(論文)adams環(huán)境下工業(yè)機器人運動控制論文最新優(yōu)秀畢業(yè)論文資料搜集嘔血奉獻

西 南 交 通 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）ADAMS環(huán)境下工業(yè)機器人運動控制和聯(lián)合仿真Motion Control And Co-simulation Of Industrial Robot iN ADAMS Environment年 級: 學(xué) 號:姓 名: 專 業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)老師: 20 年 6 月 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 第I頁院 系 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 年 級 姓 名 題 目 ADAMS環(huán)境下工業(yè)機器人運動控制和聯(lián)合仿真 指導(dǎo)教師評 語 指導(dǎo)教師 (簽章)評 閱 人評 語 評 閱 人 (簽章)成 績 答辯委員會主任 (簽章) 年 月 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 第72頁 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書班 級 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 發(fā)題日期： 20 年 月 日 完成日期： 20 年 月 日題 目 ADAMS環(huán)境下工業(yè)機器人運動控制和聯(lián)合仿真 1、 本論文的目的、意義在制造系統(tǒng)中，工業(yè)機器人扮演著重要的角色，從加工、制造、裝配，配送等過程環(huán)節(jié)，工業(yè)機器人因其自身的靈活性應(yīng)用越來越廣泛，它已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化三大領(lǐng)域之一，它的水平高低和應(yīng)用程度反應(yīng)出了一個國家工業(yè)水平的高低。本項目通過對工業(yè)機器人運動學(xué)、系統(tǒng)模型建立與仿真，研究工業(yè)機器人在使用中的運動學(xué)分析以及基本的控制方法，并通過ADAMS實現(xiàn)對工業(yè)機器人實際運動的研究和仿真，將控制響應(yīng)過程通過OpenGL環(huán)境實現(xiàn)視景仿真。 2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)1）源程序及相應(yīng)的文檔，實現(xiàn)如下功能：工業(yè)機器人運動學(xué)模型建立與仿真，動力學(xué)模型建立與仿真，通過Matlab控制模型輸出的數(shù)據(jù)實現(xiàn)視景仿真等。 2）翻譯課題相關(guān)外文資料。 3）畢業(yè)論文說明書。 3、論文各部分內(nèi)容及時間分配：（共 12 周）第一部分 實習(xí)調(diào)研、收集資料 （1-2周）第二部分 方案選擇、總體設(shè)計、軟件熟悉 （3-4周）第三部分 系統(tǒng)建模、編程 （5-8周）第四部分 聯(lián)合仿真、測試及文檔的編寫 （9周）第五部分 編寫畢業(yè)論文說明書 （10-11周）評閱及答辯 （12周） 指導(dǎo)教師： 年 月 日審 批 人： 年 月 日摘 要 虛擬樣機技術(shù)就是在建造第一臺物理樣機之前,設(shè)計師利用計算機技術(shù)建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型,進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性,從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。ADAMS軟件是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的虛擬樣機分析軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。但針對復(fù)雜的機器人機械系統(tǒng)，要想準(zhǔn)確的控制其運動，僅依靠ADAMS軟件自身也很難做到；MATLAB軟是Mathworks公司開發(fā)的一種集計算、圖形可視化和編輯功能于一體的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，具有強大的計算能力，能夠建立復(fù)雜的控制模型準(zhǔn)確控制復(fù)雜機器人系統(tǒng)的運動；OpenGL（開放式圖形庫全稱）是SGI公司開發(fā)的底層三維圖形API，目前在圖形開發(fā)領(lǐng)域已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。使用OpenGL可以創(chuàng)建視覺質(zhì)量接近射線跟蹤程序的精致漂亮的3D圖形。Visual C+ 6.0已經(jīng)成為集編輯、編譯。運行、調(diào)試為一體的功能強大的集成編程環(huán)境，在Windows編程中占有重要地位。OpenGL和Visual C+ 6.0有緊密接口，利用二者可以開發(fā)出優(yōu)秀的視鏡仿真系統(tǒng)。ADAMS、MATLAB和Visual C+ 6.0由于定位不同，都有各自的優(yōu)勢和缺點，但是三者之間又可以通過接口聯(lián)合控制或者混合編程。