毕业设计说明书--模块式六自由度机器人控制系统设计.doc
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学校代码:
10128
学号:
本科毕业设计说明书
(
题目:
模块式六自由度机器人控制系统设计
学生姓名:
学院:
机械学院
系别:
机械系
专业:
机械电子工程
班级:
指导教师:
职称:
二〇一三年六月
内蒙古工业大学本科毕业设计说明书
摘要
近二十年来,机器人技术的发展非常迅速,各种用途机器人在各个领域获得广泛应用。
我国在机器人的应用和研究方面与工业化发达国家相比还有一定差距,因此设计和研究各种用途的机器人特别是推广机器人、工业机器人的应用是有现实的意义。
典型的工业机器人例如喷装配机器人、漆机器人、焊接机器人等大多是固定在加工设备旁边或生产线作业的,本论文在参考大量的文献资料的基础上,结合了项目的要求,设计一种小型的、固定在AGV上的、以实现移动的串联六自由度机器人。
首先,针对机器人设计要求提出了多个方案,并且对其进行分析和比较,选择其中最优的结构设计方案;然后进行运动学分析,用D一H方法来建立坐标变换矩阵,推算出运动方程的正解和逆解;用矢量积法推导速度雅可比矩阵,并计算包括腕点在内的一些点的速度和位移;然后借助坐标的变换矩阵进行工作空间的分析。
这些工作为移动式机器人的运动控制、结构设计和动力学分析提供了依据。
最后运用已有的六自由度机械手及其手爪的三维造型和装配,将模型导入proteus中,并进行运动学仿真对其结果进行了分析,并且对在机械设计中使用的虚拟样机技术做了尝试,积累了经验。
关键词:
6自由度机器人;运动学分析;仿真
ABSTRACT
InthePasttwentyyears,therobottechnologyhasbeendevelopedgreatlyandusedinmanydifferentfields.Thereisalargegapbetweenourcountryandthedevelopedcountriesinresearchandapplicationoftherobottechnologysothattherewillbeagreatvaluetostudy,designandapplieddifferentkindsofrobots,especiallyindustrialrobots.
Mosttypicalindustrialrobotssuchasweldingrobot,paintingrobotandassemblyrobotareallfixedontheproductlineornearthemachiningequipmentwhentheyareworking.Basedonlargernumberofrelativeliteraturesandcombinedwiththeneedofproject,theauthorhavedesignedakindofsmall一sizeserialrobotwith6degreeoffreedomwhichcanbefixedontheAGVtoconstructamobilerobot.
Firstofall,severalkindsofschemeswereproposedaccordingtothedesigndemand.Thebestschemewaschosenafteranalysisandcomparingandthestructurewasdesigned.Atsametime,Thekinematicsanalysiswasconducted,coordinatetransformationmatrixusingD一Hmethodwassetup,andthekinematicsequationdirectsolutionandinversesolutionwasdeduced,thematrixwasconstructedusingvectorproductmethod,andthevaluesdisplacementandvelocityofsomespecialpointincludingthewristpointwerecalculated.Secondly,theworkingspaceoftherobotwasanalyzedandtheaxessectionofpracticalworkingspacewasdrawn.Theseworksprovidedabasistostructuredesign,kinematicsandcontrol.
Atlastdothecompletionofsixdegreesoffreedommanipulator’sandgripper’sthree-dimensionalmodelingandassembly.modelswillbeimportedinproteus,anddothesimulationandkinematics,andthesimulationresultwasanalyzed.Intheexperiment,theauthortriedtousethevirtualprototypingtechnologyinmechanismdesign.
