（机械设计及理论专业论文）教学机器人运动控制方法研究及软件的开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 教学机器人运动控制方法研究及软件的开发 摘要 工业机器人在现代化工业国家正在得到越来越广泛的应用 各种工业机器人 的商品样机不断进入市场 在这种情况下 模拟工业机器人系统来开发教学机器 人实验系统是一个很需要重视的领域 它作为机器人技术 计算机技术和机电一 体化技术教育的教学工具 对人才培养和高新技术的推广应用有着重要的意义 目前 国内已有部分高校研制开发出了较为成型的机器人教学研究设备 另外 还有许多高校也正投入到相关产品的研发工作中 本文以东北大学国家工科机械 基础教学基地和沈阳自动化研究所共同研制的三个多自由度教学机器人为研究对 象 在已有的教学机器人硬件基础上 开发出一套新的教学机器人运动控制实验 软件 具体完成以下几方面工作 1 教学机器人的运动学分析 根据机器人运动学理论对三个多自由度机器人 建立数学模型 通过对这三种教学机器人的结构和运动学分析 显式的推导出各 教学机器人的运动学逆解 2 教学机器人工作空间的确定 分别对不同教学机器人的自身运动副的约束 条件进行分析和计算 最后得出机器人运动的工作空间 3 教学机器人轨迹生成方式的探索 应用绘图软件a u t oc a d 利用其方便 的数据文件生成功能 探索出了一种串连机器人模型轨迹数据的生成方式 4 教学机器人的控制方法 采用面向硬件的控制方式 主要通过向p c l 8 3 9 板卡写命令的方式实现控制功能 软件应用v i s u a lc 语言写成 利用c 语言 中的地址操作函数向p c l 8 3 9 步进电机控制卡接口中写入指令 从而完成控制机 器人运动的功能 5 操作界面设计 尽可能多的考虑软件运行时人为操作会带来的问题 在人 机交互的界面中加入一系列的提示和说明 在保证操作界面美观的前提下 使操 作界面通俗易懂 关键词教学机器人运动分析轨迹生成控制方法软件开发 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c hf o rk i n e t i cc o n t r o lm e t h o da n ds o f t w a r ed e v e l o p i n go f e d ur o b o t a bs t r a c t i n d u s t r i a lr o b o ti su s e dw i d e l ymt h em o d e r n i z a t i o ni n d u s t r i a lc o u n t r i e s m o d e l m a c h i n e so fa l ls o r t so fi n d u s t r i a lr o b o t sa r e e n t e r i n gi n t ot h em a r k e t i nt h i sc a s e d e v e l o p i n ge d u r o b o te x p e r i m e n t a ls y s t e mb ym e n u so fs i m u l a t i n gi n d u s t r i a lr o b o t s y s t e mi sav e r yi m p o r t a n tf i e l dd e s e r v i n ge m p h a s i s w h i c hh a si m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o r t h ep e r s o nt r a i n i n ga n dp o p u l m i o na n da p p l i c a t i o no f t h en e w t e c h n o l o g y a tp r e s e n t s o m ei n t e r n a lu n i v e r s i t i e sh a v ed e v e l o p e dt h em o u l d i n gr o b o tt e a c h i n g e q u i p m e n t s o m eo t h e ru n i v e r s i t i e sa r ed e v e l o p i n gt h ei n t e r r e l a t e dp r o d u c t s t h i sp a p e r r e s e a r c h e st h et h r e em u l t i p l ed e g r e eo ff r e e d o mr o b o t sd e v e l o p e db yt h en a t i o n a l t e a c h i n gb a s eo fm a c h i n e o r i e n t e df o u n d a t i o n a lc o u r s ei nn e ua n ds h e n y a n g a u t o m a t i z a t i o ng r a d u a t es c h 0 0 1 i nt h ec a s eo ft h ee x i s t i n gr o b o tt e a c h i n gh a r d w a r e s y s t e m d e v