工业机器人运动建模与位姿求解-毕业论文

机械臂的运动学分析综述前言随着工业自动化的发展，机械臂在产业自动化方面应用已经相当广泛。

机械臂在复杂、枯燥甚至是恶劣环境下，无论是完成效率以及完成精确性都是人类所无法比拟的，也因此，机械臂在人类的生产和生活中发挥着越来越重要的作用。

自从第一台产业用机器人发明以来，机械臂的应用也从原本的汽车工业、模具制造、电子制造等相关产业，向农业、医疗、服务业等领域渗透。

按照不同的标准，机器人分类方法各异。

操作性与移动性是机器人最基本的功能构成[1]。

根据机器人是否具有这两个能力对机器人进行分类，可以把机器人大体分为三大类：（1）仅具有移动能力的移动机器人。

比如Endotics医疗机器人、Big Dog、PackBot，以及美国Pioneer公司的研究型机器人P2-DX、P3-DX、PowerBot 等。

（2）仅具有操作能力的机械臂。

比如Dextre、PUMA560、PowerCube机械臂等。

（3）具有移动和操作能力的移动机械臂系统。

如RI-MAN、FFR-1、以及勇气号火星车等[2]。

机械臂作为机器人最主要的执行机构，工程人员对它的研究也越来越多。

在国内外各种机器人和机械臂的研究成为科研的热点，研究大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

机械臂或移动车作为机器人主体部分，同末端执行器、驱动器、传感器、控制器、处理器以及软件共同构成一个完整的机器人系统。

一个机械臂的系统可以分为机械、硬件、软件和算法四部分。

机械臂的具体设计需要考虑结构设计、驱动系统设计、运动学和动力学的分析和仿真、轨迹规划和路径规划研究等部分。

因此设计一个高效精确的机械臂系统，不仅能为生产带来更多的效益，也更易于维护和维修。

机器人运动学建模与控制技术研究1. 引言机器人技术在现代社会得到了广泛应用，从工业生产到日常生活，人们可以看到机器人的身影。

机器人的运动能力是其核心功能之一，而机器人运动学建模和控制技术则是实现机器人精准运动的基础。

本文将探讨机器人运动学建模与控制技术的研究进展和应用前景。

2. 机器人运动学建模机器人运动学是研究机器人空间位置和位姿变换的科学，它主要包括正运动学和逆运动学两个方面。

正运动学问题是通过给定机器人各关节角度，计算机器人末端执行器的位置和姿态。

逆运动学问题则是通过给定机器人末端执行器的位置和姿态，计算机器人各关节角度。

机器人运动学建模的目的是建立机器人的运动学模型，从而方便运动控制的实现。

基于联立方程和几何关系的方法是进行机器人运动学建模的主要手段之一。

通过联立方程可以解决机器人的运动约束问题，包括各关节角度之间的约束关系。

几何关系则通过描述机器人关节的旋转和位移，推导出机器人末端执行器的位置和姿态。

此外，还有基于仿真和实验的方法，通过计算机仿真和实际测量来获取机器人运动学参数，用于建模。

3. 机器人运动控制技术机器人运动控制技术的目标是实现机器人运动的精准控制，使其能够按照预定轨迹和速度进行运动。

运动控制技术涉及到机器人的轨迹规划、路径规划和运动控制器设计等方面。

轨迹规划是指确定机器人末端执行器的运动轨迹，使其在特定时间内按照要求进行运动。

常见的轨迹规划方法有直线插补和圆弧插补，通过插补算法可以实现机器人的平滑运动。

路径规划则是确定机器人在空间中的运动路径，通常是在已知环境中进行的。

路径规划算法可以分为全局路径规划和局部路径规划两种。

全局路径规划通过分析整个环境的信息，找出最佳路径。

局部路径规划则是机器人在运动过程中根据实时感知信息进行调整，避免碰撞和避障。

运动控制器设计是机器人运动控制的核心任务。

常见的控制器包括PID控制器、模糊控制器和神经网络控制器等。

PID控制器是最经典的运动控制器之一，通过调节比例、积分和微分参数来实现控制。

工业机器人运动学建模随着科技的不断发展，工业机器人已经成为了工业制造业中不可或缺的一部分。

工业机器人是一种用于执行重复工作，处理危险或者需要高精度的工业任务的机器设备。

它们通常被用于生产、装配、材料输送、品质检查和测试等。

由于工业机器人具有高效性、精准度、可靠性等优点，因此它们已被广泛应用。

为了正确指导和控制工业机器人的运动，必须先对它们的运动学建模进行深入的研究。

运动学建模是描述机器人运动的数学模型，它是工业机器人系统工程的基础。

本文将介绍工业机器人运动学建模，以及相关的数学模型和计算方法。

1. 工业机器人运动学模型工业机器人可以分为多个自由度，每个自由度可以描述机器人位姿中的一种运动。

位姿是描述物体在三维空间中的位置和方向的量。

通常的自由度分类有以下三种：旋转自由度：机器人可以绕着某个轴旋转。

平移自由度：机器人可以沿着某个轴平移。

绕某点移动：机器人可以绕着某个点旋转和平移。

尽管存在不同类型的工业机器人，但绝大部分机器人的运动学模型都可以简化为一个连续的链式体系结构，每个关节提供一定的自由度。

根据这个链式体系结构，可以建立机器人的运动学模型。

工业机器人的运动学模型描述了机器人末端执行器的位置和方向。

