【正文】 行機構之間相對運動的仿真計算，為教學機器人的機械執(zhí)行機構提供了方便快捷的仿 真手段。要解出這些關節(jié)變量，還需要運用變換矩陣連乘的方法， 須 先計算下面一些中間變換矩陣 ，但由于篇幅所限，在此僅列出最后 結果。 運動學正解 機器人操作臂運動學研究的是手臂各連桿之間的位移關系、速度關系和 加速度關系。 Denavit 和 Hartenberg 提出一種同樣的方法，用以 4 4的齊次變換矩陣描述相鄰兩兩岸的空間關系，從而推導出“手爪坐標系”相對于“參考系”的等價齊次變換矩陣，建立操作比的運動方程 [4， 10]。 末端用 LM629N的運動控制器控制， LM629N輸出的脈寬調制幅度信號和方向信號直接過功率放大后驅動直流電機，增量式光電編碼器提供閉 環(huán)控制所需的反饋信號 (A、 B、 IN)，進而提高運動控制的精度。 總體控制方案如圖 所示。如下圖所示。本關節(jié)機器人的內部傳感器主要是進行位置和速度控制 [810]。機器人的傳動系統(tǒng)的精度對于機器人的綜合精度的影響很大。小臂中安裝有兩個驅動電機及其相應的傳動系統(tǒng)，兩個驅動電機分別驅動手腕部分的旋轉關節(jié)和俯仰關節(jié)的運動。 教學機器人的本體是指其機體結構和機械傳動系統(tǒng)，也就是機器人的支撐基礎和執(zhí)行機構。例如：水下機器魚一般采用直流電機作為驅動電源，帶動曲柄機構產(chǎn)生拍動來推動機器魚向前運動；仿人機器人一般采用用詞是直流伺服電機作為驅動系統(tǒng)帶動手哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 10 部、腰部及腿部關節(jié)的 運動。引起定位誤差的因素并不一定對重復精 度有影響。 而速度是表明機器人的運動特性的主要指標。同時，機器人的結構形式與機器人運動學逆解有著非常密切的關系。而這種特點使得關節(jié)型機器人的臂桿系統(tǒng)具有一定的人手臂功能，例如可以輕易避障和深入狹窄彎曲的管道去操作，相比之下，其他類型的機器人就布局配這樣的功能 [4]。 本文的主要研究內容 本課題“教學機器人的設計與仿真 ”的主要目標是設計一個示教再現(xiàn)的 教學機器人，要求能完成較復雜的教學任務，同時要求對機器人進行運動學分析和仿真。此款 機器人是針對我國廣村農(nóng)村中、小學設計的，成本低且操作簡單， 雙龍仿真教學機器人用 2D多媒體技術制作 ， 命名為 “ 雙龍仿真教學機器人 ” ， 適用于雙龍 SLDIY088輪式教學機器人。 國內 教學機器人概況 近年來，國內許多高校都自行開發(fā)了不同型號的教學機器人，并已投入使用。 以日本安川公司生產(chǎn)的 MOTOMAN－ UPJ 為例，該機器人系列 有五自由度 (YRUPJ3A00)和六自由度 (YRUPJ3B00)兩種，采用安川公司的 JRC 運動控制器，以交流伺服電機為執(zhí)行電機。 美國 Heath kit 公司在上世紀八十年代開發(fā)了 ET－ 18 HERO－ I教學機器人，該教學機器人是一種小型移動機器人，其手臂有五個自由度。國外在 這方面的研究比較深入。1 課題來源及研究意義 ....................................................................... 1 國 內外教學機器人發(fā)展概況 ........................................................... 1 國外 教學機器人 的發(fā)展現(xiàn)狀 ................................................. 2 國內 教學機器人 的發(fā)展現(xiàn)狀 ................................................. 3 本文的主要研究內容 ....................................................................... 5 第 2 章 教學 機器人的總體方案設計 設計 了教學機器人控制方案，對機器人 進行 了運動學分析， 建立了機器人 運動學 方程 。 本文 在查閱了國內外相關文獻資料的基礎上， 確定了 六自由度關節(jié)型 教學機器人的總體方案，包括機器人的結構設計方案 和 控制方案。