毕业设计说明书
CS 类6自由度机械臂的建模与仿真
学生姓名： 学号： 学 院： 系 名： 专 业： 指导教师：
2015 年 6 月
自动控制系 电气工程及其自动化
摘要：
机械臂作为机器人最主要的执行机构，对于它的研究有着重要的意义。机械臂系统包括机械、硬件、软件、算法这四个部分。各个部分都是紧密相联，需要互相协调来设计的。
采用标准的D．H建模方法，建立了机械臂的数学模型。对机械臂的正运动学进行了分析，采用解析法对关节角进行解耦运算，推导出了逆运动学的封闭解析解，并采用功率最省做为性能指标，确定了唯一解。使用基于Matlab平台下的Robotics Toolbox机器人工具箱对推导过程的正确性进行了验证与仿真。
关键字：机械臂运动学模型仿真
Abstract:
As the most important robot manipulator, robot arm has important significance for its research.. The mechanical arm system includes four parts: machinery, hardware, software and arithmetic.. Each part is closely related, need to coordinate to design.
The mathematical model of the manipulator is established by using the standard D.H method.. The manipulator kinematics were analyzed on joint angle decoupling operation by using analytical method derived closed analytical solution of the inverse kinematics, and the power of the province to do as the performance index to determine the uniqueness of the solution. The correctness of the process is verified by using the Toolbox Robotics robot toolbox based on the Matlab platform.
目录
摘要： (1)
1 绪论 (1)
1.1研究的背景和意义 (1)
1．2国内外机械臂研究现状 (2)
1．2．1国外机械臂研究现状 (3)
1.2.2 国内机械臂研究现状 (12)
1．3 仿真技术研究现状 (14)
2 六自由度机械臂建模 (16)
2.1概述 (16)
2．2机械臂位姿描述 (16)
2．2．1 位置描述 (16)
2．2．2方位描述 (16)
2．2．3位姿描述 (17)
2．2．4 平移坐标变换 (17)
2．2．5 旋转坐标变换 (17)
2．2．6复合变换 (17)
2．2．7齐次坐标变换 (17)
2．3 六自由度机械臂建模及正运动学分析 (19)
2．3．1建立数学模型 (19)
2．3．2正运动学分析 (20)
2．3．3正运动学仿真 (23)
2．4六自由度机械臂逆运动学分析 (25)
2．4．2 逆运动学分析 (25)
2．4．2 逆运动学仿真 (29)
2．5 本章小结 (31)
参考文献 (32)
致谢 (33)
1 绪论
1.1研究的背景和意义
机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务
的机械装置?。机器人技术作为二十一世纪非常重要的技术，与网路技术、通信
技术、基因技术、虚拟现实技术等一样，属于高新技术。它涉及的学科有材料科学、控制技术、传感器技术、计算机技术、微电子技术、通讯技术、人工智能、仿生学等等很多学科口J。机械臂作为机器人最主要的执行机构，对它的研究越来越受到工程技术人员的关注。
