機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-七軸機(jī)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>　?。?0 屆）</b></p><p>　　七軸機(jī)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(dú)立完成的，在完成論文時(shí)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(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 七軸機(jī)械臂路徑規(guī)劃問題的仿真研究 </p>

3、;<p>　　1．設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo)</p><p>　?。?）使用matlab軟件完成七軸機(jī)械臂特定運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)行，獲得運(yùn)動(dòng)軌跡函數(shù)及相應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)；</p><p>　　（2）針對(duì)特定運(yùn)動(dòng)軌跡，利用某種優(yōu)化算法針對(duì)某一目標(biāo)對(duì)原有運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并完成相應(yīng)仿真。</p><p>　　2．設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容</p><p&g

4、t;　?。?）完成特定軌跡的設(shè)計(jì)及優(yōu)化并撰寫設(shè)計(jì)說明書一份；</p><p>　?。?）完成matlab仿真程序一份；</p><p>　　（3）完成運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)小組.7 軸機(jī)械臂二次開發(fā)軟件包實(shí)驗(yàn)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(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》機(jī)械工業(yè)出版社,2008 </p><p>　　[3] 劉金琨.《機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)械臂路徑規(guī)

6、劃問題的仿真研究</p><p>　　摘要：機(jī)械臂如今越來越普遍的應(yīng)用于工業(yè)制造，探測(cè)，排爆，采集等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)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(jī)械臂的應(yīng)用和發(fā)展。因此對(duì)機(jī)械臂的路徑規(guī)劃進(jìn)行研究，具有重要的實(shí)際意義和使用價(jià)值。由于七自由度的機(jī)械臂具有靈活，穩(wěn)定，可操作性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，具有一定的典型性，因此本文針對(duì)七自由度機(jī)械臂進(jìn)行路徑規(guī)劃的研究。機(jī)器人根據(jù)其任務(wù)來完成

7、某個(gè)規(guī)定動(dòng)作，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)就要進(jìn)行軌跡規(guī)劃，因此軌跡規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人手部要完成的一定作業(yè)來設(shè)計(jì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)位移、速度、加速度。</p><p>　　關(guān)鍵詞:機(jī)械臂，路徑規(guī)劃，運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的認(rèn)識(shí)3</p><p>　　2.1 機(jī)器人的介紹3</p><p>　　2.1.1 機(jī)器人的認(rèn)識(shí)3</p><p

12、>　　2.1.2 EF-IRC-I機(jī)械臂介紹4</p><p>　　2.2 機(jī)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(bào)警狀態(tài)9</p><p>　　2.2.3 控制狀態(tài)9</p><p>　　2.3 機(jī)器人的預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)控制11</p&g

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

14、24</p><p>　　4.1 MATLAB軟件中機(jī)器人模型的建立24</p><p>　　4.2 機(jī)械臂調(diào)試25</p><p>　　4.3 MATLAB中程序控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的相關(guān)命令28</p><p>　　4.4 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的最初出現(xiàn)是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。當(dāng)前，機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)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(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、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(dòng)化裝備1961年，美國的Consolided Control Corp和AMF公司聯(lián)合制造了第一臺(tái)實(shí)用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器

17、人，迄今為止，世界上對(duì)工業(yè)機(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)己口趨成熟和完善。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)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(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率改善勞動(dòng)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(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域已十分廣泛，包括工業(yè)生產(chǎn)、海空探索、醫(yī)療康復(fù)和軍事活動(dòng)等，此外，機(jī)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(jī)械手，到水下自治式機(jī)器人，從娛樂性的拳擊機(jī)器人，到伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)上的無人駕駛機(jī)，機(jī)器人己經(jīng)與我們的日常生活息息相關(guān)。機(jī)器人通常分為關(guān)節(jié)式機(jī)器人(或稱機(jī)械臂、機(jī)械手、機(jī)器人操作臂、工業(yè)機(jī)器人等)和移動(dòng)式機(jī)器

