六軸工業(yè)機器人的離線編程與仿真系統研究.pdf

1、隨著中國制造業(yè)的轉型以及人口紅利的消失，工業(yè)機器人在制造業(yè)中逐漸普及開來。工業(yè)機器人具有柔性生產，降低工人勞動強度，保護工人安全和節(jié)約人力成本的優(yōu)點，是先進制造業(yè)中不可缺少的自動化設備。而離線編程與仿真系統是在計算機環(huán)境下，實現機器人作業(yè)的虛擬仿真與離線編程。其能提高機器人的作業(yè)效率，改善作業(yè)質量與保證作業(yè)安全。
　　本課題的研究對象為六軸工業(yè)機器人的離線編程與仿真系統，其由人機接口、算法庫、狀態(tài)監(jiān)測、數據分析、數據保存以及通訊接

2、口模塊構成。其中，算法庫是核心，配合其他模塊完成作業(yè)的虛擬仿真與離線編輯。人機接口由作業(yè)模塊與仿真顯示模塊構成。其中，作業(yè)模塊根據機器人語言離線編輯作業(yè)，仿真顯示模塊則虛擬顯示機械臂作業(yè)過程。狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測作業(yè)過程中的關節(jié)超限情況。其他模塊，如數據分析模塊用于分析關節(jié)變化，數據保存模塊用于保存作業(yè)，通訊接口模塊用于PC與運動控制卡間的通訊。本文主要進行了以下研究工作:
　　第二章中，以離線編程與仿真系統的基本組成和機械臂控制原理

3、為切入點，研究了系統的架構和相關控制算法。
　　首先，分析了系統的組成與架構，闡明了各個模塊的功能。介紹了六軸機械臂的數學建模原理，就空間剛體的位姿描述，齊次坐標系的變換以及連桿坐標系的建立，進行了詳細的說明，并對項目所用的SIASUN_V1機械臂建立了D-H模型。由此闡述了正逆運動學原理，推導了基于分塊矩陣的逆運動學算法。對逆運動學的多解性進行了分析，并給出其唯一解的確定方法。
　　其次，為實現軌跡規(guī)劃，就機械臂末端位姿規(guī)

4、劃和關節(jié)角度規(guī)劃分別進行了討論。其中，對于位置規(guī)劃，介紹了空間直線、圓弧和NURBS自由曲線的規(guī)劃原理;對于姿態(tài)規(guī)劃，分析了其等效性，給出基于單位四元數的姿態(tài)描述方法，提出了C2連續(xù)并且旋轉可控的姿態(tài)規(guī)劃算法;對于關節(jié)空間規(guī)劃，介紹了C2連續(xù)的5次多項式規(guī)劃原理。
　　然后，基于本項目的開發(fā)需要，介紹了LabVIEW Robotics和MathScriptRT開發(fā)環(huán)境或工具包。
　　第三章中，詳細論述了離線編程與仿真系統中各

5、個模塊的設計思路與實現方法。
　　首先，結合實際項目需求，對系統進行架構設計與模塊劃分。確定了“LabVIEW Robotics+Matlab+CAD”的模式作為軟件開發(fā)平臺，并詳細闡明了程序設計模式與數據結構。
　　其次，對各個模塊的設計與實現進行了詳細論述。對于仿真模塊，規(guī)定其構建模式，給出了虛擬場景與機械臂的構建過程。對于算法庫，實現與驗證了正運動學、空間直線圓弧規(guī)劃、NURBS自由曲線規(guī)劃以及關節(jié)空間角度規(guī)劃算法。以

6、SIASUN_V1的D-H模型為基礎，實現并驗證了基于分塊矩陣的逆運動學算法。以Take_Robot_V1為基礎，實現與驗證了C2連續(xù)并且旋轉可控的姿態(tài)規(guī)劃算法。對于狀態(tài)監(jiān)測模塊，給出了關節(jié)限位原理，并對機械臂末端位置調試，姿態(tài)調試以及單關節(jié)調試過程中的限位處理，進行了詳細的分析與實現。對于作業(yè)模塊，給出機器人語言相關內容，針對項目需求以及實際進展，設定了機械臂控制指令并構建了作業(yè)編輯環(huán)境。另外，介紹了數據存儲、數據分析與通訊接口模塊的