机器人基础三级项目(DOC)

燕山大学

课程研究项目报告

自平衡小车机器人系统的

设计与制作

学院：机械工程学院

年级专业：机电2012—1/2班

课程名称：机电一体化系统设计

组号： 3

学生姓名：武进、熊进、冯少日、张陶然组内分工：张三，车体设计与组装，45%

李四，软件设计与调试，55%

指导教师：姚建涛、刘晓飞

日期：2015.10

摘要

本报告主要介绍打磨机器人的机械臂和机械手的设计方法、思路、原理以及运动控制等，并结合智能车结构绘制三维图、模拟仿真以及计算分析实现打磨、抓取等工作要求。报告主要分为三大部分：第一部分为进行机械臂方案选取，通过综合考虑选择最优方案，并绘制三维图；第二部分也是最重要的步骤为工作空间的分析（包括求运动学正解与反解）、速度分析与轨迹规划；第三部分为设计总结及心得体会。

通过设计过程中查阅大量资料，组内组间积极讨论最终形成此最终报告，但能力有限，对于本报告中的不足与错误希望老师批评指正。

关键词：机械臂，方案选取，三维图，工作空间，速度，轨迹规划

前言

机器人学是一门迅速发展的综合性前沿学科，进入21 世纪，人类对空间的利用越来越迫切，随着航天技术的发展，人类在太空中的活动也越来越多。未来将有大量的空间生产、空间加工、空间装配和空间设备的维护修理工作要做。但是，由于空间操作环境的特殊性和不确定性，以及载人航天技术的限制，太空中仍然需要由机器人来代替人进行一系列的作业。因此,，机器人的研发技术将成为未来宇宙开发过程的关键技术之一。

现普遍将机器人划分为两类：一般机器人和智能机器人。一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人。到目前为止，在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素：一是感觉要素，用来认识周围环境状态；二是运动要素，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作。本次课程设计的打磨机器人小车属于智能机器人的范畴，集中了计算机、机构学、传感技术、电子技术、人工智能及自动控制等多科。

为了实现打磨以及抓取、移动、放置物体等功能，机械臂与机械手的设计尤为重要。本次项目对于我们扩展思路、分析问题、解决问题的能力进行了综合性锻炼，也将对今后职业生涯产生重要影响。

目录

前言.....................................................................I 第1章设计方案的确定 (1)

第2章参数确

定... ..................................................... ..8

2.1机械手臂的设

计 (10)

2.2 位移分析 (11)

2.3机械手爪设计 (11)

第3章工作空间分析......... .. (12)

3.1 运动学正解 (13)

3.2运动学反解 (15)

第4章速度分析 (16)

第5章轨迹规划 (17)

第6章项目总结 (18)

第7章心得体会 (18)

第8章参考文献 (18)

第1章设计方案与参数确定

1.1机械手臂的设计

该设计设计方案有如下三种:

（1）该机械臂有3个转动关节，此结构比较简单，易制造，但由于它的工作范围相对较小，所以不采取这种方案。

图3-1（a）

（2）该机械臂有4个转动关节，手腕的转动用于实现工件的位姿变化更顺畅。此结构比较简单，易制造，它的工作范围也相对较大，但由于所抓取的工件有一定的质量，单臂刚度尅能会受到限制，所以不易采取这种方案。

（3）

图3-1（b）

(3)该机械臂由四个转动关节组成，其中手部分为内外板，在夹取了螺栓后在重力产生的转动力矩下，螺栓自动下垂为竖直状态，便于装配。该机械臂结构较为简单，综合了上述两种方案的优点，易于实现抓取与装配目标。所以为最终方案。

图3-1（c）

经过分析比较我们最终选定方案3。

1.2 位移分析

分析确定连杆参数

臂

三

臂二

图5-1 机械手初始位姿

1.3机械手爪的设计

机械手爪的设计也有三种方案：

（1）该方机械手爪的结构还是比较简单的，它通过推动中间滑块，实现手爪的张合，它的最大缺点是张开的范围太小，并且控制不好的话，有时会将滑块从两尖角推出，所以不采取这种方案。

（2）这种方案解决了方案一所存在的部分问题，张开的角度也是比较大的，但是结构比较复杂，制造成本比较高，考虑到经费和加工条件，不采取此方案。

（3）最后这种方案结构比较简单，已加工制造，且手爪张开的角度比较大，满足要求，所以采取方案三。

通过综合考虑，我们决定选择第三种方案。

第二章工作空间分析

2.1运动学正解

说明：由几何关系算得连杆转角，带入验证x y z 的坐标关系。a1 a2 a3 表示连杆1、

T，矩阵最后一列表示小球在原点坐标系中的位置。

2、3的转角。最后解得0

4

syms a1 a2 a3 a4 d1 d2 d3 d4 ;

%连杆间齐次变换矩阵

T10=[cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1)*cos(0) cos(a1)*cos(0) -sin(0) -d1*sin(0);

sin(a1)*sin(0) cos(a1)*sin(0) cos(0) d1*cos(0);0 0 0 1];

T21=[cos(a2) -sin(a2) 0 0;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi/2) -d2*sin(pi/2);

sin(a2)*sin(pi/2) cos(a2)*sin(pi/2) cos(pi/2) d2*cos(pi/2);0 0 0 1];

T32=[cos(a3) -sin(a3) 0 201;sin(a3)*cos(0) cos(a3)*cos(0) -sin(0) -d3*sin(0);

sin(a3)*sin(0) cos(a3)*sin(0) cos(0) d3*cos(0);0 0 0 1];

T43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;sin(a4)*cos(0) cos(a4)*cos(0) -sin(0) -d4*sin(0);

sin(a4)*sin(0) cos(a4)*sin(0) cos(0) d4*cos(0);0 0 0 1];

T40=T10*T21*T32*T43

%代入初值：

a1=0*pi/180;

a2=0*pi/180;

a3=-90*pi/180;

a4=0*pi/180;

d1=0;

d2=87;

d3=0;

d4=0;

%解得

T40 =

0.0000 1.0000 0 201.0000

-0.0000 0.0000 -1.0000 -87.0000

-1.0000 0.0000 0.0000 0.0000

0 0 0 1.0000

即