1、1毕业设计开题报告电气工程与自动化四自由度机械臂的运动规划和搬运系统一、主要任务与目标任务设计四自由度的机械臂具有三个旋转关节和一个平移关节，末端安装有一个电磁手爪能够抓取物体的搬运系统。目的1、了解四自由度机械臂的机械和电气特性；2、学习机械臂运动学基础知识，能进行基本的运动学分析；3、学习和掌握一定的运动路径规划方法（如梯形运动，S型曲线运动）实现从指定起始地点到目标地点的运动规划；4、在四自由度机械臂实验平台上实现多个物体从起始位置到不同目标位置的搬运和摆放。拟解决的主要问题1、针对全自动机械手中“臂”机构进行研究，争对四自由度机械臂的机械和电气特性，建立与之相应的机械臂运动型模型；2、
2、在建立的机械臂运动路径模型基础上，进行基本的运动学分析以及总结出运动路径的规划。3、使用运动路径的算法计算出机械臂的运动路径，实现从指定起始地点到目标地点的运动规划。4、在四自由度机械臂实验平台上编程实现多个物体从起始位置到不同目标位置的搬运和摆放。二、理论依据、技术问题、研究价值理论依据19世纪末以来，为了适应不同生产需要、完成不同动作的各种机器相继出现并广泛使用，于是，机构学应运而生。机构学的任务是分析机构的运动规律，2根据需要实现的运动设计新的机构和进行机构的综合。现代仪器和自动化技术的发展又促进机构学的进一步发展，提出了各种平面和空间机构运动分析和综合的问题。运用控制理论的基本原理来解
3、决机械工程中的实际技术问题。技术问题1、根据机械臂模型的建立进行机构的设计。具体的包括运动副型式的合理选择和配置。传递运动的最佳路线，驱动的最佳速比等。机构设计不合理，可能会出现臂杆的相互干涉或驱动装置无法运行，机构不能运动等问题2、根据简单点到点运动算法计算出机械臂可达空间的范围。根据设计要求和满足各种工作的需要，机器人前端应能到达工作需要的范围内的各个位置，并且基本上没有死区。3、根据简单点到点运动算法和指尖曲线运动算法对“臂”机构基本设计进行计算。直流电机实际上是机器人平台的标准电机，有着极宽的功率调节范围、适用性好、具有很高的性价比、输出力矩较大、易于控制等等，是一种最为通用的电机。我
4、们选择用直流电机作为驱动。设计计算数值要根据具体负载，运动路线等因素进行具体计算。4、课题通过VISUALC软件在矩阵运算方面的强大功能，将机械臂特性的复杂理论计算过程交由计算机后台完成。研究价值随着工业化的实现，信息化的到来，我们开始进入知识经济的新时代。创新是这个时代的源动力。文化的创新、观念的创新、科技的创新、体制的创新改变着我们的今天，并将改造我们的明天。新旧文化、新旧思想的撞击、竞争，不同学科、不同技术的交叉、渗透，必将迸发出新的精神火花，产生新的发现、发明和物质力量。机械控制技术就是在这样的规律和环境中诞生和发展的。科技创新带给社会与人类的利益远远超过它的危险。机械控制的发展史已经
5、证明了这一点。机器人的应用领域不断扩大，从工业走向农业、服务业；从产业走进医院、家庭；从陆地潜入水下、飞往空间，机械动力控制展示出它们的能力与魅力。三、研究方法及预期目的采用拉格朗日动力学方法和非完整动力学罗兹方程建立了四自由度机器臂3运动学和动力学模型,并且利用该模型采用了人工势函数方法来驱动移动机械臂系统从指定起始地点到目标地点的运动规划。为了简化问题，常把机械系统看作具有理想、稳定约束的刚体系统。控制装置对机械系统的控制信息和来自传感器的反馈信息进行处理，向执行装置发出动作指令，具体流程如下图。控制装置由PC机、运动控制卡和相应驱动器等组成。运动控制卡接收PC机发出的位置和轨迹指令，进行
6、规划处理，转化成伺服驱动器可以接收的指令格式，发给伺服驱动器，由伺服驱动器进行处理和放大，输出给执行装置。控制装置与执行装置连接示意图（下图）四自由度机械臂机械系统示意图（下图）4机械臂整体结构示意图机械臂运动路径分析为了产生点到点的运动序列,首先我们需要引入机器人学中的坐标变换方法来建立起关节的对地直角坐标和各旋转角度之间的函数关系因为机械臂的连杆可看成是刚性的,所以我们就可从刚体入手来描述它的位姿刚体参考点的位置和刚体的姿态统称为刚体的位姿,本文采用齐次变换法来转换处在不同坐标系中的各关节点位置对于广义的连杆,需要用两个参数来描述一个连杆,即公共法线距离AI和垂直于AI所在平面内两轴的夹角
