【正文】 題“教學(xué)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真 ”的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)示教再現(xiàn)的 教學(xué)機(jī)器人，要求能完成較復(fù)雜的教學(xué)任務(wù)，同時(shí)要求對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真。 除了上面具體提到的教學(xué)機(jī)器人外，還有一些高校和 企業(yè)開發(fā)了比較完善的教學(xué)機(jī)器人。此款 機(jī)器人是針對(duì)我國(guó)廣村農(nóng)村中、小學(xué)設(shè)計(jì)的，成本低且操作簡(jiǎn)單， 雙龍仿真教學(xué)機(jī)器人用 2D多媒體技術(shù)制作 ， 命名為 “ 雙龍仿真教學(xué)機(jī)器人 ” ， 適用于雙龍 SLDIY088輪式教學(xué)機(jī)器人。 同時(shí)，一些公司企業(yè)也在這一領(lǐng)域有所創(chuàng)新。 國(guó)內(nèi) 教學(xué)機(jī)器人概況 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多高校都自行開發(fā)了不同型號(hào)的教學(xué)機(jī)器人，并已投入使用。通過上述一系列的操作，使學(xué)習(xí)者掌握對(duì)機(jī)器人的編程操作。 以日本安川公司生產(chǎn)的 MOTOMAN－ UPJ 為例，該機(jī)器人系列 有五自由度 (YRUPJ3A00)和六自由度 (YRUPJ3B00)兩種，采用安川公司的 JRC 運(yùn)動(dòng)控制器，以交流伺服電機(jī)為執(zhí)行電機(jī)。同時(shí)，該教學(xué)機(jī)器人還具 有示教再現(xiàn)的功能 [1]。 美國(guó) Heath kit 公司在上世紀(jì)八十年代開發(fā)了 ET－ 18 HERO－ I教學(xué)機(jī)器人，該教學(xué)機(jī)器人是一種小型移動(dòng)機(jī)器人，其手臂有五個(gè)自由度。但是總的來(lái)看，規(guī)模還不大，而且受到諸多因素的限制，而在這個(gè)形勢(shì)下，我所研究課題正是開發(fā)一個(gè)適于大學(xué)進(jìn)行教學(xué)使用的機(jī)器人。國(guó)外在 這方面的研究比較深入。在現(xiàn)代教育技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的“教學(xué)機(jī)器”是指集機(jī)械，電子，光學(xué)，計(jì)算機(jī)，信息技術(shù)于一體的現(xiàn)代化設(shè)備，比如電腦設(shè)備，投影儀，實(shí)驗(yàn)設(shè)備等等。 48 參考文獻(xiàn) 1 課題來(lái)源及研究意義 ....................................................................... 1 國(guó) 內(nèi)外教學(xué)機(jī)器人發(fā)展概況 ........................................................... 1 國(guó)外 教學(xué)機(jī)器人 的發(fā)展現(xiàn)狀 ................................................. 2 國(guó)內(nèi) 教學(xué)機(jī)器人 的發(fā)展現(xiàn)狀 ................................................. 3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 ....................................................................... 5 第 2 章 教學(xué) 機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) s assembly drawing and part drawing. After calculated， choosed the type of drive motor and coding and gear and so on. Design and check the critical part,thought out a robot control scheme, finished robot kinematic analysis and established kinematical equation. In he end, analyzed robots work space and using matlab simulink established the model of teaching machine, and track the movements analysis. Key words： EDU Robot； kinematic analysis； mechanical gripper； simulation哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 目 錄 第 1 章 緒論 設(shè)計(jì) 了教學(xué)機(jī)器人控制方案，對(duì)機(jī)器人 進(jìn)行 了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析， 建立了機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)學(xué) 方程 。它融合了造型技術(shù)、機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)軟件、硬件等眾多先進(jìn)技術(shù)，可為各相關(guān)技術(shù)課程教學(xué)提供很好的教學(xué)平臺(tái)。 本文 在查閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上， 確定了 六自由度關(guān)節(jié)型 教學(xué)機(jī)器人的總體方案，包括機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 和 控制方案。 分析了機(jī)器人的工作空間， 基于 MATLAB/ Simulink建立了 教學(xué)機(jī)器人 的機(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析和 軌跡規(guī)劃。 17 機(jī)器人的位姿與運(yùn)動(dòng)描述 ............................................................. 17 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換齊次矩陣 ..................................... 