开题报告-PUMA-560机器手是工业机器人

一：论文的背景、目的和意义 器手是工业机器人 , 或称机器人操作臂。从外形来看 , 它和人的手臂相似 , 是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开式链。这些连杆就像人的骨架 , 分别类似于胸、上臂 和下臂 , 械手的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节。操作臂的前端装有末端执行器或相应的工具 , 也常称为手或手爪。手臂的动作幅度一般较大 ,通常实现宏操作。 械手的运动学方程 械手属于关节式的机器人 ,是一个 6 自由度的串联开链式机构。 6 个关节都是转动关节。前面 3 个关节确定手腕参考点的位置 ,后面 3个关节确定手腕的方位。和多数工业机器人一样 , 后 3个关节轴线交于一点。关节 1 的轴线为铅直方向 , 关节 2 和关节 3 的轴线水平且平行距离为 关节 1 和关节 2的轴线垂直相交 ,关节 3 和关节 4 的轴线垂直交错 , 距离为 节 1 和 2 的 x 轴方向的距离为 关节 3 和 4 的 x 轴方向的距离为 标系是基础坐标系 ,d2,结构参数， (i =1,2, , 6) 是转角， ( i=2,3, , 6) 是扭角。该机构输入速 度矢量是六维的。 q=【 w， v】 T, 其中为 w 角速度， v 为线速度。因为该机构为 6 自由度机构，只要 6 个杆件间的相对转角 1， 2， 3， 4， 5， 6 确定，该机构的位形就全部确定了。 器人运动学逆解的求解方法很多 , 主要有坐标变换法 、图解法 、数值解析法 高计算精度和速度的各种数值解法。 这些方法明显的共同点是其数学模型都采用了 D - H 坐标系 . 各种机器人 D - H 坐标下的结构参数都比较完备 , 在此基础上的各种求解方法有些也比较成熟。 机器人臂 是一个复杂的机电系统，其中，存在复杂的耦合关系和非线性特征。它包括机械手臂本体性能和控制系统方案来评估臂机器人。在传统的设计方法中需通过重复迭代获得。使用这种方法，不仅难以提高机器人手臂的机械性能，还会消耗大量的资金和人力资源，这种机械系统的设计，脱离了控制系统，没有找到他们之间的耦合关系。 （ 1） 在传统的系统设计过程中 ,控制工程师和机械工程师虽然在一起设计开发 同一个系统或者子系统 ,但是他们都需要各自建立一个模型 ,然后各自采用不同的分析设计软件 ,对控制系统和机械系统进行独立的分析、设计和调试。最后进入控制 系统和机械系统的联合研发。如果他们发现缺陷 ,又要回到各自的模型中进行修改 ,修改完后再联合调试 ,比较多的麻烦 ,人们越来越希望建立控制模型的同时 ,也建立好虚拟物理模型。 （ 2） 随着时代的发展 科研过程中成为不可或缺的成为实用软件，由于其拥有强大的计算函数，高效率的编程以及可以实现计算结果的可视化。所以可以 在 境下 ,对 器人进行参数设计 ,分析 器人的运动 ,利用 具箱对机器人的正运动、逆运动、轨迹规划进行仿真 ,可以得到良好的效果。 件可以提供优秀的建模能力和仿真环境，并拥有运动学和动力学较强的分析功能。所以我们可以结合 两个软件运用虚拟样机技术来对机器人臂的运动轨迹进行仿真与研究。这种研究方法可以大大节省人力物力，并且在产品研发的初级阶段就能够发现设计的潜在缺陷 ,并及时找到解决方法，避免造成额外的损失。应用联合仿真 ,控制工程师和机械工程师就可以共同应用同一个样机模型 ,把控制系统设计仿真软件同机械系统仿真分析工具有机地连接起来 ,提高研发效率。 