機(jī)器人項(xiàng)目報(bào)告循跡避障智能車設(shè)計(jì).doc

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《機(jī)器人技術(shù)》課程項(xiàng)目 智能涂膠避障裝配多功能機(jī)器人 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 智能涂膠避障裝配多功能機(jī)器人 摘 要 本次項(xiàng)目我們在掌握單片機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合畫圖軟件及matlab和機(jī)器人技術(shù)深入了解并掌握機(jī)械臂設(shè)計(jì)的知識(shí)。設(shè)計(jì)過程當(dāng)中經(jīng)過談?wù)?，我們確定最后方案，然后用三維軟件做出了最后方案機(jī)械臂的三維實(shí)體并做了具體操作分析，為了對其進(jìn)行控制還進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，最終確定了實(shí)體的制作過程。報(bào)告主要包括：機(jī)械臂方案的討論及確定，機(jī)械臂尺寸參數(shù)的確定，動(dòng)力學(xué)分析及軌跡規(guī)劃。 目 錄 目 錄 3 1、前 言： 4 2、設(shè)計(jì)方案的確定 4 2.1任務(wù)分析 4 2.2設(shè)計(jì)參數(shù)： 4 2.3具體項(xiàng)目任務(wù)要求 5 3、參數(shù)的確定 5 3.1機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) 5 3.1.1機(jī)械手臂桿數(shù)和軸數(shù)的確定 5 3.2手臂尺寸的確定 6 3.2.1機(jī)械臂一尺寸的確定 6 3.1.3機(jī)械臂二、三尺寸的確定 6 4、工作空間分析 7 4.1空間模擬 7 4.2初始位置： 8 4.3運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 9 4.4運(yùn)動(dòng)學(xué)反解 10 5、速度分析 11 6、軌跡規(guī)劃 13 6.1各關(guān)節(jié)位移、速度、加速度曲線 13 6.2詳細(xì)程序 15 7、 項(xiàng)目總結(jié) 16 8、參考文獻(xiàn) 16 1、前 言： 機(jī)械手臂是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。在三級項(xiàng)目智能移動(dòng)小車的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出機(jī)械臂和手爪，與小車組裝為一體，通過程序控制，實(shí)現(xiàn)小車的避障，循跡，通訊，以及裝配螺栓的動(dòng)作。裝配機(jī)器人智能小車主要由機(jī)械系統(tǒng)，環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及機(jī)械臂控制系統(tǒng)組成。 2、設(shè)計(jì)方案的確定 2.1任務(wù)分析 要求在已設(shè)計(jì)的智能小車上加裝機(jī)械臂，如圖1完成： 1、 按動(dòng)開關(guān)，啟動(dòng)生產(chǎn)線； 2、 到涂膠工位完成涂膠； 3、 找到迷宮入口，進(jìn)入迷宮； 4、 實(shí)現(xiàn)穿越迷宮； 5、 尋跡； 6、 到裝配工位車體或機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)； 7、 手爪張開 8、 實(shí)現(xiàn)對指定工件的抓取和裝配等一些列的動(dòng)作。 2.2設(shè)計(jì)參數(shù)： 工件的形狀為球形或圓柱形，直徑為70-120，重量小于0.5千克，膠刷尺寸同工件。 涂膠中心線距地面高260mm,長400高200mm矩形區(qū)域的正弦曲線 承料臺(tái)的高度：300mm 開關(guān)高度：310mm(280~320mm) 開關(guān)大小：60x60mm 2.3具體項(xiàng)目任務(wù)要求 本小車的第一任務(wù)為前半部分的涂膠避障過程，主要包括在迷宮的入口通過尋跡定位抓涂膠，然后然后通過智能避障系統(tǒng)走出迷宮；第二任務(wù)為后半部分的循跡和裝配過程，主要包括小車循跡走到指定工作位置，然后用機(jī)械臂及手抓取零件并進(jìn)行裝配。 