六自由度机械手三维运动仿真研究
三维空间中六自由度机械臂位姿确定方法
一、概述在工业自动化和机器人领域，机械臂是广泛应用的一种机械设备，它的位姿确定对于机器人的运动控制和任务执行具有至关重要的意义。
六自由度机械臂作为一种自由度相对较高的机械臂，其位姿确定方法是一个复杂而且具有挑战性的问题，但是确切的位姿确定是机器人能否完成各种复杂任务的基础。
在三维空间中六自由度机械臂位姿确定方法的研究具有重要的理论和实际意义。
二、六自由度机械臂的运动特性六自由度机械臂是指在三维空间中具有六个自由度的机械臂，分别是三个平移自由度和三个旋转自由度。
在运动学分析中，通常使用笛卡尔坐标系和关节坐标系来描述机械臂的位置和位姿。
其中，笛卡尔坐标系用来描述机械臂末端执行器的位置和姿态，而关节坐标系则用来描述机械臂各个关节的角度和位置。
机械臂的位姿确定就是要确定机械臂末端执行器在笛卡尔坐标系中的位置和姿态，通常用位置矢量和姿态矩阵来表示。
三、基于解析法的位姿确定方法基于解析法的位姿确定方法是一种最基本的方法，它是通过对机械臂的运动学方程进行求解来确定机械臂的位置和姿态。
在这种方法中，通常需要对机械臂的几何结构和运动学参数进行精确的建模和描述，然后利用正演运动学方程来求解机械臂的位置和姿态。
这种方法的优点是能够精确地求解出机械臂的位置和姿态，但是也存在着计算复杂度高和数学求解困难的缺点。
四、基于迭代法的位姿确定方法基于迭代法的位姿确定方法是一种比较常用的方法，它是通过对机械臂的正逆运动学方程进行迭代求解来确定机械臂的位置和姿态。
在这种方法中，通常首先根据机械臂的末端执行器的目标位置和姿态，利用逆运动学方程求解出机械臂的关节角度，然后再利用正运动学方程求解出机械臂的位置和姿态。
这种方法的优点是计算简单，并且能够通过迭代计算得到精确的结果，但是也存在着迭代次数多和收敛速度慢的缺点。
五、基于视觉传感器的位姿确定方法随着计算机视觉和图像处理技术的不断发展，基于视觉传感器的位姿确定方法也越来越受到关注。
这种方法是利用摄像头或者其他视觉传感器来获取机械臂末端执行器的图像信息，然后通过图像处理和计算机视觉技术来确定机械臂的位置和姿态。
六自由度机械臂的运动控制分析及仿真研究-温鹏飞
六自由度机械臂的运动控制分析 及仿真研究
作者姓名 温鹏飞 指导教师 张亮有
郑智宏 工程领域 机械工程 学习年限 2013 年 3 月－2018 年 5 月
二○一八 年 四 月
独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关 的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献 资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的成果。
In the end, we use polynomial to plan the motion trail, then carry out the simulation research. The cubic polynomial involves less variables and simple calculation, so cannot be used to simulate the posture variable. It can be solved by five-degree polynomial. The motion trail of mechanical arm is planned by model simulating and neural network technology. Matlab is used to redesign the artificial neural network, plan the motion trail and carry out the simulation research on industrial robots.
Secondly, we create the simplified kinetics model of mechanical arm, analyze the results, and then reveal how the motion of mechanical arm relates to its joints. Joint activities include speed, angular accelerated speed, the relationship between joint movement and inertial force. The rotation of mechanical arm s affected by inertial force, and the magnitude of the force between the joints. We solve it by establishing matrix equation, which involves the solution of multivariable by the Newton Euler equation, and the relevant quantity. Finally, the movement control of the manipulator is verified.
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真摘要：近年来，随着工业自动化的快速发展，机械臂在生产制造领域的应用越来越广泛。
作为工业机器人的重要组成部分，机械臂的控制系统设计和运动学仿真成为了研究和应用的热点。
本文围绕六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真展开研究，通过对机械臂的结构、动力学模型和运动学原理的分析，设计了一套完整的机械臂控制系统，并进行了运动学仿真验证实验。
研究结果表明，该控制系统能够实现六自由度机械臂的准确控制和精确运动。
关键词：六自由度机械臂，控制系统，运动学仿真，结构分析，动力学分析1. 引言机械臂是一种能够替代人工完成各种物体抓取、搬运和加工任务的重要设备。
随着工业自动化程度的提高和生产效率的要求，机械臂在生产制造行业中的应用越来越广泛。
机械臂的控制系统设计和运动学仿真成为了研究和应用的热点，尤其是六自由度机械臂。
六自由度机械臂具有较大的运动自由度，在复杂任务中具有更强的工作能力和适应性。
因此，研究六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真对于改善机械臂的性能和应用具有重要意义。
2. 机械臂结构分析六自由度机械臂的结构由底座、第一至第六关节组成。
底座作为机械臂的固定支撑，通过第一关节与机械臂连接。
第一至第四关节形成了前臂部分，决定了机械臂的悬臂长度。
第五关节和第六关节分别为腕部和手部，负责完成机械臂的末端操作。
结构分析可以为后续的动力学和运动学建模提供基础。
3. 动力学模型机械臂的动力学模型是基于牛顿第二定律和欧拉定理建立的。
通过考虑机械臂各关节的质量、惯性和振动特性，可以对机械臂的力学性能进行描述。
动力学模型的建立是机械臂控制系统设计的重要基础。
4. 运动学原理机械臂的运动学原理研究机械臂的位置、速度和加速度之间的关系。
通过运动学原理可以确定机械臂的姿态和末端位置，实现机械臂的准确定位和精确控制。
运动学原理是机械臂控制系统设计和运动学仿真的重要内容。
基于SolidWorks六自由度焊接机械手三维运动模拟PPT答辩稿
致 谢
感谢指导老师在此设计过程中给予
