1、精品文檔燕山大學課 程 設 計 說 明 書題目：智能車及多功能機器人系統的設計與制作 -啟動開關、涂膠及裝配機械臂設計及控制模型建立姓 名： 分 工： 課程名稱：機器人技術根底 指導教師： 智能車及多功能機器人系統的設計與制作 -啟動開關、涂膠及裝配機械臂設計及控制模型建立摘 要：本次設計以單片機為核心，分為三個局部，采用光電檢測器循跡、避障、并用軟件控制小車機械臂動作。從而實現小車的自動行駛、轉彎、尋跡檢測、避障、停止、涂膠及裝配等功能的智能控制系統。機械臂局部，分為涂膠、裝配螺栓兩個動作，通過求正反解、速度雅克比、進行軌跡規劃，通過單片機控制，實現功能。前 言：機械手臂是目前在機械人技術領

2、域中得到最廣泛實際應用的自動化機械裝置，在工業制造、醫學治療、娛樂效勞、軍事、半導體制造以及太空探索等領域都能見到它的身影。盡管它們的形態各有不同，但它們都有一個共同的特點，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進行作業。在三級工程智能移動小車的根底上設計出機械臂和手爪，與小車組裝為一體，通過程序控制，實現小車的避障，循跡，通訊，以及裝配螺栓的動作。裝配機器人智能小車主要由機械系統，環境識別系統，運動控制系統及機械臂控制系統組成。目錄1 任務分析42 方案設計一53 方案設計二53.1 機械臂尺寸確實定53.2 工作空間63.3 初始位置73.3.1運動學正解73.3.2 運動

3、學反解93.4 任意位姿103.4.1 涂膠板豎直情形103.4.2 開關和采果情形153.5 速度分析163.6 軌跡規劃183.7 詳細程序214 總結225 參考文獻231 任務分析 要求在已設計的智能小車上加裝機械臂，如圖1完成：1、 按動開關，啟動生產線； 2、 從地面的指定位置撿起直徑為50-100mm的球；3、 到涂膠工位完成涂膠；4、 找到迷宮入口，進入迷宮實現穿越迷宮5、 尋跡到裝配工位車體或機械臂旋轉手爪張開實現對指定物體裝配參數：承料臺的高度：300mm螺栓規格：直徑50mm開關高度：310mm(280320mm)開關大小：60x60mm膠刷：圓柱形，直徑50100mm圖

4、12 方案設計一將機械手安裝在小車側面，可采用兩個轉動副的結構，此結構簡單，只需控制三個電機，即可完成所需任務。但是涂膠和裝配螺栓時，手臂側產生了一個向下的力，這個力使得小車產生一個側向翻轉力矩，可能會使小車不穩定，且這樣的機械臂只能在一個平面內運動，在應用范圍上受到限制。 3 方案設計二3.1 機械臂尺寸確實定 尺寸的設計主要考慮涂膠工位是否能實現。同時在考慮涂膠工位時，考慮機械手最難到達的位置就是設計時重點考慮的位置。涂膠工位參數如下：小車的高度80mm；假設小車在涂膠時，小車機械臂1涂膠板邊界為200mm；涂膠中心線高260mm；涂膠用的圓柱刷直徑80mm；涂膠偏移中心最大距離設為100

5、mm；涂膠用的圓柱刷壓入板3mm；根據以上尺寸考慮到如果機座太高那么整個機械手穩定性將降低，而機座太低那么機械臂2長度便會相應增長，影響工作空間，因此選給出桿1的尺寸為85mm；桿2的尺寸為180mm，桿3的尺寸為150mm。如圖2圖2 機構簡圖 3.2 工作空間在solidworks中建立了機構簡圖后，直接描繪出工作空間，如圖3圖3 工作空間 工作空間是以機械臂1末端為圓心，機械臂2和機械臂3差值為半徑的小圓，和機械臂2和機械臂3的和為大圓所圍成的圓環，再圍繞機械臂1回轉形成的空心球環。下面驗算其他任意位姿位能否實現。3.3 初始位置圖4 初始位置 連桿參數表連桿參數iai-1(mm)i-1