末端执行器是机器人的工具，可以被看作是机器人控制的重点。

通过运动学模型，可以计算末端执行器在三维空间中的位置坐标和姿态（即机器人的位姿），以及机器人个关节的角度。

这样，就可以为机器人的控制提供重要的基础。

在运动学模型中，角度和位移量通常用关节角度变量表示。

2. 度量单位为了描述机器人的运动学模型，需要使用一些特殊的度量单位。

在这里，我们将介绍一些描述机器人位姿和运动学模型的常用单位。

角度（Angle）：以度（°）和弧度（rad）作为两个常用的角度单位。

机器人操作通常使用弧度来度量角度。

距离（distance）：通常以米（m）为测量单位。

其他可能使用的度量单位有：毫米（mm）、微米（um）和纳米（nm）等等。

机器人运动学建模与路径规划算法研究随着科技的不断进步，机器人技术在现代社会中扮演着越来越重要的角色。

机器人运动学建模与路径规划算法作为机器人领域中的重要研究方向，日益受到关注和重视。

本文将探讨机器人运动学建模的原理和路径规划算法的研究进展，为读者提供全面的了解。

一、机器人运动学建模机器人运动学建模是指根据机器人的运动规律和结构特点，建立相应的运动学模型。

它可以帮助我们理解机器人的运动过程，为后续路径规划算法的设计提供基础。

1. 机器人坐标系机器人坐标系是机器人运动学建模的基础。

常见的机器人坐标系有笛卡尔坐标系、关节空间坐标系等。

通过定义坐标系的原点和坐标轴方向，可以确定机器人的位置和姿态。

2. 运动学链的建模机器人通常由多个运动学链组成。

每个运动学链由关节连接而成，关节通过转动来实现机器人的运动。

运动学链的建模主要包括关节参数的确定、坐标变换的推导等。

通过建立运动学链的模型，我们可以确定机器人关节的运动方程。

3. 位姿变换位姿变换是机器人运动学建模中的重要内容。

它描述了机器人从当前位置变换到目标位置的过程。

位姿变换可以通过旋转矩阵和平移向量来表示，从而实现机器人的运动描述和控制。

二、路径规划算法研究路径规划算法是指根据机器人的运动学模型和环境信息，确定机器人的合理运动路径，以达到特定目标。

路径规划算法的研究是机器人自主导航和操作的核心内容之一。

1. 全局路径规划算法全局路径规划算法通过在机器人工作空间中搜索最优路径来实现机器人的移动。

常用的全局路径规划算法有A*算法、Dijkstra算法等。

这些算法从起点到目标点之间搜索最短路径，通过对路径进行优化，实现机器人的高效移动。

2. 局部路径规划算法局部路径规划算法是指在机器人的当前位置附近搜索合适的路径来规避障碍物。

常见的算法有势场法、最小曲率法等。

这些算法通过在机器人周围建立势场或利用曲率最小的路径规划方式，实现机器人的灵活避障和平滑移动。

3. 路径优化算法路径优化算法是对已有路径进行进一步优化，提高机器人的路径规划效果。

工业机器人运动学建模与仿真研究随着现代制造业的飞速发展，工业机器人已成为自动化生产过程中不可或缺的一部分。

为了提高生产效率，优化机器人性能，需要对工业机器人的运动学进行深入的研究。

本文将探讨工业机器人运动学建模与仿真的研究现状、方法、结果及未来展望。

工业机器人的运动学研究主要集中在对其结构、运动规律及操作物体的几何关系等方面。

通过对工业机器人运动学的研究，我们可以对机器人的末端执行器在空间中的位置和姿态进行精确控制。

运动学建模与仿真研究还对机器人性能的提升、运动优化以及避免碰撞等方面具有重要意义。

目前，工业机器人的运动学建模方法大致可分为两类：基于几何的方法和基于物理的方法。

基于几何的方法主要依据机器人各关节的几何关系进行建模，如DH参数模型、运动学逆解等。

这类方法计算简单，易于实现，但往往忽略了一些动力学因素的影响，导致精度较低。

基于物理的方法则更多地考虑了机器人运动过程中的动力学特性，如牛顿-欧拉方程、杰格方程等，能够更精确地描述机器人的运动过程，但计算复杂度较高。

本研究采用基于几何的运动学建模方法和仿真实验相结合的方式进行。

根据DH参数模型对工业机器人进行运动学建模，得到机器人的运动学方程。

然后，通过仿真实验对运动学模型进行验证和优化，进一步调整模型参数以提高精度。

利用遗传算法对模型参数进行优化，实现更高效、精确的机器人控制。

通过对比仿真实验结果与实际机器人运动情况，我们发现运动学建模具有较高的准确性，能够较精确地描述机器人的运动学特性。

同时，仿真实验结果也验证了所提方法的可行性和有效性。

通过遗传算法对模型参数进行优化，我们成功地提高了机器人的运动精度和稳定性。

我们还讨论了所提方法的可靠性和创新性。

本研究所采用的方法在保证精度的同时，简化了计算过程，提高了运算效率。

同时，该方法还具有较强的通用性，可适用于不同型号、类型的工业机器人。

因此，本研究的可靠性和创新性得到了充分验证。

本文对工业机器人运动学建模与仿真进行了深入研究，取得了一些重要的研究成果。

机器人运动学问题建模与分析一、引言随着科技的不断进步，机器人已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。

