（机械电子工程专业论文）五自由度写字机器人系统研究.pdf

at h e s i ss u b m i t t e dt o i u llil lui ii l li i i1 11 y 21816 6 6 t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t u d yo nf i v e d o fl e t t e r i n gr o b o ts y s t e m c a n d i d a t e ：l e iy a n c h a o s p e c i a l t y ： m e c h a t r o n i c s s up e r v i s o r ：p r o f l uc h a n g h o u s h a n d o n gu n i v e r s i t y m a y5 ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：坐奠。超 日期：垄! 三：篁：丛 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印 刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：生丛丝导师签名： 目录 目录 摘要i a b s t l 认c t i i i 第1 章绪论1 1 1 工业机器人发展现状与前景1 1 1 1 工业机器人发展现状1 1 1 2 工业机器人发展前景3 1 2 机器人研究内容及现状4 1 3 研究的目的及意义6 1 4 本章小结7 第2 章写字机器人机械结构设计9 2 1 五自由度写字机器人总体设计9 2 1 1 总体结构形式选择9 2 1 2 驱动器和减速器选择10 2 1 3 关节传动形式及型号确定1 2 2 2 机器人本体结构1 4 2 3 机器人结构修改1 5 2 4 本章小结16 第3 章写字机器人运动学及动力学分析17 3 1 写字机器人连杆齐次变换矩阵1 7 3 1 1 机器人连杆参数17 3 1 2d h 法构建齐次变换矩阵1 8 3 2 写字机器人运动学建模19 3 2 1 写字机器人运动学正解19 3 2 2 写字机器人运动学逆解2 2 3 2 3 比较法选择运动学逆解2 6 3 3 写字机器人工作空间分析2 7 3 3 1 几何法确定其工作空间2 8 山东大学硕十学位论文 3 3 2 数值法确定其工作空间3 0 3 3 3 机器人结构及参数对工作空间大小的影响31 3 4 写字机器人的雅克比矩阵3 3 3 4 1 雅克比矩阵的计算3 3 3 4 2 写字机器人的雅克比矩阵3 4 3 4 3 写字机器人雅克比矩阵的逆3 7 3 5 写字机器人动力学分析3 9 3 5 1 拉格朗日动力学方程推导3 9 3 5 2 写字机器人动力学分析4 5 3 5 3 写字机器人动力学算例分析4 6 3 6 本章小结5 0 第4 章机器人空间直线及圆弧轨迹规划5 1 4 1 机器人轨迹规划51 4 2 机器人空间直线规划5 3 4 2 1 位置插补5 3 4 2 2 姿态插补5 3 4 3 机器人空间圆弧规划5 7 4 3 1 位置插补5 7 4 3 2 姿态插补6 0 4 4s 型加减速实现6 1 4 4 1s 型加减速曲线类型判定6 1 4 4 2s 型加减速曲线分段函数6 3 4 5s 型加减速连续多段曲线规划6 6 4 6 本章小结6 7 第5 章矢量文字在空间规则曲面投影变换6 9 5 1 引言6 9 5 2 空间平面投影变换7 0 5 3 空间圆柱面投影变换7 1 5 3 1 圆柱面几何及位姿参数确定7 1 5 3 2 圆柱面投影变换7 4 i l 目录 5 4 空间球面投影变换7 6 5 4 1 球面几何及位姿参数7 6 5 4 2 球面投影变换7 8 5 5 本章小结8 0 第6 章写字机器人系统搭建8 3 6 1 机器人控制系统结构8 3 6 2 写字机器人运动控制系统8 4 6 2 1 写字机器人运动控制系统硬件8 4 6 2 2 运动控制卡运动控制模式8 5 6 2 3 实时性运动控制一8 6 6 2 4 运动控制算法软件结构8 6 6 3 建立字符字库8 9 6 3 1 文字轮廓提取8 9 6 3 2 选择矢量字体8 9 6 3 3 创建单线字库及写字过程9 0 6 4 写字机器人系统搭建9 2 6 5 本章小结9 5 第7 章总结和展望9 7 参考文献9 9 致谢10 5 山东人学硕十学位论文 i v c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t i i i c h a p t e r1e x o r d i u m 1 1 1s t a t u sq u oa n dp r o s p e c to fi n d u s t r i a lr o b o t 1 1 1 1s t a t u sq u oo fi n d u s t r i a lr o b o t 1 1 1 2p r o s p e c to fi n d u s t r i a lr o b o t 3 1 2r e s e a r c hc o n t e n t sa n ds t a t u sq u oo f r o b o t 4 1 3r e s e a r c hp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e 6 1 4b r i e fs u m m a r y 7 c h a p t e r2m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g no fl e t t e r i n gr o b o t 9 2 1o v e r a l ld e s i g no f5 rl e t t e r i n gr o b o t 9 2 1 1c h o o s eg e n e r a ls t r u c t u r ef o r m 9 2 1 2c h o o s ea c t u a t o r sa n dr e d u c e r 10 2 1 3j o i n tt r a n s m i s s i o nt y p ea n dc o m p o n e n t st y p e 12 2 2m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fl e t t e r i n gr o b o t 1 4 2 3s t r u c t u r em o d i f i c a t i o no fl e t t e r i n gr o b o t 15 2 4b r i e fs u m m a r y 16 c h a p t e r 3k i n e m a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i