教学机器人多功能控制系统设计（全套含CAD图纸）
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毕业设计(论文)中期检查表-学生系（部） 检查时间 年 月 日论文题目 教学机器人多功能控制系统设计 指导教师学生姓名专业班级 学号目前已完成的任务是否符合任务书要求的进度 是 否尚需完成的任务能否按期完成任务 能 不能存在的问题及拟采取的办法对指导教师的建议学生（签名）：年 月 日注：1.中期检查要讲求实效，主要是找问题，找差距。对中期检查不合格的学生提出警告。2.此表一式二份，一份学生留存，一份交系（部）存档。3.在相应填写或打 毕业设计(论文)中期检查表教师机械工程 系（部） 检查时间 年 月 日论文题目 教学机器人多功能控制系统设计 指导教师学生姓名专业班级 学号指导情况 共指导（ ）次 指导方式 邮件( )次 电话( )次 现场( )次 其它( )次工作进度完成情况 提前完成 按计划完成 延期完成 没有完成质量评价（学生前期已完成工作的质量情况）优 良 中 差工作态度情况（学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况）认真 较认真 一般 不认真结 论（对学生前期任务整体完成情况的评价）合格 基本合格 不合格选题是否有变化 有 无选题变化原因对该同学阶段性工作的评价指导教师（签名）： 年 月 日注：1.中期检查要讲求实效，主要是找问题，找差距。对中期检查不合格的学生提出警告。2.此表一式二份，一份学生留存，一份交系（部）存档。3.在相应填写或打毕业论文（设计）任务书题 目 教学机器人多功能控制系统设计姓 名 系别 专业班级 学号设计任务1、 根据要求确定动臂系统各铰点位置；2、 作出手部运动轨迹曲线；3、 设计控制系统设计；4、 利用神经网络法对已经设计的控制系统进行升级，并提出基于神经网络法的自适应控制系统。5、 结合运动误差测试结果，优化控制系统。毕业设计要求最后上交毕业论文和相关图纸，其中图纸包括总装配图和零件图等图纸，图纸合计需要达到 3 张零号图。时间进度3.13.11 查阅神经网络法与多功能机械手相关资料；3.12 上交开题报告、外文翻译；3.133.20 绘制机械手臂三维图，确定动臂系统各绞点位置，做出手臂运动轨迹曲线；3.213.31 控制系统设计；4.14.24 利用神经网络法对系统升级，实验检验运动误差；4.255.10 优化控制系统，提出基于神经网络的自适应系统；5.13 上交毕业设计报告及资料。主要参考文献资料1 邓星钟.机电传动控制（第三版）.华中科技大学出版社，20012 濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）.高等教育出版社，20003 史国生.PLC 在机械手步进控制中的应用.中国工控信息网,2005.14 李允文.工业机械手设计.机械工业出版社,1996.45 T.Ramayah and Noraini Ismail,Process Planning Concurrent Engineering,Concurrent Engineering,20106 T.O.Ekinci,J.R.R.Mayer. International Journal of Machine Tools and Manufacture ,2007指导教师签字： 年 月 日毕业论文（设计）外 文 翻 译题 目： 锻 造 2015 年 2 月 11 日0棒料辊锻一次的横截面减少量受到材料延展性和形成有害的毛边的限制，毛边可能被压进锻件表面，在后续操作中形成缺陷，工件每重复送进轧辊一次，都要转 90 度。 环状轧制环状轧制可得到均质的周向纤维流，易于制造和加工，可用于多种尺寸。要将原材料先下料，锻成盘形，再冲孔。对环型坯料的尺寸没有限制，小至轴承套，大到直径 25 英尺、面高 80 英寸的圆环。适当地成形被动轧辊和空转轧辊可轧制出不同轮廓的制品。锻造中的 CAD/CAM CAD/CAM 已日益应用于锻造之中。利用计算机设计的被加工零件的三维模型，就能生成相关锻件的几何形状。因此，锻件横截面能从一个通用的数据库中获得。使用普通的方法，可获得锻造应力，对每种截面可选择飞边尺寸，这里金属的流动近似为二维（平面应变和轴对称）。对相对简单的截面形状，可用计算机仿真来评价对预成形横截面的最初设想：一旦预成形的几何形状修改到符合设计者的要求，可用几何数据库来编写数控加工程序，得到数控加工纸带或磁盘。练习1. 将下列词组翻译成汉语1） 体积成形的金属2） 锻轧或挤压3） 塑性变形4） 冲击5） 金属的再结晶点6） 热处理和冷作7） 更好的表面光洁度8） 锤锻9） 捶打热金属10） 缓慢加压11） 开口锻模和封闭模12） 直齿或螺旋齿锥齿轮113） 模锻14） 每个模具型腔15） 大量生产16） 均匀圆周锻造流线17） 三维模型18） 计算机仿真19） 液压冲床20） 粗加工和精加工2. 