从工业制造，到医疗教育，机器人的应用领域越来越广泛。

作为一名机器人学的学生，我对机器人的运动学问题建模与分析有着浓厚的兴趣。

本文将分享我在这一领域的一些学习心得和思考。

二、机器人运动学模型机器人的运动学研究的是机器人在空间内的运动规律和运动轨迹，以及机器人的位置、方向和速度等参数。

建立机器人运动学模型，可以精确描述机器人的运动状态和姿态，为机器人的控制和运动规划提供依据。

1.正逆运动学模型正逆运动学模型是机器人运动学模型的重要组成部分。

正运动学模型用于计算机器人从关节位置到工具位姿之间的转化关系，反之，逆运动学模型则用于计算机器人从工具位姿到关节位置之间的转化关系。

这两个模型可以互相补充，在机器人控制和规划中起着重要的作用。

2.跨越模型机器人的运动学问题除了正逆运动学之外，还涉及到其它诸如路径规划、障碍物避让等问题。

跨越模型主要研究的是机器人如何跨越不同形状的障碍物。

通过建立合适的模型，可以实现机器人在复杂环境下的自主运动。

三、机器人运动学问题的解决方法机器人运动学问题的解决方法主要包括符号计算、数值计算、仿真和实验验证等。

下面将分别进行阐述。

1.符号计算符号计算是机器人运动学问题解决的传统方法之一。

它的特点是用符号表示出运动学方程，通过计算符号表达式来求解。

这种方法适用于解决较为简单的机器人运动学问题，但其计算量较大，难以处理复杂的非线性运动方程。

2.数值计算数值计算是一种相对快速、准确的方法。

它的特点是将运动学问题转化为计算机可以处理的数值问题，通过数值计算求解。

数值计算方法适用于高维度、非线性、复杂的机器人运动学问题，但求解速度较慢，存在精度误差等问题。

3.仿真方法仿真方法是一种基于计算机的模拟方法，主要用于对机器人的动态运动过程进行模拟。

它的特点是可以快速地获得机器人的运动信息和姿态，对于机器人的那些不易测量的参数也有着良好的处理能力。

工业机器人位姿位置系统分析1、工业机器人运动系统概述运动学是机器人运动系统的基础，机器人运动学主要是机器人在坐标系中各个坐标系之间的关系，机器人在运动中位置状态与各坐标系之间的关系。

运动学问题分为正运动学和逆运动学两种，正运动学是指根据各关节的位置和状态，求机器人末端的位姿状态；逆运动学则是指根据机器人末端的位姿状态，求各关节的位置和状态。

运动学问题是机器人的静态问题，在分析过程中，没有设计速度和加速度的问题，要进行控制器的设计，就必须进行动力学的分析。

工业机器人的控制问题从控制本身来说，就是一个针对于机器人动力学的控制问题。

因此，理论上说，如果可以建立工业机器人精确的动力学数学模型，在模型基础上设计控制算法就可以对机器人进行精确控制。

但是工业机器人是复杂的、耦合的、非线性的，想要获得机器人的精确动力学数学模型是不可能的。

因此，通过对PUMA 560的动力学分析，进行模型简化是必要的。

机器人动力学常用方法有拉格朗日法、牛顿欧拉法。

机器人轨迹规划也是机器人运动系统问题中的一个重要方面。

在实际应用中，选择合适的轨迹规划可以使机器人平滑、稳定得运动，减少运动过程中，冲击与震荡对机械部件的磨损。

2、工业机器人运动系统位姿描述机器人整体结构一般由多个连杆组成，这些连杆通过转动关节或者移动关节连接。

机器人位姿指的是机器人在某一时刻各个关节连杆所处的位置和姿态[34]。

为分析各关节连杆在某一时间的不同姿态，常用的分析方法是在每个连杆设置一个坐标系，连杆位置可以表示成坐标中的矢量坐标。

而操作空间则一般由设在基座上的坐标系表示，各连杆相对于操作空间的坐标表示即是关节的姿态。

所以，各关节之间的位置、速度变化和关节连杆的位姿变化相当于各关节坐标系之间的变化和各关节坐标系相对于操作空间的变化，而各种变化则都可以分解为平移和旋转这两个变换。

2.1 位置和姿态的变换图2.1 平移坐标变换假设平行移动的两坐标系如图2.1所示，为表述方便，将坐标轴为XYZ 的坐标系称为坐标系{0}，坐标轴为X 1Y 1Z 1的坐标系称为坐标系{1}。