7、WL,WR为左、右轮转速,R为轮子半径,D为两后轮之间的距离,为机器人平台方向1,2,3为3连杆各自的转角假定机械臂的3连杆其各自的转角分别为1,2,3L1,L2,L3为连杆长度,由图1可得到A点的位置为6其中XCXDCOS,YCYDSIN,D为质心C与P之间的距离,对方程4求导,并取XXAYAZAXY和VWRWLW1W2W3,则有XJV6其中J矩阵中的元数为1,2,3,的函数,即JI,JF11,2,3,软件控制系统设计（C语言）在机械臂图形示教控制系统中，采用VISUALC来实现系统面向对象的设计和编码。VC为系统界面提供了丰富的资源和进程管理功能。运用C面向对象语言我们实现了基本的机器人图
8、形示教控制系统的类层次结构，具体的编程平台我们选用了VISUALC60，在设计类层次结构时我们希望尽可能做到模块化和实现模块的可重用性，为此我们利用了面向对象语言中的抽象类和虚函数等技术，类层次结构如下硬件实现1机械部分像数控工作台和机器人那样实现目标轨迹和动作。2执行装置将信息转化为力和能量，以驱动机械部分运动。3传感器用于对输出端的机械运动结果进行测量、监控和反馈。4控制装置对机电一体化系统的控制信息和来自传感器的反馈信息进行处理，7向执行装置发出动作指令。课题进度计划四、计划进度1201011201012查阅相关资料和文献，完成文献综述、开题报告、文献翻译；220101220111学习机
9、械臂运动学分析基础知识、进行简单的运动学分析；32011120112研究分析运动路径规划方法，实现点到点的运动规划方法；42011220113在四自由度机械臂实验平台上实现多个物体从起始位置到不同目标位置的搬运和摆放。52010320104整理资料和相关实验结论，完成论文撰写，准备答辩。五、主要参考文献1丛爽,李泽湘实用运动控制技术M北京电子工业出版社,20062朱猛,邓国兴,姜宇机械臂运动路径规划的算法设计J数学的实践与认识,2008,38141301373刘全,禹华钢,刘冰基于几何分析的机械臂运动路径规划问题研究J数学的实践与认识,2008,38141221294郭丙华,胡跃明三连杆移动机
10、械臂模型与运动规划J控制理论与应用,2005,2269659685周辰对六自由度机械臂运动路径设计的探讨徐州建筑职业技术学院,江苏,徐州,2211166吴磊,史仪凯,王萑四自由度机械手臂运动学分析及雅可比矩阵求解,西北工业大学机电学院,西安,7100727刘淑英，张明路，韩慧伶五自由度机械手动力学分析与仿真河北工业大学机械工程学院，天津300130空军航空大学航空机械工程系，吉林长春1300228刘松国朱世强程永伦一般6R机器人的高精度逆运动学算法研究浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州,3100279王兴贵,韩松臣,秦俊奇,邵成勋多机械臂搬运同一物体的协调动态载荷分配中国人民解放军军械
11、工程学院石家庄050003810YONGKHWANG，SANDIANATIONALLABORATORIESALBUQUERQUE,NEWMEXICO8718511DEQUANGUO，HUIJU,YUQINYAO,FENGLING,ANDTIANXIANGLI，2009INTERNATIONALCONFERENCEONARTIFICIALINTELLIGENCEANDCOMPUTATIONALINTELLIGENCE12APPINKNOWLEDGESOLUTIONS，ROBOTICS，BYINFINITYSCIENCEPRLLCONJULY,20059毕业设计文献综述电气工程及其自动化四自由度机
12、械臂的运动规划和物体搬运系统一、设计四自由度机械臂的意义尽管对于机械操作臂的研究已不是一个全新的课题，但是，如何在机械手臂高位置精度的条件下，尽可能地降低制造成本和缩短制造周期，这仍是值得不断探索的问题。传统工业机械臂，其设计方法多为串联形式，即通过将驱动与传动元（如电机、减速器等）直接安装在转动副附近，这样的设计虽然简单直接，但是由于驱动件自身成为了机械臂负载，能大大减少机械臂的有效载荷，同时也会产生振动等不良影响降低机械臂定位精度。为此提出了利用钢丝传动机构来实现驱动件到末端负载的动力传递，这样的设计可以最大程度减小驱动件本身对于机械臂负载能力的影响，同时由于钢丝本身的弹性也使得机械臂具有
13、一定柔性，实现一定的自适应功能。由于传动件的位置调整，所以在控制系统的设计中，要求能够对于机械臂最终的末端位置准确地进行反馈控制。四自由度的关节式机器人在当今工业界有广泛应用。它分别由四个旋转轴进行操纵，其末端可以灵活地在三维空间中运动。根据旋转的方向不同，旋转轴分为平行于连杆和垂直连杆的两类关节。题目中所给出的简化机械臂模型可以归类为由步进式电机进行操纵的设备,这种操纵的优点是稳定而可靠,但是缺点在于步长是离散化的,可能会对精度造成影响题目要求为这类机器人设计一个通用的算法,用来计算执行指定动作所要求的指令序列二、机器人的国内外研究状况1、机器人的国内研究状况我国有组织有计划地发展机器人事业
