（机械电子工程专业论文）上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着工业技术的发展，国内大型制造企业已经开始逐步实现生产的自动化和 智能化。在这一进程中，工业机器人起到了至关重要的作用，工业机器人现已广 泛应用于诸多领域。相比于国内大型制造企业，由于工业机器人价格较高的因素， 国内很多中小型制造企业无财力大规模购买工业机器人，导致企业的生产自动化 水平偏低这也正是本文研究的主要背景。本文根据国内中小型制造企业对于实 现普通数控机床自动上下料的实际需求，并考虑到企业的生产成本，在满足机械 手对机床自动上下料的情况下，气压驱动相对于其它驱动方式更加经济。基于此， 本文设计了一种经济型气动上下料机械手，并对机械手进行了相关的理论研究。 首先，论文介绍了国内外工业机械手研究现状、发展趋势以及机器人轨迹规 划的研究现状，指出当前国内中小型制造企业自动化程度不高的原因；设计了一 种用于普通数控机床上下料的经济型气动上下料机械手，利用p r o 忸软件建立了 上下料机械手各个零部件的模型，并对上下料机械手进行了整机装配。 其次，采用d h 法建立了上下料机械手的连杆坐标系，并对其运动学正、 逆解进行了计算并验证了计算的正确性；对上下料机械手的工作空间进行了分 析，得到了上下料机械手的雅克比矩阵以及上下料机械手速度和加速度正解；对 机械手的动力学进行了理论计算，为气缸的选型提供了依据。 再次，对上下料机械手的上下料过程进行了轨迹规划，并在a d a m s v i e w 环境下验证了轨迹规划的可行性和准确性；设计了上下料机械手的控制系统，包 括设计了气动控制回路，确定了p l c 的型号及的点数，为后续的物理样机控 制系统的搭建奠定了基础。 最后，总结了论文的主要研究内容，并对下一步的研究工作进行了展望。 本文设计了一种经济型气动上下料机械手，并对其进行了相关的理论研究， 通过验证得出：上下料机械手整体结构设计合理，能够准确地进行上下料工作， 达到了预期效果，为后续机械手样机的制造提供了依据。 关键词：气动上下料机械手，运动学分析，虚拟样机，轨迹规划，控制系统 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r i a lt e c h n o l o g y ，l a r g ed o m e s t i cm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e sg r a d u a l l ya c h i e v et h ep r o d u c t i o na u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n t t h ei n d u s t r i a l r o b o tp l a y e dac r u c i a lr o l ei nt h i sp r o c e s s ，a n dt h ei n d u s t r i a lr o b o t sa r ew i d e l yu s e di n m a n yf i e l d sn o w c o m p a r e dw i t ht h el a r g ed o m e s t i cm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，d u et o t h ef a c t o ro fr o b o th i g l lp r i c e ，t h eo w n e r so fm a n ys m a l la n dm e d i u m s i z e dd o m e s t i c m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sh a v en om o n e yt ob u yi n d u s t r i a lr o b o t si nl a r g e - s c a l e ，s o t h ep a c eo fm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o nw a sr e l a t i v e l yb a c k w a r di nm a n ys m a l la n d m e d i u m - s i z e dd o m e s t i cm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，a n dt h i si sa l s o t h em a i n b a c k g r o u n do ft h ep a p e r i nt h i sp a p e r ，t om e e tt h en e e d so fa c t u a lr e q u i r e m e n to ft h e s m a l la n dm e d i u m s i z e dd o m e s t i c m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s a u t o m a t i c f e e d i n g