本文分別利用ADAMS對三自由度機器人的運動學(xué)和軌跡優(yōu)化方案進行研究，利用Visual C+ 6.0、OpenGL和從MATLAB里導(dǎo)出的控制模型的數(shù)據(jù)對三自由度機器人進行了視景仿真的研究。論文首先通過建立坐標(biāo)系和矩陣變換，對剛體的空間表示進行了闡述，然后采用通用的D-H法則，將機器人關(guān)節(jié)角度參數(shù)化，推導(dǎo)出其正運動學(xué)方程和逆運動關(guān)節(jié)角，并計算出機器人手部的初始坐標(biāo)。其次采用ADAMS軟件，詳細介紹了機器人三維建模過程，包括整體框架構(gòu)建，單個構(gòu)件繪圖和布爾運算等，并對機器人關(guān)節(jié)點進行了參數(shù)化設(shè)計。最后從機器人軌跡規(guī)劃的基本原理和方法出發(fā)，比較分析了關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃的差別，并采用三次多項式和五次多項式對機器人進行了軌跡規(guī)劃，利用ADAMS軟件中內(nèi)嵌的Step函數(shù)對運動軌跡進行了仿真分析。然后在Windows XP Professional的系統(tǒng)環(huán)境下，以Visuall C+6.0為開發(fā)工具，建立了三自由度機械手視景仿真系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了仿真系統(tǒng)對MATLAB控制模型導(dǎo)出數(shù)據(jù)的讀取和利用。關(guān)鍵詞:運動學(xué) 軌跡規(guī)劃 ADAMS虛擬樣機技術(shù) 視景仿真 紋理映射 AbstractBefore manufacturing the first physical prototype, the designers used computer technology to build a mechanical system of digital model for analysis simulation, which showed that the system works in real conditions of the various characteristics, so as to be revised and Optimal design. This process is called Virtual prototyping technology. Now ADAMS software is widely used in virtual prototyping analysis in the world, it is very convenient for the user to use this software ot do the statics, kinematics and dynamics analysis for the virtual machine system.But to the complicated robot mechanical system,it is also very hard to do the accurate control of its movement only rely on ADAMS software itself ;MATLAB is one of the outstanding mathematics application software integrating calculation, graphical visualization and editing functions developed by the Mathworks company , and it has strong ability in complex calculation, being able to create the control model to do accurate control of the robot systems complicated movement . OpenGL(the full name of Open graphics libraries) is a 3D graphics Application Programming Interface in the bottom,now having been the industry standard in the area of graphics developing.You can create delicate and beautiful 3D graphics using OpenGL,whose visual quality is close to ray tracing program . Visual C + + 6.0 has become powerful integrated programming environment with editing, compiling. Operating and debugging, and occupies an important position in the Windows programming. Visual C + + 6.0 and OpenGL has close interface, using them we can develop good endoscopic simulation system. Because of the different due , ADAMS, Visual C + + 6.0 and MATLAB have their own respective advantages and disadvantages, but we can also do the joint control or mixing programming