模块式六自由度机器人控制系统毕业设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘   要  近二十年来，机器人技术的发展非常迅速，各种用途机器人在各个领域获得广泛应用。我国在机器人的应用和研究方面与工业化发达国家相比还有一定差距，因此设计和研究各种用途的机器人特别是推广机器人、工业机器人的应用是有现实的意义。  典型的工业机器人例如喷装配机器人、漆机器人、焊接机器人等大多是固定在加工设备旁边或生产线作业的，本论文在参考大量的文献资料的基础上，结合了项目的要求，设计一种小型的、固定在 实现移动的串联六自由度机器人。  首先，针对机器人设计要求提出了多个方案，并且对其进行分析和比较， 选择其中最优的结构设计方案 ;然后进行运动学分析，用 D 一 H 方法来建立坐标变换矩阵，推算出运动方程的正解和逆解 ;用矢量积法推导速度雅可比矩阵，并计算包括腕点在内的一些点的速度和位移 ;然后借助坐标的变换矩阵进行工作空间的分析。这些工作为移动式机器人的运动控制、结构设计和动力学分析提供了依据。  最后运用已有的六自由度机械手及其手爪的三维造型和装配，将模型导入进行运动学仿真对其结果进行了分析，并且对在机械设计中使用的虚拟样机技术做了尝试，积累了经验。  关键词 :6自由度机器人；运动学分析；仿 真  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 n in is a in of so be a to of as on or on of of a of   of be on GV to a of of to  At  一 H of of of a to At do of of s s be in do In to in of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目   录  摘   要  . 1 . 2 目   录  . 3 第一章  绪论  . 1 . 1 . 1 . 1 由度理论概述  . 2 . 2 . 3 第二章  运动学分析  . 4 . 4 . 4 . 4 意坐标系的变换关系  . 9 . 11 构的运动学分析  . 11 构尺寸参数  . 11 构的运动学方程  . 13 第三章  模块式六自由度机器人控制系统硬件设计  . 15 体控制方案设计  . 15 进电机选取及控制设计  . 15 . 15 . 17 . 17 . 18 9. 21 介  . 21 小系统  . 21 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 统设计  . 22 第四章  模块式六自由度机器人控制系统仿真设计  . 25 . 25  介  . 25 51 简介  . 25 真系统设计  . 25 真系统组成  . 25 . 25 行调试结果  . 26 结   果  . 26 参考文献  . 28 致  谢  . 29 附录：程序代码  . 30 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第一章  绪论  器人概述  机器人是种能够进行编程，并在 自动控制下执行移动作业任务或某种操作的机械装置。  机器人技术综合了电子工程、机械工程、人工智能、及计算机技术等多种科学的最新研究成果，是典型的机电一体化技术代表，是在当代科技发展最活跃领域。机器人的制造研究与应用正受到越来越多的工业国家的重视。近十几年来，工业机器人技术发展非常迅速，各种工业机器人的在各个领域各种用途中获得广泛应用。  块式六自由度机器人概述  器人分类  关于 机器人如何分类， 在 国际上没有制定统一标准，有的按控制方式分，有的按负载重量分，有的按应用领域分 ， 有的按结构分，有的按自由度分。一般的分类方式 ： 多功能，有几个自由度，操作型机器人 ， 能自动控制，可固定或运动，可重复编程，用于相关自动化系统 之 中 。 程控型机器人 ， 按预先要求的条件及顺序，依次控制 工业 机器人的机械动作 。 “示教再现型 ”机器人 ，可以 通过引导 或者 其它方式，首先 教会机器人 执行 动作，输入工作程序，则机器人 可 自动重复进行作业。感觉控制型机器人 ，通过 传感器获取的信息 来 控制机器人的动作。数控型 的 机器人 ， 不必使机器人动作 ，通过语言、数值等对机器人进行示教，根据机器人示教后的信息进行 工作 。适应控制型机器人 ， 机器人能适应变化 中 环境，控制自身的行动 。 学习控制型机器人 ， 具有一定的学习功能，机器人能 “体会 ”工作的经验，并将所 “学 ”的经验用于 作业 中 。 智能 型 机器人 ， 以人工智能决定其机器人的行动。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 由度理论概述  自自度的概念 :工业机器人的空间机构一般都为多关节，其运动副通常有转动副和移动副两种。移动关节是以移动副相连的关节。