6、(°)dimm關節變量初值(°)100851020-9002-13531800034540-90150-90-903.3.1運動學正解由幾何關系算得連桿轉角1=0，2=-135，3=45，解得,帶入驗證x y z 的坐標,其中矩陣最后一列表示小球在原點坐標系中的位置。syms a0 a1 a2 a3 y0 y1 y2 y3 d1 d2 d3 d4 x1 x2 x3 x4 %yi表示扭角，xi表示關節角a0=0a1=0a2=180a3=0y0=(0/180)*piy1=(-90/180)*piy2=(0/180)*piy3=(-90/180)*pid1=85d2=0d3=0d

7、4=150x1=(0/180)*pix2=(-135/180)*pix3=(45/180)*pix4=(-90/180)*piT10=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 1T21=cos(x2) -sin(x2) 0 a1;sin(x2)*cos(y1) cos(x2)*cos(y1) -sin(y1) -d2*sin(y1);sin(x2)*sin(y1) cos(x

8、2)*sin(y1) cos(y1) d2*cos(y1);0 0 0 1T32=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 1T43=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(

9、y3);0 0 0 1T40=T10*T21*T32*T43T40 = -0.0000 0.0000 1.0000 22.7208 1.0000 -0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 212.2792 0 0 0 1.0000所得結果和用solidworks仿真一致。3.3.2 運動學反解 代入坐標x=-47.8461，y=0， z=210.0000。根據等式左右兩端對應相等。解出關節旋轉角度。選擇最優解。syms a0 a1 a2 a3 y1 y2 y3 y4 y5 d1 d2 d3 d4 x1 x2 x3 x4 a b ca0=0a1=0a2

10、=180a3=0y0=(0/180)*piy1=(-90/180)*piy2=(0/180)*piy3=(-90/180)*pid1=85d2=0d3=0d4=150x4=(-90/180)*pia=22.72 b=0c=212.28T10=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 1T21=cos(x2) -sin(x2) 0 a1;sin(x2)*cos(y1) cos(

11、x2)*cos(y1) -sin(y1) -d2*sin(y1);sin(x2)*sin(y1) cos(x2)*sin(y1) cos(y1) d2*cos(y1);0 0 0 1T32=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 1T43=cos(x4) -sin(x4) 0 a3;sin(x4)*cos(y3) cos(x4)*cos(y3) -sin(y3) -d4*s

12、in(y3);sin(x4)*sin(y3) cos(x4)*sin(y3) cos(y3) d4*cos(y3);0 0 0 1T40=T10*T21*T32*T43f1=a-T40(1,4)f2=b-T40(2,4)f3=c-T40(3,4)x1,x2,x3=solve(f1,f2,f3,x1,x2,x3)%轉化為角度值x11=vpa(x1*180/pi,6)x22=vpa(x2*180/pi,6)x33=vpa(x3*180/pi,6)結果：x11 = -.350831e-14 -180.000 -.350836e-14 -180.000x22 = -135.000 -155.242 -

13、24.7576 -44.9995x33 = 44.9998 44.9998 135.000 135.000 即，1=0，2=-135，3=45 滿足所需設計3.4 任意位姿3.4.1 涂膠情形 當機械臂在最高位時，如圖5 圖5 涂膠板豎直最高位可用求反解的方式驗證，程序如下：syms a0 a1 a2 a3 y1 y2 y3 y4 y5 d1 d2 d3 d4 x1 x2 x3 x4 a b ca0=0a1=0a2=180a3=0y0=(0/180)*piy1=(-90/180)*piy2=(0/180)*piy3=(-90/180)*pid1=85d2=0d3=0d4=150x4=(-90/

14、180)*pia=250b=0c=290T10=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 1T21=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 1T32=co

