【正文】 程的表示，通過研究其機器人的運動姿態(tài)和方向角，運動位置和坐標等并結合矩陣的計算方法對機器人的運動進行求解。 本課題研究的主要內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容和結構安排如下:第一章：概括了六自由度機械手的研究背景和研究現(xiàn)狀，并且詳細介紹了六自由度機械手復雜運動控制問題的研究意義和用MATLAB仿真對比位置逆解算法解的現(xiàn)實意義。 課題的提出基于六自由度串聯(lián)機械手的復雜運動控制的研究，期望通過一種使用的軌跡設計方法，即利用六自由度串聯(lián)機械手實現(xiàn)平面復雜運動軌跡的設計，使其能在不同的工業(yè)生產(chǎn)下完成預定的軌跡實現(xiàn)的準確性和實用性，則該機械手將在實在加工工業(yè)中發(fā)揮更重要的作用，并可完成許多人工條件無法完成的任務，從而提高機械手的利用性。同時，在有些機械手的實際應用中，往往對機械手末端執(zhí)行器的某個姿態(tài)不加限制，采用關節(jié)數(shù)少于6個的欠自由度機械手。但對于這種因關節(jié)故障原因形成的欠自由度機械手，如果采用普通的欠自由度機械手的位置逆解算法，一旦某位姿的位置逆解無解，機械手的軌跡規(guī)劃就不可能實現(xiàn)，則任務就不可能完成。由于位置全部可解，姿態(tài)部分可解，出現(xiàn)某些姿態(tài)不可實現(xiàn)問題，從而導致機械手不能完成預期的特定任務。這時如果能夠使用具有容錯性能的機械手位置逆解算法來代替機械手的原位置逆解算法，使機械手在欠自由度情況下仍可到達其原工作空間中的大部分位姿，能夠完成原計劃的大部分任務，則因關節(jié)故障所造成的缺失就可大大減少，該機械手應用系統(tǒng)的可容性和可用性也大大提高。對于機械手來說，雖然一般是按照其工作環(huán)境特需的高級材料制成，如耐高溫金屬等，但是由于其系統(tǒng)結構復雜，作工精密，在這些環(huán)境中仍極易出現(xiàn)故障。在其它方面的應用中也是如此。使它在欠自由度情況下仍可到達其原工作空間中的大部分位姿，則該機械手仍可投入工作，并可完成原計劃的大部分任務，從而提高了整個航天飛行器系統(tǒng)的可容性和可用性。對于欠自由度機械手，如何通過有效的運動控制和軌跡規(guī)劃使其完成預期的任務至關重要。于艷秋將有理數(shù)逼近實數(shù)和三角函數(shù)的理論引入機械手位置逆解算法中，提高了計算精度以及運算當中處理異常情況的能力。畢潔明等采用位置和姿態(tài)分別迭代的數(shù)值算法進行分析，可以快速求得全部解，但是當機械手末端位置和姿態(tài)高度藕合時會造成迭代過程發(fā)散，求解失敗。這一類方法的優(yōu)點是可以解出全部解，而且不需要初始值，但是求解過程較為復雜，有一定的難度。然后對應此變量求出一系列的中間變量(被消去的變量)。在位置逆解問題中常用的代數(shù)法主要包括析配消元法，聚篩法，Gorbener基法和吳文俊消元法。這一類方法的優(yōu)點是求解過程比較簡單，但是在計算中需要提供適當?shù)某跏贾担虼松婕暗匠跏贾档倪x取問題。在位置逆解問題中常用的數(shù)值方法主要包括牛頓拉夫森法、優(yōu)化算法，區(qū)間算法，遺傳算法和同倫算法等方法。機械手的位置逆解問題一般最終都歸結為求解非線性方程組的問題。如果機械手的結構尺寸有些特殊，如軸線平行或相交或軸線長度為零等情況下，逆解運算相對比較簡單；而如果結構尺寸一般，且6個關節(jié)又都是轉動副，則逆解運算較為困難，該問題被喻為是空間機構運動分析中的珠穆朗瑪峰。位置逆解的復雜程度往往與機械手的結構有很大關系。對于運動學正解來說，它的解是唯一確定的，即各個關節(jié)變量給定之后，機械手的末端抓手和工具的位姿是唯一確定的。因為速度和加速度分析都要在進行位置分析的基礎之上才能進行，所以位置逆解問題是機械手運動規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的基礎，只有通過運動學逆解把空間位姿轉換為關節(jié)變量，才能實現(xiàn)對機械手末端執(zhí)行器的控制。 本課題的六自由度串聯(lián)機器人具有重量輕、運動速度快、空間通過能力強、完成空間范圍大等特點，通過在通用控制窗口上不同軸的控制上各個關節(jié)角度來實現(xiàn)不同的功能以完成各種示教及工作任務，由于其采用的控制方式為軟件編程實現(xiàn)，對于國內(nèi)工業(yè)發(fā)展各種機械手運用于現(xiàn)代工業(yè)焊接和汽車企業(yè)等的噴漆等方面有重要意義，因此對提高國家工業(yè)水平、實現(xiàn)其重要價值也具有十分重要的意義。 六自由度串聯(lián)機械手是由六個關節(jié)組成，機械手安裝在工作臺上，這種結構使機械手擁有幾乎無限大的工作空間和高度的運動冗余性，并同時具有移動和操作功能，這使它優(yōu)于普通的移動機器人和傳統(tǒng)的機械手；另一方面，工作平臺和機械手不但具有不同的動力學特性，同時考慮軌跡規(guī)劃的不同特點，六自由度串聯(lián)機械手在對固定機械手具有優(yōu)勢的同時，在運用上存在諸多難點，如逆解優(yōu)化、控制方法、路徑規(guī)劃、解決方案的選用等。