14、应该说是从“七五”期间的科技攻关及实施“863计划”开始的。经过十几年来的研制、生产、和应用，有了长足的进步。目前在一些方面，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人、10装配机器人、特种机器人水下、爬壁、管道、遥控等机器人，已掌握了机器人的设计制造技术，解决了控制、驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术；还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线工作站及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术。现在，我国从事机器人研发的单位有200多家，专业从事机器人产业开发的企业有50家以上。“九五”期间，国家“863”高技术计划己将沈阳新松机器人自动化股份有限公司、啥尔滨博实自动化设备有限责任
15、公司、一汽集团涂装技术开发中心、北京机械工业自动化所、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机器人主题产业化基地。大连组台机床所、上海富安工厂自动化公司、东风汽车公司、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、安川北科公司等单位，也都凭借自己开发生产的特色机器人或应用工程项目活跃在当今国内工业机器人市场上。此外，一些科研院所和大学也均在进行机器人技术及应用项日方面的研发工作。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。我国机器人技术主题发展的战略目标是根据2L世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术发展方向
16、创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有第一，危险、恶劣环境作业机器人主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人第二，医用机器人主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、离可靠性和易于集成。我国的机器人研究开发与应用已经取得了一定的成绩，但是总的来看，我国的机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离，无论从机器人的数量上还是技术上，我们都有一定的差距。进入新世纪以后，国际竞争日益激烈，对机器人的需求越来越大，我国的机器人产业将
17、面临新的发展机遇和来自国外的挑战，因此我们需要自主发展机器人高技术，解决产业化前期的关键技术。积极推进我国的机器人产业化的进程。2、机器人的国外研究状况机器人主要分为两类工业机器人以及其他特种机器人，自1962年美国推出11世界上第一台UNIMATE型和VERSATRA型工业机器人以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。根据国际工业机器人联合会IFR前几年的统计2000年全世界工业机器人的总数达到82万台，比1996年增加24。其中日本拥有42万台，占全世界机器人总数的50左右，继续保持“机器人王国”的地位。除日本外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展
18、得很快。例如，在美国，19701980年间的机器人台数增加20倍以上。尽管美国所拥有的机器人在台数上不如日本但其技术水平较高占有一定的优势。在亚洲，韩国的机器人产业发展也很迅速，现排名世界前列而日本、韩国和新加坡的机器人密度即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界第13位，包揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰等，机器人制造业及应用机器人的情况都有很大发展。图1图2其他特种机器人是国外近年来才迅速发展起来的，是机器人技术的一个重要发展方向，主要研究方向有空间机器人，医用机器人，水下机器人，建筑机器人和军用排爆机器人等等。现在国外的机器人各个方面的技术发展现状为21机械
