毕业论文 ADAMS环境下工业机器人运动控制_和联合仿真

西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文） 境下工业机器人运动控制 和联合仿真 f 级 : 2005 级 学 号 : 20051035 姓 名 : * 专 业 : 机械设计制造及其自动化 指导老师 : 2009 年 6 月 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 I 页 院 系 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2005 姓 名 题 目 指导教师 评 语 指导教师 (签章 ) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章 ) 成 绩 答辩委员会主任 (签章 ) 年 月 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 毕业设计（论文）任务书 班 级 机械 05 学 生 姓 名 学 号 20051035 发题日期： 2009 年 3月 20日 完成日期： 2009年 月 日 题 目 境下工业机器人运动控制和联合仿真 1、 本论文的目的、意义 在制造系统中，工业机器人扮演着重要的角色，从加工、制造、装配，配送等过程环节，工业机器人因其自身的灵活性应用越来越广泛，它已经成为当代工业自动化三大领域之一，它的水平高低和应用程度反应出了一个国家工业水平的高低。本项目通过对工业机器人运动学、系统模型建立与仿真，研究工业机器人在使用中的运动学分析以及基本的控制方法， 并通过 将控制响应过程通过 现视景仿真。 2、学生应完成的任务 1）源程序及相应的文档，实现如下功能：工业机器人运动学模型建立与仿真，动力学模型建立与仿真， 通过 制模型输出的数据 实现视景仿真 等。 2）翻译课题相关外文资料。 3）毕业论文说明书。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周） 第一部分 实习调研、收集资料 （ 1 第二部分 方案选择、总体设计、软件熟悉 （ 3 第三部分 系统建模、编程 （ 5 第四 部分 联合仿真、测试及文档的编写 （ 9周） 第五部分 编写毕业论文说明书 （ 10 评阅及答辩 （ 12周） 指导教师： 年 月 日 审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 摘 要 虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前 ,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型 ,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性 ,从而修改并得到最优设计方案的技术。 应用最为广泛的虚拟样机分析软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。 但针对复杂的机器人机械系统，要想准确的控制其运动，仅依靠 形可视化和编辑功能于一体的优秀数学应用软件，具有强大的计算能力，能够建立复杂的控制模型准确控制复杂机器人系统的运动； 放式图形库全称）是 前在图形开发领域已成为工业标准。使用 踪程序的精致漂亮的 3+ 译。运行、调试为一体的功能强大的集成编程环境，在 + 用二者可以开发出优秀的视镜仿真系统。 + 有各自的优势和缺点，但是三者之间又可以通过接口联合控制或者混合编程。本文分别利用 用 + 论文首先通过建立坐标系和矩阵变换，对刚体的空间表示进行了阐述，然后采用通用的 则，将机器人关节角度参数化，推导出其正运动学方程和逆运动关节角，并计算出机器人手部的初始坐标。其次采用 件，详细介绍了机器人三维建模过程，包括整体框架构建，单个构件绘图和布尔运算等，并对机器人关节点进行了参数化设计。最后从机器人轨迹规划的基本原理和方法出发，比较分析了关节空间轨迹规划和直角坐标空间轨迹规划的差别，并采用三次多项式和五次多项式对机器 人进行了轨迹规划，利用 件中内嵌的 数对运动轨迹进行了仿真分析。然后 在 P 系统环境下，以 +立了三自由度机械手视景仿真系统模型，实现了仿真系统对 关键词 :运动学 轨迹规划 视景仿真 纹理映射 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 to a of in of so as to be is is in in it is to ot do to it is to do of is of by it in to to do of s is a 3D in in of D is to + + 6.0 an in + + 6.0 we of + + 6.0 we do or do do of + + 6.0 of of of -H of of be we of 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 V 页 a we of of on a P + + 6.0 as a 3to of 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 目 录 第一章 绪论 . 1 . 1 拟样机技术简介 . 1 拟样机的定义和特点 . 2 究现状和发展趋势 . 2 文要研究的主要内容 . 4 第二章 机器人运动学 . 5 间点和坐标系的表示 . 5 间点的向量表示 . 5 . 6 坐标系的变换 . 6 次变换 . 6 标系相 对于旋转坐标系的变换 . 10 换矩阵的逆 . 10 器人的正逆运动学 . 11 . 12 . 15 分运动 . 16 第三章 基于 机器人的虚拟样机分析 . 18 . 18 . 18 置建模环境 . 19 . 19 器人模型的设置 . 