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精品文档 中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名：王鑫才学 号：1202044348学 院：机械与动力工程学院专 业：机械电子工程论文题目：PUMA机器人的运动控制建模与分析工字楼指导教师:崔学良2016 年 3月20日毕 业 论 文 开 题 报 告1选题依据：文 献 综 述1、本课题研究的目的，背景和意义 进入21世纪,机器人己成为现代工业不可缺少的重要工具,它标志着工业的现代化程度。机器人学是一门高度交叉的前沿学科,引起许多不同专业背景的人们的兴趣,如机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、人工智能、社会学等。机器人学包含机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器人智能化等领域,本文以工业机器人运动学系统为主线,对工业机器人运动学系统关键技术作了较深入的研究与讨论。随着20世纪60年代微处理器的出现,机器人进入了现代机器人时代,也让机器人步入应用阶段,使机器人学得到迅速发展,当前机器人学发展成为一门侧重于综合的工程科学,其涵盖了机械工程、计算机科学、控制理论、电子学、传感技术、人工智能、模式识别等多个学科。机器人延伸和扩展了人的手脚和大脑的功能,扩大了人的活动区域,具有许多人和普通机械所不可比拟的优良特性。在制造业中采用机器人技术,可以将人类从繁重和单调的劳动中解放出来缩短生产周期,提高产品质量,改善生产条件,非常适应现代化生产发展的需要1。中国工程院院长宋健指出“机器人学的进步和应用是世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化”。机器人技术综合了多学科的发展成果,代表了高技术的发展前沿,它在人类生活应用领域的不断扩大，正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。弧焊机器人的工作具有高度的准确性, 可靠性, 再现性以及适应加工对象变换的灵活性。它不仅能在恶劣或危险的环境中进行高效率的作业, 而且无论对于单件大批量或是多件小批量的焊件均展现出特有的优越性。这些优越性就在于, 可以结合示教技术和高级计算机语言灵活而简单地对不同焊件进行程序编制,使机器人完成各种复杂的焊接作业2。在石油、化工、电力等工业领域中，经常会用到圆形的管材来解决输油、输气、输水等问题，而管材之间相连接的相贯线焊缝也是非常典型的焊缝形式。提升这种相贯线焊缝的焊接质量和焊接效率对压力容器、管道等可靠性的提升，进而对工业的发展都具有比较重要的作用。由于相贯线焊缝是复杂的空间曲线3，目前还较多地采用手工焊接的方式来完成焊接任务。但是由于这种焊缝的焊接工作条件差、劳动强度大，导致焊接效率低。并且整个产品的生产周期较长，很难保证焊接质量的一致性，导致返修率较高4。随着工业生产对自动化程度要求的不断提高，自动焊接机器人的应用也越来越广泛。自动化焊接机器人与传统手工焊接相比有着生产效率高、生产质量稳定、能够在恶劣环境下连续工作等优点，已经在一些焊接领域逐渐取代了传统手工焊接的位置。焊接过程的机械化、自动化目前已经成为焊接行业的发展趋势，自动化焊接在许多领域也都取得了很大的进步5,6。基于自动化焊接的种种优势，国内外陆续采用自动或半自动的方式来实现相贯线焊缝的焊接。其中一种是采用机械凸轮仿形或角度逼近等方法实现相贯线焊缝焊接过程7,8，这些焊接设备通常在焊接质量和焊接效率上的控制不稳定，且一般缺少反馈及数字化管理。另一种方法是采用通用的弧焊机器人来实现相贯线焊缝的焊接过程，此方法一般要采用示教再现的方法9,10，操作繁琐且适应性较差。并且通用的弧焊机器人一般价格昂贵，不适合大批量应用于生产。随着信息化技术的发展和应用，数字信息也越来越多地被工业领域所利用。数字化焊接可以通过集成的焊接系统建立一个完整的柔性焊接生产线，并且可以对焊接过程进行模拟仿真，实现焊接工艺过程优化11。2、国内外研究现状及发展趋势2.1 机器人的发展机器人的定义是多种多样的,其原因是它具有一定的模糊性。根据美国机器人研究所做出的定义,机器人是一种可以再编程序的多功能操纵器,它被用来移动材料、工件、工具或专用设备,并通过可编程的运动来完成各种任务。