so fl e t t e r i n gr o b o t 17 3 1t r a n s f o r m a t i o nm a t r i xo f r o b o tl i n k s 1 7 3 1 1l i n kp a r a m e t e r s 1 7 3 1 2c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nb yd - hm e t h o d 18 3 2k i n e m a t i c sm o d e lo fl e t t e r i n gr o b o t 19 3 2 1f o r w a r dk i n e m a t i c so f l e t t e r i n gr o b o t 1 9 3 2 2i n v e r s ek i n e m a t i c so f l e t t e r i n gr o b o t 2 2 3 2 3s e l e c ti n v e r s ek i n e m a t i c ss o l u t i o n sb yc o m p a r i s o nm e t h o d 2 6 3 3w o r k s p a c ea n a l y s i so f 5 r l e t t e r i n gr o b o t 2 7 3 3 1w o r k s p a c ea n a l y s i sb yg e o m e t r i cm e t h o d 2 8 3 3 2w o r k s p a c ea n a l y s i sb yn u m e r i c a lm e t h o d 3 0 3 3 3r o b o ts t r u c t u r ea n dl i n k sp a r a m e t e r si n f l u e n c et o w a r dw o r k s p a c e 31 v 山东大学硕十学位论文 3 4j a c o b i a nm a t r i xo fl e t t e r i n gr o b o t 3 3 3 4 1d e r i v a t i o nc a l c u l a t i o no f j a c o b i a nm a t r i x 一3 3 ：；4 2j a c b i a nm a t r i xo f l e t t e r i n gr o b o t 3 4 3 4 3i n v e r s ej a c b i a nm a t r i xo fl e t t e r i n gr o b o t 3 7 3 5d y n a m i ca n a l y s i so f l e t t e r i n gr o b o t 3 9 3 5 1l a g r a n g i a nd y n a m i c se q u a t i o n 3 9 3 5 2d y n a m i ca n a l y s i so f l e t t e f i n gr o b o t 4 5 3 5 3d y n a m i ca n a l y s i se x a m p l eo f l e t t e f i n gr o b o t 4 6 3 6b r i e f s u m m a r y 5 0 c h a p t e r4r o b o t sl i n e a r a r ct r a j e c t o r yp l a n n i n gi nc a r t e s i a nc o o r d i n a t e s 。5 1 4 1r o b o tt r a j e c t o r yp l a n n i n g 51 4 2t r a c t o r yp l a n n i n gf o rs p a c el i n em o t i o no f r o b o t 5 3 4 2 1p o s i t i o ni n t e r p o l a t i o n 5 3 4 2 2o r i e n t a t i o ni n t e r p o l a t i o n 5 3 4 3t r a c t o r yp l a n n i n gf o rs p m i a la r cm o t i o no f r o b o t 5 7 4 3 1p o s i t i o ni n t e r p o l a t i o n 5 7 4 3 2o r i e n t a t i o ni n t e r p o l a t i o n 6 0 4 4ss h a p ea c c e l e r a t i o n - d e c e l e r a t i o np l a n n i n g 6 1 4 4 2j u d g m e n tss h a p ec u r et y p e 61 4 4 1p i e c e w i s ef u n c t i o no fss h a p ea c c e l e r a t i o n - d e c e l e r a t i o nc u r v e 6 3 4 5p l a n n i n gf o rc o n t i n u o u sm u l t i p l yc u r v e sb a s i so nss h a p em e t h o d 6 6 4 6b r i e f s u m m a r y 6 7 c h a p t e r5v e c t o rc h a r a c t e rp r o j e c t i o nt r a n s f o r m a t i o nt os p a c e s u r f a c e 6 9 5 1i n t r o d u c t i o n 6 9 5 2s p a c ep l a n a rp r o j e c t i o nt r a n s f o r m a t i o n 7 0 5 3s p a c ec y l i n d r i c a lp r o j e c t i o nt r a n s f o e m a t i o n 7 1 5 3 1c y l i n d r i c a ls u r f a c eg e o m e r t yp a r a m e t e ra n dp o s em a t r i x 7 1 5 3 2c y l i n d r i c a lp r o j e c t i o nt r a n s f o r m a t i o n 7 4 5 4s p a c es p h e r i c a lp r o j e c t i o nt r a n s f o e m a t i o n 7 6 5 4 1s p h e r i c