through the interface between the three.In this paper, the author do research tokinematics and track optimization scheme of 3-dof robot based on ADAMS , also do the Visual simulation research of 3-dof robot using the data of the control model derived from the MATLAB based on Visual C + + 6.0 and OpenGL.First of all, through the establishment of coordinates and matrix transformation, the rigid body of the space that was elaborated, and then use the D-H rule, Robot parameters of the joint were gained, equations of motion were given, and the joints angle were known , initial coordinates of Robot hand can be calculated. Followed by ADAMS software, we processed details of the robot three-dimensional modeling, including the overall framework for building, mapped a single component and Boolean operation, designed parameters for the robot and the key points. Finally, we introduced the basic principles and methods of robot trajectory planning, and compared differences between the joint space trajectory planning and rectangular coordinates space trajectory planning. the cubic polynomial and five polynomial of the robot trajectory planning were carried out, the Step function were used on a trajectory simulation analysis of ADAMS software.Then in Windows XP system environment, using Visual C + + 6.0 as development tool, the author establish a 3-dof manipulator visual simulation system, realizing the accessing and using to the data of control model derived from MATLAB .Key words: kinematics trajectory planning ADAMS virtual prototyping technology Visual simulation Texture mapping 目 錄第一章 緒論11.1工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀11.2 虛擬樣機技術(shù)簡介11.2.1 虛擬樣機的定義和特點21.2.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢21.4 本文要研究的主要內(nèi)容4第二章 機器人運動學(xué)52.1 空間點和坐標(biāo)系的表示52.1.1 空間點的向量表示52.1.2坐標(biāo)系在固定參考坐標(biāo)系中的表示62.2 坐標(biāo)系的變換62.2.1 齊次變換62.2.2 坐標(biāo)系相對于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換102.2.3 變換矩陣的逆102.3 機器人的正逆運動學(xué)112.3.1正運動學(xué)的D-H表示法122.3.2逆運動學(xué)方程的求解152.4 微分運動16第三章 基于ADAMS的機器人的虛擬樣機分析183.1 ADAMS概述183.2 ADAMS中機器人模型的建立183.2.1 設(shè)置建模環(huán)境193.2.2機器人實體建模193.2.3 機器人模型的設(shè)置203.3 軌跡規(guī)劃仿真分析213.3.1 軌跡規(guī)劃方法的理論分析213.3.2 軌跡規(guī)劃仿真分析27第四章 基于模型的視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)324.1 OpenGL概述334.1.1 OpenGL工作方式334.1.2 OpenGL繪制過程344.2 機器人三維可視化框架建立354.2.1 利用MFC建立單文檔應(yīng)用程序框架354.2.2 設(shè)置OpenGL繪圖環(huán)境374.3 機械手三維模型的建立404.3.1 導(dǎo)入機械手模型404.3.2 在OpenGL中建立機械手的模型414.4 建立仿真場景445.4.1 紋理貼圖的實現(xiàn)454.4.2 設(shè)置光照484.5 