w o r k p i e c e sf o ro r d i n a r y n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l ，a n dc o n s i d e r i n gt h e e n t e r p r i s ep r o d u c t i o nc o s t , u n d e rt h e c a s eo fm e e t i n ga u t o m a t i cf e e d i n gf o r t h e m a c h i n et o o l ，p n e u m a t i cd r i v i n gi sm o r ee c o n o m i c a lt h a no t h e rd r i v ew a y s b a s e do n t h e s er e a s o n s ，id e s i g n e da 虹n do fe c o n o m yp n e u m a t i ca u t o m a t i cf e e d i n gm a n i p u l a t o r ， a n dd i ds o m er e l a t e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h em a n i p u l a t o r f i r s t l y ，t h i sa r t i c l es u m m a r i z e dt h er e s e a r c hs t a t u sa n dt 1 e n do fi n d u s t r i a lr o b o t s a n dr o b o tt r a j e c t o r yp l a n n i n gr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o n ，p o i n t e do u tt h er e a s o r so f a u t o m a t i o nd e g r e ew e r en o th i 曲i nt h ec u r r e n td o m e s t i cs m a l la n dm e d i u m - s i z e d m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ；d e s i g n e dak i n do fe c o n o m yp n e u m a t i ca u t o m a t i cf e e d i n g m a n i p u l a t o ru s e df o rc o m r f l o nn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 u s i n gp r o es o f t w a r e e s t a b l i s h e de v e r yp a r t sa n dc o m p o n e n t so ft h ep n e u m a t i cd a m p i n gm a n i p u l a t o r ，a n d a s s e m b l yt h em a n i p u l a t o r s e c o n d l y ，u s i n gd hm e t h o dt oe s t a b l i s ht h ec o n n e c t i n gr o dc o o r d i n a t es y s t e m o ft h ep n e u m a t i ca u t o m a t i cf e e d i n g m a n i p u l a t o r ，a n d c a l c u l a t e di t sf o r w a r d k i n e m a t i c ss o l u t i o na n db a c k w a r dk i n e m a t i c ss o l u t i o n a n a l y z e dw o r k i n gs p a c eo ft h e m a n i p u l a t o r ，a n dc a l c u l a t e dt h ej a c o b im a t r i xo ft h em a n i p u l a t o r ，a c c o r d i n gt ot h e j a c o b im a t r i x ，o b t a i n e dt h em a n i p u l a t o rf o r w a r ds o l u t i o no fs p e e da n da c c e l e r a t i o n , a n dc a l c u l a t e dt h ed y n a m i c st h e o r e t i c a lv a l u eo ft h em a n i p u l a t o rf o rt h es e l e c t i o no f t h ec y l i n d e r t h i r d l y , p