19、人。機(jī)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(jī)械臂發(fā)展至今，機(jī)械臂已經(jīng)經(jīng)歷了以下三代[1]：第一代順序控制機(jī)械臂，即所謂的示教再現(xiàn)機(jī)械臂，它沒有傳感器，主要用于作業(yè)順序和環(huán)境相對(duì)固定的場(chǎng)合，因此可通過編程實(shí)現(xiàn)重復(fù)性工作，但是因?yàn)椴荒茉谧鳂I(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(jī)械臂可以通過觸覺，視覺等傳感器對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)際探測(cè)，用探測(cè)

20、到的信息對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行反饋控制。此類機(jī)械臂能夠?qū)ψ陨磉M(jìn)行調(diào)整，因此行動(dòng)品質(zhì)大大提高；第三代智能機(jī)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(jī)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(jī)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(duì)七自由度機(jī)械臂的路徑規(guī)劃研究，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和研究價(jià)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(diǎn)(初始狀態(tài)位姿)與期望的終點(diǎn)(末端執(zhí)行器的期望位姿)，同時(shí)根據(jù)一定的任務(wù)要求尋求一條連接起終點(diǎn)的次優(yōu)或最優(yōu)的有效路徑，然后將路徑轉(zhuǎn)換成機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)，確定機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)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(jī)械臂的磨損、節(jié)省大量的作業(yè)時(shí)間，提高系統(tǒng)的操作能力和工作效率，使得整個(gè)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、長期的運(yùn)行。</p><p>&

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

23、的英文名緣由</p><p>　　機(jī)器人是一種具有某種仿人功能的自動(dòng)機(jī)，機(jī)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(jī)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(jī)器人。</p><p>　　(2) 機(jī)器人的定義（我國科學(xué)家的定義）</p><p>　　機(jī)器人是一種自

24、動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。</p><p>　　(3) 機(jī)器人的三原則</p><p>　?、?機(jī)器人不能傷害人類；</p><p>　　② 在不違反第一條的情況下，機(jī)器人必須遵守人類的命令；</p><p>　　③ 在不違反第一

25、、二條的情況下，機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己。</p><p>　　(4) 機(jī)器人的組成部分</p><p>　　機(jī)器人的手——操作系統(tǒng)，作用是抓住一個(gè)工作對(duì)象使其按工作或作戰(zhàn)要求動(dòng)作。</p><p>　　機(jī)器人的眼——感測(cè)系統(tǒng)，作用是觀測(cè)工作對(duì)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(duì)機(jī)器人行為控制和協(xié)調(diào)的依據(jù)。</p><p>

26、;　　機(jī)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(cè)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(jī)器人的心臟——?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，作用是負(fù)責(zé)向機(jī)器人提供動(dòng)力，主要設(shè)備有各種發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)及其附屬設(shè)備。</p><p>　　機(jī)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(jī)器人的各種行動(dòng)。</p><p>　　(5) 機(jī)器人的

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

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(xiǎn)、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(jī)器人，可以使用機(jī)器人去代替人們完成這些任務(wù)。</p><p>　　(7) 機(jī)器人的未來發(fā)展</p><p>　　人性化：機(jī)器人要發(fā)展就必須要滿足人類的要求，對(duì)機(jī)器人的人性化設(shè)計(jì)是非常重要的，那樣機(jī)器人就會(huì)有更

29、大的利用價(jià)值。</p><p>　　智能化：智能化可以說是機(jī)器人未來的發(fā)展方向，智能機(jī)器人是具有感知、思維和行動(dòng)功能的機(jī)器，是機(jī)構(gòu)學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、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(jī)器人可獲取、處理和識(shí)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(jī)器人具有更大的靈活性、機(jī)動(dòng)性和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　普及化：

30、人類制造機(jī)器人的目的是為人類所服務(wù)的，所以就會(huì)盡可能地把它變成多功能化，比如在家庭中，可以成為機(jī)器人保姆。會(huì)你掃地、吸塵、還可以做你的談天朋友，還可以為你看護(hù)小孩。到外面時(shí)，機(jī)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(jī)器人就會(huì)普及化。</p><p>　　2.1.2 EF-IRC-I機(jī)械臂介紹</p><p>　　本論文所使用的機(jī)器人為7自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)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(jī)、內(nèi)置32位的ARM處理器，12位非接觸式約對(duì)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(shí)現(xiàn)，采用可視化設(shè)計(jì)，控制簡單，編程方便，尤其是MATLAB本身所獨(dú)有強(qiáng)大的計(jì)算能力，對(duì)機(jī)器人控制的算法研究具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。7軸智能化機(jī)器人手臂與MATLAB的完美結(jié)合，能夠?qū)I(yè)滿足高等院校機(jī)電一體化、自動(dòng)控制等專業(yè)進(jìn)行機(jī)電及控