19、结构以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的13。90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。应3K和汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。22控制技术大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。12协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流。23驱动技术80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已开发并用于工业机器人中在远程
20、控制中已采用了分布式智能驱动新技术。24应用智能化的传感器装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。25网络通讯方式大部分机器人采用了ETHER网络通讯方式，占总量的413，其他采用RS一232，RS一485等通讯接口。26高速、高精度、多功能化目前，最快的装配机器人最大合成速度为165MS，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80MS而另一种并联结构的NC机器人，其位置重复精度达1UM。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。27集成化与系统化当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。
21、百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。三、机器人的主要控制方法1、关节伺服电机下位机采用C8051F200单片机和DSPTMS320F28016作为主控制器,选用直流伺服电机或者直流无刷电机作为机械臂的关节驱动器。这是本系统的一个核心部分。直流伺服电机控制系统由伺服控制器、电机驱动电路和角位移检测电路构成。直流电机驱动采用双H桥芯片L298,该芯片可作为小功率直流电机的驱动,13外围电路简单,通过4个输入端口就可以控制2个电机的正反转
22、并且可以通过2个使能端VEN对电机两端的电压进行PWM调制,实现电机调速。直流电机角位移的检测采用与电机同轴转动的电位器电压变化来实现。2、机械抓手伺服电机测量关节角位移和测量机械抓手抓力都是通过电位器的转动来检测角位移的变化。测量关节的角位移比较简单,只要将电位器与电机转轴同步转动即可检测电机的角位移。该机械抓手通过在活动环节上的电位器来响应关节的角位移,再通过安装在顶部的弹簧将角位移转换成压力信号。压力值FNFNLSINSIN0K1式中K弹簧的弹性系数0无压力时角度的初值。3、移动平台伺服电机底部的移动平台采用左右差速驱动的履带结构。这种结构控制灵活,可以通过左右电机的正/反转组合实现多种
23、转弯方式,并能实现原地转动而且能够提供很大的驱动力,通过PWM调制技术控制L298的2个输入端可实现调压调速,也可在上位机上对平台的运动速率进行实时改变。值得注意的是,单片机和电机驱动电路间都加了光偶隔离器,并采用独立电源,以免电流波动较大影响单片机或DSP工作。四、机器人的发展趋势41机器人的国内发展趋势我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生
24、产线研究开发者带来巨大商机。据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自动化线就达300多条，产值约为60多亿元人民币。预计在2005年左右需求此类自动化生产线达到600条。据初步测算，“十一五”期间汽车制造业的需求市场容量将达到800多亿元人民币。我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小，这与当前市场需求有较14大差距。生产规模达到大批量生产能力，才能提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本，才能占领国内市场。目前主要生产第一代示教再现型机器人。随着建筑施工、石化、食品、核工业、水下、高空及微加工行业的需求，将推出一批新机型，如大负载、高精度、蛇形的、
