机器人基础三级项目.docx
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机器人基础三级项目.docx
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机器人基础三级项目
燕山大学
课程研究项目报告
自平衡小车机器人系统的
设计与制作
学院
:
机械工程学院
年级专业
:
机电2012—1/2班
课程名称
:
机电一体化系统设计
组号
:
3
学生姓名
:
武进、熊进、冯少日、张陶然
组内分工
:
张三,车体设计与组装,45%
李四,软件设计与调试,55%
指导教师
:
姚建涛、刘晓飞
日期
:
2015.10
摘要
本报告主要介绍打磨机器人的机械臂和机械手的设计方法、思路、原理以及运动控制等,并结合智能车结构绘制三维图、模拟仿真以及计算分析实现打磨、抓取等工作要求。
报告主要分为三大部分:
第一部分为进行机械臂方案选取,通过综合考虑选择最优方案,并绘制三维图;第二部分也是最重要的步骤为工作空间的分析(包括求运动学正解与反解)、速度分析与轨迹规划;第三部分为设计总结及心得体会。
通过设计过程中查阅大量资料,组内组间积极讨论最终形成此最终报告,但能力有限,对于本报告中的不足与错误希望老师批评指正。
关键词:
机械臂,方案选取,三维图,工作空间,速度,轨迹规划
前言
机器人学是一门迅速发展的综合性前沿学科,进入21世纪,人类对空间的利用越来越迫切,随着航天技术的发展,人类在太空中的活动也越来越多。
未来将有大量的空间生产、空间加工、空间装配和空间设备的维护修理工作要做。
但是,由于空间操作环境的特殊性和不确定性,以及载人航天技术的限制,太空中仍然需要由机器人来代替人进行一系列的作业。
因此,,机器人的研发技术将成为未来宇宙开发过程的关键技术之一。
现普遍将机器人划分为两类:
一般机器人和智能机器人。
一般机器人是指不具有智能,只具有一般编程能力和操作功能的机器人。
到目前为止,在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。
大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素:
一是感觉要素,用来认识周围环境状态;二是运动要素,对外界做出反应性动作;三是思考要素,根据感觉要素所得到的信息,思考出采用什么样的动作。
本次课程设计的打磨机器人小车属于智能机器人的范畴,集中了计算机、机构学、传感技术、电子技术、人工智能及自动控制等多科。
为了实现打磨以及抓取、移动、放置物体等功能,机械臂与机械手的设计尤为重要。
本次项目对于我们扩展思路、分析问题、解决问题的能力进行了综合性锻炼,也将对今后职业生涯产生重要影响。
前言.....................................................................I
第1章设计方案的确定...................................................1
第2章参数确定..........................................................8
2.1机械手臂的设计.................................................10
2.2位移分析..................................................11
2.3机械手爪设计..................................................11
第3章工作空间分析.....................................................12
3.1运动学正解.................................................13
3.2运动学反解...................................................15
第4章速度分析.....................................................16
第5章轨迹规划..........................................................17
第6章项目总结..........................................................18
第7章心得体会..........................................................18
第8章参考文献..........................................................18
第1章设计方案与参数确定
1.1机械手臂的设计
该设计设计方案有如下三种:
(1)该机械臂有3个转动关节,此结构比较简单,易制造,但由于它的工作范围相对较小,所以不采取这种方案。
图3-1(a)
(2)该机械臂有4个转动关节,手腕的转动用于实现工件的位姿变化更顺畅。
此结构比较简单,易制造,它的工作范围也相对较大,但由于所抓取的工件有一定的质量,单臂刚度尅能会受到限制,所以不易采取这种方案。
(3)
图3-1(b)
(3)该机械臂由四个转动关节组成,其中手部分为内外板,在夹取了螺栓后在重力产生的转动力矩下,螺栓自动下垂为竖直状态,便于装配。
该机械臂结构较为简单,综合了上述两种方案的优点,易于实现抓取与装配目标。
所以为最终方案。
图3-1(c)