了热情诚恳的帮助和各位老师的精 心指导,限于水平有限，有遗漏和 错误之处希望各位老师批评指证
1.6焊接机械手的工作原理
固定机座后通过机身上转台的旋转和大小 手臂的运动带动旋转手腕的转动和摆动手 腕的运动，在给手抓一个配合尺寸使之能 够自由的伸缩以便夹取工件。
1.7 焊接机械手的构成和设计
焊接机械手的零部件包括:机座、机座盖板、 机身、转台、大臂、小臂、旋转手腕、摆 动手腕、手抓、销钉、螺栓、螺母等 。
SolidWorks数字化模型 →模型导入→添加复 杂约束力→仿真分析→模型优化。
六自由度机械手的运动情况给出各个转动 副的旋转角度
2.1 模拟加载与仿真
启动SolidWorks软件，如下图选择“装配图” 选项，单击“确定”按钮，建立装配体操 作界面。
2.2机构的装配过程
选择左下方“浏览”按钮如图，打开零件存放的目录，选择第一 个零件系统将默认为固定的零件，以后添加的零件依次为基准。 先选择名称为转台的零件，单击“打开”。单击界面任何位置零 件固定在界面中。在工具栏中选择“插入零部件”，如前操作打 开文件夹，继续选择零件大臂。为了不至于零件过多装配过程复 杂，采取逐个添加约束的方法，进行逐个配合并完成定位。继续 添加零件和配合的操作直到完成装配体。装配过程中合理的选择 配合关系以方便以后的运动仿真操作。如下图
基于SolidWorks六自由度 焊接机械手三维运动模拟
学生姓名:马俊 专业:机械设计制造及其自动化 指导教师:刘天祥
本课题的主要研究内容
（1）查阅机器人技术相关文章和机构，了 解国内外焊接机器人的应用和发展。 （2）画出六自由度焊接机械手部装配图。 （3）应用solidworks对机械手部分进行三维 运动。 （4）用COSMOSMotion软件对其进行仿真。
《2024年六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》范文
《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，机械臂已成为自动化生产线上不可或缺的一部分。
六自由度机械臂因其高度的灵活性和适应性，在工业、医疗、军事等领域得到了广泛应用。
本文将详细介绍六自由度机械臂控制系统的设计与运动学仿真，旨在为相关领域的研究和应用提供参考。
二、六自由度机械臂结构及特点六自由度机械臂主要由关节、驱动器、控制系统等部分组成。
其结构包括六个可独立运动的关节，通过控制每个关节的旋转角度，实现空间中任意位置的到达。
六自由度机械臂具有较高的灵活性和工作空间，适用于复杂环境下的作业。
三、控制系统设计（一）硬件设计控制系统硬件主要包括微处理器、传感器、执行器等部分。
微处理器负责接收上位机指令，解析后发送给各个执行器；传感器用于检测机械臂的位置、速度、加速度等信息，反馈给微处理器；执行器则根据微处理器的指令，驱动机械臂进行运动。
（二）软件设计软件设计包括控制系统算法和程序设计。
控制系统算法包括运动规划、轨迹跟踪、姿态控制等，通过算法实现对机械臂的精确控制。
程序设计则包括上位机程序和下位机程序，上位机程序负责发送指令，下位机程序负责接收指令并执行。
四、运动学仿真运动学仿真是指通过数学模型对机械臂的运动过程进行模拟，以验证控制系统的正确性和可靠性。
运动学仿真主要包括正运动学和逆运动学两部分。
（一）正运动学正运动学是指通过关节角度计算机械臂末端的位置和姿态。
通过建立机械臂的数学模型，利用关节角度计算末端执行器的位置和姿态，为后续的轨迹规划和姿态控制提供依据。
（二）逆运动学逆运动学是指根据机械臂末端的位置和姿态，计算关节角度。
通过建立逆运动学方程，将末端执行器的目标位置和姿态转化为关节角度，实现对机械臂的精确控制。
五、实验与分析通过实验验证了六自由度机械臂控制系统的设计和运动学仿真的正确性。
实验结果表明，控制系统能够实现对机械臂的精确控制，运动学仿真结果与实际运动过程相符。
基于PROE六自由度机械手参数化建模及运动仿真概论
基于PROE六自由度机械手参数化建模及运动仿真概论基于PRO/E（Pro/ENGINEER）六自由度机械手参数化建模及运动仿真（Introduction to Parametric Modeling and Motion Simulation of a Six Degree-of-Freedom Robot Arm Based on PRO/E）是一种基于 Pro/E 软件的机械手参数化建模方法和运动仿真技术的概念介绍。
机械手是一种能够执行预定动作的自动机器人系统，在工业领域被广泛应用。
参数化建模和运动仿真是机械手设计与验证的重要工具，可以提高设计效率和减少实验成本。
首先，本文介绍了 Pro/E 软件的基本原理和特点。
Pro/E 是一种三维 CAD（计算机辅助设计）软件，具有强大的参数化建模和运动仿真能力。
它可以通过调整参数来改变模型的形状和尺寸，以便满足不同的设计要求。
Pro/E 还提供了强大的运动仿真功能，可以模拟机械手在不同工况下的运动特性。
接下来，本文详细介绍了机械手的六个自由度，即机械手可以在三维空间中进行平移和转动的六个方向。
机械手的自由度决定了它的灵活性和工作范围。
参数化建模是在 Pro/E 软件中定义机械手的结构和参数，以便能够根据实际需求对机械手进行定制化设计。
然后，本文提出了一种基于 Pro/E 软件的机械手参数化建模方法。
通过定义机械手的几何尺寸、关节角度和连杆长度等参数，可以实现对机械手结构和工作范围的快速调整。
参数化建模可以大大加快机械手的设计过程，减少人工调整的工作量。
最后，本文介绍了基于 Pro/E 软件的机械手运动仿真技术。
通过给定关节的运动规律和工作环境的约束条件，可以模拟机械手在不同运动状态下的姿态和运动轨迹。
运动仿真可以帮助设计师评估机械手的性能和可靠性，并进行优化设计。
总结起来，基于 Pro/E 的六自由度机械手参数化建模和运动仿真技术是一种高效、准确和可靠的机械手设计方法。
《2024年六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》范文
《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言随着科技的飞速发展，六自由度机械臂（6-DOF robotic arm）已成为现代工业、医疗、军事等多个领域的重要工具。
其控制系统设计及运动学仿真对于提高机械臂的作业效率、精度和稳定性具有重要意义。
本文将详细介绍六自由度机械臂控制系统的设计及运动学仿真的实现过程。
二、六自由度机械臂控制系统设计1. 硬件设计六自由度机械臂控制系统硬件主要包括机械臂本体、传感器、控制器及驱动器等部分。
机械臂本体采用模块化设计，由基座、大臂、小臂、手腕等部分组成。
传感器用于检测机械臂的位置、速度、加速度等信息，为控制系统的反馈提供依据。
控制器采用高性能微处理器，实现控制算法的实时计算。
驱动器则负责将控制器的指令转化为机械臂的动力。
2. 软件设计软件设计主要包括控制系统算法设计及程序设计。
控制系统算法包括位置控制、速度控制、力控制等，采用现代控制理论，如PID控制、模糊控制等。
程序设计则采用模块化设计思想，便于后期维护和升级。
3. 控制系统架构六自由度机械臂控制系统采用分级控制架构，包括上位机、控制器和驱动器三级。
上位机负责发送任务指令及监控系统状态，控制器负责计算控制指令并输出给驱动器，驱动器则负责将控制指令转化为机械臂的动力。
三、运动学仿真运动学仿真是指通过数学模型模拟机械臂的运动过程，为控制系统的设计和优化提供依据。
本文采用MATLAB/Simulink软件进行运动学仿真。
1. 建立数学模型根据机械臂的结构参数及运动规律，建立其数学模型。
包括连杆长度、关节角度、坐标变换等参数的数学描述。
