六自由度机械手复杂运动控制
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- 摘 要
本文以示教型六自由度串联机械手为试验设备，进行机械手的复杂运动控制，使机械手完成各种复杂轨迹的运动控制等功能，能够在现代工业焊接、喷漆等方面的任务。
本文从运动学分析的基础上着手研究轨迹控制的问题，利用运动学逆解的方式分析复杂轨迹运动的可行性和实用性。目前，六自由度机械手的复杂运动控制已经有了比较好的逆解算法，也有一些针对欠自由度机械手的逆解算法。逆解算法求出的解不是唯一的，它能使机械手达到更多位姿，完成大部分的原计划任务，但其中的一些解并不是最优化的，因此必须讨论其反解的存在性和唯一性。
本文通过建立机械手的笛卡尔坐标系，推导出机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆运动学方程的解；在此基础上建立机械手的工作空间，并讨论其工作空间的灵活性和存在可能性。
因此本文的另一种方式对六自由度串联机械手的复杂运动控制问题进行研究，提出以机械手示教手柄引导末端执行器对复杂运动轨迹进行预设计。然后通过记录程序进行复杂轨迹的再实现，再对记录程序进行预修改，最终通过现有的程序进行设计编程完成复杂轨迹设计任务。并利用MATLAB对轨迹进行仿真，对比其实际与计算的正确性。
最后本设计通过六自由度串联机械手实现平面文字轨迹，得出其设计的方式。即首先利用示教手柄实现轨迹预设，记录预设轨迹程序，然后再对比程序初始化坐标进行手动编程。
关键词：六自由度机械手，笛卡尔坐标系，运动学方程，仿真，示教手柄ABSTRACT
目 录
绪论 …………………………………………………………………1
课题研究背景和意义…………………………………………………1
国内外研究状况………………………………………………………2
六自由度机械手复杂运动控制的现实意义…………………………4
课题的提出……………………………………………………………5
本课题研究的主要内容………………………………………………5
串联机器人运动学…………………………………………………7
2.1 机器人运动学方程的表示……………………………………………7
2.1.1 运动姿态和方向角……………………………………………8
2.1.2 运动位置和坐标………………………………………………9
2.1.3 连杆变换矩阵及其乘和………………………………………12
2.2 机械手运动方程的求解………………………………………………15
2.2.1 欧拉变换解……………………………………………………16
2.2.2 滚、仰、偏变换解……………………………………………20
2.2.3 球面变换解……………………………………………………21
2.3 反解的存在性和唯一性………………………………………………23
2.3.1 反解的存在性和工作空间……………………………………23
2.3.2 反解的唯一性和最优解………………………………………24
2.3.3 求解方法………………………………………………………25
六自由度机械手的平面复杂轨迹设计及运动学分析……………27
3.1 系统描述及机械手运动轨迹设计方式………………………………27
3.1.1 机器人技术参数一览表………………………………………27
3.1.2 机器人控制系统软件的主界面………………………………27
3.1.3 机器人各部位和动作轴名称…………………………………28
3.1.4 机械手运动轨迹设计方式……………………………………29
3.2 平面复杂轨迹设计目的………………………………………………33
3.2.1“西”字的轨迹设计和分析…………………………………33
3.2.2“南”字的轨迹设计和分析…………………………………34
3.2.3机械手的起始位姿和末态位姿………………………………35
3.3机械手轨迹设计中坐标系的建立……………………………………35
3.4 平面轨迹设计的正运动学分析………………………………………43
3.4.1平面轨迹设计的正运动学分析原理…………………………43
3.4.2 正运动学分析步骤及计算……………………………………44
3.5 平面轨迹设计的逆运动学分析………………………………………45
3.5.1 平面轨迹设计的逆运动学分析原理…………………………45
3.5.2.逆运动学分析步骤及计算……………………………………46
设计实现过程和MATLAB仿真计算……………………………50
4.1 设计实现过程…………………………………………………………50
4.2 MATLAB仿真计算……………………………………………………53
结论与展望…………………………………………………………57
5.1 结论……………………………………………………………………57
5.2 展望……………………………………………………………………58
致谢……………………………………………………………………………59
参考文献………………………………………………………………………60
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
在现代制造行业中，先进的制造技术不断的代替传统的加工方法和操作方式。现代工业的高技术要求，更促进了机器人的发展：例如，实行无人化的工作车间，自动生产线等。
特别九十年代以来，工业机器人性能不断提高，向着高速度、高精度、高可靠性的方向发展，同时表现在以下方面：
1．机械结构向模块化、可重构化发展。如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。国外己有模块化装配机器人产品问市。
2．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成速度高，控制距日见小巧，且采用模块化机构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
3．机器人中的传感器作用日益重要。除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器: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来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中己有成熟应用。
4．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
5．当代遥控机器人系统发展的特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统来构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
6．机器人机械化开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点:一个是在横向上，机器人的应用领域在不断扩大，机器人的种类日趋增多;另一个是在纵向上，机器人的性能不断提高，并逐步向智能化方向发展。在21世纪，机器人技术将继续是科学与技术发展的一个热点。机器人技术的进一步发展必将对社会经济和生产力的发展产生更加深远的影响。机器人将成为集机械、电子、计算机、控制、传感器、仿生学和人工智能等多学科理论与技术的机电一体化机器。在未来的100年中科学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的水平。机器人将成为人类多才多艺和聪明伶俐的“伙伴”，更加广泛地参与人类的生产活动和社会生活。
串联式机器人是一种典型的工业机器人，在自动搬运、装配、焊接、喷涂等工业现场中有着广泛的应用，通过该系列教学机器人可使学生能够模拟工业现场的实际运行状况。结构紧凑，工作范围大，具有高度的灵活性，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。
多自由度机械手做为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断更新。普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作，多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。本课题正是在此背景下，研究其六自由度机械手复杂运动控制也更为重要。 ...
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