15、s(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 1T43=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 1T40=T10*T21*T32*T43f1=a-T40(1,4)

16、f2=b-T40(2,4)f3=c-T40(3,4)x1,x2,x3=solve(f1,f2,f3,x1,x2,x3)%轉化為角度值x11=vpa(x1*180/pi,6)x22=vpa(x2*180/pi,6)x33=vpa(x3*180/pi,6)運行結果：x11 = .771838e-15 180.000 .771844e-15 180.000 x22 = -49.8929 -151.189 -28.8106 -130.107 x33 = -66.7777 -66.7777 -113.222 -113.222求得的解有多個，在實際時通過設計取最優解。當機械臂在最高位時，如圖6 圖6 涂膠

17、板豎直最低位syms a0 a1 a2 a3 y1 y2 y3 y4 y5 d1 d2 d3 d4 x1 x2 x3 x4 a b ca0=0a1=0a2=180a3=0y0=(0/180)*piy1=(-90/180)*piy2=(0/180)*piy3=(-90/180)*pid1=85d2=0d3=0d4=150x4=(-90/180)*pia=250b=0c=90T10=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) co

18、s(y0) d1*cos(y0);0 0 0 1T21=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 1T32=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 1T4

19、3=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 1T40=T10*T21*T32*T43f1=a-T40(1,4)f2=b-T40(2,4)f3=c-T40(3,4)x1,x2,x3=solve(f1,f2,f3,x1,x2,x3)%轉化為角度值x11=vpa(x1*180/pi,6)x22=vpa(x2*180/pi,6)x33=vpa(x3*180/pi,6)運行結果：x1

20、1 = -180.000 -.203483e-14 -.203485e-14 -180.000 x22 = 144.714 35.2863 -37.5779 -142.422 x33 = -8.11750 -171.882 -8.11750 -171.882求得的解有多個，在實際時通過設計取最優解。3.4.2 開關和裝配情形抓螺栓和涂膠板驗算方法相同，通過求解反解即可到達所求各個關節的角度，此處不再一一列出。3.5 速度分析說明：先求出雅克比矩陣，我們可以得到末端執行器速度與各關節的速度關系。在末端執行器速度的情況下求的各關節的速度。syms a0 a1 a2 a3 y0 y1 y2 y3 d

21、1 d2 d3 d4 x1 x2 x3 x4 %yi表示扭角，xi表示關節角a0=0a1=0a2=180a3=0y0=(0/180)*piy1=(-90/180)*piy2=(0/180)*piy3=(-90/180)*pid1=85d2=0d3=0d4=150x1=(0/180)*pix2=(-135/180)*pix3=(45/180)*pix4=(-90/180)*pit10=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)

22、cos(y0) d1*cos(y0);0 0 0 1t21=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 1t32=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

23、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 1t40=t10*t21*t32*t43;t20=t10*t21;t30=t20*t32;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);z

24、4=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,

25、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);求得：

26、j = -0.0000 127.2792 0 22.7208 0.0000 0.0000 0 -22.7208 -150.0000 0 0 0 0 1.0000 1.0000 1.0000 0.0000 0.00003.6 軌跡規劃 程序中速度，加速度函數先通過diff函數求得，再代入得到各曲線。關節3的軌跡如圖9圖9 關節三3.7 詳細程序每個關節分別求出，改變a0,af值即可，其余局部不變。syms a0 a1 a2 a3 tf t f3 b ctf=5af=-22.24*pi/180a0=45*pi/180a1=0b=a0+a1*tf+a2*tf.2+a3*tf.3-af c=a1+2*a2*tf+3*a3*tf.2 a2,a3=solve(b,c,a2,a3)f3=a0+a1*t+a2*t.2+a3*t.3subplot(2,2,1)ezplot(t,f3)gridxlabel('t/s')ylabel('') title('位移時間曲線')v =a1+2*a2*t+3*a3*