e l o pas u i to fn e w r o b o tt e a c h i n ge x p e r i m e n ts o t t w a r ef o rk i n e t i cc o n t r 0 1 t h em a i nw o r k so f t h i st l l e s i sa r ea sf o l l o w 1 k i n e m a t i c a la n a l y s i so fe d u r o b o t b a s e do nt h ek i n e m a t i c a lt h e o r yo fr o b o t m a t h e m a t i cm o d e lo ft h r e e m u l t i p l ed e g r e eo ff r e e d o mr o b o t sa r ef o u n d e d t h e k i n e m a t i c a la n ds t r u c t u r a lc o n t r a r yo ft h et e a c h i n gr o b o ti sd e d u c e do nt h eb a s eo ft h e t h r e et e a c h i n gr o b o ts t r u c t u r ea n dk i n e m a t i c a la n a l y s i s 2 c o n f i r mt h ew o r k s p a c eo fe d ur o b o t t h em o v i n gw o r k s p a c eo fr o b o ti s c o n f o r m e db ym e a n so fa n a l y s i n ga n dc a l c u l a t i n gr e s p e c t i v e l yt h em o v ej o i n to ft h e d i f f e r e n tt e a c h i n gr o b o t 3 e x p l o r eo ft h ee d ur o b o tt r a c kg e n e r a t i n gm o d e t h eg e n e r a t i n gm o d eo f t r a c kd a t aa b o u tas o r to fs e r i e sr o b o ti se x p l o r e db ym e a n so fa p p l y i n gt h ed a t af i l e g e n e r a t i n gf u n c t i o no f a u t o c a d 4 c o n t r o lm e t h o do fe d ur o b o t u s i n gt h ec o n t r o lm e t h o do ff a c eh a r d w a r e a c c o m p l i s ht h ec o n t r o lf u n c t i o nb ym e a n so fw r i t i n go r d e rt op c l 8 3 9 t h es o f t w a r ei s c o m p i l e db yl a n g u a g ev i s u a lc t h ef u n c t i o no fc o n t r o l l i n gt h er o b o tm o v e m e n ti s a c c o m p l i s h e db ym e a n so fw r i t i n gt h eo r d e r sf r o mt h ea d d r e s sh a n d l i n gf u n c t i o no f i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a n g u a g ec t op c l 一8 3 9s t e p p i n gm o t o rc o n t r o lc a r d 5 d e s i g n f o ro p e r a t i o ni n t e r f a c e as e r i e so fh i n t sa n de x p l a i n sa r eo f f e r e dt ot h e h u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c ef o r t h i n k i n g t h em a n m a d e p r o b l e mw h e ns o f t w a r ei s o p e r a t e d a n do p e r a t i o ni n t e r f a c ei sb e c a m ew i d e l yn e g o t i a b l ea tt h ep r e m i s eo f p r e t t i f y i n gt h eo p e r a t i o ni n t e r f a c e k e y w o r d s e d ur o b o tk i n e t i ca n a l y s i s p a t h sc r e a t i n g c o n t r o lm