I．引言
机器人抓取运动目标是指机器人基于内部控制系统的控制，完成运动目标的跟踪和抓取，是智能机器人的一个前沿应用课题，在工业、航天和娱乐等领域有良好的应用前景。在运动目标的捕捉中，一方面，机器人手爪必须快速跟踪并接近目标;另一方面必须能够感知环境以避开可能的障碍，其中状态反馈和路径规划需要很高的实时性和抗干扰能力。此外，系统还受到动力学约束、关节几何约束等限制，而这一切都必须在实时条件下完成。
抓取运动目标技术在航空航天、工业生产、遥感技术、军事技术、特殊环境作业等多领域有着广泛的应用。该技术的研究最典型的应用就在于太空卫星捕捉机器人，众所周知由宇航员来接近和捕捉正在旋转的卫星很危险而且困难，从而使人们意识到应该使用机器人进行太空服务，近年来越来越多的机器臂装配到了航天设备上。此外，抓取运动目标的技术还可以应用在工业生产过程中抓取装配线传送带上正在运动的零部件；球类机器人（如：足球机器人，排球机器人等）；太空、深海等场合的自动对接和作业。
对于机器人抓取运动目标，其末端机械手的动作规划和目标检测等问题就需要传感技术与机器人控制技术的完美结合。目前，对于目标状态的测取一般采用图像传感（CCD摄像机），但是单视觉反馈有着它自身的缺陷，单摄像机模型往往能够获得较为精确的平面位置信息，而不能获得精确的深度信息。为此，在状态测取时，一般采用多摄像机模型或摄像机与位置传感器相结合模型。对于抓取运动目标动作规划目前一般存在有三种方法：直接瞄准法、比例导引法、以及预测-规划-执行( Prediction Planning and Execution，PPE) 方法。后文将具体讨论以上内容。
II．系统组成
下图是一个典型的机器人抓取运动目标的系统方框图。抓取运动咪表的机器人与一般的机器人相比，其操作对象大多为状态参数不确定的运动目标，同时机器人与目标之间的接触速度较高。因此必须着重研究以下问题: 实时状态测
取、运动路径规划、机器人运动控制。
运动目标
传感信息处理
目标状态环境识别
推理机
路径规划
控制策略及知识库
运动控制器
抓取机构
状态测取
图1：机器人运动目标抓取系统框图
III ．运动目标状态的实时测取
目前的抓取运动目标技术中目标的状态测取大多采用机器人视觉原理， 即我们通常所说的视觉伺服。通过视觉传感器（CCD 摄像机）获取图像， 作为反馈信号， 并对图像进行处理和分析， 然后得到目标位置信息并结合之前时刻的图像信息得到目标的速度、加速度信息， 构成机器人的闭环控制系统。根据视觉信息进行反馈控制时，都不可避免地要通过有关图像处理技术获取目标的深度信息。由于在处理过程中会受到单摄像机模型、成像质量、光照强度、标定精度、量化误差、特征提取精度以及噪声等诸多因素的影响， 从而降低了图像处理的精度， 往往能够获得较为精确的平面位置信息，而不能获得精确的深度信息， 进而影响了工件的精确跟踪和抓取。基于以上考虑，抓取运动目标技术中目标的状态测取需在单摄像机模型的基础上进行改良，目前主要有如下一些改良的测取方法：
双/多摄像机模型
单摄像机模型在测取深度信息方面的不足，在双/多摄像机模型中能的倒有效的解决，该模型通过2或多个个 CCD 光轴始终汇交于目标球体中心的方法跟踪
目标，从而能有效的获取运动目标的三位坐标。美国麻省理工学院( MIT) 开展了全臂操作手( W AM: Whole Arm Manipulator) 捕捉运动球体的项目中就采用了双CCD 视觉模型对运动球体的状态进行的测取。 视觉与测距传感器相结合模型
为了弥补单摄像机模型在测取深度信息方面的不足，该模型首先采用视觉传感信息， 进行平面测取， 获取目标在图像平面中的位置与方位， 然后引导测距装置（超声测距或红外测距）测取目标深度信息。通过测距装置， 不仅提高了深度信息的获取精度， 而且避免了复杂的图像处理和分析运算， 克服了立体视觉计算量大的缺点， 提高了跟踪的实时性。这种融合图像处理与超声测距技术可以得到精确的机器人控制输入， 完成对运动工件进行的跟踪和抓取。该模型主要应用在装配机器人抓取运动工件时的状态测取。 IV ．运动目标抓取的路径规划
i ．路径规划常用坐标系
关节坐标系
关节坐标系是由路径点n P P P P ...,,210，计算出相应变换矩阵n T T T T 0