将下列句子翻译成汉语1） 通过各种锤打或缓慢加压塑造金属称为锻造。最简单的例子是铁匠打铁就是将红热的金属放在砧板上锤打。2） 重型自由锻基本类似，不同的仅仅就是在操作规模上，工件可能是一个 100 吨的铸块并且通过一个巨大的锻锤获得使其变形的力。但是全部过程都由工人控制，由工人决定每次锤打的位置、使用力的大小和什么时候应该锤打。3） 锻造操作可以使用锻锤或锻造压力机。使用压力机与使用锻锤有区别，压力机是缓慢加压并使整个材料的塑性变形趋于一致。4） 锻锤有两个基本类型：一种是大锤仅靠重力加速落在工件上；另一种是汽锤，通过重力和蒸汽压力加速。5） 锻工和开口模锻都适用于大型锻件或一定数量的特制小型锻件，开口模锻也用于闭式模锻金属的最后塑造阶段。6） 闭式模锻用于精加工模块，一组模块成本很高，当需要精密尺寸和高质量的产品时，这个成本是合理的，比如制造一辆大众车的发动机连杆。回答下类问题1） 什么是热处理？2） 什么是自由锻？3） 压力模锻和闭式模锻之间有什么区别？4） 压力模锻中，为什么会有毛刺？5） 简述挤压锻造。6） 哪种锻造大量使用铝？2（A ） 精密锻造精密锻造的设计中对公差的要求很低。精密铸造具有以下特点：拔模斜度为 0到1、薄壁、小半径以及表面光滑。由于精密锻造经常在生产中使用多套模具技术，所以精密锻造的锻件具有无缝表面和多个分型线，具有最佳的锻造流线。与传统的锻造加工的零件相比，精密锻造使用相同的合金能得到更高的强度重量比。因为传统锻造不能一次达到成品要求的尺寸，所以大多数传统锻造需要多次的机械加工。并在随后的机械加工中通过热处理操作减少内部颗粒流和消除残余应力。但是这些操作只能消除一部分残余应力。制造零件精密锻造所需的模具时，一般采用石膏来制作模具。设计审查之后，在夹具上定位。对于锻造的材料使用钢的情况下，由于金属没有成形，用铝制的锻造模具，加工时必须使用润滑剂。因为直接使金属与金属接触会引起磨损，从而会制造出不合格的零件并减少模具使用寿命。通常一个预热坯放置在模具中（需要预先成形） 。对于铝制，毛坯加热到大约华氏温度 800 度（425） ，并且模具的温度要达到华氏温度 700750 度（370400）才能保证最适宜的金属流动。通过压紧环将毛坯固定在模具中。零件的润滑和压力是循环的，锻造与压力机是不同，锻造毛刺产生于带锯下料和磨削。然后在同一模具中重新锻造，直至最终成形可能需要重复 24 次。修剪毛边和清理之后，测试最终锻件的完整度和硬度。优点1. 高的强度重量比。2. 如图 8-5（普通锻造与精密锻造的区别）所示，零件的最小拔模斜度在 01。3. 不会产生横向突起和根切。4. 锻后状态的零件半径最小可以达到 0.13 英寸（3.3mm） 。5. 控制分型线的位置。3456教师评语教师签名：2015 年 月 日毕业论文（设计）指导记录表系别 专业班级姓名 学号论文（设计）题目教学机器人多功能控制系统设计指导次数指导日期指导内容学生出勤情况指导教师签字3 1.4、1.5、1.7进行毕业设计（论文）选题及选题分析，下达毕业设计任务书，开题报告、外文翻译，介绍毕业设计要求进度，提出实习计划。3 2.3、2.5、2.6向学生介绍课题背景材料，帮助学生更好的理解课题内容，讲解如何撰写开题报告；督促外文翻译，毕业设计开题。 4 3.3、3.7、3.10、3.14检查学生外文翻译、实习报告、开题报告情况，准备学校的中期检查。 4 4.7、4.11、4.14、4.28检查学生图纸、开题报告、实习报告、论文进展，提出相关修改建议，对部分学生提出警告4 5.5、5.8、5.9、5.12检查并指导学生毕业设计论文、图纸，指导学生毕业设计。 4 5.13、5.16、5.18、5.20检查该生图纸、论文，指导学生答辩，评阅学生相关材料毕业论文指导情况2 5.23、5.25 指导学生答辩注意事项，做好最后检查督促工作。 2 6.1、6.2 指导学生修改毕业设计，指出答辩不足，提出以后进入工作岗位注意事项，结束毕业设计注：此表由系（部）存档购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396摘要：研究了教学机器人多功能控制系统的问题。机器人的核心部分就是控制系统，它决定了机器人的运动精度，根据这个条件，本文提出了一种基于神经网络的自适应控制系统。该方法结合自适应控制和神经网络的优势，解决机器人在常规控制系统中控制精度低的问题，改善了系统的控制性能，从而得出了基于西门子 PLC 的神经网络控制的实现方法。针对该控制方法，开发了教学机器人平台，并在此平台进行实验。通过实验可以得出：本文中提出的控制系统容易实现，进而最终能够消除误差。