相应地，转动关节是以转动副相连的关节。在这些关节之中，单独驱动的关节被称为主动关节。主动关节 的数目就是机器人的自由度。  由机械原理可知，机构具有运动确定时必须所给定的独立运动参数数目，称为机构的自由度（ of of 其数目通常表示为 F。如果一个构件组合体自由度 F>0，他就可以称为一个机构，也就是表明各构件间可有相对的运动；如果 F=0，则表明它是一个结构（ 即已退化成为一个构件。机构自由度分为平面的机构自由度和空间的机构自由度。一个原动件只能提供一个独立的参数。  块式六自由度机器人的应用  六自由度机器人是一种典型工业 机器人，在装配、自动搬运、喷涂、焊接、等工业现场中有广泛应用。固高科技 它既满足工业现场的要求，也是教学与科研机构进行编程系统设计和运动规划的理想对象。   该机器人采用六关节的串联结构，各个关节以“精密谐波减速器 +绝对编码器电机”为传动。在小臂处留有气动工具、安装摄像头等外部设备的接口，并且提供备用的电气接口，方便用户进行功能的扩展。   机器人控制方面，采用集成的 术、逻辑控制、图像技术及具有专业运动控制技术的 速高精度，性能可靠稳定。  工业机器人广泛应用于工业领域。工业机器人一般是指在工厂车间的环境中，配合自动化生产需要，代替人来完成零件或材料的加工、装配、搬运等操作的一种工业机器人。工业机器人定义为 :“一种可重复编程的、自动定位控制、多自由度、多功能的操作机。能搬运零件、材料或操持工具，用以完成各种作业。”  操作机被定义为 :“具有与人的手臂有相似的动作功能，可以在空间抓放物体或者进行其它操作的机械装置。”  一个典型的机器人系统由通讯接口、本体、计算机控制系统、传感系统、关节伺服驱动系统等部分组成 。一般多自由度的串联机器人具有 4 6 个的自由度，其买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 中 2 3个自由度用来决定末端执行器在空间的位置，其余的 2 3个自由度用来决定了末端执行器在空间的姿态。  要研究内容  通过查阅了大量的文献资料，并且系统学习了机器人的技术知识，同时对国内外的机器人，主要是对六自由度机器人的现状有了比较详细了解。在这个基础上，结合了作者本人设想，和设计工作中需要解决的问题，主要进行以下几项工作 :  (1) 调研收集分析有关六自由度机器人的资料，总结其机构与工作特点；  (2) 找到合适六自由度机器人的机构方案；  (3) 模 块式六自由度机器人控制系统设计；  (4) 六自由度机器人运动学分析与仿真；  (5) 利用动力学分析软件 六自由度机器人模型进行运动学仿真，对在设计中使用虚拟样机技术进行探索和尝试。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 第二章  运动学分析  述  多自由度机器人其实是具有多个关节空间机构，为了描述在空间中末端执行器的姿态和位置，可以建立一个坐标系在每个关节上，利用坐标系之间的关系去描述末端执行器的位姿。  建立坐标系的方法有很多种，常用的有 D 一 四参数法 )和矩阵变换法及五参数法等。  法 (四 参数法 )是由 提出的一种建立相对的位姿的矩阵方法。它用齐次变换来描述各个连杆相对于固定的参考系空间几何关系，用一个 4而推导出了“基坐标系”相对于“末端执行器坐标系”的等价齐次坐标变换矩阵，它把一个矢量从一个坐标系中转换到另一个坐标系中，每一个矩阵可以同时实现以下两个作用：平移和旋转。建立操作臂运动方程。本文中用的 D 一  动学分析  间机构位置的描述  描述  空间任一点 A中可用（ 3 1）的位置矢量  点 x、   点的位置描述  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 上述坐标用（ 4 1）列阵表示，被称为三维空间点 如 : 齐次坐标是并不唯一的，当列阵每一项分别去乘以一个非零因子都表示  在直角坐标系中， x,y,用   、   、    表示，则用齐次坐标描述 x、 y、  规定 ：以列阵                    且 a2+b2+ 表示某矢量的方向。如列阵  中的第四个元素不为零，则表示空间某点的位置。  如图 2  的方向可表示为：  1j k0001x0010y0100z v0 2坐标轴方向的描述  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 其中 a=b=c=  用位姿矩阵对坐标系各轴方向和动坐标系原点位置进行描述，例如原始的直角坐标系可以描述为：  如描述一个任意的坐标系 R，则利用其三个坐标轴 x R 、 y R 、 z R 在原始的坐标系中表示矢 量齐次列阵与列阵 0 0 0 1T 组成。  机器人的每一个连杆都可以看做一个刚体。当给定刚体上某一点位置与该刚体在空中的姿态，于是刚体在空间上的位姿便是唯一确定的了，可用唯一一个位姿矩阵来描述。 如图 2o x y z是固连于刚体上的一个坐标系，称为动坐标系。  