基于六自由度机械臂运动学问题的仿真研究
【摘要】以六自由度工业机器人——MOTOMAN-HP6 机器人为研究对象，简单介绍了机器人运动学的数学基础。根据机器人的相关参数，建立了机器人运动学模型及相关坐标系，对机器人的正运动学及逆运动学问题进行了研究。采用MATLAB 开发工具建立系统界面，编制了相关程序，结合实例对机器人的直线、圆弧及自由曲线轨迹的生成进行了仿真，完成了系统设计。为后续实习用工业机器人离线编程系统的开发打下了基础。
【关键词】六自由度;机械臂运动学
Abstract：This thesis takes MOTOMAN-HP6 robot as the research object，introduces the mathematical foundation of the robot kinematics briefly.According to the related parameters of the robot，the kinematics model and the relevant coordinate of the robot are built，the kinematics and inverse kinematics problem is studied.The system interface based on MATLAB is built and the related program is compiled.The straight and curve motion of the robot are simulated with instances and the system design is completed.For the design of the off- line programming system of the practice industrial robot laid the foundation.
Key word：Industrial robots;Inverse kinematics analysis;System simulation;Free curve;MOTOMAN
1.引言
在工业机器人的应用中，系统仿真技术起到了很重要的作用。仿真技术是在近几十年来基于计算机技术、控制技术等发展起来的一门综合性技术[9]。随着计算机技术的发展和普及，系统仿真技术的应用范围也越来越广，基本包括了人们生活、生产的各个领域。而在工业机器人的应用中，仿真技术的重要性体现的也相当的明显。
本文以目前应用较广泛的六自由度工业机器人——MOTOMAN-HP6 机器人为研究对象，采用MATLAB开发工具建立机器人的运动学模型及相关的坐标系，对机器人的正运动及逆运动学的相关算法进行了研究，并对几种不同的求解方法进行了对比，接着分析了直线、圆弧及自由曲线轨迹的生成相关算法，特别是对自由曲线的轨迹生成算法的关键技术进行了研究。
2.机械臂结构
从图1中可以看出，机器人各个关节的尺寸关系以及中心点的坐标值及机座坐标原点的位置等。在机器人的各个连杆上固接一个坐标系，研究这些坐标系之间的关系，就可以研究机器人各连杆之间的关系（见表1）。
六轴联动机械臂运动学及动力学求解分析 V0.9版 随着版本的不断更新，旧版本文档中的一些笔误得到了修正，同时文档内容更丰富，仿真程序更完善。 作者朱森光 Email zsgsoft@https://www.doczj.com/doc/bd7802011.html, 完成时间 2016-02-28
1引言 笔者研究六轴联动机械臂源于当前的机器人产业热，平时比较关注当前热门产业的发展方向。笔者从事的工作是软件开发，工作内容跟机器人无关，但不妨碍研究机器人运动学及动力学，因为机器人运动学及动力学用到的纯粹是数学和计算机编程知识，学过线性代数和计算机编程技术的人都能研究它。利用业余时间翻阅了机器人运动学相关资料后撰写此文，希望能够起到抛砖引玉的作用引发更多的人发表有关机器人技术的原创性技术文章。本文内容的正确性经过笔者编程仿真验证可以信赖。 2机器建模 既然要研究机器人，那么首先要建立一个机械模型，本文将以典型的六轴联动机器臂为例进行介绍，图2-1为笔者使用3D技术建立的一个简单模型。首先建立一个大地坐标系，一般教科书上都是以大地为XY平面，垂直于大地向上方向为Z轴，本文为了跟教科书上有所区别同时不失一般性，将以水平向右方向为X轴，垂直于大地向上方向为Y轴，背离机器人面向人眼的方向为Z轴，移到电脑屏幕上那就是屏幕水平向右方向为X轴，屏幕竖直向上方向为Y轴，垂直于屏幕向外为Z轴，之所以建立这样不合常规的坐标系是希望能够突破常规的思维定势训练在任意空间建立任意坐标系的能力。 图2-1 图2-1中的机械臂，底部灰色立方体示意机械臂底座，定义为关节1，它能绕图中Y轴旋转；青色长方体示意关节2，它能绕图中的Z1轴旋转；蓝色长方体示意关节3，它能绕图中的Z2轴旋转；绿色长方体示意关节4，它能绕图中的X3轴旋转；深灰色长方体示意关节5，它能绕图中的Z4轴旋转；末端浅灰色机构示意关节6即最终要控制的机械手，机器人代替人的工作就是通过这只手完成的，它能绕图中的X5轴旋转。这儿采用关节这个词可能有点不够精确，先这么意会着理解吧。 3运动学分析 3.1齐次变换矩阵 齐次变换矩阵是机器人技术里最重要的数学分析工具之一，关于齐次变换矩阵的原理很多教科书中已经描述在此不再详述，这里仅针对图2-1的机械臂写出齐次变换矩阵的生成过程。