机器人技术报告

智能涂胶避障装配多功能机器人

姓              名： 尤振民、李明    

胡强强、布贺宁  

指   导   教   师：   姚建涛、李艳文、刘宝华  

2014年10月

智能涂胶避障装配多功能机器人

摘     要

机器人技术是一个集环境感知、轨迹规划、机械手应用等功能于一体的机电一体化系统。它是集中了计算机、机构学、传感技术、电子技术、人工智能及自动控制等多科而形成的高新技术。本次课程设计的装配机器人智能小车就是这种高新技术综合体的一种尝试。装配机器人智能小车主要由机械系统，环境识别系统，运动控制系统及机械臂控制系统组成。小车以单片机为核心，附以外围电路，采用光电检测器进行检测故障和循迹，并用软件控制小车及机械臂的运动，从而实现小车的自动行驶、转弯、寻迹检测、避障、停止及装配等功能的智能控制系统。

机器人技术基础系统地介绍了机器人的基础理论和关键技术。主要内容包括：机器人的机构、位姿描述和齐次变换、操作臂运动学、操作臂的雅可比、操作臂动力学、轨迹规划、操作臂的控制、机器人语言和离线编程等。本书反映了机器人在规划、控制和编程方面近期所取得的成果。此外，书中还附有习题和编程练习。

主要的项目分工情况如下：    尤振民：机械手三维图形的制作及动画仿真

李明：资料收集，机械手臂编程及调试

                         胡强强：机械手臂的尺寸设计，轨迹规划

布贺宁：机械手臂方案论证，项目报告，PPT

a)比赛场地

1 前言

本文介绍了智能涂胶避障装配多功能机器人。它是在智能循迹小车的基础上，自主设计一个涂胶装配的机械手并装配到固定的工件位置上，完成装配机电一体化系统的设计、制作，进行机器人运动控制规划，控制机器人完成一系列复杂动作，如手抓张合、车体回转，智能循迹避障、协同作业等任务，机器人的涂胶等工作。

2设计方案的确定

设计方案有如下三种:

A方案如图2-1（a）所示。由于手臂要执行装配作业，于是我们首先想到了平行四边行的稳定性，便设计了如下方案。该方案稳定性较好，使用电机数量也少，节约了成本，但它同时也了机械手的灵活性，且机械手不能抓取地面上的物体，缩小了机械手的操作空间。

图2-1（a）

B方案如图2-1（b）所示。该方案改进了方案A的机械手不能抓取到地面的缺点，但Z轴转动只能靠小车的转动来实现，耗能多，不符合“多动小关节、少动大关节”原则，而且需要控制车轮方能实现，车轮依靠步进电机控制，从而给编程和后期调试带来不便。

                             图2-1（b）

C方案如图2-1（c）所示。该方案在基座处又加了一个杆，改进了方案B的缺点，在球形果偏离预定位置时仍能通过腰关机的转动来实现作业，增强了机械手的灵活性,并能实现预定工作空间。但是不易实现可能出现强度不够等问题。

                         图2-1（c）

经过分析比较我们最终选定方案b。

3参数确定

3.1机械手臂的设计

3.1.1机械一尺寸的确定

设计用的尺寸包括：

1、小车的高度80mm，机械手所能达到的总高度为160-360mm，小车在涂胶时机械手机座距涂胶工位200mm，涂胶矩形区域为长400*高200，涂胶目标为中心线距地面高260mm的正弦曲线。

2、小车在装配时，工件距地面高为300mm，小车距称料台的水平距离为200-300mm

3、根据实际的要求尺寸进行设计，首先我们需要确定手臂一的高度，手臂一的高度将会很大程度上影响手臂的长度，根据计算，手臂末端要达到的竖直高度为160mm，如果机座太高则整个机械手稳定性将降低，而机座太低则手臂长度便会相应增长，影响其强度，因此选机座高度为80mm；样基座将不会非常的稳定，为此，我们采用在三角铝合金的下面加木质垫片来稳定其位置，并用木质的支撑来支持基座，这样也可以很好的吸收舵机工作时产生的震动。