一个机械臂系统主要包括机械、硬件和软件、算法这四个部分。到具体设计需要考虑结构设计、控制系统设计、运动学分析、动力学分析、轨迹规划研究、路径规划研究、运动学动力学仿真等部分。对于一套轻便型机械臂的研发，需要把各个部分紧密联系，互相协调设计。随着时代的进步，机器臂技术的应用越来越普及。己逐渐渗透到军事、航天、医疗、日常生活及教育娱乐等各个领域。目前实际应用的绝大多数机器臂都是固定在基座上的，它们只能固定在某一位置上进行操作，因而其应用范围多限于工业生产中的重复性工作。于是实际生产生活中迫切需要一种活动空间大，能适用于各种复杂环境和任务的可移动机器人。由于移动机器人工作空间大、运动灵活等优点．对它们的研究也是越来越多，但是这种机器人很多都是实现移动的．并没有可控制的手臂，所以没有抓取物体的功能。为了让移动机器人能够完成简单的作业，在它上面安装两只轻型服务型机械臂显的尤其必要。图1．1为德国宇航中心研制的具有视觉伺服可控机械臂的移动机器人。
。
1．2国内外机械臂研究现状
机械臂的研究最早可追溯到20世纪40年代，美国Argonne&Oak Ridge国家实验室开发了用于处理放射性物质的遥控机械操作手。1954年，美国GeorgeDevol首先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械臂。1978年．Devol的Unimation公司(现在叫Staubli Uaimation)推出通用工业机器人PUMA，标志着工业机器人技术已经完全成熟。这属于第一代机器臂．这类机器臂主要是指能以“示教一再现”方式工作的工业机器人。
智能机器人和第一代工业机器人不一样，它具有像人那样的感觉、识别、推理、判断能力，可以根据外界条件的变化，对自己的工作做相应的调整。如果修改程序的原则由人预先给以规定，这种智能机器人便是初级智能机器人，即第二代机器人。这种智能机器臂技术也逐渐成熟，走向实用。在工业生产中，许多用于组装的机器臂，便是这类机器臂。
如果智能机器人自己可以通过学习、总结经验来获得修改程序的原则，便是高级智能机器人，也就是第三代机器人。这种机器人是我们机器人学中一个理想的最高级阶段，它可以不按照人的安排，完全独立地工作．故又被称为自律机器人。目前的发展还只是相对的，在局部有这种智能的概念和含义，而真正完整意义上的这种智能机器人并不存在。但无法否定的是随着我们科学技术不断发展，智能的概念也会越来越丰富，其内涵也会越来越宽泛。
1．2．1国外机械臂研究现状
从20世纪40年代机械臂诞生到现在，已经有70多年了，随着时间的推移对机械臂的研究热度非但没有减弱，相反对它的研究是越来越深入。图1-2显示出机械臂应用的一些场合。比如：航天、喷漆、弧焊、医疗等都用到了机械臂。机械臂给我们生活带来方便的同时，也改变着我们的生活，以前必须用人完成的任务，现在一款机械臂便能出色地完成所有任务。
下面从工业机器人、空间机械臂、服务型机械臂等几类机械臂的情况来介绍国外机械臂的研究现状。
(1)工业机器人
工业机器人的发展情况，国外可分为四个阶段：
1．研制阶段
美国原子能委员会的阿尔贡研究所为了解决代替人处理放射性物质，于1947年研制遥控机械手，接着1948年又开发了电气驱动的机械式主从机械手，解决了对放射性材料的远距离操作问题。1951年，美国麻省理工学院(MIT)开发成功了第一代数控机床，与NC机床相关的控制技术及机械零部件的研究，为机器人的开发奠定了技术基础。1954年，美国人乔治-德沃尔(Devol)最早提出了工业机器人的方案，设计并研制了第一台可编程序的电气工业机器人样机，并于1961年发表了该项机器人专利。
2．生产定型阶段
20世纪60年代初美国Consolidated Control公司与Devol结合，成立了Unimation 公司。1962年定型生产了Unimate工业机器人。同时美国“机床与铸造公司”(AMF)设计制造了另一种可编程的工业机器人Versation。这两种型号的机器人以“示教再现”的方式在汽车生产线上成功地代替工人进行传送、焊接、喷漆等作业，它们在工作中表现出来的经济效益、可靠性、灵活性，使其它发达国家工业界为之倾倒。于是，Unimate和Versation作为商品开始在世界市场上销售。