e t h o d s o f t w a r ed e v e l o p i n g i v 独创性声明 本人声明呈交的学位论文是在导师的指导下完成的 论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包括本人为获得其他学位而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 本人签名 恕群她 日期 7 o 上 二 垃 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留 使用学位论文的规 定 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论 文被查阅和借阅 本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索 交流 本人签名 签字日期 导师签名 签字日期 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 机器人技术的国内外发展状况 1 1 l 机器人的发展概况 计算机技术的蓬勃发展 带动了相关一系列产业的迅速崛起 控制类 智能 化 自动化产品的不断更新换代 极大地推动了社会进步 加快了科技进程 在 诸如工业 农业 国防以及教育领域产生了深远的影响 随着社会的发展 社会 分工越来越细 尤其在现代化的大生产中 无谓的重复性劳动所导致的生产效率 低下已愈来愈不适应生产力的日益发展 人们迫切希望用某种机器代替人的操作 以彻底改变上述状况 机器人的产生也就顺理成章了 早期的机器人首先在美国 发明出来 它由操作机 机械本体 控制器 伺服驱动系统和检测传感装置构成 是一种仿人操作 自动控制 可重复编程 能在三维空间完成各种作业的机电一 体化 自动化生产加工设备 它的产生对稳定和提高产品质量 提高生产效率 改善劳动条件 加速产品的更新换代都起着十分重要的作用 尤其在当代的汽车 电子等工业中更是发挥着不可替代的作用 从机器人诞生到本世纪8 0 年代初 机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过 程 到了9 0 年代 随着计算机技术 微电子技术 网络技术等的快速发展 机器 人技术也得到了飞速发展 除了工业机器人水平不断提高之外 各种用于非制造 业的先进机器人系统也有了长足的进展 工业机器人这种自动化生产设备 特别 适合于多品种 变批量的柔性生产 它对稳定 提高产品质量 提高生产效率 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用机器人技术是综合了计 算机 控制论 机构学 信息和传感技术 人工智能 仿生学等多学科而形成的 高新技术 是当代研究十分活跃 应用日益广泛的领域 机器人应用 隋况是一个 国家工业自动化水平的重要标志 i 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动 而是综合了人的特长和机器特 长的一种拟人的电子机械装置 既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力 又有机器可长时间持续工作 精确度高 抗恶劣环境的能力 从某种意义上说它 也是机器的进化过程产物 它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备 也 是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 国外机器人的发展状况 z j 自1 9 6 2 年美国推出世界上第一台u n i m a t e 型和v e r s a t r a 型工业机器人以 来 机器人在工业发达国家得到了迅速发展 根据国际 f 业机器人联合会 i f r 前几年的预测 到2 0 1 0 年全世界工业机器人的总数将达到1 6 0 万台 比2 0 0 0 颦 增加5 0 其中 日本将拥有8 0 万台 占全世界机器人总数的5 0 左右 继续 保持 机器人王国 地位 除日本外 世界上还有许多工业发达国家 如美国 前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快 例如 在美国 1 9 7 0 1 9 8 0 年间的机器人台数增加2 0 倍以上 尽管美国所拥有的机器人在台数上不如日本 但其技术水平较高 占有一定的优势 到2 0 0 0 年 美国拥有2 4 万多台机器人 德国为2 l 万多台 分别占世界机器人总数的1 5 和1 3 左右 排名世界第2 位 和第3 位 在亚洲 韩国的机器人产业发展迅速 现排名世界第5 位 面目盍 韩国和新加坡的机器人密度 即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量 居世 界第1 3 位 包揽了前三名 西欧的意大利 法国 英国和东欧的匈牙利 波 兰 南斯拉夫以及北美的加拿大等 机器人制造业及应用机器人的情况都有很大 发展 1 1 3 国内机器人的发展状况1 3 我国工业机器人起步于2 0 世纪7 0 年代初期 经过3 0 多年的发展 大致可分 为3 个阶段 7 0 年代的萌芽期 8 0 年代的开发期 9 0 年代的实用化期 在高技 术发展的推动下 随着改革开放方针的实施 我国机器人技术的发展得到政府的 重视和支持 在8 0 年代中期 