4、根据要求，基座到工件的距离即机械手最大高度为331mm，而小车在装配是的停车位置距.工件200-300mm。为保证机械手能装配到，我们选定与末端执行器相连的手臂长为150mm；而为保证机械手能达到最大高度，我们选定与机座相连的手臂长为200mm。横向距离：150+200=350>300mm；垂直距离：200+150=450>330mm，即所设计的尺寸符合任务要求。

手爪的最大抓取直径=120+2=122mm

手爪最小抓取直径=70mm

3.2机械手爪的设计

   手爪的外形如图所示，工件的直径为70-120mm。为保证在装配过程中不致损伤球形果表面，在手爪上需要加装海绵，让手爪能够有效的抓紧球形果。海绵的长度设计为120mm，同时设定手爪内部的海绵厚度为5mm，这样两边的厚度加和为10m。并且保证小球在被夹紧时手爪是平行的（这样可以更有效的夹紧）

4工作空间分析

分析确定连杆参数

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、2、3的转角。最后解得，矩阵最后一列表示工件在原点坐标系中的位置。

a1=0*pi/180;

a2=150*pi/180;

a3=-60*pi/180;

a4=0*pi/180;

d1=80;

d2=0;

d3=0;

d4=150;

%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);

t21=[cos(a2) -sin(a2) 0 0;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi/2) -d2*sin(pi/2);

t32=[cos(a3) -sin(a3) 0 201;sin(a3)*cos(0) cos(a3)*cos(0) -sin(0) -d3*sin(0);

t43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;sin(a4)*cos(-pi/2) cos(a4)*cos(-pi/2) -sin(-pi/2) -d4*sin(-pi/2);

t=t10*t21*t32*t43

t =

   -0.0000   -0.0000   -1.0000    -350.0711

    0.0000    1.0000   -0.0000    -0.0000

    1.0000   -0.0000   -0.0000   140.5000

         0         0         0     1.0000

4.2运动学反解

说明：代入坐标x=-300，y=0， z=140。根据等式左右两端对应相等。解出关节旋转角度。选择最优解。

syms a1 a2 a3

a4=0*pi/180;

d1=40;

d2=0;

d3=0;

d4=176;

x=-350;

y=0;

z=140;

t10=[cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1)*cos(0) cos(a1)*cos(0) -sin(0) -d1*sin(0);

t21=[cos(a2) -sin(a2) 0 0;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi/2) -d2*sin(pi/2);

t32=[cos(a3) -sin(a3) 0 201;sin(a3)*cos(0) cos(a3)*cos(0) -sin(0) -d3*sin(0);

t43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;sin(a4)*cos(-pi/2) cos(a4)*cos(-pi/2) -sin(-pi/2) -d4*sin(-pi/2);

t=t10*t21*t32*t43;

f1=x-t(1,4);

f2=y-t(2,4);

f3=z-t(3,4);

[a1,a2,a3]=solve(f1,f2,f3,a1,a2,a3);

%转化为角度值

a11=vpa(a1*180/pi,6)

a22=vpa(a2*180/pi,6)

a33=vpa(a3*180/pi,6)

a11 =

 -.761823e-15

 -.761818e-15

a22 =

 149.960

 30.0398

 1.85098

 178.149

a33 =

 -59.7578

 -120.242

 -59.7578

 -120.242

5速度分析

说明：先求出雅克比矩阵，我们可以得到末端执行器速度与各关节的速度关系。在末端执行器速度已知的情况下求的各关节的速度。

a1=0*pi/180;

a2=150*pi/180;

a3=-60*pi/180;

a4=0*pi/180;

d1=40;

d2=0;

d3=0;

d4=176;

t10=[cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1)*cos(0) cos(a1)*cos(0) -sin(0) -d1*sin(0);

t21=[cos(a2) -sin(a2) 0 0;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi/2) -d2*sin(pi/2);

t32=[cos(a3) -sin(a3) 0 201;sin(a3)*cos(0) cos(a3)*cos(0) -sin(0) -d3*sin(0);

t43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;sin(a4)*cos(-pi/2) cos(a4)*cos(-pi/2) -sin(-pi/2) -d4*sin(-pi/2);

t40=t10*t21*t32*t43;

t20=t10*t21;

t30=t20*t32;

t41=t21*t32*t43;

t42=t32*t43;