25、无人飞行器以及家用、病人护理、盲人引导犬等。目前正在逐步建立上海、沈阳、北京机器人及其自动化生产线产业基地，开发出一批有市场前景的，具有自主知识产权的机器人及其自动化生产线产品。进一步加强与外企合作，引入先进技术及资金使我国成为国际生产机器人基地，占领国内市场，走向世界。42机器人的国外发展趋势机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制
26、造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（RT）概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。五、参考文献1丛爽,李泽湘实用运动控制技术M北京电子工业
27、出版社,20062朱猛,邓国兴,姜宇机械臂运动路径规划的算法设计J数学的实践与认识,2008,38141301373刘全,禹华钢,刘冰基于几何分析的机械臂运动路径规划问题研究J数学的实践与认识,2008,38141221294郭丙华,胡跃明三连杆移动机械臂模型与运动规划J控制理论与应15用,2005,2269659685周辰对六自由度机械臂运动路径设计的探讨徐州建筑职业技术学院,江苏,徐州,2211166吴磊,史仪凯,王萑四自由度机械手臂运动学分析及雅可比矩阵求解,西北工业大学机电学院,西安,7100727刘淑英，张明路，韩慧伶五自由度机械手动力学分析与仿真河北工业大学机械工程学院，天津300
28、130空军航空大学航空机械工程系，吉林长春1300228刘松国朱世强程永伦一般6R机器人的高精度逆运动学算法研究浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州,3100279王兴贵,韩松臣,秦俊奇,邵成勋多机械臂搬运同一物体的协调动态载荷分配中国人民解放军军械工程学院石家庄05000310YONGKHWANG，SANDIANATIONALLABORATORIESALBUQUERQUE,NEWMEXICO8718511DEQUANGUO，HUIJU,YUQINYAO,FENGLING,ANDTIANXIANGLI，2009INTERNATIONALCONFERENCEONARTIFICIALINTE
29、LLIGENCEANDCOMPUTATIONALINTELLIGENCE12APPINKNOWLEDGESOLUTIONS，ROBOTICS，BYINFINITYSCIENCEPRLLCONJULY,200516本科毕业设计（20届）四自由度机械臂的运动规划和物体搬运系统17摘要【摘要】随着社会的不断发展，机器人应用也越来越广泛，用机器取代人体劳动，将是社会不断变革的趋势。近年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔；本课题的研究对象是固高的四自由度的机械臂，它具有三个旋转关节和一个平移关节，末端安装有一个电磁手爪能够抓取物体；通过建立运动学模型来分析机械臂运动学
30、，并建立运动学方程；通过分析机械臂的梯形运动和S型运动，来学习机械臂的运动轨迹；最后通过GRL实现物体搬运实验。【关键词】四自由度；机械手；搬运；GRL18ABSTRACT【ABSTRACT】TODAYTHATDEVELOPCONTINUOUSLYINTHESOCIETY,THEROBOTAREMOREANDMOREUSINGATINDUSTRYSCENEAPPLICATIONREPLACESTHEMANPOWERWITHTHEMACHINESTRENGTH,ITSTHEHISTORICALDEVELOPMENTTENDENCYTHATLIBERATESTHEHUMANITYFROMTHEAR
31、DUOUSPHYSICALLABORRESEARCHOBJECTIVEOFTHISSTUDYISHIGHSOLIDFOURDEGREESOFFREEDOMMANIPULATOR,WHICHHASTHREEROTARYJOINTSANDONETRANSLATIONALJOINT,THEENDOFITISEQUIPPEDWITHAMAGNETICHANDTOCAPTURETHROUGHTHEESTABLISHMENTOFMANIPULATORKINEMATICSMODEL,IANALYZETHEKINEMATICANDTHEKINEMATICSEQUATIONS；THROUGHANALYZINGT