3．推广应用阶段
1970年，第一次国际工业机器人会议在美国举行，工业机器人多种卓有成效的实用范例促进了机器人应用领域的进一步扩展。同时，又由于不同应用场合的特点，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现。西德Kuka公司生产了一种点焊机器人，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种
涂漆用机器人，采用示教方法编制控制程序。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。1967年，日本丰田纺织自动化公司购买了第一台Versation机器人。1968年，川崎重工业公司从美国引进Unimate机器人生产技术，开始了日本机器人发展的时代。60年代末，日本大力发展经济型的机器人。成功地把机器人应用到汽车工业、铸塑工业、机械制造业，从而大大提高了制成品的质量和一致性，形成了一定规模的机器人产业。
4．产业化、实用化、商品化阶段
随着大规模集成电路技术的飞跃发展，微型计算机性能的不断提高和普遍应用，机器人的控制性能大幅度地得到提高，成本不断下降。工业机器人进入了商品化和实用化阶段，形成了大规模化的机器人产业。80年代工业机器人技术得到了巨大发展，所开发的四大类型机器人产品(点焊、弧焊、喷漆、上下料)主要用于汽车工业。由于汽车工业装备更新的变化，工业机器人出现了暂时的相对饱和现象。随着以提高产品质量为目标的装配机器人及柔性装配线的开发成功，到1989年机器人产业又出现了转
机，首先在日本，之后在各主要工业国家又呈发展趋势。进入90年代后，装配工业机器人及柔性装配技术进入了大发展时期，由于不同用途的要求，使不同结构、不同控制方法、不同种类的机器人相继出现，又促进了机器人的发展I扣”。
现在工业机器人的厂家有很多，具有代表性有，ABB、莫托曼、Panasonic、发郏科、Adept和kuka等。下面以ABB新研制出来的IRB 6400RF机械臂为代表介绍下工业机器人现在的一些特点，如图1-3左。IRB 6400RF的到达距离为2．5 ra，承载能力为200 kg．在同类机器人中精确度最高，刚度最大，主要用于铝铸件的清理及预：bfla-等。特点是可靠性强，正常运行时间长，维护工作量降至最低。先进的运动控制功能和碰撞检测功能可显著减小工具或工件的损坏风险。速度快，采用ABB独有的控制技术机器人始终能够根据实际载荷对加速度和减速度进行优化。尽可能缩短操作周期。精度高，零件生产质量稳定。具有一流的路径跟踪精度和重复定位精度(RV=1．0mm)，配套使用ABBTrueMove功能，该机器人不论速度如何，均可保持运行路径始终不变。坚固耐用适合恶劣生产环境。采用强度很高的全钢结构。整个机械臂达到1P67级密闭性。耐高压蒸汽清洗，非常适合应用于恶劣生产环境。
如图1-3右，可以看出IRB 6400RF有六个自由度，前三个可以用做确定位置，后三个可阻用做确定姿态。这六个自由度的分配方式．是最优化的自由度分配方式，很多工业机器人都采用这种形式。后三个自由度的轴线交于一点，可以作为机械臂的手腕，这种构性的优点是它存在利于表示和计算的封闭逆解。可见工业机器人的设计比较中规中矩，一般都采用六个自由度，且构性变化不大，重要目的还是用于生产．所以对精度、速度、稳定性等因素要求很高。
(2)空间机械臂
空间机械臂是一个机、电、热、控一体化的高集成度的空间机电系统。随着空间技术的飞速发展，特别是空问站、航人飞机、空间机器人等的诞生及成功应用，空间机械臂作为在轨支持、服务的一项关键性技术己经进入太空，并越来越受到人们的关注。空间机械臂有舱内和舱外两大类。舱内机械臂通常尺寸不大、运动范围有限，主要完成舱内装配、更换部件、对漂浮物体的抓取等。舱外机械臂长从几米到十几米不等，针对不同任务的需求自由度从5个到10个不等，安装载体有航天飞机、空间站、以及小型飞行器或空间机器人。它主要完成辅助对接、目标搬运、在轨建设、摄像、对卫星等空间合作或非合作目标的捕获释放等，此外还可以作为航天员出舱活动的辅助设备。