关键词：PLC ；自适应控制；神经网络；教学机器人Abstract: A problem of a teaching robot control system is studied. Control system plays an essential part on robot mainly due to the fact that the motion accuracy of robot reflected by control system, thus a self-adaptive system base neural network was put forward. This购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396method combined with the advantages of self-adaptive control and neural network, make the control precision is higher than the conventional control system and improve the control performance of the system. So a implementation method about the neural network control based on the SIMATIC PLC is pointed. According to the analysis made about this control method, the teaching robot platform is developed and experiment on this platform. According to the experiment, we can come to a conclusion that this control system is safe to achieve goals and eradicate the error mentioned this paper.Key word: PLC; self-adaptive control; neural network; teaching robot购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396目录1 .引言 .- 1 -1.1 机器人研究意义 .- 1 -1.2 机器人发展现状 .- 1 -1.3 机器人控制系统的研究内容 .- 2 -1.3.1 机器人的组成 .- 2 -1.3.2 机器人的驱动方式 .- 3 -1.3.3 控制器与控制算法 .- 3 -1.4 本文主要工作 .- 5 -2 .教学机器人运动学 .- 7 -2.1 三维模拟图 .- 7 -2.2 运动轨迹图 .- 7 -2.3 机器人正向运动学 .- 8 -2.4 机器人逆向运动学 .- 13 -2.5 本章小结 .- 16 -3 .控制系统硬件设计 .- 17 -3.1 电机与驱动器选用 .- 17 -3.2 控制器的选择 .- 21 -3.3 测试系统的选择 .- 23 -3.4 机器人工作情况分析 .- 25 -3.4.1 机器人动作顺序表 .- 25 -3.4.2 机器人工作流程图 .- 26 -3.4.3 I/O 口分配 .- 28 -3.5 PLC 硬件接线图 .- 29 -3.6 本章小结 .- 29 -4 .控制系统软件设计 .- 31 -4.1 控制算法 .- 31 -4.1.1 量程转换 .- 31 -4.1.2 脉冲数转换 .- 32 -4.1.3 神经网络自适应系统 .- 33 -4.2 基于 PLC 的控制系统的实现 .- 33 -4.2.1 教学机器人主程序 .- 34 -4.2.2 子程序 .- 40 -4.3 本章小结 .- 54 -参考文献 .- 56 -致谢 .- 58 -购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 1 -1 .引言1.1 机器人研究意义目前机器人技术越来越先进，与计算机技术的快速发展有着密切的关系。上到我国首辆“玉兔号”月球车，下到我国奥运会使用的服务型机器人，机器人技术已经开始应用在我们社会的各个领域。机器人的发展推动了科学技术的发展虽然“机器人”这一名词出现的时间较晚，但这一概念从很早就被人们提出并付诸实践，不少的科学家以及当时的能工巧匠制造出了具有人类或动物特征的机器人雏形。西周时期出现了我国最早记载的机器人概念的资料，偃师制造出了能歌善舞的伶人；春秋后期的鲁班制造的能在空中飞行的木鸟被记载于墨经中；初步的机器人构想最早出现在东汉时期，是由著名科学家张衡所发明的地动仪等；三国时期，由著名人物诸葛亮所制造出的 “木牛流马”已经具有明显的机器人结构和性能。在此期间，全球的各个国家的人们都对机器人有了初步的研究。其中最著名的要数瑞士钟表匠制造的与人类相仿的机器人写字偶人，绘图偶人和弹风琴偶人。