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六自由度机械臂控制系统设计绪论1.1 课题研究背景及意义纵观人类历史的长河，随着科技的不断发展，为了提高生产力，提高工作效率，人们研发出了机器人，并对其进一步研究，从三国时诸葛孔明的“木牛流马”，春秋战国时期鲁班大师的“竹雀”，到了如今的家庭扫地机器人，博物馆介绍文物的机器人，物流搬运机器人等等，机器人的发展越来越迅速，越来越融入到人们的生活中，正在不断的进步，而机械臂作为机器人的一个重要分支领域，它有着广泛的市场与应用发展前景。
1.2 国内外研究现状与分析1.2.1 国内机械臂的现状与分析机械臂建模：机械臂的建模是控制系统设计的重要基础，国内的研究工作主要涉及机械臂的几何建模和动力学建模。
其中，几何建模主要包括DH参数法和欧拉角法，动力学建模主要涉及牛顿-欧拉法和拉格朗日法等；运动学和动力学分析：机械臂的运动学和动力学分析是机械臂控制的重要理论基础，国内的研究工作主要集中在机械臂末端位姿的计算、运动学正逆问题的求解以及机械臂动力学的建模与分析等方面；机械臂建模：国外的机械臂建模研究主要集中在几何建模和动力学建模两个方面，与国内相似。
第一章六自由度机械臂运动学分析2.1 机械手臂的坐标变换2.11 机械手臂的结构RP关节是组成机械臂/机器人的基础，其中R是旋转关节，P是平移关节。
请注意：基础关节肯定是只有一个自由度的，旋转关节只绕其中某一个轴进行旋转，平移关节只在一条直线上进行运动。
2.12 机械手臂的坐标变换一般描述空间位置采用的都是笛卡尔坐标系，也就是由三个互相垂直的坐标轴组成的坐标系，其基础就是我们所熟知的右手定则，在三维坐标系中，Z轴的正轴方向是根据右手定则确定的。
对坐标系进行坐标变换如图2-1所示，由坐标系绕Z轴（图中未标出）旋转得到新的坐标系图2-1 坐标变换把坐标系的轴的单位向量在中表示出来如公式2-1与2-2：（2-1）（2-2）以坐标系为参照，根据公式2-1与2-2可以定义一个2x2的矩阵如下：（2-3）通过2-3矩阵可以由坐标得到唯一坐标，此矩阵也就是旋转矩阵。
六自由度轻载搬运机器人控制系统设计引言：一、机器人建模和运动学分析机器人的建模和运动学分析是控制系统设计的基础。
通过建模和运动学分析，可以确定机器人的运动范围和运动学方程，为后续的控制系统设计提供基本参数。
二、传感器选择和安装为了对机器人的姿态和位置进行实时监测，需要选择合适的传感器进行安装。
常用的传感器包括编码器、惯性测量单元（IMU）、视觉传感器等。
传感器的选择应根据机器人的特点和工作环境进行综合考虑。
三、运动控制算法设计机器人的运动控制算法设计是控制系统设计的核心。
常用的运动控制算法包括逆运动学算法、轨迹规划算法和运动控制算法。
逆运动学算法用于确定机器人关节的运动参数，轨迹规划算法用于生成机器人的轨迹，运动控制算法用于实现轨迹的跟踪和运动控制。
四、控制器设计和实现控制器是实现运动控制的关键组件。
根据机器人的特点和运动控制要求，可以选择合适的控制器类型，如PID控制器、模糊控制器或神经网络控制器等。
控制器的设计和实现应考虑控制精度、实时性和计算复杂度等因素。
五、通信和接口设计为了实现机器人与外部设备的通信和数据交换，需要设计合适的通信和接口模块。
常用的通信和接口模块包括以太网通信、串口通信和CAN总线通信等。
通信和接口设计应考虑通信速率、数据处理能力和数据安全性等因素。
六、系统集成和测试系统集成和测试是控制系统设计的最后一个阶段。
在系统集成和测试过程中，需要将各个组件进行整合，并进行系统级测试和验证。
测试结果可以用于对系统性能进行评估和改进。
结论：六自由度轻载搬运机器人控制系统设计是一项复杂且关键的工作。
通过建模和运动学分析，传感器选择和安装，运动控制算法设计，控制器设计和实现，通信和接口设计以及系统集成和测试等过程，可以设计出一个稳定、高效的控制系统。
同时，不同的机器人应根据其特点和工作环境进行系统的个性化设计，以满足特定的应用需求。
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。
六自由度机械手设计说明书设计参数摘要随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。
工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。
机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。
另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。