1993年德国宇航中心研制且成功发射的小型空间机器臂系统ROTEX，它有6个自由度，安装有各类传感器和执行器，能够在Im的运动范围内进行指定的操作。目前正在进行Inspector系列自由飞行机器人的研究。最具代表性的空间机械臂是“国际空间站”的美国舱段上，由加拿大和NASA联合研制的移动服务系统(MSS)”?，如图1-4所示，它主要由一个空间站遥控操作臂系统fssRMslf长17 6m，7个自由度)和一个特殊用途的灵巧操作臂(SPDM)(长3 5m，15个自由度)组成。
此外，在咽际空间站”的俄罗斯舱和日本舱还装配了两个大型空间舱外机器人系统，即欧洲航天局资助研制的欧洲机械臂ERA(长Ilm，7个自由度)，如图1．5所示。
和同奉实验舱机械手系统JEMR／,ASI”1(长10m，6个自山度)，未端安装一个2m长的6自由度小型灵巧机械臂。除“国际空间站”的多机械臂系统外，在航天飞机上由加拿大设计的加拿大机械臂Canadarm[“1(长15m，6个自山度)，如图I-6所示，可以由宇航员在航天飞机的后甲板通过两个操纵杆进行操作，来完成从航天飞机的货舱中取出卫星并释放，协助航天员完成空间任务等工作。
可见，空间机械臂技术含量很高，对机械臂的定位精度、冗余、容错性等性能指标要求极高．国外已经研究30多年了。
(3)轻便服务型机械臂
由于机械臂技术应用的普及，很多地方都能看到它的身影，与以往不同的是，现在使用机械臂的场合发生了变化．以前的机械臂多以工业机器人为主，其工作任务和用途比较单一，一旦程序编写以后就不需要人工修改。但现在机械臂要服务于很多场合的很多任务，所以开发较为智能能应用于各种环境的轻便行机械臂变的尤其重要。如图1．7，这款机械臂既能帮人倒饮料，又能通过视觉伺服进行装配工作。
下面介绍两款当今技术比较完善的机械臂，一敖来自于瑞士苏黎世的Neuronics公司的Katana机械臂和另一款是来自于德国宇航中心的LWRIII轻便型机械臂。
1 Katana机械臂
瑞士Neurolfies公司磺新发却的机器臂Katana 1．2。这款机械臂有六个自由度，重
4kg，最大Eg／5,12Vt最大电流6A，电大功率60W，最大能够载0．5kg，定位精度±0 I rma，拉直长才0 55m。它具有一个功能强大主板，该主板提供了充足的外设接口，使得Katana很容易就能集成到任何自动化环境中去。主板采用了高端的PowerPC处理器．该处理器集成了FPU(浮点数计算单元1，2个USB主机，1个USB器件，CAN，Etllemet，2个串口以及一些标准数字I／O接口。通过板上的FPGA，还可以进一步实现其它需要的接口。主板具有实时最优的嵌入式Linux内核，使得它具备了很强的通用性及多功能性，在可连接性，可配置性，标准API可用性以及单机独立性等方面都有很好的性能。
通过Katana本地接口KNI，Katana 1 2机器手臂可以完全独立运行。基于KNI的应用程序可以下载到机器手臂上．井在机器手臂平台上直接运行，而不需要另外连接一台主机来运行。但是仍能通过标准I／O接口来与其所处的自动化环境进行交互。以上特征使得Katana l 2机器手臂具备了其它同种类机器人所不具备的单机独立性。本地程序以及应用也可以通过标准的脚本语言来获得，使得编写和运行应用程序都变得非常简单。
Katana在6关节中分别用了六个32位的TI TMS320LF2812DSP控制器，对每个电机和编码器进行控制。关节控制器采用CAN总线连接到主板，这样对于实时要求高的信息，例如碰撞检测，不再需要将信息输入到主控制器中进行循环和计算，而可以直接由每个节点的控制器来处理。它采用开源的cH语言类库控制手臂的运动，它可以完成传统的工业机器人所不可能完成的海量自定义设置。这款机械臂另一个亮点就是设计者在它的抓持器上也煞费苦心，一个抓持器上面就集成了15个传感器，包括压力，红外线传感器等，如图1_8。
2 LWRIII械臂