机器人运动控制的建模与仿真分析近年来，随着机器人技术的飞速发展，机器人在工业、医疗、农业等领域的应用越来越广泛。

而机器人的运动控制是实现其精准操作和灵活性的关键技术。

为了提高机器人的运动控制效果，研究人员开始借鉴生物学中的动物运动控制原理，并进行建模与仿真分析。

一、机器人运动控制的建模方法在机器人运动控制的建模中，最常用的方法之一是基于数学模型的建立。

通过对机器人的结构和运动学特性进行详细分析，可以推导出机器人的动力学方程和运动学方程。

这些方程可以描述机器人在运动过程中的行为和力学特性，为后续的控制算法和仿真分析提供理论基础。

此外，还有基于仿生学的建模方法。

仿生学是指借鉴生物学中的生物结构、功能和行为，将其应用到工程领域。

在机器人运动控制中，通过分析动物运动的生物学原理，可以得到一些关键的启示，例如神经网络控制、反馈调节机制等。

这些启示可以帮助我们改进机器人控制算法，提高机器人运动的自适应性和鲁棒性。

二、机器人运动控制的仿真分析在机器人运动控制的仿真分析中，常用的方法包括数值模拟和虚拟实验。

通过建立机器人的数学模型，利用计算机来模拟机器人在特定环境下的运动行为和力学特性，可以更好地评估机器人运动控制方案的可行性和效果。

数值模拟是一种基于数学模型的仿真方法，通过对机器人的动力学方程和运动学方程进行数值求解，可以得到机器人在不同场景下的运动轨迹和动力学性能。

这一方法可以帮助工程师们在实际制造机器人之前，对其进行系统性能测试和优化设计，从而减少实际试验的时间和成本。

虚拟实验是一种在计算机环境下进行的仿真实验，通过建立机器人的虚拟模型和环境模拟，可以模拟真实场景下机器人的运动行为和环境交互效果。

这一方法可以帮助工程师们快速验证机器人控制算法的有效性和鲁棒性，为实际应用提供重要参考。

三、案例分析：机器人协作运动控制机器人协作是近年来机器人领域的热门研究方向之一。

机器人协作运动控制的目标是实现多机器人之间的协调运动和合作操作，以完成复杂的任务。

工业机器人位姿误差建模与仿真作者：黄晨华， 张铁， 谢存禧作者单位：华南理工大学,机械与汽车工程学院,广东,广州,510640刊名：华南理工大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF SOUTH CHINA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：2009，37(8)被引用次数：0次1.Roth Z S,Mooring B W,Bahram R.An overview of robot calibration[J].IEEE Journal of robotics and automation,1987,3(5):377-385.2.Elatta A Y,Li P G,Fan L Z,et al.An overview of robot calibration[J].Information Technology Journal,2004,3(1):74-78.3.Zhuang H,Wang K,Roth Z S.Simultaneous calibration of a robot and a hand-mounted camera[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation,1995,11(5):649-660.4.Zhuang H,Wu W C,Roth Z S.Camera-assisted calibration of SCARA Arms[J].IEEE Robotics and Automation Magazine,1996,3(4):46-52.5.叶声华,王一,任永杰,等.基于激光跟踪仪的机器人运动学参数标定方法[J].天津大学学报,2007,40(2):202-205.Ye Sheng-hua,Wang Yi,Ren Yong-jie,et al.Calibration of robot kinematic parameters based on laser tracker[J].Journal of Tianjin University,2007,40(2):202-205.6.任永杰,邾继贵,杨学友,等.利用激光跟踪仪对机器人进行标定的方法[J].机械工程学报,2007,43(9):195-200.Ren Yong-jie,Zhu Ji-gui,Yang Xue-you,et al.Method of robot calibration based on lasertracker[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2007,43(9):195-200.7.Ziegert J,Datseris P.Basic considerations for robot calibration[C]∥ Proceedings of 1988 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Philadelphia:[s.n.],1988:932-938.8.Mooring B,Roth Z S,Driels M.Fundamentals of manipulator calibration[M].New York:John Wiley & Sons,Inc,1991:23-67.9.Paul R P.Robot manipulators:mathematics,programming,and control[M].London:The MIT Press,1981.1.学位论文张超群工业机器人运动学性能测试与几何参数识别理论的研究1998该论文在全面分析了工业机器人性能测试技术与评价理论及机器人实际几何参数标定理论的研究及发展现状的基础上,对机械随动式工业机器人运动学性能测试仪及其相关基本理论和工业机器人实际几何参数识别理论进行了深入细致的研究.2.学位论文南小海6R型工业机器人标定算法与实验研究2008现今机器人厂家生产的机器人其重复定位精度比较高，而绝对定位精度却很低。

机器人运动学建模与仿真技术在当今科技飞速发展的时代，机器人技术的应用日益广泛，从工业生产中的自动化装配线到医疗领域的微创手术机器人，从太空探索中的火星车到家庭服务中的智能机器人，机器人已经成为我们生活和工作中不可或缺的一部分。

而机器人运动学建模与仿真技术作为机器人技术的重要基础，对于机器人的设计、控制和优化具有至关重要的意义。

机器人运动学主要研究机器人各个关节的运动与机器人末端执行器位姿之间的关系。

通过建立数学模型，可以准确地描述机器人的运动规律，为机器人的控制和规划提供理论依据。

运动学建模的方法主要有两种：正向运动学和逆向运动学。

正向运动学是已知机器人各个关节的角度或位移，求解末端执行器的位姿。

这就好比我们知道了人的各个关节的弯曲程度，就能推测出手指能够到达的位置。

对于一个具有 n 个关节的机器人，其正向运动学可以通过一系列的齐次变换矩阵来表示。

这些矩阵描述了从机器人的基座坐标系到末端执行器坐标系的变换过程。

通过依次相乘这些矩阵，就可以得到末端执行器在基座坐标系下的位姿。

逆向运动学则是已知末端执行器的位姿，求解各个关节的角度或位移。

这就像是给定了手指要到达的位置，反推人的各个关节应该如何弯曲。

逆向运动学的求解通常要比正向运动学复杂，因为可能存在多解或者无解的情况。

在实际应用中，常常需要根据具体的约束条件和优化目标来选择合适的解。

在建立了机器人的运动学模型之后，就可以利用仿真技术对机器人的运动进行模拟和分析。

仿真技术可以帮助我们在实际制造和运行机器人之前，对机器人的性能进行评估和优化，从而降低成本、提高效率、减少风险。

机器人运动学仿真通常包括几何建模、物理建模和运动控制建模三个方面。

几何建模是构建机器人的三维几何形状，使其在虚拟环境中具有逼真的外观。

物理建模则考虑机器人的质量、惯性、摩擦力等物理特性，使仿真结果更接近实际情况。

运动控制建模则是根据建立的运动学模型，编写控制算法，实现对机器人运动的精确控制。

工业机器人毕业论文六篇工业机器人毕业论文范文1关键词: 本科毕业论文指导试验员化工化学类毕业论文试验角色转变本科毕业论文是本科生教育的一个综合性科学实践教学环节,也是同学在校学习期间学习成果的综合性总结,是整个教学活动中不行缺少的重要环节。

对理工科尤其是化学化工学科而言,毕业论文试验又是毕业论文工作的一个重要内容,它是培育同学综合运用所学学问和技能,理论联系实际,独立分析,解决实际问题的力量,以及训练专业科学讨论思维与方法的重要环节[1]。