3、參數(shù)的確定 3.1機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) 3.1.1機(jī)械手臂桿數(shù)和軸數(shù)的確定 機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)很多，但是為了實(shí)現(xiàn)其抓球、放球及灌籃的功能，一般應(yīng)采用有兩個(gè)連桿組成的機(jī)械臂。關(guān)節(jié)可采用移動(dòng)關(guān)節(jié)，也可以采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。 考慮到項(xiàng)目中的實(shí)際情況和手臂制作的可實(shí)現(xiàn)行，初步確定采用三桿轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的手臂。 3.2手臂尺寸的確定 3.2.1機(jī)械臂一尺寸的確定 設(shè)計(jì)用的尺寸包括：小車的高度80mm；涂膠目標(biāo)為中心線距地面高260mm的長400200mm的矩形區(qū)域內(nèi)的正弦曲線，距掃描軌跡200mm，故機(jī)械臂末端執(zhí)行器能達(dá)到的最低高度為160mm，最高高度為360mm；膠刷形狀球形或圓柱形，直徑70~120mm，重量小于0.5kg；工件距平臺(tái)上表面高300mm，承料臺(tái)距軌跡距離為200~300mm。 根據(jù)實(shí)際的要求尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先我們需要確定手臂一的高度，手臂一的高度將會(huì)很大程度上影響手臂的長度，根據(jù)計(jì)算，手臂末端要達(dá)到的豎直高度為360mm，如果機(jī)座太高則整個(gè)機(jī)械手穩(wěn)定性將降低，而機(jī)座太低則手臂長度便會(huì)相應(yīng)增長，影響其強(qiáng)度，因此選機(jī)座高度為90mm；樣基座將不會(huì)非常的穩(wěn)定，為此，我們采用在三角鋁合金的下面加木質(zhì)墊片來穩(wěn)定其位置，并用木質(zhì)的支撐來支持基座，這樣也可以很好的吸收舵機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。 3.1.3機(jī)械臂二、三尺寸的確定 根據(jù)要求，基座到承料臺(tái)上工件的距離即機(jī)械手最大高度為300mm，而小車在裝配時(shí)的停車位置距工件200-300mm。為保證機(jī)械手能抓到工件，我們選定260mm360mm，即所設(shè)計(jì)的尺寸符合任務(wù)要求。 涂膠工位的草圖模擬： 小車平臺(tái) 一桿 二桿 三桿 3.2位移分析 4、工作空間分析 4.1空間模擬 在solidworks中建立了機(jī)構(gòu)簡圖后，直接描繪出工作空間，如圖3 工作空間是以機(jī)械臂1末端為圓心，機(jī)械臂2和機(jī)械臂3差值為半徑的小圓，和機(jī)械臂2和機(jī)械臂3的和為大圓所圍成的圓環(huán)，再圍繞機(jī)械臂1回轉(zhuǎn)形成的空心球環(huán)。 4.2初始位置： 連桿參數(shù)： 連桿參數(shù)i ai-1(mm) αi-1() di（mm） 關(guān)節(jié)變量 初值() 1 0 0 90 θ1 0 2 0 -90 0 θ2 0 3 180 0 0 θ3 0 4 0 90 120 - - 說明：由幾何關(guān)系算得連桿轉(zhuǎn)角，帶入驗(yàn)證x y z 的坐標(biāo)關(guān)系。a1 a2 a3 表示連桿1、2、3的轉(zhuǎn)角。最后解得，矩陣最后一列表示小球在原點(diǎn)坐標(biāo)系中的位置。 4.3運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 正解程序： syms a0 a1 a2 a3 y0 y1 y2 y3 %yi表示扭角， d1 d2 d3 d4 x1 x2 x3 x4 xi表示關(guān)節(jié)角 a0=0 a1=0 a2=150 a3=0 y0=(0/180)*pi %繞x軸轉(zhuǎn)一定的角度 y1=(-90/180)*pi y2=(0/180)*pi y3=(90/180)*pi d1=90 d2=0 d3=0 d4=100 x1=(0/180)*pi %繞z軸轉(zhuǎn)@角度 x2=(0/180)*pi x3=(0/180)*pi x4=(0/180)*pi T10=[cos(x1) -sin(x1) 0 a0;sin(x1)*cos(y0) cos(x1)*cos(y0) -sin(y0) -d1*sin(y0);sin(x1)*sin(y0) cos(x1)*sin(y0) cos(y0) d1*cos(y0);0 0 0 