32、制課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要和相關(guān)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用培訓(xùn)需要，是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想平臺(tái)。它具有高度的能動(dòng)性和靈活性，具有廣闊的開闊空間，是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想對(duì)象。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)包括機(jī)器人1臺(tái)、實(shí)驗(yàn)附件和機(jī)器人控制軟件1套。</p><p>　　機(jī)器人采用串聯(lián)式開鏈結(jié)構(gòu)，即機(jī)器人各連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)。關(guān)節(jié)的作用是使相互聯(lián)接的兩個(gè)連桿產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　機(jī)器人各關(guān)節(jié)采用國外進(jìn)口的高精度舵機(jī)，該舵機(jī)內(nèi)置一個(gè)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(jī)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(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)</p><p>　　其尺寸及關(guān)節(jié)編號(hào)、連桿編號(hào)，如圖2.2所示。</p><p>　　機(jī)器人技術(shù)參數(shù)如下：</p><p>　?。?) 機(jī)械手臂垂直最大長度:53.4cm (從基座到頂端)</p><p>　?。?) 機(jī)械手臂水平最大長度:48cm</p><p>

35、　　（3) 重復(fù)性位置精度：+/-0.5mm</p><p>　　（4) 手指最大張度:3.5cm</p><p><b>　?。?) 角度限制</b></p><p>　　表2.1 機(jī)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(jī)器人的狀態(tài)與控制</p><p>　　2.2.1 通信狀態(tài)</p><p>　　機(jī)器人與計(jì)算機(jī)的連接如圖3.4 所示。</p><p>　　機(jī)器人與計(jì)算機(jī)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(gè)USB 虛擬串行

37、端口（VSP）。利用底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)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(gè)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(duì)串口硬件的訪問。</p><p>　　當(dāng)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)通過USB 數(shù)據(jù)連接好，上電后，控制軟件檢測(cè)機(jī)器人使用的虛擬串行端口以及波特率，然后使用這個(gè)虛擬串口以及波特率與機(jī)器人進(jìn)行通信。</p><p>　　機(jī)器

38、人由七個(gè)關(guān)節(jié)及一個(gè)手爪組成，每個(gè)內(nèi)部都是一個(gè)高精度的舵機(jī)。舵機(jī)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(duì)編碼器 (12位，360度)</p><p><b>　　電機(jī)：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(jī)電流：100 mA</p><p>　　在機(jī)器人內(nèi)部，各個(gè)舵機(jī)通過一條串行總線連接，采用半雙工異步通信方式，計(jì)算機(jī)與各個(gè)舵機(jī)構(gòu)成一個(gè)主從式通信網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)是主機(jī)，舵機(jī)是從機(jī)。每個(gè)從機(jī)都有一個(gè)唯一的ID號(hào)，主機(jī)可以通過這個(gè)ID號(hào)準(zhǔn)確控制某個(gè)舵機(jī)?？刂栖浖瓤梢詥为?dú)控制一個(gè)舵機(jī)，也可以

45、同時(shí)控制多個(gè)舵機(jī)或所有舵機(jī)，因此，控制非常靈活，功能強(qiáng)大，這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于提高機(jī)器人的控制性能來講，是非常重要的一個(gè)特色與功能。</p><p>　　每個(gè)舵機(jī)有一個(gè)紅色的LED指示燈，用于指示相應(yīng)的舵機(jī)是否正上電，也可以用于直觀的通信測(cè)試。</p><p>　　2.2.2 報(bào)警狀態(tài)</p><p>　　機(jī)器人能夠自我監(jiān)測(cè)與保護(hù)，內(nèi)部有許多傳感器用于檢測(cè)位置、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、

