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1、精品文档燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：智能车及多功能机器人系统的设计与制作 -启动开关、涂胶及装配机械臂设计及控制模型建立姓 名： 分 工： 课程名称：机器人技术根底 指导教师： 智能车及多功能机器人系统的设计与制作 -启动开关、涂胶及装配机械臂设计及控制模型建立摘 要：本次设计以单片机为核心，分为三个局部，采用光电检测器循迹、避障、并用软件控制小车机械臂动作。从而实现小车的自动行驶、转弯、寻迹检测、避障、停止、涂胶及装配等功能的智能控制系统。机械臂局部，分为涂胶、装配螺栓两个动作，通过求正反解、速度雅克比、进行轨迹规划，通过单片机控制，实现功能。前 言：机械手臂是目前在机械人技术领
2、域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐效劳、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维或二维空间上的某一点进行作业。在三级工程智能移动小车的根底上设计出机械臂和手爪，与小车组装为一体，通过程序控制，实现小车的避障，循迹，通讯，以及装配螺栓的动作。装配机器人智能小车主要由机械系统，环境识别系统，运动控制系统及机械臂控制系统组成。目录1 任务分析42 方案设计一53 方案设计二53.1 机械臂尺寸确实定53.2 工作空间63.3 初始位置73.3.1运动学正解73.3.2 运动
3、学反解93.4 任意位姿103.4.1 涂胶板竖直情形103.4.2 开关和采果情形153.5 速度分析163.6 轨迹规划183.7 详细程序214 总结225 参考文献231 任务分析 要求在已设计的智能小车上加装机械臂，如图1完成：1、 按动开关，启动生产线； 2、 从地面的指定位置捡起直径为50-100mm的球；3、 到涂胶工位完成涂胶；4、 找到迷宫入口，进入迷宫实现穿越迷宫5、 寻迹到装配工位车体或机械臂旋转手爪张开实现对指定物体装配参数：承料台的高度：300mm螺栓规格：直径50mm开关高度：310mm(280320mm)开关大小：60x60mm胶刷：圆柱形，直径50100mm图
4、12 方案设计一将机械手安装在小车侧面，可采用两个转动副的结构，此结构简单，只需控制三个电机，即可完成所需任务。但是涂胶和装配螺栓时，手臂侧产生了一个向下的力，这个力使得小车产生一个侧向翻转力矩，可能会使小车不稳定，且这样的机械臂只能在一个平面内运动，在应用范围上受到限制。 3 方案设计二3.1 机械臂尺寸确实定 尺寸的设计主要考虑涂胶工位是否能实现。同时在考虑涂胶工位时，考虑机械手最难到达的位置就是设计时重点考虑的位置。涂胶工位参数如下：小车的高度80mm；假设小车在涂胶时，小车机械臂1涂胶板边界为200mm；涂胶中心线高260mm；涂胶用的圆柱刷直径80mm；涂胶偏移中心最大距离设为100
5、mm；涂胶用的圆柱刷压入板3mm；根据以上尺寸考虑到如果机座太高那么整个机械手稳定性将降低，而机座太低那么机械臂2长度便会相应增长，影响工作空间，因此选给出杆1的尺寸为85mm；杆2的尺寸为180mm，杆3的尺寸为150mm。如图2图2 机构简图 3.2 工作空间在solidworks中建立了机构简图后，直接描绘出工作空间，如图3图3 工作空间 工作空间是以机械臂1末端为圆心，机械臂2和机械臂3差值为半径的小圆，和机械臂2和机械臂3的和为大圆所围成的圆环，再围绕机械臂1回转形成的空心球环。下面验算其他任意位姿位能否实现。3.3 初始位置图4 初始位置 连杆参数表连杆参数iai-1(mm)i-1
6、()dimm关节变量初值()100851020-9002-13531800034540-90150-90-903.3.1运动学正解由几何关系算得连杆转角1=0，2=-135，3=45，解得,带入验证x y z 的坐标,其中矩阵最后一列表示小球在原点坐标系中的位置。syms a0 a1 a2 a3 y0 y1 y2 y3 d1 d2 d3 d4 x1 x2 x3 x4 %yi表示扭角，xi表示关节角a0=0a1=0a2=180a3=0y0=(0/180)*piy1=(-90/180)*piy2=(0/180)*piy3=(-90/180)*pid1=85d2=0d3=0d4=150x1=(0/1
7、80)*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(x2)*sin(y1) c
8、os(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(y3);0 0 0 1T
9、40=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所得结果和用solidworks仿真一致。3.3.2 运动学反解 代入坐标x=-47.8461，y=0， z=210.0000。根据等式左右两端对应相等。解出关节旋转角度。选择最优解。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=(
10、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(x2)*cos(y1)
11、-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*sin(y3);sin(x
12、4)*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)%转化为角度值x11=vpa(x1*180/pi,6)x22=vpa(x2*180/pi,6)x33=vpa(x3*180/pi,6)结果：x11 = -.350831e-14 -180.000 -.350836e-14 -180.000x22 = -135.000 -155.242 -24.7576 -44.
