機械電子工程畢業(yè)設(shè)計-七軸機械臂路徑規(guī)劃問題的仿真研究

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　七軸機械臂路徑規(guī)劃問題的仿真研究</p><p><b>　　誠信聲明 </b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的

2、指導(dǎo)下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計題目： 七軸機械臂路徑規(guī)劃問題的仿真研究 </p>

3、;<p>　　1．設(shè)計的主要任務(wù)及目標(biāo)</p><p>　?。?）使用matlab軟件完成七軸機械臂特定運動軌跡的運行，獲得運動軌跡函數(shù)及相應(yīng)運動學(xué)參數(shù)；</p><p>　　（2）針對特定運動軌跡，利用某種優(yōu)化算法針對某一目標(biāo)對原有運動軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計并完成相應(yīng)仿真。</p><p>　　2．設(shè)計的基本要求和內(nèi)容</p><p&g

4、t;　?。?）完成特定軌跡的設(shè)計及優(yōu)化并撰寫設(shè)計說明書一份；</p><p>　?。?）完成matlab仿真程序一份；</p><p>　　（3）完成運動分析比較圖一份。</p><p><b>　　3．主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 北京億旗實驗小組.7 軸機械臂二次開發(fā)軟件包實驗指導(dǎo)書[M].北京：

5、北京億旗創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司，2014.</p><p>　　[2] 于靖軍.《機器人機構(gòu)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》機械工業(yè)出版社,2008 </p><p>　　[3] 劉金琨.《機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與matlab仿真》清華大學(xué)出版社,2008</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　七軸機械臂路徑規(guī)

6、劃問題的仿真研究</p><p>　　摘要：機械臂如今越來越普遍的應(yīng)用于工業(yè)制造，探測，排爆，采集等各個領(lǐng)域，對人們的生產(chǎn)生活帶來了巨大的幫助。但是工作環(huán)境中躲避障礙物的問題嚴(yán)重制約了機械臂的應(yīng)用和發(fā)展。因此對機械臂的路徑規(guī)劃進(jìn)行研究，具有重要的實際意義和使用價值。由于七自由度的機械臂具有靈活，穩(wěn)定，可操作性強，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，具有一定的典型性，因此本文針對七自由度機械臂進(jìn)行路徑規(guī)劃的研究。機器人根據(jù)其任務(wù)來完成

7、某個規(guī)定動作，為了實現(xiàn)預(yù)定的運動就要進(jìn)行軌跡規(guī)劃，因此軌跡規(guī)劃就是根據(jù)機器人手部要完成的一定作業(yè)來設(shè)計機器人各關(guān)節(jié)位移、速度、加速度。</p><p>　　關(guān)鍵詞:機械臂，路徑規(guī)劃，運動學(xué)分析</p><p>　　Simulation Research on Seven Free Robot manipulator path planning problem</p><

8、p>　　Abstract：Manipulator is increasingly common for industrial production, detection, explosive ordnance disposal, collection and other fields nowadays. It brings great help for the production life of the people. Howe

9、ver, the use and development of manipulator is seriously restricted by the problem of obstacle avoidance of the work environment. So research on obstacle avoidance path planning for manipulator has important practical s

10、ignificance and use value. Because of the typical character of flex</p><p>　　Keywords:seven free robot,trajectory planning,kinematics analys</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

11、<b>　　1 前言1</b></p><p>　　1.1本課題研究的背景1</p><p>　　1.2 路徑規(guī)劃概述2</p><p>　　2 機器人的認(rèn)識3</p><p>　　2.1 機器人的介紹3</p><p>　　2.1.1 機器人的認(rèn)識3</p><p

12、>　　2.1.2 EF-IRC-I機械臂介紹4</p><p>　　2.2 機器人的狀態(tài)與控制7</p><p>　　2.2.1 通信狀態(tài)7</p><p>　　2.2.2 報警狀態(tài)9</p><p>　　2.2.3 控制狀態(tài)9</p><p>　　2.3 機器人的預(yù)定軌跡運動控制11</p&g

13、t;<p>　　3 機器人的運動學(xué)控制13</p><p>　　3.1機器人的空間描述13</p><p>　　3.2 機器人的坐標(biāo)系建立13</p><p>　　3.3 機械臂的正解19</p><p>　　3.4 機械臂的反解分析以及路徑優(yōu)化20</p><p>　　4 機械臂的調(diào)試與分析

14、24</p><p>　　4.1 MATLAB軟件中機器人模型的建立24</p><p>　　4.2 機械臂調(diào)試25</p><p>　　4.3 MATLAB中程序控制機械臂運動的相關(guān)命令28</p><p>　　4.4 機械臂的運動速度分析28</p><p><b>　　總 結(jié)30</b&

15、gt;</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　致謝32</b></p><p>　　附錄1 路徑程序清單33</p><p>　　附錄2 路徑速度分析程序清單36</p><p><b>　　1 前言</b>

16、;</p><p>　　機器人的最初出現(xiàn)是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。當(dāng)前，機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)[1]。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備1961年，美國的Consolided Control Corp和AMF公司聯(lián)合制造了第一臺實用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器

17、人，迄今為止，世界上對工業(yè)機器人的研究己經(jīng)經(jīng)歷了四十余年的歷程，口本、美國、法國、德國的機器人產(chǎn)業(yè)己口趨成熟和完善。工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備[2]。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。</p><

18、p>　　1.1本課題研究的背景</p><p>　　當(dāng)今世界，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域已十分廣泛，包括工業(yè)生產(chǎn)、?？仗剿?、醫(yī)療康復(fù)和軍事活動等，此外，機器人己逐漸在醫(yī)院、家庭和一些服務(wù)行業(yè)獲得應(yīng)用。從生產(chǎn)車間中的焊接機械手，到水下自治式機器人，從娛樂性的拳擊機器人，到伊拉克戰(zhàn)場上的無人駕駛機，機器人己經(jīng)與我們的日常生活息息相關(guān)。機器人通常分為關(guān)節(jié)式機器人(或稱機械臂、機械手、機器人操作臂、工業(yè)機器人等)和移動式機器

19、人。機械臂的作用是使末端執(zhí)行器到達(dá)所期望的目標(biāo)位置處完成相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)。</p><p>　　自早期的機械臂發(fā)展至今，機械臂已經(jīng)經(jīng)歷了以下三代[1]：第一代順序控制機械臂，即所謂的示教再現(xiàn)機械臂，它沒有傳感器，主要用于作業(yè)順序和環(huán)境相對固定的場合，因此可通過編程實現(xiàn)重復(fù)性工作，但是因為不能在作業(yè)中改善品質(zhì)，因此應(yīng)用范圍和精度受到了很大的限制；第二代反饋機械臂可以通過觸覺，視覺等傳感器對外部環(huán)境進(jìn)行實際探測，用探測