a ls u r f a c eg e o m e r t yp a r a m e t e ra n dp o s em a t r i x 7 6 v i c o n t e n t s 5 4 3s p h e r i c a lp r o j e c t i o nt r a n s f o e m a t i o n 7 8 5 5b r i e f s u m m a r y 8 0 c h a p t e r6e s t a b l i s h m e n to fl e t t e r i n gr o b o ts y s t e m 8 3 6 1a r c h i t e c t u r eo fr o b o tc o n t r o ls y s t e m 8 3 6 2l i t t e r i n gr o b o tc o n t r o ls y s t e m 8 4 6 2 1h a r d w a r ec o m p o n e n t so f t h el e u e r i n gr o b o tc o n t r o ls y s t e m 8 4 6 2 2m o d e lo f t h em o t i o nc o n t r o lc a r d 8 5 6 2 3r e a l t i m em o t i o nc o n t r o l 8 6 6 2 4s o f t w a r es t r u c t u r eo fm o t i o nc o n t r o la l g o r i t h m 8 6 6 3e s t a b l i s h m e n ts i n g l el i n ef o n t 8 9 6 3 1m e t h o df o rc h a r a c t e rc o n t o u re x t r a c t i o n 。8 9 6 3 2s e l e c t i o no f v e c t o rf o n t 8 9 6 3 3p r o c e s so fb u i l d i n ga n dw r i t i n gs i n g l el i n ef o n t 9 0 6 4e s t a b l i s h m e n to f t h el e t t e r i n gr o b o ts y s t e m 9 2 6 5b r i e f s u m m a r y 。9 5 c h a p t e r7c o n c l u t i o na n d o u t l o o k 9 7 r e f e r e n c e 9 9 a c k n o w l e d g e m e n t s 1 ( ) 5 v l i i jj 东大学硕十学位论文 v i i i 摘要 摘要 机器人技术是当今高技术研究的一个重要方向，受到各国政府的普遍重视。 经过6 0 多年的发展，如今机器人已经成为工厂自动化生产线、柔性制造系统中 必不可少的单元。 本文针对钢材表面的字符标记问题，设计制造了一台五自由度写字机器人， 并以该机器人为研究对象，较深入研究了五自由度串联机器人机械结构、正逆 运动学、工作空间、速度雅克比矩阵、动力学及轨迹规划问题。并对在空间平 面、柱面以及球面的写字问题做了详细的理论分析。 本文的研究内容分为七章，各章内容概括如下： 第一章，分析了国内外工业机器人的发展现状及前景，介绍了机器人运动 学、工作空间分析和轨迹规划的现状，最后简要阐述了本文的研究目的、内容 及意义。 第二章，对机器人结构做了详细的分析，并按照p i e p e r 几何准则设计制造 了一台五自由度机器人。在s o l i d w o r k s 中建立了三维模型，并针对实验样机 结构上存在的问题提出了合理的改进意见。 第三章，采用d - h 法建立了写字机器人连杆坐标系，推导了机器人的正运 动学和逆运动计算公式。并用比较法选择合适的一组逆解，随后又求得了机器 人速度雅克比矩阵。采用几何法和数值法求得其工作空间大小，并分析了连杆 长度和大臂关节安装方式对工作空问大小的影响。利用拉格朗同方法建立了写 字机器人的动力学方程，然后将写字机器人的连杆参数带入该方程，分析其重 力矩、惯性矩、哥氏力和离心力项对关节力矩的影响。 第四章，基于定时插补在笛卡尔坐标系下对机器人的直线、圆弧插补做了 深入的研究，插补包含位置插补和姿态插补。并采用s 型加减速方式进行轨迹 规划来减少运动冲击。 第五章，对机器人在空间平面、柱面以及球面的写字问题做了理论分析。 将平回义字向空间平曲、桂曲以皮琳回进仃投影殳换，求得相应的笔尖位姿变 山东人学硕：卜学位论文 换矩阵。平面文字在向空间斜面和柱面投影变换时不存在失真，而向球面投影 时则存在失真。 第六章，对开放式控制系统结构进行了论述，利用固高运动控制卡与p c 机 搭建了写字机器人控制系统。利用v b 编写了部分运动控制程序及控制界面，实 现了对机器人基本的运动控制。最后，阐述了建立字符单线字库的过程及写字 过程，并进行了喷字实验。 第七章，总结了本文取得的主要研究成果，并对后续研究内容做了展望。 关键词：机器人；运动学：投影变换；工作空间；轨迹规划 i i a b s t r a c t a b s t r a c t r o b o t i c si sa ni m p o r t a n tb r a n c hi nh i t e c hr e s e a r c hn o w a d a y s ，w h i c hi st a k e n s e r i o u s l yg e n e r a l l yb yg o v e r n m e n t s a f t e r6 0y e a r so fd e v e l o p m e n t ，r o b o t sh a v e b e c o m ea ne s s e n t i a lu n i ti nt h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o np r o d u c t i o nl i n ea n dt h ef l e x i b l e m a n u f a c t u r es y s t e m s i n t h i sp a p e r , w ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eaf i v e - d o fl e t t e r i n gr o b o ta i m e dt o m a r kc h a r a c t e r so ns t e e ls u r f a c e b yt a k i n gt h i sf i v e - d o fs e r i a lr o b o ta sr e s e a r c h o b j e c t ，f u r t h e rs t u