13、9995x33 = 44.9998 44.9998 135.000 135.000 即，1=0，2=-135，3=45 满足所需设计3.4 任意位姿3.4.1 涂胶情形 当机械臂在最高位时，如图5 图5 涂胶板竖直最高位可用求反解的方式验证，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=(-90/180)*pia=250
14、b=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=cos(x3) -sin(x
15、3) 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)f2=b-T40(2,4
16、)f3=c-T40(3,4)x1,x2,x3=solve(f1,f2,f3,x1,x2,x3)%转化为角度值x11=vpa(x1*180/pi,6)x22=vpa(x2*180/pi,6)x33=vpa(x3*180/pi,6)运行结果：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求得的解有多个，在实际时通过设计取最优解。当机械臂在最高位时，如图6 图6 涂胶板竖直最低位syms a
17、0 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) cos(y0) d1*cos
18、(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 1T43=cos(x4) -s
19、in(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)%转化为角度值x11=vpa(x1*180/pi,6)x22=vpa(x2*180/pi,6)x33=vpa(x3*180/pi,6)运行结果：x11 = -180.000
20、 -.203483e-14 -.203485e-14 -180.000 x22 = 144.714 35.2863 -37.5779 -142.422 x33 = -8.11750 -171.882 -8.11750 -171.882求得的解有多个，在实际时通过设计取最优解。3.4.2 开关和装配情形抓螺栓和涂胶板验算方法相同，通过求解反解即可到达所求各个关节的角度，此处不再一一列出。3.5 速度分析说明：先求出雅克比矩阵，我们可以得到末端执行器速度与各关节的速度关系。在末端执行器速度的情况下求的各关节的速度。syms a0 a1 a2 a3 y0 y1 y2 y3 d1 d2 d3 d4 x
21、1 x2 x3 x4 %yi表示扭角，xi表示关节角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) cos(y0) d1*c
22、os(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 1t43=cos(x4)
23、-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);z4=t40(1,3);t
24、40(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)
25、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：j = -0.0000
26、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 轨迹规划 程序中速度，加速度函数先通过diff函数求得，再代入得到各曲线。关节3的轨迹如图9图9 关节三3.7 详细程序每个关节分别求出，改变a0,af值即可，其余局部不变。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*t
27、f.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(位移时间曲线)v =a1+2*a2*t+3*a3*t*tsubplot(2,2,2)ezplot(t,v)gridxlabel(t/s)ylabel(v)title(速度时间曲线)a =2*a2+6*a3*tsubplot(2,2,3)ezplot(t,a)gridxlabel(t/s)ylabel(a)title(加速度时间曲线)4 总结在这次智能小车的机械臂的设计和制作过程中，我们
28、小组是从零开始，一边查找资料一边学，逐渐的完成了工程的制作。整个过程中，我们主要分析工程要求，拟定设计方案，最终讨论确定，建立坐标系进行运动分析等等。在整个过程中一波三折，但是我们最终完成了工程的要求，虽然没有我们想象中的那么完美，但是也差强人意。在这次机械臂的设计和制作过程中，我们有效的使用了讲课的内容，并通过此我们对课本的内容有了更深的了解，知道如何完整的完成对一个机械臂的位移控制和速度控制，也明白了雅克比矩阵及运动方程的重要性。在整个过程中，我们对手臂进行了详细的设计，并用SolidWorks软件制作出了三维仿真，对手臂的运动过程进行了具体的分析等。总之，这次工程是对知识的全面运用，我们
29、真的受益匪浅。虽然在课程设计的过程中，我们遇到的困难和挫折很多，虽然我们有时候也会显得不耐烦，但是我们的兴趣却没有因此而减弱，我们依旧时刻的全身心的投入到课程设计中去，所以在现在课程设计的尾声阶段，我们感觉课程设计仿佛近在昨天一样。总之通过这次课程设计，我们不仅学到了很多东西，而且也很好的锻炼了我们自己。在整个过程中，我们遇到了很多困难，而且很难查出原因，我们也心烦意乱想要放弃过，但是我们坚持了下来，很好的锻炼了我们的耐心和毅力。虽然我们的成果不是最好的，但是却是我们辛勤劳动的成果，看着我们得出的最终结论，心里真的开心极了。5 参考文献1 熊有伦.唐立新，丁 汉 机器人技术根底M，中国 武汉：华中科技大学出版社，1995.2 李广弟.朱月秀，冷祖祁 单片机根底，北京航空航天大学出版社，2007.欢迎下载