20、到的信息對機械臂進(jìn)行反饋控制。此類機械臂能夠?qū)ψ陨磉M(jìn)行調(diào)整，因此行動品質(zhì)大大提高；第三代智能機械臂有多種傳感能力，具有人工智能的特性。能根據(jù)復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行推理從而自主決策完成復(fù)雜的任務(wù)。隨著機械臂的發(fā)展，由以前的單關(guān)節(jié)到現(xiàn)在的多關(guān)節(jié)，機械臂工作空間也由二維轉(zhuǎn)換到三維，完成任務(wù)的復(fù)雜度也在不斷提高。因此對七自由度機械臂的路徑規(guī)劃研究，具有很重要的現(xiàn)實意義和研究價值。</p><p>　　1.2 路徑規(guī)劃概述<

21、/p><p>　　路徑規(guī)劃是指給定起始點(初始狀態(tài)位姿)與期望的終點(末端執(zhí)行器的期望位姿)，同時根據(jù)一定的任務(wù)要求尋求一條連接起終點的次優(yōu)或最優(yōu)的有效路徑，然后將路徑轉(zhuǎn)換成機械臂各個關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)，確定機械臂在運動過程中各關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度，形成軌跡。路徑規(guī)劃能夠減少機械臂的磨損、節(jié)省大量的作業(yè)時間，提高系統(tǒng)的操作能力和工作效率，使得整個系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、長期的運行。</p><p>&

22、lt;b>　　2 機器人的認(rèn)識</b></p><p>　　2.1 機器人的介紹</p><p>　　機器人是一種具有高度靈活性的自動化機器，是一種復(fù)雜的機電一體化設(shè)備。 機器人按技術(shù)層次分為：固定程序控制機器人、示教再現(xiàn)機器人和智能機器人等。</p><p>　　2.1.1 機器人的認(rèn)識</p><p>　　(1) 機器人

23、的英文名緣由</p><p>　　機器人是一種具有某種仿人功能的自動機，機器人的國際名叫“羅伯特” （ROBOT）?！癛OBOT”一詞源于捷克作家卡列爾查培于1920年的一部名叫作 《羅薩姆的萬能機器人公司》的幻想劇，羅伯特是該劇主人公的名字，他是既忠誠又勤勞的機器人。</p><p>　　(2) 機器人的定義（我國科學(xué)家的定義）</p><p>　　機器人是一種自

24、動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。</p><p>　　(3) 機器人的三原則</p><p>　　① 機器人不能傷害人類；</p><p>　　② 在不違反第一條的情況下，機器人必須遵守人類的命令；</p><p>　?、?在不違反第一

25、、二條的情況下，機器人應(yīng)能保護自己。</p><p>　　(4) 機器人的組成部分</p><p>　　機器人的手——操作系統(tǒng)，作用是抓住一個工作對象使其按工作或作戰(zhàn)要求動作。</p><p>　　機器人的眼——感測系統(tǒng)，作用是觀測工作對象及其周圍環(huán)境的信息， 通過收集信息將其反饋給控制中心，作為對機器人行為控制和協(xié)調(diào)的依據(jù)。</p><p>

26、;　　機器人神經(jīng)系統(tǒng)——信息傳輸系統(tǒng)，作用是將傳感器和觀測器獲得的各種信息下傳上達(dá)，交給各執(zhí)行及其附屬設(shè)備。</p><p>　　機器人的心臟——動力系統(tǒng)，作用是負(fù)責(zé)向機器人提供動力，主要設(shè)備有各種發(fā)動機，發(fā)電機及其附屬設(shè)備。</p><p>　　機器人的大腦——指揮控制系統(tǒng)。作用是加工處理各種信息，指揮、控制機器人的各種行動。</p><p>　　(5) 機器人的

27、種類</p><p>　　按技術(shù)層次分為固定程序控制機器人、示教再現(xiàn)機器人、數(shù)控機器人、遙控機器人和智能機器人。</p><p>　　按工作自由度分為自主機器人、半自主機器人和搖控機器人。</p><p>　　(6) 機器人的用途</p><p>　　在現(xiàn)實生活中有些工作會對人體造成傷害，比如噴漆、重物搬運等；有些工作要求質(zhì)量很高，人難以長時

28、間勝任，比如汽車焊接、精密裝配等；有些工作人員無法身臨其境，比如火山探險、深海探密、空間探索等；有些工作不適合人去干，比如一些惡劣的環(huán)境、一些枯燥單調(diào)的重復(fù)性勞作等。而這，就需要用到機器人，可以使用機器人去代替人們完成這些任務(wù)。</p><p>　　(7) 機器人的未來發(fā)展</p><p>　　人性化：機器人要發(fā)展就必須要滿足人類的要求，對機器人的人性化設(shè)計是非常重要的，那樣機器人就會有更

29、大的利用價值。</p><p>　　智能化：智能化可以說是機器人未來的發(fā)展方向，智能機器人是具有感知、思維和行動功能的機器，是機構(gòu)學(xué)、自動控制、計算機、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、仿生學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合成果。智能機器人可獲取、處理和識別多種信息，自主地完成較為復(fù)雜的操作任務(wù)，比一般的工業(yè)機器人具有更大的靈活性、機動性和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　普及化：

30、人類制造機器人的目的是為人類所服務(wù)的，所以就會盡可能地把它變成多功能化，比如在家庭中，可以成為機器人保姆。會你掃地、吸塵、還可以做你的談天朋友，還可以為你看護小孩。到外面時，機器人可以幫你搬一些重物，或提一些東西，甚至還能當(dāng)你的私人保嫖，這樣機器人就會普及化。</p><p>　　2.1.2 EF-IRC-I機械臂介紹</p><p>　　本論文所使用的機器人為7自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式機器人，其

31、軸線相互平行或垂直，能夠在空間內(nèi)進(jìn)行定位，采用國外進(jìn)口的高精度伺服電機、內(nèi)置32位的ARM處理器，12位非接觸式約對編碼器精確采集位置信息，尺寸小、重量輕、精度高；控制軟件采用高校最流行的編程語言MATLAB實現(xiàn)，采用可視化設(shè)計，控制簡單，編程方便，尤其是MATLAB本身所獨有強大的計算能力，對機器人控制的算法研究具有無可比擬的優(yōu)勢。7軸智能化機器人手臂與MATLAB的完美結(jié)合，能夠?qū)I(yè)滿足高等院校機電一體化、自動控制等專業(yè)進(jìn)行機電及控

32、制課程教學(xué)實驗需要和相關(guān)工業(yè)機器人應(yīng)用培訓(xùn)需要，是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計的理想平臺。它具有高度的能動性和靈活性，具有廣闊的開闊空間，是進(jìn)行運動規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計的理想對象。</p><p>　　整個系統(tǒng)包括機器人1臺、實驗附件和機器人控制軟件1套。</p><p>　　機器人采用串聯(lián)式開鏈結(jié)構(gòu)，即機器人各連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)連接，如圖2.1所示。各關(guān)節(jié)軸線相互平行或垂直。連桿的一端裝在固

33、定的支座上（底座），另一端處于自由狀態(tài)，可安裝各種工具以實現(xiàn)機器人作業(yè)。關(guān)節(jié)的作用是使相互聯(lián)接的兩個連桿產(chǎn)生相對運動。</p><p>　　機器人各關(guān)節(jié)采用國外進(jìn)口的高精度舵機，該舵機內(nèi)置一個32位的高速處理器，重量僅為72克，尺寸僅為尺寸：35.6mm50.6mm35.5mm，能夠反饋位置、負(fù)載、溫度、電壓等。與PC機的數(shù)據(jù)傳輸采用高速的串行總線進(jìn)行連接，通過高達(dá)4M的虛擬串口與控制軟件進(jìn)行通信，在MATLAB