d yo nr o b o tm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，f o r w a r dk i n e m a t i c s ，i n v e r s e k i n e m a t i c s ，w o r k s p a c e ，v e l o c i t yj a c o b i a nm a t r i x ，d y n a m i c sa n dt r a je c t o r yp l a n n i n g p r o b l e m sh a sb e e nd o n ea n da d e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i st os o l v et h ep r o b l e mt h a t h o wt ow r i t ec h a r a c t e r so ns p a c ep l a n e ，c y l i n d r i c a la n ds p h e f i c ms u r f a c ea r e p e r f o r m e d t h et h e s i si sd i v i d e di n t os e v e nc h a p t e r s e a c hc h a p t e ri ss u m m a r i z e da s f o l l o w s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r ，f i r s t l ya n a l yt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dp r o s p e c to fi n d u s t r i a l r o b o ta th o m ea n da b r o a d t h e ni n t r o d u c et h ep r e s e n ts t a t ea n dt r e n do fd e v e l o p m e n t o fr o b o tk i n e m a t i c s ，w o r k s p a c ea n dt r a j e c t o r yp l a n n i n g a tl a s tt h er e s e a r c hp u r p o s ， c o n t e n ta n ds i b n i f i c a n c eh a v eb e e nd e s c r i b e db r i e f l y i nc h a p t e ri i ，a n a l yt h er o b o ts t r u c t u r ei nd e t a i la n dd e s i g na n dm a n u f a c t u r ea 5 rr o b o tw h i c hm e e t st h ep i e p e rg e o m e t r ys t a n d a r d si ns t r u c t u r e b u i l dt h e3 d m o d e lu s i n gs o l i dw o r k ss o f t w a r e ，a n dt h e np u tf o r w a r dr e a s o n a b l es u g g e s t i o n sf o r t h ei m p r o v e m e n to ft h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e i nc h a p t e ri i i ，c o o r d i n a t es y s t e mo fl i n k si se s t a b l i s h e db yu s i n gd - hm e t h o d ， t h e nt h ee q u a t i o n so fk i n e m a t i ca n di n v e r s ek i n e m a t i c sa r ed e r i v e d w eu s e c o m p a r i s o nm e t h o dt oc h o o s et h em o s ts u i t a b l ei n v e r s es o l u t i o n s w h i l ed e r i v i n g s p e e dj a c o b i a nm a t r i xo fl e t t e r i n gr o b o ts u b s e q u e n t l y ，g e o m e t r i ca n dn u m e r i c a l m e t h o d sh a v eb e e nu s e dt oa c h i e v et h es i z eo ft h er o b o t sw o r k s p a c e w eh a v ea l s o a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fl i n kl e n g t ha n dt h ej o i n t s i n s t a l l a t i o nm a n n e ro nt h e 山东大学硕十学位论文 w o r k s p a c es i z e l a g r a n g em e t h o di se x p l o i t e dt oo b t a i nt h ed y n a m i c se q u a t i o n so f t h el e t t e r r i n gr o b o tw i t hf i v ed e g r e eo ff r e e d o m t h e ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f l i t t e r r i n g r o b o ta r es u b s t i t u t e di n t ot h e e q u a t i o n s t oa n a l yt h ei n f l u e n c eo f c h a r a c t e r i s t i c so fg r a v i t a t i o n a l ，i n t e r i a , c o r i o l i sf o r c ea n dc e n t r i f u g a lf o r c em o m e n t t oj o i n tt o r q u e i nc h a p t e ri vo ft h ep a p e r , af u r t h e rs t u d yo