普通機械手只能完成單工作任務或者較簡單的操作，多自由度機械手在很多的工程技術及工程實際中能更為合理的進行一些現(xiàn)實操作。結構緊湊，工作范圍大，具有高度的靈活性，是進行運動規(guī)劃和編程系統(tǒng)設計的理想對象。機器人將成為人類多才多藝和聰明伶俐的“伙伴”，更加廣泛地參與人類的生產(chǎn)活動和社會生活。機器人將成為集機械、電子、計算機、控制、傳感器、仿生學和人工智能等多學科理論與技術的機電一體化機器。在21世紀，機器人技術將繼續(xù)是科學與技術發(fā)展的一個熱點。當今機器人技術的發(fā)展趨勢主要有兩個突出的特點:一個是在橫向上，機器人的應用領域在不斷擴大，機器人的種類日趨增多。6．機器人機械化開始興起。5．當代遙控機器人系統(tǒng)發(fā)展的特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)來構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中己有成熟應用。3．機器人中的傳感器作用日益重要。器件集成速度高，控制距日見小巧，且采用模塊化機構。國外己有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。特別九十年代以來，工業(yè)機器人性能不斷提高，向著高速度、高精度、高可靠性的方向發(fā)展，同時表現(xiàn)在以下方面：1．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。六自由度機械手運動控制畢業(yè)論文目 錄緒論 …………………………………………………………………1課題研究背景和意義…………………………………………………1國內(nèi)外研究狀況………………………………………………………2六自由度機械手復雜運動控制的現(xiàn)實意義…………………………4課題的提出……………………………………………………………5本課題研究的主要內(nèi)容………………………………………………5串聯(lián)機器人運動學…………………………………………………7 機器人運動學方程的表示……………………………………………7 運動姿態(tài)和方向角……………………………………………8 運動位置和坐標………………………………………………9 連桿變換矩陣及其乘和………………………………………12 機械手運動方程的求解………………………………………………15 歐拉變換解……………………………………………………16 滾、仰、偏變換解……………………………………………20 球面變換解……………………………………………………21 反解的存在性和唯一性………………………………………………23 反解的存在性和工作空間……………………………………23 反解的唯一性和最優(yōu)解………………………………………24 求解方法………………………………………………………25六自由度機械手的平面復雜軌跡設計及運動學分析……………27 系統(tǒng)描述及機械手運動軌跡設計方式………………………………27 機器人技術參數(shù)一覽表………………………………………27 機器人控制系統(tǒng)軟件的主界面………………………………27 機器人各部位和動作軸名稱…………………………………28 機械手運動軌跡設計方式……………………………………29 平面復雜軌跡設計目的………………………………………………33 “西”字的軌跡設計和分析…………………………………33 “南”字的軌跡設計和分析…………………………………34 ………………………………35 ……………………………………35 平面軌跡設計的正運動學分析………………………………………43 …………………………43 正運動學分析步驟及計算……………………………………44 平面軌跡設計的逆運動學分析………………………………………45 平面軌跡設計的逆運動學分析原理…………………………45 ……………………………………46設計實現(xiàn)過程和MATLAB仿真計算……………………………50 設計實現(xiàn)過程…………………………………………………………50 MATLAB仿真計算……………………………………………………53結論與展望…………………………………………………………57 結論……………………………………………………………………57 展望……………………………………………………………………58致謝……………………………………………………………………………59參考文獻………………………………………………………………………60第一章 緒論 課題研究背景和意義在現(xiàn)代制造行業(yè)中，先進的制造技術不斷的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工方法和操作方式?