首先定义一些变量符号，关节1绕图中Y轴旋转的角度定义为θ0，当θ0=0时，O1点在OXYZ坐标系内的坐标是(x0,y0,0)；关节2绕图中的Z1轴旋转的角度定义为θ1，图中的θ1当前位置值为+90度；定义O1O2两点距离为x1,关节3绕图中的Z2轴旋转的角度定义为θ2，图中的θ2当前位置值为-90度；O2O3两点距离为x2，关节4绕图中的X3轴旋转的角度定义为θ3, 图中的θ3当前位置值为0度；O3O4两点距离为x3，关节5绕图中的Z4轴旋转的角度定义为θ4, 图中的θ4当前位置值为-60度；O4O5两点距离为x4，关节6绕图中的X5轴旋转的角度定义为θ5, 图中的θ5当前位置值为0度。以上定义中角度正负值定义符合右手法则,所有角度定义值均为本关节坐标系相对前一关节坐标系的相对旋转角度值（一些资料上将O4O5两点重合在一起即O4O5两点的距离x4退化为零，本文定义x4大于零使得讨论时更加不失一般性）。符号定义好了，接下来描述齐次变换矩阵。 定义R0为关节1绕Y轴的旋转矩阵 =cosθ0 s0 = sinθ0 //c0 R0 =[c0 0 s0 0 0 1 0 0 0 c0 0 -s0 0 0 0 1] 定义T0为坐标系O1X1Y1Z1相对坐标系OXYZ的平移矩阵 T0=[1 0 0 x0 0 1 0 y0 00 1 0 0 0 0 1] 定义R1为关节2绕Z1轴的旋转矩阵 R1=[c1 –s1 0 0 s1 c1 0 0
基于PLC的六自由度机械臂控制系统研究 发表时间：2018-05-02T13:29:38.860Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第33期作者：王铮 [导读] 如今的工厂生产对于机械臂的依赖程度越来越大，由于机械臂能够通过对人体手臂的结构以及工作方式进行模拟。 摘要：如今的工厂生产对于机械臂的依赖程度越来越大，由于机械臂能够通过对人体手臂的结构以及工作方式进行模拟，因此机械臂的发展对于生产生活的今后发展具有十分重要的作用。六自由度机械臂是对人体优化程序学更高度模拟的一种机械臂结构，因此其在工厂生产中的应用也十分常见，但是相比于传统的机械臂结构，六自由度机械臂具有更加困难的操控步骤，因此导致其控制系统的开发也在不断进步。本文主要基于PLC六自由度机械臂控制系统的研究，对机械臂的操控提出了控制系统的调整模式，以期能够为今后六自由度机械臂更好的应用做出微薄贡献。 关键词：PLC；控制系统；六自由度 目前六自由度机械臂的操控方法已经受到了有关人员高度的关注，本文作者经过多年工作经验的总结，发现六自由度机械臂的控制系统依旧有着不小的提升空间，因此其控制系统依旧有着较大的提升空间。在本次对机械臂的总结过程中，本文作者发现PLC控制系统对于提升六自由度机械臂的操控性具有较好的作用，因此本文重点对PLC控制系统与六自由度机械臂的结合策略进行分析和讨论。 一、六自由度机械臂结构分析 一般来说，六自由度的机械臂主要结构就是其整个臂展长度的六个转弯出，通过并排连接的模式，使整个机械臂能够体现出人手臂的关节特征，确保其在工作过程中的精准和高效率程度[1]。在如今的机械臂发展过程中，为了能够保证机械臂的运行速度和销量，一般都会在机械臂的小臂位置装上气压设施，同时设施会通过接口与外部的设备进行连接，使六自由度机械臂能够更好的保障运行平稳程度。从六自由度机械臂的结构可以看出，该设施虽然结构的原理比较简单，但是由于其具有较高的人体优化程序学仿真程度，因此该机械臂的操控体系也应该受到管理人员的重视[2]。 二、PLC控制系统分析及概述 PLC控制系统在如今的社会上已经有了较为广泛的应用，由于该系统在各类生产设备的应用方面都比较强大，同时在抗干扰性方面首屈一指，因此PLC控制系统应用在目前来看相当广泛[3]。例如，在如今人们的生活中，很多空调系统都应用了PLC系统进行全盘的规划，对冷却水的使用以及溶液泵数据的采集都比较精准，因此能够更好的保证空调的制冷和发展，因此目前的该系统已经被广泛的应用。从以上的内容中可以看出，在机械臂的应用方面，如果能够大范围的使用PLC进行控制，对于六自由度机械臂的操控具有较强的引导作用，能够使该系统在运转的过程中更加便于控制，进而提升生产设备的生产效率[4]。 三、PLC远程控制系统目前应用过程中存在的问题 虽然PLC远程控制系统优点十分显著，但是目前来看在应用的过程中依旧出现了不少的问题。首先，远程控制人员的过程控制观念薄弱，会对生产的质量产生严重的影响，特别是对机械臂操控的远程控制质量来说，它要求员工必须具备较高的综合素质能力，对于复杂的远程控制技术有所了解。这一点主要体现于，远程控制人员为了缩短生产的周期，在远程控制的过程中，刻意追求远程控制的速度，对于产品的质量问题，并未做过多的考虑，也就导致产品存在一定的安全隐患。 其次，如果生产单位在对远程控制现场的管理过程中没有相应的管理框架作为支撑，就会使在远程控制环节管理阶层对于远程控制现场管理的秩序混乱，从而使生产单位的领导阶层在管理的过程中不能及时发现远程控制现场存在的安全问题和远程控制的质量问题，导致机械臂操控项目远程控制的过程控制管理困难。例如，部分生产单位在对远程控制现场的管理过程中没有相应比较完善的规章制度对远程控制的过程进行明文规定，这样就会导致部分远程控制人员在工作的过程中钻管理的漏洞，使机械臂操控项目远程控制管理的秩序混乱，整个生产的质量也不能够得到有效保障。 最后，机械臂操控的过程控制流程不规范主要表现为执行力较差这一现象。一方面，在机械臂操控的过程控制环节，缺乏有效的监督和规范，对质量管理体系的运行产生了极大的影响，在质量管理体系建立的过程中，依然按照传统的习惯，未能重视体系的重要性，没有按照体系的相关规定进行运作，而且在执行的过程中，缺乏有效的监督，对产品生产各个环节的把控出现质量问题。。 四、PLC系统应用于六自由度机械臂的注意事项 （一）提升过程控制观念 加强对员工过程控制观念的培养是实现六自由度机械臂控制优化过程控制整体质量提升的重要措施。