34、環(huán)境下，使用簡單的命令就可以直接控制機器人的各種運動</p><p>　　其尺寸及關(guān)節(jié)編號、連桿編號，如圖2.2所示。</p><p>　　機器人技術(shù)參數(shù)如下：</p><p>　?。?) 機械手臂垂直最大長度:53.4cm (從基座到頂端)</p><p>　　（2) 機械手臂水平最大長度:48cm</p><p>

35、　?。?) 重復(fù)性位置精度：+/-0.5mm</p><p>　?。?) 手指最大張度:3.5cm</p><p><b>　?。?) 角度限制</b></p><p>　　表2.1 機器人技術(shù)參數(shù)表</p><p><b>　　說明：</b></p><p>　　? 系數(shù)C

36、=360÷4096 ；系數(shù)R=2×π÷4096</p><p>　　2.2 機器人的狀態(tài)與控制</p><p>　　2.2.1 通信狀態(tài)</p><p>　　機器人與計算機的連接如圖3.4 所示。</p><p>　　機器人與計算機采用一條高速的串行總線進(jìn)行連接，其波特率高達(dá)4M。其串行端口是一個USB 虛擬串行

37、端口（VSP）。利用底層設(shè)備驅(qū)動技術(shù)，創(chuàng)建一個可供應(yīng)用程序訪問的編程接口，其行為特性與傳統(tǒng)的串口一樣，虛擬串口通常通過其他通訊方式，與某一個串口硬件關(guān)聯(lián)，使應(yīng)用程序?qū)μ摂M串口的訪問為對串口硬件的訪問。</p><p>　　當(dāng)機器人與計算機通過USB 數(shù)據(jù)連接好，上電后，控制軟件檢測機器人使用的虛擬串行端口以及波特率，然后使用這個虛擬串口以及波特率與機器人進(jìn)行通信。</p><p>　　機器

38、人由七個關(guān)節(jié)及一個手爪組成，每個內(nèi)部都是一個高精度的舵機。舵機的參數(shù)如下：</p><p>　　微控制器：ST CORTEX-M3 ( STM32F103C8 @ 72MHZ，32BIT)</p><p>　　位置傳感器：非接觸式絕對編碼器 (12位，360度)</p><p><b>　　電機：Maxon</b></p><

39、;p>　　波特率：8000 bps ~ 4.5 Mbps</p><p><b>　　控制算法：PID</b></p><p>　　分辨率：0.088°</p><p><b>　　重量：72 克</b></p><p>　　尺寸：35.6mm50.6mm35.5mm</p&g

40、t;<p><b>　　減速比：193:1</b></p><p><b>　　堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：</b></p><p>　　? 2.3 (at 11.1V，1.3A)</p><p>　　? 2.5 (at 12V，1.4A)</p><p>　　? 3.1

41、(at 14.8V，1.7A)</p><p><b>　　空載轉(zhuǎn)速：</b></p><p>　　50rpm (at 11.1V)</p><p>　　55rpm (at 12V)</p><p>　　67rpm (at 14.8V)</p><p>　　工作溫度：-5℃ ~ +80℃</

42、p><p>　　電壓：10 ~ 14.8V (推薦電壓 12V)</p><p>　　控制方式：數(shù)字通信包</p><p><b>　　協(xié)議類型：</b></p><p>　　? 半雙工異步串行通信 (8bit，1stop，No Parity)</p><p><b>　　物理連接

43、：</b></p><p>　　? T (TTL Level Multi Drop Bus)</p><p>　　? R (RS485 Multi Drop Bus)</p><p>　　? ID :254 ID (0~253)</p><p>　　反饋：位置，溫度，負(fù)載，輸入電壓等。</p&g

44、t;<p><b>　　材料：全金屬齒輪</b></p><p>　　待機電流：100 mA</p><p>　　在機器人內(nèi)部，各個舵機通過一條串行總線連接，采用半雙工異步通信方式，計算機與各個舵機構(gòu)成一個主從式通信網(wǎng)絡(luò)，計算機是主機，舵機是從機。每個從機都有一個唯一的ID號，主機可以通過這個ID號準(zhǔn)確控制某個舵機。控制軟件既可以單獨控制一個舵機，也可以

45、同時控制多個舵機或所有舵機，因此，控制非常靈活，功能強大，這個特點對于提高機器人的控制性能來講，是非常重要的一個特色與功能。</p><p>　　每個舵機有一個紅色的LED指示燈，用于指示相應(yīng)的舵機是否正上電，也可以用于直觀的通信測試。</p><p>　　2.2.2 報警狀態(tài)</p><p>　　機器人能夠自我監(jiān)測與保護，內(nèi)部有許多傳感器用于檢測位置、電機的轉(zhuǎn)速、

46、工作電壓、電機的工作溫度等。</p><p>　　對于機器人最大的威脅來自于電機過熱燒毀，機器人能夠進(jìn)行溫度監(jiān)測并自動實現(xiàn)自我保護。其保護的方法是：對電機強行停機冷卻。</p><p>　　2.2.3 控制狀態(tài)</p><p>　　控制狀態(tài)有：輸出轉(zhuǎn)矩控制狀態(tài)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩；目標(biāo)位置、目標(biāo)速度、目標(biāo)加速度、目標(biāo)位置最大值與最小值、當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、是否到達(dá)目標(biāo)位置等。

47、</p><p>　　這些參數(shù)為精確高效控制機器提供強大的信息反饋。</p><p>　　（1）輸出轉(zhuǎn)矩相關(guān)概念：</p><p>　?、?轉(zhuǎn)矩參數(shù)基本關(guān)系</p><p>　　【當(dāng)前輸出轉(zhuǎn)矩】≤ 【限制輸出轉(zhuǎn)矩】</p><p>　　【限制輸出轉(zhuǎn)矩】≤ 【最大輸出轉(zhuǎn)矩】</p><p>　　【

48、最大輸出轉(zhuǎn)矩】≤ 【堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩】</p><p>　?、?機械臂上電后，機械臂轉(zhuǎn)矩參數(shù)的初始化方法，</p><p>　　【最大輸出轉(zhuǎn)矩】初始化為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的100%。</p><p>　　將【最大輸出轉(zhuǎn)矩】的值拷入【限制輸出轉(zhuǎn)矩】。</p><p>　　【允許輸出轉(zhuǎn)矩】初始化為“否”，即機械臂處于<轉(zhuǎn)矩輸出禁止>的工作狀態(tài)。<

49、/p><p>　　③ <轉(zhuǎn)矩輸出允許>工作狀態(tài)</p><p>　　這時電機的輸出轉(zhuǎn)矩能夠施加到關(guān)節(jié)的齒輪上，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動完全受電機控制。因此，關(guān)節(jié)不能在外力的作用下自由轉(zhuǎn)動。</p><p>　?、?<轉(zhuǎn)矩輸出禁止>工作狀態(tài)</p><p>　　這時電機的輸出轉(zhuǎn)矩不能施加到關(guān)節(jié)的齒輪上，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動不受電機控制。因此，關(guān)節(jié)能