基于模型的視景仿真的實現(xiàn)514.5.1 數(shù)據(jù)的讀取524.5.2 利用讀取的數(shù)據(jù)控制機械手的運動554.5.3 實現(xiàn)觀察視角的交互式鍵盤控制60結(jié)論63致謝65附錄66參考文獻73實習(xí)報告74第一章 緒論1.1工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀1961年，美國的Consolided Control Corp和AMF公司聯(lián)合制造了第一臺實用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，迄今為止，世界上對工業(yè)機器人的研究已經(jīng)經(jīng)歷了四十余年的歷程，日本、美國、法國、德國的機器人產(chǎn)業(yè)已日趨成熟和完善。工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)?！?】 它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。如，2004年德國汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)機器人的數(shù)量為1140臺。【2】在國外，工業(yè)機器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機器人公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Technology、American Robot、意大利COMAU，英國的AutoTech Robotics公司，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。在我國，工業(yè)機器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)接近20多年了，已經(jīng)基本實現(xiàn)了試驗、引進到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。2004年全年國產(chǎn)工業(yè)機器人數(shù)量（主要指在國內(nèi)生產(chǎn)和組裝的）突破1400臺，產(chǎn)值突破8億元人民幣。進口機器人數(shù)量超過9000臺，進口額達到2.6億美元。國內(nèi)各個工業(yè)機器人廠家都呈現(xiàn)出產(chǎn)銷兩旺的局面。截至2004年底，我國工業(yè)機器人市場已經(jīng)突破30億元人民幣?！?】 現(xiàn)階段，我國工業(yè)機器人正逐步發(fā)展成為一種有影響力的產(chǎn)業(yè)。1.2 虛擬樣機技術(shù)簡介1.2.1 虛擬樣機的定義和特點虛擬樣機技術(shù)就是在建造第一臺物理樣機之前,設(shè)計師利用計算機技術(shù)建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型,進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性,從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。該技術(shù)以機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心,加上成熟的三維計算機圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù),將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)集成在一起,提供一個全新研發(fā)機械產(chǎn)品的設(shè)計方法。它是一種計算機模型,它能夠反映實際產(chǎn)品的特性,包括外觀、空間關(guān)系以及運動學(xué)和動力學(xué)的特性。借助于這項技術(shù),設(shè)計師可以在計算機上建立機械系統(tǒng)的模型,伴之以三維可視化處理,模擬在真實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和動力特性,并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)。虛擬樣機技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能,對產(chǎn)品進行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎(chǔ)上,把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合,為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個全新的設(shè)計方法。它具有以下特點：A 全新的研發(fā)模式虛擬樣機技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)性的產(chǎn)品優(yōu)化,使產(chǎn)品在概念設(shè)計階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計方案,確定影響性能的敏感參數(shù),并通過可視化技術(shù)設(shè)計產(chǎn)品、預(yù)測產(chǎn)品在真實工況下的特征,從而獲得最優(yōu)工作性能。