46、工作電壓、電機(jī)的工作溫度等。</p><p>　　對(duì)于機(jī)器人最大的威脅來自于電機(jī)過熱燒毀，機(jī)器人能夠進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。其保護(hù)的方法是：對(duì)電機(jī)強(qiáng)行停機(jī)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(jī)器提供強(qiáng)大的信息反饋。</p><p>　?。?）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>　　② 機(jī)械臂上電后，機(jī)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(jī)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(shí)電機(jī)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(dòng)完全受電機(jī)控制。因此，關(guān)節(jié)不能在外力的作用下自由轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　④ <轉(zhuǎn)矩輸出禁止>工作狀態(tài)</p><p>　　這時(shí)電機(jī)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(dòng)不受電機(jī)控制。因此，關(guān)節(jié)能

50、夠在外力的作用下自由轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　另外，如果向某個(gè)關(guān)節(jié)或手爪發(fā)送了“目標(biāo)位置”轉(zhuǎn)動(dòng)命令，則該關(guān)節(jié)或手爪自動(dòng)變?yōu)?lt;轉(zhuǎn)矩輸出允許>工作狀態(tài)。</p><p>　　⑤ <轉(zhuǎn)矩復(fù)位>工作狀態(tài)</p><p>　　機(jī)械臂所有關(guān)節(jié)及手爪同時(shí)處于<轉(zhuǎn)矩輸出禁止>工作狀態(tài)。</p><p>　　⑥ <停

51、機(jī)保護(hù)>工作狀態(tài)</p><p>　　機(jī)械臂不執(zhí)行任何運(yùn)動(dòng)控制命令。</p><p>　　當(dāng)電機(jī)發(fā)生過熱時(shí)，機(jī)械臂自動(dòng)進(jìn)入<停機(jī)保護(hù)>工作狀態(tài)。</p><p>　　有兩種方法將機(jī)械臂恢復(fù)到初始狀態(tài)：</p><p><b>　　a.機(jī)械臂重新上電</b></p><p>　　b

52、.軟件控制將機(jī)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(jī)發(fā)生過熱停機(jī)后，需要至少20 分鐘的冷卻時(shí)間才能繼續(xù)重新工作。</p><p>　　（2）運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)狀態(tài)</p><p><b>　?、?位置</b></p><p>　　機(jī)器人使用12位的高精度角度傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)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(shí)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(yùn)動(dòng)過程中，這個(gè)值在不斷變化。</p><p>　　是否到達(dá)目標(biāo)位置：用于檢測(cè)舵機(jī)是否到達(dá)目標(biāo)位置。</p><p&g

54、t;<b>　　② 速度</b></p><p>　　目標(biāo)速度：舵機(jī)以多大的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jī)以最大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)針方向的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　如果為1024 到2047，表示順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)速。這時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)速，需要先減去1024，然后再乘以0.11rpm。</p><p>　　2.3 機(jī)器人的預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)控制</p><p>　　在機(jī)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(jī)器人中，控制機(jī)器人按照預(yù)定的軌跡循環(huán)執(zhí)行固定的動(dòng)作，完成工

56、業(yè)任務(wù)。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人，或稱為機(jī)器人操作臂、機(jī)器人臂、機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)等，以及工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)

