1、本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB 的 PUMA-262 型机械手控制系统设计与仿真所在学院专业班级 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：毕业设计任务书设计题目： 基于 MATLAB 的 PUMA262 型机械手控制系统设计与仿真 1设计的主要任务及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，在深入了解反馈控制系统工作原理的基础上，掌握机械系统建模、分析及校正环节设计的基本过程；初步掌握运用MATLAB/Simulink相关模块进行控制系
2、统设计与仿真的方法，为学生在毕业后从事机械控制系统设计工作打好基础。2设计的基本要求和内容（1）根据已有的 PUMA262 型机械手相关资料，对其结构特点及工作原理进行分析；（2）建立系统的数学模型，分析系统的性能指标；（3）设计校正环节；（4）运用 MATLAB/SIMULINK 对系统进行仿真计算；（5）通过动态仿真设计优化系统参数；3主要参考文献1 刘白燕等编,机电系统动态仿真-基于 MATLAB/SIMULINKM.北京：机械工业出版社,2005.72 王积伟，吴振顺等著，控制工程基础M.北京：高等教育出版社 2001.83 蔡自兴：机器人学 清华大学出版社 2000.94进度安排设计
3、各阶段名称 起 止 日 期1 查阅资料，总体规划，完成开题 2013.12.182014.03.162 分析PUMA 262型机械手工作原理 2014.03.172014.03.233 建立系统的数学模型，分析系统的性能指标2014.03.242014.04.134 校正环节设计 2014.04.142014.05.115 运用MATLAB/Simulink完成系统的仿真 2014.05.122014.05.316 分析结果，整理论文，准备答辩 2014.06.012014.06.102基于 MATLAB 的 PUMA-262 型机械手控制系统设计与仿真摘要;PUMA-262 型机器人是美国
4、UNIMATION 公司制造的一种精密轻型关节式通用机器人。本课题所研究的是基于 MATLAB 的 PUMA-262 型机械手系统控制进行设计与仿真,通过对该机械手的机构和传动原理进行了分析，建立了各关节的数学模型。用MATLAB 做出系统的动态性能图，最后，设计数字控制对系统进行 PID 控制,根据系统性能指标的要求做出相应的离散响应图, 对控制系统进行校正和仿真,以验证最后结果。关键字：数学模型，PUMA-262 型机械手，控制器，PID 校正，MATLAB 仿真The PUMA-262 Robot Control Cystem Based On MATLAB Design And Sim
5、ulationAbstract;PUMA-262 robot is a kind of UNIMATION companies in the United States manufacturing precision lightweight universal joint type robot. What this topic research is a PUMA - 262 robot system based on MATLAB control design and simulation, based on the mechanism and transmission principle
6、of the manipulator are analyzed, Established the mathematical model of each joint. MATLAB to make the system dynamic performance figure, Finally, the design of digital control of PID control system, according to the requirement of the system performance index to make the corresponding discrete respo
7、nse figure, for calibration and control system is emulated, to verify the results.Keywords: mathematics mode; PUMA-262 robot; control box; PID correction ; matlab simulinkI目 录1 绪 论 12 PUMA-262 型机器人简介 32.1 PUMA-262 型机器人的传动原理 52.2 PUMA-262 型机器人的特点 63 建立数学模型 74 控制系统的性能指标分析134.1 控制系统的稳态误差144.2 系统的抗干扰能力1
8、54.3 控制系统稳定性164.4 控制系统动态性能175 数字控制器与 PID 控制295.1 关节 1 的控制系统模拟化设计295.2 其他关节的控制系统模拟化设计346 用 MATLAB 进行仿真516.1 在 MATLAB 环境下连续控制系统的时域图516.2 用 MATLAB 对系统进行仿真547 总结与展望69参考文献70致 谢71附 录7211 绪论由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅
9、提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统（是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，fms 的工艺基础是成组技术 11，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制）fms 和柔性制造单元（由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根