2. 创建仿真模型在MATLAB/Simulink中创建六自由度机械臂的仿真模型，包括各关节的驱动器、传感器及控制器等部分。
根据数学模型设置仿真参数，如关节角度范围、运动速度等。
3. 仿真分析进行仿真分析，观察机械臂的运动过程及性能指标，如位置精度、速度稳定性等。
根据仿真结果对控制系统进行优化和调整，提高机械臂的作业效率和稳定性。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真摘要：机械臂在现代工业自动化领域中扮演着重要的角色。
为了更好地应对复杂的工业任务，提高生产效率和精度，本文设计了一套六自由度机械臂控制系统，并利用运动学仿真进行了验证。
文章首先介绍了机械臂的概念及其应用领域，然后详细介绍了六自由度机械臂的结构、运动学原理以及控制系统设计方案。
最后，通过运动学仿真实验验证了设计方案的可行性和稳定性，为进一步进行实际应用提供了有力支持。
一、引言机械臂是一种能够模拟人类手臂运动的机械装置，广泛应用于工业制造、物流配送、医疗辅助等领域。
随着自动化技术的发展，机械臂正在不断发展和完善。
其中，六自由度机械臂由于其结构灵活、多功能和高精度的特点，成为研究和应用较多的一种类型。
二、六自由度机械臂结构与运动学原理六自由度机械臂由机械臂底座、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和末端执行器组成。
每个关节都有一个自由度，使得机械臂可以在六个方向上进行运动。
机械臂的运动是通过电机控制与驱动的。
机械臂的运动学原理是通过求解机械臂的位置、速度和加速度，来实现机械臂的运动控制。
机械臂的位置可以通过关节角度得到，而关节角度可以通过编码器和传感器实时获取。
机械臂的速度和加速度可以通过微分、反向运动学求解得到。
利用运动学原理，可以在给定任务下控制机械臂的精准运动。
三、六自由度机械臂控制系统设计方案本文设计的机械臂控制系统采用了嵌入式控制器进行控制。
主要原因是嵌入式控制器具有体积小、功耗低、响应速度快等优点，能够满足机械臂控制系统的需求。
控制系统主要包括关节驱动模块、通信模块、控制算法和人机交互界面。
其中，关节驱动模块用于控制机械臂的运动，通信模块用于与上位机进行数据传输，控制算法用于实现机械臂的运动控制，人机交互界面用于操作和监控机械臂的运动状态。
四、运动学仿真实验与结果分析为了验证设计方案的可行性和稳定性，本文进行了运动学仿真实验。
基于ProE的六自由度机械手的仿真
基于Pro/E的六自由度机械手的仿真摘要机器人是自动执行工作的机器设备。
它不但可以接受人类指挥，而且还能运行预先编排的程序，又方便根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。
它的任务是协助或者说是代替人类工作的工作，例如生产业、建筑业，繁琐的，危险的作业。
六自由度自由度机械手做为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断发展。
普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作，多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。
笔者利用三维软件Pro/E 制图，对六自由度机械手的运动机构进行分析、设计，并对其进行三维造型的建模与仿真。
通过Pro/E这个三维软件工具来进行六自由度机械手的建模设计，完整体现产品设计的基本流程，提出一种产品设计的新思路,展示Pro/E在产品设计上的优势。
第一利用Pro/E便捷的建模工具来对机械手的各零件进行造型设计；第二利用Pro/E按要求对机械手零件以各种约束和销钉等连接来进行合理装配；第三利用Pro/E的机构模式对机械手的装配作添加伺服器等操作，来实现六自由度机械手的运动仿真。
Pro/E简单便捷的的实现了对六自由度机械手的装配和运动仿真，效果非常直观明了。
关键词：六自由度机械手，Pro/E，建模，仿真Simulation of Six Degrees of Freedom Manipulator Based on Pro/ EAbstractThe robot is machinery and equipment that carries out operation automatically .It can not only accept human command, but also can run a pre-arranged program by itself . Its mission is to assist or replace human work, such as manufacturing industry, construction, tedious and dangerous operation. Six degrees of freedom manipulator as an important part of modern robot also continuous development along with the of technology development. General manipulator can only complete a single task or a relatively simple operation, multi-degree of freedom manipulator can be more reasonable for some real-world operating in a lot of engineering skills and engineering practical.I use Pro / E , a three-dimensional software, drawing, analyze, design the movement organization of six degrees of freedom manipulator, and make modeling and simulation of three-dimensional shape of motion for six degrees of freedom manipulator. I conduct modeling design for Six degrees of freedom manipulator by using the three-dimensional software tools Pro / E ，which course shows us the basic process of the product’s design fully, puts forward new ideas for a product design and demonstrates the advantage of Pro / E. Firstly, I use Pro / E’s convenient modeling tool to design the various parts of the robot; Secondly, I fit the various parts of the robot together according to a variety of constraints and pin connected. Thirdly, I use institutional model of Pro / E to add server operation in order to achieve motion simulation