在设计现场中，由于其所涉及的工作内容相对较多，设计作业人员种类较为复杂，使得主管部门很难对每一名设计人员进行管理，也难免会存在个别设计人员在工作过程中出现违规操作等情况，例如在六自由度机械臂控制优化的控制系统升级的环节中，会有部分设计人员不按照标准进行设计，给控制系统升级人员的安全造成隐患，导致质量受到影响。在设计现场采用问题管理模式能够对这种由于设计人员在操作上所存在的问题进行解决，从而降低问题给企业所带来的损失，但是其依然会增加优化程序的设计成本。所以，主管部门在设计现场管理过程中应当将这两种管理模式融合在一起，充分发挥其本身所具有的重要作用，不仅要重点解决已经发生的问题，还需要对未发生而要发生的问题进行预防，以避免各类问题的出现和发生，实现六自由度机械臂控制优化应用过程控制质量的全方位提升。 （二）完善监管框架 过程控制质量的真正提升需要在完善的监管框架下进行。基于以上这一点，如今的六自由度机械臂控制优化设计人员应该转变观念，都对设计现场的监管框架进行完善，使六自由度机械臂控制优化的过程控制能够在统一的框架下得到落实。就目前的情况来看，如今的六自由度机械臂控制优化管理人员可以出台相应的设计现场过程控制标准，对内部员工的设计进行严密监管，从而使设计现场的过程控制质量能够得以提升，促进六自由度机械臂控制优化质量的提升。 （三）规范控制流程 在规范控制流程方面，如今的六自由度机械臂控制优化主管部门应该做到对执行过程中出现的问题，及时的进行处理，不可以逃避看每个问题，应该正确认识到问题的严重性，充分发挥得内外审以及管理评审的重要性，对暴露出来的问题，进行严格的整改，进而提高执
机器人测控技术 大作业课程设计 课程设计名称：基于STM32的机械臂运动控制分析设计专业班级：自动1302 学生姓名：张鹏涛 学号：201323020219 指导教师：曹毅 课程设计时间：2016-4-28～2016-5-16 指导教师意见： 成绩: 签名：年月日 目录
摘要................................................................................................................. V 第一章运动模型建立...................................................................................... V I 1.1引言 ................................................................................................ V I 1.2机器人运动学模型的建立.................................................................. V I 1.2.1运动学正解 ......................................................................... VIII 第二章机械臂控制系统的总体方案设计 .......................................................... X 2.1机械臂的机械结构设计 ...................................................................... X 2.1.1臂部结构设计原则 ................................................................. X 2.1.2机械臂自由度的确定............................................................. XI 2.2机械臂关节控制的总体方案 .............................................................. XI 2.2.1机械臂控制器类型的确定...................................................... XI 2.2.2机械臂控制系统结构............................................................ XII 2.2.3关节控制系统的控制策略.................................................... XIII 第三章机械臂控制系统硬件设计.................................................................. XIII 3.1机械臂控制系统概述....................................................................... XIII 3.2微处理器选型................................................................................. XIV 3.3主控制模块设计.............................................................................. XV 3.3.1电源电路............................................................................. XV 3.3.2复位电路............................................................................ XVI 3.3.3时钟电路............................................................................ XVI 3.3.4 JTAG调试电路.................................................................. X VII 3.4驱动模块设计................................................................................. X VII
