【正文】 及存在放射性物資等惡劣的作業(yè)環(huán)境下或在一些人不能到達(dá)的范圍內(nèi)使用，同時(shí)也用于完成如裝卸、搬運(yùn)等重復(fù)的作業(yè)任務(wù)。 選題的背景與意義隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱。無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)到處可見。同時(shí)現(xiàn)代生產(chǎn)中,存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場(chǎng)合,以及水下作業(yè)等。這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。工業(yè)生產(chǎn)中的這些需求是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)源動(dòng)力。自動(dòng)控制理論的出現(xiàn)和發(fā)展，尤其是現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用，為現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化開辟了一條新的路徑，提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和保障，從而使自動(dòng)化生產(chǎn)成為可能。工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成一門新興的學(xué)科—機(jī)器人工程。各種生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí):其一、它能部分地代替人工操作:其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和軌跡來完成工件的傳送和裝卸。其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入了大量的人力與物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部的重視。 目前，我國許多學(xué)者都在從事機(jī)械手的研究和研制工作。針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，也業(yè)已成功地研制出了壓鑄機(jī)上下料機(jī)械手、表面清理機(jī)械手等。同時(shí)，各種控制機(jī)械手輸出運(yùn)動(dòng)軌跡的控制方法也取得了一定的進(jìn)展和成效。 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 目前工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制?？刂?。方式則為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力。改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。第三 代 機(jī) 械手(機(jī)器人)則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。隨著 工 業(yè) 機(jī)械手研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。國際工業(yè)機(jī)械手(機(jī)器人)會(huì)議ISIR決定每年召開一次會(huì)議，討論和研究機(jī)械手的發(fā)展和應(yīng)用的問題。目前，工業(yè)機(jī)械手主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。目前 使 用 工業(yè)機(jī)械手代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)〔廣義的)、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。同時(shí)可以看到，高溫和搬運(yùn)重物這兩項(xiàng)所占比例也較高。在 國 內(nèi)主 要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄、鍛、熱處理、搬運(yùn)和裝卸方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。在 國外 機(jī) 械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備有任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)?？偟膩碚f，工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是:，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的 標(biāo) 準(zhǔn) 化和模塊組合化:將機(jī)器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰和擺動(dòng)等各種功能的機(jī)械模塊和控制模塊、檢測(cè)模塊組合成結(jié)構(gòu)和用途不同的機(jī)器熱人。 ，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)保證動(dòng)作精度:開發(fā)多關(guān)節(jié)、多自由度的手臂和手指。研制新型的行走機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)各種作業(yè)需要。，如視覺、觸覺、聽覺和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲取有關(guān)工作對(duì)象和外部環(huán)境信息，來完成模式識(shí)別，并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解,動(dòng)作規(guī)劃,采用微機(jī)控制。 本文的結(jié)構(gòu)本文以六自由度串聯(lián)機(jī)器人作為應(yīng)用背景，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制技術(shù)進(jìn)行了研究。全文共分為五章，各章的主要內(nèi)容如下：第一章扼要地介紹了機(jī)器人及其發(fā)展的概念、特點(diǎn)與相關(guān)研究背景；第二章研究了串聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)；第三章對(duì)串聯(lián)機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，坐標(biāo)系的建立，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的推導(dǎo)；第四章主要針對(duì)串聯(lián)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文主要是針對(duì)控制各界面的軟件設(shè)計(jì)；第五章對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的總結(jié)以及對(duì)以后的展望。 第二章桌面串聯(lián)機(jī)器人 機(jī)器人是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器，是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備。