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双臂机器人运动学建模及仿真
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第一部分:机器人运动学建模
,建立其DH参数表
,计算得到其位姿矩阵
,得到末端执行机构相对于基座的位姿矩阵,完成其正运动学建模。
,完成逆运动学的推导验证,从而完成逆运动学建模。
在建模前期,我们需要做一些必要准备工作,下面我们将介绍运动学建模理论知识的准备。
运动学建模理论知识的准备
1,机器人机构简介
常规的,我们观察一个机器人,它是由机器人机身,手臂及末端执行机构组成,这是一个机器人要完成一个基本动作指令的必备机构部分。机器人机身主要起到支撑,连接和安装的作用,它是一个机器人的“身体”,其他机构必须附着在机身上面才能在一个立体的空间中完成复杂的运动。一般的,机身拥有两个自由度即腰部的俯仰以及腰部的扭转;手臂是动力传输部分,它很大程度上决定了一个机器人的工作范围与工作半径,仿人手机器人手臂一般拥有至少六个自由度,大臂的扭转运动和环绕关节的旋转运动,小臂的扭转运动和环绕关节的旋转运动,腕部的扭转运动和环绕关节的旋转运动。在实际中,为了更好的实现运动,一般将手臂上的自由度设计多于六个,是一个冗余自由度的机器人,这对机器人完成复杂运动操作至关重要;末端执行机构方式不一,可以为机械手用作抓取工件,也可以为焊枪用作焊接工序等。按照坐标的形式可划分为直角坐标型机器人,圆柱坐标型机器人以及球坐标系型机器人,如下图所示。按照控制的方式可分成点位控制机器人与连续轨迹机器人。

在建立坐标变换方程时,把一系列的坐标系建立在连接连杆的关节上,用齐次坐标变换来描述这些坐标之间的相对位置和方向,就可以建立起机器人的运动学方程。问题的关键在于如何在每个关节上确定坐标系的方向,以及如何确定相邻两个坐标系之间的相对平移量和旋转量。一般我们运用Denauit-Hartenbery法即D-H参数法建立机器人的坐标系。
D-H参数法的基本思路就是给每个关节定义一个坐标系,其次确定从一个关节到下一个关节(一个坐标到下一个坐标)变换的方法。将从基座坐标系到第一个关节坐标系,再从第一个关节坐标系到第二个关节坐标系一致到最后一个关节坐标系的所有变换综合起来,就得到了机器人的总体变换矩阵。
下面我们来介绍如何建立坐标系以及D-H参数法变换过程
坐标系的确立
D-H参数法变换
手臂坐标系的建立
在当前视图中,我们将手臂使其变成如图所示姿态,并建立坐标系,其中黑色为X轴
简化后的手臂坐标系
其中黑色为X轴变换关系为红橙黄绿蓝靛紫
由于机器人是冗余的机器人我们将其腰转及大臂的扭转固定,使其成为一个6自由度的机器人,如图:
DH参数表
i
θ
d
a
α
1
θ1

0
pi/2
2
θ2
0

0
3
θ3
0
0
-pi/2
4
θ4
-359
0
pi/2
5
θ5
0
0
-pi/2
6
θ6
-
0
0
计算矩阵
Ai为由i到i+1坐标变换的矩阵