50、夠在外力的作用下自由轉(zhuǎn)動。</p><p>　　另外，如果向某個關(guān)節(jié)或手爪發(fā)送了“目標(biāo)位置”轉(zhuǎn)動命令，則該關(guān)節(jié)或手爪自動變?yōu)?lt;轉(zhuǎn)矩輸出允許>工作狀態(tài)。</p><p>　?、?<轉(zhuǎn)矩復(fù)位>工作狀態(tài)</p><p>　　機械臂所有關(guān)節(jié)及手爪同時處于<轉(zhuǎn)矩輸出禁止>工作狀態(tài)。</p><p>　?、?<停

51、機保護>工作狀態(tài)</p><p>　　機械臂不執(zhí)行任何運動控制命令。</p><p>　　當(dāng)電機發(fā)生過熱時，機械臂自動進(jìn)入<停機保護>工作狀態(tài)。</p><p>　　有兩種方法將機械臂恢復(fù)到初始狀態(tài)：</p><p><b>　　a.機械臂重新上電</b></p><p>　　b

52、.軟件控制將機械臂恢復(fù)到<轉(zhuǎn)矩復(fù)位>工作狀態(tài)。</p><p>　　注意：當(dāng)電機發(fā)生過熱停機后，需要至少20 分鐘的冷卻時間才能繼續(xù)重新工作。</p><p>　　（2）運動控制相關(guān)狀態(tài)</p><p><b>　?、?位置</b></p><p>　　機器人使用12位的高精度角度傳感器檢測轉(zhuǎn)動的絕對位置，將

53、圓周360度等分成了4096份，其角度精度為0.088度。即將所讀取到的數(shù)字量，乘以0.088，即轉(zhuǎn)換為實際的角度位置。</p><p>　　目標(biāo)位置：命令關(guān)節(jié)需要達(dá)到的位置。</p><p>　　當(dāng)前位置：關(guān)節(jié)當(dāng)前所處的位置，在運動過程中，這個值在不斷變化。</p><p>　　是否到達(dá)目標(biāo)位置：用于檢測舵機是否到達(dá)目標(biāo)位置。</p><p&g

54、t;<b>　?、?速度</b></p><p>　　目標(biāo)速度：舵機以多大的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動。數(shù)值范圍：0 到1023，單位是0.114rpm（rpm:每分鐘多少轉(zhuǎn)）。如果設(shè)置為0，表示電機以最大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。如果為1023，則轉(zhuǎn)速為117.07rpm。</p><p>　　當(dāng)前速度：數(shù)值范圍：0 到2047。單位為0.11rpm。</p><p>　

55、　如果為0 到1023，表示逆時針方向的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　如果為1024 到2047，表示順時針方向的轉(zhuǎn)速。這時計算轉(zhuǎn)速，需要先減去1024，然后再乘以0.11rpm。</p><p>　　2.3 機器人的預(yù)定軌跡運動控制</p><p>　　在機器人的工業(yè)應(yīng)用中，其中有一種應(yīng)用是，將預(yù)定軌跡輸入機器人中，控制機器人按照預(yù)定的軌跡循環(huán)執(zhí)行固定的動作，完成工

56、業(yè)任務(wù)。</p><p>　　工業(yè)機器人，或稱為機器人操作臂、機器人臂、機械手等。從外形看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列關(guān)節(jié)交替連接而成的開示鏈，機械手的關(guān)節(jié)人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。機械手的末端裝有末端執(zhí)行器或相應(yīng)的工具，常稱為手或手爪。</p><p>　　目前，工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，大都用于簡單、重復(fù)、繁重的工作， 如上下料、搬運等，以及工作環(huán)境惡劣的場

57、所，如噴漆、焊接、清砂和清理核廢料等。</p><p>　　機器人軌跡泛指工業(yè)機器人在運動過程中的運動軌跡，即運動點的位移、速度、 加速度。機械手在作業(yè)空間要完成給定的任務(wù)，其手部運動必須按一定的軌跡進(jìn)行，軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個點，然后按這些運動方程對關(guān)節(jié)進(jìn)行插值， 從而實現(xiàn)作業(yè)的運動要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。</p><p>　　機械手軌跡規(guī)劃的好壞，直接影響機器人作

58、業(yè)質(zhì)量，比如當(dāng)關(guān)節(jié)變量的加速度在規(guī)劃中發(fā)生突變時，將會產(chǎn)生沖擊，若機器人固有頻率較低將產(chǎn)生低頻振動，機器人啟動和停止時手部抖動就是這種現(xiàn)象的表現(xiàn)。</p><p>　　由于機器人工作的特殊性，要求機器人運動時保證有足夠的安全性，在機器人工作前需要進(jìn)行嚴(yán)格的路徑規(guī)劃。其中，機器人各個關(guān)節(jié)能夠連續(xù)地運動以使各機械臂運動時不產(chǎn)生大的振動是保證安全的關(guān)鍵。</p><p>　　當(dāng)前，機械手軌跡規(guī)劃

59、最常用的方法有兩種：第一種方法是要求用戶對于待定的軌跡結(jié)點（插值點）上的位姿、速度和加速度給出一組顯式約束（如連續(xù)性和光滑程度等），軌跡規(guī)劃器從一類函數(shù)中選取參數(shù)化軌跡，對結(jié)點進(jìn)行插值，并滿足約束條件。第二種方法是要求用戶給出運動路徑的解析式，如直角坐標(biāo)空間中的直線路徑，軌跡規(guī)劃器在關(guān)節(jié)空間或直角坐標(biāo)空間中確定一條軌跡來逼近預(yù)定的路徑。在第一種方式中，約束的設(shè)定和軌跡規(guī)劃均在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行。由于對操作臂手部（直角坐標(biāo)形位）沒有施加任何約束

60、，用戶很難弄清手部的實際路徑，因此，可能會發(fā)生成障礙物相碰。第二種方法的路徑約束是在直角坐標(biāo)空間中給定的，而關(guān)節(jié)驅(qū)動器是在關(guān)節(jié)空間中受控的，因此，為了得到與給定路徑十分接近的軌跡，首先必須采用某種函數(shù)逼近的方法將直角坐標(biāo)路徑約束轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)坐標(biāo)路徑約束，然后確定滿足關(guān)節(jié)路徑約束的參數(shù)化路徑。面向笛卡爾空間方法的優(yōu)點是概念直觀，而且沿預(yù)定直線路徑可達(dá)到相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性，可是由于現(xiàn)在還沒有可用笛卡爾坐標(biāo)測量操作機手部位置的傳感器，所有可用的控制算