教學機器的目的是為了給學生做示范，幫助學生學習的一個輔助性工具。 國內外教學機器人發(fā)展 概況 機器人是近 30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。 作為一種教學機器人， HERO－ I 從實用角度而言存在著一些明顯的弱點，主要表現(xiàn)為步進電機力矩太小以及移動時的定位精度太差 (其前輪光柵刻度太粗，一個脈沖當量約 )。雖然該機器人性能優(yōu)越，但用于機器人教學時，其硬件和軟件系統(tǒng)以認為基本上不具備開放性，因此無法利用于對機器人技術更底層的學習和研究。如首鋼莫托曼機器人有限公 司開發(fā)的機器人 RTLab，具有開放性、控制系統(tǒng)并具有高可靠性，很適用于教學科研領域 。如哈爾濱工業(yè)大學，上海交通大學，清華大學和天津探索智能機械公司等。結合 本課題綜合考慮決定采用方案四：關節(jié)型機器人。而在手腕末端安裝一個法蘭盤以便安裝不同形式的末端執(zhí)行器 (手爪 )，本系統(tǒng)將會設計一個手爪結構與之匹配。 (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構簡圖中， (b)形式的結構構造簡單而運動控制方便，應用也較多。位置誤差除和系統(tǒng)分辨率有關外，還和機械系統(tǒng)的誤差有關，特別是和結構間隙 (如齒輪和齒輪的背隙等 )以及臂桿變形有關。功率偏大時，體積較大，并且其空間分辨率較低，只適于傳動功率不大的關節(jié)或小型機器人。下面分別對這三 種驅動方式做一些比較： 驅動采用直流電動機時，具有優(yōu)良的速度控制性能，具體的說來，有下列優(yōu)點： (1)具有較大的轉矩，以克服傳動裝置的摩擦轉矩和負載轉矩； (2)調速范圍寬，且運行速度平穩(wěn)； (3)具有快速響應能力，可以適應復雜的速度變化； (4)電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響 [6]。這使得機器人的結構比較緊湊。 機器人的傳動系統(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結構所組成的傳動體系。在這些控制方式中，機器人系統(tǒng)所應具有的基本傳感單元是位 置和速度傳感器。當吧一個增量式編碼器用作速度檢測元件時，有兩種方法，模擬式方法和數(shù)字式方法。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 14 本教學機器人的控制方案 六自由度的教學機器人機器人是一個復雜的控制對象，從體 系上講，其是一個多自由度的串聯(lián)臂機 器人?？梢詮膯纹瑱C發(fā)射一個 PWM 信號來進行位置控制[17]。本章首先根據(jù)任務要求擬定機器人的基本技術參數(shù)，然后確定其基本的結構形式以及手腕配置形式，對其驅動方式、傳動系統(tǒng)以及傳感檢測系統(tǒng)進行比較選擇，最后，介紹控制系統(tǒng)總體框架 ，本教學機器人整體控制系統(tǒng)方案采用 PC為上位機， AT89C51為下位機的主從式控制結構，選用 AT89c51和 LM629N控制芯片，實現(xiàn)機器人 的運動控制 。 可 得出結論： n個關節(jié)機器人從手部到基系的總齊次變換矩陣 nT 為 nn AAAAT ?321? (31) 關節(jié)型機器人的廣義連桿變換齊次矩陣 從最一般的情況來考慮 ， 可以設想關節(jié)型機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)適當簡化就可以直接用于各種特例情況。 