经过分析比较我们最终选定方案3。
1.2位移分析
分析确定连杆参数
臂四
臂三
臂二
臂一
图5-1机械手初始位姿
连杆参数i
ai-1(mm)
αi-1(°)
di(mm)
关节变量
初值(°)
1
0
0
0
θ1
0
2
148.5
90
87
θ2
0
3
148.5
0
0
θ3
-90
4
0
0
0
θ4
0
手抓
0
-90
110
—
—
1.3机械手爪的设计
机械手爪的设计也有三种方案:
(1)该方机械手爪的结构还是比较简单的,它通过推动中间滑块,实现手爪的张合,它的最大缺点是张开的范围太小,并且控制不好的话,有时会将滑块从两尖角推出,所以不采取这种方案。
(2)这种方案解决了方案一所存在的部分问题,张开的角度也是比较大的,但是结构比较复杂,制造成本比较高,考虑到经费和加工条件,不采取此方案。
(3)最后这种方案结构比较简单,已加工制造,且手爪张开的角度比较大,满足要求,所以采取方案三。
通过综合考虑,我们决定选择第三种方案。
第二章工作空间分析
2.1运动学正解
说明:
由几何关系算得连杆转角,带入验证xyz的坐标关系。
a1a2a3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。
symsa1a2a3a4d1d2d3d4;
%连杆间齐次变换矩阵
T10=[cos(a1)-sin(a1)00;sin(a1)*cos(0)cos(a1)*cos(0)-sin(0)-d1*sin(0);
sin(a1)*sin(0)cos(a1)*sin(0)cos(0)d1*cos(0);0001];
T21=[cos(a2)-sin(a2)00;sin(a2)*cos(pi/2)cos(a2)*cos(pi/2)-sin(pi/2)-d2*sin(pi/2);
sin(a2)*sin(pi/2)cos(a2)*sin(pi/2)cos(pi/2)d2*cos(pi/2);0001];
T32=[cos(a3)-sin(a3)0201;sin(a3)*cos(0)cos(a3)*cos(0)-sin(0)-d3*sin(0);
sin(a3)*sin(0)cos(a3)*sin(0)cos(0)d3*cos(0);0001];
T43=[cos(a4)-sin(a4)00;sin(a4)*cos(0)cos(a4)*cos(0)-sin(0)-d4*sin(0);
sin(a4)*sin(0)cos(a4)*sin(0)cos(0)d4*cos(0);0001];
T40=T10*T21*T32*T43
%代入初值:
a1=0*pi/180;
a2=0*pi/180;
a3=-90*pi/180;
a4=0*pi/180;
d1=0;
d2=87;
d3=0;
d4=0;
%解得
T40=
0.00001.00000201.0000
-0.00000.0000-1.0000-87.0000
-1.00000.00000.00000.0000
0001.0000
即
=
2.2运动学反解
运动学反解是已知末端连杆的位姿,求解关节变量的过程。
symsa1a2a3a4
T10=[cos(a1)-sin(a1)00;sin(a1)*cos(0)cos(a1)*cos(0)-sin(0)-d1*sin(0);
sin(a1)*sin(0)cos(a1)*sin(0)cos(0)d1*cos(0);0001];
T21=[cos(a2)-sin(a2)00;sin(a2)*cos(pi/2)cos(a2)*cos(pi/2)-sin(pi/2)-d2*sin(pi/2);
sin(a2)*sin(pi/2)cos(a2)*sin(pi/2)cos(pi/2)d2*cos(pi/2);0001];
T32=[cos(a3)-sin(a3)0201;sin(a3)*cos(0)cos(a3)*cos(0)-sin(0)-d3*sin(0);
sin(a3)*sin(0)cos(a3)*sin(0)cos(0)d3*cos(0);0001];
T43=[cos(a4)-sin(a4)00;sin(a4)*cos(-pi/2)cos(a4)*cos(-pi/2)-sin(-pi/2)-d4*sin(-pi/2);
sin(a4)*sin(-pi/2)cos(a4)*sin(-pi/2)cos(-pi/2)d4*cos(-pi/2);0001];
T40=T10*T21*T32*T43;
T1=inv(T10);%求T10的逆矩阵。
T41=T1*T40;
%T41=T21*T32*T43
对应各元素相等即可求出各关节变量。
另见附录一
第3章速度分析
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。
a1=0*pi/180;
a2=0*pi/180;
a3=-90*pi/180;
a4=0*pi/180;
d1=0;
d2=87;
d3=0;
d4=0;
T10=[cos(a1)-sin(a1)00;sin(a1)*cos(0)cos(a1)*cos(0)-sin(0)-d1*sin(0);
sin(a1)*sin(0)cos(a1)*sin(0)cos(0)d1*cos(0);0001];
T21=[cos(a2)-sin(a2)00;sin(a2)*cos(pi/2)cos(a2)*cos(pi/2)-sin(pi/2)-d2*sin(pi/2);
sin(a2)*sin(pi/2)cos(a2)*sin(pi/2)cos(pi/2)d2*cos(pi/
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