61、法都是建立在關(guān)節(jié)坐標(biāo)基礎(chǔ)上的，因此笛卡爾路徑規(guī)劃要有笛卡爾坐標(biāo)和關(guān)節(jié)空間之間進(jìn)行實時變換，這是一個計</p><p>　　此外，由笛卡爾坐標(biāo)向關(guān)節(jié)坐標(biāo)的變換是病態(tài)的，因為它不是一對一的映射。還有，如果在軌跡規(guī)劃階段還要考慮操作機的動力學(xué)特性，就要以笛卡爾坐標(biāo)給定路徑約束，同時以關(guān)節(jié)坐標(biāo)給定物理約束（如每個關(guān)節(jié)電機的力和力矩、速度和加速度極限），這就會使最后的優(yōu)化問題具有在兩個不同坐標(biāo)系中的混合約束。</p&

62、gt;<p>　　由于面向笛卡爾空間方法有上述種種缺點，使得面向關(guān)節(jié)空間的方法被廣泛采用，它把笛卡爾結(jié)點變換為相應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，并用低次多項式內(nèi)插這此關(guān)節(jié)結(jié)點。這種優(yōu)點是計算較快，而且易于處理操作機的動力學(xué)約束。</p><p>　　3 機器人的運動學(xué)控制</p><p>　　機器人運動學(xué)是將機器人相對于固定參考系(即關(guān)節(jié)坐標(biāo)系)的運動作為時間的函數(shù)進(jìn)行分析研究，而不考慮引起此

63、運動所需要的力矩，其研究的重點是關(guān)節(jié)變量空間和機器人末端位姿的關(guān)系。運動學(xué)控制的本質(zhì)是解決坐標(biāo)變換的問題。機器人軌跡規(guī)劃則是在運動學(xué)基礎(chǔ)上討論關(guān)節(jié)空間和軌跡空間中運動軌跡生成方法，根據(jù)任務(wù)要求，計算出預(yù)期的運動軌跡[5]。</p><p>　　3.1機器人的空間描述</p><p>　　機器人一般是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)相連接的開式運動鏈，可實現(xiàn)各個方向的運動，它包括機座，腰，

64、手臂和腕關(guān)節(jié)等部件。如果從工程學(xué)的角度出發(fā)，則可以將各個關(guān)節(jié)的活動用自由度加以描述，在空間都具有沿x,y,z軸三個移動自由度，以及繞x, y ,z軸的三個轉(zhuǎn)動自由度。為了使手臂能盡量達(dá)到工作空間內(nèi)的任何位置，手臂至少需要三個自由度，腕關(guān)節(jié)用于整手部的方向和姿態(tài)，一般具有兩個轉(zhuǎn)動自由度。為描述組成機器人的各連桿之間的相對位姿，在每個連桿上固定一個坐標(biāo)系;同樣，為描述機器人與環(huán)境之間的位姿關(guān)系，在工件和工作臺上也固定了相應(yīng)的坐標(biāo)系，然后描述

65、這些坐標(biāo)系間的位姿關(guān)系。為表達(dá)這種位姿關(guān)系，可采用數(shù)學(xué)方法，建立4×4的齊次變換矩陣來描述任意兩坐標(biāo)系之間的相對位姿，表示任意物體從一個坐標(biāo)系向另一個坐標(biāo)系變換的關(guān)系。研究機器人運動和操作的第一步就是描述其各連桿以及它們和操作對象之間的相對運動關(guān)系。下面給出機器人位姿描述及空間變換，在此將機器人的各個連桿、操作對象等均視為剛體。</p><p>　　3.2 機器人的坐標(biāo)系建立</p>&l

66、t;p>　　1955年Denavit和Hartenberg在“ASME Joumal of Applied Mechanics”發(fā)表了一篇論文，后來利用這篇論文呢來對機器人進(jìn)行表示和建模，并導(dǎo)出了他們的運動方程。便成為了表示機器人和對機器人運動進(jìn)行建模的標(biāo)準(zhǔn)方法。D-H模型表示了對機器人連桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行建模的一種非常簡單的方法，它可用于表示任何坐標(biāo)的變換。</p><p>　　機器人通常是由一系列連桿和相應(yīng)的

67、運動副組合而成的空間開式鏈，實現(xiàn)復(fù)雜的運動，完成規(guī)定的操作。因此，機器人運動學(xué)描述的第一步，自然是描述這些連桿之間以及它們和操作對象(工件或工具)之間的相對運動關(guān)系。假定這些連桿和運動副都是剛性的，描述剛體的位置和姿態(tài)(簡稱位姿)的方法是這樣的：首先規(guī)定一個直角坐標(biāo)系，相對于該坐標(biāo)系，點的位置可以用3 維列向量表示；剛體的方位可用3×3 的旋轉(zhuǎn)矩陣來表示，而4×4 的齊次變換矩陣則可將剛體位置和姿態(tài)(位姿)的描述統(tǒng)一

68、起來[6]。</p><p>　　機器人的每個關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的建立可參照以下的三原則：</p><p>　?。?） 軸沿著第n 個關(guān)節(jié)的運動軸；</p><p>　?。?） 軸垂直于軸并指向離開軸的方向；</p><p>　?。?） 軸的方向按右手定則確定。</p><p>　　機器人坐標(biāo)系建立的方法常用的是D-H方法，這

69、種方法嚴(yán)格定義了每個關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系，并對連桿和關(guān)節(jié)定義了4個參數(shù)，如圖3.1。</p><p>　　機器人機械手是由一系列連接在一起的連桿（桿件）構(gòu)成的。需要用兩個參數(shù)來描述一個連桿，即公共法線距離 和垂直于 所在平面內(nèi)兩軸的夾角；需要另外兩個參數(shù)來表示相鄰兩桿的關(guān)系，即兩連桿的相對位置 和兩連桿法線的夾角。</p><p>　　除第一個和最后一個連桿外，每個連桿兩端的軸線各有一條法線，分別

70、為前、后相鄰連桿的公共法線。這兩法線間的距離即為 。我們稱為連桿長度,為連桿扭角，為兩連桿距離，為兩連桿夾角。</p><p>　　機器人機械手上坐標(biāo)系的配置取決于機械手連桿連接的類型。有兩種連接——轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和棱柱聯(lián)軸節(jié)。對于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，為關(guān)節(jié)變量。連桿i的坐標(biāo)系原點位于關(guān)節(jié)i和i+1的公共法線與關(guān)節(jié)i+1 軸線的交點上。如果兩相鄰連桿的軸線相交于一點，那么原點就在這一交點上。如果兩軸線互相平行，那么就選擇原點使對

71、下一連桿（其坐標(biāo)原點已確定）的距離為零。連桿i的z 軸與關(guān)節(jié)i+1的軸線在一直線上，而x軸則在關(guān)節(jié)i和i+1的公共法線上，其方向從i指向i+1，當(dāng)兩關(guān)節(jié)軸線相交時，x軸的方向與兩矢量的交積平行或反向平行，x軸的方向總是沿著公共法線從轉(zhuǎn)軸n指向i+1。當(dāng)兩軸和 平行且同向時，第i個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的i為零。</p><p>　　一旦對全部連桿規(guī)定坐標(biāo)系之后，我們就能夠按照下列順序由兩個旋轉(zhuǎn)和兩個平移來建立相鄰兩連桿i-1與

