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： 2014年10月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12. 设计方案的确定12.1. 比赛过程要求12.2. 设计参数要求22.3. 具体项目任务要求33. 参数确定33.1. 机械手臂的设计33.1.1. 直角坐标式机械臂33.1.2. 圆柱坐标式机械臂43.1.3. 关节式机械臂53.1.4. 机械臂一尺寸的确定63.1.5. 机械臂二、三尺寸的确定63.2. 位移分析73.3. 机械手爪设计84. 工作空间分析94.1. 运动学正解94.2. 运动学反解105. 速度分析116. 轨迹规划146.1. 各关节位移、速度、加速度曲线147. 详细程序168. 项目总结178.1. 智能小车车速调节178.2. 信号检测与响应188.3. 小车车体189. 心得体会1810. 参考文献191. 前言20 世纪中期，随着计算机、自动化技术和原子能技术的发展，现代机器人开始在美国得到研究和发展，使工业机器人在工业生产中得以广泛使用。工业机器人是一种能自动控制、可重复编程多功能、多自由度的操作机。它们通常配有机械手、刀具或其它可装配的加工工具，能够搬运材料、工件，完成各种作业是一种柔性自动化设备。作为人类聪明的结晶、新科技革命的产物，机器人的任务是协助或取代人类的工作，例如从事生产业、建筑业、服务业，或者一些危险工种。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而可进行改变和编程的专门系统。”而且近几年装配机器人应用广泛,与一般工业机器人比较，它具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点。使用装配机器人可以保证产品质量，降低成本，提高生产自动化水平2. 设计方案的确定2.1. 比赛过程要求 (a)比赛场地a) 迷 宫图1 项目实施方案方案1：沿指定路线找到工厂自动化生产线启动光电开关开关启动生产线到涂胶工位完成涂胶找到迷宫入口，进入迷宫实现穿越迷宫寻迹到装配工位车体或机械臂旋转手爪张开实现对指定工件的抓取和装配等一系列动作。2.2. 设计参数要求手臂部件技术参数要求如图1所示：距承料台距离：200-300mm工件形状：球形或圆柱形，直径70-120mm，重量0.5kg承料台高度：300mm距涂胶板距离：200mm涂胶板参数：中心高260mm，形状长400高200mm胶刷：尺寸和形状同工件2.3. 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. 参数确定3.1. 机械手臂的设计机械臂的机械结构很多，但是为了实现其抓取工件及装配的功能，一般应采用由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。参照机器人技术基础得出方案如下：3.1.1. 直角坐标式机械臂如果采用移动关节，可以将两个连杆分别做成竖直移动和水平移动，这样就可实现手爪在竖直和水平方向上的移动，加上小车的移动，相当于直角坐标式机器人，可实现全部的要求功能。其三维结构示意图如下：3.1.2. 圆柱坐标式机械臂 考虑到移动关节不够灵活，我们又考虑到可以采用转动关节加移动关节的组合来实现功能，可以实现涂胶，但实现装配较困难，而且滚珠丝杠成本较高。其三维结构示意图如下：3.1.3. 关节式机械臂未解决以上方案的不足，如果采用两个转动关节，需和小车的旋转配合，小车采用直流电机，控制相对于舵机较麻烦。采用三个转动副，转动灵活，控制相对简单，再结合老师为我们选的材料，我们最终方案选择了3R直接驱动型机器人，并考虑到材料的刚度及稳定性我们选择了并行结构。其三维结构示意图如下：3.1.4. 机械臂一尺寸的确定设计用的尺寸包括：小车的高度70mm；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70mm；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。3.1.5. 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+L3350mm；垂直距离：200+160+70=430400mm，即所设计的尺寸符合任务要求。3.2. 位移分析3.3. 机械手爪设计 考虑到工件的形状为球形或圆柱形，直径为70mm-120mm。手爪的外形如下图所示：方案一如图所示。该方案手爪张合灵活且结构简单，易于实现，但由于其为悬臂结构且铝合金材料强度有限，不能抓取强度很大的物体。方案二如图所示。该方案了在支撑手爪处增加一个平行四边行机构，增加了手爪的强度和稳定性，且抓取自如，方便灵活。4. 工作空间分析4.1. 运动学正解 图5-1 机械手初始位姿连杆参数iai-1(mm)i-1()di（mm）关节变量初值()100701020-90020320000304090160 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。a1=0*pi/180;a2=0*pi/180;a3=0*pi/180;a4=0*pi/180;d1=70;d2=0;d3=0;d4=160;%连杆间齐次变换矩阵t10=cos(a1) -sin(a1) 0 0;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);0 0 0 1;t21=cos(a2) -sin(a2) 0 0;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);0 0 0 1;t32=cos(a3) -sin(a3) 0 200;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);0 0 0 1;t43=cos(a4) -sin(a4) 0 0;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);0 0 0 1;t=t10*t21*t32*t43最后得出位姿为：t = 1 0 0 200 0 1 0 0 0 0 1 230 0 0 0 14.2. 运动学反解说明：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 a3a4=0*pi/180;x=200;y=0;z=230;t10=cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1) cos(a1) 0 0;0 0 1 40;0 0 0 1;t21=cos(a2) -sin(a2) 0 0;0 0 1 10;-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 0;0 0 0 1;t43=cos(a4) -sin(a4) 0 0;0 0 -1 -180;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)a11 = -2.86598 a22 = -2.86598 a33 = 2.865985. 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=200*pi/180;a4=0*pi/180;d1=70;d2=0;d3=0;d4=160;t10=cos(a1) -sin