刚体  、   、   分别为 x ,y ,z坐标轴的单位向量：  11000010000100001A1000刚体的位置和姿态描述  n o a买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 刚体的位姿表示为齐 次矩阵：  如图 2B的位姿表示  （ 1）原点：手部中心点为原点  2）接近矢量：关节轴方向的单位向量  （ 3）姿态矢量：手指连线方向的矢量  （ 4）法相矢量：  即法向矢量同时垂直于姿态矢量和接近矢量。 手部位置矢量为从固定参考坐标系 B原点矢量 P，手部的位姿矩阵为：  0001000000机器人手部的位置和姿态描述  ao 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 任何一种物体在空间中的位置和姿态都可以用齐 次矩阵表示。图 2的情况可用 6个点来描述：  使 Q 绕 0： z， 90）  再绕 y 轴旋转 90： y， 90）  再沿 x 轴方向平移 4： 4， 0， 0）  楔块变为图（ b）状态。  1000 111111002200440000111111Q111111440000111111446644目标物的位置和姿态描述  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 间机构中两任意坐标系的变换关系  刚体的旋转、平移运动均可由齐次变换矩阵来表示，刚体变换后的位姿由其原始描述矩阵乘以齐次变换矩阵而得到。  如图 2x， y， z）平移至 A（ x， y， z  即：  记为：  其中                    称为平移算子。  如图 2  角后移至 A，即  '110001000100011'''r a n ,' ,图 2点的平移变换  c o ss in's o s'图 2点的旋转变换  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 推导：设 r，与  则  即                           z =记为  同理：  图 2  为任意过原点的单位矢量，其在三个坐标轴上分量为                。若   旋转角，则可以证明，其旋转齐次变换矩阵为  k,）   )s y')c 's s os's o sy's o s' 11000010000c o ss o ' ,' 10000c o ss o (xR o t10000c o o s),(yR o 222 k10000c o s)c o s1(s i n)c o s1(s i n)c o s i n)c o s1(c o s)c o s1(s i n)c o s i n)c o s1(s i n)c o s1(c o s)c o ,(R o 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 业机器人运动学方程  齐次变换矩阵 如  相对连杆 0（基座）， 坐标系相对于连杆 1坐标系的位姿变换。连杆 2相对固定坐标系的位姿可用  乘积表示1此类推 , 对于六连杆机器人，于是有下列矩阵： 1述等式称为机器人的运动学方程。表示手部坐标相对于固定参考系的位姿。  或前三列表示手部的姿态；  或第四列表示手部中心点的位置。  构的运动学分析  构尺寸参数  机构模型如图 2 2 图 2点的一般旋转变换  100010006纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 图 2构模型  图 2构模型  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 根据模型尺寸，姿态连杆长度分别为 49、 50、 123。 位置的初始值为：  10002 5 6100001075001设两个移动装置的传动比为 1k ；所有传动机构的传动比为2k。各个电机的转角位n。  构的运动学方程  前三个关节确定了末端的主要位置。以初始状态的小臂方向为 x 轴正方向；大臂伸长方向为 z 轴正方向，建立空间坐标系。  则初始状态位置方程为：  1000256100c o i 1000256100c o o ss i i i nc o   1000010000c o ss o 第四关节的移动变换矩阵为：  10009910000100001第五关节的旋转齐次变换矩阵中设 k 为旋转的环绕单位矢量， 1k 、 2k 、3 y 、 z 轴的三个分量。则： )411 k ， )412 k ， 03k 。