10T = ? ? ? ? ? ?1,11,10,1 dzT ra n saxT ra n sxR o t ? ? ?1,1?zRot =???????????? ?1000110000110011dcssc 21T = ? ? ? ? ? ?2,22,21,2 dzT r a n saxT r a n sxR o t ? ? ?2,2?zRot =??????????????1000002201001022csasc 32T = ? ? ? ? ? ?333323 , dzT r a n saxT r a n sxR o t ? ? ?33,?zRot =???????????? ?1000010000332033csasc 43T = ? ? ? ? ? ?444434 , dzT r a n saxT r a n sxR o t ? ? ?44,?zRot =???????????? ?1000004451000044csdsc 54T = ? ? ? ? ? ?444434 , dzT r a n saxT r a n sxR o t ? ? ?44,?zRot 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 21 =???????????????1000005501000055cssc 65T = ? ? ? ? ? ?444434 , dzT r a n saxT r a n sxR o t ? ? ?44,?zRot =??????????????1000006601000066cssc (31) 式中， 1s 、 2s ? 6s 、 1c ， 2c ? 6c 分別表示為 1sin? 、 2sin? ? 6sin? ， 1cos? 、2cos? ? 6cos? 。由于工作空間的形狀和大小反映了機器人工作能力的大小，因為他對于機器人的應用時十分重要的。 (a) 運行 仿真程序可得教學機器人的 結構模型 如圖 所示，其中圖 (a)為手爪的運行結果，圖 (b)為手臂的運行結果。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 27 XY視圖 YZ視圖 圖 末端 位置仿真曲線 從圖 ，能實現(xiàn)預期的工作目標。由機器人動力學知識可知。 根據(jù)上述公式按照從末端關節(jié)到基座關節(jié)的順序進行力矩計算。 3T = (5)第 2關節(jié) 第 2關節(jié)受力最大位置如圖 4． 2所示。 比較表 ，各參數(shù)均符合要求。電機軸與波發(fā)生器相聯(lián)，輸入剛輪、電機殼體和固定箱體固連，輸出剛輪與臂板相聯(lián)。而第六關節(jié)固連在第哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 36 五關節(jié)箱體上，采用的的電機等尺寸必須較小，且由于此關節(jié)控制簡單 ，精度 要求也不高，因此可不使用編碼器來控制運動，而可通過控制脈沖電流進行控制。計算步驟如下所示。 如果一個截面上的多種產(chǎn)生應力集中的結構分別求出其有效應力集中系數(shù)，從中取出最大值，由機械設計手冊查得 ??? ， ??? 。 經(jīng)過簡化分析，可得 橫向力 NF ??? 傾覆力矩 (順時針方向 ) mmNFM ???? 5 3 1 22 0 00 。 另外本教學機器人使用了較多的螺紋聯(lián)接，對于重要的 聯(lián)接，應根據(jù)聯(lián)接的工作載荷，分析各螺栓組聯(lián)接的手里狀況，找出受力最大的螺栓進行強度校核。 如圖 。手爪的驅動裝置采用 protescap的直流電機和減速器由于結構簡單，運行時，電機軸 僅作整 轉運動即可完成抓物動作， 運動精度也要求不高， 因此不需要編碼器來 進行位置、速度的 控制 。從而最終使得固定的肩部支架與大臂臂板之間產(chǎn)生相對運動，實現(xiàn)肩關節(jié)的旋轉運動。圖 。 2T = (6)第 1關節(jié) 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 31 第 1關節(jié)受力主要是加速度附加扭矩以及摩擦力。 (1)第 6關節(jié) 如圖 4． 1，第 6關節(jié)受：負載扭矩、自重偏心扭矩 (此處為理想狀態(tài) O)和加速度附加扭矩。本機器人主要箱體材料采用鋁合金，密度為 3/ mg 為估算各關節(jié)所需力矩，先假定各哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 29 關節(jié)的重量集中在關節(jié)理論中心點，各連桿重量集中在連桿中間，且按設計的零件圖紙估計各關節(jié)及關節(jié)連桿重量如表 。機器人的運動學分析方法有很多，本機器人的運動學正解主