本畢設(shè)所使用的機(jī)器人為6自由度串聯(lián)機(jī)器人，其軸線相互平行或垂直，能夠在空間內(nèi)進(jìn)行定位，采用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，主要傳動(dòng)部件采用可視化設(shè)計(jì)，控制簡(jiǎn)單，編程方便，它是一個(gè)多輸入多輸出的動(dòng)力學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)，是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想平臺(tái)。它具有高度的能動(dòng)性和靈活性，具有廣闊的開闊空間，是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想對(duì)象。機(jī)器人采用串聯(lián)式開鏈結(jié)構(gòu)，即機(jī)器人各連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)連接，如圖21所示。各關(guān)節(jié)軸線相互平行或垂直。連桿的一端裝在固定的支座上（底座），另一端處于自由狀態(tài)，可安裝各種工具以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)。關(guān)節(jié)的作用是使相互聯(lián)接的兩個(gè)連桿產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)的傳動(dòng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，由錐齒輪、同步齒型帶和諧波減速等結(jié)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)。 圖21 機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)主要由以下幾大部分組成：原動(dòng)部件、傳動(dòng)部件、執(zhí)行部件?；緳C(jī)械結(jié)構(gòu)連接方式為原動(dòng)部件→傳動(dòng)部件→執(zhí)行部件。機(jī)器人的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖22所示。Ⅰ關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由伺服（或步進(jìn)）電機(jī)、減速器構(gòu)成。Ⅱ關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由伺服電機(jī)、減速器構(gòu)成。Ⅲ關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶、減速器構(gòu)成。Ⅳ關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器構(gòu)成。Ⅴ關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶、減速器構(gòu)成。Ⅵ關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器構(gòu)成。在機(jī)器人末端還有一個(gè)氣動(dòng)夾持器。 圖22 機(jī)器人傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)如下表23：結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)關(guān)節(jié)式驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)伺服混合驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力3Kg重復(fù)定位精度177。動(dòng)作范圍關(guān)節(jié)Ⅰ150176?！?150176。關(guān)節(jié)Ⅱ135176?！?45176。關(guān)節(jié)Ⅲ70176?！?50176。關(guān)節(jié)Ⅳ90176?！?90176。關(guān)節(jié)Ⅴ90176?！?90176。關(guān)節(jié)Ⅵ180176?！?180176。最大速度關(guān)節(jié)Ⅰ60o / S關(guān)節(jié)Ⅱ60o / S關(guān)節(jié)Ⅲ60o / S關(guān)節(jié)Ⅳ60o / S關(guān)節(jié)Ⅴ60o / S關(guān)節(jié)Ⅵ120o / S最大展開半徑610 mm高度850 mm本體重量≤40Kg操作方式示教再現(xiàn)/編程電源容量單相220V 50Hz 4A 機(jī)器人示教簡(jiǎn)介機(jī)器人示教(teach programming)，就是操作者把規(guī)定的目標(biāo)動(dòng)作(包括每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的動(dòng)作)一步一步的教給機(jī)器人。示教的簡(jiǎn)繁，標(biāo)志著機(jī)器人自動(dòng)化水平的高低。記憶，即是機(jī)器人將操作者所示教的各個(gè)點(diǎn)的動(dòng)作順序信息、動(dòng)作速度信息、位姿信息等記錄在存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)信息的形式、存儲(chǔ)存量的大小決定機(jī)器人能夠進(jìn)行的操作的復(fù)雜程度。再現(xiàn)，便是將示教信息再次浮現(xiàn)，即根據(jù)需要，將存儲(chǔ)器所存儲(chǔ)的信息讀出，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出具體的指令。至于是根據(jù)給定順序再現(xiàn)，還是根據(jù)工作情況，由機(jī)器人自動(dòng)選擇相應(yīng)的程序再現(xiàn)這一功能的不同，標(biāo)志著機(jī)器人對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性。操作，指機(jī)器人以再現(xiàn)信號(hào)作為輸入指令，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)重復(fù)示教過程規(guī)定的各種動(dòng)作。在示教再現(xiàn)這一動(dòng)作循環(huán)中，示教和記憶是同時(shí)進(jìn)行的；再現(xiàn)和操作也是同時(shí)進(jìn)行的。這種方式是的機(jī)器人控制中比較方便和常用的方法之一。示教的方法有很多種，有主從式，編程式，示教盒式等多種。主從式既是由結(jié)構(gòu)相同的大、小兩個(gè)機(jī)器人組成，當(dāng)操作者對(duì)主動(dòng)小機(jī)器人手把手進(jìn)行操作控制的時(shí)候，由于兩機(jī)器人所對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)之間裝有傳感器，所以從動(dòng)大機(jī)器人可以以相同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)完成所示教操作。編程式既是運(yùn)用上位機(jī)進(jìn)行控制，將示教點(diǎn)以程序的格式輸入到計(jì)算機(jī)中，當(dāng)再現(xiàn)時(shí)，按照程序語句一條一條的執(zhí)行。這種方法除了計(jì)算機(jī)外，不需要任何其他設(shè)備，簡(jiǎn)單可靠，適用小批量、單件機(jī)器人的控制。