l a n e dt h ef e e d i n gt r a j e c t o r yo ft h em a n i p u l a t o r , a n dv e r i f i e d t h e a c c u r a c ya n dc o r r e c t n e s so ft h et r a j e c t o r yp l a n n i n gi na d a m s v i e we n v k o u m e n g 上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究 h a v ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mo ft h em a n i p u l a t o r i n c l u d i n gd e s i g n e dp n e u m a t i c c o n t r o lc i r c u i t s ，h a v ed e t e r m i n e dt h ep l cm o d e la n dt h ef op o i n t s ，w h i c hl a i dt h e f o u n d a t i o nf o rb u i l d i n gt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ef u t u r ep h y s i c a lp r o t o t y p e f i n a l l y ，h a v es u m m a r i z e dt h em a i nr e s e a r c hw o r k , a n dm a d ea d i s c u s s i o no ft h e f u t u r er e s e a r c hw o r k i nt h i sp a p e r ，id e s i g n e da ne c o n o m yp n e u m a t i ca u t o m a t i cf e e d i n gm a n i p u l a t o r ， a n dd i ds o m er e l a t e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h em a n i p u l a t o r , v e r i f yt h er a t i o n a l i t yo f m a n i p u l a t o r ss t r u c t u r ea n dt h em a n i p u l a t o rc a nw o r k i n ga c c u r a t e ，w h a tih a v ed o n e a c h i e v e st h ed e s i r e dr e s u l t s ，i ti se x t r e m e l yv a l u a b l ef o rp r o d u c t i o no ft h es u b s e q u e n t m a n i p u l a t o ri nf u t u r e k e y w o r d s ：p n e u m a t i ca u t o m a t i cf e e d i n gm a n i p u l a t o r , k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，v i r t u a l p r o t o t y p e ，t r a j e c t o r yp l a n n i n g ，c o n t r o ls y s t e m 、 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 自从上世纪6 0 年代第一台工业机器人在美国问世以来，机器人已经成为人 类现代化工业进程中不可缺少的重要工具，它在某种程度上反映出一个国家的科 技水平和综合国力。 目前，在工业发达的国家，机器人已经广泛应用于机械加工、焊接、冲压、 热处理、压力铸造等单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的 作业。除在工业领域的大量的应用外，机器人还用于农业、林业、交通运输业、 原子能工业、医疗、福利事业、海洋和深空探测等事业中1 1 1 。机器人的广泛应用， 极大的提高了劳动生产效率，提高了产品质量，降低了产品成本。 数控技术体现了一个国家的现代化制造业水平，是企业提高生产效率、提升 产品质量以及降低生产成本的重要手段。随着市场竞争的加剧，制造企业如何快 速有效地提高数控技术已成为竞争的关键。近年来，我国通过引进国外数控技术 并加以消化，已经能够生产出具有自主知识产权的数控机床和数控系统，但是中 高端以上的数控机床和数控系统仍然以进口为主1 2 】；另外，我国生产的数控系统 多用于旧机床改造。 随着数控技术的发展，市场上出现了带有自动换刀、自动上下料装置的加工 中心，它是工业机器人技术和数控技术融合的产物，在很大程度上提高了企业的 生产效率和产品的加工精度。