B 研發(fā)成本低、周期短、產(chǎn)品質(zhì)量高通過計算機技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型,可以完成無數(shù)次物理樣機無法進行的虛擬試驗,不但減少了物理樣機的數(shù)量,降低了成本,而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。C 實現(xiàn)了動態(tài)聯(lián)盟廣泛地采用動態(tài)聯(lián)盟, 通過Internet共享和交流，臨時締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)，適應(yīng)了快速變化的全球市場,克服單個企業(yè)資源的局限性。1.2.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢虛擬樣機技術(shù)在一些較發(fā)達國家,如美國、德國、日本等已得到廣泛的應(yīng)用,應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、工程機械、航空航天業(yè)、到醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等很多方面。美國航空航天局(NASA)的噴氣推進實驗室(JPL)研制的火星探測器“探路號”，就是JPL工程師利用虛擬樣機技術(shù)仿真研究研發(fā)的。美國波音飛機公司的波音777飛機是世界上首架以無圖方式研發(fā)及制造的飛機,其設(shè)計、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機技術(shù),不但縮短了研發(fā)周期、降低了研發(fā)成本,而且確保了最終產(chǎn)品一次接裝成功。我國從“九五”期間開始跟蹤和研究虛擬樣機的相關(guān)技術(shù),主要研究集中在虛擬樣機的概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的支撐技術(shù),應(yīng)用多集中在一些高精尖領(lǐng)域。近年來,才嘗試著將虛擬樣機技術(shù)用于一般機械的開發(fā)研制。天津大學(xué)與河北工業(yè)大學(xué)采用虛擬樣機技術(shù)聯(lián)合開發(fā)了沖擊式壓實機,對其進行了仿真計算,得到各部件的運動規(guī)律曲線,驗證了壓實機各部件參數(shù)值的合理性。【4】虛擬樣機概念正向廣度和深度發(fā)展,今后的虛擬樣機技術(shù)將更加強調(diào)部件、技術(shù)、知識的重用,強調(diào)便于虛擬樣機柔性協(xié)同的運行管理的組織重構(gòu),強調(diào)跨領(lǐng)域技術(shù)的溝通支持，重點在以下幾個方面進行研究：（1）基于虛擬樣機的優(yōu)化設(shè)計；（2）以虛擬樣機為中心的并行設(shè)計設(shè)計；（3）分析和仿真工具的集成；（4）虛擬樣機系統(tǒng)的容錯性研究。1.3 視景仿真技術(shù)簡介1.3.1 視景仿真的定義和特點視景仿真又稱虛擬仿真虛擬現(xiàn)實仿真。它是21世紀(jì)最有前景的高科技技術(shù)之一，它是計算機技術(shù)，圖形圖象技術(shù)，光學(xué)技術(shù)，控制技術(shù)等多種高科技的結(jié)合，是延伸人類感覺器官的一門科學(xué)，通過對現(xiàn)實世界或者是人類想象的虛擬世界進行三維建模并實時驅(qū)動，通過頭盔顯示器或者三維投影技術(shù)顯示出來。視景仿真(Visual Simulation)是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說，就是采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作 用、相互影響，從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真實環(huán)境的感受和體驗。其作為計算機技術(shù)中最為前沿的應(yīng)用領(lǐng)域之一，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實、模擬駕駛、場景再現(xiàn)、城市規(guī)劃及其它應(yīng)用領(lǐng)域。計算機仿真又稱全數(shù)字仿真，是根據(jù)相似原理，利用計算機來逼真模仿研究系統(tǒng)中的研究對象，將研究對象進行數(shù)學(xué)描述，建模編程，并且在計算機中運行實現(xiàn)作為計算機仿真的組成部分，視景仿真采用計算機圖形圖像技術(shù)，根據(jù)仿真的目的構(gòu)造仿真對象的三維模型并再現(xiàn)真實的環(huán)境，達到非常逼真的仿真效果目前，視景仿真技術(shù)在我國已廣泛應(yīng)用于各種研究領(lǐng)域：軍事演練、城市規(guī)劃仿真、大型工程漫游、名勝古跡虛擬旅游、模擬訓(xùn)練以及交互式娛樂仿真等視景仿真技術(shù)對作戰(zhàn)裝備的使用效果有很好的實時顯示，給人以強烈的視覺上的沖擊，對提高武器裝備的性能、研制效率有著重要的作用1.3.2 工業(yè)機器人視景仿真系統(tǒng)研究的意義由于機器人價格昂貴,以及機器人的作業(yè)空間需要較大而獨立的試驗場地等諸多原因,不可能達到每個需要學(xué)習(xí)機器人的人都能親自操作機器人的要求。而可視化技術(shù)的出現(xiàn),使得人們能夠在三維圖形世界中觀察機器人,并通過計算機交互式對機器人進行示教仿真?；赩C+6.0的OpenGL上的工業(yè)機器人的視景仿真系統(tǒng)可以提供一個真實的實驗平臺，在不接觸實際機器人及其工作環(huán)境的情況下，通過圖形技術(shù)，提供一個和機器人進行交互的虛擬環(huán)境。