示教盒和上位機(jī)控制的方法大體一致，只是由示教盒中的單片機(jī)代替了電腦，從而使示教過程簡(jiǎn)單化。這種方法由于成本較高，所以適用在較大批量的成型的產(chǎn)品中。 本章小結(jié)本章先對(duì)六自由桌面機(jī)器人總體介紹，它是一個(gè)多輸入多輸出的動(dòng)力學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)。主要介紹了機(jī)器人的機(jī)器結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，其連接方式為原動(dòng)部件→傳動(dòng)部件→執(zhí)行部件。最后介紹了機(jī)器人示教的概念，具體介紹在第四章。 第三章桌面串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 桌面串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)是已知桿件幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)角度的條件下，求解末端執(zhí)行器相對(duì)參考坐標(biāo)系的位置和狀態(tài)，從而分析研究機(jī)器人軌跡變化。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解存在的區(qū)域稱為機(jī)器人的工作空間，求解機(jī)器人逆解的目的也在于要求出機(jī)器人的工作空間。 串聯(lián)機(jī)器人關(guān)節(jié)連桿參數(shù)定義及運(yùn)動(dòng)矩陣描述 機(jī)器人通常是由一系列連桿和相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副組合而成的空間開式鏈，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，完成規(guī)定的操作。因此，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)描述的第一步，自然是描述這些連桿之間以及它們和操作對(duì)象(工件或工具)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。假定這些連桿和運(yùn)動(dòng)副都是剛性的，描述剛體的位置和姿態(tài)(簡(jiǎn)稱位姿)的方法是這樣的：首先規(guī)定一個(gè)直角坐標(biāo)系，相對(duì)于該坐標(biāo)系，點(diǎn)的位置可以用3維列向量表示；剛體的方位可用33的旋轉(zhuǎn)矩陣來表示，而44的齊次變換矩陣則可將剛體位置和姿態(tài)(位姿)的描述統(tǒng)一起來。機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的建立可參照以下的三原則：1） 軸沿著第n個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸；2） 軸垂直于軸并指向離開軸的方向；3） 軸的方向按右手定則確定。機(jī)器人坐標(biāo)系建立的方法常用的是DH方法，這種方法嚴(yán)格定義了每個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系，并對(duì)連桿和關(guān)節(jié)定義了4個(gè)參數(shù)，如下圖31。圖31機(jī)器人機(jī)械手是由一系列連接在一起的連桿（桿件）構(gòu)成的。需要用兩個(gè)參數(shù)來描述一個(gè)連桿，即公共法線距離和垂直于所在平面內(nèi)兩軸的夾角；需要另外兩個(gè)參數(shù)來表示相鄰兩桿的關(guān)系，即兩連桿的相對(duì)位置和兩連桿法線的夾角。除第一個(gè)和最后一個(gè)連桿外，每個(gè)連桿兩端的軸線各有一條法線，分別為前、后相鄰連桿的公共法線。這兩法線間的距離即為。我們稱為連桿長(zhǎng)度，為連桿扭角，為兩連桿距離，為兩連桿夾角。機(jī)器人機(jī)械手上坐標(biāo)系的配置取決于機(jī)械手連桿連接的類型。有兩種連接——轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和棱柱聯(lián)軸節(jié)。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，為關(guān)節(jié)變量。連桿i的坐標(biāo)系原點(diǎn)位于關(guān)節(jié)i和i+1的公共法線與關(guān)節(jié)i+1軸線的交點(diǎn)上。如果兩相鄰連桿的軸線相交于一點(diǎn)，那么原點(diǎn)就在這一交點(diǎn)上。如果兩軸線互相平行，那么就選擇原點(diǎn)使對(duì)下一連桿（其坐標(biāo)原點(diǎn)已確定）的距離為零。連桿i的z軸與關(guān)節(jié)i+1的軸線在一直線上，而x軸則在關(guān)節(jié)i和i+1的公共法線上，其方向從i指向i+1，當(dāng)兩關(guān)節(jié)軸線相交時(shí)，x軸的方向與兩矢量的交積平行或反向平行，x軸的方向總是沿著公共法線從轉(zhuǎn)軸n指向i+1。當(dāng)兩軸和平行且同向時(shí)，第i個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的為零。 一旦對(duì)全部連桿規(guī)定坐標(biāo)系之后，我們就能夠按照下列順序由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移來建立相鄰兩連桿i1與i之間的相對(duì)關(guān)系。繞軸旋轉(zhuǎn)角，使軸轉(zhuǎn)到與同一平面內(nèi)。沿軸平移一距離，把移到與同一直線上。沿i軸平移距離，把連桿il的坐標(biāo)系移到使其原點(diǎn)與連桿n的坐標(biāo)系原點(diǎn)重合的地方。繞軸旋轉(zhuǎn)角，使轉(zhuǎn)到與同一直線上。這種關(guān)系可由表示連桿i對(duì)連桿i1相對(duì)位置的四個(gè)齊次變換來描述，并叫做矩陣。此關(guān)系式為 （式31）展開上式可得 （式32） 當(dāng)機(jī)械手各連桿的坐標(biāo)系被規(guī)定之后，就能夠列出各連桿的常量參數(shù)。 對(duì)于跟在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)i后的連桿，這些參數(shù)為，和。對(duì)于跟在棱柱聯(lián)軸節(jié)i后的連桿來說，這些參數(shù)為和。然后，角的正弦值和余弦值也可計(jì)算出來。這樣，A矩陣就成為關(guān)節(jié)變量的函數(shù)（對(duì)于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）或變量d的函數(shù)（對(duì)于棱柱聯(lián)軸節(jié)）。一旦求得這些數(shù)據(jù)之后，就能夠確定六個(gè)變換矩陣的值。 串聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和系統(tǒng) 參照機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖32，根據(jù)DH方法建立機(jī)器人的笛卡爾坐標(biāo)系，并且標(biāo)出每個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的原點(diǎn)；機(jī)器人的參數(shù)表31桿件變量為轉(zhuǎn)角θn偏距dn(mm)扭角αn桿長(zhǎng)an(mm)1θ1(0)20090176。02θ2(90176。)001973θ3(0)090176。904θ4(0)83 90176。05θ5(0)090176。06θ6(0)