17 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 ..................................................................................... 18 連桿坐標(biāo)系和連桿參數(shù) ....................................................... 18 連桿變換矩陣 ....................................................................... 20 工作空間分析 ................................................................................. 23 教學(xué)機(jī)器人的仿真 ......................................................................... 24 仿真模型的建立 ................................................................... 25 仿真結(jié)果的運(yùn)行和分析 ....................................................... 26 本章小結(jié) ......................................................................................... 27 第 4 章 教學(xué)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì) 教學(xué)機(jī)器的目的是為了給學(xué)生做示范，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)輔助性工具。近年，國(guó)內(nèi)不少大學(xué)和公司已經(jīng)開發(fā)出各種型號(hào)的教學(xué)機(jī)器人。 國(guó)內(nèi)外教學(xué)機(jī)器人發(fā)展 概況 機(jī)器人是近 30年發(fā)展起來(lái)的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。其控制系統(tǒng)主要由一個(gè) M6806 微處理器，一塊 I / O 接口卡和九塊傳感－驅(qū)動(dòng)電路板組成，軟件采用匯編語(yǔ)言編程。 作為一種教學(xué)機(jī)器人， HERO－ I 從實(shí)用角度而言存在著一些明顯的弱點(diǎn)，主要表現(xiàn)為步進(jìn)電機(jī)力矩太小以及移動(dòng)時(shí)的定位精度太差 (其前輪光柵刻度太粗，一個(gè)脈沖當(dāng)量約 )。由于其尺寸小重量輕 (五自由度的為23kg，六自由度的為 25kg)、控制精度高 (采用交流伺服電機(jī)閉環(huán)控制 )、能耗小 (電機(jī)功率小于等于 80W)，因此被廣泛用于工業(yè)用途。雖然該機(jī)器人性能優(yōu)越，但用于機(jī)器人教學(xué)時(shí)，其硬件和軟件系統(tǒng)以認(rèn)為基本上不具備開放性，因此無(wú)法利用于對(duì)機(jī)器人技術(shù)更底層的學(xué)習(xí)和研究。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京科技大學(xué)等都相繼開發(fā)出不同功能、結(jié)構(gòu)形式的教學(xué)機(jī)器人。如首鋼莫托曼機(jī)器人有限公 司開發(fā)的機(jī)器人 RTLab，具有開放性、控制系統(tǒng)并具有高可靠性，很適用于教學(xué)科研領(lǐng)域 。雙龍仿真教學(xué)機(jī)器人在電腦屏幕上運(yùn)行，用雙龍模塊化 SLBASIC(BASIC是計(jì)算機(jī)初學(xué)者語(yǔ)言 )解釋型語(yǔ)言程序控制。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)，上海交通大學(xué)，清華大學(xué)和天津探索智能機(jī)械公司等。本文設(shè)計(jì)了一種關(guān)節(jié)性的式教學(xué)機(jī)器人，目標(biāo)是預(yù)計(jì)安裝在 AGV小車上使其具有搬運(yùn)目標(biāo)物體只制定地點(diǎn)的作業(yè)功能，并能通過其展示機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特征和功能關(guān)系的示教功能，而且要求體積小，重量輕造價(jià)低，調(diào)控容易、重復(fù)性好。結(jié)合 本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機(jī)器人。 自由度的確定及結(jié)構(gòu)布置 為了精確地控制機(jī)器人使之完成確定的工作任務(wù) ，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)有一定的自由度數(shù)。而在手腕末端安裝一個(gè)法蘭盤以便安裝不同形式的末端執(zhí)行器 (手爪 )，本系統(tǒng)將會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)手爪結(jié)構(gòu)與之匹配。一般的六自由度機(jī)器人不具有封閉解。 (a)BRR型手腕 (b)RBR型手腕 (c)RRB型手腕 (d)RRR型手腕 在上圖所示六種形式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中， (b)形式的結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單而運(yùn)動(dòng)控制方便，應(yīng)用也較多。這是因?yàn)橛捎隍?qū)動(dòng)輸出功率的限制，從啟動(dòng)到達(dá)到最大穩(wěn)定速度或從最大穩(wěn)定速度降到停止，總需要一定的時(shí)間 [4]。位置誤差除和系統(tǒng)分辨率有關(guān)外，還和機(jī)械系統(tǒng)的誤差有關(guān)，特別是和結(jié)構(gòu)間隙 (如齒輪和齒輪的背隙等 )以及臂桿變形有關(guān)。如重力變形對(duì)定位誤差影響較大，但對(duì)重復(fù)性沒有影響，因?yàn)橹亓ψ冃我鸬恼`差是重復(fù)出現(xiàn)的 [4]。功率偏大時(shí)，體積較大，并且其空間分辨率較低，只適于傳動(dòng)功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。常見的 輪式 移動(dòng)機(jī)器人也采用直流伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng) [2， 6]。下面分別對(duì)這三 種驅(qū)動(dòng)方式做一些比較： 驅(qū)動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，具有優(yōu)良的速度控制性能，具體的說(shuō)來(lái)，有下列優(yōu)點(diǎn)： (1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩； (2)調(diào)速范圍寬，且運(yùn)行速度平穩(wěn)； (3)具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化； (4)電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響 [6]。