4R机械手运动轨迹规划及运动控制

摘要

　　在工业生产中，机械手的运用可以大大减轻人类的劳动负担，起到了不可替代的作用。工业机械手处在机械学等多学科的交叉领域，体现了各学科的先进水平。基于生产及研究的需要，本文将针对基于单片机控制的 4R 模型机械手进行研究，对该型机械手作运动学分析及动力学分析，确定该型机械手的运动控制方案，为实际运行提供一定的理论依据。

　　对一个确定参数的 4R 模型机械手进行简化及参数化，绘制出机构简图，建立系统坐标系，推导出机械手末端位置方程。在实际控制中，往往是已知机械手各手臂参数及机械手末端要达到的位置，所以本文还将对机械手系统的运动方程进行反向求解。

　　在实际应用中，往往需要机械手做一些壁障的运动策略，所以本文将在机械手运动学的基础上进行轨迹规划问题研究，并设定机械手末端进行空间直线运动。对比二次多项式拟合法和三次多项式拟合法得到的轨迹对机械手末端运动精度的影响，并进行同阶次驱动函数不同密度细化下，对轨迹规划的影响。

　　本文以 4R 模型机械手为基础，以 Visual Studio 2010 为开发平台，以 AP203 格式的图形文件为数据，编制一个基于 AP203 的 4R 机械手运动仿真软件，验证机械手运动学分析。

　　本文以 4R 模型机械手系统为平台，采用中断控制方式编制机械手控制程序，采用Visual Studio 2010 软件开发平台编制机械手上位机控制程序，实现对机械手的控制。通过实验，可以验证机械手运动学分析的正确性。

　　本文在对机械手进行运动学分析的基础上，运用了 ADAMS 软件平台，对机械手的动力学特性进行了分析，得出 4R 模型机械手的动力学特性，并再次对 4R 机械手系统的轨迹规划问题进行验证。

　　关键词：4R 机械手，运动学，AP203，轨迹规划，动力学

Abstract

　　In industrial production, the use of mechanical hand can greatly reduce the burden of human labor, and the mechanical hand plays an irreplaceable role. The industrial manipulator combines mechanics with other disciplines, set the advanced level of various disciplines. Based on production and research needs, this paper will focus on the research of 4R model based on single chip microcomputer control, the kinematics analysis and dynamic analysis of this type of manipulator.

　　For 4R manipulator with certain parameters, the model is simplified and parametric, the diagram draw of mechanism is drawn, the coordinate system is established, and the tip position equation of the manipulator is derived. In the actual control, the parameters of the manipulator are usually known and the position of the manipulator can be achieved, so this paper will also solve the motion equation of the manipulator system.

　　In practical application, it is often required to avoid some wall obstacle, so this paper will study the trajectory planning based on robot manipulator kinematics, and set the end of the manipulator to carry out the space linear movement. The polynomial fitting method is used in this paper to find the driving function. And the influence of the trajectory of the two fitting and the three fitting on the accuracy of the manipulator end motion, and the influence of different density of the same order driving function on the trajectory planning are compared. In this paper, based on the 4R model, the software, Studio Visual 2010, is used as the development platform, and the graphics file of AP203 format are used as the data to compile the 4R manipulator motion simulation software based on AP203 which can conduct the verification of Manipulator Kinematics.

　　In this paper, the 4R manipulator model system as a platform, the method of interrupt control on the manipulator is used, by using Visual Studio 2010 software development platform, PC control software is developed to control the manipulator system, the Objective of manipulator control can be realized. Through the experiment, the correctness of the kinematics analysis on the manipulator can be verified.

　　In this paper, on the base of the completion of the manipulator kinematics analysis, the dynamic analysis of the manipulator is carried out and the dynamic characteristics of the 4R model are also obtained by using Adams. By using the platform of ADAMS, the trajectory planning problem of the 4R manipulator system is verified again.

　　Key Words: 4R manipulator, Kinematics, AP203, Trajectory Planning, Dynamics

　　机械手，作为一种被广泛使用的现代化生产线辅助设备，集成了多种学科，包括：机械学，电气学等多种学科，并且具有较高的灵活性，能够满足生产过程中的柔性制造要求。机械手的结构较为复杂，但总体上说主要由机械手主体，驱动系统及控制系统组成，其中机械主体可由机械手的臀部，机械手的手臂，机械手的腕部和机械手的执行机构组成。

　　工业机械手的执行机构是机械手完成辅助生产的重要机构，其主要的结构包括三种形式：机械式夹持器型执行机构、可吸附式执行机构以及可携带专用工具的执行机构。工业机械手的驱动系统有四种常用表现形式：用液压驱动的驱动系统、用气压驱动的驱动系统、电气驱动系统以及机械驱动的驱动系统[2]。其中以液压驱动系统和气压驱动系统应用较为广泛。作为工业机械手的控制中枢，机械手的控制系统可以根据具体的生产需要，控制工业机械手运动到指定的工位，完成相应的动作指令。机械手的控制系统既可以控制机械手完成节拍式生产，完成产品的大规模生产，又能通过更改内置程序，完成柔性化制造。