机械手在工业中的应用十分广泛，如：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
应用前景工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
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，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
3. 电路模块的设计从本课题设计的六自由度机械手结构及各方面因素综合考虑，我们可以在机械手的每个活动关节相配一台舵机提供动力驱动。
与液压、气压驱动相比，其驱动源和系统较为简单，舵机又是配套的通用产品，规格齐全，容易得到，不需要另行设计，在位置精度要求不高的情况下，控制系统方便。
本设计采用AT89S51单片机来控制六个舵机从而分别控制六自由度机械手的旋转或曲摆。
采用Protel99se 画图软件进行电路图的绘制。
其电路主要分为三大模块：电源开关控制模块;USB接口烧写模块及AT89S51单片机模块。
3.1 电源开关控制模块如图3-1所示为本电路的电源控制部分，SW2为外加电源开关，SW3为伺服电机电源选择开关，D1外接电源指示，其用途说明如下：图3-1 电源开关控制电路图一般单台伺服电机工作时，所需要的电压为5V，消耗的电流为200-300mA。
故使用单台伺服电机时，可将SW3切换到5V，也就是将电路板的SW3的1-2脚连接（利用2.54mm排针短路Pin）。
此时所有伺服电机的电源均来自USB接口所提供的5V，若一次同时用到多台伺服，那么USB接口所提供的电流就会不够伺服电机使用，此时就必须以外加电源的方式，来供给伺服电机所需的电压及电流。
所以将SW3切换到外加电源端，也就是将电路板里的SW3的2-3脚连接并在JPW引脚加入伺服电机所需的电源6V,如此方能有足够的电流提供给多台伺服电机使用。
因为本电路使用单片机控制六个伺服电机，所以需要使用外加电源来提供给J1-J6的伺服电机的转动。
3.2 USB烧写接口模块为了给单片机烧录程序，如果设计的电路板上没有烧录模块，就不得不频繁的插拔单片机在开发板上进行程序的擦写，这样容易造成单片机引脚的折断。
为了方便程序擦写，采用了USB-ISP下载线，并在电路板上设计ISP接口模块，然后通过软件Keil uvision2进行程序的擦写。
USB-CHIP下载线基本原理是ATMEGA8芯片进行USB串口协议的软件模块和ISP接口下载。
2. 六自由度搬运机械手的结构设计根据机械手的基本要求能快速、准确地拾起-放下搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任一位置都能自动定位等特征。
设计原则是：充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺、并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对该机械手结构和运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转接和编程控制。
本课题设计的是一种小型的多关节式六自由度机械手，能够满足相应的动作要求，并对一些小质量工件实现抓取、搬运等一些列动作。
2.1 六自由度搬运机械手的功能分析该机械手系统共有6个自由度，分别为肩的回转与曲摆，大臂的曲摆，小臂的曲摆，手腕的曲摆与回转，以及手抓的回转。
该系统中基座固定，与基座相连的肩可以进行360度的回转；与肩相连接的大臂可以进行-90～+90度曲摆，与大臂相连接的小臂可以进行-90～+90度曲摆，大臂和小臂动作幅度较大，可以满足俯仰要求。
手腕可以进行360度的旋转，手腕也可以完成-90～+90度的曲摆，末端的手爪部分可以-90～+90度夹持，手爪部分通过一对齿轮的啮合转动，及其四杆机构完成手爪的开合，可以满足夹持工件的要求。
通过预先编好的程序，下载到单片机内，从而使该六自由度搬运机械手能独立的完成一套指定的搬运动作，并一直重复进行下去！2.2 六自由度搬运机械手的坐标形式和自由度2.2.1 六自由度搬运机械手的坐标形式按机械手手臂的不同运动形式及组合情况，其坐标形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。
（1）直角坐标式机械手直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机械手。
它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按照直角坐标形式x、y、z三个方向的直线运动，其工作范围可以是1个直线运动、2个直线运动或3个直线运动。