62
06106006...,,及相应关节矢量n q q q q ...,,210和{})(),(),(t q t q
t q ，即以关节角度的函数描述机器人轨迹的坐标系。用关节坐标系进行路径规划时，只需给出起始点和终止点，而不需考虑两点之间的移动路径。 直角坐标系
直角坐标系就是我们通常所说的X-Y -Z 坐标系。一般当不仅要求机器人达到目标点，而且要求机器人必须沿着所希望的路径在一定的精度范围内移动时，我们常采用直角坐标系。 笛卡尔坐标系
笛卡尔坐标系是直角坐标系和斜角坐标系的统称。相交于原点的两条数轴，构成了平面放射坐标系。如两条数轴上的度量单位相等，则称此放射坐标系为笛卡尔坐标系。笛卡尔坐标空间中的轨迹规划需将手爪位姿、速度和加速度表示为
时间的函数，相应的关节位置、速度和加速度可由逆运动学方程计算求得。优点是比较直观，但是为了获得控制参数，在每一个位置点都必须进行运动学反解，容易出现机械手的奇异位形。
ii．常用用路径规划方法
在机器人抓取运动目标的过程中，我们需要对机器人的末端机器手的路径进行规划，是机械手能按照导引路线跟踪运动目标，在某点遭遇运动目标，并最终抓取运动目标。由于运动目标的状态随时都在变化，所以在抓取运动目标过程中路径规划的实时性要求比较高，下面将介绍三种实时路径规划方法：：直接瞄准法、比例导引法、以及预测-规划-执行( Prediction Planning and Execution，PPE) 方法。
直接瞄准法
直接瞄准法是指手臂末端运动方向在任一时刻都指向运动目标，具体如下图2所示，其中：P0为机械手初始位置、T0为运动目标初始位置、I为遭遇抓取电。直接瞄准法是最直观最原始的一种路径规划方法，但由于运动目标路径的不规则性、控制系统的离散性和实时性等多方面性能限制，导致在实际应用中直接瞄准法存在着诸多弊端。在实际应用中，大多项目中均没有选用实时瞄准法。关于直接瞄准法的数学描述，将与下文比例导引法一起给出。
图1：直接瞄准法示意图
比例导引法
比例导引法是指手爪与目标的联线在任两时刻都保持相互平行手爪朝事先
计算的遭遇点接近。使用比例导引法能够很好的跟踪抓取快速运动目标。为了更好的说比例导引法，我们引入如下平面两关节直接驱动机器人抓取运动目标模
型：
图3：机器臂结构示意图 图4：机器臂和运动目标之间相对关系 图中：
),(g g y x ：机器臂末端夹具在参考坐标系中的位置； 1l ：机器臂大臂长度； 2l ：机器臂小臂长度；
21,θθ：机器臂关节角；
r ：机器臂末端夹具与目标间的距离；
λ：视线角；
g V ：机器臂末端夹具运动速度；
n ：末端夹具转弯负载； g θ：末端夹具运动速度方向角；
t V ：目标运动速度；
t θ：目标运动速度方向角；
由图3、图4可以列出如下相对运动方程：
?????-+--=-+--=)
sin()sin()cos()cos(λθλθλλθλθt t g g t t g g V V r V V r （1）
当目标为匀速直线运动时，t V 、t θ为常量，可以列出机器臂末端约束方程如下：
?????==g
g g g g g V y V x θθsin cos （2）
以及
????
??=?-=g
g g g g g g g V y V x θθθθ
cos sin （3） 假定机器臂末端在工作空间(参考坐标系)的运动已知，由图3得，机器臂末端位置在工作坐标空间与关节坐标的关系:
?????-+=-+=)
sin(sin )cos(cos 2121121211θθθθθθl l y l l x g g （4）
根据余弦定理得机器人的逆运动学方程：
??
?
?
??
?--+-=+-+++=]2)(arccos[
180]2)
(arccos[),arctan(2
122222122
212221221l l y x l l y x l l l y x x y g g g g g g g g θθ （5） 末端速度与关节角速度的关系：
???????
?=????????2121),(θθθθ J y x
g g （6）
其中雅克比矩阵),(21θθJ 为：
??
?
?
