毕业论文：六自由度机械手运动控制

„„„„滚仰偏变换解„„„„„„„„„„„„„„„„„球面变换解„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„反解的存在性和唯性„„„„„„„„„„„„„„„„„„反解的存在性和工作空间„„„„„„„„„„„„„„反解的唯性和最优解„„„„„„„„„„„„„„„求解方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„六自由度机械手的平面复杂轨迹设计及运动学分析„„„„„系统描述及机械手运动轨迹设计方式„„„„„„„„„„„„机器人技术参数览表„„„„„„„„„„„„„„„机器人控制系统软件的主界面„„„„„„„„„„„„机器人各部位和动作轴名称„„„„„„„„„„„„„机械手运动轨迹设计方式„„„„„„„„„„„„„„平面复杂轨迹设计目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„西字的轨迹设计和分析„„„„„„„„„„„„„南字的轨迹设计和分析„„„„„„„„„„„„„机械手的起始位姿和末态位姿„„„„„„„„„„„„机械手轨迹设计中坐标系的建立„„„„„„„„„„„„„„平面轨迹设计的正运动学分析„„„„„„„„„„„„„„„平面轨迹设计的正运动学分析原理„„„„„„„„„„正运动学分析步骤及计算„„„„„„„„„„„„„„平面轨迹设计的逆运动学分析„„„„„„„„„„„„„„„平面轨迹设计的逆运动学分析原理„„„„„„„„„„逆运动学分析步骤及计算„„„„„„„„„„„„„„设计实现过程和仿真计算„„„„„„„„„„„设计实现过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„仿真计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„结论与展望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„展望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„第章绪论课题研究背景和意义在现代制造行业中，先进的制造技术不断的代替传统的加工方法和操作方式。

现代工业的高技术要求，更促进了机器人的发展例如，实行无人化的工作车间，自动生产线等。

特别九十年代以来，工业机器人性能不断提高，向着高速度高精度高可靠性的方向发展，同时表现在以下方面机械结构向模块化可重构化发展。

如关节模块中的伺服电机减速机检测系统三位体化由关节模块连杆模块用重组方式构造机器人整机。

国外己有模块化装配机器人产品问市。

工业机器人控制系统向基于机的开放型控制器方向发展，便于标准化网络化器件集成速度高，控制距日见小巧，且采用模块化机构大大提高了系统的可靠性易操作性和可维修性。

机器人中的传感器作用日益重要。

除采用传统的位置速度加速度等传感器外，装配焊接机器人还应用了视觉力觉等传感器而遥控机器人则采用视觉声觉力觉触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中己有成熟应用。

虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

当代遥控机器人系统发展的特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统来构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

美国发射到火星上的索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

机器人机械化开始兴起。

从年美国开发出虚拟轴机床以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点个是在横向上，机器人的应用领域在不断扩大，机器人的种类日趋增多另个是在纵向上，机器人的性能不断提高，并逐步向智能化方向发展。

在世纪，机器人技术将继续是科学与技术发展的个热点。

机器人技术的进步发展必将对社会经济和生产力的发展产生更加深远的影响。

机器人将成为集机械电子计算机控制传感器仿生学和人工智能等多学科理论与技术的机电体化机器。

在未来的年中科学与技术的发展将会使机器人技术提高到个更高的水平。

机器人将成为人类多才多艺和聪明伶俐的伙伴，更加广泛地参与人类的生产活动和社会生活。

串联式机器人是种典型的工业机器人，在自动搬运装配焊接喷涂等工业现场中有着广泛的应用，通过该系列教学机器人可使学生能够模拟工业现场的实际运行状况。

结构紧凑，工作范围大，具有高度的灵活性，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。

多自由度机械手做为现代机器人的个重要组成部分，也随着技术的发展不断更新。

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要而定。

第四章设计实现过程和仿真计算本论文主要以设计平面字体的轨迹实现为主，因此在设计的过程中不仅参照了示教机器人的原有示教程序和轨迹程序编辑过程。

设计实现过程根据上章轨迹设计的过程，以机械手原始位置复位后的位置作为平面轨迹实现的起始点。

然后利用末端牵引手柄进行牵引轨迹，并记录轨迹设计过程中的中间点，完成最终的轨迹路线。

完成上诉的过程后，进行程序处理，调出程序进行中间点和环节的修改，保留程序检验其中的参数，并进行逐条验证。

通过以上环节完成程序再编程后，进行轨迹再现，即完成所需的设计工作，装上喷枪，便能实现西南交通大学的平面字样。

具体步骤如下启动控制软件后，观察机器人的各个关节是否在零位，如果不在零位须先操作复位机器人利用关节运动的示教按钮对机器人的各个关节进行控制，如图。

当控制关节运动到指定位置后，按下记录按钮，记录下这个示教点，同时示教列表中也会相应的多出条示教记录当所有的示教完毕之后，将其保存为个示教文件进行永久保存，按下保存按钮，把示教数据保存起来按下打开按钮，加载示教文件，加载后示教列表中会显示示教数据的内容，并进行轨迹的修改，如图所示完成后，选择再现方式，如果选择其中单次只示教设计轨迹次，如果选择连续，机器人会不断地重复再现示教列表中的轨迹运动对于示教和加载的示教数据可以通过按下清空按钮将其清除在机器人运动过程中，按下停止按钮就会停止机器人的运动。