72、i之間的相對關(guān)系。</p><p>　　繞軸旋轉(zhuǎn)角，使軸轉(zhuǎn)到與同一平面內(nèi)。</p><p>　　沿軸平移一距離，把移到與同一直線上。</p><p>　　沿i軸平移距離，把連桿i-l的坐標(biāo)系移到使其原點與連桿n的坐標(biāo)系原點重合的地方。</p><p>　　繞軸旋轉(zhuǎn)角，使轉(zhuǎn)到與同一直線上。</p><p>　　這種關(guān)系可

73、由表示連桿i對連桿i-1相對位置的四個齊次變換來描述，并叫做 矩陣。此關(guān)系式為</p><p><b>　?。ㄊ?.1）</b></p><p><b>　　展開上式可得</b></p><p><b>　　（式3.2）</b></p><p>　　當(dāng)機械手各連桿的坐標(biāo)系被規(guī)定

74、之后，就能夠列出各連桿的常量參數(shù)。對于跟在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)i后的連桿，這些參數(shù)為,和。對于跟在棱柱聯(lián)軸節(jié)i后的連桿來說，這些參數(shù)為和。然后，角的正弦值和余弦值也可計算出來。這樣，A 矩陣就成為關(guān)節(jié)變量的函數(shù)（對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）或變量d的函數(shù)（對于棱柱聯(lián)軸節(jié)）。一旦求得這些數(shù)據(jù)之后，就能夠確定六個變換矩陣的值。</p><p><b>　　具體分析方法：</b></p><p>　

75、　(1)根據(jù)D-H方法建立機器人的笛卡爾坐標(biāo)系，并且標(biāo)出每個關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的原點；</p><p>　　(2)根據(jù)機械臂的各個變量的值以及各桿件之間關(guān)系， 寫出相應(yīng)的矩陣；</p><p>　　表3.1 D-H參數(shù)表</p><p>　　規(guī)定逆時針為正，順時針為負(fù)。 </p><p><b>　　=</b></p>

76、;<p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　(3)然后根據(jù)A矩陣和T矩陣之間的關(guān)系，寫出T矩陣。</p><p>　　3.3 機械臂的正解</p><p>　　機器人運動學(xué)只涉及到物體的運動規(guī)律，不考慮產(chǎn)生運動的力和力矩。機器人正運動學(xué)

77、所研究的內(nèi)容是：給定機器人各關(guān)節(jié)的角度或位移，求解計算機器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)問題。</p><p>　　各連桿變換矩陣相乘，可得到機器人末端執(zhí)行器的位姿方程（正運動學(xué)方程）為：</p><p>　　= (式3.3)</p><p>　　其中：z向矢量處于手爪入物體的方向上，稱之為接近矢量，y 向矢量的方向從一個指尖指向

78、另一個指尖，處于規(guī)定手爪方向上，稱為方向矢量；最后一個矢量叫法線矢量，它與矢量和矢量一起構(gòu)成一個右手矢量集合，并由矢量的叉乘所規(guī)定：。</p><p>　　式3.3表示了機器人變換矩陣，它描述了末端連桿坐標(biāo)系{7}相對基坐標(biāo)系{0}的位姿，是機械手運動分析和綜合的基礎(chǔ)。</p><p>　　G300 型串聯(lián)機器人驅(qū)動空間參數(shù):</p><p>　　關(guān)節(jié)(1-7) 換

79、算關(guān)系1=0.088 度</p><p>　　下限348 788 348 788 788 848 348</p><p>　　上限3748 3308 3748 3308 3308 3248 3748</p><p>　　速度范圍(1-1023), 換算關(guān)系1=0.114 轉(zhuǎn)/分鐘</p><p>　　最大加速度：2180 度/</p&g

80、t;<p>　　3.4 機械臂的反解分析以及路徑優(yōu)化</p><p>　　機器人的運動學(xué)反解存在的區(qū)域稱為機器人的工作空間，求解機器人逆解的目的也在于要求出機器人的工作空間。</p><p>　　工作空間是操作臂的末端能夠到達(dá)的空間范圍，即末端能夠到達(dá)的目標(biāo)點集合。值得指出的是，工作空間應(yīng)該嚴(yán)格地區(qū)分為兩類：</p><p>　?。?）靈活（工作）空間

81、指機器人手爪能夠以任意方位到達(dá)的目標(biāo)點集合。因此，在靈活空間的每個點上，手爪的指向可任意規(guī)定。</p><p>　?。?）可達(dá)（工作）空間指機器人手爪至少在一個方位上能夠到達(dá)的目標(biāo)點集合。</p><p>　　機器人操作臂運動學(xué)逆解的數(shù)目決定于關(guān)節(jié)數(shù)目和連桿參數(shù)（對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)操作臂</p><p>　　指的是α， 和）和關(guān)節(jié)變量的活動范圍。</p>&

82、lt;p>　　在解運動學(xué)方程時，碰到的另一問題是解不唯一（稱為多重解）。對于靈活工作空間中任何點，機械手能以任意方位到達(dá)，即對于具有七個自由度的機械手可能有多種形位，即運動學(xué)方程可能有多組解。</p><p>　　運用Denavit-Hartenberg（DH）方法，可以將相鄰的兩個坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系表示為一個4x4 的齊次變換矩陣：</p><p><b>　?。ㄊ?.

83、4）</b></p><p>　　上式表示出了坐標(biāo)系i 相對于坐標(biāo)系i-1 的關(guān)系。即</p><p><b>　　（式3.5）</b></p><p>　　其中表示坐標(biāo)系i 相對于固定坐標(biāo)系的位置與姿態(tài)，簡稱位姿。</p><p>　　求解過程如下：求解的變量為, ,,,,,。根據(jù)機械手運動學(xué)公式</

84、p><p><b>　　（式3.6）</b></p><p><b>　?。ㄊ?.7）</b></p><p>　　在機械臂的路徑規(guī)劃中，用到的是逆運動學(xué)的解</p><p><b>　?。ㄊ?.8）</b></p><p>　　描述機器人末端姿態(tài)的常用方法

85、有兩種：</p><p>　?。?）繞固定系XYZ 轉(zhuǎn)動的rpy角</p><p>　　rpy 角是描述船舶航行時的姿態(tài)的一種方法，將船的行駛方向作為Z 軸，則繞Z 軸旋轉(zhuǎn)稱為滾動（Roll）角α，將繞Y軸(與海面平行)方向的旋轉(zhuǎn)稱為俯仰（Pitch）角β，取X軸與海面垂直方向，將繞X軸的旋轉(zhuǎn)稱為偏轉(zhuǎn)（Yaw）角γ。機械臂末端的定義類似，故習(xí)慣上稱為rpy角。</p><

86、;p>　　描述運動坐標(biāo)系的規(guī)則是：首先使運動坐標(biāo)系的初始方位與固定坐標(biāo)系重合，將運動坐標(biāo)系繞固定坐標(biāo)系X軸轉(zhuǎn)動γ，再將運動坐標(biāo)系繞固定坐標(biāo)系Y軸轉(zhuǎn)動β，最后將運動坐標(biāo)系繞固定坐標(biāo)系Z軸轉(zhuǎn)動α。</p><p>　?。?）繞運動系ZYX轉(zhuǎn)動的euler角</p><p>　　描述運動坐標(biāo)系的規(guī)則是：運動坐標(biāo)系的初始方位與參考坐標(biāo)系重合，首先將運動坐標(biāo)系繞Z軸轉(zhuǎn)動α，再將運動坐標(biāo)系繞Y軸

