【五自由度机械手结构和软件介绍概述2100字】

五自由度机械手结构和软件介绍概述目录TOC\o"1-3"\h\u1260五自由度机械手结构和软件介绍概述 1107521.1刚体位姿的表示和齐次变换 1123151.2机器人运动学的D-H表示法 4170061.3Twincat原理 71.1刚体位姿的表示和齐次变换本文对机械手与环境、机械手与机械手连杆、机械手与机械手连杆的运动关系进行了研究，没有涉及机械手连杆弹性变形问题。空间点P可以用它的相对于参考坐标系得三个坐标来表示：其中，和是参考坐标系中表示该点的坐标。这种表示方法也可以稍做变化：将P点用向量形式写出并且加入一个比例因子w，则P点表示为，其中，，变量w可以为任意数，如果w=1时，各分量的大小保持不变；如果w=0时，x，y和z都是无穷大，表示一个长度为无穷大的向量，方向为该向量所表示的方向。因此本文常取w=1，向量表示参考坐标系中一点的位置；取w=0，向量表示参考坐标系中某一方向。在笛卡尔空间中，一个刚体表示可以这样实现：通过在其上固连一个坐标系，然后在空间中表示该固连的坐标系。如果可以在空间上表达这个坐标系，则该物体与固定的参考坐标系之间的位置也是已知的，如图3.1所示：图1.1空间刚体的表示如果用表示刚体上的运动坐标系（当前坐标系）原点在参考坐标系中的位置向量，表示运动坐标系n轴在参考坐标系中的方向，表示运动坐标系o轴在参考坐标系中的方向，表示运动坐标系a轴在参考坐标系中的方向。因此刚体在参考坐标系中的位姿可以表示为：（1.1）且满足①三个向量互相垂直；②每个单位向量的长度必须为1。这种形式的矩阵称为齐次矩阵。并且这样齐次矩阵逆矩阵为：（1.2）若维持已有的姿态不变，只改变参考坐标的位置，则相对于固定参考坐标系下新坐标系的位置，可用原运动坐标系中原点位置矢量加表示位移的矢量来求取。以矩阵式表示。通过坐标系的左乘变换矩阵，可以得到新的运动坐标系的表示。新座标系位置是：（1.3）其中，，是平移向量相对于参考坐标系x，y和z轴的三个分量。同样道理，如果刚体保持现有位置不变，只是参考坐标的姿态发生变化，新运动坐标系也可以用坐标系的左乘变换矩阵来表示。例如，其中表示运动坐标系绕参考坐标系的x轴旋转的变换矩阵。本文给出了运动坐标系在参考座系中的x轴、y轴、z轴的旋转变换矩阵。，，（1.4）为简化书写，习惯用符号表示，表示（以下表示方法相同）。组合变换是指一组以固定参考坐标系为基准，或以当前运动为基准的一系列轴平移和绕轴旋转变换，其中任何变换都可分解成一组移动变换，并以一定顺序旋转。同时，刚体在运动坐标系或当前坐标系中也可以作轴的变换，但在这篇论文中，需要用右乘变换矩阵，而不是左乘矩阵法，以求得与运动坐标系变换后刚体的新位姿。1.2机器人运动学的D-H表示法Denavit-Hartenerg(D-H)模型为机器人的连杆和关节提供了一种非常简单的建模方法，无论其结构顺序和复杂性如何，都可以用来构建任何机器人的构型。而且D-H方法还有其他的优点，使用它可以发展出很多技术，如雅克比矩阵计算和力分析等。在此基础上，提出用螺旋理论代替D-H方法。假定机器人包括一系列的关节和连接装置。这两个关节可以是滑动(线性)的，也可以是旋转(旋转)的，它们可以按照任何顺序放在任何一个平面上。连接条也可以是任意长度(包括0)的，它可以是扭曲的，或者是弯曲的，或者是位于任何平面。因此，任何一组关节和连杆可以组成一个机器人模型并表达出来。为了做到这一点，需要为每个关节指定一个参考坐标系，然后确定从一个关节到另一个关节的转换步骤(一个坐标系到另一个坐标系)。若把从基座到第一关节，再从第一关节到第二关节，直到最后关节的所有变换都结合在一起，就可得出机器人的总变换矩阵。图1.2通用关节－连杆组合的D-H表示图示2表示三个关节，每一个关节均可转动或平移，第一个关节是关节n，第二个是关节n+1，第三个是关节n+2。其他关节也可能发生在这些关节前后。这也表明，n在n和n+1之间，n+1和n+2之间的连杆n+1和n+1。转换总矩阵。关节坐标系建立，应遵循以下几个原则：（1）所有关节，都用z轴表示。如果是旋转关节，z轴位于按右手规则旋转的方向。如果是滑动关节，z轴为眼沿直线运动的方向。表示关节数n+1的z轴是。（2）如果表示与之间的公垂线，则的方向将沿，指向方向。（3）轴按照右手坐标系的原则确定。在这里为简化的原因省略了各坐标系的y轴未画。关节变量的定义如下：——绕z轴的旋转角。d——在z轴上两条相邻的公垂线之间的距离。a——每一条公垂线的长度。——两个相邻的z轴之间的关节扭转角度。通过以下4个标准步骤将坐标系－移动到坐标系－：（1）绕轴旋转，它使得和互相平行。（2）沿轴平移距离，使得和共线。（3）沿轴平移的距离，使得和的原点重合。（4）将轴绕轴旋转，使得轴与轴对准。这时坐标n和n+1完全重合。用顺序右乘来表示四个运动的矩阵，得到变换矩阵A，右乘的原因在于，所有变换都与运动坐标系(当前坐标系)有关。（1.5）由此机械手的基座与手之间的总变换则为：（1.6）其中n为关节数。1.3Twincat原理TwinCATNCPTP把一个电机的运动控制分为三层：PLC轴、NC轴和物理轴。PLC程序中定义的轴变量，叫做PLC轴；在NC配置界面定义的AXIS，叫做NC轴；在IO配置中扫描或者添加的运动执行和位置反馈的硬件，叫做物理轴。它们的关系如图1.3所示。由图可