德国宇航中心 (DLR)的轻型机器人的设计理念是实现一种与人手臂运动冗余度相似的操作器(肩上兰个自由度，肘上一个，腕上三个)，即具有7个自由度，负重比在l：2到1：3(工业机器人约为1：20)之间，系统总重不到20kg，手臂的可达空间为1．5m。如图I-9左。
LWR上没有大量的连接电缆(不像工业机器人那样装有电子箱)，具有较高的动力学性能。由于现代机器人控制法的基础都是控制关节转矩，因此LWR的第一个碳纤维型手臂中使用了一个感应型转矩测量系统，该系统是双行星齿轮系统的一个组成部分。在一个完整的逆动力学(关节转矩)控制系统中(用了一个BP神经网学习系统用来补偿重力建模误差)使用了该系统。从控制的角度来看，DLR的轻型机械臂采用了齿轮箱及集成式转矩传感器的结构，这属于柔性关节机器人的范畴。其动力学模型可以利用拉格朗日方程来建立。在分解操作器动力学上，LWR将模型转换到一个新的坐标系中，其中关节转矩被看作是一个状态变量，而不是电机位置。这样做就可以得到了所谓的机器人动力学奇异摄动表达式。在较高的层次上，采用了一个混合学习方法得到了特别有意义的控制结果．它是基于一个能够实现转矩控制的全逆动力学模型。由于任意一个模型都不会是完美的，LWR利用BP神经网络来学习剩余的不确定因素。
LWR机械臂在力矩控制上面做了那么多工作，其中一个重要目的就是保证机械臂在运动时碰到障碍物立即朝反方向弹开。这也迎合了德国宇航中心宣扬的安全的理念．当机械臂碰到人的时候会自动的弹开，而不会伤害到人。同时德国宇航中心与哈
尔滨工业大学合作联合研发了一款多传感器的4指灵巧手，见图1．9右，灵巧手总共具有12自由度(每个手指具有3个主动自由度)，它有112个传感器，约1000个机械部件及1500个电子部件，是迄今所制作的最复杂的机器人手。其手指采用位置一力控制方式(阻抗控制)，进行重力补偿，利用适当的避碰算法防碰。其中全部驱动器都基于位置一力控制式人造肌肉，集成在手掌中或直接集成在手指中。这种手是完全模块式的，可以安装在任意一台机器人上。手指中的力传输是由特殊的腱（高分子聚乙烯）实现的。
国外的给雷机械臂虽然在各自的领域已经达到了很高的水平，基本上到达了第二代机器人所蕴涵的标准，但是比起第三代所定义的自律机器人来说还有很大的距离，研究还需要继续下去。
1.2.2 国内机械臂研究现状
我国机器人的研究和开发可追溯到六十年代，概括而言，其发展历程可以大致分为如下三个阶段。
第一阶段（1987-1993）：以三种类型五个型号机器人的研究开发为战略目标，跟踪国外机器人高技术的发展，确定了自动化领域2000年最终战略目标，其中智能机器人包括三种类型的目标产品，即智能型装配机器人、水深300米以下的无缆自治式水下机器人一集自治式移动机器人。1986年我国开展了“七五”机器人攻关计划，1987年“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。最初我国在机器人方面的研究主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，之后我国在机器人技术及应用方面取得了很大成就，主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人；北京自动化研究所1993年研制的喷涂机械臂等。
第二阶段（1993-1997）：将机器人技术渗透、应用到国民经济各行业，直接为国民经济建设服务作为这一阶段的主要战略目标，去定了一特种机器人与工业机器人及其应用并重、以应用带动机器人目标产品开发、以应用带动关键技术和应用基础研究、以应用带动系统集成技术与关键部件突破的发展方针，努力推动科技成果转化，使机器人技术的发展成为搞技术产业化的技术源头，直接为国民经济建设主战场服务。主要研究成果有北京自动化研究所完成的有缆深潜300米机器人、无缆机器人、遥控移动作业机器人等。
第三阶段（1997-现在）在继续实施第二阶段战略目标的同时，提出中国机器人事业可持续发展的新的战略目标，采取多种措施，大力加强基地与队伍建设，特别是机器人的产业化发展，积极做好“十五”与计划的衔接。主要研究成果有国防科技大圩研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华南理工大学研制的点
