机器人项目报告循迹避障智能车设计

2022-01-10最新范文访问手机版0

机器人项目报告循迹避障智能车设计 本文关键词：机器人，智能，报告，项目，设计

机器人项目报告循迹避障智能车设计 本文简介：《机器人技术》课程项目智能涂胶避障装配多功能机器人姓名：指导教师：智能涂胶避障装配多功能机器人摘要本次项目我们在掌握单片机的基础上，结合画图软件及matlab和机器人技术深入了解并掌握机械臂设计的知识。设计过程当中经过谈论，我们确定最后方案，然后用三维软件做出了最后方案机械臂的三维实体并做了具体操作

机器人项目报告循迹避障智能车设计 本文内容：

《机器人技术》课程项目

智能涂胶避障装配多功能机器人

姓

名：

指

导

教

师：

智能涂胶避障装配多功能机器人

摘

要

本次项目我们在掌握单片机的基础上，结合画图软件及matlab和机器人技术深入了解并掌握机械臂设计的知识。设计过程当中经过谈论，我们确定最后方案，然后用三维软件做出了最后方案机械臂的三维实体并做了具体操作分析，为了对其进行控制还进行了动力学分析，最终确定了实体的制作过程。报告主要包括：机械臂方案的讨论及确定，机械臂尺寸参数的确定，动力学分析及轨迹规划。

目

录

目

录3

1、前

言：4

2、设计方案的确定4

2.1任务分析4

2.2设计参数：4

2.3具体项目任务要求5

3、参数的确定5

3.1机械手臂的设计5

3.1.1机械手臂杆数和轴数的确定5

3.2手臂尺寸的确定6

3.2.1机械臂一尺寸的确定6

3.1.3机械臂二、三尺寸的确定6

4、工作空间分析7

4.1空间模拟7

4.2初始位置：8

4.3运动学正解9

4.4运动学反解10

5、速度分析11

6、轨迹规划13

6.1各关节位移、速度、加速度曲线13

6.2详细程序15

7、

项目总结16

8、参考文献16

1、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。在三级项目智能移动小车的基础上设计出机械臂和手爪，与小车组装为一体，通过程序控制，实现小车的避障，循迹，通讯，以及装配螺栓的动作。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。

2、设计方案的确定

2.1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：

1、

按动开关，启动生产线；

2、

到涂胶工位完成涂胶；

3、

找到迷宫入口，进入迷宫；

4、

实现穿越迷宫；

5、

寻迹；

6、

到装配工位车体或机械臂旋转；

7、

手爪张开

8、

实现对指定工件的抓取和装配等一些列的动作。

2.2设计参数：

工件的形状为球形或圆柱形，直径为70-120，重量小于0.5千克，胶刷尺寸同工件。

涂胶中心线距地面高260mm,长400高200mm矩形区域的正弦曲线

承料台的高度：300mm

开关高度：310mm(280~320mm)

开关大小：60x60mm

2.3具体项目任务要求

本小车的第一任务为前半部分的涂胶避障过程，主要包括在迷宫的入口通过寻迹定位抓涂胶，然后然后通过智能避障系统走出迷宫；第二任务为后半部分的循迹和装配过程，主要包括小车循迹走到指定工作位置，然后用机械臂及手抓取零件并进行装配。

3、参数的确定

3.1机械手臂的设计

3.1.1机械手臂杆数和轴数的确定

机械臂的机械结构很多，但是为了实现其抓球、放球及灌篮的功能，一般应采用有两个连杆组成的机械臂。关节可采用移动关节，也可以采用转动关节。

考虑到项目中的实际情况和手臂制作的可实现行，初步确定采用三杆转动关节的手臂。

3.2手臂尺寸的确定

3.2.1机械臂一尺寸的确定

设计用的尺寸包括：小车的高度80mm；涂胶目标为中心线距地面高260mm的长400×200mm的矩形区域内的正弦曲线，距扫描轨迹200mm，故机械臂末端执行器能达到的最低高度为160mm，最高高度为360mm；胶刷形状球形或圆柱形，直径70~120mm，重量小于0.5kg；工件距平台上表面高300mm，承料台距轨迹距离为200~300mm。

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360mm，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90mm；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。

3.1.3机械臂二、三尺寸的确定

根据要求，基座到承料台上工件的距离即机械手最大高度为300mm，而小车在装配时的停车位置距工件200-300mm。为保证机械手能抓到工件，我们选定260mm360mm，即所设计的尺寸符合任务要求。

涂胶工位的草图模拟：

小车平台

一杆

二杆

三杆

3.2位移分析

4、工作空间分析

4.1空间模拟

在solidworks中建立了机构简图后，直接描绘出工作空间，如图3

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。

4.2初始位置：

连杆参数：

连杆参数i

ai-1(mm)

αi-1(°)

di（mm）

关节变量

初值(°)

θ1

-90

θ2

180

θ3

120

说明：由几何关系算得连杆转角，带入验证x

的坐标关系。a1

表示连杆1、2、3的转角。最后解得，矩阵最后一列表示小球在原点坐标系中的位置。

4.3运动学正解

正解程序：

syms

%yi表示扭角，

xi表示关节角

a0=0

a1=0

a2=150

a3=0

y0=(0/180)*pi

%绕x轴转一定的角度

y1=(-90/180)*pi

y2=(0/180)*pi

y3=(90/180)*pi

d1=90

d2=0

d3=0

d4=100

x1=(0/180)*pi

%绕z轴转@角度

x2=(0/180)*pi

x3=(0/180)*pi

x4=(0/180)*pi

T10=[cos(x1)