此系統(tǒng)充分利用OpenGL的實時交互性，模擬工業(yè)機器人的示教/再現(xiàn)過程，可以在此系統(tǒng)上編輯工業(yè)機器人的程序并動態(tài)模擬工業(yè)機器人的運動過程，觀察工業(yè)機器人的運動結(jié)果，檢驗所編寫工業(yè)機器人程序的正確性。進行實物實驗之前，可以先在仿真系統(tǒng)上進行模擬仿真，觀察實驗的運動過程以及運動結(jié)果，避免直接在現(xiàn)實中操作對工業(yè)機器人及周圍物體可能造成的傷害。另外，對于剛接觸工業(yè)機器人的操作員來說，此系統(tǒng)可以提供與現(xiàn)實工業(yè)機器人幾乎相同的操作步驟，在操作員真正操作工業(yè)機器人之前，可以增加其操作的熟練程度，增加安全系數(shù)。1.4 本文要研究的主要內(nèi)容為了簡化研究，本文采用一個3自由度關(guān)節(jié)機器人，分別通過ADAMS軟件的建模和仿真，結(jié)合MATLAB的運算功能，進行了機器人運動學(xué)分析和空間坐標(biāo)的軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)運動軌跡的最優(yōu)化。又在Windows XP環(huán)境下，利用Visual C+6.0和OpenGL完成了基于模型的視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，具體工作如下：（1）進行運動學(xué)分析。按照通用的D-H法則，通過矩陣變換，得到了機器人的正運動學(xué)方程和初始坐標(biāo)，推導(dǎo)出機器人逆運動學(xué)的關(guān)節(jié)角度。（2）在ADAMS/View中構(gòu)造機器人部件，運用約束庫中的移動和旋轉(zhuǎn)副對部件進行鏈接，添加驅(qū)動力，實現(xiàn)機器人的運動，完成三維建模。（3）對機器人的運行軌跡進行多項式優(yōu)化，利用ADAMS/View的仿真和后處理模塊，繪制小臂末端處所取點的位置、速度、加速度、角速度和角加速度曲線，結(jié)合曲線進行三次多項式和五次多項式軌跡規(guī)劃的仿真分析，并進行比較分析。（4）利用Visual C+6.0和OpenGL導(dǎo)入并建立機械手模型，建立仿真場景，實現(xiàn)基于模型數(shù)據(jù)的運動仿真，并實現(xiàn)視角的交互式鍵盤控制。第二章 機器人運動學(xué)機器人運動學(xué)指研究機器人各個連桿相對運動的空間幾何關(guān)系。在實際應(yīng)用中，最為感興趣的問題是機器人手部（即末端執(zhí)行器）相對于參考坐標(biāo)系的空間描述。機器人可以看成為一個開環(huán)的運動鏈，該鏈?zhǔn)怯梢唤M桿件相連而成，其一端固定在基座上，另一端固定在機器人手部上。兩個桿件之間通過關(guān)節(jié)相連，關(guān)節(jié)由驅(qū)動器驅(qū)動，使桿件之間產(chǎn)生相對運動，從而使機器人手部達到期望的位置和姿態(tài)。在機器人運動學(xué)的研究過程中，又可以分為兩類基本問題，即機器人運動學(xué)的正問題與逆問題。其中，機器人運動學(xué)的正問題指在已知桿件幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)變量值的前提下，求解機器人手部相對于參考坐標(biāo)系的位置與姿態(tài)的問題；機器人運動學(xué)的逆問題指根據(jù)機器人手部在笛卡爾坐標(biāo)系中的位置與姿態(tài)求解機器人各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量值的問題?！?】2.1 空間點和坐標(biāo)系的表示2.1.1 空間點的向量表示在直角坐標(biāo)系中，可以用一個31的位置矢量來表示空間內(nèi)任意一點的位置。對于直角坐標(biāo)系中任意一點p的位置可以用31的位置矢量P表示為 (2-1) 如圖2-1所示， ，和分別表示點P在當(dāng)前坐標(biāo)系中的三個坐標(biāo)軸方向的分量。這里P稱為位置矢量，這 種表示法也可變化為如下形式： 圖2-1 空間點的位置表示 (2-2)加入一個比例因子，使得 ，為的齊次坐標(biāo)?！?0】2.1.2坐標(biāo)系在固定參考坐標(biāo)系中的表示當(dāng)一個坐標(biāo)系位于另一個坐標(biāo)系中時，如圖2-2所示，通常用三個互相垂直的單位向量n、o、a表示，這三個變量分別代表法線（normal）、指向（orientation）與接近（approach）向量（如圖2-2所示）。每一個單位向量都可以由它所在參考坐標(biāo)系中的三個分量表示，這樣，坐標(biāo)系F就可以表示為由四個向量組成的矩陣： （2-3）圖2-2 一個坐標(biāo)系在另一個坐標(biāo)系中的表示式（2-3）中前三個列向量取w=0，表明該坐標(biāo)系三個單位向量n、o、a的方向。而第四個列向量中w=1，表示該坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系的位置。2.2 坐標(biāo)系的變換坐標(biāo)系的變換包括繞固定參考坐標(biāo)系的變換和繞運動參考坐標(biāo)系的變換。2.2.1 齊次變換空間中一個坐標(biāo)系相對于固定的參考坐標(biāo)系的運動稱為齊次變換。齊次變換可以是平移運動，可以是旋轉(zhuǎn)運動，也可以是平移與旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運動。（1） 純平移齊次變換如果一個坐標(biāo)系（它可能表示的是一個物體）在空間運動中相對于固定參考坐標(biāo)系的姿態(tài)不發(fā)生變化，即該坐標(biāo)系的三個單位向量方向不變，只改變它的坐標(biāo)原點位置，則稱這種運動為平移運動。