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《機器人技術(shù)》課程項目 智能涂膠避障裝配多功能機器人 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 智能涂膠避障裝配多功能機器人 摘 要 本次項目我們在掌握單片機的基礎(chǔ)上，結(jié)合畫圖軟件及matlab和機器人技術(shù)深入了解并掌握機械臂設(shè)計的知識。設(shè)計過程當(dāng)中經(jīng)過談?wù)?，我們確定最后方案，然后用三維軟件做出了最后方案機械臂的三維實體并做了具體操作分析，為了對其進行控制還進行了動力學(xué)分析，最終確定了實體的制作過程。報告主要包括：機械臂方案的討論及確定，機械臂尺寸參數(shù)的確定，動力學(xué)分析及軌跡規(guī)劃。 目 錄 目 錄 3 1、前 言： 4 2、設(shè)計方案的確定 4 2.1任務(wù)分析 4 2.2設(shè)計參數(shù)： 4 2.3具體項目任務(wù)要求 5 3、參數(shù)的確定 5 3.1機械手臂的設(shè)計 5 3.1.1機械手臂桿數(shù)和軸數(shù)的確定 5 3.2手臂尺寸的確定 6 3.2.1機械臂一尺寸的確定 6 3.1.3機械臂二、三尺寸的確定 6 4、工作空間分析 7 4.1空間模擬 7 4.2初始位置： 8 4.3運動學(xué)正解 9 4.4運動學(xué)反解 10 5、速度分析 11 6、軌跡規(guī)劃 13 6.1各關(guān)節(jié)位移、速度、加速度曲線 13 6.2詳細程序 15 7、 項目總結(jié) 16 8、參考文獻 16 1、前 言： 機械手臂是目前在機械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實際應(yīng)用的自動化機械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個共同的特點，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點進行作業(yè)。在三級項目智能移動小車的基礎(chǔ)上設(shè)計出機械臂和手爪，與小車組裝為一體，通過程序控制，實現(xiàn)小車的避障，循跡，通訊，以及裝配螺栓的動作。裝配機器人智能小車主要由機械系統(tǒng)，環(huán)境識別系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)及機械臂控制系統(tǒng)組成。 2、設(shè)計方案的確定 2.1任務(wù)分析 要求在已設(shè)計的智能小車上加裝機械臂，如圖1完成： 1、 按動開關(guān)，啟動生產(chǎn)線； 2、 到涂膠工位完成涂膠； 3、 找到迷宮入口，進入迷宮； 4、 實現(xiàn)穿越迷宮； 5、 尋跡； 6、 到裝配工位車體或機械臂旋轉(zhuǎn)； 7、 手爪張開 8、 實現(xiàn)對指定工件的抓取和裝配等一些列的動作。 2.2設(shè)計參數(shù)： 工件的形狀為球形或圓柱形，直徑為70-120，重量小于0.5千克，膠刷尺寸同工件。 涂膠中心線距地面高260mm,長400高200mm矩形區(qū)域的正弦曲線 承料臺的高度：300mm 開關(guān)高度：310mm(280~320mm) 開關(guān)大?。?0x60mm 2.3具體項目任務(wù)要求 本小車的第一任務(wù)為前半部分的涂膠避障過程，主要包括在迷宮的入口通過尋跡定位抓涂膠，然后然后通過智能避障系統(tǒng)走出迷宮；第二任務(wù)為后半部分的循跡和裝配過程，主要包括小車循跡走到指定工作位置，然后用機械臂及手抓取零件并進行裝配。 3、參數(shù)的確定 3.1機械手臂的設(shè)計 3.1.1機械手臂桿數(shù)和軸數(shù)的確定 機械臂的機械結(jié)構(gòu)很多，但是為了實現(xiàn)其抓球、放球及灌籃的功能，一般應(yīng)采用有兩個連桿組成的機械臂。關(guān)節(jié)可采用移動關(guān)節(jié)，也可以采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。 考慮到項目中的實際情況和手臂制作的可實現(xiàn)行，初步確定采用三桿轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的手臂。 3.2手臂尺寸的確定 3.2.1機械臂一尺寸的確定 設(shè)計用的尺寸包括：小車的高度80mm；涂膠目標(biāo)為中心線距地面高260mm的長400200mm的矩形區(qū)域內(nèi)的正弦曲線，距掃描軌跡200mm，故機械臂末端執(zhí)行器能達到的最低高度為160mm，最高高度為360mm；膠刷形狀球形或圓柱形，直徑70~120mm，重量小于0.5kg；工件距平臺上表面高300mm，承料臺距軌跡距離為200~300mm。 根據(jù)實際的要求尺寸進行設(shè)計，首先我們需要確定手臂一的高度，手臂一的高度將會很大程度上影響手臂的長度，根據(jù)計算，手臂末端要達到的豎直高度為360mm，如果機座太高則整個機械手穩(wěn)定性將降低，而機座太低則手臂長度便會相應(yīng)增長，影響其強度，因此選機座高度為90mm；樣基座將不會非常的穩(wěn)定，為此，我們采用在三角鋁合金的下面加木質(zhì)墊片來穩(wěn)定其位置，并用木質(zhì)的支撐來支持基座，這樣也可以很好的吸收舵機工作時產(chǎn)生的震動。 3.1.3機械臂二、三尺寸的確定 根據(jù)要求，基座到承料臺上工件的距離即機械手最大高度為300mm，而小車在裝配時的停車位置距工件200-300mm。