??--+---+-=)cos()
cos(cos )sin()sin(sin ),(212212112122121121θθθθθθθθθθθθl l l l l l J （7） 末端加速度与关节角加速度的关系：
),,,(),(21212121θθθθθθθθ
h J y x g g +???
?????=???????? （8） 其中),,,(2121θθθθ h 为：
??
?
???-?-?-?-?-=2212122
1
112
212122
2112121)()sin(sin )()cos(cos ),,,(θθθθθθθθθθθθθθθθ l l l l h （9） 从而
????????=???
?????-g g y x J ),(211
21θθθθ （10）
以及
)],,,()[,(212121121θθθθθθθθ
h y x J g g -????????=???
?????- （11） 由式以上各式可知若已知g θ，即期望的机器人末端运动方向则可以产生期望的关节位置、速度和加速度值。导引算法就是根据相对运动产生一个径向加速度，使飞行器沿一条最短的平滑路径逼近目标，趋近于直线的路径也就意味着最短路径; 而这一切的关键问题在与路径规划的方法，即λ 与g θ 之间的关系。
若路径规划的方位为直接瞄准法时，手臂末端运动方向在任一时刻都指向运动目标即：
g
θλ = （12）
若)0()0(λθ=g 则有)()(t t g λθ=这种方法对于抓取低速运动目标是一种有效的导引方法，而对快速运动目标则会导致大曲率的跟踪轨迹;
如路径规划的方位为比例导引法时，能产生最优的跟踪轨迹其形式为：
λ
c NV n = （13）
其中n 为期望的机器臂末端夹具横向负载，N 为比例导引系数，Vc 为目标与机器人捕抓器合速度的幅值，考虑到实际负载为 g V g g /θ ，且g 为重力加速度，由此得：
g
c g V g NV /λθ = （14）
定比例导引法在动轨末端曲率过大及例导法中Vc 确定复杂性，可以对定比例导引发进行改良，提出变比例导引法，即：
λ
θ )1(
+=r r K x g （15）
其中，x K 为导引系数，r 为当前时刻的相对距离，0r 为初始相对距离。
综上，采用直接瞄准法或比例导引法可按如下步骤进行： （1）测量α ，1θ 和2θ ，由（11）式确定λ ； （2）由式（12）、或（14）、或（15）计算g θ ；
（3）根据式（2），（3）计算g g g g y x y x
,,,； （4）根据式(5)，（9）和(10)计算d
d d θθθ ,,； 预测-规划-执行法
预测-规划-执行法适用于对状态变化有一定规律的运动目标，先预测运动目标的状态如轨迹、速度等， 再根据目标状态规划机器人的动作， 然后执行已规划动作。由于状态变化是规律的，不妨设目标的运动轨迹为B(t)，机器臂的抓取点必位于B(t)上。
为确定机器臂的抓取点，引入机器人动作时间函数r(t)以及目标到达时间函数b(t)。机器人动作时间函数r(t)是指机器人从初始位置{q 0}到达预测目标轨迹B(t)的最短时间r j 。具体如图4所示：
图5：机器人动作时间 图6：目标到达时间
机器人动作时间函数r(t)的确定步骤如下：
（1）确定机器人初始位置{q 0}到球运动轨迹上)](),...(),([21n t B t B t B 点的最优路径。若从机器人动作时间最短的角度考虑， 机器人在卡笛尔坐标系下从初始位置运动到击球点的路径应为直线。
（2）用对应这些轨迹点的机器人动作时间 rj ， 通过多项式逼近得到机器人运行时间函数)(t r t r =(图 7)。
目标到达时间函数b (t)是指在机器人开始动作时刻， 目标从当前位置运动到某一位置j p t t B =|)(的时间j b ，具体如图6所示。若在 t= 0时刻机器人开始执行拦截动作， 则目标到达时间函数b (t)是一条斜率为1的直线，t t t b b =:)(。实际上， 目标的轨迹预测和机器人路径规划等程序需要一定的运行时间calc t ， 因
此，机器人应在 calc t 后才能执行拦截动作。而此时， 目标的当前位置应为
calc
t t t B =|)(， 故目标到达时间函数b (t)应为calc b
t t t t b -=':)((图7)。
图7：机器人动作时间
由r (t)和b(t)交点确定的时间*r t t =即为最短拦截时间，*|)(t t t B =即为时间最
短的抓取点的位置 (图7)。b
r t t '≤的区域对应的时间区间都是可行的拦截时间。可见， 该方法不但能得到可行区域内的任意抓取点， 而且可得到时间最优的抓取点。
V ．运动目标抓取常用的控制方法 模糊Bang -Bang 控制
机器臂各关节的运动性能参数差异很小，为了方便说明，下文将选取任意关节q 进行分析。在运动目标抓取控制中，机器人需要尽可能快的追踪并接近目标。Bang -Bang 控制采用极大值原理， 是一种时间最优控制方法， 能很好满足系统快速性的要求， 使得阶跃响应过程最小化。Bang -Bang 控制确保了关节在追踪阶段快速地靠近给定值， 而在误差小于某一事先确定的阈值后， 便切换到模糊控制输出， 防止由于加入太大的控制量而导致过大的超调。 Bang- Bang 控制的实质是使误差减少为 t e 所用时间最短的最优控制问题。
