双臂机器人PPT课件

毕业设计毕业答辩,双臂机器人运动学建模及仿真,指导老师：学生：班级：学号：,-,2,第一部分：机器人运动学建模,1.通过给定机器人的单臂模型，建立其DH参数表2.通过DH参数表，计算得到其位姿矩阵3.通过各个杆件的位姿矩阵，得到末端执行机构相对于基座的位姿矩阵，完成其正运动学建模。4.给定一组特殊值，完成逆运动学的推导验证，从而完成逆运动学建模。在建模前期，我们需要做一些必要准备工作，下面我们将介绍运动学建模理论知识的准备。,-,3,运动学建模理论知识的准备,1，机器人机构简介常规的，我们观察一个机器人，它是由机器人机身，手臂及末端执行机构组成，这是一个机器人要完成一个基本动作指令的必备机构部分。机器人机身主要起到支撑，连接和安装的作用，它是一个机器人的“身体”，其他机构必须附着在机身上面才能在一个立体的空间中完成复杂的运动。一般的，机身拥有两个自由度即腰部的俯仰以及腰部的扭转；手臂是动力传输部分，它很大程度上决定了一个机器人的工作范围与工作半径，仿人手机器人手臂一般拥有至少六个自由度，大臂的扭转运动和环绕关节的旋转运动，小臂的扭转运动和环绕关节的旋转运动，腕部的扭转运动和环绕关节的旋转运动。在实际中，为了更好的实现运动，一般将手臂上的自由度设计多于六个，是一个冗余自由度的机器人，这对机器人完成复杂运动操作至关重要；末端执行机构方式不一，可以为机械手用作抓取工件，也可以为焊枪用作焊接工序等。按照坐标的形式可划分为直角坐标型机器人，圆柱坐标型机器人以及球坐标系型机器人，如下图所示。按照控制的方式可分成点位控制机器人与连续轨迹机器人。,-,4,2.机器人坐标系建立理论在建立坐标变换方程时，把一系列的坐标系建立在连接连杆的关节上，用齐次坐标变换来描述这些坐标之间的相对位置和方向，就可以建立起机器人的运动学方程。问题的关键在于如何在每个关节上确定坐标系的方向，以及如何确定相邻两个坐标系之间的相对平移量和旋转量。一般我们运用Denauit-Hartenbery法即D-H参数法建立机器人的坐标系。D-H参数法的基本思路就是给每个关节定义一个坐标系，其次确定从一个关节到下一个关节（一个坐标到下一个坐标）变换的方法。将从基座坐标系到第一个关节坐标系，再从第一个关节坐标系到第二个关节坐标系一致到最后一个关节坐标系的所有变换综合起来，就得到了机器人的总体变换矩阵。下面我们来介绍如何建立坐标系以及D-H参数法变换过程,-,5,坐标系的确立,-,6,D-H参数法变换,-,7,手臂坐标系的建立,在当前视图中，我们将手臂使其变成如图所示姿态，并建立坐标系，其中黑色为X轴,-,8,简化后的手臂坐标系,其中黑色为X轴变换关系为红橙黄绿蓝靛紫,由于机器人是冗余的机器人我们将其腰转及大臂的扭转固定，使其成为一个6自由度的机器人，如图：,-,9,DH参数表,-,10,计算矩阵,Ai为由i到i+1坐标变换的矩阵,-,11,计算各个杆件相对基座的位姿矩阵Ti,令T1=A1T2=A1*A2T3=A1*A2*A3T4=A1*A2*A3*A4T5=A1*A2*A3*A4*A5T6=A1*A2*A3*A4*A5*A6得到末端杆件相对于基座的位姿矩阵T6T6数据太长T6给定一组特定值得到具体的T6T6具体,-,12,逆运动学推导,简要叙述推导过程首先利用matlab中roboticstoolbox给定一组得到末端位姿矩阵TR，即具体的T6。利用得到的位姿矩阵TR,使其沿自身坐标系在Z轴方向上平移157.5这时坐标系从末端手部变换到腕部坐标系AT5。观察T5与AT5，不难发现，这两个坐标系的姿态虽然不一样，但是位置却是一样的。于是我们使矩阵中位置坐标对应相等。通过三角关系，得到1的值。此时1的值成为了已知量。