57、所，如噴漆、焊接、清砂和清理核廢料等。</p><p>　　機(jī)器人軌跡泛指工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，即運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的位移、速度、 加速度。機(jī)械手在作業(yè)空間要完成給定的任務(wù)，其手部運(yùn)動(dòng)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(gè)點(diǎn)，然后按這些運(yùn)動(dòng)方程對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行插值， 從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。</p><p>　　機(jī)械手軌跡規(guī)劃的好壞，直接影響機(jī)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(shí)，將會(huì)產(chǎn)生沖擊，若機(jī)器人固有頻率較低將產(chǎn)生低頻振動(dòng)，機(jī)器人啟動(dòng)和停止時(shí)手部抖動(dòng)就是這種現(xiàn)象的表現(xiàn)。</p><p>　　由于機(jī)器人工作的特殊性，要求機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)保證有足夠的安全性，在機(jī)器人工作前需要進(jìn)行嚴(yán)格的路徑規(guī)劃。其中，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)能夠連續(xù)地運(yùn)動(dòng)以使各機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生大的振動(dòng)是保證安全的關(guān)鍵。</p><p>　　當(dāng)前，機(jī)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(duì)于待定的軌跡結(jié)點(diǎn)（插值點(diǎn)）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(duì)結(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(shí)際路徑，因此，可能會(huì)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(dòng)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(diǎn)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(cè)量操作機(jī)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(shí)時(shí)變換，這是一個(gè)計(jì)</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?yàn)樗皇且粚?duì)一的映射。還有，如果在軌跡規(guī)劃階段還要考慮操作機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，就要以笛卡爾坐標(biāo)給定路徑約束，同時(shí)以關(guān)節(jié)坐標(biāo)給定物理約束（如每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的力和力矩、速度和加速度極限），這就會(huì)使最后的優(yōu)化問題具有在兩個(gè)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(diǎn)，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(diǎn)變換為相應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，并用低次多項(xiàng)式內(nèi)插這此關(guān)節(jié)結(jié)點(diǎn)。這種優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算較快，而且易于處理操作機(jī)的動(dòng)力學(xué)約束。</p><p>　　3 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制</p><p>　　機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)是將機(jī)器人相對(duì)于固定參考系(即關(guān)節(jié)坐標(biāo)系)的運(yùn)動(dòng)作為時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行分析研究，而不考慮引起此

63、運(yùn)動(dòng)所需要的力矩，其研究的重點(diǎn)是關(guān)節(jié)變量空間和機(jī)器人末端位姿的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)學(xué)控制的本質(zhì)是解決坐標(biāo)變換的問題。機(jī)器人軌跡規(guī)劃則是在運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上討論關(guān)節(jié)空間和軌跡空間中運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法，根據(jù)任務(wù)要求，計(jì)算出預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。</p><p>　　3.1機(jī)器人的空間描述</p><p>　　機(jī)器人一般是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)相連接的開式運(yùn)動(dòng)鏈，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，它包括機(jī)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(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)用自由度加以描述，在空間都具有沿x,y,z軸三個(gè)移動(dòng)自由度，以及繞x, y ,z軸的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。為描述組成機(jī)器人的各連桿之間的相對(duì)位姿，在每個(gè)連桿上固定一個(gè)坐標(biāo)系;同樣，為描述機(jī)器人與環(huán)境之間的位姿關(guān)系，在工件和工作臺(tái)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(duì)位姿，表示任意物體從一個(gè)坐標(biāo)系向另一個(gè)坐標(biāo)系變換的關(guān)系。研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和操作的第一步就是描述其各連桿以及它們和操作對(duì)象之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。下面給出機(jī)器人位姿描述及空間變換，在此將機(jī)器人的各個(gè)連桿、操作對(duì)象等均視為剛體。</p><p>　　3.2 機(jī)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(duì)機(jī)器人進(jìn)行表示和建模，并導(dǎo)出了他們的運(yùn)動(dòng)方程。便成為了表示機(jī)器人和對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模的標(biāo)準(zhǔn)方法。D-H模型表示了對(duì)機(jī)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(jī)器人通常是由一系列連桿和相應(yīng)的

67、運(yùn)動(dòng)副組合而成的空間開式鏈，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，完成規(guī)定的操作。因此，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(duì)象(工件或工具)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。假定這些連桿和運(yùn)動(dòng)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(gè)直角坐標(biāo)系，相對(duì)于該坐標(biāo)系，點(diǎn)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(jī)器人的每個(gè)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(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系，并對(duì)連桿和關(guān)節(jié)定義了4個(gè)參數(shù)，如圖3.1。</p><p>　　機(jī)器人機(jī)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(gè)參數(shù)來描述一個(gè)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(gè)參數(shù)來表示相鄰兩桿的關(guān)系，即兩連桿的相對(duì)位置 和兩連桿法線的夾角。</p><p>　　除第一個(gè)和最后一個(gè)連桿外，每個(gè)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(jī)器人機(jī)械手上坐標(biāo)系的配置取決于機(jī)械手連桿連接的類型。有兩種連接——轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和棱柱聯(lián)軸節(jié)。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，為關(guān)節(jié)變量。連桿i的坐標(biāo)系原點(diǎn)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(diǎn)上。如果兩相鄰連桿的軸線相交于一點(diǎn)，那么原點(diǎn)就在這一交點(diǎn)上。如果兩軸線互相平行，那么就選擇原點(diǎn)使對(duì)