机器人学的最终目标之一是创造自主型智能机器人。这类智能 机器人拥有感知、控制等很多高级能力，它们通过本身携带的传感器等装置，收集周围环境的信息，构造一个环境模型，它可以使用数学描述。然后利用该模型，通过控制程序去规划和实现布置给它们的高层次任务，这其中无需更多的人为干涉。在许多应用领域中，都需要这类智能机器人，它们可以代替人类实现很多繁重或者是在恶劣条件下人类无法胜任的工作。 机械臂是最早用于人类实际生产领域的机器人的一种类型。传统机械臂主要有以下四类应用：操作、维修、起重运输和工艺。最近这些年，机械臂的应用又扩展到医疗和航天领域。在医疗领域，机械臂有着很多 优点，比如其精确、稳定的操作和产生切口小等，正越来越广泛的被应用于各种手术当中。更厉害的是，还可以远程操作机械臂，从而更多的病人可以更加及时方便的接受手术的治疗。在航天领域，机械臂多用在太空站和航天飞机的维护修理。没有机械臂的时候，这些工作都需要宇航员出舱完成，非常危险，而且在恶劣的太空条件下很多时候宇航员并不能完成需要的操作。有了机械臂的加入，上述问题都迎刃而解。使用太空机械臂进行太空作业，风险低，安全系数高。尤其是在因为隔热瓦损坏导致哥伦比亚航天飞机坠毁之后，美国所有航天飞机在进入外太空后都要对航天飞机 表面进行严格的检查，从而保证航行的安全，这些都要靠机械臂。机器臂技术的应用随着时代的进步越来越普及，许多新型机械臂不在扮演单纯的“劳工 角色，而是更多的应用到日常的生活中去，用途也日益多种多样，例如娱乐、服务等。因此，机械臂对人类动作的模仿和它的安全控制也逐渐成为研究热点。人智能化机器人的普及使机械臂的应用前景一片看好。对一个智能化机器人来说，要在真实世界里完成任务，能够规划出自己的运动路径是其最起码的功能。而这就是机器人研究中的一项关键技术 路径规划。全局路径规划所生成的路径没有考虑到路径的方向、曲率、宽 度、道路障碍以及道路交叉等细节信息，同时由于移动机器人行驶过程中自身状态以及环境中不确定性的影响，会出现各种不可预测的情况。正是因为这个原因，在移动机器人的运动过程中，必须以实时的环境信息和机器人自身状态为基础，动态地规划出局部内无碰撞的路径，即局部路径规划。因为环境中物体运动、随机出现的障碍物等不确定因素的作用，使实时环境下的机器人路径规划成为一个非常复杂的问题。正是因为这样，必需要求路径规划算法应该具有自适应性，从而满足实时的环境特性要求。通过多种传感器获取未知的环境信息，例如障碍物的形状、尺寸和位置等 信息。在复杂的环境条件中，采用优良 的路径规划方法不但可以节省机器人工作时间，还能够减少机器人的能耗，提高机器人的工作效率。 这篇论文将结合 款软件建立 业机器人的虚拟物理模型以及运动轨迹规划，针对轨迹规划，通过样条差值，实现 境下运动仿真分析。 二：国内外研究现状 20 世纪 80 年代随着计算机技术的发展 ,一项计算机辅助工程技术 虚拟样机技术 ,迅速发展起来 ,并在国际上得到了广泛应用 （ 3） 。国内外许多专家对虚拟样机技术进行了大量研究 ,其概念还处于发展摸索阶 段 ,在不同应用领域中存在不同定义 (4） 。 虚拟样机技术的概念 ,美国国防部的建设性意见为 (5) （ 1）虚拟样机的定义 ,虚拟样机是在计算机上建立的原型系统或子系统模型 ,并在一定程度上具有和物理样机相当的功能真实度。 （ 2）虚拟样机设计 ,在计算机上建立虚拟样机 ,由它来代替现实物理样机 ,对其设计的种种特性进行评价和测试。 （ 3）虚拟样机设计环境 ,是仿真者、仿真和模型的一个集合 ,它主要应用于引导产品从思想到样机的设计 ,强调子系统的组合和优化 ,而不是现实的硬件系统。 