利用正余弦函数关系不难求出3,-,13,2求法如图,d=258.57709099,21,22,大臂长=348.86703479，小臂长=359，,-,14,计算5，6，4,T6=A1*A2*A3*A4*A5*A6T46=A4*A5*A6让TR做如下变换inv(A3)*inv(A2)*inv(A1)*TR,得到T46m此时,T46m=T46观察矩阵，易得5计算出5后再次观察矩阵易得6代入6计算得到4,-,15,同理，可以分析得到另一手臂的正运动学及逆运动学,-,16,第一部分总结,本章为本次毕业设计的主体部分。通过测量数据，利用坐标系的变换方式，完成了各个杆件的坐标系的依次变换，从而建立了D-H参数表。利用参数表，运算得到了各个杆件的位置姿态矩阵。利用MATLAB,得到了机器人末端执行机构的坐标系相对于机器人本体坐标系的位置姿态矩阵，从而完成了双臂机器人的正运动学的分析。使用MATLAB中RoboticsToolbox工具箱，指定了末端机构的位置姿态矩阵，通过一系列变换，使用MATLAB计算分析，综合几何画图法，正弦余弦定理等方法，逐步计算得到各个杆件，关节的参数变量，完成了逆运动学的推导和验证，到此完成了逆运动学分析。,-,17,第二部分：空间轨迹规划研究,1管道相贯接头轨迹规划,如图为我们自行设计的管道相关接头管道相贯接头主管半径为50mm，长度为100mm；支管半径为30mm，长度为100mm,-,18,两圆柱体相贯线方程可表达为：,求解点坐标的公式为：,i的取值在0到n-1之间。x点坐标的正负是根据点所在象限决定的，当点在一、四象限时，值为正；在二，三象限时为负。而且我们规定点x的取值顺序是绕着轴z正方向取值的。,-,19,利用以上公式，计算得到对应的y,zy的正负判断为：在一、二象限是正号，在三、四象限是负号。z始终为正。,-,20,2各路径点对应焊枪姿态的规划,-,21,根据上一页结论得到如下,根据焊接工艺，直线方向（切线向量）就是是焊枪坐标系X轴方向,-,22,联立方程可以得到相交曲线，同理可得：,-,23,同理,联立方程可以得到相交曲线：,-,24,焊枪坐标系Z轴方向确立,角平分线,-,25,（对应向量乘积和为0）,由,接下页,-,26,-,27,第二部分总结,本章通过对管道相贯接头上路径点的计算，规划出了管道相贯接头上路径的轨迹，又通过一系列路径点，规划出了各路径点对应焊枪的姿态，确立了双臂工作的协调方式为保证焊枪坐标系保持不变，焊缝上一系列坐标系，也就是管道相关接头上规划的路径点的坐标系依次与焊枪坐标系重合。为下一步运动仿真做好了基础工作。,-,28,第三部分：仿真,1.左臂我们的工序为：令左臂末端焊枪到达固定位置，计算左臂上各个关节的关节角。,需要求解的,幻灯片8,-,29,依据,-,30,2.右臂,工序为使焊缝上一系列规划路径点的坐标系依次与固定的焊枪坐标系重合。计算右臂上各个关节的关节角。,上页,-,31,随后我们做了仿真、工件上上拟取的50个点对应右臂的关节变量图如下图所示：其中横坐标为每个点（共50个），纵坐标为关节值（单位为度）。,-,32,-,33,焊接第50个点时仿真图（不同角度）,-,34,第三部分总结,通过对给定sd10双臂机器人进行运动仿真，用于完成指定工序：左臂持焊枪焊接右臂夹持管道相贯接头焊缝，本次仿真是利用MATLABRoboticsToolbox软件和SolidWorks软件完成的，依据是前期得到的机器人运动学分析的结论和方法。仿真的可行性也再次验证了运动学推导的正确性。,-,35,毕业设计总结,在本次毕业设计中，我们首先通过理论知识的学习，掌握了解了机器人结构的相关知识，我们用机器人坐标系描述了它的位置姿态并利用矩阵使其数学化，通过矩阵的变换描述了坐标系之间的关系。在给定的机器人中，运用以备的基础知识，成功的完成了sd10机器人的运动学和逆运动学的建模，推导和验证。分析机器人的运动学和逆运动学的目的是为了更好的控制机器人在空间中的位置姿态。本次毕业设计中，在老师的大力