目前，数控机床一般都带有自动上下料装置，大多 采用由定位、夹紧和移动三部分组成的数控机械手，并配备昂贵的数控伺服电机 等系统，增加了企业的生产成本1 3 】。在国内，大部分中小型制造企业因为无财力 大规模采购带有自动换刀装置的数控机床，所以只能使用不带自动换刀装置的普 通数控机床来加工工件，机床的上下料工作只能由人工来完成。这样就降低了企 业的生产效率，并且有可能出现人身意外伤害。 因此，如何在提升企业生产自动化水平的同时，又使得企业的生产成本尽量 合理，是我国机器人发展必须考虑的一个问题。如果设计出的机器人性能指标都 能满足要求，但是价格昂贵，必然会影响该机器人的推广和普及。所以，低成本 且又满足实际生产需求的机器人，将会受到越来越多的关注。 上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究 在工业机器人技术快速发展的同时，作为工业机器人技术的一个分支，机器 人轨迹规划技术也得到了很大的发展。机器人轨迹规划应遵循的一个原则，就是 机器人在运动的过程中尽量平稳和平滑。但是，在机器人的实际应用的过程中， 可能会遇到各种各样的问题，如机器人起停时速度过大，致使机器人末端执行器 抖动、机器人末端执行器偏离预定运动轨迹，从而导致无法完成规定任务等现象。 这些现象的发生，会加剧机械零部件的磨损甚至破坏机械结构。为此，在实际应 用机器人之前，必须事先对机器人进行轨迹规划，并可以利用虚拟样机技术对机 器人进行轨迹仿真，就可以在一定程度上避免上述不良现象的发生。 1 2 国内外工业机械手研究现状与趋势 1 2 1 研究现状 上世纪6 0 年代，美国研制出世界上第一台工业机器人“u m m a t e ，但是在 随后的十几年中，美国政府一直没有重视将其产业化。迫于日本机器人技术的良 好发展，美国开始鼓励工业界发展机器人技术，并增加机器人科研经费，于上世 纪8 0 年代开始生产第二代机器人，逐步成为机器人强国。1 9 6 8 年日本川崎重工 试制出第一台川崎“尤尼曼特 机器人，日本政府采取积极的扶植政策，到了上 世纪8 0 年代，日本成为“机器人王国力。目前，日本工业机器人产量占全世界的 7 0 ，与工业机器人相关的专利技术有9 0 掌握在日本企业手中。为了解决二战 后劳动力短缺的问题，德国利用工业技术水平的优势使得机器人技术和产业快速 发展。法国通过政府组织的研究项目和工业界支持的应用和研发方面的工作，使 法国的机器人技术处于世界先进水平。经过4 0 多年的发展，国外的工业机器人 技术已非常成熟，并出现了一批著名的机器人公司，如f a n u c 、k u k a 、a b b 等1 4 1 。 通过“七五”、“八五”科技攻关，我国已基本上掌握了机器人结构的优化设 计技术、工业机器人控制、驱动系统的设计技术以及机器人软件和编程等关键技 术。在智能机器人和特种机器人方面，也取得了很多成果。尤其是水下机器人， 6 0 0 0 米水下无缆机器人的成果处于世界领先水平，同时还开发出爬壁机器人、 管道机器人等机种【5 】。但是，我国工业机器人的研究起步比较晚，缺乏核心技术 的突破，有些机器人零部件等配套零件依赖进口，不能生产技术要求比较高的关 键部件，整体技术水平相比于国外还有很大的差距。 2 江苏大学硕士学位论文 图1 1 工业机器人 f i g1 1i n d u s t r i a lr o b o t s 目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、电子电器行业、 机械加工行业等领域。在工业生产中，电焊机器人、弧焊机器人、装配机器人、 搬运机器人等工业机器人都已被大量使用。在汽车行业，对于机器人的投入相当 大，如在毛坯制造、机械加工、热处理、焊接、表面涂覆、装配、上下料等作业 中，工业机器人已逐步取代人工作业。从图1 2 的对比来看，我国工业机器人产 业还有很大的发展空间。 工业机器人和机床产业的比较 2 5 主2 0 蓑1 5 鼹1 0 攀5 0 美国祛国英国意大利德国日本韩国中国 图1 2 工业机器人和机床产业的比较【6 】 f 噜1 2t h ec o m p a r i s o no fi n d u s t r i a lr o b o t sa n dt h em a c h i n et o o li n d u s t r y l 6 1 1 2 2 工业机器人的发展趋势 目前，国内外机器人技术正向智能机器人和智能系统的方向发展，其发展趋 势主要为：机器人结构的模块化和可重构化；机器人控制技术的开放化、p c 化 和网络化：机器人伺服驱动技术的数字化和分散化：多传感器融合技术在机器人 应用中的实用化；系统的网络化和智能化以及工作环境设计的优化和作业的柔性 3 上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究 化等方面同。 1 3 机器人轨迹规划的研究现状 轨迹规划是机器人轨迹控制的基础，其性能决定了机器人的工作效率、运动 的平稳性和能量消耗，机器人轨迹规划的目的在于提高生产效率和改进跟踪精 度。从规划空间来说，机器人的轨迹规划分为两种，即关节空间的轨迹规划和笛 卡尔空间的轨迹规划，这两种方法各有优缺点。关节空间的轨迹规划相对简单， 不会出现奇异位形，但是机器人末端的运动轨迹不直观；笛卡尔空间的轨迹规划 则相对直观些，但是在规划过程中很容易进入机器人的奇异位形，并且其运动学 反解也比较复杂【8 】。