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一种四自由度平面关节型机器人的设计研究与控制实现

作　者: 林琳
导　师: 柳洪义
学　校: 东北大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 机器人四自由度轨迹规划 ADAMS 控制系统
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

机器人是一种典型的机电一体化设备,集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬软件技术、控制理论、传感器技术、人工智能理论等科学及技术于一体,广泛应用于工业生产、国防技术等领域。平面关节型机器人即为SCARA(Selectively Compliance Assembly Robot Arm)型工业机器人。它在水平方向上运动空间灵活,非常适合应用于搬运、焊接和装配等重复性任务中,因此在工业生产中得到广泛应用。本课题设计了一四自由度平面关节型机器人的本体及其控制系统,并将整个系统加工实现。本课题根据平面关节型机器人的应用特点,首先采用模块化设计理念完成它的本体设计,各模块相互独立、结构紧凑、安装方便,其中某些模块设计方法可被其它型机器人借鉴。同时,对工业机器人的关键部分详细进行设计、核算。其次,运用D-H法对所设计的机器人进行运动系统建模,通过变换方程实现运动学正解,同时结合代数法和几何法实现运动学反解。之后根据现有机器人动力学分析方法,选择拉格朗日法建立机器人的完整动力学显式方程,以最简单的形式分析复杂的系统动力学。依据上述分析,根据机器人轨迹规划技术,讨论机器人的关节空间轨迹规划算法和笛卡儿空间的直线轨迹插补方法。为了检验机器人手臂各部分结构设计和规划结果的合理性,采用ADAMS软件对已设计的机器人进行运动学动力学的三维仿真。在ADAMS中的仿真结果可以为机器人的实际应用提供理论上的依据和支持。最后,将机器人本体加工,选择并搭建机器人以IPC+PMAC为基础的控制系统,通过软件系统编程实现了运动控制。对控制系统进行试验,试验结果表明该控制系统响应速度较快、定位精度较高、重复误差较小。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-18
  1.1 引言  11-12
  1.2 工业机器人特点及分类  12-13
    1.2.1 工业机器人特点  12
    1.2.2 工业机器人分类  12-13
  1.3 工业机器人的研究现状与意义  13-16
    1.3.1 国外机器人研究现状  14-15
    1.3.2 国内机器人研究现状  15
    1.3.3 工业机器人运动学系统研究现状  15-16
    1.3.4 工业机器人轨迹规划研究的现状与意义  16
  1.4 本课题研究的意义及主要内容  16-18
    1.4.1 本课题研究的目的和意义  16-17
    1.4.2 本课题的研究内容  17-18
第2章机器人本体设计  18-31
  2.1 机器人总体设计  18-20
    2.1.1 机器人的总体传动方案  18-19
    2.1.2 机器人的基本技术参数  19-20
  2.2 机器人关键零部件设计计算  20-25
    2.2.1 同步齿形带的设计计算  20-23
      2.2.1.1 小臂同步齿形带的设计计算  20-21
      2.2.1.2 腕部同步齿形带的设计计算  21-23
    2.2.2 螺纹丝杠的设计计算  23-25
  2.3 机器人各个部分结构的设计  25-29
    2.3.1 机器人臂部结构的设计  25-26
    2.3.2 机器人腕部结构的设计  26-28
    2.3.3 机器人手部结构的设计  28-29
  2.4 本章小结  29-31
第3章机器人运动学研究  31-38
  3.1 工业机器人运动学系统  31-33
    3.1.1 位姿描述  31-32
    3.1.2 工业机器人的运动学方程  32-33
  3.2 机器人运动学分析  33-37
    3.2.1 机器人齐次坐标系的建立  33-34
    3.2.2 机器人的正运动学分析  34-35
    3.2.3 机器人的逆运动学分析  35-37
  3.3 本章小结  37-38
第4章机器人动力学研究  38-48
  4.1 动力学建模方法的比较和分析  38-40
    4.1.1 牛顿—欧拉法  38-39
    4.1.2 拉格朗日法  39-40
    4.1.3 凯恩法  40
  4.2 机器人拉氏动力学方程的一般公式  40-43
    4.2.1 拉格朗日函数  41-42
    4.2.2 机器人拉氏动力学方程  42-43
  4.3 机器人的动力学方程  43-46
  4.4 小结  46-48
第5章机器人轨迹规划研究  48-62
  5.1 关节空间轨迹规划方法  49-54
    5.1.1 关节空间轨迹规划步骤  49
    5.1.2 关节轨迹的插值运算  49-54
  5.2 机器人关节空间轨迹规划  54-57
  5.3 机器人笛卡尔空间轨迹规划  57-58
  5.4 机器人的两种直线轨迹规划方法  58-59
    5.4.1 最省时间法  58-59
    5.4.2 基于运动学逆解的脉冲增量法  59
  5.5 小结  59-62
第6章机器人系统的ADAMS仿真  62-70
  6.1 ADAMS简介  62-63
  6.2 机器人模型的建立  63-64
  6.3 机器人运动学仿真  64-69
    6.3.1 机器人速度仿真  64-65
    6.3.2 机器人加速度仿真  65-67
    6.3.3 机器人角速度仿真  67-68
    6.3.4 机器人角加速度仿真  68-69
  6.4 本章小结  69-70
第7章机器人控制系统设计  70-81
  7.1 运动控制系统的总体结构设计  70-77
    7.1.1 工业控制计算机  71-72
    7.1.2 交流伺服电动机及驱动器  72-74
    7.1.3 可编程多轴运动控制器  74-77
      7.1.3.1 数字信号处理器  76
      7.1.3.2 双端口RAM  76-77
  7.2 机器人基于PMAC下的控制试验  77-80
    7.2.1 硬件连接  78-79
      7.2.1.1 PMAC与主机的连接  78
      7.2.1.2 PMAC与负载的连接  78-79
    7.2.2 软件配制  79-80
  7.3 总结  80-81
第8章总结与展望  81-83
参考文献  83-86
致谢  86

一种四自由度平面关节型机器人的设计研究与控制实现

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