国家组织了对工业机器人需求的行业调研 结果表 明 对第一代工业机器人的需求主要集中在汽车行业 占总需求的6 0 7 0 在众多专家的建议和规划下 于 七五 期问 由机电部主持 中央备部委 中 科院及地方科研院所和大学参加 国家投入相当资金 进行了工业机器人基础技 术 基础元器件 几类工业机器人整机及应用工程的开发研究 经过五年攻关 完成了示教再现式工业机器人成套技术 包括机械手 控制系统 驱动转动单元 测试系统的设计 制造 应用和小批量生产的工艺技术等 的开发 研制出喷漆 弧焊 点焊和搬运等作业机器人整机 几类专用和通用控制系统及几类关键元部 件的主要性能指标达到8 0 年代初国外同类产品的水平 并且形成小批量生产能 力 经过8 0 年代尤其是后5 年的努力 我国的工业机器人技术发展基本上可以 立足于国内 9 0 年代中期 国家已选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发 立足于国内 9 0 年代中期 国家已选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 国外机器人的发展状况拉j 自1 9 6 2 年美国推出世界上第一台u n i m a t e 型和v e r s a t r a 型工业机器人以 来 机器人在工业发达国家得到了迅速发展 根据国际工业机器人联合会 i f r 前几年的预测 到2 0 1 0 年全世界工业机器人的总数将达到1 6 0 万台 比2 0 0 0 年 增加5 0 其中 日本将拥有8 0 万台 占全世界机器人总数的5 0 左右 继续 保持 机器人王国 地位 除日本外 世界上还有许多工业发达国家 如美国 前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快 例如 在美国 1 9 7 01 9 8 0 年间的机器人台数增加2 0 倍以上 尽管美国所拥有的机器人在台数上不如日本 但其技术水平较高 占有一定的优势 到2 0 0 0 年 美国拥有2 4 万多台机器人 德国为2 1 万多台 分别占世界机器人总数的1 5 和1 3 左右 排名世界第2 位 和第3 位 在亚洲 韩国的机器人产业发展迅速 现排名世界第5 位 而日本 韩国和新加坡的机器人密度 即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量 居世 界第1 3 位 包揽了前三名 西欧的意大利 法国 英国和东欧的匈牙利 波 兰 南斯拉夫以及北美的加拿大等 机器人制造业及应用机器人的情况都有很大 发展 1 1 3 国内机器人的发展状 兄1 3 我国工业机器人起步于2 0 世纪7 0 年代初期 经过3 0 多年的发展 大致可分 为3 个阶段 7 0 年代的萌芽期 8 0 年代的开发期 9 0 年代的实用化期 在高技 术发展的推动下 随着改革开放方针的实施 我国机器人技术的发展得到政府的 重视和支持 在8 0 年代中期 国家组织了对工业机器人需求的行业调研 结果表 明 对第一代工业机器人的需求主要集中在汽车行业 占总需求的6 0 7 0 1 在众多专家的建议和规划下 于 七五 期间 由机电部主持 中央各部委 中 科院及地方科研院所和大学参加 国家投入相当资金 进行了工业机器人基础技 术 基础元器件 几类工业机器人整机及应用工程的开发研究 经过五年攻关 完成了示教再现式工业机器人成套技术 包括机械手 控制系统 驱动转动单元 测试系统的设计 制造 应用和小批量生产的工艺技术等 的开发 研制出喷漆 弧焊 点焊和搬运等作业机器人整机 几类专用和通用控制系统及几类关键元部 件的主要性能指标达到8 0 年代初国外同类产品的水平 并且形成小批量生产能 力 经过8 0 年代尤其是后5 年的努力 我国的工业机器人技术发展基本上可以 立足于国内 9 0 年代中期 国家已选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 研究 从而迅速掌握焊接机器人应用工程成套开发技术 关键设备制造 工程配 套 现场运行等技术 目前已有2 0 0 0 台左右的焊接机器人分布于大陆各大中城市 的汽车 摩托车 工程机械等制造业 其中5 5 左右为弧焊机器人 4 5 左右为 点焊机器人 已建成的机器人焊接柔性生产线1 5 条 机器人焊接工作站5 0 0 多个 9 0 年代后半期是实现国产机器人的商品化 为产业化奠定基础的时期 目前 我 国 指大陆地区 不包括港 台 澳 工业机器人数量只有约4 5 0 0 台 还没达到2 0 0 0 年新加坡 5 0 0 0 多台 和我国台湾省 7 0 0 0 多台 的水平 1 2 教学机器人 1 2 1 教学机器人的产生 机器人产生的初衷是面向工业 农业 国防等领域的不断发展 随着机器人 自身系统的不断升级 更新 人们愈来愈注意到培养机器人设计 操作人才已成 为机器人发展过程中一个不可或缺的环节 高校作为科技人才培养的重要基地 对于机器人人才的培养是责无旁贷的 于是一种专门面向教学研究 旨在培养机 器人方面基础人才的教学机器人也就应运而生了 1 2 2 国内教学机器人的研发概况 目前 国内已有部分高校研制开发出了较为成型的机器人教学研究设备 例 如哈尔滨工业大学 清华大学等 另外还有许多高校也正投入到相关产品的研发 工作中 相信不久会有更多相应产品的问世 下面简要介绍几所高校对教学机器 人研制开发的情况 1 上海理工大学以日本安川公司所生产的y a s k a w am 0 2 t o m a