机器人基础三级项目.docx
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机器人基础三级项目
燕山大学
课程研究项目报告
自平衡小车机器人系统的
设计与制作
学院
：
机械工程学院
年级专业
：
机电2012—1/2班
课程名称
：
机电一体化系统设计
组号
：
3
学生姓名
：
武进、熊进、冯少日、张陶然
组内分工
：
张三，车体设计与组装，45%
李四，软件设计与调试，55%
指导教师
：
姚建涛、刘晓飞
日期
：
2015.10
摘要
本报告主要介绍打磨机器人的机械臂和机械手的设计方法、思路、原理以及运动控制等，并结合智能车结构绘制三维图、模拟仿真以及计算分析实现打磨、抓取等工作要求。
报告主要分为三大部分：
第一部分为进行机械臂方案选取，通过综合考虑选择最优方案，并绘制三维图；第二部分也是最重要的步骤为工作空间的分析（包括求运动学正解与反解）、速度分析与轨迹规划；第三部分为设计总结及心得体会。
通过设计过程中查阅大量资料，组内组间积极讨论最终形成此最终报告，但能力有限，对于本报告中的不足与错误希望老师批评指正。
关键词：
机械臂，方案选取，三维图，工作空间，速度，轨迹规划
前言
机器人学是一门迅速发展的综合性前沿学科，进入21世纪，人类对空间的利用越来越迫切，随着航天技术的发展，人类在太空中的活动也越来越多。
未来将有大量的空间生产、空间加工、空间装配和空间设备的维护修理工作要做。
但是，由于空间操作环境的特殊性和不确定性，以及载人航天技术的限制，太空中仍然需要由机器人来代替人进行一系列的作业。
因此,，机器人的研发技术将成为未来宇宙开发过程的关键技术之一。
现普遍将机器人划分为两类：
一般机器人和智能机器人。
一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人。
到目前为止，在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。
大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素：
一是感觉要素，用来认识周围环境状态；二是运动要素，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作。
本次课程设计的打磨机器人小车属于智能机器人的范畴，集中了计算机、机构学、传感技术、电子技术、人工智能及自动控制等多科。
为了实现打磨以及抓取、移动、放置物体等功能，机械臂与机械手的设计尤为重要。
本次项目对于我们扩展思路、分析问题、解决问题的能力进行了综合性锻炼，也将对今后职业生涯产生重要影响。
前言.....................................................................I
第1章设计方案的确定...................................................1
第2章参数确定..........................................................8
2.1机械手臂的设计.................................................10
2.2位移分析..................................................11
2.3机械手爪设计..................................................11
第3章工作空间分析.....................................................12
3.1运动学正解.................................................13
3.2运动学反解...................................................15
第4章速度分析.....................................................16
第5章轨迹规划..........................................................17
第6章项目总结..........................................................18
第7章心得体会..........................................................18
第8章参考文献..........................................................18
第1章设计方案与参数确定
1.1机械手臂的设计
该设计设计方案有如下三种:
（1）该机械臂有3个转动关节，此结构比较简单，易制造，但由于它的工作范围相对较小，所以不采取这种方案。
图3-1（a）
（2）该机械臂有4个转动关节，手腕的转动用于实现工件的位姿变化更顺畅。
此结构比较简单，易制造，它的工作范围也相对较大，但由于所抓取的工件有一定的质量，单臂刚度尅能会受到限制，所以不易采取这种方案。
（3）
图3-1（b）
（3）该机械臂由四个转动关节组成，其中手部分为内外板，在夹取了螺栓后在重力产生的转动力矩下，螺栓自动下垂为竖直状态，便于装配。
该机械臂结构较为简单，综合了上述两种方案的优点，易于实现抓取与装配目标。
所以为最终方案。
图3-1（c）
经过分析比较我们最终选定方案3。
1.2位移分析
分析确定连杆参数
臂四
臂三
臂二
臂一
图5-1机械手初始位姿
连杆参数i
ai-1（mm）
αi-1（°）
di（mm）
关节变量
初值（°）
1
0
0
0
θ1
0
2
148.5
90
87
θ2
0
3
148.5
0
0
θ3
-90
4
0
0
0
θ4
0
手抓
0
-90
110
—
—
1.3机械手爪的设计
机械手爪的设计也有三种方案：
（1）该方机械手爪的结构还是比较简单的，它通过推动中间滑块，实现手爪的张合，它的最大缺点是张开的范围太小，并且控制不好的话，有时会将滑块从两尖角推出，所以不采取这种方案。
（2）这种方案解决了方案一所存在的部分问题，张开的角度也是比较大的，但是结构比较复杂，制造成本比较高，考虑到经费和加工条件，不采取此方案。
（3）最后这种方案结构比较简单，已加工制造，且手爪张开的角度比较大，满足要求，所以采取方案三。
通过综合考虑，我们决定选择第三种方案。
第二章工作空间分析
2.1运动学正解
说明：
由几何关系算得连杆转角，带入验证xyz的坐标关系。
a1a2a3表示连杆1、2、3的转角。
最后解得，矩阵最后一列表示小球在原点坐标系中的位置。
symsa1a2a3a4d1d2d3d4;
%连杆间齐次变换矩阵
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=
0.00001.00000201.0000
-0.00000.0000-1.0000-87.0000
-1.00000.00000.00000.0000
0001.0000
即
=
2.2运动学反解
运动学反解是已知末端连杆的位姿，求解关节变量的过程。
symsa1a2a3a4
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（-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的逆矩阵。
T41=T1*T40;
%T41=T21*T32*T43
对应各元素相等即可求出各关节变量。
另见附录一
第3章速度分析
先求出雅克比矩阵，我们可以得到末端执行器速度与各关节的速度关系。
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/
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