模块式六自由度机器人控制系统毕业设计

摘要

近二十年来，机器人技术的发展非常迅速，各种用途机器人在各个领域获得广泛应用。我国在机器人的应用和研究方面与工业化发达国家相比还有一定差距，因此设计和研究各种用途的机器人特别是推广机器人、工业机器人的应用是有现实的意义。

典型的工业机器人例如喷装配机器人、漆机器人、焊接机器人等大多是固定在加工设备旁边或生产线作业的，本论文在参考大量的文献资料的基础上，结合了项目的要求，设计一种小型的、固定在AGV上的、以实现移动的串联六自由度机器人。

首先，针对机器人设计要求提出了多个方案，并且对其进行分析和比较，选择其中最优的结构设计方案;然后进行运动学分析，用D一H方法来建立坐标变换矩阵，推算出运动方程的正解和逆解;用矢量积法推导速度雅可比矩阵，并计算包括腕点在内的一些点的速度和位移;然后借助坐标的变换矩阵进行工作空间的分析。这些工作为移动式机器人的运动控制、结构设计和动力学分析提供了依据。

最后运用已有的六自由度机械手及其手爪的三维造型和装配，将模型导入proteus中，并进行运动学仿真对其结果进行了分析，并且对在机械设计中使用的虚拟样机技术做了尝试，积累了经验。

关键词:6自由度机器人；运动学分析；仿真

ABSTRACT

In the Past twenty years，the robot technology has been developed greatly and used in many different fields. There is a large gap between our country and the developed countries in research and application of the robot technology so that there will be a great value to study，design and applied different kinds of robots，especially industrial robots.

Most typical industrial robots such as welding robot，painting robot and assembly robot are all fixed on the product line or near the machining equipment when they are working. Based on larger number of relative literatures and combined with the need of project，the author have designed a kind of small一size serial robot with 6 degree of freedom which can be fixed on the AGV to construct a mobile robot.

First of all，several kinds of schemes were proposed according to the design demand. The best scheme was chosen after analysis and comparing and the structure was designed. At same time，The kinematics analysis was conducted，coordinate transformation matrix using D一H method was set up，and the kinematics equation direct solution and inverse solution was deduced，the matrix was constructed using vector product method，and the values displacement and velocity of some special point including the wrist point were calculated. Secondly，the working space of the robot was analyzed and the axes section of practical working space was drawn. These works provided a basis to structure design, kinematics and control.

At last do the completion of six degrees of fr eedom manipulator’s and gripper’s three-dimensional modeling and assembly. models will be imported in proteus, and do the simulation and kinematics, and the simulation result was analyzed. In the experiment，the author tried to use the virtual prototyping technology in mechanism design.

Keywords: Six degrees of freedom robot;Kinematics Analysis; simulation

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

目录 (3)

第一章绪论 (1)

1.1机器人概述 (1)

1.2模块式六自由度机器人概述 (1)

1.2.1机器人分类 (1)

1.2.2 自由度理论概述 (2)

1.2.3模块式六自由度机器人的应用 (2)

1.3主要研究内容 (3)

第二章运动学分析 (4)

2.1概述 (4)

2.2运动学分析 (4)

2.2.1空间机构位置的描述 (4)

2.2.2空间机构中两任意坐标系的变换关系 (9)

2.2.3工业机器人运动学方程 (11)

2.3 机构的运动学分析 (11)

2.3.1 机构尺寸参数 (11)

2.3.2 机构的运动学方程 (13)

第三章模块式六自由度机器人控制系统硬件设计 (15)

3.1 总体控制方案设计 (15)

3.2 步进电机选取及控制设计 (15)

3.2.1步进电机原理及控制技术 (15)

3.2.2步进电机的换向控制 (17)

3.2.3步进电机的选取 (17)

3.3 ULN2003驱动器 (18)

3.4 89C51控制设计 (21)

3.4.1 AT89C51简介 (21)

3.4.2 AT89C51最小系统 (21)

3.4.3 AT89C51系统设计 (22)

第四章模块式六自由度机器人控制系统仿真设计 (25)

4.1仿真软件概述 (25)

4.1.1 protues简介 (25)