nu p 6 工业机器人为研究对象 在v i s u a lc 6 0 平台上 利用o p e n g l 对机器人实体 建模 创建了机械手三维图形模型 实现了机器人空间运动的仿真过程和机器人 教学的示教仿真功能 4 2 天津理工学院自行设计的一套教学机器人实验装置 整个实验系统包括 机器人机械本体 示教盒 单片机控制盒 主控计算机和电源盒 这套实验装置 实现了动作控制和示教再现控制功能 1 5 3 清华大学以进口的m o t o m a n s v 3 x 小型工业机器人和国产的数控运动 平台为基础 构建了开式链机构实验台 并规划和设计了一些基于发现式教学方 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 法的实验 为学生发挥自己的创造力和想象力提供了一个开放的实验平台 1 6 j 4 上海交通大学机器人研究所自行研制的e d u r o b o t 6 8 0 i i 关节型教学机 器人被全国十几所大专院校所采纳 e d u r o b o t 6 8 0 i i 关节型教学机器人由机 械本体和控制系统两大部分组成 机械本体部分主要由5 个转轴及一个开关手爪 组成 控制系统主要分两部分 运动控制器和主控制计算机 运动控制器与机器人 本体合为一体 置于机器人本体的底座内 主计算机和运动控制器采用并行通讯 连接 运动控制器主要由工控机及其外围电路 步进电机驱动器构成 提供标准 的点到点 p t p 控制方式 并支持主计算机进行连续轨迹 c p 控制 主计算机为 普通配置的p c 即可 i 1 1 2 3 教学机器人在实验教学中的应用 实验教学是高校教学环节中必不可少的一个重要环节 是理论联系实际的重 要纽带 随着高校教学改革的不断深入 摸索出一条新的 更加适应当代大学生 发展需求的实验教学改革之路已迫在眉睫 形势的发展与竞争 需要我们根据自 身的办学传统着重培养 宽厚 复合 开放 创新 型人才 实验教学应重在加 强本科生 理论教学 与 科学研究 之间的联系 应提倡和鼓励学生自主学习 及研究性学习 使学生通过针对性的 开放式的实验教学真正实现 以我为主 及早进入专业领域开展初步探索性研究工作 培养学生的创新意识与能力 了解 掌握科学研究的基本思路 方法和手段 为今后进一步学习研究打下扎实基础 学校应该通过扩大实验中心的建设 基础实验教学设施系统的完善 实验装备水 平的提高 来促进实验教学手段的改革和教学质量的提高 进而促进教育观念 模式 内容 方法的全面变革 教学机器人的教学也应充分考虑到现代实验教学 的特点 力求在灵活 多样的教学形式中尽可能大地发挥自身作用 达到教学目 的 可以通过开展兴趣小组 组织第二课堂 也可以通过开展 本科生参加研究 实验计划 p a r t i c i p a t i o ni nr e s e a r c hp r o g r a m p a r t i c i p a t i o ni ne x p e r i m e n t p r o g r a m 即所谓的 p r p p e p 项目来不断地完善 丰富我们的机器人教学模式 以学生动手为主 导师指导为辅 通过学生自行设计的小实验 来提高学生分析 问题 解决问题的能力 尽可能达到开放性 启发性实验的教学目的 8 在开展教学机器人实验教学的过程中应充分考虑到其重研究 重教学演示的 特点 着重注意其示教功能 学生通过主计算机操作平台上的示教窗口 直接驱 动机器人各关节电机 使机器人运动到所希望的位置 另外 学生可通过操作平 台上的交互窗口 对机器人本体 运动控制器及通讯等进行检查 诊断 并做出 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 故障判断 分析解决方案 当然更重要的是在平时反复操作过程中积累一定的经 验 总结出一系列针对不同问题所采取的行之有效的解决方法 1 2 4 教学机器人性能扩展的思考 教学机器人在现代实验教学中发挥的作用是显而易见的 在不断学习和摸索 过程中 教学机器人可以在如下几个方面进行功能扩展 1 当今的教学机器人大多只有运动和控制系统而无感觉系统 因此传感器 的加入无疑将大大提高教学机器人的智能化程度 2 目前的教学机器人可以与游戏手柄等诸多输入输出设备相连接 但在这 方面的一系列相关设备做得还并不完善 还应加强这方面软件和硬件的研发工作 3 目前的教学机器人的手爪是单一的 且只有开和关及旋转几个动作 如 果把手爪做成可调换的 将大大增加手爪的功能 扩大教学机器人实验教学领域 教学机器人的扩展方向还有很多 包括软件 硬件 相关外设等等 都有待于我 们做进一步的探索和研究 发展后的教学机器人不但可以进行实验教学 还可以 进行更多的工业机器人工作模拟 从而为更好地培养机器人方面基础人才做更多 的贡献 总之 全面自动化无疑已成为未来大多数产业发展的总趋势 计算机和机器 人也日趋成为社会发展的两大支柱 在大力发展计算机技术的同时 绝不应该忽 视机器人技术的不断完善与提高 努力发展机器人技术 努力培养机器人创新 操作人才已成当务之急 可以预见 机器人在我国的发展前景将十分广阔1 1 2 5 研制教学机器人的目的 研制教学机器人是为配合国家高等教育体制改革 培养学生创造性思维能力 和实际动手能力而专门设计的 机器人是典型的计算机控制机电系统 该系统集成了当代多项高新技术 通 过实验使学生对这些高新技术有所了解 机器人机构的设计变化莫测 这样可在 较大的空间里培养学生的思维和创造能力 机器人是典型的多体运动系统 系统 