六自由度机械手运动控制

西南交通大学本科毕业设计（论文）六自由度机械手复杂运动控制年级:200X级学号:200XXXX姓名:XXX专业:机械工程系数控技术指导老师:XXX0X年6月院系机械工程系专业数控技术年级200X级姓名XXX题目六自由度机械手复杂运动控制指导教师评语指导教师(签章)评阅人评语评阅人(签章)成绩答辩委员会主任(签章)年月日毕业设计（论文）任务书班级0X级数控技术（1）班学生姓名XXX学号200XXXXX发题日期：0X年3月1日完成日期：6月18日题目六自由度机械手复杂运动控制1、本论文的目的、意义本设计主要以实验室设备（六自由度串联机械手）为基础，运用六自由度串联机械手完成现实工程及实际需要为出发点。通过对机械手的系统分析建立机器人坐标系的方法，并对其进行正运动分析和逆运动学分析结合矩阵的变换等研究该机器人系统在平面轨迹方面的设计。并利用MATLAB对该设计的准确行进行验证。本次设计让我们能有效的利用学校的设备对实际需要进行分析设计，从而使我们能将理论与实际有效结合。并从中掌握了工程设计的主要方法和了解了现存技术中需要我们进行探索的必要。2、学生应完成的任务由于本课题取材于实际生产运用中，不仅从理论方面对设计有分析等要求，更要结合理论做出实际需要的运动控制。下面主要以学生的设计为主提出其需要完成的任务：（1）完成一万字符的外文翻译；（2）完成复杂运动控制设计的总体方案；（3）通过老师指导可以对机械手进行熟悉的操作和运用；（4）利用现有资料对机械手进行运动学理论分析，并结合矩阵工具对其建立的运动学方程进行求解；（5）利用机械手完成平面文字轨迹的运动控制；（6）对复杂运动控制的总结，分析其优缺点，并提出其缺点的解决方案和需要注意的问题；（7）完成毕业设计论文。3、论文各部分内容及时间分配：（共17周）第一部分阅读相关文献并收集资料(3周)第二部分熟悉设备操作并进行相关简单的操作(3周)第三部分轨迹设计过程和相关计算分析(4周)第四部分完成设计部分到实际运行部分(3周)第五部分撰写毕业论文(2周)评阅及答辩准备好答辩的演示文档及进行答辩(2周)备注指导教师：XXX0X年3月日审批人：年月日摘要本文以示教型六自由度串联机械手为试验设备，进行机械手的复杂运动控制，使机械手完成各种复杂轨迹的运动控制等功能，能够在现代工业焊接、喷漆等方面的任务。本文从运动学分析的基础上着手研究轨迹控制的问题，利用运动学逆解的方式分析复杂轨迹运动的可行性和实用性。目前，六自由度机械手的复杂运动控制已经有了比较好的逆解算法，也有一些针对欠自由度机械手的逆解算法。逆解算法求出的解不是唯一的，它能使机械手达到更多位姿，完成大部分的原计划任务，但其中的一些解并不是最优化的，因此必须讨论其反解的存在性和唯一性。本文通过建立机械手的笛卡尔坐标系，推导出机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆运动学方程的解；在此基础上建立机械手的工作空间，并讨论其工作空间的灵活性和存在可能性。因此本文的另一种方式对六自由度串联机械手的复杂运动控制问题进行研究，提出以机械手示教手柄引导末端执行器对复杂运动轨迹进行预设计。然后通过记录程序进行复杂轨迹的再实现，再对记录程序进行预修改，最终通过现有的程序进行设计编程完成复杂轨迹设计任务。并利用MATLAB对轨迹进行仿真，对比其实际与计算的正确性。最后本设计通过六自由度串联机械手实现平面文字轨迹，得出其设计的方式。即首先利用示教手柄实现轨迹预设，记录预设轨迹程序，然后再对比程序初始化坐标进行手动编程。关键词：六自由度机械手，笛卡尔坐标系，运动学方程，仿真，示教手柄ABSTRACTInthispaper,mechanicalhandcontrolthecomplexmovementbasedontheseriesofsixdegreesoffreedommanipulatorsothatthemechanicalhandcompletethecomplextrajectoryofthemovementcontrolfunctions.Inmodernindustrialwelding,painting,andotheraspectsofthemandatecanbeused.Thisarticlebasedontheanalysisofkinematicstostudythetrajectorycontrolproblems,useofinversekinematicsofthecomplexmodeoftrackingmovementofthefeasibilityandpracticality.Atpresent,thesixdegreesoffreedommanipulatorcomplexmovementhasbeenrelativelygoodcontroloftheinversealgorithm.Therearealsosomelessfreedomfortheinverseofthemanipulatoralgorithm.Solutionssoughtbyinversealgorithmisnottheonlysolution,itcanreachmoremanipulatorPose,originallyplannedtocompletemostofthetask.Butsomeofthesesolutionsisnotthemostoptimal,itisnecessarytodiscusstheiranti-theexistenceofsolutionsanduniqueness.ThroughtheestablishmentofthemanipulatorCartesiancoordinates,derivedmanipulatoristheinversekinematicsmatrixequationandthestudyistheinversekinematicsoftheequationsolutiononthebasisofthisestablishmentmanipulatorworkingspace.AnddiscusstheirworkspaceTheflexibilityandthepossibilityexists.Soinanotherwaytothesixdegreesoffreedomseriesmanipulatormotioncontrolthecomplexissuesofresearch,tohandlethemachineryShoushiguidefortheimplementationoftheendofthecomplexpre-designedtrajectory.Thentrackrecordofthecomplicatedproceduretoachieve,andthenrecordthepre-amendedprocedures.Theeventualadoptionoftheexistingproceduresdesignedtrajectorydesignofcomplexprogrammingtasks.AndusingMATLABsimulationofthetrack,comparedwithitsactualcalculationiscorrect.Thefinaldesignthroughsixdegreesoffreedomseriesmanipulatortracktoachieveflattext,drawtheirdesignapproach.Thatis,firstofalluseofteachinghandleachievetrajectorydefaultthetrackrecordofdefaultprocedures,andthencomparedtomanualproceduresinitializedcoordinateprogramming.keywords：Sixdegree-of-freedommanipulators，Cartesiancoordinates，Equationsofmotion，Simulation，Demonstrationhandle.目录绪论…………………………………………………………………1课题研究背景和意义…………………………………………………1国内外研究状况………………………………………………………2六自由度机械手复杂运动控制的现实意义…………………………4课题的提出……………………………………………………………5本课题研究的主要内容………………………………………………5串联机器人运动学…………………………………………………72.1机器人运动学方程的表示……………………………………………72.1.1运动姿态和方向角……………………………………………82.1.2运动位置和坐标………………………………………………92.1.3连杆变换矩阵及其乘和………………………………………122.2机械手运动方程的求解………………………………………………152.2.1欧拉变换解……………………………………………………162.2.2滚、仰、偏变换解……………………………………………202.2.3球面变换解……………………………………………………212.3反解的存在性和唯一性………………………………………………232.3.1反解的存在性和工作空间……………………………………232.3.2反解的唯一性和最优解………………………………………242.3.3求解方法………………………………………………………25六自由度机械手的平面复杂轨迹设计及运动学分析……………273.1系统描述及机械手运动轨迹设计方式………………………………273.1.1机器人技术参数一览表………………………………………273.1.2机器人控制系统软件的主界面………………………………273.1.3机器人各部位和动作轴名称…………………………………283.1.4机械手运动轨迹设计方式……………………………………293.2平面复杂轨迹设计目的………………………………………………333.2.1“西”字的轨迹设计和分析…………………………………333.2.2“南”字的轨迹设计和分析…………………………………343.2.3机械手的起始位姿和末态位姿………………………………353.3机械手轨迹设计中坐标系的建立……………………………………353.4平面轨迹设计的正运动学分析………………………………………433.4.1平面轨迹设计的正运动学分析原理…………………………433.4.2正运动学分析步骤及计算……………………………………443.5平面轨迹设计的逆运动学分析………………………………………453.5.1平面轨迹设计的逆运动学分析原理…………………………453.5.2.逆运动学分析步骤及计算……………………………………46设计实现过程和MATLAB仿真计算……………………………504.1设计实现过程…………………………………………………………504.2MATLAB仿真计算……………………………………………………53结论与展望…………………………………………………………575.1结论……………………………………………………………………575.2展望……………………………………………………………………58致谢……………………………………………………………………………59参考文献………………………………………………………………………60第一章绪论1.1课题研究背景和意义在现代制造行业中，先进的制造技术不断的代替传统的加工方法和操作方式。现代工业的高技术要求，更促进了机器人的发展：例如，实行无人化的工作车间，自动生产线等。特别九十年代以来，工业机器人性能不断提高，向着高速度、高精度、高可靠性的方向发展，同时表现在以下方面：1．机械结构向模块化、可重构化发展。如关节