71、下一連桿（其坐標(biāo)原點(diǎn)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(shí)，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(shí)，第i個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的i為零。</p><p>　　一旦對(duì)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(gè)旋轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移來建立相鄰兩連桿i-1與

72、i之間的相對(duì)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(diǎn)與連桿n的坐標(biāo)系原點(diǎn)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(duì)連桿i-1相對(duì)位置的四個(gè)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(jī)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(duì)于跟在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)i后的連桿，這些參數(shù)為,和。對(duì)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(jì)算出來。這樣，A 矩陣就成為關(guān)節(jié)變量的函數(shù)（對(duì)于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）或變量d的函數(shù)（對(duì)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(gè)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(jī)器人的笛卡爾坐標(biāo)系，并且標(biāo)出每個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的原點(diǎn)；</p><p>　　(2)根據(jù)機(jī)械臂的各個(gè)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(shí)針為正，順時(shí)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(jī)械臂的正解</p><p>　　機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)只涉及到物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不考慮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力和力矩。機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)

77、所研究的內(nèi)容是：給定機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角度或位移，求解計(jì)算機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)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(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿方程（正運(yùn)動(dòng)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(gè)指尖指向

78、另一個(gè)指尖，處于規(guī)定手爪方向上，稱為方向矢量；最后一個(gè)矢量叫法線矢量，它與矢量和矢量一起構(gòu)成一個(gè)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(jī)器人變換矩陣，它描述了末端連桿坐標(biāo)系{7}相對(duì)基坐標(biāo)系{0}的位姿，是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析和綜合的基礎(chǔ)。</p><p>　　G300 型串聯(lián)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(jī)械臂的反解分析以及路徑優(yōu)化</p><p>　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解存在的區(qū)域稱為機(jī)器人的工作空間，求解機(jī)器人逆解的目的也在于要求出機(jī)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(diǎn)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>　　（1）靈活（工作）空間

81、指機(jī)器人手爪能夠以任意方位到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)集合。因此，在靈活空間的每個(gè)點(diǎn)上，手爪的指向可任意規(guī)定。</p><p>　?。?）可達(dá)（工作）空間指機(jī)器人手爪至少在一個(gè)方位上能夠到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)集合。</p><p>　　機(jī)器人操作臂運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)范圍。</p>&

82、lt;p>　　在解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程時(shí)，碰到的另一問題是解不唯一（稱為多重解）。對(duì)于靈活工作空間中任何點(diǎn)，機(jī)械手能以任意方位到達(dá)，即對(duì)于具有七個(gè)自由度的機(jī)械手可能有多種形位，即運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可能有多組解。</p><p>　　運(yùn)用Denavit-Hartenberg（DH）方法，可以將相鄰的兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系表示為一個(gè)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(duì)于坐標(biāo)系i-1 的關(guān)系。即</p><p><b>　?。ㄊ?.5）</b></p><p>　　其中表示坐標(biāo)系i 相對(duì)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)公式</

84、p><p><b>　　（式3.6）</b></p><p><b>　　（式3.7）</b></p><p>　　在機(jī)械臂的路徑規(guī)劃中，用到的是逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的解</p><p><b>　　（式3.8）</b></p><p>　　描述機(jī)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(dòng)的rpy角</p><p>　　rpy 角是描述船舶航行時(shí)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(dòng)（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(jī)械臂末端的定義類似，故習(xí)慣上稱為rpy角。</p><

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

87、轉(zhuǎn)動(dòng)β，最后將運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)γ。這種描述方法中各次的轉(zhuǎn)動(dòng)都是相對(duì)運(yùn)動(dòng)系的，而不是相對(duì)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?yàn)槔@固定軸旋轉(zhuǎn)的順序與繞運(yùn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的順序相反，且旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)相等。因此，用ZYX euler角與XYZ rpy角的描述方法是等價(jià)的。 </p><p>　　在機(jī)械臂的路徑規(guī)劃中，用到的是反向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解，它給出了特定的末端位姿對(duì)應(yīng)