，F(xiàn)代工業(yè)的高技術要求，更促進了機器人的發(fā)展：例如，實行無人化的工作車間，自動生產(chǎn)線等。如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。2．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化。大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器:而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制。4．虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。從1994年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。另一個是在縱向上，機器人的性能不斷提高，并逐步向智能化方向發(fā)展。機器人技術的進一步發(fā)展必將對社會經(jīng)濟和生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生更加深遠的影響。在未來的100年中科學與技術的發(fā)展將會使機器人技術提高到一個更高的水平。串聯(lián)式機器人是一種典型的工業(yè)機器人，在自動搬運、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場中有著廣泛的應用，通過該系列教學機器人可使學生能夠模擬工業(yè)現(xiàn)場的實際運行狀況。多自由度機械手做為現(xiàn)代機器人的一個重要組成部分，也隨著技術的發(fā)展不斷更新。本課題正是在此背景下，研究其六自由度機械手復雜運動控制也更為重要。因此，六自由度串聯(lián)機械手復雜運動控制的研究有十分重要的理論意義。 國內(nèi)外研究狀況位置逆解問題是機械手機構學乃至機械手學中的最基礎也是最重要的研究問題之一，它直接關系到機械手運動分析、離線編程、軌跡規(guī)劃和實時控制等工作。而從工程應用的角度出發(fā)，位置逆解問題的研究成果可以很容易地應用到機械手上面去，往往更引起我們的興趣，因此就更加促進了對位置逆解問題的研究。而運動學反解往往具有多重解，也可能不存在解。由于一般情況下，六個自由度便可滿足機械手在工作空間內(nèi)可達任一位姿，因此六自由度機械手最具有研究價值和實用價值。無論是結構特殊還是一般，僅僅用某種方法求得6自由度機械手的位置逆解不是不夠的，還要在計算方法，計算精度等各個方面作進一步的研究。非線性方程組的求解方法有很多，主要包括數(shù)值方法和代數(shù)方法。數(shù)值方法求解一般是先建立包括若干個未知量的一個方程組，然后提供一組初始值，再利用各種優(yōu)化法進行迭代，使之逐步收斂于機構的一組解。另外，采用數(shù)值方法不能根據(jù)方程組的情況來確定機械手機構有多少組解，也很難得到全部解。這些代數(shù)方法求解一般是先建立若干個關系式，然后進行消元，最終得到只含有一個變量的一元高次方程，求解該方程得到變量的全部根。在該過程中，只要保證各個步驟都是同解變換，就能夠保證得出全部的解，而且不產(chǎn)生增根。對于六自由度機械手的位置逆解問題，有許多學者作了大量的研究工作。Rengier等根據(jù)分布式人工智能的概念，提出了一種新的數(shù)值方法，采用此迭代和分布式的算法，能夠求出6R，SRI，P4RZP和3R3P結構6自由度機械手的位置逆解全部解廖啟征將位移封閉方程由三角函數(shù)形式轉化為復指數(shù)形式，通過10個方程求出一般6R機械手沒有增根的全部逆解。 六自由度機械手復雜運動控制的現(xiàn)實意義在實際應用中，六自由度機械手的某關節(jié)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將該關節(jié)鎖定在當前角度，這樣六自由度機械手就成為五自由度機械手，或稱欠自由度機械手。例如，機械手在航空航天方面的應用中，如果某航天飛行器所載的六自由度機械手的某關節(jié)出現(xiàn)故障成為欠自由度機械手，則該機械手不能再投入工作，將使該航天飛行器的一部分任務不能完成。由于是在某關節(jié)出現(xiàn)故障的情況下所使用的，所以可以稱之為具有容錯性能的六自由度機械手位置逆解算法。在有些情況下機械手代替人類在惡劣的環(huán)境中或人類不易工作的環(huán)境中工作。而一旦某關節(jié)出現(xiàn)故障不能正常工作，環(huán)境又不允許立時維修的話，將給機械手應用帶來嚴重的影響，甚至造成巨大的損失。欠自由度機械手，在其工作空間內(nèi)，只能達到全部定位和部分定向，對于軌跡規(guī)劃出來的一系列中間位姿點，可能沒有對應的逆解。對于欠自由度機械手的位置逆解，大多采用向量代數(shù)、線性變換等方法。因此，研究具有容錯性能的六自由度機械手位置逆解算法具有很高的研究價值和實用價值。則這種具有容錯性能的六自由度機械手位置逆解算法也可以應用在這種普通的欠自由度機械手的位置反解問