化学化工类毕业论文试验是一种综合性的设计试验,不同于单学科试验。

在整个试验过程中,理论学问和试验内容、方法往往涉及多个学科,需要同学把所学学问有机地结合起来,才能很好地理解、把握,这样就对论文指导提出了更高的要求[2]。

然而,随着高校办学规模的扩大,招生人数的增加,毕业论文指导老师原来就有比较繁重的本科生、讨论生教学与科研任务,有限的精力使得他们对毕业生试验的指导和管理常常不能到位,“带而不管、管而不力”的现象时有发生[3]。

而且,同学还有可能由于试验室条件以及仪器、药品、耗材等不能到位,对试验过程拖拖拉拉,同学的侥幸心理、畏难心情等也会影响同学毕业论文的质量。

此外,当前毕业论文指导工作量的安排问题,势必会影响试验员的工作乐观性,不利于毕业论文试验的顺当开展。

因此,在毕业论文完成过程中,如何定位试验员的角色,发挥他们在试验室工作的优势,更好地服务本科毕业论文,提高毕业论文和人才培育质量,也将成为毕业论文教学改革讨论的话题。

以下就本科毕业论文指导中试验员所扮演的角色进行探讨。

1.做好试验资源规划师,实现试验资源合理利用和资源共享近年来随着招生规模的扩大,毕业论文完成期间,进入试验室开展试验的同学人数相应增加,势必会造成试验室用房和仪器设备以及药品耗材等的紧急。

因此,试验室管理人员,必需统筹规划,做好一名规划师,使试验室资源利用最大化,优势资源有效共享,保障同学毕业论文试验的正常开展。

工业机器人运动学建模与优化工业机器人作为现代制造业中不可或缺的重要设备，其运动学建模与优化显得尤为重要。

运动学建模是指将工业机器人在运动过程中的姿态、速度、加速度等运动参数进行数学描述，从而实现控制、规划、仿真等多方面的优化。

而运动学优化则是在前者的基础上，利用数学优化方法对建模结果进行进一步的优化，以达到更好的运动性能和效率。

一、工业机器人运动学建模在工业机器人中，常见的运动参数包括位置（坐标）、姿态（欧拉角或四元数）、速度、角速度、加速度、角加速度等。

对工业机器人的运动进行建模，主要有两种方法：一是牛顿-欧拉公式法，它是利用牛顿定律和欧拉定理建立机械手臂的运动方程。

二是严格控制方法，它是利用控制方法，精确地控制机械手臂的运动。

无论采用哪种方法，机械手臂的运动都可以用运动学方程进行描述，即：(p,R)=(x,y,z,α,β,γ)；(v,w)=(Vx,Vy,Vz,Wx,Wy,Wz)，p表示位置，R表示姿态，v表示线速度，w表示角速度。

其中，位置和姿态可以用欧拉角或四元数来表示，速度和角速度可以用三维向量或所谓的6个度自由度向量表示。

运动学方程可以用矩阵的形式进行描述，方程中包含了机械臂的基本构型参数、驱动参数、杆长和质量等因素，是机械臂仿真、规划和控制的基础。

二、工业机器人运动学优化工业机器人在运动时，性能的优化是至关重要的。

其中，优化目标可以包括：运动速度、精度、姿态、抗干扰能力等多个方面。

因为机器人在运动时受到多种因素的影响，如重力、惯性、摩擦等，因此要达到优化目标，必须采取多种方法，包括：1. 系统优化：针对机器人的结构和性能进行全面的优化，包括机架、电机、传动系统等多个方面。