的建模与控制是个复杂的问题 学生可在不同的层次上获取系统建模与控制的知 识 即便是驾驭一台简单的机器人 也需要有较好的综合能力和实际动手能力 从这个意义上讲教学机器人实验系统的作用已远远超出机器人技术本身的范畴 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 实际应用中的机器人价格昂贵 难以在教学中普及 事实上作为教学实验 也没有必要选用高性能的机器人和生产线装备 为此需要开发适合高等院校教学 实验用途的教学机器人 设计教学机器人的最终目的是希望通过教学实验系统的使用为进一步丰富高 等教育的实验内容 更好的培养学生的创造性思维能力和实际动手能力 为祖国 教育事业的发展有所贡献 1 3 教学机器人运动控制实验系统简介 1 3 1 教学机器人的组成 本课题所研制的教学机器人控制实验系统的操作机包括一台串联机器人 一 台并联机器人和一台平面六杆机器人 其外观如图1 1 图1 2 图1 3 所示 图1 1 串联机器人外观图 f i g1 1a p p e a r a n c eo f s e r i e sr o b o t 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 并联机器人外观图 f i g1 2 a p p e a r a n c eo f p a r a l l e lr o b o t 图1 3 平面六杆机器人外观图 f i g1 3a p p e a r a n c eo f s i x l i n kr o b o t 1 3 2 使用对象 本教学机器人运动控制实验系统可供机 电和相关专业本科生实验教学使用 也可以作为机器人研究领域研究生的实验研究平台 1 3 3 实验教学 机器人本身集成了多项共性技术 这些技术可辐射到其它智能机器人和机电 一体化系统中 因此 本实验可不受教学课程的限制而独立开设 也可与相关的 课程结合 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 根据本教学机器人控制实验系统提供的模块 侧重于不同方面的实验内容可 进行如下实验教学 供参考 机器人结构及自由度分析 机器人运动分析方法 机器人工作空间分析 机器人轨迹规划 步进电机驱动方法 p c l 一8 3 9 控制板卡 的功能分析与读写操作等 1 4 本课题的研究意义和主要研究内容 1 4 1 本课题的研究意义 计算机的产生和发展给机械行业带来了翻天覆地的变化 通过对计算机的应 用 可控制的机械复杂性已经大幅度的提高了 计算机控制技术随着计算机性能 的提高和技术革新的进步也飞速发展 而将其应用于教学 使教育手段有了根本 上的改变 运用高技术的现代化教育方法收到了意想不到的效果 计算机因其具 有强大的功能 多媒体功能 智能化功能 交互功能 为教育的发展提供了一片广 阔的天地 计算机辅助教学成为现代教育技术所研究的一个重要方面 本课题的研究目的是在东北大学机械基础教学基地的一个项目成果基础上的 深入研究 从而提高成果档次 主要对东北大学和沈阳自动化研究所共同研制的 三台多自由度教学机器人进行运动学分析 应用步进电机控制卡p c l 8 3 9 以及 v i s u a lc 语言 完成计算机对机器人的运动控制 将原来以演示为主的实验改 造成以设计为主的创新型实验 在实验教学中引入机器人是一个尝试 虽然教学机器人在精密性和实用性等 方面与工业用机器人有一定差距 但是它依然融入了机械 电子 计算机 机器 人学 和人工智能等诸多领域的先进技术 它可以作为学生从理论到实践的一个 过渡 可以使学生在感性上对机器人有一个整体的认识 更为重要的是可以培养 学生的综合能力 学生通过在真正的机器人模型上进行实验 不仅可以从中具体 接触到多领域的知识和技术 而且能在实际的操作及完成各种应用项目的过程中 增强对于实际问题的观察能力和解决能力 培养动手和相互协作等能力 兴趣是 孕育天才的摇篮 在机器人平台上进行的实验 会极大的激发学生的学习兴趣 增强了学生主动思考的意识 从而达到培养创新思维的目的 1 4 1 2 课题研究的主要内容 该教学机器人控制实验系统主要针对机械类学生而设计 它为学生实验提供 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 平台 此课题的主要工作可分为研究控制方法 操作界面与轨迹生成方式 1 2 i 作空间的确定 首先对三个多自由度机器人建立数学模型 然后分别对不同模型的自身运动 副的约束条件进行分析和计算 最后得出模型运动的工作空问 对于实验软件来 说 机器人模型工作空间的分析是及其必要的 通过对它的分析 确立模型可工 作的范围 从而排除用户的错误输入 使后面的运算和控制更加精确 2 串连机器人模型轨迹生成方式 探索一种串连机器人模型轨迹数据的生成方式 这种方式需要应用绘图软件 如p r o e a u t oc a d 等 此软件还要可以接收用户直接提供的数据文件 既如 果用户已知轨迹曲线的某些离散点的坐标值并将这些数据存成数据文件 软件同 样可以接收这样的数据文件 使之成为机器人终端的运动轨迹 臼 机器人机构控制方法研究 控制机器人的运动 使机器人终端的运动轨迹是用户预期的曲线 是这个实 验软件的最终任务 此软件采用的是面向硬件的控制方式 主要通过向p c l 8 3 9 板卡写命令的方式实现控制功能 软件应用v i s u a lc 语言写成 首先通过人机 交流界面取得用户输入的信息 然后在软件中进行一系列的运算 