对虚拟样机技术的理解和定义 (6),国内学者和外国学者大同小异 ,下面是几种有代表性的论述： （ 1）虚拟样机技术是将计算机支持的协同工作技术、计算机辅助建模技术、基于知识的推理技术、用户界面设计、文档化技术、设计过程管理和虚拟现实技术集成在一起 ,形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境来支持产品设计过程中的并行工程方法。 （ 2）虚拟样机技术是指在建立实际物理样机之前 ,工程设计师利用计算机辅助设计技术建立系统的数学模型 ,进行测试分析并用数据和图形方式显示该模型在现实工程中的各种特性 ,从而测试并反复修改以得到最优设计方案的虚拟现实技术。 （ 3）虚拟样机是一种计算机设计的模型 ,它能够反映现实产品的某些特性 ,包括外观、空间位置关系以及动力学和运动学特性。应用此项技术 ,工程设计师就可以在计算机上建立机械系统模型 ,并以三维可视化处理 ,虚拟在现实环境下机械系统的运动和动力性质并根据仿真数据修改和优化整个系统。 （ 4）虚拟样机技术应用虚拟环境在直观化方面的优点以及相互式探索虚拟物理模型特点 ,对产品进行功能、制造、几何等各个方面相互分析和建模 ,在虚拟模型的基础上 ,把仿真方法和虚拟技术相结合 ,为产品的开发提供一个比较新的研究方法。 在仿真与建模领域 ,关于虚拟样机比较通用的概念是美国国防部的定义 （ 7） 。把虚拟样机技术定义成对一个与物理模型具有相似功能的系统或者子系统模型进行仿真 ,此种仿真是基于计算机的虚拟样机则是使用虚拟物理模型来代替真实物理样机 ,对候选设计方法的某几个方面的特点进行研究、仿真、测试和评估的过程 （ 8） 。 工程设计师在微机上建立虚拟样机模型 ,对虚拟样机模型进行各种性能分析 ,根据任务要求不断改进设计方案 ,用虚拟样机模型代替传统的实物样机模型进行试验。应用虚拟样机技术 ,可以极大的减少机械产品的设计过程和开发过程 ,大大降低产品研发时间 ,显著降 低研发成本 ,大大提高产品质量 ,从而得到创新的优化的设计产品 （ 9） 。所以 ,虚拟样机技术一出现 ,马上受到了西方工业发达国家、大学、相关科研机构和有关公司的极大重视 ,很多有名的制造厂商不断的将虚拟样机技术引入到自己的产品研发中去 ,得到了非常好的经济利益。虚拟样机技术的主要涉及领域是机械系统的运动学和动力学分析 ,它的核心部分是应用计算机辅助分析技术对机械系统的运动学和力学进行分析 ,来确定控制系统及其各个构件运动所需要的作用力和反作用力。 虚拟样机技术是一种全新的产品设计方法 ,它是一种基于产品的计算机仿真虚拟模型 的数字化开发办法。这种数字模型即虚拟模型 ,使不同范围的设计模型结合在一起 ,它从功能、外观和物理特性上模拟真实产品。虚拟样机技术涉及数学建模理论和技术实现 ,是基于先进的技术建模 ,多领域技术仿真 ,交互式用户界面和虚拟现实的综合应用技术 （ 10）（ 11） 。 在传统的系统设计过程中 ,控制工程师和机械工程师虽然在一起设计开发同一个系统或者子系统 ,但是他们都需要各自建立一个模型 ,然后各自采用不同的分析设计软件 ,对控制系统和机械系统进行独立的分析、设计和调试。最后进入控制系统和机械系统的联合研发。如果他们发现缺陷 ,又要回到各自的模型中进行修改 ,修改完后再联合调试 ,有比较多的麻烦 ,人们越来越希望建立控制模型的同时 ,也建立好虚拟物理模型。应用联合仿真 ,控制工程师和机械工程师就可以共同应用同一个样机模型 ,进行研发 ,把控制系统设计仿真软件同机械系统 仿真分析工具有机地连接 起来 ,提高研发效率。 （ 12） 在过去 10 年中 ,国际机器人学研究和机器人产业最重要的标志为向智能化方向发展 ,包括传感型智能机器人发展加快 ,新型智能技术不断开发 ,机器人的体系结构和软件采用模块化设计方法 ,机器人工程系统明显增加 ,微型驱动器、微型机器人和纳米技术的应用有所突破 ,应用领域向非制造业拓展 ,行走机器人和人形机器人研究得到进一步重视 ,敏捷制造生产系统获得开发 ,开放式网络机器人技术的开发成为新热点 ,以及军用机器人将用于装备部队等 （ 13） 。 我国研究机器人的起步时间 ,其实并不比国外晚很多 ,70 年代 初北京自动化研究所和沈阳自动化研究所就相继开展了机器人技术的研究工作。但是由于种种原因 ,机器人技术及应用推广在我国十分缓慢。这种情况一直到 90 年代初才有所好转 ,早期的八六三计划已经把机器人技术作为重要的攻关内容 ,国家科委和国家自然科学基金委员会也都相继资助了一些有关机器人的研究项目。在高等学校中也陆续开展了机器人的教学课程和机器人技术的研究工作。到目前为止 ,我国机器人的技术研究方面己经相继取得了一些重要成果 ,在某些领域己经接近国际前沿水平。随着我国经济与科技的发展 ,越来越多的机器人开始应用于生产和生活的各个 方面。但是从总体上看 ,我国的机器人技术同发达国家相比还比较落后。智能机器人方面的研究可以说还是刚刚起步 ,机器人传感技术和机器人专用控制系统等方面的研究还比较薄弱 （ 14）（ 15） 。 加强机器人技术的研究 ,是促进我国传统制造行业与老工业基地的技术改造与产业升级 ,推动我国制造业的根本性转变 ,实现跨越式发展的迫切需要。不仅在制造业 ,面向非制造业领域的机器人以及其它智能机器也将在海洋探索、工程与建筑机械、医疗、生物工程、服务与娱乐、空间、军事 ,以及农林业、食品加工等领域具有广阔的市场前景 （ 16）（ 17） 。 三： 理论依据、研究方法、研究内容 本文应用到的软件是专门用于机械产品虚拟样机开发方面的工具 ,通过建立虚拟物理模型 ,进行试验和调试 ,在产品的研发阶段就可以帮助设计者找到设计不足 ,并修改设计方法 ,以达到设计目的。 件为用户提供了非常大的建模、仿真环境 ,使设计者能够对许多种机械系统进行建模、仿真和分析实验 ,具有十分强大的功能。该软件的主要优点是应用它建立的虚拟模型可以很好地反映实际物理模型的特性 ,其仿真结果也能非常好地和实际物理模型的结果相一致 ,但是对于控制系统设计 ,件提供的控制工具箱存在 不足 ,功能不够强大 ,而 的 块是动态系统仿真领域中非常著名的仿真集成环境之一 ,可以帮助用户构建控制模型 ,如果将两款软件结合起来使用 ,充分发挥它们各自的优点 ,就可以为机械系统控制研究提供很多便利。 （ 18） 本次研究将结合 两款软件，依据 业机器人的运动模型及结构参数，在 境下建立 业机器人的虚拟物理模型，之后依据工作任务的描述，在 环境下，对其进行运动轨迹规划，针对轨迹规划与样条差值，实现 境下 运动仿真分析 . 本次研究的主要内容包括 业机器人的运动学的计算与建模，基于 联合仿真（包括 图， 维建模， 真）即 业机器人的虚拟样机的建立，与最终获得的数据或图形，分析总结出本次研究的理论结果，对机器人的参数设计提出建设性的意见。 四：研究条件及可能出现的问题 业机器人运动数学方程的建立与求解 件的熟练运用 件的掌握了解 数据图形结果的分析总结能 力 障碍：对 件的运用不够熟练，影响建模的速度与论文完成的进度 对结果的分析不够透彻 五：论文进度规划 完成运动学分析：一周 完成建模 ：一周 实现联合仿真 ：两周 分析结论