of the six degrees of freedom manipulator. Pro / E is simple and convenient to achieve the six degrees of freedom manipulator assembly and motion simulation, the effect is very simple and clear.Keywords: Six Degrees of Freedom Manipulator, Pro / E, Modeling, Simulation目录第一章绪论 (1)1.1六自由度机械手的简介 (1)1.2六自由度机械手的发展 (1)1.3六自由度机械手的研究意义 (2)1.4机械手的研究状况 (3)第二章 Pro/ENGINEER的选择使用 (4)2.1 Pro/ENGINEER产品介绍 (4)2.2 Pro/ENGINEER六大模块 (4)2.3 Pro/ENGINEER的优势 (6)第三章六自由度机械手零件的设计建模 (7)3.1 六自由度机械手底座建模 (8)3.2 六自由度机械手垂直轴旋转体的建模过程 (8)3.3 六自由度机械手的臂膀建模过程 (9)3.4 六自由度机械手手掌建模过程................ 错误！未定义书签。
六自由度工业机器人虚拟设计及仿真分析
六自由度工业机器人虚拟设计及仿真分析六自由度工业机器人虚拟设计及仿真分析近年来，随着工业的快速发展，机器人已成为许多生产厂家的重要生产工具。
特别是六自由度工业机器人，其具有高度的灵活性和广泛的适用性，已经在许多领域得到了广泛的应用。
为了满足不同应用场景的需求，并提高机器人的性能和精度，虚拟设计与仿真成为了必不可少的技术手段。
六自由度工业机器人是指拥有六个独立运动自由度的机器人。
这六个自由度分别为三个旋转自由度和三个平移自由度。
通过灵活地控制这些自由度，机器人可以实现在三维空间内的无序复杂任务，如装配、搬运、焊接等。
然而，设计和优化这样一个复杂的机器人系统并不是一件容易的事情。
传统的实物设计和试错方法耗时耗力，并且难以满足设计师对机器人性能的要求。
因此，虚拟设计及仿真成为了一种必要的手段。
虚拟设计是指利用计算机建模和仿真技术，通过虚拟环境模拟和预测机器人的运动、力学和控制特性。
首先，设计者可以通过CAD软件对机器人进行三维建模，包括机器人的机械结构、关节和驱动系统等。
然后，根据机器人的工作场景和任务需求，设计者可以设置机器人的路径和动作，并模拟机器人在现实环境中的运动。
通过虚拟设计，设计者可以进行多次模拟和实验，预先检查机器人的性能，并进行必要的改进和优化。
仿真分析是指通过数值计算和模拟，对机器人的运动、力学和控制性能进行评估和分析。
在仿真分析中，设计者可以根据机器人的运动学学关系和动力学模型，计算出机器人各关节和末端执行器的位姿、速度和力矩等。
通过对这些关键参数的分析，能够更好地理解机器人的工作原理，并进行性能优化和故障诊断。
此外，仿真分析还可以帮助设计者评估机器人系统的稳定性、刚度和振动等性能指标。
虚拟设计及仿真在六自由度工业机器人的设计和优化中发挥着重要作用。
首先，虚拟设计和仿真可以提高设计效率和准确性。
相比传统的实物设计和试验方法，虚拟设计可以节省大量的时间和费用，并且可以在设计的早期阶段检测和解决潜在的问题。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真一、本文概述随着机器人技术的快速发展，六自由度机械臂作为一种重要的机器人执行机构，在工业自动化、航空航天、医疗手术等领域得到了广泛应用。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真研究对于提高机械臂的运动性能、优化控制策略以及实现高精度操作具有重要意义。
本文旨在深入探讨六自由度机械臂控制系统的设计原理与实现方法，并通过运动学仿真验证控制系统的有效性和可靠性。
本文将首先介绍六自由度机械臂的基本结构和运动学原理，包括机械臂的正运动学和逆运动学分析。
在此基础上，详细阐述六自由度机械臂控制系统的总体设计方案，包括硬件平台的选择、控制算法的设计以及传感器的配置等。
接着，本文将重点介绍控制系统的核心算法，如路径规划、轨迹跟踪、力控制等，并分析这些算法在六自由度机械臂运动控制中的应用。
为了验证控制系统的性能，本文将进行运动学仿真实验。
通过构建六自由度机械臂的运动学模型，模拟机械臂在不同工作环境下的运动过程，并分析控制系统的实时响应、运动精度以及稳定性等指标。
本文将总结六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真的研究成果，并展望未来的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，旨在为六自由度机械臂控制系统的设计与优化提供理论支持和实践指导，推动机器人技术在各领域的广泛应用和发展。
二、六自由度机械臂基本理论六自由度机械臂，又称6DOF机械臂，是现代机器人技术中的重要组成部分。
其理论基础涉及机构学、运动学、动力学以及控制理论等多个领域。
六自由度机械臂之所以得名，是因为其末端执行器（如手爪、工具等）可以在三维空间中实现六个方向上的独立运动，包括三个平移运动（沿、Y、Z轴的移动）和三个旋转运动（绕、Y、Z轴的转动）。
机构学基础：六自由度机械臂的机构设计是其功能实现的前提。
通常，它由多个连杆和关节组成，每个关节都有一个或多个自由度。
通过合理设计连杆的长度和关节的配置，可以实现末端执行器在所需空间内的灵活运动。
六自由度机械手动力学仿真
机电工程学院机械动力学课程设计学号：专业：机械工程学生姓名：任课教师：2012年10月基于PRO/E和ADAMS的六自由度机械手运动仿真本文利用PRO/E软件对所设计六自由度机械手进行三维实体建模，然后通过PRO/E 和ADAMS良好的数据接口将模型数据直接导入ADAMS，根据实际设计要求添加相关约束，在此基础上进行运动仿真，研究机械手各机构关节的运动，测量各个关节的关节角位移、速度、加速度和驱动力矩的变化情况，通过观察各机构的运动轨迹以及相关曲线的变化趋势确定设计中存在的问题，对设计阶段的产品进行虚拟性能测试。
1 六自由度机械手的三维实体模型1.1利用Pro/E建立机械手的三维实体模型本文所研究的六自由度机械手由Part2-Part8七部分零件构成，Part_1为大地。
将绘制完成的零件采用从下向上的装配顺序进行装配，其装配效果图如图1所示。
图1 机械手装配模型1.2三维模型的导入首先在Pro/E环境下将机械手装配模型保存为“.x_t”格式，然后在ADAMS中执行[import]导入刚才生成的“.x_t”文件。
导入的模型没有质量，需要自己添加，在ADAMS 中分别定义各零件材料属性为“steel”。
2 ADAMS运动仿真机械手在运动过程中要尽量平滑、平稳，否则会产生机械部件的磨损加剧，并导致机械手的振动和冲击。
因此在仿真过程中测量各个关节的关节角位移、速度、角加速度和驱动力矩的变化情况。
将模型各零部件导入ADAMS软件中后，各个构件之间还没有任何的约束，模型只是提供了各构件的初始位置。
本机械手两两相邻的构件构成的六个关节都是转动关节，均定义为旋转副，底座与大地之间定义为固定副，然后再为每个旋转副分别定义驱动(Motion)。
从下往上，Part_2和Part_3之间为Motion_1，直到Part_7和Part_7之间为Motion_6。
添加完驱动后的模型如图2所示。
图2 ADAMS环境下机械手仿真模型本题为已知各关节转角运动关系，因此使用STEP函数定义各关节驱动为角位移的函数。
基于ADAMS和MATLAB的六自由度机械手运动仿真-精品