如圖2-3所示，坐標(biāo)系A(chǔ)沿平移向量d平移到新的位置： (2-4)其中是平移向量d相對于固定參考系三個坐標(biāo)軸方向的分量?！?】圖2-3 坐標(biāo)系的平移平移后新的坐標(biāo)系原點位置向量可以表示為原來坐標(biāo)系的原點位置向量與位移向量d的矢量和。若采用矩陣形式，新坐標(biāo)系的矩陣表示可以通過將坐標(biāo)系左乘變換矩陣。由于平移過程中方向向量保持不變，所以平移變換矩陣T可以簡單地表示為: (2-5)可以看到，矩陣的前三列沒有旋轉(zhuǎn)運動（等同于單位矩陣），而最后一列表示平移運動，這個方程可以用符號表示如下： (2-6)即 (2-7) （2） 繞軸純旋轉(zhuǎn)齊次變換為了簡化旋轉(zhuǎn)變換的推導(dǎo)，假設(shè)坐標(biāo)系B位于坐標(biāo)系A(chǔ)的原點。純旋轉(zhuǎn)就是B坐標(biāo)系在空間中運動中相對于固定參考坐標(biāo)系A(chǔ)的位置不發(fā)生變化，即只改變該坐標(biāo)系三個單位向量的方向而不改變其原點位置。這樣坐標(biāo)系B可以由坐標(biāo)系A(chǔ)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)次變換后得到，由此可以推廣到其他旋轉(zhuǎn)情況。設(shè)向量x, y, z為坐標(biāo)系A(chǔ)的三個單位向量，空間任意一點p的位置可以用向量p表示。向量p在坐標(biāo)系A(chǔ)中的表示為： (2-8)向量p在坐標(biāo)系B中的表示為： (2-9)則向量在坐標(biāo)系A(chǔ)中的投影分別為 (2-10) (2-11) (2-12) 寫成齊次矩陣形式則為： (2-13) (2-14)當(dāng)坐標(biāo)系B只相對于坐標(biāo)系A(chǔ)單個軸轉(zhuǎn)動時稱為基本變換矩陣。如坐標(biāo)系B只繞坐標(biāo)系A(chǔ)的x軸轉(zhuǎn)動角度時，基本轉(zhuǎn)動變換矩陣記為Rot(x,)，由式（2-14）可以計算得： (2-15)可以用同樣的方法來分析坐標(biāo)系B繞坐標(biāo)系A(chǔ)的y軸和z軸旋轉(zhuǎn)的情況，結(jié)果如下： (2-16) (2-17)（3） 復(fù)合齊次變換復(fù)合齊次變換是有由固定坐標(biāo)系或當(dāng)前運動坐標(biāo)系的一系列沿軸平移和繞軸旋轉(zhuǎn)變換所組成的，此時該固定坐標(biāo)系在參考系中不僅原點位置發(fā)生變化，同時它的三個坐標(biāo)軸單位向量的方向也發(fā)生變化。此時的變換順序很重要，變換順序不同，結(jié)果不同。我們假設(shè)坐標(biāo)系(n, o, a)相對于參考坐標(biāo)系(x ,y ,z)依次進行了下列四個變換：l 繞z軸旋轉(zhuǎn)度l 繞z軸平移dl 繞x軸平移al 繞x軸旋轉(zhuǎn)度則復(fù)合齊次變換可由下式求解： (2-18)可見，齊次變換矩陣是由一組平移和旋轉(zhuǎn)矩陣依次左乘獲得，矩陣書寫的順序和進行變換的順序正好相反，而且變換的順序不能更改，否則結(jié)果會隨之改變?！?】2.2.2 坐標(biāo)系相對于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換前面我們所討論的所有變換都是相對于固定參考坐標(biāo)系的。也就是說，所有平移和旋轉(zhuǎn)都是相對于參考坐標(biāo)系的軸來測量的。然而事實上，也有可能相對于運動坐標(biāo)系或當(dāng)前坐標(biāo)系的軸的變換。例如，相對于運動坐標(biāo)系（當(dāng)前坐標(biāo)系）的n軸而不是參考坐標(biāo)系的x軸旋轉(zhuǎn)度。為了計算當(dāng)前坐標(biāo)系中點的坐標(biāo)相對于參考坐標(biāo)系的變化，我們需要右乘變換矩陣而不是左乘。由于運動坐標(biāo)系中的點或剛體的位置總是相對于運動坐標(biāo)系測量的，所以必須右乘來表示該點或剛體的位置矩陣。2.2.3 變換矩陣的逆在分析機器人時，如果已知坐標(biāo)系B相對于坐標(biāo)系A(chǔ)的值，為了得到A相對于B的描述,需要求這個矩陣的逆。一個直接求逆的方法就是將44齊次變換求逆。同樣，我們還可以通過變換的性質(zhì)求逆。下面是關(guān)于x軸簡單旋轉(zhuǎn)矩陣的求逆過程。旋轉(zhuǎn)矩陣如下： (2-19)我們采用以下的步驟來計算旋轉(zhuǎn)矩陣的逆： 1) 計算矩陣的行列式2) 將矩陣轉(zhuǎn)置3) 將轉(zhuǎn)置矩陣的每個元素用它的子行列式代替4) 用轉(zhuǎn)置后的矩陣除以行列式通過以上步驟我們得到： (2-20)關(guān)于x軸的旋轉(zhuǎn)矩陣的逆與它的轉(zhuǎn)置矩陣相同，即： (2-21) 2.3 機器人的正逆運動學(xué)對于一個已知構(gòu)型的機器人，當(dāng)它的連桿長度和關(guān)節(jié)角度都已知時，計算機器人手的位姿就稱為正運動學(xué)。也就是說，如果已知機器人所有的關(guān)節(jié)變量，用正運動學(xué)方程就能計算任一瞬間機器人的位置和姿態(tài)。如果要將機器人的手放到一個期望的位姿，就必須知道機器人所有關(guān)節(jié)的長度和角度。由機器人手的位姿來求關(guān)節(jié)和連桿變量的過程就稱為機器人的逆運動學(xué)。對于正運動學(xué)，必須推導(dǎo)出一組特定方程，我們只要將已知的關(guān)節(jié)和連桿變量代入方程就能計算出機器人的位姿，然后再根據(jù)這些方程求解出逆運動學(xué)方程。在空間中，要確定一個物體的幾何狀態(tài)需要確定其3個位移坐標(biāo)（位置）和三個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（姿態(tài)）。