20 迹规划仿真分析 . 21 轨迹规划方法的理论分析 . 21 轨迹规划仿真分析 . 27 第四章 基于模型的视景仿真系统的设计与实现 . 32 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 . 33 作方式 . 33 制过程 . 34 机器人三维可视化框架建立 . 35 利用 . 35 设置 . 37 机械手三维模型的建立 . 40 导入机械手模型 . 40 在 . 41 建立仿真场景 . 44 纹理贴图的实现 . 45 设置光照 . 48 基于 模型的视景仿真的实现 . 51 数据的读取 . 52 利用读取的数据控制机械手的运动 . 55 实现观察 视角的交互式键盘控制 . 60 结论 . 63 致谢 . 65 附录 . 66 参考 文献 . 73 实习报告 . 74 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 1 页 第一章 绪论 业机器人的发展现状 1961年，美国的 今为止，世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、德国的机器人产业已日趋成熟和完善。工业机器人由操作机（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设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。 【 1】 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。 采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，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，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造 (冲压、压铸、锻造等 )、机械加 工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。如， 2004年德国汽车制造业中每 1万名工人中拥有工业机器人的数量为 1140台。 【 2】 在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的本的 国的 国的 大利 国的 司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。 在我国，工业机器人的真正使用到现在已经接近 20 多年了，已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。 2004年全年国产工业机器人数量（主要指在国内生产和组装的）突破 1400 台，产值突破 8亿元人民币。进口机器人数量超过 9000 台，进口额达到 美元。国内各个工业机器人厂家都呈现出产销两旺的局面。截至 2004 年底，我国工业机器人市场已经突破 30亿元人民币。 【 3】 现阶段，我国工业机器人正逐步发展 成为一种有影响力的产业。 拟样机技术简介 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 2 页 拟样机的定义和特点 虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前 ,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型 ,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性 ,从而修改并得到最优设计方案的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心 ,加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术 ,将分散的零部件设计和分析技术集成在一起 ,提供一个全新研发机械产品的设计方法。它是一种计算机模型 ,它能够反映实际产品的特性 ,包括外观、空间关系 以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术 ,设计师可以在计算机上建立机械系统的模型 ,伴之以三维可视化处理 ,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性 ,并根据仿真结果精化和优化系统。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能 ,对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在 把虚拟技术与仿真方法相结合 ,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。它具有以下特点： A 全新的研发模式 虚拟样机技术实现了系统性的产品优化 ,使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种 设计方案 ,确定影响性能的敏感参数 ,并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征 ,从而获得最优工作性能。 B 研发成本低、周期短、产品质量高 通过计算机技术建立产品的数字化模型 ,可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验 ,不但减少了物理样机的数量 ,降低了成本 ,而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 C 实现了动态联盟 广泛地采用动态联盟 , 通过 享和交流，临时缔结成的一种虚拟企业，适应了快速变化的全球市场 ,克服单个企业资源的局限性。 