五自由度机械臂运动及管控仿真研究

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1、五自由度机械臂运动及管控仿真研究第一章绪论1.1工业机器人概述随着市场经济的发展，商品生产从单一品种、大批量生产向多品种、小批量生产过渡，对于产品质量的提高、成本的降低提出了越来越高的要求。随着生产和技术的进步，人们需要机器代替人完成一些人类无法完成或不能高质量完成度的任务。机器人正是为适应市场变化及生产自动化的更高要求而出现的。机器人的定义处于不断发展变化之中，目前尚无统一的严格定义。通常，机器人被设计成类似于人类手臂的结构，所以又常被称为机器人操作手或机械臂，便形成机器人重要分支之一的工业机器

2、人。国际标准化组织曾于1987年对工业机器人给出了定义：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机。ISO8373对工业机器人给出了更具体的解释：机器人具有自动控制及可编程、多用途功能，机器人操作机具有三个或三个以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动[1]。国际标准化组织（ISO）给出的定义是，机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程功能的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行多

3、种任务。可见，机器人是为完成多种任务而设计的，因此它必定具有能灵活执行多种任务的复杂机电系统。1954年，美国人乔治德沃尔(GeorgeDevol）将遥控操作手的连杆机构与数控机床的伺服轴连接起来，发明了第一台可编程关节输送装置，并取得了该项专利，即工业机器人专利。1956年，约瑟夫艾根伯格（JosephEngeberger）购买了该专利，成立了万能自动化（Unimation）公司。1961年，该公司研制出第一台机器人Unimate，并在美国通用汽车公司（GM）投入使用，标志着第一代工业机器人的诞

4、生。同年，Lincoln实验室研制成功利用力反馈信息工作的机器人，并于1963年开始研究机器人视觉系统。1971年，美国Stanford大学制成Stanford臂，并于1973年开发了机器人编程语言A（Programm-ableUniversalManipulatorforAssembly）系列机器人。1979年，日本研制了适用于垂直装配的SCARA（SelectivepliantArticulatedRobot）机器人。这些机器人的出现，促进了机器人应用领域的进一步扩大。当前，全球已经有几百种不

5、同类型的机器人被广泛应用于生产和科研。工业机器人可以根据许多标准进行分类，按照其技术的发展过程可分为三代。第一代工业机器人：具有示教再现功能，或具有可编程的NC（NumericalControl）装置，但不具有反馈能力。第二代工业机器人：具有一定传感装置，能利用所获取的环境与操作对象的简单应用进行反馈控制。第三代工业机器人：具有更完善的环境感知功能和适应能力，而且具有逻辑思维、判断和决策功能，能根据给定指令和自身判断自主确定行动。工业机器人在20世纪60年代毫无疑问是一种独特的设备。将其和计算机辅

6、助设计（CAD）系统、计算机辅助制造（CAM）系统结合在一起，是现代制造业自动化的最新发展趋势。这些技术正引导工业自动化向一个新的领域过渡。工业机器人技术的不断进步，使得它们在工业领域变得更加有效速度更快、操作更准确、更富有柔性。加之其价格的不断降低，工业机器人得到越来越多的应用。图1-1为近年来全世界每年的工业机器人供应统计数据。1.2国内外相关技术研究现状机械臂是一种复杂的机电系统，其研究综合了机械学、电子学、力学、控制理论、计算机技术、人工智能等多种学科，形成了诸多研究方向。本节着重对机械臂

7、的运动学、动力学、控制以及仿真方面的国内外研究情况进行综述。1.2.1机械臂运动学机械臂运动学不考虑使机械臂产生运动的力或力矩，只研究机械臂的运动特性，即机械臂的位置、速度、加速度以及位置变量相对于时间或其他变量的所有高阶导数。机械臂运动学涉及所有与运动有关的几何参数和时间参数，通常包括位置、速度、加速度的正、逆问题。这里，就机械臂的位置正、逆问题，即传统意义上的机械臂运动学正、逆问题，简述国内外研究现状。机械臂的位置正问题即机械臂正运动学，是已知机械臂关节的角度值，计算机械臂末端的位姿。为了便于

8、处理机械臂的复杂几何参数，首先要在机械臂的每个连杆上分别固连一个连坐标系，然后再描述这些坐标系之间的关系。描述机械臂的机构运动参数的方法很多，最为经典的运动学模型是由Danevit和Hartenberg给出的D-H模型[9]。该模型的缺点是其参数不易直接辨识，以及相邻轴平行或接近平行时存在奇异点问题。所以，便产生了许多修正的D-H模型[10]或其他模型，以便对其进行改进。Stone提出了S-model[11]，允许D-H模型中的连杆坐标系沿关节轴线平移和转动，在相邻关节轴线平行的情