為保證機械手能抓到工件，我們選定260mm360mm，即所設(shè)計的尺寸符合任務(wù)要求。 涂膠工位的草圖模擬： 小車平臺 一桿 二桿 三桿 3.2位移分析 4、工作空間分析 4.1空間模擬 在solidworks中建立了機構(gòu)簡圖后，直接描繪出工作空間，如圖3 工作空間是以機械臂1末端為圓心，機械臂2和機械臂3差值為半徑的小圓，和機械臂2和機械臂3的和為大圓所圍成的圓環(huán)，再圍繞機械臂1回轉(zhuǎn)形成的空心球環(huán)。 4.2初始位置： 連桿參數(shù)： 連桿參數(shù)i ai-1(mm) αi-1() di（mm） 關(guān)節(jié)變量 初值() 1 0 0 90 θ1 0 2 0 -90 0 θ2 0 3 180 0 0 θ3 0 4 0 90 120 - - 說明：由幾何關(guān)系算得連桿轉(zhuǎn)角，帶入驗證x y z 的坐標(biāo)關(guān)系。a1 a2 a3 表示連桿1、2、3的轉(zhuǎn)角。最后解得，矩陣最后一列表示小球在原點坐標(biāo)系中的位置。 4.3運動學(xué)正解 正解程序： syms a0 a1 a2 a3 y0 y1 y2 y3 %yi表示扭角， d1 d2 d3 d4 x1 x2 x3 x4 xi表示關(guān)節(jié)角 a0=0 a1=0 a2=150 a3=0 y0=(0/180)*pi %繞x軸轉(zhuǎn)一定的角度 y1=(-90/180)*pi y2=(0/180)*pi y3=(90/180)*pi d1=90 d2=0 d3=0 d4=100 x1=(0/180)*pi %繞z軸轉(zhuǎn)@角度 x2=(0/180)*pi x3=(0/180)*pi x4=(0/180)*pi T10=[cos(x1) -sin(x1) 0 a0;sin(x1)*cos(y0) cos(x1)*cos(y0) -sin(y0) -d1*sin(y0);sin(x1)*sin(y0) cos(x1)*sin(y0) cos(y0) d1*cos(y0);0 0 0 1] T21=[cos(x2) -sin(x2) 0 a1;sin(x2)*cos(y1) cos(x2)*cos(y1) -sin(y1) -d2*sin(y1);sin(x2)*sin(y1) cos(x2)*sin(y1) cos(y1) d2*cos(y1);0 0 0 1] T32=[cos(x3) -sin(x3) 0 a2;sin(x3)*cos(y2) cos(x3)*cos(y2) -sin(y2) -d3*sin(y2);sin(x3)*sin(y2) cos(x3)*sin(y2) cos(y2) d3*cos(y2);0 0 0 1] T43=[cos(x4) -sin(x4) 0 a3;sin(x4)*cos(y3) cos(x4)*cos(y3) -sin(y3) -d4*sin(y3);sin(x4)*sin(y3) cos(x4)*sin(y3) cos(y3) d4*cos(y3);0 0 0 1] T40=T10*T21*T32*T43 最后得出位姿為： T40 = 1 0 0 180 0 1 0 0 0 0 1 210 0 0 0 1 4.4運動學(xué)反解 反解程序: 說明：代入坐標(biāo)x=200，y=0， z=230。根據(jù)等式左右兩端對應(yīng)相等。解出關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度。 syms a1 a2 a3 a4 a4=0*pi/180; x=220; y=300; z=0; t10=[cos(a1) -sin(a1) 0 100;sin(a1) cos(a1) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1]; t21=[cos(a2) -sin(a2) 0 100;sin(a2) cos(a2) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1]; t32=[cos(a3) -sin(a3) 0 150;sin(a3) cos(a3) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1]; t43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;0 0 -1 -100;sin(a4) cos(a4) 0 0;0 0 0 1]; t=t10*t21*t32*t43; f1=x-t(1,4); f2=y-t(2,4); f3=z-t(3,4); [a1,a2,a3]=solve(f1,f2,f3,a1,a2,a3); %轉(zhuǎn)化為角度值 a11=vpa(a1*180/pi,6) a22=vpa(a2*180/pi,6) a33=vpa(a3*180/pi,6) 運行結(jié)果： a11 = 0 0 180.0 180.0 180.0 180.0 a22 = -62.4756 -3.33493 -117.524 -176.665 57.2958*z 57.2958*z a33 = -177.771 -2.22873 -2.22873 -177.771 180.0 180.0 5、速度分析 說明：先求出雅克比矩陣，我們可以得到末端執(zhí)行器速度與各關(guān)節(jié)的速度關(guān)系。在末端執(zhí)行器速度已知的情況下求的各關(guān)節(jié)的速度。 