关节空间的轨迹规划是以机器人各关节角度的函数来描述机 器人的轨迹，对于无路径要求的作业，可以直接在关节空间中进行规划。反之， 对于那些路径、姿态两者的瞬时变化规律有严格要求的作业，就必须在笛卡尔坐 标空间中进行规划。然而，笛卡尔空间轨迹规划的结果需要时时变换为相应的关 节坐标，计算量大，致使控制间隔拖长【9 】。 机器人轨迹规划算法的性能优化指标很多，比如时间最优和时间一能量最优 等。因为机器人执行时间的多少直接影响工厂的生产效率，所以对时间最优下机 器人轨迹规划算法研究得较多，机器人的时间最优轨迹规划是指以时间最短作为 性能指标并在满足各种约束的条件下优化机器人的运动轨迹。现有的大部分工作 可以大致分为两类1 1 0 1 ：沿着一条预设路径的最优时间动作轨迹算法；针对最优时 间点到点( p p ) 动作的优化处理算法。下面分别介绍这两类情况【1 1 1 2 】： ( 1 ) 沿着一条预设路径的最优时间动作轨迹算法 这一类算法可以分别基于机器人的运动学和动力学设计许多不同的算法。在 基于运动学设计的算法中，不论哪种算法的设计，基本包含以下三个方面：首先 必须满足机器人运动学约束，即考虑机器人的位置、速度、加速度的运动学约束， 有些场合还需考虑二阶加速度的运动学约束；其次，选择相应的曲线来连接关节 空间中的各关键点，也即选择以何种曲线进行插值计算；最后，运用相应的算法 规则编制算法。l j n 等人( 1 9 8 3 ) 在考虑了以上的运动学约束后，提出一种最优 时间下的轨迹规划方法，该方法借助柔性多面体搜索算法对轨迹进行具体的求 解，并使用高次多项式曲线来连接机器人关节空间中一系列关键点而得到满意的 轨迹【1 3 1 ，但是该算法是一种局部搜索算法，算法的性能与初始条件的选取紧密相 4 江苏大学硕士学位论文 关，不具有通用性。样条函数的次数越高，它所能满足的约束条件越多，但高次 数的样条函数会增加算法的复杂性。因此，当某段轨迹需要更多约束时，则采用 高次数的插值样条函数，反之，则采用较低次数的样条函数。基于三次样条曲线 的时间最优轨迹规划方法只能保证速度、加速度连续，不能保证机器人脉动连续， 可能会引起机械手移动过程中的振动【排1 5 1 ，采用分段的样条函数在一定程度上可 以减少机械手的振动。浙江大学朱世捌1 6 1 等人采用7 次b 样条曲线插值方法构 造启动和停止运动参数可控，且速度、加速度和脉动均连续的关节轨迹。在基于 机器人动力学方面设计的算法中，d u b o w s k y 和s h i l l e r 在没有考虑多参数迭代通 性的前提下，针对6 自由度的机械手设计了一个优化控制算法，该算法已证明是 一个严格最优的高效算法【1 7 1 。s a h a r 和h o l l e r b a c h 将机器人关节空间划分成棋盘 形式，并建立了一个状态空间搜索树，在充分考虑了机械手完整的动力学模型与 相应的运动学、动力学和几何上的各种约束条件的基础上，设计了一种求解点到 点动作下的最优时间路径的通用算法f 1 8 1 。 此外，有的时间最优轨迹规划算法同时考虑了机械手运动学和动力学约束条 件，有遗传算法【1 9 倒、模糊算法【2 1 】、神经网络算法1 2 2 。2 3 】等。 ( 2 ) 针对最优时间下点到点( p p ) 动作的优化处理算法 基于点到点( p p ) 动作的机械手工作任务，通常是指机械手必须经过工作 空间中已设定好的各个工作点并在各点停留，机械手在各点间做来回移动来完成 的一类工作任务。在工业领域，p p 工作任务具有广泛的应用，比如电路板上的 电子元件插接、汽车部件的装配和焊接、机床上下料等。具有代表性的最优时间 下机械手p p 动作的优化控制算法如下：a b d e l m a l e k 和z h i n i n g 针对空间中的每个 工作点具有多个对应机械手参数的情况，设计了一种基于分枝定界技术的求解最 优时间下p p 动作任务的算法 2 4 1 ；p e t i o t 等人同时针对机械手和移动机器人两个对 象，使用了弹性网络算法，解决了以往算法仅能对移动机器人起作用的问题，得 到了更加高效的优化解，进一步地拓展了算法的工业应用领域【2 5 l ；在国内，张凯 等人研究了6 r 机器人在焊接i v e c o 横梁的过程中进行点到点( p p ) 运动的轨迹 规划算法阳。 除了以时间最优为优化指标外，有些算法还以时间一能量最优作为优化指 标。例如，邹继刚等人利用b 样条曲线逼近机械手的运动轨迹，并运用样条曲 线的伪距离与伪速度参数量化解轨迹，同时利用动态规划法进行二维动态寻优， 5 上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究 最终获得机械手的时间一能量综合最优轨迹旧；徐海黎等人通过使用加权系数法 定义代价函数，并且考虑关节速度、加速度、二次加速度以及力或力矩等约束条 件，提出基因环境双演化免疫克隆算法对所定义的代价函数进行优化，增强了算 法的全局搜索能力，从而提高解的质量和算法效率【2 8 l 。 1 4 虚拟样机技术 虚拟样机技术是指在产品的设计和开发过程中，将分散的零部件设计和分析 技术结合在一起，在计算机上设计出产品的整体模型，并针对该产品未来投入使 用时的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高 产品性能的一种新技术【2 9 l 。