机械臂运动学基础 1、机械臂的运动学模型 机械臂运动学研究的是机械臂运动，而不考虑产生运动的力。运动学研究机械臂的位置，速度和加速度。机械臂的运动学的研究涉及到的几何和基于时间的内容，特别是各个关节彼此之间的关系以及随时间变化规律。 典型的机械臂由一些串行连接的关节和连杆组成。每个关节具有一个自由度，平移或旋转。对于具有n个关节的机械臂，关节的编号从1到n，有n +1个连杆，编号从0到n。连杆0是机械臂的基础，一般是固定的，连杆n上带有末端执行器。关节i连接连杆i和连杆i-1。一个连杆可以被视为一个刚体，确定与它相邻的两个关节的坐标轴之间的相对位置。一个连杆可以用两个参数描述，连杆长度和连杆扭转，这两个量定义了与它相关的两个坐标轴在空间的相对位置。而第一连杆和最后一个连杆的参数没有意义，一般选择为0。一个关节用两个参数描述，一是连杆的偏移，是指从一个连杆到下一个连杆沿的关节轴线的距离。二是关节角度，指一个关节相对于下一个关节轴的旋转角度。 为了便于描述的每一个关节的位置，我们在每一个关节设置一个坐标系，对于一个关节链，Denavit和Hartenberg提出了一种用矩阵表示各个关节之间关系的系统方法。对于转动关节i，规定它的转动平行于坐标轴z i-1，坐标轴x i-1对准从z i-1到z i的法线方向，如果z i-1与z i相交，则x i-1取z i?1×z i的方向。连杆，关节参数概括如下： ●连杆长度a i沿着x i轴从z i-1和z i轴之间的距离; ●连杆扭转αi从z i-1轴到zi轴相对x i-1轴夹角; ●连杆偏移d i从坐标系i-1的原点沿着z i-1轴到x i轴的距离; ●关节角度θi x i-1轴和x i轴之间关于z i-1轴的夹角。
基于MATLAB Robotics Tools的机械臂仿真 【摘要】在MATLAB环境下，对puma560机器人进行运动学仿真研究，利用Robotics Toolbox工具箱编制了简单的程序语句，建立机器人运动学模型，与可视化图形界面，利用D-H参数法对机器人的正运动学、逆运动学进行了仿真，通过仿真，很直观的显示了机器人的运动特性，达到了预定的目标，对机器人的研究与开发具有较高的利用价值。 【关键词】机器人;运动学正解;运动学逆解 Abstract：For the purpose of making trajectory plan research on puma560 robot，in the MATLAB environment，the kinematic parameters of the robot were designed. Kinematic model was established by Robotics Toolbox compiled the simple programming statements，the difference was discussed between the standard D-H parameters，and the trajectory planning was simulated，the joints trajectory curve were smooth and continuous，Simulation shows the designed parameters are correct，thus achieved the goal. The tool has higher economic and practical value for the research and development of robot. Key words：robot;trajectory planning;MTALAB;simulation 1.前言 机器人是当代新科技的代表产物，随着计算机技术的发展，机器人科学与技术得到了迅猛的发展，在机器人的研究中，由于其价格较昂贵，进行普及型实验难度较大，隐刺机器人仿真实验变得十分重要。对机器人进行软件仿真，从运动图像和动态曲线表，可以模拟机器人的动态特性，更加直观的显示了机器人的运动状况，从而可以分析许多重要的信息。 对机器人的运动学仿真，很多学者都进行了研究。文献2以一个死自由度机器人为例，利用MATLAB软件绘制了其三维运动轨迹;文献4对一种柱面机械手为对象，对机械手模型的手动控制和轨迹规划进行了仿真;但上述各种方法建立的机器人模型只适合特定的机械臂模型。一种通用的，经过简单修改便可用于任何一种机械臂的仿真方法显得尤为重要。 2.机器人运动学简介 机器人学中关于运动学和动力学最常用的描述方法是矩阵法，这种数学描述是以四阶方阵变换三维空间的齐次坐标为基础的。矩阵法、齐次变换等概念是机器人学研究中最重要的数学基础。利用MATLAB Robotics Toolbox工具箱中的transl、rotx、roty和rotz函数可以非常容易的实现用其次变换矩阵表示平移变换和旋转变换。例如机器人在X轴方向平移了0.5米的其次坐标变换可表示为：