他们是依靠弹簧驱动，由凸轮实现控制的自动机器人。1950 年开始，逐步进入了近代机器人的设计与制造。美国橡树岭国家实验室在当时就已经着手研究设计搬运核原料的遥控操纵型机械手；此后美国的戴沃尔将数控机床的伺服轴与连杆机构连接，将预先设定的机械手动作编程，使其能够离开人的辅助操作，独立运行。直到现在，对机器人技术的研究更加成熟，并且照着具有行走能力、多种感知能力和较好自适应能力的方向发展。在一些发达地区，机器人已经大量用在国防、工业和生活等领域，例如汽车工业、电子工业、机械制造行业以及食品工业、家用产品等行业。21 世纪是一个更加深入开发和应用机器人的新时代，一定程度上反映了一个国家的科技水平和综合实力，所以，机器人的研究对于当今社会有着很重要的意义。1.2 机器人发展现状机器人在机械制造行业中应用很广泛，所以工业机器人技术发展也很快。目前,对世界上机器人发展有最大影响力的国家是美国和日本。美国的机器人技术上处于世界首位，而日本的机器人在种类和数量方面居于世界第一位。虽然我国对于机器人的研究与这些国家比，开始时间比较晚，但在近些年，对于关节型机器人，行走机器人这些方面的研究与世界领先水平越来越靠近。随着自动化工业的占据愈来愈重要的地位,机器人需要关注以下方面的发展：（1） 机器人性能要实现速度快、精度高、易于操作和维护等。购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 2 -（2） 模块化、可重构化发展使机器人机械结构发展的趋势，以便实现多功能自动化的特点，同时节约企业成本。（3） 机器人控制系统方面，基于 PC 机的开放型控制器方向的发展是重点，便于实现标准化、网络化，达到人机交互。（4） 传感器在机器人结构中作用日益显著，多个传感器融合配置技术在系统中已存在成熟应用。（5） 虚拟现实技术在其中的应用，也从最早的仿真、预演发展到用于过程控制。机器人市场发件前景十分理想，它为工业生产带来的变化不但是机器人采用的现代化生产技术，而且企业管理模式也发生改变。企业中应用工业机器人，很大程度上促进企业调整产业结构，加快企业的升级转型。机器人的发展，不仅使企业的生产结构调整，还使企业升级转型，向新型工业化道路的方向迈进。1.3 机器人控制系统的研究内容1.3.1 机器人的组成机器人主要组成部分由执行部分、驱动部分和控制部分三者构成。执行部分，能够让手臂完成各种转动或摆动、移动甚至是复合运动，进而实现期望的动作、位置和姿势。机器人的自由度即为执行机构的升降、伸缩、旋转等运动方式 。在机器人设计中的重要参数就是自由度。自由度数目多的机器人，灵活性好，通用的范围也更大，同样其结构也越复杂。控制部分是通过对机器人每个自由度上的电机控制，使其实现预期动作，同时接收传感器检测的信息，构成稳定的闭环控制系统。单片机或 PLC 等控制器是控制系统的核心，对控制器进行编程来达到预期的功能。购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 3 -图 1.1 机器人的基本组成1.3.2 机器人的驱动方式驱动系统是指驱动执行机构的驱动装置。根据驱动源不同，机器人的驱动机构分为四种，分别是液压、气动、电气驱动和机械驱动。1、液压驱动式液压驱动式机器人，通常它具有的抓举能力最大能高达几百千克，其特点是有紧凑的结构、动作平稳、抗冲击和震动的能力强、防爆性好，为了避免漏油后污染环境，液压元件对制造的精度和密封性能要求较高。2、气压驱动式气压驱动式机器人，其特点是造价较低、动作迅速、气源方便、结构简单、维修方便。缺点是进行速度控制难，气压不允许太高，所以抓举能力较差。3、电气驱动式这是机器人中最常用的一种驱动方式，本文中也采用该种驱动方式。其特点是供电方便，响应速度快，驱动力大，信号传递、检测、处理方便，具有多种灵活的控制方案。直流伺服电机和步进电机是最常使用的驱动电机4、机械驱动式动作固定的场合可以采用机械驱动。采用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作可靠，工作速度快，价格低廉，但调整困难。1.3.3 控制器与控制算法机器人的先进程度，与选用的控制器有很大关系。常用的机电系统微控制器有可编程序逻辑控制器（PLC）、单片机和工控机等。传统的机器人中采用单片机控购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 4 -制较多，虽然单片机的集成度高、体积小、成本低，但是在控制电机运行的过程中，常发生驱动故障，软件故障都较难查找，并且编程复杂。所以现在使用 PLC 来代替单片机控制电机运行的方法比较普遍，可编程序逻辑控制器具有更高的稳定性且控制功能极强，编程简单，易于使用。但随着发展，对机器人的性能要求更高，单靠可编程序逻辑控制器无法达到预期的精度。分解运动控制中引入控制算法，是为了将运动简化为完成某个任务而对运动顺序提出的一个要求。