目标追踪过程可能出现两种切换: (1)由加速状态切换到等速状态; ( 2) 由等速或加速状态切换到减速状态。第(1)种切换是由系统额定速度引起的， 易于处理。第(2)种切换比较复杂，因为它要保证过渡过程尽快单调地结束。
由加速段 (或等速段)到减速段切换点的求取是开关控制的关键，可以采用模
糊控制进行开关控制，由于模糊控制不依赖于精确的数学模型，具有较强的鲁棒性，其中模糊化处理能有效抑制数学模型误差产生的干扰。模糊控制器中采用 Mamdani 极大极小运算法进行模糊推理和最大隶属度法进行解模糊。模糊 Bang -Bang 控制器的输入为关节位置误差q q d f q -=（f q 为关节q 在f t 时刻的状态），和关节误差变化率2
)]
()2([n d n d d q q q -+=
，输出为速度控制信号],0,[m m c q q q
-=（其中m q
为关节的最大速度），对应的模糊规则如表1所示：
表1 模糊 Bang-Bang 控制规则表
带积分抑制的模糊控制
模糊控制相当于一个参数变化的 PID 控制， 在机器人抓取运动目标系统中，系统输出存在固有的稳态跟踪误差，因此引入一个 I 型积分环节进行消除。积分项对误差进行积分， 随着时间的增加，积分项也增大， 它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小， 直到等于零。
关节运动控制器的参考位置f q 随时间任意变化，控制器的输出为位置控制信号c q ， 模糊控制器的输入：
2
)]
()2([,n d n d d q q d q q q
f q -+=-= （16）
误差、误差变化率和控制量语言变量的基本值域即q d 、q
d 和c q 的实际变化范围。控制器的输入和输出变量所对应的模糊值域均选定为：
[]
n n n n X ,1,...,1,0,1,...,1,--+--= （17）
其中 n= 4，误差量化因子、误差变化率量化因子和控制量量化因子 (推理机输
出比例因子 )分别定义为：
n q K d n
K d n K c q q
d q
d c q
q ==
=
,, （18）
则更新后的带积分项的模糊规则表如表2:
表2 带积分的模糊控制规则表
当机器人各关节都进入随动跟踪阶段，并且误差小于给定阈值时，控制手爪完成目标捕捉任务。
自动控制原理课程设计题目：机器人抓取装置位置控制系统校正装置设计 专业：电气工程及其自动化 ： 班级：学号： 指导老师：职称： 州航空工业管理学院 机电工程学院 2011年12月
初始条件： 一个机器人抓取装置的位置控制系统为一单位负反馈控制系统，其传递函数为()()() 15.013 0++=s s s s G ，设计一个滞后校正装置，使系统的相 角裕度?=45γ。 设计容： 1.先手绘系统校正前的bode 图，然后再用MATLAB 做出校正前系统的bode 图，根据MATLAB 做出的bode 图求出系统的相角裕量。 2.求出校正装置的传递函数 3. 用MATLAB 做出校正后的系统的bode 图，并求出系统的相角裕量。 4.在matlab 下，用simulink 进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，确使满足技术要求。 5.对系统的稳定性及校正后的性能说明 6.心得体会。
1频率法的串联滞后校正特性及方法 1.1特性：当一个系统的动态特性是满足要求的，为改善稳态性能，而又不影响其动态响应时，可采用此方法。具体就是增加一对靠的很近并且靠近坐标原点的零、极点，使系统的开环放大倍数提高β倍，而不影响开环对数频率特性的中、高频段特性。 1.2该方法的步骤主要有： ()1绘制出未校正系统的bode 图，求出相角裕量0γ，幅值裕量g K 。 ()2在bode 图上求出未校正系统的相角裕量εγγ +=期望处的频率 2c ω,2c ω作为校正后系统的剪切频率， ε用来补偿滞后校正网络2c ω处的相角滞后，通常取??=15~5ε。 ()3令未校正系统在2c ω的幅值为βlg 20，由此确定滞后网络的β值。 ()4为保证滞后校正网络对系统在2c ω处的相频特性基本不受影响，可 按10 ~ 2 1 2 2 2c c ωωτ ω= =求得第二个转折频率。 ()5校正装置的传递函数为()1 1++= s s s G C βττ ()6画出校正后系统的bode 图，并校验性能指标 2确定未校正前系统的相角裕度 2.1先绘制系统的bode 图如下：
专题综述 课程名称工业自动化专题 题目名称工业机器人的运动轨迹学生学院____ _ 自动化________ 专业班级___ _ _ 学号 学生姓名___ _ _ 指导教师_____ _____ 2013 年 6月 27日