毕业论文（设计）题目基于ADAMS和MATLAB的六自由度机械手运动仿真系部机械工程系专业年级学生姓名学号指导教师手术机器人的运动仿真机械设计制造及其自动化学生指导老师【摘要】:首先进行了背景知识的学习，包括手术机械手基本知识的了解，明确了手术机械手的应用环境，国内外研究趋势，以及手术机械手中主要涉及的关键技术。
学习了有关虚拟样机的知识，了解了各种仿真软件的优劣，最终确定了采用ADAMS进行仿真分析。
学习仿真软件ADAMS。
通过实际操作ADAMS软件，并进行大量的实例练习，对软件能熟练的使用，然后查阅相关资料，明确使用该软件要达到的最终目的，并确定方法。
建立仿真模型。
对本文所使用的机器人的结构进行详细了解，并在Solid Works软件中建立出机器人的各个零件的三维模型，并在Solid Works环境中进行了装配，检查了装配结果。
然后查阅资料，了解Solid Works与ADAMS软件之间的数据是如何传输的，并确定本文所使用的传输方法。
在仿真软件中处理模型。
将模型导入仿真软件中，对其进行相应的处理，进行了修改质量、添加约束等，然后创建驱动函数等操作，最后验证仿真模型。
为仿真做好准备。
仿真运行及数据测量分析。
在软件中对机器人进行仿真，并测出其运动特性曲线，并对曲线进行分析。
进行了论文写作。
【关键字】:机械手仿真 ADAMS SOLIDWORKSDigital Dual-Longitudinal Mode LaserThermal Frequency Stabilization Circuit Design【Abstract】:First, the background knowledge for learning, including basic knowledge of surgical robot to understand clearly the surgical robot to be With the environment, domestic and international research trends, and the surgical robot mainly related to key technologies. Learning to know about the virtual prototype Knowledge, understanding the advantages and disadvantages of various simulation software, and ultimately determine the use of ADAMS simulation analysis. Learning simulation software ADAMS. ADAMS software through hands-on and a lot of instances of practice, the use of software proficiency, and access to relevant information, Explicitly use the software to achieve the ultimate goal, and identify methods. Build simulation models. Robot used in this article the knot Detailed understanding of structure, and Solid Works software to create the robot in various parts of the three-dimensional model, and in the Solid Works environment was assembled to check the assembly results. And access to information, understanding between Solid Works and ADAMS, How the data is transmitted, and to determine the transmission method used in this article. Processing model in the simulation software. The model into simulation Fax software and to carry out the appropriate treatment, were revised quality, add constraints, and then create the drive functions and other operations, Finally, simulation model validation. Ready for simulation. Simulation run and the data measurement and analysis. In the software simulation of the robot True, and measure its movement characteristic curve, and curve analysis. Conducted a thesis writing.【Key words】: robot simulation ADAMS SOLIDWORKS目录1.绪论 (1)1.1.研究背景 (1)1.2.研究意义 (2)1.3.研究内容 (2)2.虚拟样机技术 (4)2.1.虚拟样机技术的内容 (4)2.2.虚拟样机技术与传统CAX（CAD/CAE/CAM）技术的比较 (5)2.3.虚拟样机技术的应用 (6)3.ADAMS软件 (8)3.1.ADAMS的功能概述 (8)3.1.1.ADAMS 的一些主要模块 (8)3.1.2.ADAMS建模、仿真步骤 (9)3.2.ADAMS的建模功能 (10)3.2.1.ADAMS中的零件 (10)3.2.2.在零件上施加约束和运动 (11)3.2.3.给零件施加作用力 (12)3.3.ADAMS的分析功能 (12)3.3.1.ADAMS中的测量 (12)3.3.2.系统元素和数据元素 (13)3.3.3.用ADAMS对模型进行仿真 (13)4.机械手三维模型建立 (15)4.1.SW概述 (15)4.2.机械手零件建模 (15)4.3.机械手装配 (19)4.4.SW与ADAMS数据传递 (21)5.基于ADAMS的仿真分析 (23)5.1.导入机器人模型及设置工作环境 (23)5.1.1.导入机器人模型 (23)5.1.2 设置工作环境 (24)5.2.修改机器人模型的材料、颜色、名称及验证模型 (26)5.2.1.修改机器人模型的材料 (26)5.2.2.修改机器人各构件的颜色及名称 (26)5.2.3.检查模型 (28)5.3.创建约束及驱动 (28)5.3.1.创建约束 (28)5.3.2.创建驱动 (31)5.4.验证模型 (32)5.5.仿真控制 (33)5.6.运动学仿真 (34)5.6.1.仿真过程及机器人末端的运动轨迹 (34)5.6.2.机器人末端点的测量 (35)6.结论与展望 (38)参考文献 (40)致谢 (41)1.绪论1.1.研究背景机器人技术是一种综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人工智能等多种科学最新研究成果的综合性技术，是机电一体化技术发展进步的典型代表。
《2024年六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》范文