机械工程中的虚拟样机技术又称机械系统动态仿真技 术，是2 0 世纪8 0 年代随计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工 程技术刚。设计者在计算机上建立样机模型，然后利用虚拟样机技术对模型进行 分析，再根据分析结果优化样机模型。运用虚拟样机技术大幅度缩短了产品的开 发周期，降低了产品的开发成本和费用，提高了产品的性能和质量。 虚拟样机技术在产品开发设计方面的主要优点： 1 利用虚拟样机代替物理样机进行模拟试验，避免了物理样机的试制环 节，降低了产品设计成本、缩短了设计周期； 2 可以随意更改仿真分析方法，而无须更换试验仪器、固定设备； 3 减少设计反复，可以利用虚拟样机对各种设计方案进行综合比较，确定 最优设计； 4 有利于并行设计的实现。 基于上述优点，越来越多的公司将虚拟样机技术引入到各自的产品设计当 中，并取得了很好的经济效益。 1 5 课题研究的目的和意义 1 5 1课题研究的目的 在我国，很多中小型制造企业自动化程度不高，还需要招聘大量的工人来操 作普通数控机床，工作效率不高。为了能更好地提高工作效率，节省人力，本文 拟研究和设计一种经济型气动上下料机械手，并利用机器人轨迹规划技术规划机 械手末端的运行轨迹，控制机械手配合普通数控机床进行上下料的操作，以实现 6 江苏大学硕士学位论文 普通数控机床的无人化加工，进而提高部分中小型制造企业普通数控机床加工的 自动化水平。 人fl ：“f 辩 奢器入扛f 料 图1 3 人工上下料与机器人上下料 f i g 1 3a r t i f i c i a lf e e d i n ga n dr o b o tf e e d i n g 1 5 2 课题研究的意义 在当今社会，随着科学技术的发展，制造企业生产技术的不断进步，工业机 器人在制造业中的应用越来越广。在国外，工业机器人技术相对比较成熟，已经 具有一定规模的产业模式。然而，国内的机器人发展相对落后，很多机器人都必 须从国外进口，这在一定程度上阻碍了我国制造企业生产自动化水平的提高。因 此，我们应该顺应市场的发展需要，使我国工业机器人技术有长足的发展。 在我国中小型制造企业中，普通数控机床占所有加工设备当中很大比例，并 且多数机床的上下料工作仍需要人工来完成。因此，如何将工业机器人应用到中 小型制造企业当中去，是提高我国制造业自动化整体水平的关键。 本研究课题顺应时代发展，紧密结合企业实际生产所需，拟设计一种用于普 通数控机床上下料的经济型气动上下料机械手。通过本课题的研究，在一定程度 上有利于提高部分中小型制造企业的生产自动化水平。因此，本课题具有一定的 工程应用价值。 1 6 论文研究思路与主要研究内容 1 6 1 论文研究思路 针对国内中小型制造企业数控机床自动化加工水平偏低的情况，采用“设计 + 仿真分析”的研究思路，设计一种经济型上下料机械手，建立机械手样机模型， 分析机械手的工作性能，规划机械手末端执行器的上下料轨迹，通过虚拟样机技 7 上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究 术验证上下料机械手工作的可靠性与可行性，设计机械手的控制系统。 1 6 2 论文的主要研究内容 依据上述研究思路，本文的主要研究内容组织如下： 第一章绪论。介绍国内外工业机器人研究现状与趋势以及机器人轨迹规划 的研究现状，提出论文的研究目的与意义，并给出论文的研究思路与主要内容。 第二章上下料机械手的设计与运动学分析。根据上下料机械手的应用对象， 设计出机械手的样机模型，建立机械手运动学方程，利用代数法计算机械手各关 节变量。 第三章上下料机械手工作性能分析。利用蒙特卡洛法和仿真分析法分析上 下料机械手的工作空间，利用微分变换法计算机械手的雅克比矩阵，建立上下料 机械手的动力学方程，求出机械手中臂及前臂与手抓连接杆的力矩，并以此为依 据计算两直线气缸的理论受力值。 第四章上下料机械手的轨迹规划。描述上下料机械手的工作任务，并给出 上下料机械手末端运行的轨迹函数和最主要的几个关键点坐标，利用m a t l a b 编 程求解各关节角度与时间的关系，运用三次样条插值计算出各关节角度与时间的 函数，并以该函数作为机械手虚拟样机仿真时的驱动函数。 第五章上下料机械手轨迹规划的仿真分析。利用虚拟样机技术验证上下料 机械手的运动轨迹，间接得到两直线气缸的运动学参数，为控制系统的设计提供 依据。 第六章上下料机械手控制系统设计。根据各气缸的动作流程图，设计气动 回路，确定i o 点数并选定p l c 型号，为后续物理样机控制系统的搭建奠定基 础。 第七章总结与展望。对本文所做的工作进行总结，并对下一步的工作内容 进行展望。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章上下料机械手的设计与运动学分析 2 1上下料机械手样机模型的建立 机械手的设计需要考虑成本和市场，机械手在满足市场需求的情况下，成本 越低越有利于市场的推广。基于上述设计理念，本文设计了一种用于普通数控机 床上下料的气动上下料机械手。气压驱动相对于电机驱动、液压驱动来说，所需 成本相对较低，其精度也比上述两种驱动方式低。但是，对于用在中小型制造企 业普通数控机床上的上下料机械手来说，气压驱动已能满足其控制精度要求。 