工业机器人的运动轨迹综述 【摘要】：随着知识经济时代的到来，高技术已成为世界各国争夺的焦点，机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到了各国政府的重视。自此，多种不同的研究方向都在工业机器人实时高精度的路径跟踪来实现预期目的。而工业机器人的运动轨迹又是重中之重，在得到反馈信息之后，如何作出应答，并且实时检查轨迹与所计算出的轨迹是否吻合，为此也要进行追踪与动作修正。 【关键词】：工业机器人，视觉，路径跟踪，轨迹规划，高精度 1.机器人视觉，运动前的准备 实际的工业现场环境复杂，多种因素都有可能导致系统在运行过程中产生一定的偏差、测量精度降低，引起误差的原因主要有温度漂移和关节松动变形等，使测量模型的参数值改变从而导致定位误差增大，因此需要定期对工业机器人视觉测量系统进行精确的校准，从而实现精确定位和视觉测量。更少不得必要的优化。 1.1基于单目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测 建立的工业机器人单目视觉系统，整个系统主要由单目视觉单元，监控单元和机器人执行单元三大单元组成。单目视觉单元为一台固定在机器人上方的CCD摄像机，负责摄取工作环境中的目标并存入图像采集卡缓冲区；监控单元负责监控各工作站的当前状态，并完成对存储图像进行相关处理的工作，达到识别定位目标的目的；执行单元负责驱动机械手实施抓取操作。 1.2基于双目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测 以立体视觉理论为基础，研究了基于空间直线的二维投影面方程。根据投影面的空间解析几何约束关系，建立基于直线特征匹配的双目视觉误差测量的数学模型。在该模型基础上采用将两台摄像机固定于工业机器人末端的方案．对关节型工业机器人运动轨迹的准确度进行了检测。结果表明，该检测方法简单实用，基本上可以满足工业机器人CP性能检测的要求。 1.3一种面向工业机器人智能抓取的视觉引导技术研究 为实现工业机器人自主识别并抓取指定的目标，提出了一种基于计算机视觉引导的解决 方法。该方法利用指定目标的3D数据模型，以及由两台或者多台CCD摄像机从工作场景中不同角度获；取到的数字图像，经过目标姿态估算、投影计算并生成投影图像，再利用投影
I．引言 机器人抓取运动目标是指机器人基于内部控制系统的控制，完成运动目标的跟踪和抓取，是智能机器人的一个前沿应用课题，在工业、航天和娱乐等领域有良好的应用前景。在运动目标的捕捉中，一方面，机器人手爪必须快速跟踪并接近目标;另一方面必须能够感知环境以避开可能的障碍，其中状态反馈和路径规划需要很高的实时性和抗干扰能力。此外，系统还受到动力学约束、关节几何约束等限制，而这一切都必须在实时条件下完成。 抓取运动目标技术在航空航天、工业生产、遥感技术、军事技术、特殊环境作业等多领域有着广泛的应用。该技术的研究最典型的应用就在于太空卫星捕捉机器人，众所周知由宇航员来接近和捕捉正在旋转的卫星很危险而且困难，从而使人们意识到应该使用机器人进行太空服务，近年来越来越多的机器臂装配到了航天设备上。此外，抓取运动目标的技术还可以应用在工业生产过程中抓取装配线传送带上正在运动的零部件；球类机器人（如：足球机器人，排球机器人等）；太空、深海等场合的自动对接和作业。 对于机器人抓取运动目标，其末端机械手的动作规划和目标检测等问题就需要传感技术与机器人控制技术的完美结合。目前，对于目标状态的测取一般采用图像传感（CCD摄像机），但是单视觉反馈有着它自身的缺陷，单摄像机模型往往能够获得较为精确的平面位置信息，而不能获得精确的深度信息。为此，在状态测取时，一般采用多摄像机模型或摄像机与位置传感器相结合模型。对于抓取运动目标动作规划目前一般存在有三种方法：直接瞄准法、比例导引法、以及预测-规划-执行( Prediction Planning and Execution，PPE) 方法。后文将具体讨论以上内容。 II．系统组成 下图是一个典型的机器人抓取运动目标的系统方框图。抓取运动咪表的机器人与一般的机器人相比，其操作对象大多为状态参数不确定的运动目标，同时机器人与目标之间的接触速度较高。因此必须着重研究以下问题: 实时状态测
一．工业机器人组成系统 工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括腰部、肩部、肘部和手腕部，其中手腕部有3个运动自由度。驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作。控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。 工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。 工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。 示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。 几个问题： （1）巨轮机器人JLRB20KG机器人是点位型还是连续轨迹型？ （2）能不能编写一个简单程序，使机器人能够的末端能够走一个圆？ （3）能不能控制机器人中每一个电机的输出功率或扭矩？ （4）机器人每一个关节从驱动电机到执行机构的传递效率有没有？ 二．工业机器人的主体 机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。机器人采用电机驱动，电机分为步进电机或直流伺服电机。直流伺服电机能构成闭环控制、精度高、额定转速高、但价格较高，而步进电机驱动具有成本低、控制系统简单。 各部件组成和功能描述如下： （1）基座：基座是机器人的基础部分，起支撑作用。整个执行机构和驱动装置都安装在基座。 （2）腰部：腰部是机器人手臂的支撑部分，腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器、制动器和步进电机等。 （3）大臂：大臂和传动部件 （4）小臂：小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端固定驱动手腕三个运
