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机器人技术课程项目 智能涂胶避障装配多功能机器人姓 名： 指 导 教 师： 智能涂胶避障装配多功能机器人摘 要本次项目我们在掌握单片机的基础上，结合画图软件及matlab和机器人技术深入了解并掌握机械臂设计的知识。设计过程当中经过谈论，我们确定最后方案，然后用三维软件做出了最后方案机械臂的三维实体并做了具体操作分析，为了对其进行控制还进行了动力学分析，最终确定了实体的制作过程。报告主要包括：机械臂方案的讨论及确定，机械臂尺寸参数的确定，动力学分析及轨迹规划。 目 录目 录31、前 言：42、设计方案的确定42.1任务分析42.2设计参数：42.3具体项目任务要求53、参数的确定53.1机械手臂的设计53.1.1机械手臂杆数和轴数的确定53.2手臂尺寸的确定63.2.1机械臂一尺寸的确定63.1.3机械臂二、三尺寸的确定64、工作空间分析74.1空间模拟74.2初始位置：84.3运动学正解94.4运动学反解105、速度分析116、轨迹规划136.1各关节位移、速度、加速度曲线136.2详细程序157、 项目总结168、参考文献161、前 言：机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。在三级项目智能移动小车的基础上设计出机械臂和手爪，与小车组装为一体，通过程序控制，实现小车的避障，循迹，通讯，以及装配螺栓的动作。装配机器人智能小车主要由机械系统，环境识别系统，运动控制系统及机械臂控制系统组成。2、设计方案的确定2.1任务分析要求在已设计的智能小车上加装机械臂，如图1完成：1、 按动开关，启动生产线；2、 到涂胶工位完成涂胶；3、 找到迷宫入口，进入迷宫；4、 实现穿越迷宫；5、 寻迹；6、 到装配工位车体或机械臂旋转；7、 手爪张开8、 实现对指定工件的抓取和装配等一些列的动作。 2.2设计参数：工件的形状为球形或圆柱形，直径为70-120，重量小于0.5千克，胶刷尺寸同工件。涂胶中心线距地面高260mm,长400高200mm矩形区域的正弦曲线承料台的高度：300mm开关高度：310mm(280320mm)开关大小：60x60mm2.3具体项目任务要求本小车的第一任务为前半部分的涂胶避障过程，主要包括在迷宫的入口通过寻迹定位抓涂胶，然后然后通过智能避障系统走出迷宫；第二任务为后半部分的循迹和装配过程，主要包括小车循迹走到指定工作位置，然后用机械臂及手抓取零件并进行装配。3、参数的确定3.1机械手臂的设计3.1.1机械手臂杆数和轴数的确定 机械臂的机械结构很多，但是为了实现其抓球、放球及灌篮的功能，一般应采用有两个连杆组成的机械臂。关节可采用移动关节，也可以采用转动关节。 考虑到项目中的实际情况和手臂制作的可实现行，初步确定采用三杆转动关节的手臂。3.2手臂尺寸的确定3.2.1机械臂一尺寸的确定设计用的尺寸包括：小车的高度80mm；涂胶目标为中心线距地面高260mm的长400200mm的矩形区域内的正弦曲线，距扫描轨迹200mm，故机械臂末端执行器能达到的最低高度为160mm，最高高度为360mm；胶刷形状球形或圆柱形，直径70120mm，重量小于0.5kg；工件距平台上表面高300mm，承料台距轨迹距离为200300mm。根据实际的要求尺寸进行设计，首先我们需要确定手臂一的高度，手臂一的高度将会很大程度上影响手臂的长度，根据计算，手臂末端要达到的竖直高度为360mm，如果机座太高则整个机械手稳定性将降低，而机座太低则手臂长度便会相应增长，影响其强度，因此选机座高度为90mm；样基座将不会非常的稳定，为此，我们采用在三角铝合金的下面加木质垫片来稳定其位置，并用木质的支撑来支持基座，这样也可以很好的吸收舵机工作时产生的震动。3.1.3机械臂二、三尺寸的确定 根据要求，基座到承料台上工件的距离即机械手最大高度为300mm，而小车在装配时的停车位置距工件200-300mm。为保证机械手能抓到工件，我们选定260mmL2+L3340mm；而为保证机械手能完成涂胶工作，我们选定200mmL2+L3300mm。故200mmL2+L3360mm，即所设计的尺寸符合任务要求。涂胶工位的草图模拟：小车平台一杆二杆三杆3.2位移分析4、工作空间分析4.1空间模拟在solidworks中建立了机构简图后，直接描绘出工作空间，如图3 工作空间是以机械臂1末端为圆心，机械臂2和机械臂3差值为半径的小圆，和机械臂2和机械臂3的和为大圆所围成的圆环，再围绕机械臂1回转形成的空心球环。4.2初始位置：连杆参数：连杆参数iai-1(mm)i-1()di（mm）关节变量初值()100901020-90020318000304090120-说明：由几何关系算得连杆转角，带入验证x y z 的坐标关系。