4.1.2 Keil C51简介 (25)

4.2 仿真系统设计 (25)

4.2.1 仿真系统组成 (25)

4.2.2仿真系统程序设计 (25)

4.3 运行调试结果 (26)

结果 (26)

参考文献 (28)

致谢 (29)

附录：程序代码 (30)

第一章绪论

1.1机器人概述

机器人是种能够进行编程，并在自动控制下执行移动作业任务或某种操作的机械装置。

机器人技术综合了电子工程、机械工程、人工智能、及计算机技术等多种科学的最新研究成果，是典型的机电一体化技术代表，是在当代科技发展最活跃领域。机器人的制造研究与应用正受到越来越多的工业国家的重视。近十几年来，工业机器人技术发展非常迅速，各种工业机器人的在各个领域各种用途中获得广泛应用。

1.2模块式六自由度机器人概述

1.2.1机器人分类

关于机器人如何分类，在国际上没有制定统一标准，有的按控制方式分，有的按负载重量分，有的按应用领域分，有的按结构分，有的按自由度分。一般的分类方式：多功能，有几个自由度，操作型机器人，能自动控制，可固定或运动，可重复编程，用于相关自动化系统之中。程控型机器人，按预先要求的条件及顺序，依次控制工业机器人的机械动作。“示教再现型”机器人，可以通过引导或者其它方式，首先教会机器人执行动作，输入工作程序，则机器人可自动重复进行作业。感觉控制型机器人，通过传感器获取的信息来控制机器人的动作。数控型的机器人，不必使机器人动作，通过语言、数值等对机器人进行示教，根据机器人示教后的信息进行工作。适应控制型机器人，机器人能适应变化中环境，控制自身的行动。学习控制型机器人，具有一定的学习功能，机器人能“体会”工作的经验，并将所“学”的经验用于作业中。智能型机器人，以人工智能决定其机器人的行动。

1.2.2 自由度理论概述

自自度的概念:工业机器人的空间机构一般都为多关节，其运动副通常有转动副和移动副两种。移动关节是以移动副相连的关节。相应地，转动关节是以转动副相连的关节。在这些关节之中，单独驱动的关节被称为主动关节。主动关节的数目就是机器人的自由度。

由机械原理可知，机构具有运动确定时必须所给定的独立运动参数数目，称为机构的自由度（degree of freedom of mechanism），其数目通常表示为F。如果一个构件组合体自由度F>0，他就可以称为一个机构，也就是表明各构件间可有相对的运动；如果F=0，则表明它是一个结构（structure），即已退化成为一个构件。机构自由度分为平面的机构自由度和空间的机构自由度。一个原动件只能提供一个独立的参数。

1.2.3模块式六自由度机器人的应用

六自由度机器人是一种典型工业机器人，在装配、自动搬运、喷涂、焊接、等工业现场中有广泛应用。固高科技GRB系列的六自由度机器人是固高先进的设计与成熟完备的运动控制技术和教学理念有机结合的产物,它既满足工业现场的要求，也是教学与科研机构进行编程系统设计和运动规划的理想对象。

该机器人采用六关节的串联结构，各个关节以“精密谐波减速器+绝对编码器电机”为传动。在小臂处留有气动工具、安装摄像头等外部设备的接口，并且提供备用的电气接口，方便用户进行功能的扩展。

机器人控制方面，采用集成的PC技术、逻辑控制、图像技术及具有专业运动控制技术的VME运动控制器，高速高精度，性能可靠稳定。

工业机器人广泛应用于工业领域。工业机器人一般是指在工厂车间的环境中，配合自动化生产需要，代替人来完成零件或材料的加工、装配、搬运等操作的一种工业机器人。工业机器人定义为:“一种可重复编程的、自动定位控制、多自由度、多功能的操作机。能搬运零件、材料或操持工具，用以完成各种作业。”

操作机被定义为:“具有与人的手臂有相似的动作功能，可以在空间抓放物体或者进行其它操作的机械装置。”