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者： 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师：高雪官 2006616
、八— 刖言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定， 而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将 被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机 械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
六轴联动机械臂运动学求解分析 第一讲 作者朱森光 Email zsgsoft@https://www.doczj.com/doc/bd7802011.html,
1引言 笔者研究六轴联动机械臂源于当前的机器人产业热，平时比较关注当前热门产业的发展方向。笔者工作主要从事软件开发跟机器人毫无关系，利用业余时间研究整理机器人技术相关的文章，希望能够起到抛砖引玉的作用引发更多的人发表有关机器人技术的原创性技术资料。本系列文章的所有文字、图片及相关资料均为原创，内容正确性经过笔者亲自编程仿真验证可以信赖。 2机器建模 2.1坐标系 既然要研究机器人，那么首先要建立一个机械模型，本文将以典型的六轴联动机器臂为例进行介绍，图2-1为笔者使用3D技术建立的一个简单模型。首先建立一个大地坐标系，一般教科书上都是以大地为XY平面，垂直于大地向上方向为Z轴，本文为了跟教科书上有所区别同时不失一般性，将以水平向右方向为X轴，垂直于大地向上方向为Y轴，背离机器人面向人眼的方向为Z轴，移到电脑屏幕上那就是屏幕水平向右为X轴，屏幕水平向上为Y轴，垂直于屏幕向外为Z轴，之所以建立这样不合常规的坐标系是希望能够突破常规的思维定势训练在任意空间建立任意坐标系的能力。 图2-1 图2-1中的机械臂，灰色立方体为机械臂底座，定义为关节1，它能绕图中Y轴旋转；青色为关节2，它能绕图中的Z1轴旋转；蓝色为关节3，它能绕图中的Z2轴旋转；绿色为关节4，它能绕图中的X3轴旋转；红色为关节5，它能绕图中的Z4轴旋转；黄色为关节6，它能绕图中的X5轴旋转。 2.2齐次变换矩阵 齐次变换矩阵是机器人技术里最重要的数学分析工具之一，关于齐次变换矩阵的原理很多教科书中已经描述在此不再详述，这里仅针对图2-1的机械臂写出齐次变换矩阵的生成过程。首先定义一些变量符号，关节1绕图中Y轴旋转的角度定义为θ0，当θ0=0时，O1点在OXYZ坐标系内的坐标是(x0,y0,0)；关节2绕图中的Z1轴旋转的角度定义为θ1，图中的θ1当前位置值为+90度；定义O1O2两点距离为x1,关节3绕图中的Z2轴旋转的角度定义为θ2，图中的θ2当前位置值为-90度；O2O3两点距离为x2，关节4绕图中的X3轴旋转的角度定义为θ3, 图中的θ3当前位置值为-60度；O3O4两点距离为x3，关节5绕图中的Z4轴旋转的角度定义为θ4, 图中的θ4当前位置值为-60度；O4O5两点距离为x4，关节6绕图中的X5轴旋转的角度定义为θ5, 图中的θ5当前位置值为+60度。以上定义中角度正负值定义符合右手法则。符号定义好了，接下来描述齐次变换矩阵。 定义R0为关节1绕Y轴的旋转矩阵 cosθ0 s0 = sinθ0 = //c0 R0=[c0 0 s0 0 0 1 0 0 0 c0 0 -s0 0 0 0 1] 定义T0为坐标系O1X1Y1Z1相对坐标系OXYZ的平移矩阵 T0=[1 0 0 x0 0 1 0 y0 00 1 0 0 0 0 1] 定义R1为关节2绕Z1轴的旋转矩阵 R1=[c1 –s1 0 0
六自由度机械臂控制系统设计 随着世界各地恐怖事件的不断爆发，采用六自由度机械臂实现对爆炸物的排除已成为现如今防恐事业的一项重要手段，机械臂在进行作业的过程中，排爆需要灵活的操作和细致的动作。机械臂的自由度往往在四五个左右，为了满足排爆工程的需求，就需要加强机械臂的操作自由度，因此设计六自由度机械臂就显得尤为重要。 标签：六自由度；机械臂；控制系统设计 1.六自由度机械臂控制系统设计要求 六自由度机械臂的运动控制硬件分别是机械手的运动控制、驱动电路的底层控制、远程通信以及远程控制、视觉传感和辅助传感系统和上层控制的人机交互。 在整个自由度机械臂控制系统中，上位机控制系统的主要功能是给操作者提供良好的人机交互界面，而且机械臂的操作能够通过配套的便携手柄而实现，所以上位机要对手柄所发射的信号进行有机的掌握和控制，对下位机系统的控制还需要上位机系统给出，同时还要将下位机及机械臂运动状态信息能够及时反馈给操作者。操作手柄和下位机作为移动设备而言，上位机控制系统除了能够提供有线的控制，还要提供相应的无线通信系统，其控制的有效距离在100米左右实现控制的指令和运动反馈的信号达成。在移动载体的设计上，除了放置机械手实现对抓取的射线图像检测仪，机械臂和车身上还装置了两台CCD摄像机和两个自由度的云台，并相应地配备录像机以对排爆过程进行全程的记录。这些信息的反馈就是通过无线图像模块实现的。 在机械臂手部的设计过程中，因为机器人的抓手在整个机械臂系统中作为最末端的执行器，在抓取和实现操作工作的时候，其可以根据需要分为钳式和吸附式。在这个层面上我们主要考虑的是机械臂在进行工具抓取的时候，需要采用钳式的爪手，在爪手上的电机，我们选择的是MICRO-STd伺服电机，在电机的尺寸设计上，要保证电力能够在最小的空间占比和最轻的质量占比，从而满足于机械臂的灵活性。在机器人的机械臂设计中，机械臂是由四到五个伺服的电机组成的，对伺服电机的控制能够保障机械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由变化。机械臂的手臂电机在设计过程中为了满足其灵活性，选择的是金属齿轮的伺服电机。在六自由度机械臂的手腕处，我们采用与爪手处相同的伺服电机，为了能够更好地保证对工具的夹持和手腕部的回转设计，六自由度机械臂在其底座的设计上，我们选择合金压铸技艺，从而使得底座能够支撑起整个手臂的重量，保障其在运行过程中的稳定性。对于标准的伺服机而言，其主要有三条引线，分别为电源线VCC、接地线以及控制信号的传播线。 2.控制器的设计 在对六自由度机械臂的控制器的设计上，主要采用单片机作为主控制器，通