在此基础上，进行机器人的运动学建模和控制。

2. 运动规划优化：运用数学优化方法，对机器人运动规划进行优化。

运动规划是指机器人的轨迹规划，包括匀速、加速、减速等多个方面。

优化的目标包括轨迹的平滑、精度、速度、效率等多个方面。

收稿日期:2000210230.作者简介:石广田(19622),男,教授,博士研究生. 文章编号:045522059(2001)022*******工业机器人运动车体位姿计算方法研究石广田1,俞焕然1,李重庵1,朱常琳2(1.兰州大学物理科学与技术学院力学系,甘肃兰州　730000;2.兰州铁道学院机械系,甘肃兰州　730070)摘要:介绍了工业机器人视觉导航中的运动车体位姿的计算方法,论述了车体坐标系和摄像机坐标系之间的变化关系,推导出了车体坐标系和摄像机坐标系之间的变换矩阵,并进行了实验.通过实验确定了实验方案中的目标物体的位置和摄像机的运动参数,为实验中所使用的轮式移动机器人的运动导航打下了基础.确定了工业机器人小车相对于目标的位姿,就可以为移动车体提供导航与定位的依据.关键词:机器人;导航与定位;位姿;变换矩阵中图分类号:T P 242.2 文献标识码:A工业机器人的视觉导航与定位在机械制造自动化中有着重要意义.确定了机器人小车相对目标的位姿,移动车体的导航与定位就有了依据[1,2].附图　坐标系统F ig .　Coo rdinate system 1　坐标系统的建立如附图所示,以目标体几何中心为原点建立坐标系(X w ,Y w ,Z w ),以摄像机的投影为基础建立摄像机坐标系(X c ,Y c ,Z c ),以车体后轮轴中心为原点建立车体坐标系(X t ,Y t ,Z t ).它们之间的关系可以用旋转矩阵R 与平移向量t 来描述.空间一点P 在3个坐标系下的齐次坐标分别为(x w ,y w ,z w ,1)T ,(x t ,y t ,z t ,1)T 和(x c ,y c ,z c ,1)T ,下标w表示世界坐标系,下标t 表示车体坐标系,下标c 表示摄像机坐标系.各坐标系之间的关系分别为x ty tz t 1=R t-w t t-w 0T1x w y w z w 1=M t-w x w y w z w 1,(1)x cy cz c 1=R c-t t c-t 0T 1x t y t z t 1=R const t const 0T 1x t y t z t 1=M c-t x t y t z t 1.(2)第37卷第2期2001年4月兰州大学学报(自然科学版)Jou rnal of L anzhou U n iversity (N atu ral Sciences )V o l .37N o.2A p r .2001因为车体与摄像机之间的位置相互固定,所以,R c-t =R const ,t c-t =t const ,Mc-t =M const .xcy cz c 1=M c-t x t y t z t 1=M c-t M t-w x w y w z w 1=M const M t-w x w y w z w 1=M c-w x w y w z w 1,(3)即,摄像机坐标系与世界坐标系存在如下变换关系x cy cz c1=R t 0T 1x w y w z w 1=M x w y w z w 1.(4)式中:R t-w ,R c-t ,R 为3×3旋转矩阵;t t-w ,t c-t ,t 为三维平移向量;0=(0,0,0)T ,M t-w ,M c-t ,M 为4×4的矩阵.由M =M c-w =M const M t-w 可知,M ,M const 求出后,M t-w 可以被确定.而M t-w 正是所要求的车体位姿信息.2　摄像机坐标系与车体坐标系之间的变换矩阵的计算要求出R t-w ,关键是要求出M const ,即摄像机坐标系与车体坐标系之间的变换矩阵M c-t .目标物体相对于摄像机坐标系的位置可用摄像机标定方法求得.用A ,B ,C ,D ,X 表示4×4矩阵,分别描述某两个坐标系之间的相对方位.如果这两个坐标系之间的相对方位由旋转矩阵R a 与平移向量t a 描述(下标a 表示矩阵的名称),则A =R a t a0T 1.通过摄像机标定方法可以求得摄像机的外参数(摄像机与目标物体的相对方位).将实验小车运动前、后两个位置的摄像机外参数用A 与B 表示.用C 表示实验小车摄像机坐标系运动前后的相对方位,则C =AB -1.用D 表示实验小车车体坐标系运动前后的相对方位,它可以测量出来,因此是已知参数.用X 表示摄像机和运动车体坐标系之间的相对方位.设空间某点P 在摄像机和运动车体坐标系中运动前后的坐标分别为P c1,P c2,P t1,P t2,则有如下关系P c1=CP c2,(5)P c1=X P t1,(6)P t1=D P t2,(7)P c2=X P t2.(8)由式(5)与(8)得P c1=CX P t2,(9)由式(6)与(7)得P c1=XD P t2,(10)比较式(9)与(10)得到CX =XD .(11)式(11)就是系统的基本方程式,其物理依据就是实验小车移动前后与摄像机的相对位置X 不变.式(11)中,X 是待求参数,C 由两次摄像机定标的外参数得到,因此,C 和D 均是已知参数.如果将式(11)中的各4×4矩阵分别用相应的旋转矩阵与平移向量写出,则式(11)可写成R c t c 0T1R t0T1=R t 0T 1R d t d0T 1.(12)35第2期 石广田等:工业机器人运动车体位姿计算方法研究 展开上式得R c R=RR d,(13)R c t+t c=R t d+t,(14)需求解的是R与t.由于R c=RR d R-1,所以R c与R d是相似矩阵,有相同的特征值.由于旋转矩阵的特征值由旋转角惟一确定,所以R c与R d所定义的旋转角必然相等.若将旋转角记作Η,则将式(13)写成R c(k c,Η)R=RR d(k d,Η)(15)其中:k c与k d分别为R c与R d定义的旋转轴.R c与R d是已知的,它们是由摄像机外参数与控制器给出的.由式(15),这些已知的数据必然满足R c与R d定义的旋转角相等的条件,与所求的R无关.以下是关于式(15)的解的结构的两个定理[5].定理1　若R c(k c,Η)R=RR d(k d,Η),则k c=R k d.方程(15)解的条件k c=R k d的物理意义是,任何满足式(15)的R必须将R d定义的旋转轴k d转到R c所规定的旋转轴k c的位置.由于满足k c=R k d的解有无穷多个,可见式(15)的解不是惟一的.任意取一个作为式(15)的一个特解,例如,取旋转轴为k=k d×k c,R的旋转角Υ为k d与k c的夹角,显然,当R=R(k,Υ)时,R将k d转到k c,R为式(15)的一个特解.下面的定理,给出了式(15)一般解的形式.定理2　若R为式(15)的一个特解,则式(15)的所有解R都可以表示为R=R c(k c,Β)R,(16)其中:k c为R c的旋转轴;Β为任意角.定理2表明,由式(15)不能惟一地解出R,尚有一个自由度Β待定.式(14)可以写成(R c-I)t=R t d-t c,(17)其中:R c,t d,t c已知;I为单位对角矩阵;t为待求参数.由上述旋转矩阵的性质可知,R c-I=U 1000e-jΗ000e-jΗU-1UU-1=U000e-jΗ-1000e-jΗ-1U-1.可见,R c-I的特征值有一个是0,当Η不等于0时(即不是单位矩阵时),R c-I为秩2矩阵.由此,即使R能由式(13)解出,式(17)也只给出关于t的3个分量的2个独立的线性方程,所以t 也不能由式(17)惟一确定,尚有一个自由度待定.在定标过程中,如果控制实验小车作2次运动,则可以得到下面4个关系式R c1R=RR d1,(18)R c1t+t c1=R t d1+t,(19)R c2R=RR d2,(20)R c2t+t c2=R t d2+t.