燕山大学机器人智能车设计剖析.doc

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：机器人技术基础 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，分为三个部分，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。机械臂部分，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、娱乐服务、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。 4 2 方案设计一 5 3 方案设计二 5 3.1 机械臂尺寸的确定 5 3.2 工作空间 6 3.3 初始位置 7 3.3.1运动学正解 7 3.3.2 运动学反解 9 3.4 任意位姿 10 3.4.1 涂胶板竖直情形 10 3.4.2 开关和采果情形 15 3.5 速度分析 16 3.6 轨迹规划 18 3.7 详细程序 21 4 总结 22 5 参考文献 23 1 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： 按动开关，启动生产线； 从地面的指定位置捡起直径为50-100mm的球； 到涂胶工位完成涂胶； 找到迷宫入口，进入迷宫——实现穿越迷宫 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(280~320mm) 开关大小：60x60mm 胶刷：圆柱形，直径50~100mm 图1 2 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 机械臂尺寸的确定 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100mm； 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则整个机械手稳定性将降低，而机座太低则机械臂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i ai-1(mm) αi-1(°) di（mm） 关节变量 初值(°) 1 0 0 85 θ1 0 2 0 -90 0 θ2 -135 3 180 0 0 θ3 45 4 0 -90 150 -90 -90 3.3.1运动学正解 由几何关系算得连杆转角θ1=0，θ2=-135，θ3=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=0 a1=0 a2=180 a3=0 y0=(0/180)*pi y1=(-90/180)*pi y2=(0/180)*pi y3=(-90/180)*pi d1=85 d2=0 d3=0 d4=150 x1=(0/180)*pi x2=(-135/180)*pi x3=(45/180)*pi x4=(-90/180)*pi T10=[cos(x1) -sin(x1) 0 a0;sin(x1)*cos(y0) cos(x1)*cos(