机械臂运动的轨迹规划 摘要 空间机械臂是一个机、电、热、控一体化的高集成的空间机械系统。随着科技的发展，特别是航空飞机、机器人等的诞生得到了广泛的应用，空间机械臂作为在轨迹的支持、服务等以备受人们的关注。本文将以空间机械臂为研究对象，针对空间机械臂的直线运动、关节的规划、空间直线以及弧线的轨迹规划几个面进行研究，对机械臂运动和工作空间进行了分析，同时对机械臂的轨迹规划进行了验证，利用MATLAB软件对机械臂的轨迹进行仿真，验证算法的正确性和可行性，同时此路径规划法可以提高机械臂的作业效率，为机械臂操作提高理论指导，为机器人更复杂的运动仿真与路径规划打下基础。 本文一共分为四章： 第一章，首先总结了机械臂运动控制与轨迹规划问题的研究现状及研究法，归纳了各种轨迹规划的算法及其优化法，阐述了机械臂的研究背景和主要容。 第二章，对机械臂的空间运动进行分析研究，采用抽样求解数值法—蒙特卡洛法，进行机械臂工作空间求解，同时在MATLAB中进行仿真，直观展示机械臂工作围，为下一章的轨迹规划提供理论基础；同时通过D-H参数法对机械臂的正、逆运动分析求解，分析两者的区别和联系。 第三章，主要针对轨迹规划的一般性问题进行分析，利用笛卡尔空间的轨迹规划法对机械臂进行轨迹规划，同时利用MATLAB对空间直线和空间圆弧进行
轨迹规划，通过仿真验证算法的正确性和可行性。 第四章，总结全文，分析本文应用到机械臂中的控制算法，通过MATLAB 结果可以得出本文所建立的算确性，能够对机械臂运动提供有效的路径，而且改进了其他应用于空间机械臂的路径规划问题。 【关键词】运动分析工作空间算法研究轨迹规划 ABSTRACT Space manipulator is a machine, electricity, heat, charged with high integration of space mechanical system integration. With the development of science and technology, especially the birth of aviation aircraft, a robot has been widely used, the trajectory of space manipulator as the support and services to people's attention. This article will space manipulator as the research object, according to the linear motion of the space manipulator, joint planning, space of the straight line and curve, the trajectory planning of several aspects of mechanical arm movement and working space are analyzed, and the trajectory planning of manipulator is verified, the trajectory of manipulator is to make use of MATLAB software simulation, verify the correctness and feasibility of the algorithm, at the same time this path planning method can improve the efficiency of mechanical arm, improve the theoretical guidance for mechanical arm operation, simulation and path planning for robot more complicated movement. This article is divided into four chapters altogether:
一、机器人的主要技术参数 机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是设计、应用机器人必须考虑的问题。机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、工作载荷等。 1、自由度 机器人具有的独立坐标轴运动的数目。机器人的自由度是指确定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。.机器人的自由度数一般等于关节数目。机器人常用的自由度数一般不超过5～6个。 2、关节（Joint） 即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。 3、工作空间