關(guān)節(jié)機(jī)器人的主要特點(diǎn)是模仿人類腰部到手臂的基本結(jié)構(gòu)，本教學(xué)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)主要包括關(guān)節(jié)機(jī)器人的基座 (即底部和腰部的固定支撐 )結(jié)構(gòu)及腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、大臂 (即大臂支撐架 )結(jié)構(gòu)及大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 裝置、小臂 (即小臂支撐架 )結(jié)構(gòu)及小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和手腕 (即手腕支撐架 )及手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和末端執(zhí)行器 (即手爪 )等主要結(jié)構(gòu)。這使得機(jī)器人的結(jié)構(gòu)比較緊湊。在手腕部分只有一個(gè)電機(jī)可以減輕末端的重量減小機(jī)器人的負(fù)載。 機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)不僅僅指減速器，還包括軸承 、 軸 、 齒輪 、 蝸輪蝸桿等一系列的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)所組成的傳動(dòng)體系。因此控制傳動(dòng)精度也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮到的一個(gè)重要因素。在這些控制方式中，機(jī)器人系統(tǒng)所應(yīng)具有的基本傳感單元是位 置和速度傳感器。 位置傳感器 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 本教學(xué)機(jī)器人 采用光電編碼器來(lái)進(jìn)行位置控制，而由于沒有移動(dòng)關(guān)節(jié)，因此不采用直線型光電 編碼器。當(dāng)吧一個(gè)增量式編碼器用作速度檢測(cè)元件時(shí)，有兩種方法，模擬式方法和數(shù)字式方法。 圖 增量編碼器用作速度傳感器 教學(xué)機(jī)器人的控制方案 控制系統(tǒng)是教學(xué)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)功能不可缺少的 部分。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 本教學(xué)機(jī)器人的控制方案 六自由度的教學(xué)機(jī)器人機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，從體 系上講，其是一個(gè)多自由度的串聯(lián)臂機(jī) 器人。 圖 總體控制結(jié)構(gòu)圖 本教學(xué)機(jī)器人的控制核心是一個(gè) PC機(jī)， 以 PC機(jī) 作為上位機(jī) ， 用于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃、命令傳送 ， 以及關(guān)節(jié)位置信息反饋，下位機(jī) 采用AT89C51單片機(jī)作為機(jī)械各個(gè)關(guān)節(jié)位置定位的半閉環(huán)控制核心，由 AT89C51單片機(jī)進(jìn)行關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī) 的信息交換，獲取關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令信息，并及時(shí)將位置信息反饋至 上位機(jī)。可以從單片機(jī)發(fā)射一個(gè) PWM 信號(hào)來(lái)進(jìn)行位置控制[17]。 電機(jī)專用控制芯片 LM628／ LM629的區(qū)別在于 LM628具有能驅(qū)動(dòng) 8位或 12位 DAC的 8位輸出口，而 LM629 具有直接驅(qū)動(dòng) H 橋的 8 位 PWM 輸出口。本章首先根據(jù)任務(wù)要求擬定機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)，然后確定其基本的結(jié)構(gòu)形式以及手腕配置形式，對(duì)其驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)系統(tǒng)以及傳感檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行比較選擇，最后，介紹控制系統(tǒng)總體框架 ，本教學(xué)機(jī)器人整體控制系統(tǒng)方案采用 PC為上位機(jī)， AT89C51為下位機(jī)的主從式控制結(jié)構(gòu)，選用 AT89c51和 LM629N控制芯片，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)控制 。 機(jī)器人的位姿與運(yùn)動(dòng)的描述 從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)看 ， 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械本體實(shí)際上是一個(gè)由轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)關(guān)節(jié)連接起來(lái)的開鏈?zhǔn)竭B桿系統(tǒng) ， 每個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)決定著機(jī)器人的一個(gè)自由度。 可 得出結(jié)論： n個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)器人從手部到基系的總齊次變換矩陣 nT 為 nn AAAAT ?321? (31) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換齊次矩陣 從最一般的情況來(lái)考慮 ， 可以設(shè)想關(guān)節(jié)型機(jī)器人是由一系列具有空間彎曲軸線的桿件 (即廣義連桿 )連接在一起 構(gòu)成的 ， 而直線軸線的桿件只是廣義桿件的特例 ， 廣義連桿的齊次矩陣只要經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化就可以直接用于各種特例情況。這里只討論位移關(guān)系。 10T = ? ? ? ? ? ?1,11,10,1 dzT ra n saxT ra n sxR o t ? ? ?1,1?zRot =???????????