88、的機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度。一般來說，反向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解不是唯一的，對(duì)具有某種結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂，封閉解可能不存在。</p><p>　　對(duì)于7自由度的機(jī)器人而言，運(yùn)動(dòng)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(jī)器人都滿足封閉解的兩個(gè)充分條件之一（Pieper準(zhǔn)則）：</p><p>　?。?）三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸交于一點(diǎn)</p><p>

89、　?。?）三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸相互平行</p><p>　　如果機(jī)械臂多于6個(gè)關(guān)節(jié)，稱關(guān)節(jié)為冗余的，這時(shí)解是欠定的。如果對(duì)于機(jī)械臂某個(gè)特別的位姿，解不存在，稱這個(gè)位姿為奇異位姿。機(jī)械臂的奇異性可能是由于機(jī)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(jī)械臂的奇異位姿分為兩類：</p><p>　　(1)邊界奇異位姿，當(dāng)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)全部展開或折起時(shí)，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(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)受到物理結(jié)構(gòu)的約束，這時(shí)機(jī)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(gè)或兩個(gè)以上的關(guān)節(jié)軸線重合時(shí)，機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相互抵消，不產(chǎn)生操作運(yùn)動(dòng)，這時(shí)機(jī)械臂的奇異位姿稱為內(nèi)部奇異位姿。</p><p>　　機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)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(shí)總是力求得到封閉解。因?yàn)榉?/p>

91、閉解的計(jì)算速度快，效率高，便于實(shí)時(shí)控制。而數(shù)值解法不具有這些特點(diǎn)。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的數(shù)目也越多。</p><p>　　在從多重解中選擇解時(shí)，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(shí)還應(yīng)當(dāng)兼顧“多移動(dòng)小關(guān)節(jié)，少移動(dòng)大關(guān)節(jié)”的原則。<

92、;/p><p>　　n個(gè)自由度的機(jī)械臂的末端位姿由n個(gè)關(guān)節(jié)變量所決定，這n個(gè)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(jī)械臂末端的位姿用6個(gè)變量描述，3個(gè)平移(x,y,z)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)(x, y, z)，記x=(x,y,z, x, y, z)，x是機(jī)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(diǎn)集合。</p><p><b>　　具體操作步驟如下：</b></p><p>　　運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件界面如下</p><p>　?。?）取初始驅(qū)動(dòng)向量</p><p>　　輸入初始驅(qū)動(dòng)向量后，點(diǎn)擊“初始位置”按鈕，將機(jī)器人末端移動(dòng)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(jī)器人末端的位置和姿態(tài)序列</p><p>　?。?）點(diǎn)擊“軌跡生成”按鈕，逆解序列（驅(qū)動(dòng)空間）的值顯示在綜合交互區(qū)中；</p><p>　?。?）點(diǎn)擊“連續(xù)運(yùn)動(dòng)”按鈕，仿真器中的機(jī)器人仿真模型沿著設(shè)定的軌跡移動(dòng)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(gè)部分，觀察機(jī)器人的三個(gè)空間：驅(qū)動(dòng)空間、關(guān)節(jié)空間、工作空間中值的關(guān)系。體會(huì)什么是驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)平面上的投影；</p><p>　?。?）改變初始驅(qū)動(dòng)向量，再進(jìn)行以上各個(gè)步驟，分析計(jì)算結(jié)果。</p><p>　　4 機(jī)械臂的調(diào)試與分析</p><p>　　4.1 MATLAB軟件中機(jī)器人模型的

96、建立</p><p>　　先輸入機(jī)械臂的參數(shù)，并命名“7R機(jī)械臂”。命令如下：</p><p>　　%連桿的六個(gè)參數(shù)是機(jī)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(jī)械臂</p><p>　　R.name ='7R機(jī)械臂';%命名</p><p>　　q=[pi pi pi pi pi pi pi];</p><p>　　drivebot(R,q);%驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂R</p><p>　　圖4.1 “7R機(jī)械臂”的