最后利用c 语言中的地址操作函数向p c l 8 3 9 步进电机控制卡接口中写入指令 从而完成控 制机器人运动的功能 4 操作界面的设计 软件的操作界面是为用户提供的控制平台 要求通俗易懂 在制作界面的时 候 加入一些必要的提示和说明 为了防止用户的误操作 软件在数据输入时还 要设置了判断语句 将可能出现的问题排除在输入之前 9 东北大学硕士学位论文 第二章教学机器人的结构及运动分析 第二章教学机器人的结构及运动分析 2 1 串联机器人的结构及运动分析 2 1 1 串联机器人的结构 本课题中的串联机器人是具有3 个自由度的机器人 图2 1 所示的是三自由度 机器人的结构简图 可实现画线 搬运 电源为2 2 0 v5 0 h z 长 宽 高 1 3 0 0 x 1 3 0 0 x 8 0 0 图中所示的转动臂杆1 的旋转角度为 1 3 5 0 转动臂杆1 与转 动臂杆2 的旋转夹角为 1 3 5 0 推杆的伸缩长度可达 9 0 m m 1 导向杆2 推杆3 丝杠4 螺母5 闷盖6 带轮7 转动臂2 8 精动臂19 减速机1 0 步进电机1 1 立柱1 2 底座杆21 3 底座杆1 图2 1 串连机器人结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo fs e r i e sr o b o t 2 1 2 串联机器人的运动分析 2 1 2 1d e n a v i t h a r t e n b e r g 坐标系建立 9 空间连杆机构的运动副除了转动副 r 移动副 p 还有圆柱副 c 螺 旋副 h 球副 s 和球销副 s 等等 对不含球副的空间连杆机构 可以采 用d e n a v i t h a r t e n b e r g 坐标系建立法在各运动杆上建立连杆坐标系 如图2 2 所示 东北大学硕士学位论文 第二章教学机器人的结构及运动分析 坐标系0 x j z 到坐标系d x j y j z 可以认为是先沿z i 轴平移t 再绕z 轴转过o j 角 这样 z 轴运动到x 轴的位置 然后 沿x 轴平移h j 再绕x 轴转过 角使z 轴 运动到z 轴的位置 由图2 2 可知 x 轴是z 轴和z 轴的公垂线 垂足分别为o 和o 而h 为丑轴和z 轴的距离 它是沿工 轴给定的 z o 图2 2 机构的d h 坐标系 f i g 2 2d hc o o r d i n a t eo f m e c h a n i s m 由图可知 o j 谚 d l 曰 d t 这个矢量关系式在坐标系0 i t y z 中的分量表 达式为 q 阵 式中 c v 为坐标系o x y z 的方向余弦矩阵 它可由下式 2 2 n g c o s o s i n o c o s t xs i n o s i n a c js i n t c o s o c o s a c o s o s i n 6 l 1 0s i n ac o s a j 这样 坐标系q 巧刁到坐标系o x t y t z 的坐标变换为 耻吲 l c s o 警s 0 c o s i s n 竺o jc o s a 警 2 1 2 2 2 3 东北大学硕士学位论文 第二章教学机器人的结构及运动分析 m d c o s 拶 s i n 0 o o s i n 0 c o s o t 口 c o s a jc o s z p s i n a 口 o s i n o js i n a s i n o jc o s a 口 c o s 0 f o h jc o s e i h s i n o j s 1 这个矩阵就是d h 矩阵 通过推导可得其逆矩阵为 m m c o s 0 一s i n qc o s 0 c 口 s i n 0 js i n a 口 0 s i n 0 c o s 占jc o s o 口 一c o s 8 s i n a 口 0 2 1 2 2 串连机器人数学模型的建立 一h 一s js i l l d j j s jc o s a l 孓 j r 夕 遗 l 1 哆 7 免 x 图2 3 串连机器人机构简图 f i g 2 3 m e c h a n i s ms k e t c hm a po f s e r i e sr o b o t 图2 3 是根据对整个串连机器人机构建立d h 坐标系后的示意图 根据式 2 4 可得坐标系d 2 x 2 y 2 2 2 到坐标系0 1 x l y z 1 的坐标变换为 1 2 一 2 4 2 5 f f o 螂 血 东北大学硕士学位论文 第二章教学机器人的结构及运动分析 互 e o s 0 1 2 一s i n o 2 c o s a l 2 s i n s 2c o s 0 2 c o s z 1 2 0 s i n a l 2 00 s i n o 2 s i n a l 2 一s i n 0 2 s i n a l 2 c o s 口1 2 o 将 2 o d 1 2 l i h 1 2 l 2 已知条件带入得 正 t o s s 2 一s i n b 20 三2r o s e 2 s i n s 2c o s o l 2 0 l 2s i n s l 2 001 l l 00o1 h 1 2 c o s s l 2 h i 2 s i n o 2 d 1 2 l 同理可得坐标系0 3 x 3 y 3 z 到坐标系d 2 x 2 y z 的坐标变换为 2 c o s 0 2 3 s i n 0 2 3 o 0 一s i n 岛3 c o s 0 2 3 o 0 0 l 