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 所以：  10000c o s)c o s1(s i n)c o s1(s i n)c o s i n)c o s1(c o s)c o s1(s i n)c o s i n)c o s1(s i n)c o s1(c o s)c o ,(5533515235253151523552253521525315352155115 o  1000)s s c o s (s o 4154155t r a n s  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 第三章  模块式六自由度机器人控制系统硬件设计  体控制方案设计  如前所述，该机器人可用于制造车间的物流系统中工件的装夹、搬运和日常生活中的看护、持物等。要求工作范围大，动作灵 活，被夹持物应具有多种多样姿态，自由度为 6个，重量轻，结构紧凑。则本设计方案如图 3 图 3体方案  进电机选取及控制设计     步进电机是一种进行精确的步进运动的机电执行元件，它可广泛应用于工业机械中的数字控制，为使系统的通用性、可维护性、可靠性以及性价比最优，根据控制系统功能的要求及步进电机的应用环境，确定了设计系统的硬件与软件的功能划分，从而实现了基于 8051 单片机的四相步进电机的开环控制系统。  进电机原理及控制技术  步进电机是种将电脉冲信号转换成了直线或角位移的执行元件，它是不能直接接到交直流电源上的，而必须使用专业的设备 步进电机控制驱动器，典型的步进电机控制系统：控制器可以发出从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲频率脉冲信号，它为环形分配器来提供脉冲序列，环形分配器的功能主要是把来自控制环节的脉冲按一定的规律分配后，经过功率放大器放大加到步进电机的驱动电源各项输入端，用以驱动步进电机的转动，环形的分配器主要有两大类：一类用计算机软件设计的方法实现环形分配器的要求功能，通常称为软环形分配器。另一类则是用硬件 构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要是对环形分配器买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电动机的目的，步进电机基本控制包括速度控制和转向控制两个方面。从结构上来看，步进电机分为三相六拍、三相单三拍和三相双三拍 3 种，其基本原理如下：   （ 1）换相顺序的控制   通电换相这一过程被称为脉冲分配。例如，三相步进电动机在单三拍工作方式下，其各相通电的顺序为  A B C A，通电控制脉冲必须严格的按照这一顺序，分别控制  A、 B、 C 相的通断。三相六拍的通电顺序为 A B C A，三相双三拍通电顺序为    （ 2）步进电机的换向控制   如果给定的工作方式正序换相通电，则步进电机正转。若步进电机励磁方式为三相六拍，也就是  A B C A。如果是按反序通电换相，则 A C B A，电机就反转。其他方式的情况类似。   （ 3）步进电机的速度控制   如果给步进电机发送一个控制脉冲，它就会转一步，再发送一个脉冲，它就会再转一步。两个脉冲间隔越短，步进电机就转动得越快。调整送给步进电动机的脉冲频率，就能够对步进电机进行调试。   （ 4）步进电机的起停控制   由于步进电机的电气特性，运转时就会有步进感。为了使电动机转动平滑，减小振动，则可在步进电机控制脉冲上升沿和下降沿采用细分梯形波，可以减小步进电机步进角，跳过电动机运行的平稳性。则在步进电机停转时，为防止因惯性而使电机轴来产生顺滑，则需要采用合适的锁定波形，来产生锁定磁力矩和锁定步进电机的转轴，促使步进电机转轴不能自由的转动。   （ 5）步进电机的加减速控制   通过实验发现，在步进电机控制系统中，如果信号变化的太快，步进电机则由于惯性而跟不上电信号变化，这时就会产生堵转与失步现象。所有的 步进电机在启动时，必须具有加速过程，在停止时波形时有减速过程。理想加速曲线一般是指数曲线，步进电机的整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程的频率变化规律逆过程。选定的曲线符合步进电机的升降过程的运行规律，并且能充分利用步进电机快速响应性好，有效转矩，缩短了升降速的时间，并且可防止过冲和失步现象。在一个实际的控制系统之中，要根据负载情况来选择步进电机。步进电机能够响应而不失步的最高步进频率被称为“启动频率”，于此类似的“停止频率”则是指系统买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 控制信号的突然关断，步进电机不能冲过目标位置最高步进频率。电机的输出 转矩、停止频率和启动频率都要与负载的转动惯量相适应，拥有了这些数据，才能有效对电机进行加减速的控制。加速过程有突然的施加脉冲启动频率。步进电机最高启动频率（突跳频率）一般为    34间，而最高运行频率则可达到  N*102果超过最高启动频率直接启动，则会产生堵转和失步现象。  进电机的换向控制  步进电机在换向时，一定要在电机降到突跳频率范围之内或降速停止再换向，以免产生较大冲击而损坏电机。换向的信号一定要在前一个方向最后一个脉冲结束后，下一个方向第一个脉冲前 发出。对于脉冲设计主要的要求其有一定的脉冲序列、脉冲宽度的均匀度与高低电平方式。