32、HEARMSANDTHESTYPETRAPEZOIDALMOVEMENT,LEARNTHETRAJECTORYOFMANIPULATORFINALLY,LAUNCHOBJECTHANDLINGEXPERIMENTTHROUGHGRLLANGUAGE【KEYWORDS】FOURDEGREESOFFREEDOMROBOTTRANSPORTINGGRL19目录摘要17ABSTRACT18目录19第一章绪论2011工业机器人简介2012工业机械手的发展趋势2013本论文所研究的目的和内容21131论文文研究目的21132本论文主要内容21第二章四自由度机械臂运动学模型的建立2221四自由度运动学方程建
33、立22211连杆参数和连杆坐标系22212连杆变换24213运动学方程2522四自由度机械臂的位姿描述和运动方程的建立25221四自由度机械臂的位姿描述25222机械臂运动方程的建立2623小结30第三章四自由度机械臂的轨迹规划3131轨迹规划的概述3132轨迹规划的一般性问题3233关节插值运动轨迹3534指定起始地点到目标地点的运动规划3635运动学模型3636点到点运动模型38361梯形运动曲线39362S形运动曲线4037小结42第四章四自由度工业机器人VC控制程序编制4341VC语言在四自由度机器人上的编制程序4342VC中语言的程序坐标及语法结构43421GRL语言程序结构4343
34、操作实例44431用GRL语言编程实现叠放的两个物体移动4444小结47第五章设计总结48参考文献49致谢错误未定义书签。20第一章绪论11工业机器人简介发机器人是人类发展的重要成果，诸葛亮的木牛流马的发明，就是中国古代人民智能结晶。随着行业的不断变化，机械工业逐步展成为一个现代工业的重要支柱。从一开始就有拟人机器人的研究，才有智能的机器人手臂，机械手的研究开发和推广，同时也为了代替人工不能做或非常困难的体力劳动。在过去的十年中，不仅优化了机器人的发展，它涵盖了许多领域，应用范围非常广泛。工业机械臂的发展是现代机械与现代自动化的有力结合，为现代化的发展提供了有力的保障，并形成了一个强有力的学科
35、，工业机械手学科，机械手涉及到电气专业、机械专业、自动化专业甚至涉及到生物专业等科学领域，是一门跨学科综合技术。总的来看，工业机器人的发展，从简单化到更加复杂，由低级阶段到更高级的发展，所具有的功能越来越强大，也越来越智能化，从机器人的发展趋势来看，机器人代替人类的部分劳动已经是一种必然，机器人的发展越来越造福于人类。本文所设计的机械手的目标就是为了达到提高劳动生产率经济效益，降低体力劳动和重复劳动而设计的。可用本机械手代替人力在劳动条件极其恶劣的条件下进行工作。12工业机械手的发展趋势1工业机器人的性能越来越高，随着电子计算机的发展，价格却越来越低，从最初的几十万美元，到现在的几万美元甚至几
36、千美元，从成本上讲越来越走近人们的生活。2机械结构可重新构造花以及高质量的模块化发展。比如在机械臂模块中的机械系统，测试系统以及控制系统三位一体化由连接模块和集成的模块组成的机器人系统，随着大小以及成本的降低，不同的模块在不断的上市。3工业机器人通过PC机以及PLC系统的控制，使机器人不断的走向网络化以及更加标准化器件集成度提高，控制柜的大小越来越小并且大量使用集成模块结构，大大提高了系统的操作性可靠性以及实用性。4机器人中的传感器系统越来越发挥强大的作用，除采用传统的位移，速度加速度等传感器外，一些采摘用的机器人还能控制力的大小，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术，
37、来进行决策控制和周边环境建模，并且将多个传感器技术相融合已经变得非常成熟。5虚拟技术在机器人上应用，已经从最初的结构仿真测试，发展成现在的高空作业，21隧道作业等人力无法完成或者很难完成的工作，并利用遥控技术远程控制机器人的运动。6当今使用的机器人并不完全是自动化系统，更多的是机器人与人为操作的有机结合，将局部自动化与人的操作结合，更容易且更好的为人们的生活提供方便。7机器人的兴起发展从90年代年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型的技术引起国际学术科技界的浓厚兴趣，而后各种新型的机器人不断问世。13本论文所研究的目的和内容131论文文研究目的本设计的目的是研究四自由度搬运机械手，四自由度的
