4-D0F采样机械臂静态位姿误差研究

第一章绪论

1.1引言
机器人按照使用功能的不同，可以大体分为工业机器人、极限环境作业机器人以及医疗机器人三种。其中极限环境作业机器人又称为特种机器人，它可以代替人类完成某些危险环境下或者人类目前无法到达环境下的作业任务，最能体现机器人的应用价值[2-3]。目前此类机器人在海洋探测、航天工程、排爆作业及核工业等领域已经得到较为广泛的应用。对于特种机器人来说，它是为了完成某项特定的任务而诞生的，任务的独特性也就决定了对其进行运动控制应具有较强的针对性，而轨迹规划又是运动控制的基础，是需要深入研究的。轨迹规划可以在关节空间或笛卡尔空间进行，科研人员应该根据具体作业任务选择规划空间。在关节空间进行的轨迹规划是指将关节变量表示为时间的函数，而笛卡尔空间是将末端执行器的位移、速度和加速度表示为时间的函数[2]。精度是衡量机器人性能的重要指标，对于机器人的可靠性具有非常重要的意义，在某种程度上甚至是决定其能否应用于工程实际的关键因素。
因此，在设计阶段就有必要提出机器人精度的概念，以便于制定科学合理的设计指标[4-5]。精度的高低是通过误差大小来体现的，因此精度问题也就等同于误差问题，误差又可分为静态误差、柔性误差以及控制误差。静态误差是指假设机械臂各组成构件为理想刚体时，由于制造、装配、控制等因素造成的末端误差；柔性误差是指考虑机械臂构件为柔性时，由于构件柔性变形因素所造成的末端误差；而控制误差是由于控制系统或元器件的不精确，造成的末端误差。本文主要针对机械臂的静态误差进行分析，柔性误差和控制误差还需要课题组再做进一步深入研究。

1.2国内外机械臂发展现状
机械臂是一种典型的机器人机构，由于其携带方便、性能稳定、操作灵活、工作空间大等特点，被广泛的应用于喷涂、装配、上下料、傳接、航天探索等生产实践中的各种场合。1954年美国人G.C. Devol制造出世界上第一台可编程的机械手，同时提出了工业机器人的概念。1959年，Devol与Ingerborg共同制造出世界上第一台工业机器人，接着又成立了 Unimation公司，这家公司被创始人于1983年，工业机器人产业发展极其旺盛的年代，以一亿多美元出售给西屋公司。1962年，美国AFM公司生产出Verstran搬运机器人，掀起工业机器人研发热潮。1967年，日本川崎重工和丰田公司分别从美国购买了 Unimatie和Verstran的生产许可证，从此日本幵始走向设计和生产工业机器人的道路，并发展成为目前世界上拥有机器人种类和数量最多、技术最先进的、应用最广泛的国家_。
目前，无论从机器人研发实力、生产规模还是应用范围的角度来讲，优势主要集中在以日本、美国为代表，包括德国、瑞典、意大利等少数发达国家。其中，比较著名的机器人生产厂商有日本的川崎、YASKAWA、FUNAC、OTC、HONDA,美国的AdeptTechnology、iRobot、American Robot、Emerson Industrial Automation,德国的 KUKA、西门子，以及瑞典的ABB Robotics和意大利C0MAU[7‘8]等。随着数字控制技术和电子元器件的快速发展，机械臂也变得越来越灵活和智能，能够在生产、生活、军事、科学探索等各个方面发挥重要作用。工业机器人大部分情况都是以机械臂的形式出现，它顺应了制造业大发展、生产作业流程细分化的时代潮流，自问世以来，始终处于快速、稳健的发展态势。汽车行业是工业机器人应用最为密集的领域，种类包括择接机器人、搬运机器人和装配机器人以及检测机器人等。
从每万名汽车工人所占有的工业机器人数量来看，2008年日本是1710台，意大利是1600台，德国是1140台，美国是770台，瑞典630台，而我国还不到90台，这与我国作为世界第一大汽车消费市场和重要的汽车生产大国的地位十分矛盾。因此，无论从工业生产自动化的角度来看，还是单纯从工业机器人的人均占有率来讲，我国与发达国家相比还存在较大差距。从目前的情况来看，我国制造业中装备的工业机器人大部分还来自进口，自主设计生产的机器人所占比重还很低，并且核心元器件还是被发达国家牢牢垄断。然而我国也意识到了发展机器人行业的重要性，国家“七五”、“八五”、“九五”计划以及“863”高技术研究发展计划分别制定和出台了一系列有利于机器人产业发展的政策，这些利好政策为我国机器人事业的研究和产业化发展奠定了良好的基础。
目前我国专业从事机器人研发和生产的厂家不下50家，其中比较著名厂商有沈阳新松、北京汉库、哈尔滨博实、深圳众为兴、北京博创兴盛等。目前，我国己经相继开发出能够达到国际一流水平的关节型装配机器人、直角坐标机器人、燒接机器人、搬运机器人，并且将它们在一定范围内生产和推广，如：新松公司生产的RH6弧爆机器人和BD120点揮机器人已在生产线上发挥作用。另外，很多科研院所也从事机器人相关研究，并取得不俗成绩，如：沈阳自动化所、哈尔滨工业大学机器人所、清华大学、浙江大学、上海交通大学、北京航空航天大学等一大批技术研发实力强的科研机构在机器人相关的领域取得较大进展。