“慧鱼模型”三自由度机械手 设 计 小 册 学院：机电工程学院 班级：机械设计与制造 指导老师： 姓名： 学号：201030120130
一、概述 (1) 1.1机电一体化技术 (1) 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 (1) 1.1.2机电一体化系统组成 (1) 1.2. 慧鱼机器人 (2) 1.2.1慧鱼创意教学组合模型简介 (2) 二、机器人的组成 (3) 2.1组成构件 (3) 2.2慧鱼机器人分析 (6) 2.2.1机器人机构组成 (6) 2.2.2主要成分构成及功能 (7) 2.3. 机器人的工作空间形式 (9) 2.4机器人的机械运动形态和变换控制 (11) 2.5机器人的位移、速度、方向的控制方法 (13)
一、概述 1.1机电一体化技术 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 机电一体化技术综合应用了机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 1.1.2机电一体化系统组成 1.机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基 础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。 2.检测传感部分检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是 检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变 化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到 的信息向执行器发出相应的控制。 3.电子控制单元电子控制单元是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器 的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根 据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控 制整个系统有目的地进行。 4.执行器执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行 器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。 5.动力源动力源是机电一体化产品能量供应部分，是按照系统控制要求向机械 系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气 能和液压能。
平面二自由度机械臂动力学分析 [摘要] 机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。本文采用拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过研究得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 [关键字] 平面二自由度 一、介绍 机器人是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，简化解的过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。 机器人动力学问题有两类： (1) 给出已知的轨迹点上的，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩向量Q r。这对实现机器人动态控制是相当有用的。 (2) 已知关节驱动力矩，求机器人系统相应的各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩向量τ，求机器人所产生的运动。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 二、二自由度机器臂动力学方程的推导过程 机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： (1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量θr ，r=1, 2,…, n。 (2) 选定相应关节上的广义力F r：当θr是位移变量时，F r为力；当θr是角度变量时， F r为力矩。 (3) 求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 (4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。 1、分别求出两杆的动能和势能