焊、弧焊机器人及各种机器人装配系统、哈尔滨工程大学研制的蒸汽发生器检修机械臂。
总之，国内机械臂技术跟国外的机械臂相比还有很大的差距，还需要我们投入更多的精力、人力和财力去研究。
1．3 仿真技术研究现状
仿真是近30年在系统科学、系统识别、控制理论、计算技术和控制工程等多种技术发展基础上发展起来的一门综合性很强的新兴技术。在计算机面世以前，仿真只是局限于用物理模型来模仿实际系统的物理仿真。随着计算机技术、计算方法的发展，人们建立数学模型的能力、计算机求解复杂模型的能力以及存储能力都得到了显著加强，系统仿真也逐步过渡到数字仿真，图形仿真，继而到虚拟现实。计算机成了系统仿真中不可或缺的工具。因此，计算机系统仿真就是，以计算机为工具，以相似原理、仿真技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。它集成了当代科学技术中的多种现代化顶尖手段，正在极大地扩大着人类的视野、时限和能力，在科学领域里产生着日益重要的作用。目前，计算机系统仿真已广泛地应用于航空航天、通信、交通、化工、军事、生物、医学等领域，其重要性已广为人知。
机器人的仿真研究已经成为机器人学中一个引人瞩目的领域，而机械臂三维运动仿真是机器人仿真研究中一个很重要的组成部分。机械臂仿真有各种方式，比如可以
用MATLAB，ADAMS等这些平台进行运动仿真，都能达到一定的效果。Corke P I在MATLAB平台下开发了ROBOTICS工具箱，能够通过函数实现简单的运动学仿真。曹春芳等人基于ADAMS软件对机械臂进行运动学仿真。Sok Ha Kim等人基于OpenGL图形库开发了一套机械臂仿真系统，实现了机械臂的正、逆运动学仿真。严勇杰利用Sok Ha Kim 的方法，且通过定时器，不断刷新视图，达到了动画的效果。Corke P I和曹春芳都是基于MATLAB开发平台的，想在机械臂仿真平台上扩展些新功能并不是很方便，而且显示效果也不是很好，严勇杰和Sok Ha Kim的仿真方式，有很好的移植性，虽融入了正逆运动学算法，但并没有阐述具体轨迹规划算法的实现。
2 六自由度机械臂建模
2.1概述
本章将分析六自由度机械臂的构型，建立机械臂的参考坐标系以及各关节
的坐标系，利用标准D-H参数法推导出正运动学模型，采用机器人工具箱进行
仿真。接着采用代数法推导出逆运动学模型，并进行仿真验证。这些研究是机
械臂末端轨迹规划以及反馈控制的重要基石。
2．2机械臂位姿描述
2．2．1 位置描述
建立了一个坐标系，我们就能够用某个3x1位置矢量来确定该空间内任一点的位置，对于直角坐标系{A}如图2-1所示，空间任一点P的位置可用列矢量A P= 表示，其中，P x ，P y ,P z 是点P在坐标系{A}中的三个坐标分量。我们称A P为位置矢量。
图2．1位置表示
Figure221position description
2．2．2方位描述
为了研究机器人的运动与操作，往往不仅要表示空间某个点的位置，而且要表示物体的方位。物体的方位可由某个固接于此物体的坐标系描述。为了规定空问某刚体B 的方位，设置一直角坐标系{B}与此刚体固接用坐标系{B}的三个单位主矢量X B ,Y B ,Z B相对于参考坐标系{A}的方向余弦组成的3x3矩阵：
（2-1）
来表示刚体B 相对于坐标系｛A ｝的方位。R A
B 称为旋转矩阵。式(2-1)中，上标A 代表参考坐标系{A}，下标B 代表被描述的坐标系{B}。R A
B 共有9个元素，但只有三个是独
立的。三个矢量z y
x
B
A
B
A
B
A
,
,都是单位矢量，且两两相互垂直，易知，旋转矩阵R A B
是
正交的，并且满足条件T A B A B R R =-1； 。对
应于轴x,y,z 作转角为θ的旋转变换，其旋转矩阵分别为
()????
?
??-=θθθθ
θc s s c x R 0
010
0,（2-2）
???
??
?
?-=θθθθθc s s c y R 0010
0),( （2-3） ???
?
?
?