nr o b o ts p a c el i n e a ra n dc i r c u l a r i n t e r p o l a t i o nb a s e do nt h et i m i n gi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi nc a r t e s i a nc o o r d i n a t e s h a sb e e nm a d e t h ei n t e r p o l a t i o ni n c l u d e sp o s i t i o ni n t e r p o l a t i o na n do r i e n t a t i o n i n t e r p o l a t i o n ss h a p ea c c e l e r a t i o n - d e c e l e r a t i o na l g o r i t h mi sa d o p t e di nt r a j e c t o r y p l a n n i n go fr o b o tt or e d u c ec o n c u s s i o n i nc h a p t e rvad e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so ns o l v i n gt h ep r o b l e mt h a th o wt o w r i t ec h a r a c t e r so ns p a c ep l a n e ，c y l i n d r i c a la n ds p h e r i c a lh a sb e e nm a d e w ec a n o b t a i nt h ep o sm a t r i xo fp e n p o i n tc o o r d i n a t e st h r o u g hw r i t i n gc h a r a c t e r so np l a n ， c y l i n d r i c a la n ds p h e r i a lb yp r o j e c t i o n i na d d i t i o n ，t h e r ei sd i s t o r t i o nw h e nc h a r a c t e r s a r ep r o j e c t e dt op l a na n d c y l i n d r i c a ld i s t o r t i o ns u r f a c e ，e x c e p ts p h e r i c a ls u r f a c e i nc h a p t e rv i ，t h es t r u c t u r eo ft h eo p e nc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e d f i r s t l y t h e nt h ec o n t r o l i n gs y s t e mo ft h i sl e t t e r i n gr o b o ti sb u i l tu pb yp ca n d g o o g o l sm o t i o n c o n t r o lc a r d s o m eo fm o t i o nc o n t r o lp r o g r a m sa n di n t e r f a c e sh a v e b e e nw r i t t e nb yv b ，w h i c hr e a l i s i n gt h eb a s i cm o t i o nc o n t r o l i n go ft h el e t t e r i n g r o b o t f i n a l l y , b r i e f l yd e s c r i b e dt h ep r o c e s so fe s t a b l i s h i n gt h es i n g l el i n ef o ma n d w r i t i n gp r o c e s s ，a n dt h e nh a v e d o n et h ew r i t i n ge x p e r i m e n t s i nc h a p t e rv i i ，s u m m a r i z et h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h et h e s i sa n d l o o kf o r w a r dt h ef o l l o w - u pr e s e a r c ha f t e r w a r d s k e y w o r d s ：r o b o t ，k i n e m a t i c s ，p r o j e c t i o nt r a n s f o r m a t i o n ，w o r k s p a c e ，p a t hp l a n n i n g 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 工业机器人发展现状与前景 工业机器人是一种典型的光、机、电一体化的高科技产品，在工厂车间中， 配合自动化生产的需要，代替人们完成材料或者零件的搬运、加工、装配等操 作的一种机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工 智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。机器人技术及 其产品发展很快，已成为柔性制造系统( f m s ) 、自动化工厂( f a ) 、计算机集成制 造系统( c i m s ) 的自动化工具。【1 】 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与数量，而且对保障人身安 全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低 生产成本有着十分重要的意义。 1 1 1 工业机器人发展现状 机器人是最典型的机电一体化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作 为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展 起越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现 的新的大型高技术产业。 以工业机器人为代表的串联机器入诞生于美国。从1 9 5 4 年美国的 u n i m a t i o n 公司【i j 推出第一台机器人到现在，工业机器人已经经历了六