1] T21=[cos(x2) -sin(x2) 0 a1;sin(x2)*cos(y1) cos(x2)*cos(y1) -sin(y1) -d2*sin(y1);sin(x2)*sin(y1) cos(x2)*sin(y1) cos(y1) d2*cos(y1);0 0 0 1] T32=[cos(x3) -sin(x3) 0 a2;sin(x3)*cos(y2) cos(x3)*cos(y2) -sin(y2) -d3*sin(y2);sin(x3)*sin(y2) cos(x3)*sin(y2) cos(y2) d3*cos(y2);0 0 0 1] T43=[cos(x4) -sin(x4) 0 a3;sin(x4)*cos(y3) cos(x4)*cos(y3) -sin(y3) -d4*sin(y3);sin(x4)*sin(y3) cos(x4)*sin(y3) cos(y3) d4*cos(y3);0 0 0 1] T40=T10*T21*T32*T43 最后得出位姿為： T40 = 1 0 0 180 0 1 0 0 0 0 1 210 0 0 0 1 4.4運(yùn)動(dòng)學(xué)反解 反解程序: 說明：代入坐標(biāo)x=200，y=0， z=230。根據(jù)等式左右兩端對應(yīng)相等。解出關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度。 syms a1 a2 a3 a4 a4=0*pi/180; x=220; y=300; z=0; t10=[cos(a1) -sin(a1) 0 100;sin(a1) cos(a1) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1]; t21=[cos(a2) -sin(a2) 0 100;sin(a2) cos(a2) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1]; t32=[cos(a3) -sin(a3) 0 150;sin(a3) cos(a3) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1]; t43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;0 0 -1 -100;sin(a4) cos(a4) 0 0;0 0 0 1]; t=t10*t21*t32*t43; f1=x-t(1,4); f2=y-t(2,4); f3=z-t(3,4); [a1,a2,a3]=solve(f1,f2,f3,a1,a2,a3); %轉(zhuǎn)化為角度值 a11=vpa(a1*180/pi,6) a22=vpa(a2*180/pi,6) a33=vpa(a3*180/pi,6) 運(yùn)行結(jié)果： a11 = 0 0 180.0 180.0 180.0 180.0 a22 = -62.4756 -3.33493 -117.524 -176.665 57.2958*z 57.2958*z a33 = -177.771 -2.22873 -2.22873 -177.771 180.0 180.0 5、速度分析 說明：先求出雅克比矩陣，我們可以得到末端執(zhí)行器速度與各關(guān)節(jié)的速度關(guān)系。在末端執(zhí)行器速度已知的情況下求的各關(guān)節(jié)的速度。 a1=0*pi/180; a2=0*pi/180; a3=180*pi/180; a4=0*pi/180; d1=90; d2=0; d3=0; d4=120; t10=[cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1) cos(a1) 0 0;0 0 1 d1;0 0 0 1]; t21=[cos(a2) -sin(a2) 0 0;0 0 1 d2;sin(a2) cos(a2) 0 0;0 0 0 1]; t32=[cos(a3) -sin(a3) 0 200;sin(a3) cos(a3) 0 0;0 0 1 d3;0 0 0 1]; t43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;0 0 -1 -160;sin(a4) cos(a4) 0 0;0 0 0 