1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义“工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机。”1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统,并以此系统的使用方法作为研究对象”。我国科学家对机器人的定义是“机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器”。“机器人是具有感知、决策、行动和交互功能的智能机器。”这是日前我国自动化专家在一份研究报告中给出的定义。自年美国发表“通用重复型机器人”专利论文和年美国发表“数字控制机器人”论文,揭开了研制机器人的序幕以来,机器人发展大致经过了三代的演变：第一代是顺序控制的,不具有感觉装置的机器人。它是年公司和unimation公司的Versatran与“Unimate”为初始产品,目前己经普及化,它依靠人们给予程序,能重复进行多种操作。由于其不具有传感器的反馈信息,因此不能在作业过程中从外界获取信息,来改善其自身的行动品质,故应用范围和精度受到限制。第二代是具有简单的传感器反馈信息的机器人。它有一若干传感器,能对自身的实际位置、方向、速度、力、滑觉等进行测量,能通过“视觉”、“触觉”等传感能力对外部环境进行实际探测,从而由这反馈信息在事先编好的算法和程序指导下对操作过程进行调整,它与这几年迅速发展起来的传感器微机技术和仿生学、控制理论等有密切关系,其研究的关键技术是“视觉”和“触觉”,目前还未能达到完善的实用阶段,尚有待于进一步研究与开发。第三代机器人是能感知外界环境与对象并具有对复杂信息进行准确处理,对自己行为做出自主决策能力的智能机器人。它能识别景物有触觉、视觉、听觉、力觉等多种感觉,能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作具有专家知识、语言功能和自学习能力等人工智能。本论文的研究对象PUMA560机器人实际是第一代机器人,但它兼有第二代机器人的少许特征,以适合于研究、验证各种控制算法而在国内各高校、研究所得以广泛的使用12。此次将该机器人用运与垂直双管道的自动焊接。2.2 运动学逆问题机械手运动学逆问题是给出机械手手部相对于基坐标系的位置和姿态,求解其关节变量。该问题的求解较为复杂,因为它实质上是解一个非线性方程的问题,目前尚没有通的解法。在实际应用中,机械手所要执行的任务通常用其基坐标系来描述,因此求解运动逆问题对于机械手的控制很重要。目前,求解机械手运动学逆问题的方法主要有两种,即代数法和几何法。1981年R.P.aPul等人提出代数解法13。该解法的基本思想是对机械手的运动方程进行适当的变换,从而建立包含较少关节变量的关系式,逐个解出各关节变量。该解法对于大多数“简单”机械手都能得到满意的结果,是一种较好的方法。由于它的几何意义不明确,故它的不足之处是求解范围有限。解决运动学逆问题的另一种方法是几何解法,它将机械手看成由关节连接起来的一系列刚性杆件,应用几何学的方法求解各关节变量,在这方面以C.5.G.Le等人提出的方法最具有代表性14。几何解法的优点是直观,几何意义明确,解法灵活,其缺点是推导过程复杂,特别是求手部的关节变量较困难,且该方法缺乏系统性。2.3 相关理论的概述空间相贯曲线焊接技术的发展现状在焊接领域,有一类具有共性的加工任务一一复杂曲线的自动焊接是人们研究的热点和难点,空间相贯曲线也是复杂曲线的一种常见形式。这类加工任务在在汽车、造船、石油、输油输气供水、钢结构、各类容器特别是压力容器制造、阀门制造等行业大量存在。目前在国内广泛采用手工焊接方式,质量差、效率低,而且还是重大事故安全隐患,特别是在压力容器,核工业等领域更是如此。因此研究这类曲线的自动焊接是当前的迫切需求。在国内,目前空间相贯曲线的自动焊接主要有两种形式：一是采用通用的焊接工业机器人,通用工业机器人可以完成空间相贯曲线等复杂曲线的自动焊接任务,但不能用于野外作业,而很多的焊接任务是在野外完成的。既使在室内作业情况下,如锅炉等大型罐体的焊接,以及受到空间约束,许多场合的空间相贯曲线的焊接,也难以采用工业机器人。而且采用通用工业机器人设备投资大,加工前的准备工作复杂,加工成本高,难以在我国大量推广。