究现状和发展趋势 虚拟样机技术在一些较发达 国家 ,如美国、德国、日本等已得到广泛的应用 ,应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、到医学以及工程咨询等很多方面。 美国航空航天局 (喷气推进实验室 (制的火星探测器“探路号”，就是 程师利用虚拟样机技术仿真研究研发的。美国波音飞机公司的波音 777飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机 ,其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术 ,不但缩短了研发周期、降低了研发成本 ,而且确保了最终产品一次接装成功。 我国从“九五”期间开始跟踪和研究虚拟样机的相关技术 ,主要研究集中在虚 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 3 页 拟 样机的概念、系统结构以及相关的支撑技术 ,应用多集中在一些高精尖领域。近年来 ,才尝试着将虚拟样机技术用于一般机械的开发研制。天津大学与河北工业大学采用虚拟样机技术联合开发了冲击式压实机 ,对其进行了仿真计算 ,得到各部件的运动规律曲线 ,验证了压实机各部件参数值的合理性。 【 4】 虚拟样机概念正向广度和深度发展 ,今后的虚拟样机技术将更加强调部件、技术、知识的重用 ,强调便于虚拟样机柔性协同的运行管理的组织重构 ,强调跨领域技术的沟通支持，重点在以下几个方面进行研究： （ 1）基于虚拟样机的优化设计； （ 2）以虚拟样机为中心 的并行设计设计； （ 3）分析和仿真工具的集成； （ 4）虚拟样机系统的容错性研究。 景仿真技术简介 景仿真的定义和特点 视景仿真又称虚拟仿真 虚拟现实仿真。 它是 21 世纪最有前景的高科技技术之一，它是计算机技术，图形图象技术，光学技术，控制技术等多种高科技的结合，是延伸人类感觉器官的一门科学，通过对现实世界或者是人类想象的虚拟世界进行三维建模并实时驱动，通过头盔显示器或者三维投影技术显示出来。 视景仿真 (一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说 ，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作 用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。其作为计算机技术中最为前沿的应用领域之一，它已经广泛应用于虚拟现实、模拟驾驶、场景再现、城市规划及其它应用领域。计算机仿真又称全数字仿真，是根据相似原理，利用计算机来逼真模仿研究系统中的研究对象，将研究对象进行数学描述，建模编程，并且在计算机中运行实现作为计算机仿真的组成部分，视景仿真采用计算机图形图 像技术，根据仿真的目的构造仿真对象的三维模型并再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果目前，视景仿真技术在我国已广泛应用于各种研究领域：军事演练、城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、模拟训练以及交互式娱乐仿真等视景仿真技术对作战装备的使用效果有很好的实时显示，给人以强烈的视觉上的冲击，对提高武器装备的性能、研制效率有着重要的作用 业机器 人 视景仿真系统研究的意义 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 4 页 由于机器人价格昂贵 ,以及机器人的作业空间需要较大而独立的试验场地等诸多原因 ,不可能达到每个需要学习机器人的人都能亲自操作 机器人的要求。而可视化技术的出现 ,使得人们能够在三维图形世界中观察机器人 ,并通过计算机交互式对机器人进行示教仿真。基于 的工业机器人的视景仿真系统可以提供一个真实的实验平台，在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，通过图形技术，提供一个和机器人进行交互的虚拟环境。此系统充分利用 实时交互性，模拟工业机器人的示教 /再现过程，可以在此系统上编辑工业机器人的程序并动态模拟工业机器人的运动过程，观察工业机器人的运动结果，检验所编写工业机器人程序的正确性。进行实物实验之前，可以 先在仿真系统上进行模拟仿真，观察实验的运动过程以及运动结果，避免直接在现实中操作对工业机器人及周围物体可能造成的伤害。另外，对于刚接触工业机器人的操作员来说，此系统可以提供与现实工业机器人几乎相同的操作步骤，在操作员真正操作工业机器人之前，可以增加其操作的熟练程度，增加安全系数。 文要研究的主要内容 为了简化研究，本文采用一个 3自由度关节机器人，分别通过 合 运算功能，进行了机器人运动学分析和空间坐标的轨迹规划，实现运动轨迹的最优化。又在 P 环境下，利用 +体工作如下： （ 1）进行运动学分析。按照通用的 则，通过矩阵变换，得到了机器人的正运动学方程和初始坐标，推导出机器人逆运动学的关节角度。 （ 2）在 构造机器人部件，运用约束库中的移动和旋转副对部件进行链接，添加驱动力，实现机器人的运动，完成三维建模。 （ 3）对机器人的运行轨迹进行多项式优化，利用 仿真和后处理模块，绘制小臂末端处所取点的位置、速度、加速度、角速度和角加 速度曲线，结合曲线进行三次多项式和五次多项式轨迹规划的仿真分析，并进行比较分析。 （ 4）利用 + 入并建立机械手模型，建立仿真场景，实现基于模型数据的运动仿真，并实现视角的交互式键盘控制。 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 5 页 第二章 机器人运动学 机器人运动学指研究机器人各个连杆相对运动的空间几何关系。在实际应用中，最为感兴趣的问题是机器人手部（即末端执行器）相对于参考坐标系的空间描述。