在机器人的运动学计算中，如果已经得到机器人的末端预期到达的位姿，就能通过运动学方程求解得出各个关节需要转过的角度。机器人中的关节运动并不是相互独立的，而需要各轴间相互协调和关联的运动。由一系列关节连接而成的空间开式链机构组成的关节型机器人，是机器人众多种类中最具代表性的。要研究机器人运动学方面的问题，对机器人进行位姿分析，就需要引入齐次坐标、齐次变换，根据上述方面可以解决机器人正、逆向运动学的基本问题。在机器人的坐标系中，运动时相对于连杆不动的坐标系被称为静坐标系，又称为静系；随着连杆运动而运动的坐标系被称为动坐标系，又称为动系。动系的位姿表示是对动系原点位置与各坐标轴方向的描述。连杆的位姿可以用下面的其次矩阵表示：= =(0 0 0 1)对机器人进行位姿分析，需要考虑下列几个方面：（1）杆件坐标系的建立。（2）各坐标系的方位确定。本文中使用 D-H 方法：连杆 i 的坐标系的 轴在连杆 i 和连杆 i+1 的转动关节的轴线上；连杆 i 的两端轴线的公垂线为连杆的 Xi 轴，方向指向下一个连杆；公垂线与 Zi 的交点为坐标原点； Yi 可由另外两轴确定。（3）连杆坐标系间的变换矩阵具有 n 个关节的机器人，后面关节向前面关节的坐标齐次变换矩阵分别为， 1， ， 1对所有的连杆建立坐标系后，在考虑两个相邻连杆间的相对关系：1) 绕 轴旋转 角，使 轴转到与 同一平面。1 1 2) 沿 轴平移 个长度，使 轴移动到与 同一直线上。1 1 购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 5 -3) 沿 轴平移 个长度，使两连杆坐标系原点重合。 4) 绕 轴旋转 角，使 轴转到与 同一直线。 1 根据上述步骤，可得变换矩阵 为：=(,)(0,0,)(,)=( 0 0 0 00 0 0 00 0 0 1)(1 0 0 0 1 0 00 0 1 0 0 0 1)(1 0 0 00 00 00 0 0 1)=( 0 0 0 0 1 )1.4 本文主要工作机器人是一种具有代表性的机电一体化装置，它能够模仿人类的一部分肢体动作，来代替人完成生产过程中的某些操作，能够劳动生产率大大提高，即保证产品的质量也使工人劳动强度降低。在现在的生产生活中，机器人不但广泛应用于电子、冶金、矿山、机械加工等现代化的工业生产中，而且在各大高校中也开展了机器人的相关学习。本文是以教学应用条件下，进行设计的机器人控制系统。不仅应用在日常教学中，还可以在学校实训过程中，通过改变配套装置来进行喷涂、焊接或激光切割等操作，实现教学机器人的多功能自动化。然而，从驱动系统到工作台这一个“传递链”中，工作台的移动精度或定位精度会受任何一环的误差影响。要使机器人的控制精度有所提高，就需要设计先进的控制方法，减少并尽量消除非线性的影响。为此本文设计了基于神经网络的自适应控制系统。先进的控制是相对于与传统单回路控制不同，并具有比普通 PID 控制更好的控制效果的控制方法的统称，不是对一些计算机控制算法的特指。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，也就是是指描述对象和环境具有不完全确定的数学模型。自适应控制要研究的问题就是设计合适的控制，使机构的性能接近甚至是完全达到最优。人工神经网络作为人工智能领域重要的一部分，广泛应用在先进技术的领域。通过众多简单的关系来实现复杂的函数关系，且神经网络控制方法随着控制器结构不同而不同。购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 6 -针对本文中三自由度机器人，要研究机器人的运动，就要进行运动学分析，采用齐次坐标、齐次变换的方法，进行机器人的位姿分析。利用由 Denauit 和Hartenbery 于 1956 年提出的 D-H 方法，这种方法严格定义了每个关节坐标系的坐标轴，并为连杆和关节定义四个参数。首先建立转动关节的坐标系，然后确定坐标系的变换矩阵，最后根据上述的参数进行机器人的正向和逆向运动学分析，得到各个连杆准确的运动情况，为优化控制系统做准备。本文需要进行下列几个方面的任务：1) 根据要求确定动臂系统各铰点位置；2) 作出手部运动轨迹曲线；3) 设计控制系统设计；4) 利用神经网络法对已经设计的控制系统进行升级，并提出基于神经网络法的自适应控制系统。5) 结合运动误差测试结果，优化控制系统。购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 7 -2 .教学机器人运动学2.1 三维模拟图图 2.1 中所示的结构，为机器人的装配体，可以看出机器人的结构主要分为三个部分，即为腰部关节、肩部关节和肘部关节，使机器人的末端能够旋转到三维坐标系内的任意位置。图 2.1 三维模拟图2.2 运动轨迹图机器人轨迹包括运动点出的位移量、速度量和加速度量，指的就是工业机器人在运动过程中的运动轨迹。