气动驱动与别的驱动方式的比较如表2 1 所示。 表2 1 几种传动方式对比【3 1 1 tab 2 1s e v e r a ld r i v i n gm o d ec o n t r a s t 3 1 1 性能气压传动液压传动机械传动电气传动 总的来说，本机械手的设计理念基于以下两点： 1 机械手应能准确地为普通数控机床进行上下料作业，并且能够达到一定 的重复定位精度； 2 应能满足经济性要求，总造价一般不超过四万元。 本机械手的应用对象为华中数控c k 6 1 3 2 ，如图2 1 所示。根据机床作业要 o 上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究 求，设计出上下料机械手的样机模型如图2 2 所示。机械手由支柱、中臂、前臂、 手抓四部分组成。前臂与手抓由螺纹套管连接；支柱安装在基座上，由摆动气缸 驱动其绕关节j o i n t1 旋转；直线气缸1 驱动中臂绕关节j o i n t2 旋转；直线气缸 2 驱动前臂与手抓连接杆绕关节j o i n t3 旋转；直线气缸3 驱动手爪驱动滑块沿 滑槽往复运动， 率制手爪的开合动作，手爪夹持梓形t 件的直径为西1 0 一妒2 0 m m 。 1 0 图2 1 华中数控c k 6 1 3 2 f i g 2 1h u a z h o n gn cm a c h i n et o o lc k 6 1 3 2 图2 2 上下料机械手的样机模型 f i g2 2a u t o m a t i cf e e d i n gm a n i p u l a t o rp r o t o t y p em o d e l 江苏大学硕士学位论文 图2 3 前臂与手抓连接杆 图2 4 手爪装配图 1 l 上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究 图2 5 中臂与支柱 f i g 2 5m i d 姗a n dp i l l a r 图2 6 上下料机械手与数控机床三维虚拟安装 f i g2 63 dv i r t u a li n s t a l l a t i o no fa u t o m a t i cf e e d i n gm a n i p u l a t o ra n dn cm a c h i n e 图2 7 直线气缸1 与直线气缸2 的安装位置 f i g 2 7i n s t a l l a t i o np o s i t i o no fs t r a i g h tc y l i n d e r1a n d2 江苏大学硕士学位论文 表2 2 气缸安装位置参数( m m ) a i a 2b ib 2 7 0 52 0 0 4 3 4 58 5 6 2 。2 机械手位姿的描述 恤目 。 其中，只，是点p 在直角坐标系 a 中的三个坐标分量。 p 的上标a 代 图2 8 位置表示 f i g 2 8p o s i t i o n 2 2 2 方位描述 为了研究机器人的运动与操作，往往不仅需要表示空间某个点的位置，还需 要表示物体的方位，物体的方位可借助于某个固接在此物体的坐标系来描述。为 了规定某刚体b 在空间中的方位，设置一个直角坐标系 b ) 与刚体b 固接，用坐 上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究 标系 b ) 的三个单位主矢量，y 口，z b 相对于参考坐标系 a 的方向余弦组成 的3 x 3 矩阵来表示刚体b 相对于坐标系 a ) 的方位f 3 2 1 。 ；r ：【a a y b ，a z b 】_ ir 2 ，k 仫l ( 2 2 ) i 1 23l l r 3 , 3 2r 3 3 j ；j i c 称为旋转矩阵。式中，矩阵的上标a 代表参考坐标系 a ，矩阵的下标b 代 表被描述的坐标系 b 。；只共有9 个元素，但只有3 个是独立的。由于n r 的三 个列矢量 x b ， y 丑和 z 且都是单位矢量，且双双相互垂直，因而它的9 个元素 x 曰= a y y 口= a z = 1 ( 2 3 ) y b = a y 矗 = a a x 口= 0 ( 2 4 ) 对应于轴x ，y 或z 作转角为0 的旋转变换，其旋转矩阵分别为： 肌价融0 苫0 包5 ， r ( ) ，d ：l o1oi( 2 6 ) l s 0 0 c o j r c z ，目，= 乏 i 丢罗三 c 2 7 ， 述刚体b 在空间的位置和姿态，通常将物体b 与某一坐标系 b ) 相固接。 b 的 坐标原点一般选在物体b 的特征点上。相对参考系 a ) ，坐标系【舛的原点位置 和坐标轴的方位，分别由位置矢量 b 和旋转矩阵；尺描述【3 2 】。这样，刚体b 的 位置和姿态可由 b 来描述，即 b = 盒ra p b 。) ( 2 8 ) 当表示位置时，式( 2 8 ) 中的旋转矩阵；r = i ( 单位矩阵) ；当表示方位时， 1 4 江苏大学硕士学位论文 式( 2 8 ) 中的位置矢量爿矗= o 。 2 3 机械手运动学分析 在机械手系统的建模和分析中，建立机械手的坐标系是必不可少的步骤。对 于一个复杂的机械手系统中的各连杆之间的关系，都需要用坐标系来描述。我们 可用参考坐标系和关节坐标系来描述各连杆之间的关系。