38、机械臂具有三个旋转关节和一个平移关节，能够抓取物体，实现物体搬运实验。L四自由度机械臂数学模型的建立由于在动力学和运动学的基础上建立机器人的轨迹规划，所以先将轨迹规划做一些简单的介绍。首先在机器人的轨迹规划讨论中，所涉及到的其次变换等各种运算的应用机器人坐标和位姿的表达公式以及空间结构之间的联系，其次，详细介绍了关于机器人运动学方程的建立最后，重点是争对固高机械臂进行数学分析建模，建立其运动学方程。虽然采用固高机械臂的理想模型，但是，机器人的轨迹规划关系到机器人的每一个细节，包括电气以及机械的传动，需要将各个关节等细节部分做逐一的轨迹规划2。2轨迹规划的具体分析轨迹规划属于机械人规划中的最初缓
39、解。对于具体各个关节的轨迹规划，以及各个约束点的路径速度规划，由于机械臂与操作环境不接触，这样机械臂的规划问题就变的简化，更加方便的阐述原理和对轨迹的检测。在此基础上，对于各个关节在空间上的轨迹规划，先将机械的臂的规划分成不同的短，即将整个机械臂的整体规划，划分成各个段的分段规划，这样使得问题更加简化，更容易求得各个关节的轨迹问题。132本论文主要内容本设计中的机械手主要有底座的旋转，手臂的升降，手臂的伸缩，手爪的旋转组成，具有四个自由度。本设计中的机械手是一种通用型搬运机械手。通过电磁爪手指的不同选择可满足小于直径60MM的的搬运。通过示教再现或程序的直接控制可实现在机械手工作范围内把从指定
40、点搬运到另一指定点，并把翻转过来。通过对机械手的相应控制还可实现对的排列，并利用GRL程序控制他的运行轨迹。22第二章四自由度机械臂运动学模型的建立现代应用的工业机器人都是通过编程直接控制关节坐标的，并且控制器发出指定指挥机器人的工作，而预先设定好关节运动到哪个部位所具有的参数。当操作者的工作任务被机器人执行时，控制系统记录号的运动数据，使机器人按照预先设定的位置进行运动。对于设计开发比较高级的机器人程序语言，要求具有按照笛卡儿坐标规定工作任务的能力。机械手臂的位置以及物体在工作空间内的位置，都是通过确定的坐标系来表达的；而某个中间坐标系用来规定的工作任务，如某个关节端部的任务。当要实现的运动
41、用笛卡儿坐标系来表达时，必须将这些运动转化为一系列能够由由手臂驱动的关节位置。确定手臂各关节位置的解答和各个关节的姿态，也就是运动方程的求解。要详细工作物体的具体位置和详细了解机械臂的运动，就要指定机械臂各个关节的速度，由某个笛卡儿坐标系规定的各单个关节速度决定的最后一个连杆速度的线性变换雅可比矩阵。机械臂的轨迹规划状况也就是机器人低层规划，是在机械臂动力学和运动学的基础上，研究在关节空间和笛卡儿空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法网。由于机械臂的运动学和动力学是它的基础，所以机器人动力学和运动学的基本知识以及关节位姿的描述有必要被简单介绍一下，机器人运动学和动力学的一般方程以及四自由度机
42、械臂数学模型的建立。21四自由度运动学方程建立211连杆参数和连杆坐标系一般是由移动和转动关节两部分构成机器人操作臂，每一个关节都相对应一个自由度，由此可知，四个连杆和四个关节组成的机械臂就有四个自由度，五个个关节和五个连杆组成的机械臂就有五个自由度。本论文主要讨论的是四自由度机器人一般情况下设定，基座被定义为连杆零，不包含在本文所要讨论的四连杆之内。关节一相连接机座和连杆一，关节二相连接连杆一和连杆二，通过关节三相连接连杆三和连杆二，由此类推，就是由四个关节和4个连杆组成，其中，基座固定不动，栏杆四与手抓固定连接。1连杆的描述连杆的作用在于能够保持其两端的关节轴线有固定的几何关系，连杆的特征
43、也是由这两条轴线规定的，如图21所示。连杆I1的特征是公法线长度1IA和夹角1I所规定了关节轴线I1和I的角度。1IA和231I分别称为连杆的扭转角和长度。1I的指向规定为从轴线I1绕公垂线转至轴线I。1I0时，两轴线平行；1IA0时，两轴线相交；这时1I的指向不定。由连杆扭角1IA和长度1I就可以完全定下连杆I1的特征。图21连杆连接的描述2连杆之间连接的描述中间连杆相邻之间两杆I和I1由关节I相连，因此关节轴线I有它的垂直线与它的公法线垂直垂直，一条连杆对应每条公法线，1IA代表连杆I1；IA代表连杆I，如图22所示。图22两连杆连接的描述图22连杆连接的描述这两条连杆之间的偏置就是两条公