轨迹的生成基本上是先给定轨迹上的多个点，将其经运购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 8 -动学逆向求解后，映射到关节空间，对关节中对应点建立运动学方程，从而实现设计要求。工业机器人的轨迹规划一般不会涉及到人工智能方面的问题。图 2.2 运动轨迹图使用 SolidWorks 中的 motion 分析，规定各关节的运动方式并输入表达式，来仿真出机器人的运动轨迹。具体运动关系，通过以下几个方面显示：1） 手臂关节位移与时间关系图 2.3 肩关节线位移与时间关系图 2.4 肘关节线位移与时间关系2） 关节角位移变化情况购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 9 -图 2.5 腰关节角位移随时间变化情况图 2.6 肩关节角位移随时间变化情况图 2.7 肘关节角位移随时间变化情况根据图 2.5、图 2.6、图 2.7 所示，我们能够清楚的看见机器人在不同时间的角位移量，图中的竖线表示机器人当前所处位置。3） 线性速度与时间关系图 2.8 腰关节速度变化情况购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 10 -图 2.9 肩关节速度变化情况图 2.10 肘关节速度变化情况2.3 机器人正向运动学根据机器人运动分析方法， 能够描述连杆坐标系之间相对平移和旋转的齐次变换。 即为第一个连杆相对机身的位姿， 为第二个连杆相对第一个连杆的位姿。1 2以此类推，末端到基础坐标系的变换矩阵为 。12本文中的机器人属于关节型机器人，由底座、腰部关节、肩部关节、肘部关节和末端执行器这几部分构成。这三个关节都属于转动关节，本文中机器人共有三个自由度。文中为三连杆机器人，则机器人末端执行器相对于机身坐标系的齐次变换矩阵为： 3=123（1）D-H 坐标系的建立购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 11 -图 2.8（1）腰部关节 （2）肩部关节 （3）肘部关节（2）确定各连杆的 D-H 参数和关节变量图 2.9 教学机器人结构简图购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 12 -连杆 a d cos sin1 1 90 0 1 0 12 2 0 2 0 1 03 3 0 3 0 1 0表 2.1 教学机器人 D-H 参数（3）两杆间的位姿矩阵 及其逆矩阵由 D-H 参数和其次变换矩阵公式可求得：1=(1 0 1 01 0 1 00 1 0 10 0 0 1) 11=(1 1 0 00 0 1 11 1 0 00 0 0 1)2=(2 2 0 222 2 0 220 0 1 00 0 0 1 ) 12=(2 2 0 222 0 00 0 1 00 0 0 1 )3=(3 3 0 333 3 0 330 0 1 00 0 0 1 ) 13=(3 3 0 333 0 00 0 1 00 0 0 1 )求机器人的运动方程式（2.1）3=123=(0 0 0 1)式（2.1）中： = 1(2+3)= 1(2+3)= (2+3)= 1(2+3)购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 13 -= 1(2+3)= (2+3)=0= 1= 0=3 1(2+3)+2 12=3 1(2+3)+212=3 (2+3)+22+12.4 机器人逆向运动学设机器人运动方程为：式（2.2）3=(0 0 0 1)=123由于末端执行器的位姿已知，则 n、o、a、P 已知，为求 ,、 、 ，用未知1 2 3的连杆逆矩阵左乘到方程式两边，将关节变量分离，继而求解。（1）求 1用 左乘式（2.2），可得：11式（2.3）113=23113=(1 1 0 00 0 1 11 1 0 00 0 0 1)(0 0 0 1)=(11() 11() 11() 11()12() 12() 12() 12()13() 13() 13() 13()0 0 0 1 )式（2.4）其中：11()=1+112()=13()=11=,而，购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 14 -23=(2+3) (2+3) 0 3(2+3)+22(2+3) (2+3) 0 3(2+3)+220 0 1 00 0 0 1 )式（2.5）式（2.4）中第 3 行，第 4 列的元素为常数，将式（2.5）中对应元素与之等同，可得：式（2.6）13()=11=0采用三角代换：，=cos =sin式中：，=2+2 =tan1进行三角代换后，可解得：，(1)=0 (1)=1则：1=0或 由此可得，或 1=tan1 1=+=+tan1综上所述， 有两个不同的解。