機器人手部的空間位置和姿態(tài)的表示可以借助一個固連在它上面的參考坐標(biāo)系來表示，只要這個坐標(biāo)系可以在基座的參考坐標(biāo)系的空間中表示出來，那么該機器人手部相對于基座的位姿就是已知的了，可采用齊次坐標(biāo)變換的方法完成這兩個坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。圖2-3 機器人手的位置和姿態(tài)描述 機器人手部的位姿如圖2-3所示，可由固接在機器人手部的坐標(biāo)系B來表示。該坐標(biāo)系由其原點位置和三個單位矢量(n, o, a)唯一確定。坐標(biāo)系A(chǔ)表示固連在機器人基座上的固定參考坐標(biāo)系。向量P為坐標(biāo)系B原點在坐標(biāo)系A(chǔ)中的位置矢量。前面已經(jīng)討論過了一個坐標(biāo)系在固定坐標(biāo)系的表示故這里直接給出坐標(biāo)系B在坐標(biāo)系A(chǔ)中的位姿的表示： （2-22）2.3.1正運動學(xué)的D-H表示法機器人建模采用的是Denavit和Hartenberg提出來的標(biāo)準(zhǔn)方法，我們簡稱為D-H模型，該模型可用于任何復(fù)雜的機器人構(gòu)型。假設(shè)機器人由一系列的關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)成，這些關(guān)節(jié)包括滑動的和旋轉(zhuǎn)的，連桿長度任意，確保在空間能構(gòu)成任意想要的機器人模型。為了表示這個模型，我們需要為每個關(guān)節(jié)指定一個參考坐標(biāo)系，然后再考慮從一個關(guān)節(jié)到下一個關(guān)節(jié)的變換。假設(shè)一個機器人由任意多的連桿和關(guān)節(jié)以任意形式構(gòu)成。如圖2-4所示，任意三個順序連接的關(guān)節(jié)和連桿，每個關(guān)節(jié)都可以平移或旋轉(zhuǎn)。指定第一個關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)n，第二個第三個關(guān)節(jié)分別為n+1和n+2,連桿n位于關(guān)節(jié)n和n+1之間，連桿n+1位于關(guān)節(jié)n+1和關(guān)節(jié)n+2之間，這些關(guān)節(jié)和連桿前后還有其他連桿和關(guān)節(jié)。圖2-4 關(guān)節(jié)-連桿組合的通用D-H表示法D-H表示法建模的第一步是為每個關(guān)節(jié)指定本地參考坐標(biāo)系，每個關(guān)節(jié)都必須指定x軸和軸，由于D-H法不用y軸，一般不指定y軸。具體步驟如下：l 所有關(guān)節(jié)用軸表示，如果關(guān)節(jié)是旋轉(zhuǎn)，軸位于按右手規(guī)則旋轉(zhuǎn)的方向，如果關(guān)節(jié)是滑動的，軸為沿直線運動的方向。關(guān)節(jié)n處軸的下標(biāo)記作n-1。對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，繞軸的旋轉(zhuǎn)（角）是關(guān)節(jié)變量，對于滑動關(guān)節(jié)，沿軸的連桿長度d是關(guān)節(jié)變量。l 如圖2-4所示，通常關(guān)節(jié)不一定平行或相交，因此z軸通常是斜線，但總有一條公垂線，正交于任意兩條斜線。通常在公垂線方向上定義本地參考坐標(biāo)系的x軸。例如表示和之間的公垂線，的方向即沿方向。l 如果兩個關(guān)節(jié)的軸平行，那么它們之間就有無數(shù)條公垂線，我們可以挑選與前一公垂線共線的公垂線，從而簡化模型。l 若兩相鄰的關(guān)節(jié)軸相交，則不存在公垂線，我們選擇垂直于兩軸平面的任意直線，同樣簡化了模型。在圖2-4中，角表示繞軸的旋轉(zhuǎn)，表示軸上兩相鄰公垂線之間的距離，表示每一條公垂線的長度，角表示相鄰兩軸的夾角。通常只有和是變量。從一個參考坐標(biāo)系變換到另一個參考坐標(biāo)系（例如從-到-），可以通過以下四步標(biāo)準(zhǔn)運動實現(xiàn)：l 繞軸旋轉(zhuǎn)，使得和相互平行且共面。l 沿軸平移距離，使得和共線。l 沿軸平移距離，使得的原點重合，此時兩個坐標(biāo)系的原點在同一位置。l 將軸繞旋轉(zhuǎn)，使得和對準(zhǔn)。至此，坐標(biāo)系和坐標(biāo)系+1完全一致，變換結(jié)束。在+1和+2坐標(biāo)系間按照同樣的運動順序也可以實現(xiàn)坐標(biāo)系間的變換。我們可以從參考坐標(biāo)系開始，轉(zhuǎn)換到機器人底座，再到第一個關(guān)節(jié)，依次下去直至末端執(zhí)行器。每個變換矩陣（記作A）都是由上述四個矩陣依次右乘的結(jié)果： （2-23） （2-24）從機器人基座到手（末端執(zhí)行器）之間的總變換可以表示為： （2-25）為了簡化計算，我們?yōu)殛P(guān)節(jié)和連桿參數(shù)制作一個表格，每個參數(shù)可以從機器人的原理圖上讀出，計算時再這些參數(shù)代入A矩陣。在本文中設(shè)計的簡單三自由度機器人模型參數(shù)如圖2-5所示。所有鏈接采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，D-H參數(shù)如表2-1所示。圖2-5 簡單三自由度機器人（單位：英寸）表2-1 機器人D-H參數(shù)表（逆轉(zhuǎn)為正，順轉(zhuǎn)為負）連桿ida19000020650-903-30020