机器人基础三级项目.docx
《机器人基础三级项目.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机器人基础三级项目.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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/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;
T30=T10*T21*T32;
T20=T10*T21;
T10=T10;
R10=T10（1:
3,1:
3）;%取T10第一行到第三行即第一列到第三列
R20=T20（1:
3,1:
3）;
R30=T30（1:
3,1:
3）;
R40=T40（1:
3,1:
3）;
T41=T21*T32*T43;
T42=T32*T43;
T43=T43;
T44=T43;
P41=T71（1:
3,4）;%取最后一列的前三行
P42=T72（1:
3,4）;
P43=T73（1:
3,4）;
P44=T74（1:
3,4）;
Z1=T10（1:
3,3）;%z轴单位向量
Z2=T20（1:
3,3）;
Z3=T30（1:
3,3）;
Z4=T40（1:
3,3）;
R1=cross（Z1,（R10*P41））;%速度V
R2=cross（Z2,（R20*P42））;
R3=cross（Z3,（R30*P43））;
R4=cross（Z4,（R40*P44））;
J=[R1R2R3R4;Z1Z2Z3Z4]
得J=
87.0000000
201.00000.000000
0201.000000
0000
0-1.0000-1.0000-1.0000
1.00000.00000.00000.0000
第4章轨迹规划
我们通过三维模拟，得到各个关节角位移和角速度的曲线如下：
角位移：
关节一角位移关节二角位移
关节三角位移关节四角位移
角速度：
关节一角速度关节二角速度
关节三角速度关节四角速度
第5章项目总结
机械臂与机械手的设计与运动控制是机器人实现自身功能的非常重要的一个环节，尽管我们通过学习与自身能力结合完成了本次项目，但其内容与功能上仍有不足与缺陷，希望将来能有有机会再次完善。
本报告主要概述了利用maTlab和SolidWorks来实现机械臂运动模拟的整个过程和基本原理。
机械臂模拟是建立在机器人的基础之上，以矩阵为基本单位，通过矩阵变换以及maTlab数学计算求得运动学的正解与反解，简化了计算过程；然后利用SolidWorks三维建模进行运动模拟，它的运动可以通过修改运动轨迹来改善机械臂的运行情况，避免了大量的编程，使运动模拟更加快捷简便。
总之机械臂与机械手的设计有各种各样的方案等着我们去思考实现，相信如果再有机会我们能够比现在做得更好。
第六章心得体会
本次课程设计时间紧任务重，通过全组人员的通力协作终于在汇报前按时完成，在此过程中也让我们更深入的了解了机器人这门课程的实际应用。
本次设计综合了所学的机器人学的所有知识，是对过去学习的检验，同时也是巩固提高、温故知新的过程。
通过此次设计使我们发现如今学习到的知识面还是太窄，内容有限，仅仅为取得考试成绩所学的知识根本远远不够，只有更广泛的学习和调查各方面的资料才能达到真真的提高。
首先面临机械臂多种方案的设计，开始无从下手，后通过查阅各方资料不断吸取新的内容才完成了项目的第一步，最重要的运动学正反解在实际计算时也面临很多困难，再者就是在完成此次项目的同时还交叉着其他各科的许多项目与考试，如何合理的安排时间调高项目的进行效率也是一个考验。
设计过程中，在老师、助教以及同学的帮助和配合下，才使得项目如期基本完成，这体现了团队精神的重要性。
本次课程实践项目无论在专业知识还是在学习能力上都对我们有很大的启发，也非常感谢老师和助教的指导。
参考文献
1.刘杰机电一体化技术基础与产品设计冶金工业出版社,2003
2.李广弟朱月秀冷祖祁单片机基础北京航空航天大学出版社，2007
3.熊有伦机器人技术基础华中科技大学出版社
附录
T41=
[（sin（a1）*（cos（a4）*（cos（a3）*（（4967757600021511*cos（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064+cos（a2）*sin（a1））-sin（a3）*（sin（a1）*sin（a2）-（4967757600021511*cos（a1）*cos（a2））/81129638414606681695789005144064））-（4967757600021511*sin（a4）*（cos（a3）*（sin（a1）*sin（a2）-（4967757600021511*cos（a1）*cos（a2））/81129638414606681695789005144064）+sin（a3）*（（4967757600021511*cos（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064+cos（a2）*sin（a1））））/81129638414606681695789005144064+cos（a1）*sin（a4）））/（cos（a1）^2+sin（a1）^2）-（cos（a1）*（sin（a1）*sin（a4）+cos（a4）*（cos（a3）*（（4967757600021511*sin（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