1]; t20=t10*t21; t30=t20*t32; t40=t30*t43; t41=t21*t32*t43; t42=t32*t43; z1=[t10(1,3);t10(2,3);t10(3,3)]; z2=[t20(1,3);t20(2,3);t20(3,3)]; z3=[t30(1,3);t30(2,3);t30(3,3)]; z4=[t40(1,3);t40(2,3);t40(3,3)]; p1=[t41(1,4);t41(2,4);t41(3,4)]; p2=[t42(1,4);t42(2,4);t42(3,4)]; p3=[t43(1,4);t43(2,4);t43(3,4)]; r1=[t10(1,1) t10(1,2) t10(1,3); t10(2,1) t10(2,2) t10(2,3); t10(3,1) t10(3,2) t10(3,3)]; r2=[t20(1,1) t20(1,2) t20(1,3); t20(2,1) t20(2,2) t20(2,3); t20(3,1) t20(3,2) t20(3,3)]; r3=[t30(1,1) t30(1,2) t30(1,3); t30(2,1) t30(2,2) t30(2,3); t30(3,1) t30(3,2) t30(3,3)]; p11=cross(z1,r1*p1); p22=cross(z2,r2*p2); p33=cross(z3,r3*p3); j=[p11(1,1) p22(1,1) p33(1,1); p11(2,1) p22(2,1) p33(2,1); p11(3,1) p22(3,1) p33(3,1); z1(1,1) z2(1,1) z3(1,1); z1(2,1) z2(2,1) z3(2,1); z1(3,1) z2(3,1) z3(3,1);] syms q1 q2 q3 q4 q5 q6 v1 v2 v3 w1 w2 w3 v=[v1;v2;v3;w1;w2;w3]; q=[q1;q2;q3]; ji=j*q; %等式左右兩端矩陣中元素對應(yīng)相等，列出三個(gè)方程 f1=v(1,1)-ji(1,1); f2=v(2,1)-ji(2,1); f3=v(3,1)-ji(3,1); [q1,q2,q3]=solve(f1,f2,f3,q1,q2,q3); q1=vpa(q1,6) q2=vpa(q2,6) q3=vpa(q3,6) 運(yùn)行結(jié)果： j = 0 160.0000 160.0000 200.0000 0 0 0 -200.0000 -0.0000 0 0 0 0 1.0000 1.0000 1.0000 0 0 q1 = 0.005*v2 q2 = - 6.12323e-19*v1 - 0.005*v3 q3 = 0.00625*v1 + 0.005*v3 6、軌跡規(guī)劃 6.1各關(guān)節(jié)位移、速度、加速度曲線 說明：程序中速度，加速度函數(shù)先通過diff函數(shù)求得，再代入得到各曲線。 關(guān)節(jié)1 （假設(shè)旋轉(zhuǎn)角度30度） 關(guān)節(jié)2 關(guān)節(jié)三 v6.2詳細(xì)程序 每個(gè)關(guān)節(jié)分別求出，改變a0,af值即可，其余部分不變。 syms a2 a3 tf t; tf=5 af=-60*pi/180; a0=84.3*pi/180; a1=0; f(tf)=a0+a1*tf+a2*tf^2+a3*tf^3-af ; v(tf)=a1+2*a2*tf+3*a3*tf^2 ; [a2,a3]=solve(f(tf),v(tf),a2,a3) t=0:0.01:tf; f3=a0+a1*t+a2*t.^2+a3*t.^3 subplot(2,2,1) plot(t,f3) grid xlabel(t/s); ylabel(θ); title(位移時(shí)間曲線) v =(481*pi*t.^2)/12500 - (481*pi*t)/2500 subplot(2,2,2); plot(t,v); grid; xlabel(t/s) ylabel(v) title(速度時(shí)間曲線) a =(481*pi*t)/6250 - (481*pi)/2500 subplot(2,2,3); plot(t,a); grid; xlabel(t/s) ylabel(a) title(加速度時(shí)間曲線) 7、 項(xiàng)目總結(jié) 8、參考文獻(xiàn) 1. 劉杰 機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)與產(chǎn)品設(shè)計(jì) 冶金工業(yè)出版社,2003 2. W.BOLTON MECHATRONICS ELECTRONIC CONTROL SYSTEMSI IN MECHANICAL ENGINEERING Longman Scientific&technical 3. 李廣弟 朱月秀 冷祖祁 單片機(jī)基礎(chǔ) 北京航空航天大學(xué)出版社，2007 4. 熊有倫 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 華中科技大學(xué)出版社