基于PLC的六自由度机械手复杂运动控制学院：电气工程与自动化学院专业班级：自动化133班学号：07号学生姓名：***指导老师：刘飞飞老师日期：2016/5/20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，结合任务书的要求，设计了一种小型的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。
机器人广泛应用于工业、农业、医疗及家庭生活中，工业机器人主要应用领域有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。
总之，工业机器人的多领域广泛应用，其发展前景广阔。
关键词：机器人关节，运动学分析，工业机器人，自由度第一章绪论 (4)1.1引言 (4)1.2机器人的产生与发展史 (4)1.3国内外机器人的发展状况及发展战略 (6)1.4六自由度机械手复杂运动控制的现实意义 (9)1.5 PLC在设计中的应用 (10)第二章机械手的总体方案设计 (11)2.1 机械手基本形式的选择 (11)2.2 机械手的主要部件及运动 (12)2.3驱动机构的选择 (12)2.4传动机构的选择 (12)第三章六自由度机械手的坐标建立及运动学分析 (13)3.1 系统描述及机械手运动轨迹设计方式 (13)3.1.1 机器人技术参数一览表 (13)3.1.2 机械手运动轨迹设计方式 (14)3.2 平面复杂轨迹设计目的 (18)3.2.1“西”字的轨迹设计和分析 (18)3.2.2“南”字的轨迹设计和分析 (19)3.2.3机械手的起始位姿和末态位姿 (20)3.3机械手轨迹设计中坐标系的建立 (20)3.4 平面轨迹设计的正运动学分析 (29)3.4.1. 平面轨迹设计的正运动学分析原理 (29)3.4.2 正运动学分析步骤及计算 (29)3.5 六自由度机械手轨迹设计中的逆运动学分析 (30)3.5.1.机械手逆运动学分析原理 (30)3.5.2.逆运动学分析步骤及计算 (31)第四章PLC控制机械手运动轨迹设计与分析 (35)4. 1可编程序控制器的选择及工作过程 (35)4.1.1 可编程序控制器的选择 (35)4.1.2 可编程序控制器的工作过程 (35)4.2 控制系统设计 (36)（一）控制系统硬件设计 (36)1. PLC梯形图中的编程元件 (37)2． PLC的I/O分配 (37)3 机械手控制系统的外部接线图 (38)（二）控制系统软件设计 (38)第五章总结 (40)参考文献 (41)第一章绪论1.1引言机器人是当代科学技术的产物，是高新技术的代表。
六自由度机械手设计在工业自动化领域中，六自由度机械手被广泛应用于各种生产线上。
机械手的设计需要考虑到其功能需求、结构设计和控制系统的设计等多个方面。
本文将从这三个角度，详细介绍如何设计一个六自由度机械手。
首先，机械手的功能需求包括其工作范围、负载能力和精度等。
机械手的工作范围决定了其能够覆盖的空间范围，而负载能力决定了其能够携带的物体的重量。
精度则决定了机械手在操作过程中的定位精度和稳定性。
在设计过程中，需要根据具体的应用场景来确定这些参数，并且在满足需求的前提下尽可能最优化。
其次，机械手的结构设计决定了其运动灵活性和稳定性。
六自由度机械手一般由基座、臂、腕和手指等部分组成，每个部分都有自己的运动自由度。
在设计过程中，需要综合考虑各个自由度的运动范围、连杆长度和连接方式等因素。
同时，还需要考虑机械手的整体结构是否牢固，是否方便维护和安装等。
最后，机械手的控制系统设计包括运动控制和感知控制两个方面。
运动控制主要包括运动规划和轨迹控制等，通过对机械手的运动轨迹进行规划和控制，使其能够精确地完成指定的任务。
感知控制主要是通过传感器来获取机械手和外部环境的信息，并根据这些信息来做出相应的调整。
在设计过程中，需要选择合适的传感器，并设计相应的算法来实现感知控制。
综上所述，六自由度机械手的设计需要考虑到功能需求、结构设计和控制系统设计等多个方面。
只有在这三个方面都充分考虑到，并且在满足需求的前提下进行优化，才能设计出一台性能稳定、功能完备的六自由度机械手。
通过不断改进和创新，相信未来的六自由度机械手会在工业自动化领域有着更加广阔的应用前景。
摘要在当今轮毂制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。
工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。
本文设计和研究了一个六自由度的工业机器人，用于生产线的进送料和装配。