a1 a2 a3 表示连杆1、2、3的转角。最后解得，矩阵最后一列表示小球在原点坐标系中的位置。4.3运动学正解 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表示关节角a0=0 a1=0a2=150a3=0y0=(0/180)*pi %绕x轴转一定的角度y1=(-90/180)*piy2=(0/180)*piy3=(90/180)*pid1=90d2=0d3=0d4=100x1=(0/180)*pi %绕z轴转角度x2=(0/180)*pix3=(0/180)*pix4=(0/180)*piT10=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 1T21=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 1T32=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 1T43=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 1T40=T10*T21*T32*T43最后得出位姿为：T40 = 1 0 0 180 0 1 0 0 0 0 1 210 0 0 0 14.4运动学反解 反解程序:说明：代入坐标x=200，y=0， z=230。根据等式左右两端对应相等。解出关节旋转角度。syms a1 a2 a3 a4a4=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);%转化为角度值a11=vpa(a1*180/pi,6)a22=vpa(a2*180/pi,6)a33=vpa(a3*180/pi,6)运行结果：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 -177.771 180.0 180.05、速度分析说明：先求出雅克比矩阵，我们可以得到末端执行器速度与各关节的速度关系。在末端执行器速度已知的情况下求的各关节的速度。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 w3v=v1;v2;v3;w1;w2;w3;q=q1;q2;q3;ji=j*q;%等式左右两端矩阵中元素对应相等，列出三个方程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)运行结果：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*v36、轨迹规划6.1各关节位移、速度、加速度曲线说明：程序中速度，加速度函数先通过diff函数求得，再代入得到各曲线。关节1 （假设旋转角度30度）关节2关节三v6.2详细程序每个关节分别求出，改变a0,af值即可，其余部分不变。syms a2 a3 tf t;tf=5af=-60*pi/180;a0=84.3*pi/180; a1=0;f(tf)=a0+a1*tf+a2*tf2+a3*tf3-af ;v(tf)=a1+2*a2*tf+3*a3*tf2 ;a2,a3=solve(f(tf),v(tf),a2,a3)t=0:0.01:tf;f3=a0+a1*t+a2*t.2+a3*t.3subplot(2,2,1)plot(t,f3)gridxlabel(t/s);ylabel();title(位移时间曲线)v =(481*pi*t.2)/12500 - (481*pi*t)/2500 subplot(2,2,2);plot(t,v);grid;xlabel(t/s)ylabel(v)title(速度时间曲线)a =(481*pi*t)/6250 - (481*pi)/2500subplot(2,2,3);plot(t,a);grid;xlabel(t/s)ylabel(a)title(加速度时间曲线)7、 项目总结8、参考文献1. 刘杰 机电一体化技术基础与产品设计 冶金工业出版社,2003 2. W.BOLTON MECHATRONICS ELECTRONIC CONTROL SYSTEMSI IN MECHANICAL ENGINEERING Longman Scientific&technical 3. 李广弟 朱月秀 冷祖祁 单片机基础 北京航空航天大学出版社，20074. 熊有伦 机器人技术基础 华中科技大学出版社
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