87、轉(zhuǎn)動β，最后將運動坐標(biāo)系繞X軸轉(zhuǎn)動γ。這種描述方法中各次的轉(zhuǎn)動都是相對運動系的，而不是相對固定坐標(biāo)系的。</p><p>　　結(jié)果與繞固定軸XYZ 旋轉(zhuǎn)相同，這是因為繞固定軸旋轉(zhuǎn)的順序與繞運動軸旋轉(zhuǎn)的順序相反，且旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)相等。因此，用ZYX euler角與XYZ rpy角的描述方法是等價的。 </p><p>　　在機械臂的路徑規(guī)劃中，用到的是反向運動學(xué)的解，它給出了特定的末端位姿對應(yīng)

88、的機械臂的關(guān)節(jié)角度。一般來說，反向運動學(xué)的解不是唯一的，對具有某種結(jié)構(gòu)的機械臂，封閉解可能不存在。</p><p>　　對于7自由度的機器人而言，運動學(xué)逆解非常復(fù)雜，一般沒有封閉解。只有在某些特殊情況下才可能得到封閉解[7]。不過，大多數(shù)工業(yè)機器人都滿足封閉解的兩個充分條件之一（Pieper準(zhǔn)則）：</p><p>　?。?）三個相鄰關(guān)節(jié)軸交于一點</p><p>

89、　　（2）三個相鄰關(guān)節(jié)軸相互平行</p><p>　　如果機械臂多于6個關(guān)節(jié)，稱關(guān)節(jié)為冗余的，這時解是欠定的。如果對于機械臂某個特別的位姿，解不存在，稱這個位姿為奇異位姿。機械臂的奇異性可能是由于機械臂中某些坐標(biāo)軸的重合，或位置不能達(dá)到引起的。</p><p>　　機械臂的奇異位姿分為兩類：</p><p>　　(1)邊界奇異位姿，當(dāng)機械臂的關(guān)節(jié)全部展開或折起時，使

90、得末端處于操作空間的邊界或邊界附近，雅克比矩陣奇異，機械臂的運動受到物理結(jié)構(gòu)的約束，這時機械臂的奇異位姿稱為邊界奇異位姿。</p><p>　　(2)內(nèi)部奇異位姿，兩個或兩個以上的關(guān)節(jié)軸線重合時，機械臂各個關(guān)節(jié)的運動相互抵消，不產(chǎn)生操作運動，這時機械臂的奇異位姿稱為內(nèi)部奇異位姿。</p><p>　　機械臂運動學(xué)逆解的方法可以分為兩類：封閉解和數(shù)值解、在進(jìn)行逆解時總是力求得到封閉解。因為封

91、閉解的計算速度快，效率高，便于實時控制。而數(shù)值解法不具有這些特點。機械臂運動學(xué)的封閉逆解可通過兩種途徑得到：代數(shù)法和幾何法。</p><p>　　一般而言，非零連桿參數(shù)越多，到達(dá)某一目標(biāo)的方式也越多，即運動學(xué)逆解的數(shù)目也越多。</p><p>　　在從多重解中選擇解時，應(yīng)根據(jù)具體情況，在避免碰撞的前提下通常按“最短行程”準(zhǔn)則來選擇。同時還應(yīng)當(dāng)兼顧“多移動小關(guān)節(jié)，少移動大關(guān)節(jié)”的原則。<

92、;/p><p>　　n個自由度的機械臂的末端位姿由n個關(guān)節(jié)變量所決定，這n個關(guān)節(jié)變量統(tǒng)稱為n維關(guān)節(jié)矢量，記為q。所有的關(guān)節(jié)矢量構(gòu)成的空間稱為關(guān)節(jié)空間。機械臂末端的位姿用6個變量描述，3個平移(x,y,z)和3個旋轉(zhuǎn)(x, y, z)，記x=(x,y,z, x, y, z)，x是機械臂末端在基坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)，所有的矢量x構(gòu)成的空間稱為操作空間或作業(yè)定向空間。工作空間是操作臂的末端能夠到達(dá)的空間范圍，即末端能夠到達(dá)的目

93、標(biāo)點集合。</p><p><b>　　具體操作步驟如下：</b></p><p>　　運行實驗軟件界面如下</p><p>　?。?）取初始驅(qū)動向量</p><p>　　輸入初始驅(qū)動向量后，點擊“初始位置”按鈕，將機器人末端移動到指定的位置；</p><p>　?。?）在編輯框綜合交互區(qū)中輸入希

94、望的機器人末端的位置和姿態(tài)序列</p><p>　?。?）點擊“軌跡生成”按鈕，逆解序列（驅(qū)動空間）的值顯示在綜合交互區(qū)中；</p><p>　?。?）點擊“連續(xù)運動”按鈕，仿真器中的機器人仿真模型沿著設(shè)定的軌跡移動到相應(yīng)的位置，相應(yīng)的信息顯示在綜合顯示區(qū)中，內(nèi)容分為三個部分，觀察機器人的三個空間：驅(qū)動空間、關(guān)節(jié)空間、工作空間中值的關(guān)系。體會什么是驅(qū)動空間、關(guān)節(jié)空間和工作空間；</p

95、><p>　?。?）利用仿真器中的圖形觀察工具：放大、移動觀察軌跡的細(xì)節(jié)，利用圖形旋轉(zhuǎn)工具分別將軌跡投影到XY平面、XZ平面和YZ平面，觀察軌跡在各個平面上的投影；</p><p>　?。?）改變初始驅(qū)動向量，再進(jìn)行以上各個步驟，分析計算結(jié)果。</p><p>　　4 機械臂的調(diào)試與分析</p><p>　　4.1 MATLAB軟件中機器人模型的

96、建立</p><p>　　先輸入機械臂的參數(shù)，并命名“7R機械臂”。命令如下：</p><p>　　%連桿的六個參數(shù)是機械臂的DH參數(shù)</p><p>　　L{1}=link([pi/2 0 0 120 0 0]);</p><p>　　L{2}=link([pi/2 0

97、 0 0 0 0]);</p><p>　　L{3}=link([-pi/2 0 0 140.8 0 pi]);</p><p>　　L{4}=link([-pi/2 71.8 0 0 0 pi/2 ]);</p><p>　

98、　L{5}=link([+pi/2 71.8 0 0 0 pi]);</p><p>　　L{6}=link([-pi/2 0 0 0 0 pi/2]);</p><p>　　L{7}=link([0 0 0 129.6 0 0]

99、);</p><p>　　R= robot(L)%構(gòu)建機械臂</p><p>　　R.name ='7R機械臂';%命名</p><p>　　q=[pi pi pi pi pi pi pi];</p><p>　　drivebot(R,q);%驅(qū)動機械臂R</p><p>　　圖4.1 “7R機械臂”的