《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言六自由度机械臂，因其灵活性与精确性，被广泛应用于现代工业制造、航空航天、医疗卫生等各个领域。
为提高机械臂的控制性能及工作效果，对其控制系统设计与运动学仿真进行深入研究变得尤为重要。
本文旨在详细探讨六自由度机械臂控制系统的设计及运动学仿真的关键技术与实施步骤。
二、六自由度机械臂控制系统设计1. 硬件设计六自由度机械臂控制系统硬件主要包括机械臂本体、传感器、控制器以及驱动器等部分。
其中，机械臂本体采用串联结构，以实现六自由度的灵活运动。
传感器则包括位置传感器、速度传感器以及力/力矩传感器等，用于获取机械臂的运动状态和环境信息。
控制器选用高性能微处理器，实现高速的数据处理和指令控制。
驱动器则采用高性能的伺服电机驱动器，以实现精确的驱动控制。
2. 软件设计软件设计主要包括控制算法的设计和实现。
控制算法包括运动规划、轨迹跟踪、姿态调整等部分。
运动规划根据任务需求，生成机械臂的运动轨迹和姿态。
轨迹跟踪则根据实际传感器数据，对机械臂的运动进行实时调整，确保其按照预定轨迹运动。
姿态调整则根据实际需求，对机械臂的姿态进行精确调整。
此外，为提高系统的稳定性和响应速度，还需设计相应的控制系统优化算法。
三、运动学仿真运动学仿真是对六自由度机械臂运动特性的重要研究手段。
通过建立机械臂的运动学模型，可以模拟其在实际工作环境中的运动状态和性能表现。
具体步骤如下：1. 建立机械臂的运动学模型。
根据机械臂的结构参数和运动特性，建立其运动学方程和模型。
2. 设置仿真环境。
根据实际工作环境，设置仿真环境的参数和条件，如重力、摩擦力等。
3. 输入运动轨迹和姿态调整指令。
根据任务需求，输入机械臂的运动轨迹和姿态调整指令。
4. 运行仿真。
通过计算机软件对运动学模型进行仿真运算，得出机械臂的实时运动状态和性能表现。
5. 分析仿真结果。
根据仿真结果，分析机械臂的运动特性、稳定性和响应速度等性能指标，为优化控制系统提供依据。
《2024年六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》范文
《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言随着工业自动化和智能制造的快速发展，六自由度（6-DOF）机械臂因其灵活性和高效性，在工业生产、医疗、军事等领域得到了广泛应用。
本文旨在设计一个六自由度机械臂控制系统，并对其运动学进行仿真分析。
二、六自由度机械臂控制系统设计1. 硬件设计六自由度机械臂控制系统主要由机械臂本体、驱动系统、控制系统和传感器系统等组成。
其中，机械臂本体采用模块化设计，由六个可旋转的关节组成，实现了空间三维运动的六自由度。
驱动系统采用直流无刷电机和行星齿轮减速器，为机械臂提供动力。
控制系统以STM32F4系列微控制器为核心，实现了对驱动系统的控制。
传感器系统包括角度传感器和力传感器，用于获取机械臂的姿态和外界的力信息。
2. 软件设计软件设计主要包括控制算法设计和人机交互界面设计。
控制算法采用基于PID算法的闭环控制策略，实现了对机械臂运动的精确控制。
人机交互界面采用图形化界面，方便用户进行操作和监控。
三、运动学仿真1. 运动学模型建立运动学模型是描述机械臂运动规律的重要工具。
本文采用D-H（Denavit-Hartenberg）法建立六自由度机械臂的运动学模型，通过建立各关节的坐标系和变换矩阵，推导出机械臂末端执行器的位置和姿态。
2. 仿真分析利用MATLAB/Simulink等仿真软件，对六自由度机械臂的运动学模型进行仿真分析。
通过设定不同的关节角度和速度，模拟机械臂在空间中的各种运动轨迹和姿态。
同时，对机械臂的动态性能和静态性能进行分析，评估其运动稳定性和精度。
四、实验验证与结果分析1. 实验验证为了验证六自由度机械臂控制系统的性能，我们进行了实际实验验证。
首先，对控制系统进行调试和优化，确保其能够稳定地控制机械臂的运动。
然后，通过实际运动实验，观察机械臂的运动轨迹和姿态是否符合预期。
2. 结果分析实验结果表明，六自由度机械臂控制系统能够稳定地控制机械臂的运动，实现了高精度的空间三维运动。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真摘要：随着机械臂技术的不断发展与应用推广，对于机械臂的控制系统设计与运动学仿真的研究显得尤为重要。
本文基于六自由度机械臂，着重探讨了其控制系统设计与运动学仿真方面的问题。
通过建立数学模型，设计控制器以实现机械臂的运动。
并在MATLAB环境下进行仿真分析，探究了机械臂的各种运动状态与路径规划。
实验结果表明，所设计的控制系统能够实现精确的机械臂运动，并能根据特定任务进行灵活的路径规划。
关键词：六自由度机械臂；控制系统设计；运动学仿真；路径规划1. 引言机械臂是一种具有多自由度并能执行各种精密操作任务的机械装置。
近年来，机械臂在制造业、医疗、物流、无人驾驶等领域得到广泛应用。
机械臂的控制系统设计与运动学仿真是机械臂研究的重要组成部分，对于提高机械臂的精确度和效率具有重要意义。
2. 控制系统设计2.1 机械臂建模与运动学方程六自由度机械臂由臂架、关节和执行器等组成。
首先，根据机械臂结构和参数建立其数学模型。
然后，根据运动学原理，通过矩阵变换和旋转矩阵等方法推导出机械臂的运动学方程。
由运动学方程可以得到机械臂各关节之间的几何关系。
2.2 控制器设计基于机械臂的运动学方程，设计适当的控制器来控制机械臂的运动。
常用的控制方法有PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
在此，我们选择PID控制器为例，通过调整PID控制器的参数，实现机械臂的位置和速度控制。
利用反馈控制原理，将机械臂的实际位置和速度与期望位置和速度进行比较，通过对误差信号进行反馈调整，控制机械臂按照预定轨迹运动。
3. 运动学仿真与路径规划在MATLAB环境下，建立机械臂的仿真模型，并进行运动学仿真与路径规划。
通过对仿真模型的参数设定和运动规划，模拟机械臂在不同工作状态下的运动。
比如，模拟机械臂抓取和放置物体的动作，模拟机械臂在空间中的路径规划等。
4. 实验结果与讨论通过运动学仿真与路径规划的实验，验证所设计的控制系统的性能。
基于MATLAB的六自由度工业机器人运动分析及仿真
基于MATLAB的六自由度工业机器人运动分析及仿真六自由度工业机器人是一种常见的工业自动化设备，通过对其运动进行分析和仿真，可以对其性能进行评估和优化。
MATLAB是一种强大的数学计算软件，在工程领域广泛应用，可以帮助我们进行机器人的运动分析和仿真。
首先，我们可以使用MATLAB对六自由度机器人进行建模。
六自由度机器人具有六个自由度，分别为三个旋转自由度和三个平移自由度。
我们可以使用MATLAB的机器人工具箱来建立机器人的模型，并定义其关节参数和连接方式。
通过模型可以获得机器人的几何结构、动力学参数和运动学方程。
接下来，我们可以使用MATLAB进行机器人的运动分析。
运动分析是指通过对机器人的运动学和动力学进行计算，从而获得机器人的运动和力学特性。
机器人的运动学分析主要是利用机器人的几何结构来推导出末端执行器的位置和姿态。
可以使用MATLAB的运动学工具函数来计算机器人的正运动学和逆运动学。
机器人的动力学分析主要是研究机器人的运动和力学特性之间的关系。
动力学分析可以帮助我们确定机器人的运动特性和关节力矩。
我们可以使用MATLAB的动力学工具箱来建立机器人的动力学模型，并使用动力学工具函数来计算机器人的动力学性能。