1.3 轨迹规划研究现状 .................13-15
1.4 主要研究内容.................15-16
第二章运动学分析................. 16-28
2.1 描述连杆参数 .................16-18
2.2 建立连杆坐标系 .................18-19
2.3 推导运动学方程 .................19-22
2.4 运动学逆解 .................22-25
2.5 运动学仿真 .................25-27
2.6 小结 .................27-28
第三章动作规划与力矩优化 .................28-45
3.1 动作规划 .................28-30
3.2 力矩优化 .................30-41
3.3 验证与仿真 .................41-44
3.4 小结 .................44-45
第四章轨迹规划 .................45-56
4.1 特性指标分析 .................45
4.2 轨迹规划过程 .................45-52
4.3 规划结果分析 .................52-55
4.4 小结 .................55-56
第五章静态位姿误差分析 .................56-69
5.1 影响误差的因素 .................56-57
5.2 静态位姿误差推导 .................57-62
5.3 基于Matlab的仿真 .................62-65
5.4 基于Adams与Matlab的联合验证 ...................65-68
5.5 小结................. 68-69

结论与展望

本文在运动学分析的基础上，对4-D0F采样机械臂进行动作规划与力矩优化，根据动作规划的结果进行轨迹规划，分析了机械臂的静态位姿误差。通过分析归纳出以下结论：
1)根据4-D0F釆样机械臂的实际工况，对机械臂进行了动作规划和力矩优化，并得出最优的动作路径、最佳连杆长度以及最优的肩关节静力矩，有效降低了机械臂的关节负载，增加了机械臂的可靠性。并通过三维动画仿真来证明了路径规划与力矩优化结果的正确性。
2)在考虑各关节的位置、重要性和工况等因素的基础上，合理制定了机械臂的最大加速度指标，利用三角函数插值法对机械臂进行轨迹规划。最终得出了各回转关节在不同工况下的最大动力矩以及最大转速值，并求得机械臂完成所有作业任务所需时，满足了设计要求。
3)将引起机械臂末端执行器静态位姿误差的所有因素都归结到D-H参数误差上，利用运动学分析的手段推导D-H参数误差和末端执行器误差之间的函数关系，通过计算机械臂关键工作位置时的误差值，来验证制定的D-H参数误差指标是合理的。最后，通过Adams与Matlab联合的手段来证明机械臂静态位姿误差计算及仿真过程是正确的。
根据本文的客观实际，确定下一步工作重点是：
1)将肩关节的动力矩和静力矩融合为一体的优化方法，避免分别优化带来的误差。
2)对机械臂进行轨迹规划时可以考虑使用不同的规划方法，比较各种方法的优缺点，选择最适合的方式。
3)制定误差指标时，应考虑连杆柔性变形引起的误差以及控制误差，使制定的误差指标更趋于合理。

参考文献

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