100、三維圖及滑塊控制圖</p><p>　　(2)運用命令driverbot( ),可以立刻看到該機械臂的三維圖，并且可以用手動的方式，通過驅(qū)動圖中的滑塊，來驅(qū)使機械臂運動，就像實際控制著機械臂一樣，見圖4.1所示，對機械臂的教學(xué)和培訓(xùn)帶來了極大的方便。</p><p>　　執(zhí)行完上述命令之后會顯示：</p><p><b>　　R = </b>&

101、lt;/p><p>　　7R機械臂 (7 axis, RRRRRRR)</p><p>　　grav = [0.00 0.00 9.81]standard D&H parameters</p><p>　　alpha A theta D R/P</p><p>　　1.5707960.0000000.00

102、0000120.000000R(std)</p><p>　　1.5707960.0000000.0000000.000000R(std)</p><p>　　-1.5707960.0000000.000000140.800000R(std)</p><p>　　-1.57079671.8000000.0000000.000000R

103、(std)</p><p>　　1.57079671.8000000.0000000.000000R(std)</p><p>　　-1.5707960.0000000.0000000.000000R(std)</p><p>　　0.0000000.0000000.000000129.600000R(std)</p>

104、<p><b>　　q =</b></p><p>　　3.1416 3.1416 3.1416 3.1416 3.1416 3.1416 3.1416</p><p>　　結(jié)果顯示的“R”的意思是該關(guān)節(jié)是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，“std”的意思是參數(shù)是該機械臂的DH參數(shù)。</p><p><b>　　

105、4.2 機械臂調(diào)試</b></p><p>　　(1) 給機器人上電</p><p>　　(2) 啟動計算機，運行機器人軟件；</p><p>　　(3) 點擊【7 軸智能化機器人手臂】菜單下的子菜單【各關(guān)節(jié)及手爪的狀態(tài)與控制】，</p><p>　　軟件自動進(jìn)行通信測試，圖4.2 所示。</p><p>

106、　　圖4.2 通信狀態(tài)測試</p><p>　　然后點擊【通信測試】按鈕，觀察通信指示燈的變化。</p><p>　　拔掉USB數(shù)據(jù)線，再點擊【通信測試】按鈕，如圖4.3的提示：</p><p>　　(4) 點擊【報警狀態(tài)】面板上的【刷新】按鈕，控制軟件會立即讀取機器人內(nèi)部</p><p>　　的參數(shù)并分析報警狀態(tài)，如圖4.4 所示；<

107、/p><p>　　(5) 點擊【控制狀態(tài)】面板上的【刷新】按鈕，控制軟件會立即讀取機器人內(nèi)部</p><p>　　的參數(shù)并分析控制狀態(tài)，如圖4.5 所示；</p><p>　　(6) 點擊【控制】面板上的【LED 指示燈控制】子面板；如圖4.6</p><p>　　通過指示燈，通過很直觀的確定機器人的各個關(guān)節(jié)。</p><p&

108、gt;　　(7) 先用手扶住機械臂，點擊【機械臂轉(zhuǎn)矩復(fù)位】，用手緩慢轉(zhuǎn)動機械臂的各個關(guān)</p><p>　　節(jié)，體會機械臂的【輸出轉(zhuǎn)矩禁止】狀態(tài)。</p><p>　　(8) 然后點擊【關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩允許】，再試著用手轉(zhuǎn)動機械臂的各個關(guān)節(jié)，體會機</p><p>　　械臂的【輸出轉(zhuǎn)矩允許】狀態(tài)。</p><p>　　(9) 點擊【機械臂停機】，

109、再試著用手轉(zhuǎn)動機械臂的各個關(guān)節(jié)，體會【機械臂停機】</p><p><b>　　工作狀態(tài)。</b></p><p>　　(10) 再點擊【機械臂轉(zhuǎn)矩復(fù)位】，試著用手轉(zhuǎn)動機械臂的各個關(guān)節(jié)，體會【機械臂</p><p>　　停機】狀態(tài)與【機械臂轉(zhuǎn)矩復(fù)位】狀態(tài)之間的差別。</p><p>　　(11) 退出關(guān)節(jié)運動界面；<

110、;/p><p>　　(12) 用手扶住機械臂，然后斷開電源，再放好機械臂；</p><p>　　(13) 退出機器人軟件，關(guān)閉計算機。</p><p>　　4.3 MATLAB中程序控制機械臂運動的相關(guān)命令</p><p>　?。?）直接連接機械臂的命令，function varargout=connect(joint_id)，其運用格式為[fl

111、ag baudrate_num]=connect(joint_id)或[flag] = connect(joint_id)，其中“joint_id”是關(guān)節(jié)地址。該命令主要是用來連接機械臂，同時可以查看每個關(guān)節(jié)的連接狀態(tài)，即是否能夠正常通訊。</p><p>　　（2）讀取關(guān)節(jié)相關(guān)參數(shù)的命令，function varargout= read_joint(joint_id,name_string),其運用格式為[fl

112、ag value] = read_joint(joint_id,name_string)或[value] = read_joint</p><p>　　(joint_id,name_string)，其中“name_string”是需要查詢的信息名稱，例如：Goal Position（目標(biāo)位置）、Present Position（當(dāng)前位置）、Moving Speed（移動速度，即各關(guān)節(jié)被寫入的速度）、Present

113、 Speed（當(dāng)前速度）等。該命令主要是用來監(jiān)控機械臂的速度以及位置等的預(yù)定輸入與實際輸出，以便對其進(jìn)行優(yōu)化。</p><p>　?。?）給個關(guān)節(jié)進(jìn)行寫入位置坐標(biāo)以及速度的命令，function flag = sync_write_ps(c)，其中c = {[joint_id goal_position moving_speed],...}，其使用格式為flag = sync_write_ps([joint_i

114、d goal_position moving_speed],...)。該命令主要是對機械臂的預(yù)定位置和速度寫入，進(jìn)而實現(xiàn)機械臂的運動。</p><p>　　4.4 機械臂的運動速度分析</p><p>　　由各關(guān)節(jié)的移動速度與實際速度的分析可以知道此次機械臂的路徑移動主要用到關(guān)節(jié)0,關(guān)節(jié)1,關(guān)節(jié)3,關(guān)節(jié)5,關(guān)節(jié)7。為了對路徑進(jìn)行優(yōu)化，需要對這幾個關(guān)節(jié)的速度進(jìn)行主要的優(yōu)化，使得機械臂在移動過

115、程中能夠平穩(wěn)。對這幾個關(guān)節(jié)速度的優(yōu)化方法是在關(guān)節(jié)空間或直角坐標(biāo)空間中進(jìn)行插值、約束，然后得到一條光滑平穩(wěn)的路徑。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　該課題的主要任務(wù)是設(shè)計一條機械臂運動的路徑并對它進(jìn)行仿真優(yōu)化。本設(shè)計主要分為路徑設(shè)計和仿真優(yōu)化兩部分，路徑設(shè)計著重考慮路徑的可行性。仿真采用MATLB編程，然后控制機械臂的運行得到預(yù)定路徑。通