首先，本文对生产线布局进行改造设计，提高生产的工作效率，然后，根据设计要求设计了机器人的整体方案和具体的机械结构，选择了合适的传动方式、驱动方式，设计了机器人的底座、大臂、小臂和手部的结构；并且对机器人的传动结构进行设计，机器人为六自由度关节型机器人，全部采用转动关节，关节处采用电机，减速机，齿轮传动机构，蜗轮蜗杆传动机构来实现各个自由度，从而实现所需的运动。
在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，采用PC+DSP运动控制卡的控制方式，确定了控制系统的总体方案，设计了PCI 总线接口电路和DSP。
关键词: 六自由度工业机器人；生产线；结构设计；控制系统；各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英文翻译、完整版论文、程序、答辩PPT）可加解。
AbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take playback way.In this paper ,I will design an industrial robot with six DOFs.First, I will transform line layout and design the structure of the baseto improve the work efficiency of production ,and then, according to the design requirements ,I design the robot mechanical structure of the overall plan and specific ,and chose the right means of transmission and drive mode,Then ,I design the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot,and I design the transmission structure, This robot is a 6-DOF joint robot,These joints are all rotary joints, joints used motor, reducer, gear transmission, worm gear and worm drive mechanism to realize various degrees of freedom, so as to achieve the required movement.On this basis, this paper will design the control system of the robot, which controlled by PC and DSP motion control card, and determine the overall scheme of the control system, design DSP and PCI bus interface circuit .Keywords: 6-DOF industrial robot, line layout , structure design, the control system目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................. I I 第1章绪论 . (5)1.1 课题背景及研究的目的和意义 (5)1.2国内外在该方向的研究现状及分析 (6)1.3 本文的主要研究内容 (9)第2章生产线布局及总体方案的确定 (9)2.1 生产线布局方案 (9)2.1.1机械手 (10)2.1.2 工作流程 (10)2.1.3方案预期达到的目标 (11)2.2总体方案的设计 (11)2.2.1机构的选型 (11)2.2.2驱动方式的选择 (12)2.2.3 传动方案的选择 (13)2.2.4 总体结构方案设计 (14)2.2.5控制方案的设计 (17)2.2.6技术参数列表 (17)2.3 本章小结 (18)第3章结构的设计 (19)3.1 引言 (19)3.2 电机力矩的计算以及驱动电机的选择 (19)3.3减速器的设计 (21)3.4 腰部的设计 (21)3.5 手臂的设计 (22)3.5.1手臂的设计基本要求 (22)3.5.2大臂和小臂 (22)3.5.3连杆 (24)3.6手腕部的设计 (24)3.7末端执行器的设计 (24)3.8本章小结 (26)第4章传动系统的设计及校核 (26)4.1腰部蜗轮蜗杆设计及校核 (26)4.2 腕部传动系统设计及校核 (27)4.2.1传动方案 (27)4.2.2齿轮的设计及校核 (27)4.2.2.1齿轮组设计 (27)4.2.2.2 直齿圆锥齿轮的设计 (27)4.2.3 轴的设计 (27)4.3 本章小结 (29)第5章控制系统设计 (29)5.1 引言 (29)5.2 控制系统的设计 (29)5.2.1 控制系统的类型选择 (29)5.2.2 控制系统的硬件电路 (30)5.3 PCI的接口设计 (30)5.4 DSP的设计 (31)5.4.1 DSP概述 (31)5.4.2 DSP硬件电路 (31)5.4.3 DSP软件 (32)5.5本章小结 (32)结论 (32)参考文献 (34)致谢 (35)第1章绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义轮毂制造业属于劳动密集型的行业，除了繁重的体力工作外，几乎每个工序都存在着对人体有害的污染源和潜在的工伤事故:热加工工序烫灼伤的危险，大量易燃易爆燃料及消耗材料时时刻刻威胁着操作手的安全;铝液除气除渣产生的有毒烟尘，机加工冷却液的有害蒸汽，以及涂装工序液体漆、粉漆、前处理药液等等都会严重影响工人的健康;无处不在的轰鸣及刺耳的噪音会使你情绪坏到极点。
目录摘要 (2)第一章绪论 (3)1.1. 工业机器人概述 (3)1.2机械手的组成和分类 (4)1.2.1. 机械手的组成 (4)1.2.2. 机械手的分类 (5)第二章机械手的设计方案 (7)2.1 机械手的“坐标形式”与“自由度” (7)2.2 机械手的主要参数 (8)第三章手部结构的设计 (9)3.1 末端执行器的设计 (9)3.1.1蜗杆蜗轮型号选择 (10)3.1.2 驱动电机型号选择 (10)3.1.3联轴器的选择 (11)3.2 手腕回转装置设计 (11)3.2.1 驱动电机的选择 (12)3.2.2 锥齿轮的设计 (13)第四章腕部结构设计 (16)4.1 腕部俯仰结构设计 (16)4.1.1 驱动电机的选择 (16)4.1.2 内啮合齿轮的设计 (17)4.2 手腕左右摆动结构设计 (18)第五章肘部与肩部的设计 (19)5.1 肘部结构设计 (19)5.1.1 驱动电机的选择 (20)5.1.2内啮合齿轮的设计 (21)5.2 肩部结构设计 (22)5.2.1驱动电机的选择 (22)5.2.2 锥齿轮的设计 (23)第六章底座的设计 (23)6.1 驱动电机的选择 (24)6.2 蜗轮蜗杆的选择 (24)第七章：ADAMS 模型的建立与仿真 (25)7.1 手部模型的建立 (25)致谢 (29)参考文献 (29)摘要本次所设计的作品是“六自由度机械手”。
六自由度即：腰部回转、肩部摆动、肘部摆动、腕部左右摆、腕部俯仰摆和腕部回转，最终实现“末端执行器”的夹持动作。
方案一：所有传动均选用“齿轮传动”或者“蜗轮蜗杆传动”。
总共需要7个伺服电机来驱动。
首先，腰部电机主轴通过联轴器与蜗杆连接，蜗杆旋转带动蜗轮回转，从而蜗轮再带动底座实现360度回转。
其次，肩部电机主轴通过联轴器与一个锥形齿轮连接，带动另外一个锥形齿轮进行双向旋转，从而实现肩部带动上臂的摆动动作。
再者，肘部电机通过联轴器与一“内啮合”小齿轮连接，而大齿轮与前臂的端部通过平键来周向连接定位。
小型六自由度的工业机械手的控制设计1、系统设计目的及意义工业机器人，又称机械臂，在现代化工业生产中正发挥着越来越重要的作用，它被广泛应用到流水生产线上，代替人类从事焊接、喷涂、搬运等许多较繁重的劳动，这不仅大大提高了生产效率，同时也极大地提高了产品的加工精度和产品质量。
随着时代的进步，机器臂技术的应用越来越普及，已逐渐渗透到军事、航天、医疗、日常生活及教育娱乐等各个领域，可以说工业机器人的应用对现代工业的发展起到了巨大的推动作用。
论文围绕哈尔滨工程大学自动化学院学生创新实验室购买的教学用小型六自由度机械臂，完成对其关节控制系统的设计开发，开发内容包括硬件系统和软件系统。
从而使其能够达到一定的控制精度，为后续的控制算法的研究提供一个完整的平台。
2、主要研究内容论文的主要内容包括：对机械臂结构的改进、安装合适的控制系统、数学建模、运动学分析，轨迹规划研究、控制算法研究和三维仿真研究等部分。
图2.1 机械臂系统研究内容图2.1、机械臂结构改造创新实验室购买的教学用六自由度机械臂存在以下两个明显不足，需要对其进行较大的改动：（1）原机械臂包括爪子在内共六个自由度，实际上爪子是机械臂的末端执行器，它不影响位置和姿态，不能作为一个独立自由度；（2）原机械臂的关节执行器使用的是6个舵机，各关节处没有任何反馈装置，只能做简单开环控制，生产厂家的技术人员证实了这一点。