10、据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件）fmc 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。PUMA-262 式机械手是一种能自动化定位控制并可重新汇编程序的多功能机器。它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中的工作。工业机械手是近似自动控制领域中出现的一项新技术
11、，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。依据机械手的力学模型和动态模型，使用 MATLAB 对其进行了控制仿真。PUMA-262 式机械手 13是美国 Unimation 制造的一种精密轻型关节式通用机器人，它的设计具有传动精度高，结构紧凑，重量轻工作范围大，适应性广的优点。主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、2旋转等独立运动方式，
12、称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。PUMA-262 式机械手控制系统设计的步骤；（1）建立控制系统的数学模型；有输入，输出，中间变量的数学表达式；（2）建立控制系统的仿真模型；由数字模型转化成仿真模型；（3）编制控制系统的仿真软件；用仿真语言或 C 语言；（4）进行系统仿真并得出仿真结果；采用 MATLAB 工具箱。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益
13、为人们所认识。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。MATLAB 是美国 Mathworks 公司于 20 世纪 80 年代推出的一款数学软件，在刚推出时就以其强大的数值计算和数据图
14、形可视化功能在数学软件中独占鳌头。2004年 2 月由 Mathworks 公司推出的 MATLAB 最新版本为 6.5，经过多年来的不断努力，MATLAB 已经成为适合多学科、多种工作平台的功能强大的数学工具软件。MATLAB 是一种用于工程计算的高性能程序设计语言，它集成了计算功能、符号运算、数据可视化等功能，以及图形用户界面设计技术和应用程序接口技术，其代码编写过程与数学推导过程的格式很接近，使得编程更加直观和方便，该软件的应用主要集中在以下几个方面：数值计算、算法开发、符号表达式运算与推导、数学建模与仿真、数据分析和可视化、科学和工程绘图、应用开发等。总之，MATLAB 作为一种计算工
15、具和科技资源，可以扩大科技研究的范围，提高工程生产的效率，缩短开发周期，加快探索步伐，激发创作灵感。32 PUMA-262 型机器人简介 13PUMA-262 型机器人是美国 UNIMATION 公司制造的一种精密轻型关节式通用机器人。它具有六个关节度，即六个控制轴，采用直流伺服控制。它的设计具有传动精度高，结构小巧紧凑，重量轻；工作范围大、适应性广等优点，广泛应用于医药、食品、电子、机械等工业，可用来从事包装、材料配置、安装以及小型机电元件的装配、搬运、喷涂、机械加载、实验、检查等工作。它的主要设计参数见表 2.1 所示；表 2.1 PUMA-262 型机器人主要设计参数项目 技术参数 项目
16、 技术参数结构型式 关节式 控制方式 PTP/CP自由度数 6 操作方式 示教再现存储容量 19KW运动范围/ 质量 机械本体 13.2KG；控制柜 36.33KG最大速度 1.23m/s 输入/输出 32 位腕部最大负荷 1.00kg 电源 110-130V 交流；50-60hz;1.2kw驱动方式 直流伺服电机 安装环境 5-46 度；（20-90）RH重复定位精度 0.05mm图 2.1 表示了 PUMA-262 的外貌，旋转轴的位置、数量、旋转角度范围以及机器人本体的主要构成部件和第 1 关节（腰关节）的齿轮组。它的主要构成部件是，由立柱和机座组成的回转机座（腰关节 1）以及大臂、小臂
17、、手腕等。机座是一个铝制的整体铸件，其上装有关节 1 的驱动电机，小臂定位（零位）夹板，两个控制手爪装置的气动阀、在机座内腔安置了关节 1 的两极直圆柱齿轮支撑的减速齿轮组，即 Z1/Z2 和 Z3/Z4。立柱为薄壁铝管制成，内部安装了关节1 的回转轴及其轴承、轴承座。大臂上装有关节 2、3 的驱动电机，内部装有对应的传动齿轮组，齿轮组传动细节可参见图 2-2。关节 2、3 都采用了三级齿轮减速，其中第一级采用锥型齿轮，以改变传动方向 90 度。第二、三级均采用圆柱直齿轮进行减速。关节 2 传动的最末一个大齿轮固定在立柱上；关节 3 传动的最末一个大齿轮固定在小臂上。4图 2.1 PUMA-2
18、62 型机器人结构小臂端部连接具有 3R（关节 4、5、6）手腕，在臂的根部装有关节 4、5 的驱动电机，在小臂的中部，靠近手腕处，装有关节 6 的驱动电机，关节 4、5 均采用两级齿轮传动，不同的是关节 4 采用两级圆柱直齿轮，而关节 5 采用第一级圆柱直齿轮，第二级锥齿轮，使传动轴线改变方向 90 度。关节 6 采用三级齿轮传动，第一级与第二级为锥齿轮，第三级为圆柱直齿轮。关节 4、5、6 的齿轮组除关节 4 第一级齿轮装在小臂内以外，其余的均装在手腕内部。5图 2.2 2,3 关节的结构2.1 PUMA-262 型机器人的传动原理 13图 2.3 PUMA-262 机器人传动原理图表 2
19、.2 六关节的传动路线关节 传 输 路 线123456关节 1 电机-Z1/Z2-1 轴-Z3/Z4-2 轴（关节 1）关节 2 电机-Z5/Z6-4 轴-Z7/Z8-5 轴-Z9/Z10-6 轴（关节 2）关节 3 电机-Z11/Z12-9 轴-Z13/Z14-10 轴-Z15/Z16-11 轴（关节 3）关节 4 电机-Z17/Z18-12 轴-Z19/Z20-15 轴（关节 4）关节 5 电机-Z21/Z22-17 轴-Z23/Z24-18 轴（关节 5）关节 6 电机-Z25/Z26-20 轴-Z27/Z28-21 轴-Z29/Z30-22 轴（关节 6）关节 4 的动作原理 关节 4（图 2.1）的功能是使手腕作横滚运动，关节 4 电机的支流伺服电机安装在小臂的后端，其输出轴先经 1 级齿轮减速传动 Z17/Z18 后，