Keywords:
Sixdegreesoffreedomrobot;KinematicsAnalysis;simulation
目录
摘要 2
ABSTRACT 3
目录 4
第一章绪论 1
1.1机器人概述 1
1.2模块式六自由度机器人概述 1
1.2.1机器人分类 1
1.2.2自由度理论概述 2
1.2.3模块式六自由度机器人的应用 2
1.3主要研究内容 3
第二章运动学分析 4
2.1概述 4
2.2运动学分析 4
2.2.1空间机构位置的描述 4
2.2.2空间机构中两任意坐标系的变换关系 9
2.2.3工业机器人运动学方程 11
2.3机构的运动学分析 11
2.3.1机构尺寸参数 11
2.3.2机构的运动学方程 13
第三章模块式六自由度机器人控制系统硬件设计 15
3.1总体控制方案设计 15
3.2步进电机选取及控制设计 15
3.2.1步进电机原理及控制技术 15
3.2.2步进电机的换向控制 17
3.2.3步进电机的选取 17
3.3ULN2003驱动器 18
3.489C51控制设计 21
3.4.1AT89C51简介 21
3.4.2AT89C51最小系统 21
3.4.3AT89C51系统设计 22
第四章模块式六自由度机器人控制系统仿真设计 25
4.1仿真软件概述 25
4.1.1protues简介 25
4.1.2KeilC51简介 25
4.2仿真系统设计 25
4.2.1仿真系统组成 25
4.2.2仿真系统程序设计 25
4.3运行调试结果 26
结果 26
参考文献 28
致谢 29
附录:
程序代码 30
第一章绪论
1.1机器人概述
机器人是种能够进行编程,并在自动控制下执行移动作业任务或某种操作的机械装置。
机器人技术综合了电子工程、机械工程、人工智能、及计算机技术等多种科学的最新研究成果,是典型的机电一体化技术代表,是在当代科技发展最活跃领域。
机器人的制造研究与应用正受到越来越多的工业国家的重视。
近十几年来,工业机器人技术发展非常迅速,各种工业机器人的在各个领域各种用途中获得广泛应用。
1.2模块式六自由度机器人概述
1.2.1机器人分类
关于机器人如何分类,在国际上没有制定统一标准,有的按控制方式分,有的按负载重量分,有的按应用领域分,有的按结构分,有的按自由度分。
一般的分类方式:
多功能,有几个自由度,操作型机器人,能自动控制,可固定或运动,可重复编程,用于相关自动化系统之中。
程控型机器人,按预先要求的条件及顺序,依次控制工业机器人的机械动作。
“示教再现型”机器人,可以通过引导或者其它方式,首先教会机器人执行动作,输入工作程序,则机器人可自动重复进行作业。
感觉控制型机器人,通过传感器获取的信息来控制机器人的动作。
数控型的机器人,不必使机器人动作,通过语言、数值等对机器人进行示教,根据机器人示教后的信息进行工作。
适应控制型机器人,机器人能适应变化中环境,控制自身的行动。
学习控制型机器人,具有一定的学习功能,机器人能“体会”工作的经验,并将所“学”的经验用于作业中。
智能型机器人,以人工智能决定其机器人的行动。
1.2.2自由度理论概述
自自度的概念:
工业机器人的空间机构一般都为多关节,其运动副通常有转动副和移动副两种。
移动关节是以移动副相连的关节。
相应地,转动关节是以转动副相连的关节。
在这些关节之中,单独驱动的关节被称为主动关节。
主动关节的数目就是机器人的自由度。
由机械原理可知,机构具有运动确定时必须所给定的独立运动参数数目,称为机构的自由度(degreeoffreedomofmechanism),其数目通常表示为F。
如果一个构件组合体自由度F>0,他就可以称为一个机构,也就是表明各构件间可有相对的运动;如果F=0,则表明它是一个结构(structure),即已退化成为一个构件。
机构自由度分为平面的机构自由度和空间的机构自由度。
一个原动件只能提供一个独立的参数。