064-cos（a1）*cos（a2））+sin（a3）*（cos（a1）*sin（a2）+（4967757600021511*cos（a2）*sin（a1））/81129638414606681695789005144064））+（4967757600021511*sin（a4）*（cos（a3）*（cos（a1）*sin（a2）+（4967757600021511*cos（a2）*sin（a1））/81129638414606681695789005144064）-sin（a3）*（（4967757600021511*sin（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064-cos（a1）*cos（a2））））/81129638414606681695789005144064））/（cos（a1）^2+sin（a1）^2）,-（sin（a1）*（（4967757600021511*cos（a4）*（cos（a3）*（sin（a1）*sin（a2）-（4967757600021511*cos（a1）*cos（a2））/81129638414606681695789005144064）+sin（a3）*（（4967757600021511*cos（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064+cos（a2）*sin（a1））））/81129638414606681695789005144064-cos（a1）*cos（a4）+sin（a4）*（cos（a3）*（（4967757600021511*cos（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064+cos（a2）*sin（a1））-sin（a3）*（sin（a1）*sin（a2）-（4967757600021511*cos（a1）*cos（a2））/81129638414606681695789005144064））））/（cos（a1）^2+sin（a1）^2）-（cos（a1）*（（4967757600021511*cos（a4）*（cos（a3）*（cos（a1）*sin（a2）+（4967757600021511*cos（a2）*sin（a1））/81129638414606681695789005144064）-sin（a3）*（（4967757600021511*sin（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064-cos（a1）*cos（a2））））/81129638414606681695789005144064-sin（a4）*（cos（a3）*（（4967757600021511*sin（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064-cos（a1）*cos（a2））+sin（a3）*（cos（a1）*sin（a2）+（4967757600021511*cos（a2）*sin（a1））/81129638414606681695789005144064））+cos（a4）*sin（a1）））/（cos（a1）^2+sin（a1）^2）,（cos（a1）*（（4967757600021511*sin（a1））/81129638414606681695789005144064-cos（a3）*（cos（a1）*sin（a2）+（4967757600021511*cos（a2）*sin（a1））/81129638414606681695789005144064）+sin（a3）*（（4967757600021511*sin（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064-cos（a1）*cos（a2））））/（cos（a1）^2+sin（a1）^2）-（sin（a1）*（（4967757600021511*cos（a1））/81129638414606681695789005144064+cos（a3）*（sin（a1）*sin（a2）-（4967757600021511*cos（a1）*cos（a2））/81129638414606681695789005144064）+sin（a3）*（（4967757600021511*cos（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064+cos（a2）*sin（a1））））/（cos（a1）^2+sin（a1）^2）,（cos（a1）*（87*sin（a1）-（998519277604323711*sin（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064+201*cos（a1）*cos（a2）））/（cos（a1）^2+sin（a1）^2）+（sin（a1）*（（998519277604323711*cos（a1）*sin（a2））/81129638414606681695789005144064-87*cos（a1）+201*cos（a2）*sin（a1）））/（cos（a1）^2+sin（a1）^2）]
[（cos（a1）*（cos（a4）*（cos（a3）*（（4967757600021511*cos（a1）*sin（a2））/811296384
升级会员 