一个典型的机器人系统由通讯接口、本体、计算机控制系统、传感系统、关节伺服驱动系统等部分组成。一般多自由度的串联机器人具有4～6个的自由度，其

中2～3个自由度用来决定末端执行器在空间的位置，其余的2～3个自由度用来决定了末端执行器在空间的姿态。

1.3主要研究内容

通过查阅了大量的文献资料，并且系统学习了机器人的技术知识，同时对国内外的机器人，主要是对六自由度机器人的现状有了比较详细了解。在这个基础上，结合了作者本人设想，和设计工作中需要解决的问题，主要进行以下几项工作:

(1) 调研收集分析有关六自由度机器人的资料，总结其机构与工作特点；

(2) 找到合适六自由度机器人的机构方案；

(3) 模块式六自由度机器人控制系统设计；

(4) 六自由度机器人运动学分析与仿真；

(5) 利用动力学分析软件proteus对六自由度机器人模型进行运动学仿真，对在设计中使用虚拟样机技术进行探索和尝试。

第二章 运动学分析

2.1概述

多自由度机器人其实是具有多个关节空间机构，为了描述在空间中末端执行器的姿态和位置，可以建立一个坐标系在每个关节上，利用坐标系之间的关系去描述末端执行器的位姿。

建立坐标系的方法有很多种，常用的有D 一H 法(四参数法)和矩阵变换法及五参数法等。

D 一H 法(四参数法)是由Denavit 和Hartenberg1955年提出的一种建立相对的位姿的矩阵方法。它用齐次变换来描述各个连杆相对于固定的参考系空间几何关系，用一个4x4齐次变换矩阵来描述相临两连杆的空间关系，从而推导出了“基坐标系”相对于“末端执行器坐标系”的等价齐次坐标变换矩阵，它把一个矢量从一个坐标系中转换到另一个坐标系中，每一个矩阵可以同时实现以下两个作用：平移和旋转。建立操作臂运动方程。本文中用的D 一H 法来建立坐标系并且推导该机器人的运动方程。

2.2运动学分析

2.2.1空间机构位置的描述

1.点的位置描述

空间任一点P 的位置在直角坐标系｛A ｝中可用（3ⅹ1）的位置矢量Ap 来表示如图2-1为:

点P 的三个位置坐标分量分别是Px 、Py 、Pz 。

??

????????=z y x P P P P A 图2-1 点的位置描述

2.点的齐次坐标

上述坐标用（4ⅹ1）列阵表示，被称为三维空间点P 的齐次坐标，比如:

齐次坐标是并不唯一的，当列阵每一项分别去乘以一个非零因子ω都表示P 点。

3.坐标轴方向的描述 在直角坐标系中，x,y,z 轴的单位向量可用 、

、 表示，则用齐次坐标描述x 、y 、z 轴的方向：

规定：以列阵 且a2+b2+c2=1表示某矢量的方向。如列阵 中的第四个元素不为零，则表示空间某点的位置。 如图2-2中矢量

的方向可表示为：

???

???????????=1z y x P P P P ??????????????=??????????????=??????????????ωωωωz y x z y x P P P w c b a P P P 1=p i j k ?????

???????=0001x ????????????=0010y ????????????=0100z []T c b a 0[]T c b a ωv ?????

???????=0c b a v

其中a=cos α，b=cos β，c=cos γ。

v 点坐标为：

4.动坐标系位姿的描述

用位姿矩阵对坐标系各轴方向和动坐标系原点位置进行描述，例如原始的直角坐标系可以描述为：

如描述一个任意的坐标系R ，则利用其三个坐标轴x R 、y R 、z R 在原始的坐标系中表示矢量齐次列阵与列阵[0 0 0 1]T 组成。

5.刚体位姿的描述

机器人的每一个连杆都可以看做一个刚体。当给定刚体上某一点位置与该刚体在空中的姿态，于是刚体在空间上的位姿便是唯一确定的了，可用唯一一个位姿矩阵来描述。如图2-3刚体o ’x ’y ’z ’是固连于刚体上的一个坐标系，称为动坐标系。

刚体Q 在固定坐标系OXYZ 中位置的齐次坐标形式为：

、 、 分别为x ’,y ’,z ’坐标轴的单位向量： ?????

???????=1c b a v ?????

???????=1000010000100001A ?????

?????????=1000z y x p 图2-3 刚体的位置和姿态描述

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