在某一高速下正、反向切换实质包含降速、换向、加速这 3 个过程。  进电机的选取  本系统设计选用 577相 5线步进电机。电机的功能主要分为三部分，第一部分由三个电机控制，包括从基座开始的一个转动副和两个移动副，实现整个机器人的位置控制。第二部分由两个转动副构成，负责控制机械手的姿态。第三部分负责控制末端机械手夹持装置。  图 3进电机  电机参数如下：  步距角： 境温度： 10+55  绝缘等级： 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 图 3进电机接线图  图 3进电机尺寸图  动器  国 它的组成是由 7对 林顿管，它的高电压输出特性与阴极箝位二极管可以转换感应的负载。单个达林顿对集电极电流是 500林顿管的并联可以承受更大电 流。此电路主要应用于字锤驱动器，灯驱动器，继电器驱动器，线路驱动器，逻辑缓冲器和显示驱动器（ 体放电）。 具有带负载能力强、温度范围宽、工作电压高、电流增益高等特点 ,适于各类要求高速大功率驱动系统。其各项的参数如下所示：  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 图 3买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 图 3动器逻辑框图  表 3出端功能符号  引出端序号  符号  功能  引出端序号  符号  同意功能  1 1B 输入  9 共端  2 2B 输入  10 7C 输出  3 3B 输入  11 6C 输出  4 4B 输 入  12 5C 输出  5 5B 输入  13 4C 输出  6 6B 输入  14 3C 输出  7 7B 输入  15 2C 输出  8 E 发射极  16 1C 输出  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 表 3动器极限参数  9制设计  介  采用超大规模的集成电路技术把有数据处理能力中央处理器 读存储器 机存储器 时器 /计时器、多种 I/能还包括脉宽调制电路、显示驱动电路、 A/、模拟多路转换器）集成到一块硅片上构成一个小而完善微型计算机系统，在工业控制领域上有广泛的应用。  小系统  单片机 是 最小系统 ,或者称为最小 的 应用系统 ,是指用最少元件组成的单片机 能够 工作 的 系统 . 对 于 51系列单片机来说 ,最小 的 系统一般应该包括 :电源、单片机、复位电路 、 晶振电路。 如图 3 1、 单片机 ： 89片机一片 。  2、 电源 ： 5个 。  3、 晶振电路 ： 包括 12只、 30片电容 2只 。  4、复位电路 ： 10解电容 1只， 4只。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 图 3路图  （ 注：上图中 /31 引脚）也可直接连接电源 2  统设计  对于本系统的设计主要控制对象是 四相步进电机。采用的是手动按键控制。其中的 6个步进电机与 6个控制器，分别需要 12个按键来实现正反转的控制。但是由于 51点评及管脚限制，所以按键应采用分状态设计。如图 3 图 3钟电路  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 图 3状态设计图  图 3位电路  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 24 图 3动器控制电路  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 25 第四章  模块式六自由度机器人控制系统仿真设计  真软件概述   介  司出版的 不 只具有其它 且能仿真 单片机 及外围器件。 世界上著名 仿真软件 )，从代码调试、原理图布图到 单片机 和外围电路的协同仿真，一键切换到了 正实现从概念到产品完整设计。在编译的方面，它也支持    51 简介  51软件是目前功能最强大单片机的 51是美国的 司出品 51系列兼容单片机  汇编相比， 能上、可维护性、可读性上有明显优势，。 51软件能提供丰富的库函数与功能强大集成开发调试的工具，全 面。  真系统设计  真系统组成  基于 序、硬件系统。程序部分默认读取格式为 本设计采用 1单片机编程控制。所以在 51中生成 *件。将 果文件烧录仿真系统中，实现仿真控制。  真系统程序设计  1、本设计程序分为三部分。第一部分第一各个需 要的头文件和宏。  四个数组分别代表了 51单片机控制四相步进电机需要的四种不同的正反转时序。  2、第二部分为定义延时函数，程序代码如下：  3、 第三部分是主函数，程序代码如下：  主函数在大循环 中不断判断按键状态，如果满足相应的状态则进入电机运行程序。并且不断循环，直到监测按键状态变化。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970