1（2）求 3确定 的一个解后，令式（2.4）中的第 1 行，第 4 列的元素及第 2 行，第 41列的元素分别与式（2.5）中对应的元素相等，得到如下方程：式（2.7）1+1=3(2+3)+22式（2.8）=3(2+3)+22求式（2.7）和式（2.8）的平方和，得：2+2+2=23+22+2322(2+3)+2322(2+3)式（2.9）由式（2.9）解得：3=2+2+22322232购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 15 -令=2+2+22322232得： 3=cos1(3)求 2将之前所求得的 带入 、 中，再在矩阵两边依次左乘 、 、1、 3 1 3 11 12，得 式（2.10）13 1312113=1312113=(1(2+3) 1(2+3) (2+3) 1(2+3)2331(2+3) 1(2+3) (2+3) 1(2+3)+231 1 0 00 0 0 1 )( 0 0 0 1)=(1 0 0 00 1 0 00 0 0 00 0 0 1)式（2.11）将式（2.11）等式两端第 1 行，第 4 列及第 2 行，第 4 列的元素分别对应相等，可得： 1(2+3)+1(2+3)+(2+3)1(2+3)232=0式（2.12）1(2+3)1(2+3+(2+3)1(2+3)+23=0式（2.13）联立式（2.12）式（2.13），解得：(2+3)=(1)23+(1+1)(23+3)(1)2+(1+1)2(2+3)=(23+3)(1)+(1+1)23(1)2+(1+1)2令 23=2+3tan(2+3)=(23+3)(1)+(1+1)23(1)23+(1+1)(23+3)则，购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 16 -23=2+3=tan1(23+3)(1)+(1+1)23(1)23+(1+1)(23+3)由于 和 的解有四种不同的组合。故 有四种可能值，即 有四1 3 23 2=233个解。综上可知，在机器人运动可能存在多解的情况，但在实际工作中，由于结构的限制，有些解不能实现，应选取一组最理想的解。2.5 本章小结本章中可以了解，机器人的运动轨迹和外形特点。机器人分为：旋转平台（腰部关节）、大臂（肩部关节）和小臂（肘部关节）。腰部关节的旋转可以改变大臂和小臂的运动平面。该结构设计，在简化机械结构的同时，还能够保证机器人的运动精度。运动点处的位移量、速度量和加速度量等就是工业机器人运动过程中所实现的运动轨迹。若要使机器人在作业空间内完成规定的动作，其末端的运动就一定有对应的轨迹。本章中对于机器人轨迹的描述和生成，使用的是空间曲线运动，是通过明确的函数表达式设定运动。除了上述的方式，常用的轨迹生成的方式包括示教再现运动、关节空间运动、空间直线运动等几种规划方式。本文中的机器人，是最典型的一种关节型机器人，其实质上就是将一系列关节相连而组成空间连杆的开式链机构。在设计出机器人的结构后，要进一步研究机器人，就需要对它的运动学和动力学有一个初步了解。本章中，主要介绍了机器人运动学方面的基本问题，通过采用齐次坐标和齐次变换，进行机器人的位姿分析。为下文中控制系统程序选型和设计提供理论依据。根据上述介绍，本章主要是详细对机器人结构和运动特点进行介绍。只有清楚了解机器人期望实现的动作，才能进行接下来的设计任务。购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 17 -3 .控制系统硬件设计3.1 电机与驱动器选用这种将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件我们称为步进电机。它是根据控制脉冲数量和频率，电机绕组的通电顺序，得到设定的转角、转速和转向。步进电机的步距角不受各种干扰因素的影响，只要不使步进电机产生 “丢步”的现象，就不会影响正常工作；运动时步距角会有误差，但是步距误差不会长期积累。具有控制性能好，快速响应，启动和停止、正转和反转和速度变化控制简单，且在低速时大转矩等特点。故而在机电一体化产品和像机器人、医疗机械等自动控制设备中广泛应用。步进电机在选型时应满足以下几个方面的原则：（1） 步进电机的矩频特性能够达到机械系统的负载转矩要求，并具有能保证运行可靠的余量。（2） 步距角同机械系统相适应，才能够得到机器人所需的脉冲当量。（3） 机械系统的负载惯量和机器人要求的启动频率，必须和步进电机的惯性频率特性相适应。本文中共采用三个两相混合式步进电机来控制机器人的运动。其中旋转平台与大臂采用雷赛 86HS45 步进电机，小臂采用雷赛 57HS09 步进电机。1）雷赛 86HS45 步进电机及对应驱动器的选用步距角为 1.8，能达到的转矩范围在 4.512NM，具有大转矩、运行平稳、发热量小、噪声低等特点。