100、三維圖及滑塊控制圖</p><p>　　(2)運(yùn)用命令driverbot( ),可以立刻看到該機(jī)械臂的三維圖，并且可以用手動(dòng)的方式，通過驅(qū)動(dòng)圖中的滑塊，來驅(qū)使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，就像實(shí)際控制著機(jī)械臂一樣，見圖4.1所示，對(duì)機(jī)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(huì)顯示：</p><p><b>　　R = </b>&

101、lt;/p><p>　　7R機(jī)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(jī)械臂的DH參數(shù)。</p><p><b>　　

105、4.2 機(jī)械臂調(diào)試</b></p><p>　　(1) 給機(jī)器人上電</p><p>　　(2) 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行機(jī)器人軟件；</p><p>　　(3) 點(diǎn)擊【7 軸智能化機(jī)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(dòng)進(jìn)行通信測(cè)試，圖4.2 所示。</p><p>

106、　　圖4.2 通信狀態(tài)測(cè)試</p><p>　　然后點(diǎn)擊【通信測(cè)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(diǎn)擊【通信測(cè)試】按鈕，如圖4.3的提示：</p><p>　　(4) 點(diǎn)擊【報(bào)警狀態(tài)】面板上的【刷新】按鈕，控制軟件會(huì)立即讀取機(jī)器人內(nèi)部</p><p>　　的參數(shù)并分析報(bào)警狀態(tài)，如圖4.4 所示；<

107、/p><p>　　(5) 點(diǎn)擊【控制狀態(tài)】面板上的【刷新】按鈕，控制軟件會(huì)立即讀取機(jī)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(diǎn)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(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)。</p><p&

108、gt;　　(7) 先用手扶住機(jī)械臂，點(diǎn)擊【機(jī)械臂轉(zhuǎn)矩復(fù)位】，用手緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)</p><p>　　節(jié)，體會(huì)機(jī)械臂的【輸出轉(zhuǎn)矩禁止】狀態(tài)。</p><p>　　(8) 然后點(diǎn)擊【關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩允許】，再試著用手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)，體會(huì)機(jī)</p><p>　　械臂的【輸出轉(zhuǎn)矩允許】狀態(tài)。</p><p>　　(9) 點(diǎn)擊【機(jī)械臂停機(jī)】，

109、再試著用手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)，體會(huì)【機(jī)械臂停機(jī)】</p><p><b>　　工作狀態(tài)。</b></p><p>　　(10) 再點(diǎn)擊【機(jī)械臂轉(zhuǎn)矩復(fù)位】，試著用手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)，體會(huì)【機(jī)械臂</p><p>　　停機(jī)】狀態(tài)與【機(jī)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(yùn)動(dòng)界面；<

110、;/p><p>　　(12) 用手扶住機(jī)械臂，然后斷開電源，再放好機(jī)械臂；</p><p>　　(13) 退出機(jī)器人軟件，關(guān)閉計(jì)算機(jī)。</p><p>　　4.3 MATLAB中程序控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的相關(guān)命令</p><p>　?。?）直接連接機(jī)械臂的命令，function varargout=connect(joint_id)，其運(yùn)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(jī)械臂，同時(shí)可以查看每個(gè)關(guān)節(jié)的連接狀態(tài)，即是否能夠正常通訊。</p><p>　?。?）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(yùn)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(dòng)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(jī)械臂的速度以及位置等的預(yù)定輸入與實(shí)際輸出，以便對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。</p><p>　?。?）給個(gè)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(duì)機(jī)械臂的預(yù)定位置和速度寫入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　4.4 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度分析</p><p>　　由各關(guān)節(jié)的移動(dòng)速度與實(shí)際速度的分析可以知道此次機(jī)械臂的路徑移動(dòng)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(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化，需要對(duì)這幾個(gè)關(guān)節(jié)的速度進(jìn)行主要的優(yōu)化，使得機(jī)械臂在移動(dòng)過

115、程中能夠平穩(wěn)。對(duì)這幾個(gè)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(jì)一條機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的路徑并對(duì)它進(jìn)行仿真優(yōu)化。本設(shè)計(jì)主要分為路徑設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化兩部分，路徑設(shè)計(jì)著重考慮路徑的可行性。仿真采用MATLB編程，然后控制機(jī)械臂的運(yùn)行得到預(yù)定路徑。通