在现代的工厂加工生产线上，有很多的物件需要进行多角度，位置多姿态的进行变化，用人工自然不用说了，但是用人工的话，效率会比较低，而且可能会因为人工的操作失误导致次品率的上升，这就会给工厂带来不小的损失。所以这就会选择效率高，次品率低的机械臂来完成了，而对于那些空间位置和姿势变化较为复杂的物件来说就需要多自由度的机械臂来完成了。那什么是自由度呢？下面就来和大家分享一下。 通常把机械手臂的传送机构机的运动称为自由度。人从手指到肩部共有27个自由度，如果把机械手臂也做成这样多的自由度是很困难的，也是不必要的。从力学的角度分析，物件在空间只有6个自由度，因此为抓取和传送在空间不同位置和方位物件，传送机构最多也设置成6个自由度。常用的机械手传送机构的自由度很多还是少于6个自由度的，一般的专用机械手臂只有2-4个自由度，通用的机械手臂则多数为3-6个自由度。 常见的六轴关节的机械臂，是通过六个伺服电机直接通过减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转。六轴工业机器人一般有六个自由度，常见的六轴工业机器人包含旋转（S轴），下臂（L轴）、上臂（U轴）、手腕旋转（R轴）、手腕摆动（B轴）和手腕回转（T轴）。六个关节合成实现末端的六自由度动作。
六轴机械臂的研发设计及制造已经有好几十年的历史了，整个工业机械臂的研发制造体系较为完善，各研发厂家在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新。大正百恒智能多年来坚持投入研发、生产各类自动化设备，其中包括：双臂回斜式机械手、回斜式机械手、双截单臂回斜式机械手、立式注塑机专用机械手、单臂回斜式机械手、中型一轴伺服横走式机械手、中型两轴伺服横走式机械手、CNC悬挂式全伺服机械手、CNC开放式全伺服机械手。多年来不断推陈出新，研发生产的自动化设备帮助许多企业解决了生产难题，备受企业的喜爱。 芜湖大正百恒智能装备有限公司位于安徽省芜湖市，专业研发、制造、销售注塑机械手，车床、磨床、冲压上下料机械手及周边自动化设备。产品广泛适用于基础工业，汽车零部件，电子通信，环保化粪池，检查井、垃圾桶、托盘、食品包装，PET瓶坯，家电设备，光学制造等。 公司汇聚行业界经验丰富的技术精英及诚信专业销售团队，为您量身打造适
2012年8月第24期 科技视界 SCIENCE &TECHNOLOGY VISION 科技视界0引言 机械手对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步 发展起着重要作用。工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门，更能提高劳动生产率和自动化水平。随着现代生产的机械化和自动化的发展对机器人的需求越来越大因而对机器人的末端执行机构机械手的研究尤为重要。一些软件的发展为机械手的设计分析提供了方便降低了生产成本，本设计是基于S olidworks 软件，使得设计效率大大提高[1]。 本文是为普通车床配套而设计的上料机械手。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。 1机械手工作原理 上料机械手直接与工件接触的部件,它能执行人手的抓 握功能。手抓取物体以物体为中心,用两根手指包络物体。根据抓取物体时的相对状态,靠手指与工件之间的摩擦力来夹持工件。本上料机械手采用二指平动手爪,属于夹持式手爪,手指由四杆机构带动,当上料机械手手爪夹紧和松开物体时, 手指姿态不变,作平动。机械手手爪的结构见图1，①为支架、 ②气动杆、③和④为大螺钉、⑤和⑥为三孔连杆、⑦为小螺 钉、⑧短连杆、⑨和⑩为手指。 通过气动杆②来传动力的，气缸带动气动杆②使之向上移动时,其它的杆件共同运动,此时手爪是处于握紧工件的过程;反之,当气缸带动气动杆②向下移动时,手爪是处于张开的过程。这样,用气缸带动连杆②做往复平动，从而使其它杆件运动,带动手爪张合，手指上的任意一点的运动轨迹为一弧摆动。 图1 机械手装配简图 基于Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ的机械手运动仿真设计 郑向华 （成都工业学院机电工程系 四川成都611730） 【摘 要】本文在上料机械手设计与研究的基础上，具体进行了机械手仿真动画设计。完成基于S olidworks 的机械手运动仿 真，利用仿真动画来描述其工作原理。设计结果表明该设计可大大提高设计效率，收到良好效果。 【关键词】机械手；运动仿真；Solidworks The Design of Manipulator ’s Motion Simulation Based on the Solidworks Z HENG Xiang-hua （Electromechanical Engineering Department,Chengdu Technological University,Chengdu Sichuan ，611730,China)【Abstract 】In this paper,the design of manipulator on the basis of the design and study,specific for manipulator simulation ani - mation https://www.doczj.com/doc/bd7802011.html,pleted based on SolidWorks manipulator motion simulation,simulation animation to describe its working principle.The result indicates that this design can greatly improve the design efficiency,received good results. 【Key words 】Manipulator ；M otion simulation ；Solidworks ※基金项目：四川省教育厅项目（基金号10ZC035）。 作者简介：郑向华（1977—），女，黑龙江嫩江人，讲师，硕士研究生毕业，主要从事机电设计、CAD\CAE\CAM 及材料的研究 。 项目与课题 17