?-=10
000),(θ
θ
θθ
θc s s c z R （2-4） 其中θs 表示θsin ，θc 表示θcos 。 2．2．3位姿描述
要完全描述刚体B 在空间中的位姿，通常将物体B 与某一坐标系{B}相固接。{B}的坐标原点一般选在物体B 的特征点上，如质心等。相对参考坐标系{A}，坐标系{B}的原点位置和坐标轴的方位，分别由位置矢量B A
P 和旋转矩阵R A B
描述。这样，刚体B 的位姿可由
坐标系{B}来描述：
{}{}B A A B P R B = （2-5）
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/d54959923.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/d54959923.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。
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
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
产品概述 RoboArm-II是博创RoboArm小型机械臂的升级产品。它是一套具有6个自由度的典型串联式小型机械臂，并配有小型手爪式电动夹持器，可用于工业机器人原理及应用教学、空间机构学、机器人动力学与运动学教学，并可作为小型机器人的执行器。 RoboArm-II主体采用高强度铝合金结构，具有6个关节自由度，最大伸展长度0.5米，最大负载0.3kg，其各个关节采用数字式伺服电机控制，总线式通讯，各个关节均具有位置、速度、电流反馈。具有完善的加减速控制和PID控制，参数可灵活调整，可轻易完成运动学正解、逆解实验，可进行人工示教。其各个关节采用高速串行总线通讯，通讯速率达1Mbps。 供电系统为12V供电，控制器采用MultiFLEX2-AVR控制器，开发环境基于Windows 和创意之星机器人套件的架构，支持图形化编程、人工示教或C语言编程。配有开发指南和实验教程，可由学生动手操作体验、完成工业机器人相关实训课程。
性能参数 项目 参数 说明 展开尺寸（长宽高） 300x250x650mm 材质 高强度铝合金 重量 机器人本体： 9.0kg (含底座) 控制柜： 5.5kg 末端典型负载 0~0.3kg 关节伺服电机 数字式一体化直流伺服电机 总线式通讯，速率1Mbps 电源容量 12VDC/最大10A 含12V/10A 交流电源适配器 末端执行器 小型电动夹持器 编程调试环境 PC 机， NorthSTAR 图形化机器人开发环境 机器人控制器 MultiFLEX2-AVR 12个I/O ，TTL 电平 8 个A/D 输入，0~5VDC 可扩展额外20个自由度的 UART 总线接口 扩展接口 2个RS-422总线接口 通讯方式 USB 或RS-232接口 文档和技术资料 DVD 光盘一张，含机器人实验指导手册、开发文档、源代码、DEMO 程序、电路图等技术资料 关节参数： 关节 说明 极限运动行程 最高速度 关节分布图 DOF1 腰部旋转 -150?~+150? 200?/s DOF2 肩部俯仰 -90?~+90? 120?/s DOF3 肘部俯仰 -90?~+90? 150?/s DOF4 腕部旋转 -150?~+150? 200?/s DOF5 腕部俯仰 -120?~+120? 180?/s DOF6 腕部倾动 -120?~+120? 180?/s 夹持器 开/合 0~60mm 200mm/s 典型应用领域 l 机电一体化专业教学实验 l 机器人运动学、动力学教学实验 l 小型机器人平台执行器 l 工业机器人入门学习和体验实训
单片机六自由度机械手控制程序 #include
void init(void); void EXT1_INT(void) { EX1=1; IT1=1; EA=1; } void EXT0_INT() { EX0=1; IT0=1; EA=1; } void EXT1_INT_SRV() interrupt 2 { i++; } //主程序 void main() { while(1) {if(k1==0) {reservo();//电机复位程序break;} } EXT1_INT();//中断初始化 if(i!=0&&i%6==0)
学号： 密级： 武汉东湖学院本科生毕业论文(设计) 三自由度并联机械手的设计 院(系)名称：机电工程学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 指导教师: 二〇一六年五月六日
郑重声明 我郑重声明：本人恪守学术道德，崇尚严谨学风，所呈交的学术论文是本人在老师的指导下，独立进行研究工作所取得的结果。除文中明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何他人已经发表和撰写过得内容。论文为本人亲自撰写，并对所写内容负责。 本人签名： 日期：2016年5月7号
摘要 随着机器人技术的快速发展，并联机械手的应用领域越来越广，已成为当今机器人领域新的研究热点。针对并联机械手机构比传统串联机械手更复杂的问题，本文以一种轻型高速的三自由度Delta 并联机械手为例，在完成其运动学的基础上，对并联机械手进行了建模以及装配。 首先，本文介绍了三自由度并联机械手机构的工作原理，并对其进行了运动学分析。其中，对机构的自由度进行的计算，采用几何法求得了其运动学正解以及其运动学逆解。其次，对机构进行了速度模型及雅克比矩阵的分析。实现了solidworks对机构的零部件与装配图三维建模。最后，通过个零部件的配合，实现了三自由度并联机械手的装配。 关键词：并联机械手；三自由度；3D建模
ABSTRACT With the rapid development of robot technology, parallel manipulator used more and more widely, has become the hot spot in the field of new robots today. In view of the parallel manipulator mechanism more complex than the traditional serial manipulator problem, based on a lightweight high-speed three degree of freedom parallel manipulator as an example, the Delta at the completion of its kinematics, on the basis of the parallel manipulator has carried on the modeling and assembly. First, this paper introduces the working principle of three degrees of freedom parallel manipulator mechanism, and carries on the kinematics analysis. Among them, the institution of degree of freedom for the calculation of geometric method is used to obtain the positive kinematics solution and its inverse kinematics solution. Second, the institutions for the velocity model and the Jacobi matrix analysis. Implements the solidworks for spare parts and assembly drawing 3 d modeling of the organization. Finally, by a spare parts, implements the three degree of freedom parallel manipulator assembly. Keywords: Parallel manipulator；Three degrees of freedom；3D modeling