二是采用专用的基于仿形技术的自动半自动焊接专机。近期国内一些研究人员研究了空间相贯曲线靠模焊接控制技术,进行了初步的推广应用。但是由于靠模技术的局限性,当加工不同规格、不同形式的曲线时,必须更换仿形凸轮,每次更换凸轮就必须进行复杂的调整,操作困难。特别是,基于凸轮仿形的焊接过程难以实现焊枪的恒线速度控制,只能在焊接过程中由操作者随时手动调整,给操作者和焊接质量的保障带来很大的困难,而焊枪的恒线速度运行是自动焊接的基本要求。 国外发达国家在焊接自动化装备领域的研究处于明显的领先地位,最明显、的就是焊接工业机器人技术已经成熟并占领了我国几乎全部的市场份额。在空间相贯曲线的自动焊接数控技术方面,我国引进美、德、奥地利等国开发了该类焊接数控设备,在一些重要的工业领域进行了成功的应用,效果良好。但出于技术保密的原因,见不到公开的该项技术的文献报道2.4 机器人仿真技术随着科学技术的进步和生产的发展,机器人技术将在我国的四化建设中发挥越来越重要的作用。机器人仿真技术为机器人的设计和研究提供了一种方便的土具。同时它也为机器人的开发应用提供了方便而安全的试验手段。机器人在实际工作环境下的应用程序可首先通过仿真技术离线地编制和调试,从而可预先测知机器人所能达到的空间范围,以避免与周围环境的碰撞。这样既比较安全,又能节省时间和减少费用。国外从70年代未便开始从事这方面的研究。西德Wernicke等人研制了一个机器人图形仿真数据包IPA15。建立了包括200种不同机器人的数据库,从而能对不同机器人的功能和用途进行模拟、以帮助使用者选用合适的机器人。英国Nottingham大学的Heginbothm等人研制了仿真程序SAMMIE16。它用线框来表示机器人的模型。机器人可按点到点或连续轨道的方式运动,从而可进行机器人的碰撞检查。法国某实验室也研制了一个机器人CAD系统17。在美国,通用电气公司研制了SDRC软件系统,Miehsgan大学研制了ADAMS软件包,Dauglas航空公司、IBM及南加利福尼亚大学等也都开展了这方面的研究工作Dauglas公司的McAut。软件包可用于机器人工作站的设计与比较及离线编制和调试机器人的应用程序。目前各个国家的机器人研发公司也正在致力于研究焊接机器人的共性问题18。我国机器人仿真技术的研究虽然起步较晚，但经过我国研究人员不断努力还是取得了很多显赫成就19。参考文献：1 田西勇. 机器人轨迹规划方法研究D. 硕士学位论文. 北京：北京邮电大学, 2008.2 朱旗,肖介光. PUMA弧焊机器人的示教与编程J.焊接学报，1987,05:1-12.3 李晓辉,汪苏.骑座相贯线焊接机器人运动学分析及仿真J. 北京航空航天大学学报, 2008, 34(8):964-968.4 Pan Q. The welding quality and its controlling measures in boiler installation J. Science & technology & Innovation, 2014,36:236-298.5 Chu W H, Tung P C. Development of an automatic arc welding system using a sliding mode control J. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2005,45:933-939.6 杨彩芳,庄源昌,莫小栋等. 自动化焊接数控系统J. 计算机系统应用,2013, 11:176-178.7 张忠厚. 大直径筒体马鞍形曲线自动焊接机的研制J. 焊接学报, 2000,21(1):68-70.8 元化振, 田新诚, 张雪伊等. 基于角度逼近的马鞍形曲线自动焊接插补算法J. 焊接学报, 2007, 28(3):93-96.9 杨进, 李鸿基, 梁殿胜. 基于 PMAC 的工业机器人示教再现程序的研发J. 机床与液压, 2013, 41(15):151-154.10 Ohya A, Miyazaki Y, Yuta S. Autonomous navigation of mobile robot based on teaching and playback using trinocular visionC, Industrial Electronics Society, The 27th Annual Conference of the IEEE. IEEE, 2001:398-403.11 王敏, 吴林, 魏艳红. 