机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域。其形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。机器人的工作空间通常用图解法和解析法两种方法进行表示。 4、工作速度 机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。 5、工作载荷 指机器人在工作范围内任何位置上所能承受的最大负载，一般用质量、力矩、惯性矩表示。还和运行速度和加速度大小方向有关，一般规定高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。 6、分辨率 能够实现的最小移动距离或最小转动角度。 7、精度 重复性或重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。或在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。 二、机器人的控制系统 1、机器人的控制系统 “控制”的目的是使被控对象产生控制者所期望的行为方式。.“控制”的基本条件是了解被控对象的特性。“实质”是对驱动器输出力矩的控制。
机器人抓取装置位置控 制系统校正装置设计 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
自动控制原理课程设计题目：机器人抓取装置位置控制系统校正装置设计 专业：电气工程及其自动化 姓名： 班级：学号： 指导老师：职称： 郑州航空工业管理学院 机电工程学院 2011年12月
初始条件： 一个机器人抓取装置的位置控制系统为一单位负反馈控制系统，其传递函数为()()() 15.013 0++=s s s s G ，设计一个滞后校正装置，使系统的相角裕 度?=45γ。 设计内容： 1.先手绘系统校正前的bode 图，然后再用MATLAB 做出校正前系统的bode 图，根据MATLAB 做出的bode 图求出系统的相角裕量。 2.求出校正装置的传递函数 3. 用MATLAB 做出校正后的系统的bode 图，并求出系统的相角裕量。 4.在matlab 下，用simulink 进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，确使满足技术要求。 5.对系统的稳定性及校正后的性能说明 6.心得体会。
1频率法的串联滞后校正特性及方法 特性：当一个系统的动态特性是满足要求的，为改善稳态性能，而又不影响其动态响应时，可采用此方法。具体就是增加一对靠的很近并且靠近坐标原点的零、极点，使系统的开环放大倍数提高β倍，而不影响开环对数频率特性的中、高频段特性。 该方法的步骤主要有： ()1绘制出未校正系统的bode 图，求出相角裕量0γ，幅值裕量g K 。 ()2在bode 图上求出未校正系统的相角裕量εγγ +=期望处的频率2c ω,2 c ω作为校正后系统的剪切频率，ε用来补偿滞后校正网络2c ω处的相角滞后，通常取??=15~5ε。 ()3令未校正系统在2c ω的幅值为βlg 20，由此确定滞后网络的β值。 ()4为保证滞后校正网络对系统在2c ω处的相频特性基本不受影响，可按 10 ~ 2 1 2 2 2c c ωωτ ω= = 求得第二个转折频率。 ()5校正装置的传递函数为()1 1 ++= s s s G C βττ ()6画出校正后系统的bode 图，并校验性能指标 2确定未校正前系统的相角裕度 先绘制系统的bode 图如下：
自动控制原理课程设计题目:机器人抓取装置位置控制系统校正装置设计 专业：电气工程及其自动化 姓名： 班级：学号： 指导老师：职称: 郑州航空工业管理学院 机电工程学院
2011年12月 初始条件： 一个机器人抓取装置的位置控制系统为一单位负反馈控制系统，其传 递函数为G。s = 3，设计一个滞后校正装置，使系统的相 s(s+1 (0.5S + 1 ) 角裕度吋-45。 设计内容： 1先手绘系统校正前的bode图，然后再用MATLAB做出校正前系统的bode图，根据MATLAB做出的bode图求出系统的相角裕量。 2.求出校正装置的传递函数 3.用MATLAB做出校正后的系统的bode图，并求出系统的相角裕量。4在matlab下，用simulink进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，确使满足技术要求。 5对系统的稳定性及校正后的性能说明6.心得体会。