毕业设计说明书 CS 类6自由度机械臂的建模与仿真 学生姓名： 学号： 学 院： 系 名： 专 业： 指导教师： 2015 年 6 月 自动控制系 电气工程及其自动化
摘要： 机械臂作为机器人最主要的执行机构，对于它的研究有着重要的意义。机械臂系统包括机械、硬件、软件、算法这四个部分。各个部分都是紧密相联，需要互相协调来设计的。 采用标准的D．H建模方法，建立了机械臂的数学模型。对机械臂的正运动学进行了分析，采用解析法对关节角进行解耦运算，推导出了逆运动学的封闭解析解，并采用功率最省做为性能指标，确定了唯一解。使用基于Matlab平台下的Robotics Toolbox机器人工具箱对推导过程的正确性进行了验证与仿真。 关键字：机械臂运动学模型仿真 Abstract: As the most important robot manipulator, robot arm has important significance for its research.. The mechanical arm system includes four parts: machinery, hardware, software and arithmetic.. Each part is closely related, need to coordinate to design. The mathematical model of the manipulator is established by using the standard D.H method.. The manipulator kinematics were analyzed on joint angle decoupling operation by using analytical method derived closed analytical solution of the inverse kinematics, and the power of the province to do as the performance index to determine the uniqueness of the solution. The correctness of the process is verified by using the Toolbox Robotics robot toolbox based on the Matlab platform.
六自由度机器人结构设计、 运动学分析及仿真 学科：机电一体化 姓名：袁杰 指导老师：鹿毅 答辩日期： 2012.6 摘要 近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获 得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此 研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义 的。 典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在 生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合项 目的要求，设计了一种小型的、固定在AGV 上以实现移动的六自由度串联机器人。 首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择
其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D-H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解；用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度；然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析，作出了实际工作空间的轴剖面。这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。最后用ADAMS 软件进行了机器人手臂的运动学仿真，并对其结果进行了分析，对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了 经验。 第1 章绪论 1.1 我国机器人研究现状 机器人是一种能够进行编程，并在自动控制下执行某种操作或移动 作业任务的机械装置。 机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及 人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发展最活跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。 我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要
学士学位毕业论文（设计） 基于SolidWorks六自由度焊接机械手三维运动模拟 学生姓名： 学号： 指导教师： 所在学院：工程学院 专业：机械设计制造及其自动化
摘要 本文以六自由度焊接机械手部的三维运动仿真为背景。介绍了国内外焊接机器人的发展状况并着重分析了六自由度焊接机械手运动原理和三维制图软件SolidWorks的应用，在此软件基础上对手部进行了绘制，运动分析和动画模拟。对于SolidWorks制图软件主要介绍了其产生和发展的历史以及应用前景，具体介绍了零件三维制图的操作方法和运动过程，展示了SolidWorks强大的运动仿真功能。重点分析了六自由度机械手的三维建模和建模后运动轨迹规划的实现 关键词：SolidWorks ; cosmosmotion ; 三维运动模拟; 动画模拟
Abstract In this paper, welding robot of six degrees of freedom of hand motion simulation for the three-dimensional background. Welding robot at home and abroad and focus on the development of analysis of the welding robot of six degrees of freedom of hand movement and three-dimensional mapping principle SolidWorks software applications based on this software in the department of drawing opponents, motion analysis and animation simulation. Mapping software for SolidWorks introduces the emergence and development of its history and application specific parts introduced the method of operation of three-dimensional graphics and motion simulation of the operation of plug-ins COSMOSMotion process, demonstrated the powerful movement SolidWorks simulation. Analysis focused on the six degrees of freedom robot arm modeling of three-dimensional modeling and trajectory planning, after the realization of Key words::SolidWorks ; cosmosmotion ; simulation of 3D motion ; Animated Simulation