(21)其中:R c1,t c1,R c2,t c2分别为两次运动的参数,由4次摄像机定标得到的外参数给出;R d1,t d1, R d2,t d2由2次运动时平台旋转的角度和实验小车移动的距离给出.可以由式(18)与(20)联合求出R,再将R代入式(19)与(21)解出t,解的方法如下:由于式(19)与(21)的解R必须同时满足以下两式(见定理1)k c1=R k d1,　k c2=R k d2,45 兰州大学学报(自然科学版) 第37卷其中:k c1,k c2,k d1,k d2分别为R c1,R c2,R d1,R d2决定的旋转轴方向上的单位向量.由于R 同时将k d1转到k c1,k d2转到k c2,则R 必然将k d1×k d2转到k c1×k c2,将此关系与以上两式同时放在一个矩阵等式中,可得(k c1　k c2　k c1×k c2)=R (k d1　k d2　k d1×k d2).当k c1与k c2不互相平行时,上式中的矩阵为满秩矩阵,于是有R =(k c1　k c2　k c1×k c2)(k d1　k d2　k d1×k d2)-1.(22)将式(22)中解出的R 代入式(19)与(21),可得到关于t 的3个分量的4个独立的线性方程,任取3个可以解出t ,或用最小二乘法从4个方程中解出t .3　实验过程及实验结果实验的基本思路是控制实验小车上的摄像机在不同的位置观察空间一个已知的标定参照物,从而推导R 与t 多次观察结果的关系.实验系统的组成为:实验小车系统,平台控制器,摄像机镜头,标定参照物,数据处理系统.摄像机固定在平台上,平台又固定在实验小车上.平台可通过平台控制器作旋转运动,实验小车可作平移运动.实验的过程如下:(1)控制实验小车从A 运动到B ,前后均对摄像机作定标[1,4],求出其外参数.在A 位置,对摄像机定标,求出其外参数变换矩阵A .同理,在B 位置,对摄像机定标,求出其外参数变换矩阵B .由C 1=AB -1可以求得R c1,t c1.由平台旋转的角度Α=8°和实验小车移动的距离(-1.0　1.0　200.0)求出R d1,t d1.控制实验小车从C 运动到D ,重复上述过程,可以求得R c2,t c2.由平台旋转的角度Α=5°和移动距离(-1.0　-0.5　140.0)求出R d2,t d2.(2)由式(22)解R .先求出　k c1=[-0.70773　-0.67847　0.19603]T ,k c2=[0.62718　-0.57867　-0.52133]T ;　k d1=[0　1.00000　0]T , k d2=[0　0　1.00000]T ;　k c1×k c2=[0.18277　0.05062　0.70338]T ,　k d1×k d2=[1.00000　0　0]T .将以上各参数代入式(22)解出RR =　0.62718　0.18277-0.70773-0.57867　0.05062-0.67847-0.52133-0.70338　0.19603.(3)将式R 代入式(19)与(21),解出t .由式(19)与(21)推得t =(R c1-R c2)-1[R (t d1-t d2)-(t c1-t c2)].求得t 为t =[4.97878　0.76202　313.22905]T .由式(22)可知,当上述两次运动R d1与R d2的旋转轴不平行时,解R 是惟一的.由式(19)与(21)知,当R c1与R c2非单位对解矩阵时(运动不是纯平移时),t 也是惟一确定的.求出R ,t 后,就可以得到车体坐标系与摄像机坐标系之间的变换矩阵M c-t ,即M c-t =R t 0T 1=　0.62718　0.18277-0.70773　4.97878-0.57867　0.05062-0.67847　0.76202-0.52133　0.70338　0.19603313.229050 0 0 1.00000.55第2期 石广田等:工业机器人运动车体位姿计算方法研究 65 兰州大学学报(自然科学版) 第37卷4　误差分析上面求出的变换矩阵有一定的误差,现分析讨论引起误差的主要因素:(1)标记点或空间目标点投影到图像平面时,识别这些投影点一般靠手工来完成.这样一来,不同的人用鼠标选取就有不同的结果,手工提取某个投影点时,误差最大在3～4个像素.(2)由于噪声的干扰,在采集的图像中,很难保证标记点的投影有清晰的轮廓.有时当光照条件不好时,投影点处的灰度值会十分接近图像的背景灰度.这个因素在很大程度上也影响着投影点的提取.(3)图像投影点有时会发生变形,这种变形是非线性的,而计算投影点时进行了局部的线性化.(4)此外还有设备的误差与计算上的误差.参　考　文　献[1]　马颂德,张正友.计算机视觉——计算理论与算法基础[M].北京:科学出版社,1998.[2]　R ay J.Robo t N avigati on[J].Indu strial Robo t,1994,21(2):130～138.[3]　孙家广.计算机图形学[M].北京:清华大学出版社,1995.[4]　杨焕明.立体视觉在轮式移动机器人导航与监测中的应用[D].兰州:兰州铁道学院硕士学位论文,1999.[5]　T sai R Y,H uang T S.U n iqueness and esti m ati on of3D mo ti on param eters of rigid bodies w ith cu rvedsu rfaces[J].IEEE T ran s,1984,11:13～27.Research on Ca lcula tion of I ndustr i a l RobotM ov i ng Position and PostureS h i Guang tian1,Y u H uan ran1,L i Chong an1,Z hu Chang lin2(1.D epartm en t of M echan ics,Schoo l of Physical Science and T echno logy,L anzhou U n iversity,L anzhou,730000,Ch ina;2.D epartm en t of M echan ical Engineering,L anzhou R ail w ay U n iversity,L anzhou,730070,Ch ina)Abstract:T he m ethodo logy fo r calcu lati on of indu strial robo t m oving po siti on and po stu re du ring its visual navigati on and m o ti on is p resen ted,the relati on s of car and cam era coo rdinates are discu ssed,and the tran sfo rm m atrix betw een tw o coo rdinate system s is derived.A n exam p le is given in th is p ap er,w h ich m ay gu ide u sers to get m oving p aram eters of indu strial robo t.It is very i m po rtan t that the robo t m oving po siti on and po stu re are calcu lated first fo r its s m oo th visual navigati on.Key words:robo t;navigati on;po siti on and po stu re;tran sfo rm m atrix。