本科毕业论文（设计） ( 2014 届) 6自由度机械臂控制系统设计（软件）院系电子信息工程学院专业电子信息工程 姓名许克伟 指导教师范程华讲师 2014年4月
摘要 本文设计了一种以STC89C52单片机为主控元件的六自由度机械臂抓取系统。文中给出了系统的硬件设计方案以及各个功能原理图，同时给出了软件系统设计方法。系统实现了自动寻找目标并自动实施抓取目标且可通过PC上位机实时显示和控制机械手臂的功能，并能实现自动探测手臂与目标之间距离。在设计时，由于需要测量的距离范围从几厘米到几十厘米，针对超声波在传播时振幅呈指数衰减的特性，为了最大限度地提高驱动能力，采用对回波进行多级放大，以达到了设计要求，由于各个模块供电要求不同，电源电路模块通过稳压芯片输出7.2V、5V和3.3V电压。软件主要分为超声波距离测量模块和无线通信模块、数据处理模块这三大模块。软件的这种“自顶向下”的模块化软件编程方法，能使软件的结构更清晰，并有利于软件的调试和修改。经过调试，达到能够实现自动抓取目标和手动控制抓取目标功能。 关键词：超声波；VB上位机；六自由度机械手臂；STC89C52
This paper designs a mechanical arm whose main control component is STC89C52 single-chip microcomputer and based on the six degrees of freedom to control scraping system. Hardware design scheme of the system and each functional machine schematic diagram are also given in this paper , software program design method is given at the same time, the system realizes the automatic searching target and the implementation of automatic grab and real-time display by PC ,and realizes the function of controlling mechanical arm, and can realize to automatically detect the distance between the arm and target, then implement real-time display on the upper machine. .When designing, due to the distance need to measure ranges from several centimeters to tens of centimeters, aiming at the characteristics of ultrasonic wave amplitude decay exponentially in transmission, in order to develop the drive ability maximally, the echo multistage amplifier is be adopted. Due to the different requirements for each module power supply, in order to achieve the design requirements, power supply circuit module output voltage 7.2V, 5V and 3.3V through the voltage regulator chip. The software is mainly divided into three modules : the ultrasonic distance measuring module and wireless communication module, data processing module. The "top-down" modular software programming method of software can make the software structure more clearly, and benefit in the debugging and modification of software. After debugging, it can realize the function of grabbing the target though automatically add manually control. Key words: Ultrasonic wave;VB;Six degrees of freedom robotic arm;STC89C52