-sin(x1)

a0;sin(x1)*cos(y0)

cos(x1)*cos(y0)

-sin(y0)

-d1*sin(y0);sin(x1)*sin(y0)

cos(x1)*sin(y0)

cos(y0)

d1*cos(y0);0

T21=[cos(x2)

-sin(x2)

a1;sin(x2)*cos(y1)

cos(x2)*cos(y1)

-sin(y1)

-d2*sin(y1);sin(x2)*sin(y1)

cos(x2)*sin(y1)

cos(y1)

d2*cos(y1);0

T32=[cos(x3)

-sin(x3)

a2;sin(x3)*cos(y2)

cos(x3)*cos(y2)

-sin(y2)

-d3*sin(y2);sin(x3)*sin(y2)

cos(x3)*sin(y2)

cos(y2)

d3*cos(y2);0

T43=[cos(x4)

-sin(x4)

a3;sin(x4)*cos(y3)

cos(x4)*cos(y3)

-sin(y3)

-d4*sin(y3);sin(x4)*sin(y3)

cos(x4)*sin(y3)

cos(y3)

d4*cos(y3);0

T40=T10*T21*T32*T43

最后得出位姿为：

T40

180

210

4.4运动学反解

反解程序:

说明：代入坐标x=200，y=0，

z=230。根据等式左右两端对应相等。解出关节旋转角度。

syms

a4=0*pi/180;

x=220;

y=300;

z=0;

t10=[cos(a1)

-sin(a1)

100;sin(a1)

cos(a1)

0;0

1];

t21=[cos(a2)

-sin(a2)

100;sin(a2)

cos(a2)

0;0

1];

t32=[cos(a3)

-sin(a3)

150;sin(a3)

cos(a3)

0;0

1];

t43=[cos(a4)

-sin(a4)

0;0

-1

-100;sin(a4)

cos(a4)

0;0

1];

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)

运行结果：

a11

180.0

a22

-62.4756

-3.33493

-117.524

-176.665

57.2958*z

a33

-177.771

-2.22873

-177.771

180.0

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=0*pi/180;

a3=180*pi/180;

a4=0*pi/180;

d1=90;

d2=0;

d3=0;

d4=120;

t10=[cos(a1)

-sin(a1)

0;sin(a1)

cos(a1)

0;0

d1;0

1];

t21=[cos(a2)

-sin(a2)

0;0

d2;sin(a2)

cos(a2)

0;0

1];

t32=[cos(a3)

-sin(a3)

200;sin(a3)

cos(a3)

0;0

d3;0

1];

t43=[cos(a4)

-sin(a4)

0;0

-1

-160;sin(a4)

cos(a4)

0;0

1];

t20=t10*t21;

t30=t20*t32;

t40=t30*t43;

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);

t10(2,1)

t10(2,2)

t10(2,3);

t10(3,1)

t10(3,2)

t10(3,3)];

r2=[t20(1,1)

t20(1,2)

t20(1,3);

t20(2,1)

t20(2,2)

t20(2,3);

t20(3,1)

t20(3,2)

t20(3,3)];

r3=[t30(1,1)

t30(1,2)

t30(1,3);

t30(2,1)

t30(2,2)

t30(2,3);

t30(3,1)

t30(3,2)

t30(3,3)];

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);

p11(2,1)

p22(2,1)

p33(2,1);

p11(3,1)

p22(3,1)

p33(3,1);

z1(1,1)

z2(1,1)

z3(1,1);

z1(2,1)

z2(2,1)

z3(2,1);

z1(3,1)

z2(3,1)

z3(3,1);]

syms

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)

运行结果：

160.0000

200.0000

-200.0000

-0.0000

1.0000

0.005*v2

6.12323e-19*v1

0.005*v3

0.00625*v1

0.005*v3

6、轨迹规划

6.1各关节位移、速度、加速度曲线

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

v6.2详细程序

每个关节分别求出，改变a0,af值即可，其余部分不变。

syms

tf=5

af=-60*pi/180;

a0=84.3*pi/180;

a1=0;

f(tf)=a0+a1*tf+a2*tf^2+a3*tf^3-af

;

v(tf)=a1+2*a2*tf+3*a3*tf^2

;

[a2,a3]=solve(f(tf),v(tf),a2,a3)

t=0:0.01:tf;

f3=a0+a1*t+a2*t.^2+a3*t.^3

subplot(2,2,1)

plot(t,f3)

grid

xlabel(

t/s

);

ylabel(

);

title(

位移时间曲线

)

=(481*pi*t.^2)/12500

(481*pi*t)/2500

subplot(2,2,2);

plot(t,v);

grid;

xlabel(

t/s

)

ylabel(

)

title(

速度时间曲线

)

=(481*pi*t)/6250

(481*pi)/2500

subplot(2,2,3);

plot(t,a);

grid;

xlabel(

t/s

)

ylabel(

)

title(

加速度时间曲线

)

7、

项目总结

8、参考文献

刘杰

机电一体化技术基础与产品设计

冶金工业出版社,2003

W.BOLTON

MECHATRONICS

ELECTRONIC

CONTROL

SYSTEMSI

MECHANICAL

ENGINEERING

Longman

Scientific&technical

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

熊有伦

机器人技术基础

华中科技大学出版社

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