技术参数如下所示：步距角精度 0.09（空载、整步）温升 80K使用环境 温度：-10+50；湿度：85% MAX绝缘等级 B购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 18 -绝缘电阻 100M MIN 500VDC耐电压 1000VAC 1min径向跳动 0.025 mm MAX(负载 5N）轴向跳动 0.075 mm MAX(负载 10N）表 3.1 一般规格图 3.1 矩频曲线型号 保持转矩（ NM） 额定电流 （A） 转动惯量（kgcm 2) 定位转矩（ NM） 重量（kg）86HS45 4.5 4.2 1.4 0.13 2.3表 3.2 技术规格在选择驱动器时，应使驱动器的电流大于步进电机的额定电流，同时要考虑供电电压和细分。根据上表所显示的技术规格，本文中选择 DM556 数字式中低压步进电机驱动器。该驱动器适用于驱动 86 系列电机，具有良好的中低速运动性能。能够设置256 以内的任何细分数以及额定电流内的任何电流值，大多数小型设备的均可应用。内置微细分技术的使用，使其即使在低细分条件下，也能够达到高细分的效果，中低速运行都很平稳，噪音极小。驱动器内部集成了参数自整定功能，能够针对不同电机自动生成最优运行参数，最大限度发挥电机的性能。该驱动器可以驱动本文中使用的八线的两相步进混合电机，输入电压范围：1848 VDC、 最大电流：5.6A、分辨率：0.1A、细分范围：20051200ppr、信号输购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 19 -入有三种：一是差分/单端；二是脉冲/方向；三是双脉冲。脉冲响应频率为200KHz。可通过串口进行参数配置；内置微细分 ；参数自动整定功能；精密电流控制技术使电机发热大大降低；静止时电流自动减半；光隔离信号的输入，使电机有很强的抗干扰能力；还有过压保护、过流保护等保护功能。技术参数如下所示：DM556说明最小值 典型值 最大值 单位输出电流 2.1 - 5.6 A输入电源电压 18 36 48 VDC控制信号输入电流 7 10 16 mA步进脉冲频率 0 - 200 KHz绝缘电阻 500 M表 3.3 电气指标表 3.4 使用参数2） 雷赛 75HS09 步进电机及选用的驱动器步距角为 1.8，能够保持转矩 0.952.2NM，具有大转矩、运行平稳、发热量小、低噪声的特点。技术参数如下所示：步距角精度 0.09（空载、整步）温升 80K使用环境 温度：-10+50；湿度：85% MAX绝缘等级 B绝缘电阻 100M MIN 500VDC耐电压 1000VAC 1min径向跳动 0.025 mm MAX(负载 5N）轴向跳动 0.075 mm MAX(负载 10N）表 3.5 一般规格冷却方式 自然冷却或强制风冷场合不能放在其它发热的设备旁，要避免粉尘、油污、腐蚀性气体、湿度太大及强振动场所，禁止有可燃气体和导电灰尘；温度 0+50湿度 4090%RH使用环境振动 1055Hz/0.15mm保存温度 -2065重量 280 克购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 20 -图 3.2 矩频曲线型号 保持转矩（NM） 额定电流 （ A） 转动惯量（kgcm2) 定位转矩（NM） 重量（kg）购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396- 21 -57HS09 0.95 3 0.28 0.04 0.6表 3.6 技术规格驱动器选择方法同上。该驱动器适用于驱动 57 系列电机，具有良好的中低速运动性能。能够设置256 以内的任何细分数以及额定电流内的任何电流值，大多数小型设备的均可应用。内置微细分技术的使用，使其即使在低细分条件下，也能够达到高细分的效果，中低速运行都很平稳，噪音极小。驱动器内部集成了参数自整定功能，能够针对不同电机自动生成最优运行参数，最大限度发挥电机的性能。可驱动八线的两相混合式步进电机，输入电压范围：1836VDC、电流最大：4.2A、分辨率：0.1A、细分范围：20051200ppr、信号输入有三种：一是差分/ 单端；二是脉冲/方向；三是双脉冲。脉冲响应频率为 200KHz。可通过串口进行参数配置；内置微细分；参数自动整定功能；精密电流控制技术使电机发热大大降低；静止时电流自动减半；光隔离信号的输入，使电机有很强的抗干扰能力；还有过压保护、过流保护等保护功能。技术参数如下所示：DM442说明最小值 典型值 最大值 单位输出电流( 峰值) 1.0 - 4.2 A输入电源电压 18 24 36 VDC控制信号输入电流 7 10 16 mA步进脉冲频率 0 - 200 KHz绝缘电阻 500 M表 3
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