44、法线IA与1IA之间的距离ID；IA与1IA之间的夹角I称为关节角。ID和I都带正负号。ID表示轴线I的交点与1IA到轴线I与IA的距离，沿轴线I测量；I表示1IA与IA之间的夹角，绕轴线I由1IA到IA测量。连杆长度1IA恒为正，但扭角1I可正、可负。对于首末连杆对于具体情况有具体的规定。一般对于运动链两端，按习惯约定060AA；060。24通过上述分析，我们知道每个连杆1IA，1I，ID，I由四个参数构成，其中1IA和1I是描述连杆I1本身的特征；ID和I是描述连杆I1和连杆I之间的相互联系。对于旋转关节I，只有I是关节变量，其余三个参数保持不变；对于移动关节I，只有ID是关节变量，其余三
45、个参数保持不变。HARTENBERG和DENAVIT提出来上述描述机器人运动的方法，称为DH方法。针对一个具有四个关节的机器人系统，它的运动学中的固定部分可以用十八个参数完全表示，而运动学中的变动部分则用四个关节变量描述。3连杆坐标系的规定为了更好了描述机械臂各个连杆之间相对运动关系，假设在每个两岸上都固定连接一个坐标系。与基座固定连接的坐标系记为O，与连杆I固定连接的坐标系记为I。4连杆参数的总结根据所设定的连杆坐标系，相应的连杆参数可定义如下1IA从1IZ到IZ向1IX测量的距离；1I从1IZ到IZ绕1IX旋转的角度；ID从1IX到IX向IZ测量的距离；I从1IX到IX绕IZ旋转的角度。2
46、12连杆变换连杆变换即是连杆坐标系I相对于I1的变换。很显然连杆变化与这四个连杆的参数相关。为了简化问题，我们可以把连杆变换分解成四个基本的子变换问题，其中每一个子变换只需要一个连杆的参数。具体的写法在参考文献034。由于这些子变换都是相对于动坐标系描述的，我们按照“从左向右”的原则，可以得到111,IIIIIITROTXTRANSXAROTZTRANSZD；（21）进一步简化，得111111111100001IIIIIIIIIIIIIIIIIIICSASCCCSDSTSSCSCDC（22）25将各个连杆变换11,2,IITIN相乘，得001112NNNTTTT（23）其中0NT称为机器人操作
47、臂变换矩阵，它是N个关节变量的函数。表示末端连杆坐标系N相对于基坐标系0的描述，即0011121122,NNNNNTQQQTQTQTQ（24）213运动学方程对于矩阵变换，根据各个关节的传感器的输出位置，从而得出每个关节变量IQ（I1,2，N）的值，即可求出0NT。000000012311122324200000101NNNNNNNNNNOAPRPTQTQTQTQTQ上式我们把它称为运动学方程。它表示末端连杆的位姿（N，O，A，P）与关节变量Q1，Q2，Q3，Q4，QN之间的关系。如果知道方程右边的每个关节变量Q1，Q2，Q3，Q4，QN，用右边的关节变量去求末端连杆的位姿（N，O，A，P），
48、我们称为运动学的正解；反之，如果知道方程左边的末端连杆的位姿（N，O，A，P），由它们去求各个关节变量Q1，Q2，Q3，Q4，QN，我们称为运动学的反解。运动学的正解和反解在轨迹运动规划中都起着重要的作用。22四自由度机械臂的位姿描述和运动方程的建立探讨SCARA机器人的运动学问题,包括如何表示机器人运动学方程,以及运动学正解和反解的问题等,这些是研究四自由度机械臂控制系统和动力学的重要基础,也是开放式机器人系统轨迹规划的重要基础。机器人的控制就是控制机器人的各连杆、各关节输出力的大小以及输出速度和各关节以及各连杆等彼此之间的相对位置，这就涉及到工作台、各连杆、参考基准以及关节工作对象等彼此之
49、间的相对位置关系。机器人运动学专门研究机器人的运动规律，而在研究中不考虑产生此运动的力力矩和力，因为这属于机器人动力学范畴。221四自由度机械臂的位姿描述机械手的位姿描述有两种关节坐标空间和直角坐标空间。1关节坐标空间定义机器人的空间坐标直接由各个关节的坐标来确定，所有关节变量构成一个关节矢量。所26有关节矢量构成的空间称为关节坐标空间。因此关节坐标空间运动就是直接操作各个关节的来完成机器人动作的运动。下图是关节坐标空间的定义。图23关节坐标空间定义机器人末端的位置和方位通常是在直角坐标空间中描述。当进行机器人操作任务时，通常采用直角坐标空间更为直观和方便。下图是直角坐标空间的定义。图24直角坐标空间定义当给定机器人各关节的坐标时，求解这些坐标在以机器人的末端执行器的位姿为基础的基准坐标系中如何表示的问题是正向运动学（运动学正解）；反之，当末端执行器的位姿在基准坐标系给定时求出相对应的各关节的坐标就是机器人逆运动学（运动学反解