　　工业机械手具有以下几个特点：

　　(1)可编程化。工业机械手的控制系统可以通过更改内置控制程序，达到柔性化生产的目的。工业机械手控制单元的可编程性既可以使中小型企业具有柔性制造的能力，能够更好地应对小批量生产，又可以使企业完成程式化的大规模生产。

　　(2)通用性。在大批量生产中，工业机械手的通用性可以为企业节省大量资金，并且可以提高企业的生产效率。企业可以通过更换机械手末端执行机构来满足各型号产品的辅助生产。

　　(3)工业机械手的研究领域处于机械学，电子信息学，电气学等各学科的交叉地带。

　　因此，工业机械手技术发展需要各学科同时发展，协同作用[3]。同时，工业机械手的发展也可以促进以及检验各学科发展水平，实现各学科同时进步。

　　在工业化生产中，工业机械手在各领域中都发挥了举足轻重的作用。工业机械手不仅可以让产业工人从繁重枯燥的流水线生产中解脱出来，还可以按照生产工艺要求，进行高效的大批量生产和产品的小批量试制，提高了生产企业的生产效率。在恶劣的工况条件下，工业机械手可以进行无人化作业，大大地提高生产人员的作业安全性，实现安全生产。

　　在工业机械手的设计与控制中，对机械手进行运动学分析和动力学研究是设计控制机械手的关键技术[7]。探究机械手运动学可以控制机械手到达指定的位置，而研究机械手动力学问题可以解决机械手驱动力矩问题。在工业生产中，往往需要工业机械手做特定轨迹运动或者是壁障功效。而特定轨迹可以通过时间区间内的直线拟合得到，所以机械手的直线运动是诸多特定轨迹运动的基础。研究工业机械手的动力学问题，可以决定关节驱动电机的最小驱动力矩，方便在设计阶段选择相应的驱动电机。通过分析机械手的动力学特性来提高机械手控制品质，以实现更精确的轨迹跟踪，以期达到机械手的最优性能和最优控制[8]。

　　本文以基于单片机为控制系统的 4R 模型机械手进行研究，如图 1.2 所示。研究机械手的运动学理论，并以 Visual Studio 2010 为平台编制运动学仿真软件对求解出的运动学理论加以验证。除此之外，本文还将进行单片机程序的编制，在允许的误差范围内对机械手运动学理论进行实例验证。本文以运动学理论为基础，将对 4R 机械手进行空间直线轨迹规划。本文还将对 4R 模型机械手进行动力学分析，分析系统在空间直线轨迹规划运动下各关节应提供的最小转矩，方便进行实际机械手设计中选取电机参考。

　　4R机械手运动轨迹规划及运动控制演示：

Solidworks 中机械手模型

ADAMS 中机械手模型

ADAMS 约束

机械手位置

机械手轨迹

目录

　　摘要
　　Abstract
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题研究背景
　　　　1.2 国内外机械手发展现状
　　　　　　1.2.1 国外机械手发展现状
　　　　　　1.2.2 国内机械手发展现状
　　　　　　1.2.3 课题来源及研究意义
　　第 2 章 4R 机械手运动学分析
　　　　2.1 机械手运动学概念
　　　　2.2 4R 机械手运动学分析
　　　　　　2.2.1 4R 机械手运动学正问题分析
　　　　　　2.2.2 4R 机械手运动学逆问题分析
　　　　2.3 本章小结
　　第 3 章 4R 机械手轨迹规划仿真软件研究
　　　　3.1 AP203 概念介绍
　　　　3.2 图形文件解析
　　　　3.3 图形文件重构
　　　　3.4 轨迹规划
　　　　　　3.4.1 二次多项式拟合
　　　　　　3.4.2 三次多项式拟合
　　　　　　3.4.3 等分密度分析
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 4R 机械手 ADAMS 动力学仿真
　　　　4.1 ADAMS 软件简介
　　　　4.2 动力学算法简介
　　　　4.3 ADAMS 模型导入
　　　　4.4 ADAMS 建立约束条件
　　　　4.5 ADAMS 驱动条件
　　　　4.6 轨迹规划在 ADAMS 软件下验证
　　　　4.7 本章小结
　　第 5 章 4R 模型机械手实验实现
　　　　5.1 实验环境简介
　　　　5.2 4R 机械手运动学实验
　　　　5.3 本章小结
　　第 6 章 结论与展望
　　　　6.1 结论
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　在学研究成果
　　致谢

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