参考坐标系的位置和方 向不随机械手各关节的运动而变化，对机械手其他坐标系起参考定位作用，关节 坐标系用来描述机械手每一个独立的关节运动。 2 3 1广义连杆 可以用齐次变换矩阵来表示相邻坐标系问及其相应连杆。求解机器人操作手 所需要的变换矩阵，需要用广义连杆来描述每个连杆。在求得相应的广义变换矩 阵之后，可对其加以修正，以适合每个具体的连杆【3 2 】。 机械手是由一系列相连接的杆件构成的。如图2 9 所示，用4 个特征参数 ( d e n a v i t h a r t e n b e r g ) 来定义广义连杆i ，其中用两个特征参数描述连杆i ，即公 共法线距离a ；和垂直于a ；所在平面内两轴的夹角色；用另外两个特征参数来表示 相邻两杆i 与i + l 的关系，即两连杆的相对位置d ；和两连杆法线的夹角谚。 + l 图2 9 转动关节连杆四参数示意图 f i g2 9f o u rp a r a m e t e r ss k e t c ho ft h er o t a t i o n a lj o i n tc o r m e e t i n gr o d 机器人机械手上坐标系的配置取决于机械手连杆连接的类型。有两种连接类 上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究 型，即转动关节和棱柱联轴节。对于转动关节，关节变量为包。连杆i 的坐标系 原点位于关节z + 1 轴线与关节f 和f + 1 的公共法线的交点上。若相邻两连杆的轴 线相交于一点，则原点就在这一交点上。若相邻两连杆的轴线互相平行，则就选 择原点使对下一连杆( 其坐标原点已确定) 的距离d ；h 为零。连杆f 的z 轴与关节 f + 1 的轴线在一直线上，而x 轴则在连杆f 和f + 1 的公共法线上，其方向从f 指向 f + 1 ，如图2 9 。当两关节轴线相交时，x 轴的方向与两矢量的交积z h 气平行 或反向平行，x 轴的方向总是沿着公共法线从转轴甩指向f + 1 。当两轴鼍1 和薯平 行且同向时，第f 个转动关节的只为零1 3 2 。 2 3 2 广义变换矩阵 连杆坐标系 i 】- 相对于 i - 1 ) 的齐次变换_ z 称为连杆变换，它与a ；，a ；，d ；， 包四个连杆参数有关。在全部连杆规定坐标系后，按照如下顺序来建立相邻两连 杆f 一1 与庞间的相对关系： ( 1 ) r o t ( x l _ l ，q _ 1 ) ：绕五- 1 轴旋转呸_ l 角； ( 2 ) t r a n s ( x i _ l ，a t - 1 ) ：沿毛- 1 轴平移距离a l - 1 ； ( 3 ) t r a n s ( z i ，或) ：沿乞轴平移距离喀； ( 4 ) r o t ( z i ，包) ：绕乞轴旋转包角。 则 t z = r o t ( x l - l ，_ 1 ) t r a n s ( x i - 1 ，a j - 1 ) t r a n s ( z i ，d i ) r o t ( z i ，2 ) c o , c o l i - 1 s 口l _ l s o , 0 s o , c a j - 1 c o , s 呸_ l c o , 0 o s - - 1 c 口i _ 1 0 a i - 1 一d l j - l d f c g i l 1 ( 2 9 ) 根据齐次矩阵变换的乘法，有： ：t = 7 罗“i ( n 为关节个数) ( 2 1 0 ) ，为机械手的变换矩阵，它是关节变量纽，q z ，吼的函数，表示机械 手末端连杆坐标系 n 相对于基坐标系 0 ) 的描述。 2 3 3 正向运动学分析 按照上述方法建立机械手的d h 坐标系，如图2 1 0 所示。机械手的d h 参 数如表2 3 所示。 1 6 江苏大学硕士学位论文 表2 3 机械手的d h 参数 堕兰：三丛塑趔塑! 堡垒塑巳塑些堂堕 关节i 呸_ r ( 。)a i q ( 锄)盔( 咖)2 ( 。) 关节变化范围( 。) z ： ，敲 i 7 峨咚 刀一一勉夕 3 力锄一酗辑 l 侥1 ，2 墅 。孙 弦 矗。笠l 靠6 矗 d 3 - 影2 0 _ i 弦 y 3 图2 1 0 枳械手d h 坐标系 f i g2 1 0m a n i p u l a t o r sd - h c o o r d i n a t e 根据连杆变换通式，得到相邻连杆变换矩阵7 ，。 ? = c l 一曲0 0 &c 1 00 0010 000l r c 2 ，：l o l s 2 0 一s 2 0 0 o1o c 2 00 001 = t r a n s ( x 3 ，d 3 ) r o t ( y ，9 0 。) r o t ( z ，1 8 0 。) 10 0 d 4 0100i l 0010l 1 00 01j o0 01 10 0 0矧 一10 0 0 01o 0 001o 0o o1 ，= c 3 一s 3 0 a 2 s 3c 3 0 0 0010 0001 0 0 01 10 0 0 1 d 3 0 0 0 0 01 ( 2 1 1 ) 将上面的连杆变换矩阵相乘，得到机械手手爪坐标系 e ) 相对于基坐标 0 ) 的变换矩阵罗， 兰z = ，( 日) ( 幺) ( 岛) ；r( 2 1 2 ) 1 7 上下料机械手的设计、轨迹规划与控制研究 o r = 露j0 xa ， 刀】，o 】a y 以zo