.6.11-2014.6.20七轴机械臂路径规划问题的仿真研究摘要：机械臂如今越来越普遍的应用于工业制造，探测，排爆，采集等各个领域，对人们的生产生活带来了巨大的帮助。但是工作环境中躲避障碍物的问题严重制约了机械臂的应用和发展。因此对机械臂的路径规划进行研究，具有重要的实际意义和使用价值。由于七自由度的机械臂具有灵活，稳定，可操作性强，结构复杂的特点，具有一定的典型性，因此本文针对七自由度机械臂进行路径规划的研究。机器人根据其任务来完成某个规定动作，为了实现预定的运动就要进行轨迹规划，因此轨迹规划就是根据机器人手部要完成的一定作业来设计机

4、器人各关节位移、速度、加速度。关键词:机械臂，路径规划，运动学分析Simulation Research on Seven Free Robot manipulator path planning problemAbstract：Manipulator is increasingly common for industrial production, detection, explosive ordnance disposal, collection and other fields nowadays. It brings great help for the production life

5、of the people. However, the use and development of manipulator is seriously restricted by the problem of obstacle avoidance of the work environment. So research on obstacle avoidance path planning for manipulator has important practical significance and use value. Because of the typical character of

6、 flexible, stable, operable and complex structure about the seven-dof manipulator, this article carry on a research on obstacle avoidance path planning for seven-dof manipulator.Robot is required to complete a movement as a task. In order to make robot fulfilled the task, it is necessary to carry ou

7、t the scheduled trajectory planning. Trajectory planning is to design robot joint displacement, velocity, acceleration on the basis of robot hand operation task. Keywords:seven free robot,trajectory planning,kinematics analys1I目 录1 前言 .11.1 本课题研究的背景 .11.2 路径规划概述 .22 机器人的认识 .32.1 机器人的介绍 .32.1.1 机器人的认

8、识 .32.1.2 EF-IRC-I 机械臂介绍 .42.2 机器人的状态与控制 .72.2.1 通信状态 .72.2.2 报警状态 .92.2.3 控制状态 .92.3 机器人的预定轨迹运动控制 .113 机器人的运动学控制 .133.1 机器人的空间描述 .133.2 机器人的坐标系建立 .133.3 机械臂的正解 .193.4 机械臂的反解分析以及路径优化 .204 机械臂的调试与分析 .244.1 MATLAB 软件中机器人模型的建立 .244.2 机械臂调试 .254.3 MATLAB 中程序控制机械臂运动的相关命令 .284.4 机械臂的运动速度分析 .28总 结 .30参考文献

9、.31致谢 .32附录 1 路径程序清单 .33附录 2 路径速度分析程序清单 .3611 前言机器人的最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物。当前，机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术1。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备 1961 年，美国的Consolided Control Corp 和 AMF 公司联合制造了第一台实用的示教再现型工业机器人，迄今为止，世界上对工业机器人的研究己经经历了四十余年的历程，口本、美国、法国、德国的机器人产业己口趋成

10、熟和完善。工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备2。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。1.1 本课题研究的背景当今世界，机器人的应用领域已十分广泛，包括工业生产、海空探索、医疗康复和军事活动等，此外，机器人己逐渐在医院、家庭和一些服务行业获得应用。从生产车间中的焊接机械手，到水下自治式机器人，从娱乐性的拳击机器人，到伊拉克战场上的无人驾驶机，机器人己经与我们的日常生活息息相关。机器人通

11、常分为关节式机器人(或称机械臂、机械手、机器人操作臂、工业机器人等)和移动式机器人。机械臂的作用是使末端执行器到达所期望的目标位置处完成相应的作业任务。自早期的机械臂发展至今，机械臂已经经历了以下三代1：第一代顺序控制机械臂，即所谓的示教再现机械臂，它没有传感器，主要用于作业顺序和环境相对固定的场合，因此可通过编程实现重复性工作，但是因为不能在作业中改善品质，因此应用范围和精度受到了很大的限制；第二代反馈机械臂可以通过触觉，视觉等传感器对外部环境进行实际探测，用探测到的信息对机械臂进行反馈控制。此类机械臂能够对自身进行调整，因此行动品质大大提高；第三代智能机械臂有多种传感能力，具有人工智能的特

12、性。能根据复杂的环境进行推理从而自主决策完成复杂的任务。随着机械臂的发展，由以前的单关节到现在的多关节，机械臂工作空间也由二2维转换到三维，完成任务的复杂度也在不断提高。因此对七自由度机械臂的路径规划研究，具有很重要的现实意义和研究价值。1.2 路径规划概述路径规划是指给定起始点(初始状态位姿)与期望的终点(末端执行器的期望位姿)，同时根据一定的任务要求寻求一条连接起终点的次优或最优的有效路径，然后将路径转换成机械臂各个关节的空间坐标，确定机械臂在运动过程中各关节的位移、速度和加速度，形成轨迹。路径规划能够减少机械臂的磨损、节省大量的作业时间，提高系统的操作能力和工作效率，使得整个系统高效、稳