3c o s 0 2 3 0 厶s i n 目2 3 lo ol 端点p 的局部坐标为 o o 声 t 坐标系0 3 屯儿屯到坐标系q x y z 的坐标变换为 厶c o s 8 2 3c o s o l 2 一厶s i n 0 2 3s i n q 2 l 2c o s o l 2 厶c o s 0 2 3s i n b 2 厶s 血岛3s i n q 2 岛s i n b 2 厶 1 2 6 2 7 2 8 2 9 这样就可以得到端点p 的局部坐标到o x y 毛坐标系 也就是从局部坐标到整 体坐标的坐标变换式为 纠 铲喝3 0 0 z l 将式 2 1 0 展开得 只2 岛c o s 02 3c o s 81 2 也s i n0 2 3s i n 81 2 厶c o s 81 2 1 5 厶c o s 02 3s i n 0 1 2 也s i n0 2 3c o s 0 1 2 厶s i n 8 1 2 2 z 厶 对式 2 11 和 2 1 2 整理得 1 3 2 i o 2 1 1 2 1 2 1 j o 0 o l i 3疋 2五 东北大学硕士学位论文 第二章教学机器人的结构及运动分析 只 l 3 t x s o 厶c o s o t 2 只2 l 3 s i n o l 2 s i n o l 2 其中 0 1 2 口2 3 口 将式 2 1 4 变换后带入式 2 1 3 消去口得 只一三 c o s o j 厶 2 啤 s i no i 2 厶 2 1 但 1 3 f 2 1 4 2 1 5 由半角公式得 o i 2 2 a z c t a n r 因为鼠2 的范围在 1 3 5 度内 所以此处不用讨论 其中 k 扣手万习认形 只 矿 覃 巧 置一置 2 厶 将毋 对时间t 求导 盟 2 击 生 2 16 dt 1d t 2 7 其中车为 d r 出 吧 斫 d w 其中i 2 矽 只 z 只警螂鲁 璺 何孑可 i d w 产p t 0 2 3 a r c s i n p l 2a r e s i n01 2 儿 o1 2 将气对时间f 求导得 d 0 2 3 d t 矽 只 2 1 主a l p 兰 生垒一盟 坐2 互一盟 一 半 2 与 西 1 4 2 1 7 鬻 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章教学机器人的结构及运动分析 2 2 并联机器人的结构及运动分析 2 2 13 r p s 并联机器人的结构 x 图2 4 并联机器人机构简图 f i g m e c h a n i s ms k e t c hm a po f p a r a l l e lr o b o t 如图2 4 所示 并联机器人中有两块等边三角形铁板和三个可变长杆 底端三 角板跟机架相连 可变长杆与下三角板由三个转动副连接 转动副的轴线在同一 平面内但不共点 可变长杆内是三个移动副 移动杆与上三角板由三个球副连接 在平衡位置时 上下三角板平行 由于整个机器人是由分别对应的三个转动副 r 三个移动副 p 和三个球副 s 连接的 所以这样的机器人称为3 r p s 并联机器人 2 2 2 并联机器人的运动分析 2 2 2 1 并联机器人机构的运动约束方程 图2 4 所示的3 r p s 并联机构的上下平台三铰接点皆构成等边三角形 其外 接圆半径分别为r 和月 b p l b p 和b p 3 分别是连接上下平台的第一 第二和 第三分支 固定坐标系o x y z 的原点d 在下平台的中心 其z 轴垂直于下平台平 面 x 轴通过机构的第一分支的转动副马 坐标系o 一 y z 固定在上平台的中心处 2 t 轴垂直于上平台 x 轴通过第一分支的球铰p l 联接于下平台的三个转动副b 1s 查苎垄堂堡主鲎堡笙查釜三主塾芏垫堡垒竺丝塑 堡型坌堑 曰 和马的轴线分别是甄 唬和吗 它们可以是在空间任意分布的 当上平台的参 考点0 相对于固定坐标系的速度矿及平台的角速度西给定后 平台上的铰链点只 最和b 处的速度矿 卢1 2 3 可以表示为 v 西 霉 i l 2 3 2 1 8 其中 弓为上平台中心到各球铰中心p 的向量 则各分支的驱动输入线速度三 为速度向量矿在二 丘 瓦i 方向上的投影 即 一一 r 矿 l i r 2 1 9 其中 是沿硒方向的单位向量 f z i z i 将式 2 1 8 代入式 2 1 9 得 三 y 西x t i 1 2 3 或写成 y 4 厶 西 i l 2 3 其中 l 霉 式 2 2 1 表示的三个方程可以写成矩阵形式 r z f 矿 f d j 其中 p 三丘丘 7 矿 戤 圪r 如 2 2 1 2 2 2 f f l z 21 3 比 f f o 毛 如 若任意给定平台的速度和角速度向量矿和西似乎可以利用式 2 2 2 并可以求得 1 6 东北大学硕士学位论文 第二章教学机器人的结构及运动分析 r r 1 r 三个驱动器的输入速度 z 上1 岛厶 实际上这是错误的 若反过来用从式 2 2 2 l jlj 求得的驱动器速度作为机构的输入速度 那么平台所产生的速度和角速度会与原 先给定的是不一样的 也就是说 式 2 2 2 是不可逆的 这是因为该机构为三自由 度 旷和亩的六个参数中只有三个是独立的 所以在用式 2 2 2 求解速度时 六个 参数中只有三个可以给定 而其它三个非独立参数与三个独立参数之间须符合一 定的约束关系 下面来建立这种约束关系式 取平台的球铰处的速度向量矿在轴线碗上的投影得 即 y 面 霉 齑 厶 露 矿 西 霉 玩 厶c o s 口 其