z1=[t10(1,3);t10(2,3);t10(3,3)];

z2=[t20(1,3);t20(2,3);t20(3,3)];

z3=[t30(1,3);t30(2,3);t30(3,3)];

z4=[t40(1,3);t40(2,3);t40(3,3)];

p1=[t41(1,4);t41(2,4);t41(3,4)];

p2=[t42(1,4);t42(2,4);t42(3,4)];

p3=[t43(1,4);t43(2,4);t43(3,4)];

r1=[t10(1,1) t10(1,2) t10(1,3);

r2=[t20(1,1) t20(1,2) t20(1,3);

r3=[t30(1,1) t30(1,2) t30(1,3);

p11=cross(z1,r1*p1);

p22=cross(z2,r2*p2);

p33=cross(z3,r3*p3);

j=[p11(1,1) p22(1,1) p33(1,1);

   z1(2,1)  z2(2,1)   z3(2,1);

syms q1 q2 q3 q4 q5 q6 v1 v2 v3 w1 w2 w3

v=[v1;v2;v3;w1;w2;w3]

q=[q1;q2;q3]

ji=j*q

%等式左右两端矩阵中元素对应相等，列出三个方程

f1=v(1,1)-ji(1,1)

f2=v(2,1)-ji(2,1)

f3=v(3,1)-ji(3,1)

[q1,q2,q3]=solve(f1,f2,f3,q1,q2,q3)

q1=vpa(q1,6)

q2=vpa(q2,6)

q3=vpa(q3,6)

j =

    0.0000 -100.5000    0.0000

 -350.0711   -0.0000   -0.0000

         0         0         0

         0   -1.0000   -1.0000

    1.0000    0.0000    0.0000

q1 =

-.345199e-34*v1-.285656e-2*v2+.174914e-18*v3

q2 =

-.131403e-18*v2-.198743e-17*v3-.995025e-2*v1

q3 =

-.568182e-2*v3+.261366e-18*v2+.197914e-1*v1

6轨迹规划

说明：程序中速度，加速度函数先通过diff函数求得，再代入得到各曲线。

关节1（假设旋转角度30度）

关节2

关节三

7项目总结

7.1 机器人手臂涂胶的一些问题

机器人手臂为实现装配的尺寸要求必须把尺寸做的比较大，其中位姿的角度问题是机器人手臂设计必须考虑的问题。运动反解的求解使位姿不符合实际要求和空间要求的位姿淘汰。使机器人手臂能以更平缓的姿态来完成正弦曲线的描绘。

7.2 机器人手臂装配的一些问题

机器人手臂在装配时需要达到的位置较远，而实现这一位置的条件需要好好考虑。如果要使手臂拿起零件的位置跟受力等都最完美只能等待具体尺寸出来才能更好的设计。

7.3 机器人手臂强度的一些问题

强度问题是必须考虑的，一个电机是否能在指定的三维空间里来保持一定的时间使我们现在无法讨论到的，然而臂2和臂3的长度问题也是很重要的，臂3必须必臂2短才肯定能在抓取工件后能安全准确的把工件装配上。

8心得体会

刚拿到项目的时候，虽然对机器人很感兴趣，但是由于缺乏系统的理论知识而毫无头绪，在我们后来的边查资料，边焊电路板的过程中，才慢慢进入状态。到后来的编写程序及调试，我们采取了“简单入手，循序渐进，模块化，分工合作”的方法。即任务要求模块化，并根据我们组成员的相对优势进行任务分配；在调试程序时，先编写各段简单程序，等调试成功，再进行综合，调试；最后我们整合各成员的成果，并作进一步整理，分析，完善，最终调试成功。

感谢学院给了我们这次的锻炼机会，更感谢任课老师和实验室老师的理解、支持和不辞辛苦的悉心指导，这为我们项目的完成提供了莫大的帮助！最后，再一次衷心的感谢各位老师！

9参考文献

1. W.BOLTON  MECHATRONICS ELECTRONIC CONTROL SYSTEMSI IN MECHANICAL ENGINEERING               Longman Scientific&technical 

2. 李广弟  朱月秀  冷祖祁     单片机基础       北京航空航天大学出版社，2007

3. 熊有伦  机器人技术基础     华中科技大学出版社