a1=0*pi/180; a2=0*pi/180; a3=180*pi/180; a4=0*pi/180; d1=90; d2=0; d3=0; d4=120; t10=[cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1) cos(a1) 0 0;0 0 1 d1;0 0 0 1]; t21=[cos(a2) -sin(a2) 0 0;0 0 1 d2;sin(a2) cos(a2) 0 0;0 0 0 1]; t32=[cos(a3) -sin(a3) 0 200;sin(a3) cos(a3) 0 0;0 0 1 d3;0 0 0 1]; t43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;0 0 -1 -160;sin(a4) cos(a4) 0 0;0 0 0 1]; t20=t10*t21; t30=t20*t32; t40=t30*t43; t41=t21*t32*t43; t42=t32*t43; z1=[t10(1,3);t10(2,3);t10(3,3)]; z2=[t20(1,3);t20(2,3);t20(3,3)]; z3=[t30(1,3);t30(2,3);t30(3,3)]; z4=[t40(1,3);t40(2,3);t40(3,3)]; p1=[t41(1,4);t41(2,4);t41(3,4)]; p2=[t42(1,4);t42(2,4);t42(3,4)]; p3=[t43(1,4);t43(2,4);t43(3,4)]; r1=[t10(1,1) t10(1,2) t10(1,3); t10(2,1) t10(2,2) t10(2,3); t10(3,1) t10(3,2) t10(3,3)]; r2=[t20(1,1) t20(1,2) t20(1,3); t20(2,1) t20(2,2) t20(2,3); t20(3,1) t20(3,2) t20(3,3)]; r3=[t30(1,1) t30(1,2) t30(1,3); t30(2,1) t30(2,2) t30(2,3); t30(3,1) t30(3,2) t30(3,3)]; p11=cross(z1,r1*p1); p22=cross(z2,r2*p2); p33=cross(z3,r3*p3); j=[p11(1,1) p22(1,1) p33(1,1); p11(2,1) p22(2,1) p33(2,1); p11(3,1) p22(3,1) p33(3,1); z1(1,1) z2(1,1) z3(1,1); z1(2,1) z2(2,1) z3(2,1); z1(3,1) z2(3,1) z3(3,1);] syms q1 q2 q3 q4 q5 q6 v1 v2 v3 w1 w2 w3 v=[v1;v2;v3;w1;w2;w3]; q=[q1;q2;q3]; ji=j*q; %等式左右兩端矩陣中元素對應(yīng)相等，列出三個方程 f1=v(1,1)-ji(1,1); f2=v(2,1)-ji(2,1); f3=v(3,1)-ji(3,1); [q1,q2,q3]=solve(f1,f2,f3,q1,q2,q3); q1=vpa(q1,6) q2=vpa(q2,6) q3=vpa(q3,6) 運行結(jié)果： j = 0 160.0000 160.0000 200.0000 0 0 0 -200.0000 -0.0000 0 0 0 0 1.0000 1.0000 1.0000 0 0 q1 = 0.005*v2 q2 = - 6.12323e-19*v1 - 0.005*v3 q3 = 0.00625*v1 + 0.005*v3 6、軌跡規(guī)劃 6.1各關(guān)節(jié)位移、速度、加速度曲線 說明：程序中速度，加速度函數(shù)先通過diff函數(shù)求得，再代入得到各曲線。 關(guān)節(jié)1 （假設(shè)旋轉(zhuǎn)角度30度） 關(guān)節(jié)2 關(guān)節(jié)三 v6.2詳細程序 每個關(guān)節(jié)分別求出，改變a0,af值即可，其余部分不變。 syms a2 a3 tf t; tf=5 af=-60*pi/180; a0=84.3*pi/180; a1=0; f(tf)=a0+a1*tf+a2*tf^2+a3*tf^3-af ; v(tf)=a1+2*a2*tf+3*a3*tf^2 ; [a2,a3]=solve(f(tf),v(tf),a2,a3) t=0:0.01:tf; f3=a0+a1*t+a2*t.^2+a3*t.^3 subplot(2,2,1) plot(t,f3) grid xlabel(t/s); ylabel(θ); title(位移時間曲線) v =(481*pi*t.^2)/12500 - (481*pi*t)/2500 subplot(2,2,2); plot(t,v); grid; xlabel(t/s) ylabel(v) title(速度時間曲線) a =(481*pi*t)/6250 - (481*pi)/2500 subplot(2,2,3); plot(t,a); grid; xlabel(t/s) ylabel(a) title(加速度時間曲線) 7、 項目總結(jié) 8、參考文獻 1. 劉杰 機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)與產(chǎn)品設(shè)計 冶金工業(yè)出版社,2003 2. W.BOLTON MECHATRONICS ELECTRONIC CONTROL SYSTEMSI IN MECHANICAL ENGINEERING Longman Scientific&technical 3. 李廣弟 朱月秀 冷祖祁 單片機基礎(chǔ) 北京航空航天大學(xué)出版社，2007 4. 熊有倫 機器人技術(shù)基礎(chǔ) 華中科技大學(xué)出版社