数字化焊接技术J. 航空制造技术, 2008, (21):13-21.12 王德兵. PUMA560机械臂的运动轨迹研究与仿真D. 硕士学位论文.安徽：安徽理工大学, 2008.13 Gong Z J, Feng P F, Yan Y G, et al. Diversification in practice teaching of flexible manufacturing system J. Journal of Jimei University, 2014,41:244-279.14 Paul R P, Shimano B E, Mayer G. Kinematics control equations for simple manipulators J. IEEE Trans SMC, 1981, 11(6):449-455.15 Warnecke, HJetal. Computer graphics planning of industrial robot application.Proc.of 3rd Symp.on the theory and practice of robots and manipulatorsD.Italy,1978,23:12-36.16 Heginbotham,WBetal.Computer graphics simulation of industrial robot interactions J.Proc of the 7th ISIR,1977,11:34-67.17 Lieges Aetal. A system for eompuetraided design of robots and manipulatorsJ.Proof the 10th ISIR,1980,53:11-32.18 Yi J M, Han M. Welding Robot Welding Process Research and Development of Intelligent TechnologyJ. Applied Mechanics & Materials, 2013, 419.19 衣勇,宋雪萍. 机器人仿真研究的现状与发展趋势D. 硕士论文.大连：大连交通大学,2013.毕 业 论 文 开 题 报 告研究方案：1、本课题的任务本文是以PUMA560机械臂为研究对象，在对机器人各构件进行动力学分析的基础上，建立PUMA机器人运动控制模型，并给出其末端执行器针对任意空间曲线的轨迹规划的仿真分析，以实现将两个垂直相交的管道（管道直径均为400mm）进行单面焊接的实际操作（焊枪移动速度为5mm/s，保持匀速），并对PUMA机器人进行运动学逆解分析，建立其速度雅克比矩阵，针对管道一侧的相贯线做出各关节电机的相应位置，速度曲线；最后建立PUMA机器人的三维数模，使用Matlab等软件工具对其进行运动学仿真分析，并完成分析报告2、拟采用的研究手段 2.1 毕业设计拟定研究流程2.1.1 确定相贯线两圆柱形管道垂直相交，其交线为马鞍形曲线。马鞍形曲线的形状与不同管径、不同相贯角度以及两管偏心距的值有关系。当两相交管的直径、相贯角及偏心距确定下来后，相贯线的三维形状就确定下来。了解相贯线方程，对管道在加工中精确放样、落料、焊接和检验以及自动化焊机的设计和制造都是非常有必要的。最终建立次相贯线方程，对于相贯线模型的建立及其参数的提取，可以通过Proe等软件来完成。2.1.2 运动学逆分析一般解法相同,用分解法求解机械手运动学逆问题, 首先要在机械手各构件上建立起D-H坐标系,并确定各构件的几何参数,用分解法求解机械手运动学逆问题,其基本思想是将该问题分解为机械手手部的位置问题和姿态问题分别求解。所谓位置间题就是求解用于确定手部位置的关节变量,由于它几何意义明确,故用几何法求解。姿态问题是求解用于确定手部姿态的关节变量,对该问题用几何法很不方便,而采用代数法求解即可方便地求出手部各关节变量值。所以几何法求解PUMA机械手前3个关节变量，用代数法求解PUMA机械手后3个关节变量。2.1.3 机器人关节分析PUMA型机器人具有6个自由度,而且6关节均为旋转关节。基于D-H