1频率法的串联滞后校正特性及方法 1.1特性：当一个系统的动态特性是满足要求的，为改善稳态性能，而又不影响其动态响应时，可采用此方法。具体就是增加一对靠的很近并且靠近坐标原点的零、极点，使系统的开环放大倍数提高 ［倍， 而不影响开环对数频率特性的中、高频段特性。 1.2该方法的步骤主要有： 1绘制出未校正系统的bode图，求出相角裕量°，幅值裕量久g。 2在bode图上求出未校正系统的相角裕量二期望」处的频率 ‘2,'2作为校正后系统的剪切频率，；用来补偿滞后校正网络,2处的相角滞后，通常取；=5?15。 3令未校正系统在^2的幅值为20lgi，由此确定滞后网络的［值。 4为保证滞后校正网络对系统在-c2处的相频特性基本不受影响，可按丄 二二?上求得第二个转折频率。 T 2 10 5校正装置的传递函数为Gc s = - S 1 削s +1 6画出校正后系统的bode图，并校验性能指标 2确定未校正前系统的相角裕度 2.1先绘制系统的bode图如下：
宁波大红鹰学院毕业设计（论文）开题报告 课题名称一种搬运机器人的结构设计 课题来源（1）课题类型（A）指导教师朱火美 学生姓名项杰专业机械设计制造及 其自动化 学号091280626 1.本课题的研究目的及意义 1.1课题简介： 随着汽车工业的不断发展，对汽车零部件生产的数量和质量都提出了更高的要求。发动机气门作为汽车中的重要零件，市场需求量大，国内的产量也在不断的增加。为了提高生产效率和产品质量稳定性，自动化生产已经成为发展的必然趋势。而机器人正是自动化生产中的重要工具。 本课题的主要任务是对国内外机器人发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计，包括传动部分、执行部分、驱动部分和简单的三维实体造型工作，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机器人模型进行静力学分析，估算各关节所需转矩和功率，对机构中的重要连接件进行强度校核。 1.2搬运机械手、机器人概要及研究意义 搬运机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，搬运机械手被广泛的运用于自动生产线中。机器人的研制和生产已迅速发殿起来的一门新兴的技术。它更加促进了搬运机械手的发展，使得搬运机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。搬运机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点。因此，搬运机械手越来越广泛地得到了应用，也是今后工业发展的必然趋势。 对于任何一种机械产品的生产，都要从流程中改进薄弱环节而提高效率，这种称之谓“工作研究和时间研究”的方法，在流水生产线中应广泛应用。随着新型材料的出现，
教案首页 课程名称农业机器人任课教师李玉柱第2章机器人的基本结构原理计划学时 3 教学目的和要求： 1.弄清机器人的基本构成； 2.了解机器人的主要技术参数； 3.了解机器人的手部、腕部和臂部结构； 4.了解机器人的机身结构； 5.了解机器人的行走机构 重点： 1.掌握机器人的基本构成 2.弄清机器人都有哪些主要技术参数 3.机器人的手部、腕部和臂部结构 难点： 机器人的手部、腕部和臂部结构 思考题： 1.机器人由哪些部分组成 2.机器人的主要技术参数有哪些 3.机器人的行走机构共分几类，请想象未来的机器人能 否有其它类型的行走机构
第2章概论 教学主要内容： 2.1机器人的基本构成 2.2机器人的主要技术参数 2.3人的手臂作用机能初步分析 2.4机器人的机械结构构成 2.5机器人的手部 2.6机器人的手臂 2.7机器人的机身 2.8机器人的行走机构 本章介绍了机器人的基本构成、主要技术参数，人手臂作用机能，在此基础上对机器人的手部、手腕、手部、。机身、行走机构等原理及相关的结构设计进行讨论，使学生对机器人的机构和原理有较为清楚的了解。 2.1机器人的基本构成 简单地说：机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。 不同类型的机器人其机械、电气和控制结构也不相同，通常情况下，一个机器人系统由三部分、六个子系统组成。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人-环境交互系统、控制系统等。如图2-1所示。
●是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体， 关节通常分为转动关节和移动关节，移动关节允许连杆做直线移动，转动关节仅允许连杆之间发生旋转运动。 个主要部●常规的驱 接地与臂、腕或手上的机械连杆或关节连接在一起，也可以使用齿轮、带、链条等机械传动机构间接传动。 ●感知系统 ．．．．由一个或多个传感器组成，用来获取内部和外部环境中的有用信息，通过这些信息确定机械部件各部分的运行轨迹、速度、位置和外部环境状态，使机械部件的各部分按预定程序或者工作需要进行动作。传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。 ●控制系统 ．．．．其任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。若机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统又可分为程序控制系统、