机器人可以看成为一个开环的运动链，该链是由一组杆件相连而成，其一端固定在基座上，另一端固定在机器人手部上。两个杆件 之间通过关节相连，关节由驱动器驱动，使杆件之间产生相对运动，从而使机器人手部达到期望的位置和姿态。 在机器人运动学的研究过程中，又可以分为两类基本问题，即机器人运动学的正问题与逆问题。其中，机器人运动学的正问题指在已知杆件几何结构参数和关节变量值的前提下，求解机器人手部相对于参考坐标系的位置与姿态的问题；机器人运动学的逆问题指根据机器人手部在笛卡尔坐标系中的位置与姿态求解机器人各关节的关节变量值的问题。 【 5】 间点和坐标系的表示 间点的向量表示 在直角坐标系中，可以用一个 3 1的位 置矢量来表示空间内任意一点的位置。对于直角坐标系中任意一点 1的位置矢量 P (2 如图 2示， 别 表示点 P 在当前坐标系中的三个坐标轴 方向的分量。这里 种表示法也可变化为如下形式： 图 2间点的位置表示 Tx y zp p p w p(2加入一个比例因子 w ，使得 , y p pw w w ， p 为 p 的齐次坐标。 【 10】 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 6 页 标系在固定 参考坐标系中的表示 当一个坐标系位于另一个坐标系中时，如图 2常用三个互相垂直的单位向量 n、 o、 a 表示，这三个变量分别代表法线（ 指向（ 接近（ 量（如图 2示）。每一个单位向量都可以由它所在参考坐标系中的三个分量表示，这样，坐标系 F 就可以表示为由四个向量组成的矩阵： =0 0 0 1x x x xy y y yz z z zn o a pn o a pn o a pF （ 2 图 2一个坐标系在另一个坐 标系中的表示 式（ 2前三个列向量取 w=0，表明该坐标系三个单位向量 n、 o、 第四个列向量中 w=1，表示该坐标系相对于参考坐标系的位置。 坐标系的变换 坐标系的变换包括绕固定参考坐标系的变换和绕运动参考坐标系的变换。 次变换 空间中一个坐标系相对于固定的参考坐标系的运动称为齐次变换。齐次变换可以是平移运动，可以是旋转运动，也可以是平移与旋转的复合运动。 （ 1） 纯平移齐次变换 如果一个坐标系（它可能表示的是一个物体）在空间运动中相对于固定参考坐标系的姿态不发生变化，即 该坐标系的三个单位向量方向不变，只改变它的坐标原点位置，则称这种运动为平移运动。如图 2示，坐标系 A沿平移向量 d 平移到新的位置 ： 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 7 页 Tx y zd d d d=(2其中 ,d d 相对于固定参考系三个坐标轴方向的分量。 【 7 】图 2 坐标系的平移 平移后新的坐标系原点位置向量可以表示为原来坐标系的原点位置向量与位移向量 若采用矩阵形式，新坐标系的矩阵表示可以通过将坐标系左乘变换矩阵。由于平移过程中方向向量保持不变，所以平移变换矩阵 1 0 00 1 00 0 10 0 0 1(2可以看到，矩阵的前三列没有旋转运动（等同于单位矩阵），而最后一列表示平移运动，这个方程可以用符号表示如下： ( , , )n e w x y z o l r a n s d d d F(2即 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 8 页 1 0 00 1 00 0 10 0 0 1 0 0 0 10 0 0 1x x x x xy y y y z z z zx x x x xy y y y yz z z z zd n o a pd n o a n o a pn o a p dn o a p dn o a p d (2 （ 2） 绕轴纯旋转齐次变换 为了简化旋转变换的推导，假设坐标系 B位于坐标系 A的原点。纯旋转就是 B坐标系在空间中运动中相对于固定参考坐标系 A的位置不发生变化，即只改变该坐标系三个单位向量的方向而不改变其原点位置。这样坐标系 B可以由坐标系 A经过旋转次变换后得到，由此可以推广到其他旋转情况。 设向量 x, y, z 为坐标系 A的三个单位向量，空间任意一点 p 的位置可以用向量 量 A中 的表示为： A x x y y z p i + p j + p k (2向量 B中的表示为： B p n n o op i + p j + p k (2则向量 坐标系 A中的投影分别为 . . . x x x xP i p i i i n n o oi p + j p + k p (2. . . y y y yP i p i i i n n o oi p + j p + k p (2. . . z z z zP i p i i i n n o oi p + j p + k p (2 写成齐次矩阵形式则为： 西南交通大学本科毕业设计 (论文 ) 第 9 页 0. . . 0. . . 0. . . 011 0 0 0 1x n x o xx ny y n y o y oz z n z z oi i i i i ip pp i i i i i i i i i i i i (20. . . 0. . . 0. . . 00 0 0 1x n x o xA y n y o n z z oi i i i i ii i i i i i i i i i(2当坐标系 B只相对于坐标系 A单个轴转动时称为基本变换矩阵。如坐标系 B只绕坐标系 A的 本转动变换矩阵记为 x, )，由式（ 2以计算得： 1 0 0( , ) 00R o t x C (2可以用同样的方法来分析坐标系 B绕坐标系 A的 果如下： 0( , ) 0 1 00o t (20( , ) 00 0 1o t z S C (2（ 3） 复合齐次变换 复合齐次变换是有由固定坐标系或当前运动坐标系的一系列沿轴平移和绕轴旋转变换所组成的，此时该固定坐标系在参考系中不仅原点位置发生变化，同时它的三个坐标轴单位向量的方向也发生变化。此时的变换顺序很重要，变换顺序不同，