最后，我们可以使用MATLAB进行机器人的仿真。
机器人的仿真是通过对机器人的动力学进行数值计算，来模拟机器人的运动和力学特性。
通过仿真可以验证机器人的设计和控制方案，并进行参数优化。
在MATLAB 中，我们可以使用数值计算函数和绘图函数来进行机器人的仿真和可视化。
总结起来，基于MATLAB的六自由度工业机器人运动分析及仿真可以帮助我们对机器人的运动和力学特性进行研究和优化。
通过建立机器人的模型，进行运动分析和动力学分析，以及进行仿真和可视化，可以帮助我们理解和改进机器人的性能，在工业自动化领域发挥更大的作用。
基于MATLAB的六轴工业机械手运动学分析与仿真研究
基于MATLAB的六轴工业机械手运动学分析与仿真研究以六轴工业机械手为研究对象，应用标准的参数法建立机器人各杆件坐标系，并根据坐标系之间的齐次变换关系建立运动学方程，从而得出正解。
该机械手后3个关节为旋转关节，且在腕中心点解耦，故用代数法计算得出逆解。
基于MATLAB Robotics Toolbox工具箱，构建该机械手的三维模型图，依据关节空间、笛卡尔空间的转换关系，应用FKINE、IKINE函数对该机械手进行正、逆运动学问题进行仿真。
仿真结果验证了所开发的正逆运动学算法的正确性且所建模型能快速地进行正逆解求解，有效地获得机器人的关节角、位姿等运动参数，这对于进一步系统研究该六轴工业机器人的轨迹规划提供了数据保障和理论分析依据。
标签：六轴工业机械手MATLAB 运动学机器人工具箱0.引言工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能、多自由度机械手，可用来搬运、码垛等[1]。
随着“中国制造”向“中国智造”升级，六轴工业机器人逐渐取代产线工人被应用到生产中，解决劳动力短缺和劳动力成本增长问题，尤其是在珠三角制造行业中大规模应用，诸如家电、汽配、电子信息、食品等诸多行业。
但与此同时，为了满足更加复杂的产线作业和更加快速的生产节奏，对其性能指标的要求也越来越高，因此，对机器人的运动学进行深入研究从而提高精度等关键指标，在生产实践中有极其重大的意义[2]。
针对六自由度串联工业机器人，本文分析其运动学正逆解问题，实质是实现关节空间下的关节角和笛卡尔空间下的位姿转换。
在MATLAB Robotics toolbox 中，先用Drivebot（）函数构建机器人模型，再应用FKINE、IKINE函数对该机械手进行正、逆运动学问题仿真分析，从而对开发的正逆运动学算法进行仿真验证[3]。
1.运动学模型本文研究的六轴工业机械手，共有6个旋转关节，主要用于搬运和码垛。
参数法是用一系列坐标系来描述一个串联的链式机械臂的方法，具体为用扭角、杆长、偏距和转角这四个参数来唯一确定各相邻杆件的位置和姿态，从而描述此刻机械手的位形[4]。
六自由度工业机器人的建模与仿真研究共3篇
六自由度工业机器人的建模与仿真研究共3篇六自由度工业机器人的建模与仿真研究1六自由度工业机器人的建模与仿真研究随着工业自动化的不断发展，工业机器人已经成为工厂中不可或缺的重要设备之一。
其中，六自由度工业机器人因其具有灵活性强、运动范围广等优点而得到广泛应用。
因此，对于六自由度工业机器人的建模和仿真研究具有非常重要的意义。
一、六自由度工业机器人的概述六自由度工业机器人是指具有6个自由度的工业机器人，通常由机身、驱动器和控制器组成。
其中，机身由臂、手和手腕组成，可根据任务需求进行操作或载物。
驱动器是机身各部分的驱动器件，常用的驱动器有电机、气缸等。
控制器是控制机器人的核心部分，可完成运动的规划、控制和反馈等。
二、六自由度工业机器人的建模六自由度工业机器人的建模是建立机器人的数学模型，目的是为了分析机器人的运动规律和控制过程，同时也是设计自动控制器的重要基础。
1. 正向运动学模型正向运动学模型是指将机器人的变量作为输入，根据手臂各段的长度和角度、各关节的偏转角度等信息，计算机器人的末端位置、姿态等信息的模型。
这个模型对机器人的分析非常重要，因为它可以方便地解决机器人的直观显示、位置控制等问题。
在建模时，需要对机器人进行分段处理，每一段均要计算其末端的位置和姿态信息，并将其传递到下一段中。
2. 逆向运动学模型逆向运动学模型是指将机器人所需的输出信息作为输入，根据末端位置、姿态等信息，反推出机器人各关节需要转动的角度等信息的模型。
这个模型对机器人的姿态调节、轨迹规划等问题非常重要。
3. 动力学模型动力学模型是指对机器人的力学特性进行建模，为机器人的运动规划和控制提供必要的参考和依据。
在建模时，需要考虑力、转矩、惯性等因素，并通过控制器控制机器人的动作。
三、六自由度工业机器人的仿真研究仿真是对机器人进行数字化模拟的过程。
通过仿真，可以在事先构建好的环境中，对机器人进行各种测试和优化，进而提高其运动精度、速度和稳定性等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期:2005 03 11;修返日期:2005 05 24基金项目:国家 863 计划资助项目(2001AA 423230);中新联合研究计划项目;湖北省自然科学基金(2003ABA 002)六自由度机械手三维运动仿真研究*陈幼平,马志艳,袁楚明,周祖德(华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉430074)摘 要:以六自由度机械手三维运动仿真为背景,介绍了利用Ope nGL 实现机械手运动仿真的有效方法,重点分析了机械手运动学模型的构建以及运动轨迹规划的实现。
对于一般的机械手运动仿真系统,该实例具有一般普遍性。
关键词:Open GL ;机械手;三维运动仿真;轨迹规划中图法分类号:TP242 文献标识码:A 文章编号:1001 3695(2006)06 0205 03R esearch on S i m u l ati on of 3D M oti on for 6 DOF M an i pu latorC HEN Y ou p i ng ,MA Zh i y an ,YUAN Chu m i ng,ZHOU Zu de(Colle g e o f M ec han ic a l Sc i ence &E ng i n ee ring,Huazhong Universit y of S cie n c e &T ec hnology ,W uhan Hu bei 430074,Ch i na )Abstract :The effecti ve met hod of a sm i u lati on syste m ofm anipu l atorw it h Open GL based on t he sm i ulati on of 3D m otion for6 DOF m an i pu lator i s presented .The constructi on of k i neti cm odel and pat h p lann i ng are anal yzed e m phaticall y .To the usual 3D sm i u lati on syste m ofm anipu l ator ,the instance is un i versal reference .Key words :Open GL ;M an i pu l ator ;Sm i ulati on of 3D Moti on ;Path Planni ng 科学可视化、计算机仿真和虚拟现实是近年来计算机仿真领域的三大热门技术,而这三大热门技术的核心均是三维真实感图形的显示与交互。
其中机器人三维运动仿真技术在机器人的研究与应用中发挥着重要的作用。