图逆解示教图部分数据列表流程图如图所示图轨迹设计运行流程图仿真计算机械手复位操作安装末端牵引手柄牵引完成设计任务轨迹调出机械手牵引轨迹程序整理程序顺序改变设计初始点顺序改变轨迹坐标保存程序文件进行试运行示教再现检查程序是否正确正确，运行下个字体的轨迹，调程序进行坐标检查并修改改正示教，保存正确文件，完成单字轨迹运行，连续六字运行，完成任务，如果对机械手的矩阵方程中，系数矩阵不为零，则求解出的六自由度机械手的解唯，即所求解即是它的运动姿态的最优解。

可用逆矩阵法矩阵的分解法分解法和分解法求方程组的解，在中建立程序如下请输入方程组系数矩阵输入方程组的系数矩阵为方阵请输入矩阵输入方程组右边的矩阵，求系数矩阵的行和列的大小若不是方阵则是特解矩阵奇异请检查，是逆矩阵法求出的解是分解法求出的解，是分解法求出的解是分解法求出的解机械手手臂的结构参数见表。

表机械手结构参数构件机械手的末端位姿参数为则根据矩阵算法得到的为其中，分别为如下的分块矩阵最终机械手的位置逆解结果见表。

表机械手位置逆解的组解经过以上的求解，发现运用求解可以得出的解更准确。

因此，对六自由度解的验证更具验证性。

第五章结论和展望结论在机器人学的研究中，六自由度机器人的复杂运动控制具有很大的研究价值和实用意义。

如果六自由度机器人能充分的运用其在运动过程中的灵活性和优越性，如何通过有效的运动控制和轨迹规划使其完成预期的任务至关重要。

本文在六自由度机器人位置逆解算法的基础上，提出运用先模拟轨迹再通过轨迹编程的方式结合位置逆解算法进行验证。

并利用进行运动求解的验证，确定其解的最优性，就其中的系列问题进行了研究。

本论文的主要研究成果及结论总结如下对于现有的机器人运动学进行了阐述，通过其坐标系建立机器人坐标系，分析其现有的机器人运动方程的求解方法，其中主要以位置逆解的方法求解机器人运动方程并从其逆解中验证其反解的存在性和唯性。

对于六自由度串联机器人，完成其平面复杂轨迹的设计，将其运动姿态角进行反解求解之后，它的轨迹可能会各种变化。

则应用这种六自由度串联机器人位置逆解算法进行求解实际上相当于对种六自由度串联机器人姿态轨迹进行位置逆解。

但由于逆解过程中出现的解并非唯，并且它的转动矩阵在运动学方程中的位置也与普通的转动关节不同，因此对六自由度串联机械手位置逆解算法般情况下都与其最终确定的唯轨迹和最优化有关。

采用六自由度机器人位置逆解算法进行计算时，如果矩阵的变换不准确，那么即六自由度机器人的位置逆解问题转化成机器人的位置逆解唯解问题，位置逆解的算法也有可能不同。

这是因为不同的逆解中，产生的六自由度机器人的结构参数并不会发生变化。

位置逆解问题转化成与所需设计轨迹位置逆解问题，往往也不能采用原机器人的位置逆解算法进行求解。

在六自由度机器人位置逆解的特征值算法的基础上，通过设计实现矩阵类和机器人位置反解类来实现仿真的机器人位置逆解算法。

满足了机器人仿真系统对准确性和数值稳定性的要求。

在实现的六自由度机器人仿真系统中，采用了参数化结合进行仿真，即机器人的机构参数和位置参数已确定。

从而可以在该仿真过程中实现不同的六自由度机器人的仿真求解，可以对研究者关于位置逆解或轨迹规划等方面的研究结果进行直观的验证。

展望通过本论文的研究工作，使六自由度机器人在复杂运动控制方面实现工业生产中各种复杂轨迹的设计及利用方面做了进步的研究，不仅丰富了机器人逆运动学分析方面的相关理论，也增加了在六自由度机器人复杂运动控制问题的研究方法。

并通过使六自由度机器人设计其做平面文字轨迹进行求解的具体算例对上述理论和方法进行了验证，为六自由度机器人