1.2.3模块式六自由度机器人的应用
六自由度机器人是一种典型工业机器人,在装配、自动搬运、喷涂、焊接、等工业现场中有广泛应用。
固高科技GRB系列的六自由度机器人是固高先进的设计与成熟完备的运动控制技术和教学理念有机结合的产物,它既满足工业现场的要求,也是教学与科研机构进行编程系统设计和运动规划的理想对象。
该机器人采用六关节的串联结构,各个关节以“精密谐波减速器+绝对编码器电机”为传动。
在小臂处留有气动工具、安装摄像头等外部设备的接口,并且提供备用的电气接口,方便用户进行功能的扩展。
机器人控制方面,采用集成的PC技术、逻辑控制、图像技术及具有专业运动控制技术的VME运动控制器,高速高精度,性能可靠稳定。
工业机器人广泛应用于工业领域。
工业机器人一般是指在工厂车间的环境中,配合自动化生产需要,代替人来完成零件或材料的加工、装配、搬运等操作的一种工业机器人。
工业机器人定义为:
“一种可重复编程的、自动定位控制、多自由度、多功能的操作机。
能搬运零件、材料或操持工具,用以完成各种作业。
”
操作机被定义为:
“具有与人的手臂有相似的动作功能,可以在空间抓放物体或者进行其它操作的机械装置。
”
一个典型的机器人系统由通讯接口、本体、计算机控制系统、传感系统、关节伺服驱动系统等部分组成。
一般多自由度的串联机器人具有4~6个的自由度,其中2~3个自由度用来决定末端执行器在空间的位置,其余的2~3个自由度用来决定了末端执行器在空间的姿态。
1.3主要研究内容
通过查阅了大量的文献资料,并且系统学习了机器人的技术知识,同时对国内外的机器人,主要是对六自由度机器人的现状有了比较详细了解。
在这个基础上,结合了作者本人设想,和设计工作中需要解决的问题,主要进行以下几项工作:
(1)调研收集分析有关六自由度机器人的资料,总结其机构与工作特点;
(2)找到合适六自由度机器人的机构方案;
(3)模块式六自由度机器人控制系统设计;
(4)六自由度机器人运动学分析与仿真;
(5)利用动力学分析软件proteus对六自由度机器人模型进行运动学仿真,对在设计中使用虚拟样机技术进行探索和尝试。
第二章运动学分析
2.1概述
多自由度机器人其实是具有多个关节空间机构,为了描述在空间中末端执行器的姿态和位置,可以建立一个坐标系在每个关节上,利用坐标系之间的关系去描述末端执行器的位姿。
建立坐标系的方法有很多种,常用的有D一H法(四参数法)和矩阵变换法及五参数法等。
D一H法(四参数法)是由Denavit和Hartenberg1955年提出的一种建立相对的位姿的矩阵方法。
它用齐次变换来描述各个连杆相对于固定的参考系空间几何关系,用一个4x4齐次变换矩阵来描述相临两连杆的空间关系,从而推导出了“基坐标系”相对于“末端执行器坐标系”的等价齐次坐标变换矩阵,它把一个矢量从一个坐标系中转换到另一个坐标系中,每一个矩阵可以同时实现以下两个作用:
平移和旋转。
建立操作臂运动方程。
本文中用的D一H法来建立坐标系并且推导该机器人的运动方程。
2.2运动学分析
2.2.1空间机构位置的描述
1.点的位置描述
空间任一点P的位置在直角坐标系{A}中可用(3ⅹ1)的位置矢量Ap来表示如图2-1为:
图2-1点的位置描述
点P的三个位置坐标分量分别是Px、Py、Pz 。
2.点的齐次坐标
上述坐标用(4ⅹ1)列阵表示,被称为三维空间点P的齐次坐标,比如:
齐次坐标是并不唯一的,当列阵每一项分别去乘以一个非零因子ω都表示P点。
3.坐标轴方向的描述
在直角坐标系中,x,y,z轴的单位向量可用、、表示,则用齐次坐标描述x、y、z轴的方向:
规定:
以列阵且a2+b2+c2=1表示某矢量的方向。
如列阵
中的第四个元素不为零,则表示空间某点的位置。
如图2-2中矢量的方向可表示为:
图2-2坐标轴方向的描述
其中a=cosα,b=cosβ,c=cosγ。
v点坐标为:
4.动坐标系位姿的描述