本科毕业设计(论文)工业机械手的运动分析与仿真（kinematics analysis and simulation of the industrial robot）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，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一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。

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。

在Pro/E中完成6自由度机械手及其手爪的三维造型和装配，将模型导入ADAMS 中，并进行运动学仿真，得到机械手各个部位的速度、加速度、角速度、角加速度在X、Y和Z方向上随时间变化的曲线图。

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。

关键词:机器人;建模；运动学分析;反解；仿真ABSTRACTIn the Past twenty years，the robot technology has been developed greatly and used inmany different fields. There is a large gap between our country and the developed countries in research and application of the robot technology so that there will be a great value to study，design and applied different kinds of robots，especially industrial robots.Most typical industrial robots such as welding robot，painting robot and assembly robot are all fixed on the product line or near the machining equipment when they are working. Based on larger number of relative literatures and combined with the need of project，the author have designed a kind of small一size serial robot with 6 degree of freedom which can be fixed on the AGV to construct a mobile robot.First of all，several kinds of schemes were proposed according to the design demand. The best scheme was chosen after analysis and comparing and the structure was designed. At same time，The kinematics analysis was conducted，coordinate transformation matrix using D一H method was set up，and the kinematics equation direct solution and inverse solution was deduced，the matrix was constructed using vector product method，and the values displacement and velocity of some special point including the wrist point were calculated. Secondly，the working space of the robot was analyzed and the axes section of practical working space was drawn. These works provided a basis to structure design, kinematics and control.In the Pro / E do the completion of six degrees of freedom manipulator’s and gripper’s three-dimensional modeling and assembly. models will be imported in ADAMS, and do the simulation and kinematics. Gain the speed, acceleration, velocity, angle acceleration of it’s various parts in the X, Y and Z direction over time the curve.At last, the robot arm′s kinematics was simulated by using software ADAMS，and the simulation result was analyzed. In the experiment，the author tried to use the virtual prototyping technology in mechanism design.Keywords:Robot; modeling; Kinematics Analysis; reverse kinematics; simulation目录中文摘要 (3)英文摘要 (4)第1章绪论 (8)1.1我国机器人研究现状 (8)1.2工业机器人概述 (8)1.3本论文研究的主要内容 (9)第2章机器人方案的创成和机械结构的设计 (10)2.1机器人机械设计的特点 (10)2.2与机器人有关的概念 (11)2.3方案设计 (12)2.3.1方案要求 (12)2.3.2方案功能设计与分析 (13)2.4方案结构设计与分析 (14)第3章运动学分析 (15)3.1概述 (15)3.2运动学分析 (15)3.2.1空间机构中两任意坐标系的变换关系 (15)3.2.2在各运动关节上建立坐标系 (16)3.2.3确定各杆件的结构参数和运动变量 (17)3.2.4写出相邻两构件坐标系间的位姿矩阵 (17)3.3运用Matlab编程进行机械手的模拟运动 (18)3.4运动学方程的逆解 (20)3.3确定机械手的工作空间 (22)第4章机械手的建模与仿真 (24)4.1机械手的总体设计 (24)4.11 三维建模软件Pro/E的介绍 (24)4.12 PRO/E 建模 (24)4.2 运用ADAMS对模型进行仿真 (31)4.21虚拟样机技术概述 (31)4.2.2 导入ADAMS仿真前的步骤 (32)4.2.3运用ADAMS对机械手进行仿真 (37)4.2.4用ADAMS仿真后处理 (39)第5章总结 (40)致谢 (41)参考文献 (42)附录：1、外文资料2、中文翻译另附：机械手装配图及机械手腕装配图第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。

工业机器人技术毕业论文范文工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多口由度的机器人。

工业机器人是口动执行工作的机器装置，是靠口身动力和控制能力來实现各种功能的一种机器。

它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人匸智能技术制定的原则纲领行动。

就工业机器人在工业生产中的应用进行探讨。

关键词：工业机器人应用工业1引言工业机器人最早应用于汽车制造工业，常用于焊接，喷漆，上、下料和搬运。

工业机器人延伸和扩大了人的手、足和大脑功能，它可代替人从事危险、有窖、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。

工业机器人与数控加工中心、口动搬运小车以及口动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。

2工业机器人的主要运用1恶劣工作环境及危险工作军事领域及核工业领域有些作业是有害丁•人体健康并危及生命，或不安全因素很大而不宜由人去做的作业，用工业机器人去做最合适。

例如核工厂设备的检验和维修机器人，核工业上沸腾水式反应堆燃料自动交换机。

2特殊作业场合和极限作业火山探险、深海探密和空间探索等领域对丁•人类來说是力所不能及的，只有机器人才能进行作业。

如航天飞机上用來回收卫星的操作臂;用于海底采矿和打捞的遥控海洋作业机器人。

3 口动化生产领域早期的工业机器人在生产上主要用于机床上、下料，点焊和喷漆。

用得最多的制造工业包括电机制造、汽车制造、塑料成形、通用机械制造和金属加工等工业。

随着柔性口动化的出现，机器人在口动化生产领域扮演了更重要的角色。

下面主要针对工业机器人在自动化生产领域的应用进行简单介绍。

2. 1焊接机器人点焊机器人工业机器人首先应用于汽车的点焊作业，点焊机器人广泛应用于焊接车体薄板件。

装焊一台汽车车体一般大约需要完成3000〜4000个焊点，其中60%是由点焊机器人來完成的。

在有些大批量汽车生产线上，服役的点焊机器人数量甚至高达150多台。