13、定、长期的运行。32 机器人的认识2.1 机器人的介绍机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电一体化设备。 机器人按技术层次分为：固定程序控制机器人、示教再现机器人和智能机器人等。2.1.1 机器人的认识(1) 机器人的英文名缘由机器人是一种具有某种仿人功能的自动机，机器人的国际名叫“罗伯特” （ROBOT）。“ROBOT”一词源于捷克作家卡列尔查培于 1920 年的一部名叫作 罗萨姆的万能机器人公司的幻想剧，罗伯特是该剧主人公的名字，他是既忠诚又勤劳的机器人。(2) 机器人的定义（我国科学家的定义）机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，

14、如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。(3) 机器人的三原则 机器人不能伤害人类； 在不违反第一条的情况下，机器人必须遵守人类的命令； 在不违反第一、二条的情况下，机器人应能保护自己。(4) 机器人的组成部分机器人的手操作系统，作用是抓住一个工作对象使其按工作或作战要求动作。机器人的眼感测系统，作用是观测工作对象及其周围环境的信息， 通过收集信息将其反馈给控制中心，作为对机器人行为控制和协调的依据。机器人神经系统信息传输系统，作用是将传感器和观测器获得的各种信息下传上达，交给各执行及其附属设备。机器人的心脏动力系统，作用是负责向机器人提供动力，主要设备有各

15、种4发动机，发电机及其附属设备。机器人的大脑指挥控制系统。作用是加工处理各种信息，指挥、控制机器人的各种行动。(5) 机器人的种类按技术层次分为固定程序控制机器人、示教再现机器人、数控机器人、遥控机器人和智能机器人。按工作自由度分为自主机器人、半自主机器人和摇控机器人。(6) 机器人的用途在现实生活中有些工作会对人体造成伤害，比如喷漆、重物搬运等；有些工作要求质量很高，人难以长时间胜任，比如汽车焊接、精密装配等；有些工作人员无法身临其境，比如火山探险、深海探密、空间探索等；有些工作不适合人去干，比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等。而这，就需要用到机器人，可以使用机器人去代替人们完成

16、这些任务。(7) 机器人的未来发展人性化：机器人要发展就必须要满足人类的要求，对机器人的人性化设计是非常重要的，那样机器人就会有更大的利用价值。智能化：智能化可以说是机器人未来的发展方向，智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。智能机器人可获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务，比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。普及化：人类制造机器人的目的是为人类所服务的，所以就会尽可能地把它变成多功能化，比如在家庭中，可以成为机器人保姆。会你扫地、吸尘、

17、还可以做你的谈天朋友，还可以为你看护小孩。到外面时，机器人可以帮你搬一些重物，或提一些东西，甚至还能当你的私人保嫖，这样机器人就会普及化。2.1.2 EF-IRC-I 机械臂介绍本论文所使用的机器人为 7 自由度串联关节式机器人，其轴线相互平行或垂直，能够在空间内进行定位，采用国外进口的高精度伺服电机、内置 32 位的 ARM 处理5器，12 位非接触式约对编码器精确采集位置信息，尺寸小、重量轻、精度高；控制软件采用高校最流行的编程语言 MATLAB 实现，采用可视化设计，控制简单，编程方便，尤其是 MATLAB 本身所独有强大的计算能力，对机器人控制的算法研究具有无可比拟的优势。7 轴智能化

18、机器人手臂与 MATLAB 的完美结合，能够专业满足高等院校机电一体化、自动控制等专业进行机电及控制课程教学实验需要和相关工业机器人应用培训需要，是进行控制系统设计的理想平台。它具有高度的能动性和灵活性，具有广阔的开阔空间，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。整个系统包括机器人 1 台、实验附件和机器人控制软件 1 套。机器人采用串联式开链结构，即机器人各连杆由旋转关节或移动关节串联连接，如图 2.1 所示。各关节轴线相互平行或垂直。连杆的一端装在固定的支座上（底座），另一端处于自由状态，可安装各种工具以实现机器人作业。关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。机器人各关节采用国外进口的高精度舵机，该舵机内置一个 32 位的高速处理器，重量仅为 72 克，尺寸仅为尺寸：35.6mm 50.6mm 35.5mm，能够反馈位置、负载、温度、电压等。与 PC 机的数据传输采用高速的串行总线进行连接，通过高达 4M 的虚拟串口与控制软件进行通信，在 MATLAB 环境下，使用简单的命令就可以直接控制机器人的各种运动图 2.1 7 轴智能化机器人手臂