用位姿矩阵对坐标系各轴方向和动坐标系原点位置进行描述,例如原始的直角坐标系可以描述为:
如描述一个任意的坐标系R,则利用其三个坐标轴xR、yR、zR在原始的坐标系中表示矢量齐次列阵与列阵[0001]T组成。
5.刚体位姿的描述
机器人的每一个连杆都可以看做一个刚体。
当给定刚体上某一点位置与该刚体在空中的姿态,于是刚体在空间上的位姿便是唯一确定的了,可用唯一一个位姿矩阵来描述。
如图2-3刚体o’x’y’z’是固连于刚体上的一个坐标系,称为动坐标系。
刚体Q在固定坐标系OXYZ中位置的齐次坐标形式为:
图2-3刚体的位置和姿态描述
、、分别为x’,y’,z’坐标轴的单位向量:
刚体的位姿表示为齐次矩阵:
6.手部位姿的描述
如图2-4机器人手的位姿可用固连于手的坐标系{B}的位姿表示
图2-4机器人手部的位置和姿态描述
(1)原点:
手部中心点为原点OB
(2)接近矢量:
关节轴方向的单位向量
(3)姿态矢量:
手指连线方向的矢量
(4)法相矢量:
即法向矢量同时垂直于姿态矢量和接近矢量。
手部位置矢量为从固定参考坐标系OXYZ原点指向手部坐标系{B}原点矢量P,手部的位姿矩阵为:
7.目标物位姿的描述
任何一种物体在空间中的位置和姿态都可以用齐次矩阵表示。
图2-5楔块Q的情况可用6个点来描述:
使Q①绕z轴旋转90°:
Rot(z,90°)
②再绕y轴旋转90°:
Rot(y,90°)
③再沿x轴方向平移4:
Trans(4,0,0)
楔块变为图(b)状态。
图2-5目标物的位置和姿态描述
2.2.2空间机构中两任意坐标系的变换关系
刚体的旋转、平移运动均可由齐次变换矩阵来表示,刚体变换后的位姿由其原始描述矩阵乘以齐次变换矩阵而得到。
1.平移的齐次变换
如图2-6,A点(x,y,z)平移至A’(x’,y’,z’
即:
记为:
其中称为平移算子。
图2-6点的平移变换
2.旋转的齐次变换
如图2-7,A点绕z轴旋转角后移至A’,即
图2-7点的旋转变换
推导:
设A点在xoy平面上投影的长度为r,与x轴夹角为α。
则
即z坐标未变,故z’=z写成矩阵形式为
记为
同理:
图2-8中为任意过原点的单位矢量,其在三个坐标轴上分量为kx,ky,kz,且。
若A点绕旋转θ角,则可以证明,其旋转齐次变换矩阵为
Rot(k,θ)
图2-8点的一般旋转变换
2.2.3工业机器人运动学方程
齐次变换矩阵Ai表示可连杆i坐标系相对于连杆坐标系i-1位姿变换矩阵。
例如A1表示连杆1相对连杆0(基座),A2矩阵表示连杆1坐标系相对于连杆1坐标系的位姿变换。
连杆2相对固定坐标系的位姿可用A2和A1的乘积表示T2=A1A2
依此类推,对于六连杆机器人,于是有下列矩阵:
T6=A1A2A3A4A5A6,上述等式称为机器人的运动学方程。
T6表示手部坐标相对于固定参考系的位姿。
或前三列表示手部的姿态;
或第四列表示手部中心点的位置。
2.3机构的运动学分析
2.3.1机构尺寸参数
机构模型如图2-9、图2-10所示:
图2-9机构模型
图2-10机构模型
根据模型尺寸,姿态连杆长度分别为49、50、123。
位置的初始值为:
设两个移动装置的传动比为;所有传动机构的传动比为。
各个电机的转角位。
2.3.2机构的运动学方程
前三个关节确定了末端的主要位置。
以初始状态的小臂方向为轴正方向;大臂伸长方向为轴正方向,建立空间坐标系。
则初始状态位置方程为:
位姿方程为:
第四关节的旋转齐次变换矩阵为:
第四关节的移动变换矩阵为:
第五关节的旋转齐次变换矩阵中设为旋转的环绕单位矢量,、、分别为、、轴的三个分量。
则:
,,。
所以:
第六关节的移动矩阵:
第三章模块式六自由度机器人控制系统硬件设计
3.1总体控制方案设计
如前所述,该机器人可用于制造车间的物流系统中工件的装夹、搬运和日常生活中的看护、持物等。
要求工作范围大,动作灵活,被夹持物应具有多种多样姿态,自由度为6个,重量轻,结构紧凑。
则本设计方案如图3-1所示:
图3-1总体方案
3.2步进电机选取及控制设计
步进电机是一种进行精确的步进运动的机电执行元件,它可广泛应用于工业机械中的数字控制,为使系统的通用性、可维护性、可靠性以及性价比最优,根据控制系统功能的要求及步进电机的应用环境,确定了设计系统的硬件与软件的功能划分,从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。
3.2.1步进电机原理及控制技术
步进电机是种将电脉冲信号转换成了直线或角位移的执行元件,它是不能直接接到交直流电源上的,而必须使用专业的设备——步进电机控制驱动器,典型的步进电机控制系统:
控制器可以发出从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲频率脉冲信号,它为环形分配器来提供脉冲序列,环形分配器的功能主要是把来自控制环节的脉冲按一定的规律分配后,经过功率放大器放大加到步进电机的驱动电源各项输入端,用以驱动步进电机的转动,环形的分配器主要有两大类:
一类用计算机软件设计的方法实现环形分配器的要求功能,通常称为软环形分配器。
另一类则是用硬件构成的环形分配器,通常称为硬环形分配器。
功率放大器主要是对环形分配器的较小输出信号进行放大,以达到驱动步进电动机的目的,步进电机基本控制包括速度控制和转向控制两个方面。
从结构上来看,步进电机分为三相六拍、三相单三拍和三相双三拍3种,其基本原理如下:
(1)换相顺序的控制
通电换相这一过程被称为脉冲分配。
例如,三相步进电动机在单三拍工作方式下,其各相通电的顺序为A→B→C→A,通电控制脉冲必须严格的按照这一顺序,分别控制A、B、C相的通断。
三相六拍的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A,三相双三拍通电顺序为AB→BC→CA→AB。
(2)步进电机的换向控制
如果给定的工作方式正序换相通电,则步进电机正转。
若步进电机励磁方式为三相六拍,也就是A→AB→B→BC→C→CA→A。
如果是按反序通电换相,则A→AC→C→CB→B→BA→A,电机就反转。
其他方式的情况类似。
(3)步进电机的速度控制
如果给步进电机发送一个控制脉冲,它就会转一步,再发送一个脉冲,它就会再转一步。
两个脉冲间隔越短,步进电机就转动得越快。
调整送给步进电动机的脉冲频率,就能够对步进电机进行调试。
(4)步进电机的起停控制
由于步进电机的电气特性,运转时就会有步进感。
为了使电动机转动平滑,减小振动,则可在步进电机控制脉冲上升沿和下降沿采用细分梯形波,可以减小步进电机步进角,跳过电动机运行的平稳性。
则在步进电机停转时,为防止因惯性而使电机轴来产生顺滑,则需要采用合适的锁定波形,来产生锁定磁力矩和锁定步进电机的转轴,促使步进电机转轴不能自由的转动。
(5)步进电机的加减速控制
通过实验发现,在步进电机控制系统中,如果信号变化的太快,步进电机则由于惯性而跟不上电信号变化,这时就会产生堵转与失步现象。
所有的步进电机在启动时,必须具有加速过程,在停止时波形时有减速过程。
理想加速曲线一般是指数曲线,步进电机的整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程的频率变化规律逆过程。
选定的曲线符合步进电机的升降过程的运行规律,并且能充分利用步进电机快速响应性好,有效转矩,缩短了升降速的时间,并且可防止过冲和失步现象。
在一个实际的控制系统之中,要根据负载情况来选择步进电机。
步进电机能够响应而不失步的最高步进频率被称为“启动频率”,于此类似的“停止频率”则是指系统控制信号的突然关断,步进电机不能冲过目标位置最高步进频率。
电机的输出转矩、停止频率和启动频率都要与负载的转动惯量相适应,拥有了
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