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、在
2、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，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决机
3、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。我们选
4、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证明
5、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，进行规划处
6、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）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WL,W
7、R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形示教控制
8、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，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学习机械臂运动学分
9、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械臂模型与运
10、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工程学院石家庄05000310YONGKHWANG，SANDIANATIONALLABORATORIESALBUQUERQUE,NEWMEXICO8718511DEQUANGUO，HUIJU,YUQINYAO,FENGLING,ANDTIANXIANGLI，2009INTERNATIONALCONFERENCEONARTIFICIALINTELLIGENCEANDCOMPUTATIONALINTELLIGENCE12APPINKNOWLEDGESOLUTIONS，ROBOTICS，BYINFINITYSCIENCEPRLLCONJULY,2005