为了完成本次论文的立题要求，需要至少在一个关节上做成闭环控制。
针对以上两点不足，在不破坏机械臂的前提下，作者对机械臂的结构和控制部分做了以下相应改动：（1）去掉爪部关节，另外增加两个关节，使机械臂达到六个自由度，同时利于建立其数学模型；（2）将底座舵机换成直流减速电机，增加一定的机械结构来安装角度反馈装置，从而使机械臂能够完成一定的闭环控制，满足论文的立题要求。
图2.2改装后的六自由度机械臂实物图2.2、数学建模六自由度链式(6R)机器臂是具有六个关节的空间机构，为描述末端执行器在空间的位置和姿态，可以在每个关节上建立一个坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位置。
一般采用Denavit-HartenBerg法(D-H法)建立坐标系并推导机械臂的运动方程。
D-H法是1995年由Denavit和HartenBerg提出的一种建立相对位姿的矩阵方法。
利用齐次变换描述各个连杆相对于固定参考坐标系的空间几何关系，用一个4×4的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而推导出末端执行器坐标系相对于基坐标系的等价齐次坐标变换矩阵，建立机械臂的运动方程。
依据D-H法，相邻两坐标系之间的关系表示为：1(,)(0,0,)(,0,0)(,)n n n n n n T A Rot z Trans d Trans a Rot x a q -==创参数定义如下（参考图3坐标系）：n a 表示沿n x 轴方向1n z -轴与n z 轴之间的距离；n a 表示绕n x 轴线由1n z -轴到n z 轴所旋转的角度；n d 表示沿1n z -轴方向1n x -轴到n x 轴的距离；n q 表示绕n z 轴由1n x -轴到n x 轴所旋转的角度。
图2.3 六自由度机械臂坐标系图2.3、运动分析 2.3.1正运动学分析正运动学的求解过程是根据已知关节变量1q ，2q ，3q ，4q ，5q ，6q 求末端抓持器相对于参考坐标系的位姿的过程。
要对机械臂进行分析，首先要对机械臂建立坐标系，其坐标系如图3所示，各个关节变量分别是：1q =0，2q =0，3q =0，4q =0，5q =90，6q =0。
将参考坐标系设在6R 机械臂的基座上，于是可以从基座开始变换到第一关节，然后到第二关节……,最后到末端抓持器。
若把每个变换定义为n A ，那么6R 机械臂的基座和手之间的总变换为：012345012345012345RR H H H T T T T T T T T A A A A A A A ==A0为基座坐标系到坐标系0（关节一）之间的变换矩阵；A1为坐标系0到坐标系1之间的变换矩阵；A2为坐标系1到坐标系2之间的变换矩阵；A3为坐标系2到坐标系3之间的变换矩阵；A4为坐标系3到坐标系4之间的变换矩阵；A5为坐标系4到坐标系5之间的变换矩阵；AH 为坐标系5到坐标系H 之间的cos sin cos sin sin cos sin cos cos cos sin sin 0sin cos 0000n n n n nn n nn n n n n nn n n a a d q q a q a q q q a q a q a a 轾-犏犏-犏=犏犏犏臌变换矩阵。
01000010000110001A L 轾犏犏犏=犏犏犏臌11010101001000001C S S C A 轾犏犏-犏=犏犏犏臌2220222202200100001C S C L S C S L A 轾-犏犏犏=犏犏犏臌 3330333303300100001C S C L S C S L A 轾-犏犏犏=犏犏犏臌4404444044401000001C S C L S C S L A 轾-犏犏犏=犏-犏犏臌 55050505001000001C S S C A 轾犏犏-犏=犏犏犏臌 6600660001050001H C S S C A L 轾-犏犏犏=犏犏犏臌根据六个关节角度以及机械臂的参数，通过以上7个矩阵相乘即可得出期望矩阵：0001x xx x y y y y RH z z z zn o a p n o a p T n o a p 轾犏犏犏=犏犏犏臌列向量n ，o ，a 表示姿态，x p ，yp ，z p 表示空间位置。
2.3.2正运动学仿真MATLAB 在7.1版本中增加了Robotics Toolbox 工具箱，利用该工具箱可以对链式结构的机械臂进行运动学仿真。