它对于在实际工作中机器人行走路径的生成、工作空间防碰撞等具有十分重要的现实意义[1,2]。
在我国某些核电站的设备检修工作中,目前采用的机器人检修系统全部是国外的软硬件设备。
在使用过程中,对于工作对象的尺寸变更难以适应,而且对工作人员有较高的使用要求,不能根据实际使用要求定制软硬件功能。
本文根据实际项目经验,对检修机器人三维运动仿真部分进行了介绍。
1 三维实体建模1 1 仿真方案的确定进行机器人仿真的三维实体建模工作方案一般有如下几种:!使用VRM L 和Jav a3D 在一般的微机上构造轻量级的仿真平台,可应用于网络功能要求较高的机器人运动仿真。
VRM L 和Java3D 的跨平台性、网络化和强大的可编程能力,对于实现网络化机器人仿真不失为一种简单、廉价而有效的手段。
∀使用虚拟样机技术。
通过在PRO /E 或其他三维环境下建立的机器人三维模型和在ADAM S 环境下建立的力学模型对机器人进行仿真研究。
主要应用于检验机器人各部件的设计性能以及部件之间的兼容性,并检查整机的综合设计性能,实现高质量、快速、低成本的设计。
#在W i ndows 环境下配合某些三维建模工具如Autodesk Inventor 或3D M ax 等,使用V is ua lC++工具调用O pen GL 图形库中的函数,实现三维运动仿真。
O penGL 是SG I 公司开发的,作为一种三维工具软件包在交互式三维图形建模能力和编程方面具有无可比拟的优越性,可以灵活方便地实现二维和三维的高级图形技术。
由于其强大的图形功能和跨平台的能力,已经成为事实上的图形标准,广泛应用于科学可视化、实体造型、CAD /CAM 、模拟仿真等诸多领域。
目前,M icroso ft ,S G I ,IB M 等大公司都采用了O pen G L 作为三维图形标准。
特别是随着PC 性能的不断提升和微软的加入,使得在微机上实现三维真实感图形的显示与交互成为可能,也为广大用户提供了在微机上使用以前只能在高性能图形工作站上运行各种软件的机会。
另外,由于系统中涉及较多的机械手正、逆运动学方程求解问题,因而采用V C 作为编程语言,一方面可以方便地调用O pen G L 图形库函数;另一方面有利于算法的实现[3]。
1 2 仿真实体的绘制在本系统中,三维实体的绘制采用了以下方法来实现:(1)对于结构比较复杂而控制要求简单的工作对象或者其他附件,使用O penGL 直接绘制是一件十分烦琐的工作。
而3D M ax 是一个相当好的流行建模工具,通过对简单几何形体进行并、交、切等布尔运算和曲面编辑等功能就能构造出复杂的几何形体。
在完成复杂的建模后,输出3DS 格式文件,再通过一些相关工具软件(如3D Explorati on)可以生成O penGL 格式的C++数据文件,直接导入到VC 工程中,稍加修改就可完成复杂模型的绘制工作。
(2)对于结构简单而控制要求较复杂的机械手各轴,可直接使用Open GL 提供的三维建模函数完成绘制[1]。
在此过程中,对各轴的缩放、位置、角度的调整主要使用函数g lSca lef(),g l T ranslatef(),g l R otate f()来完成,为使绘制出来的各轴形象逼真,可对各轴进行相应的材质、光照设置;在进行轴之间进行装∃205∃第6期陈幼平等:六自由度机械手三维运动仿真研究配时,需要使用矩阵堆栈来保证预留对各轴控制接口的正确性,其函数原型是g l Push M a tr i x(),g l Pop M atri x (),另外,本文所介绍的机械手属于双端协调工作方式,所以装配还受到工作模式的动态控制;为使仿真显示的图形变化连续,一般使用O pen GL 提供的缓存交换函数auxS w apBuffers()来实现双缓存绘制。
三维实体建模的原理图和效果图分别如图1、图2所示。
2 运动学建模运动学的建模任务是整个系统运动分析及轨迹规划的基础,主要工作是完成对机械手位姿描述和坐标变换的分析,设置机械手的各连杆坐标系,确定各连杆的齐次坐标变换矩阵,建立机械手的运动学方程并求解。
六自由度机械手采用六个旋转关节按照图3所示的方法装配而成,建立的坐标系包括:!世界坐标系{W };∀机械手基座坐标系{O };#机械手连杆坐标系{1,2,%,6};&机械手末端工具坐标系{T }。
2 1 运动学方程的建立及正解首先计算各个连杆坐标系的变换矩阵,变换矩阵中包括了机械手连杆结构尺寸参数。
将连杆坐标系{i}相对于{i -1}的变换i -1i T 称为连杆变换。
每一个连杆变换i -1i T 是经由以下四个子变换得到的:!绕x i -1旋转 角;∀绕y i -1旋转 角;#绕z i -1旋转 角;&将坐标系原点移到坐标{i -1}下的点:i -1p i 0=(x,y,z )T 。
其中三次旋转是相对于固定坐标系{i -1},得到相应的旋转矩阵i -1i R xy z 与i -1p i 0,从而可以得到从坐标系{i -1}到坐标系{i}的齐次变换i -1i T [4]。
在本文介绍的机械手中,六个关节均为转动关节,对于转动关节i ,连杆变换i -1i T 是关节转动角度!i 的函数。
根据连杆变换的齐次矩阵式和连杆参数,可求得各连杆变换矩阵01T,12T,23T,34T,45T ,56T 。
据此,可推导出机械手末端连杆相对于基座坐标系的运动学方程,将各个连杆变换i -1i T (i =1,2,%,6)相乘,得手臂变换矩阵06T ,它是六个关节变量!1,!2,%,!6的函数,表示末端连杆坐标系{6}相对于基坐标系{O }的描述:06T (!1,!2,%,!6)=01T(!1)12T (!2)%56T (!6(1)由此方程可解出n x ,n y ,n z ,o x ,o y ,o z ,a x ,a y ,a z ,p x ,p y ,p z ;方程式(1)表示机械手的手臂变换矩阵06T ,它描述末端连杆坐标系{6}相对于基坐标系{O }的位姿,是机械手运动分析和位姿确定的基础。
机械手在仿真运动过程中,其末端位姿状态的实时显示即是由它来确定的。
2 2 运动学反解运动反解主要讨论上述位姿运动方程的反解问题,即求由机械手坐标系的笛卡尔空间到关节空间(即所有关节转角)的逆变换,以求解各关节转角!i [4]。
采用代数法反解,将机械手的运动方程写为0T 6=n x o x a x p xn y o y a y p y n z o z a z p z 01=(2)T 1(!1)1T 2(!2)2T 3(!3)3T 4(!4)4T 5(!5)5T 6(!6)若末端连杆的位姿矢量已经给定,即n,o,a 和p 为已知,则可反向求出各关节变量的值。
为此,可用相应的逆变换矩阵左乘式(2)两边,可将指定的关节变量!i 分离出来,从而求解。
运动学反解分两步进行:先解!3,!2,!1(腕部位置),再解!4,!5,!6(腕部姿态),可以得到运动到达指定位姿的机械手各轴状态角度。
在反解过程中可以看出,对于该机械手同一种手部位姿可能存在着八种关节转角的组合,如图4所示。
图4 运动学多解示意图在实际应用中,应根据机器人实际结构选取其中最优的一组解(如行程最短、功率最省、受力最好、回避障碍),建立对反解值进行划分的规范。
在仿真系统算法中,为使机器人在最短时间完成任务,采取了行程最短的方案,即对各转动关节根据其单位转角对机器人位姿的影响设定其权值,然后据此对各反解分别计算机械手各关节运动加权和,并选取加权和最小的一组可行解作为反解的最终解。
3 运动轨迹规划机械手的轨迹是指机器人在运动过程中的位移、速度和加速度。
而轨迹规划是根据作业任务的要求,计算出预期的运动轨迹,首先对机器人的任务、运动路径和轨迹进行描述,然后在机器人运动学和动力学的基础上,研究在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。