正运动学仿真过程如下：l1=link([pi/2 0 0 L1],'standard'); l2=link([0 L2 0 0],'standard'); l3=link([0 L3 0 0],'standard'); l4=link([-pi/2 L4 0 0],'standard'); l5=link([pi/2 0 0 0],'standard'); l6=link([0 0 0 L5],'standard'); r=robot({l1 l2 l3 l4 l5 l6}); ='6R_Rrobotarm';q=[0.430437 0.102693 -1.28542 1.7628 1.33703 -1.24998]; drivebot(r,q);l1,l2,l3,l4,l5,l6表示各连杆，L1，L2，L3，L4，L5表示连杆长度，具体值由实际机械臂参数决定，standard 表示采用标准的D-H 建模方法，robot 函数将各连杆连接起来，q 向量表示各关节的初始角度，均为弧度值，drivebot 是绘制机械臂函数。
现设定：L1=2,L2=4,L3=4,L4=2,L5=2;1q =2.5632，2q =1.2145，3q =1.0256，4q =1.2105，5q =1.5809，6q =1.1078。
仿真结果如图：图2.4 基于MA TLAB Robot Toolbox 工具箱的机械臂正运动学仿真正运动学的仿真数据在实际机械臂上运行结果如下：图2.5 机械臂正运动学实物图2.3.3逆运动学分析逆运动学的求解过程是根据已知的末端抓持器相对于参考坐标系的位姿，求关节变量1q ，2q ，3q ，4q ，5q ，6q 的过程，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础，也是运动学最重要的部分。
然而运动学逆解的求解要比正解求解复杂得多，要建立通用算法是相当困难的，许多人为此付出巨大的努力，做了大量的工作。
有关机器人运动学逆解的求解方法很多，其中主要有解析法、几何法、符号及数值方法、几何解析法。
由于逆运动学求解非常复杂，这里不再给出，只是引用已有结论，在后面的三维仿真和运动规划时使用。
给出机械臂期望位姿为：0001x xx x y y y y RH z z z zn o a p n o a p T n o a p 轾犏犏犏=犏犏犏臌可以计算出各关节角的解析式为：15arctan()5y y x x p a L p a L q -=- 或 11q q p =+23411arctan()zx ya C a S a q =+ 或 234234q q p =+2222112342343[(5)(5)4][154]23223x x y y z z p a L C p a L S C L p L a L S L L L C L L -+--+-----=3S =?333arctan()S C q = 323431123423112343234(32)(154)3[(5)(5)4]arctan(32)[(5)(5)4]3(154)z z x x y y x x y y z z C L L p L a L S L S L p a L C p a L S C L C L L p a L C p a L S C L S L p L a L S L q ++-----+--=+-+--+---423423q q q q =--23411234511()arctanx y zx yC C a S a S a S a C a q ++=-23411234623411234()arctan()x y z x y zS C n S n C n S C o S n C o q -++=-++六自由度机械臂在相同的位姿下可能有8组解，根据实际情况选择其中最合适的一组解即可。
2.3.4逆运动学仿真同样利用MATLAB 中的Robotics Toolbox 工具箱，先建立六自由度机械臂模型，再使用逆解函数ikine 求出期望位姿下的6个关节角度值。
具体过程如下：L1=link([pi/2 0 0 2],'standard'); L2=link([0 4 0 0],'standard'); L3=link([0 4 0 0],'standard'); L4=link([-pi/2 2 0 0],'standard'); L5=link([pi/2 0 0 0],'standard'); L6=link([0 0 0 2],'standard'); r=robot({L1 L2 L3 L4 L5 L6}); ='6R_Robotarm';q=[-1.3402 1.0145 0.8256 1.0986 1.5809 2.1078]; drivebot(r,q);T=fkine(r,q);q1=ikine(r,T);fkine是求机械臂的正解函数，q向量为机械臂的六个关节角变量，ikine是求逆解函数，T为正运动学算出来的位姿，如果仿真结果正确，计算的q1应该与q相同。
