面向柔性制造单元的工业机器人轨迹规划仿真研究

摘要

为了响应李克强总理在第十二届全国人民代表大会第三次会议政府工作报告中提出的:“制造业是我国的优势产业，要实施‘中国制造2025’，坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国转向制造强国”发展目标号召，本文结合实验室中已有的KUKA六自由度工业机器人，研究工业机器人在柔性制造单元中的轨迹规划，使其更好的服务于工业生产。文章基于机器人的基础理论对工业机器人进行了建模和仿真研究，并且结合工作实际，设置模拟障碍开发了基于柔性制造单元的仿真系统并进行了实验验证。
　　本文对以下几个方面进行了研究:
　　(1)本文根据齐次坐标变换理论，分析了机器人结构及参数，建立了相应的D-H参数模型，求解得到了正运动学模型和逆运动学的解析解，并且借助于三维建模软件的方法验证了正运动学模型和逆运动学解析解的正确性。
　　(2)为了充分利用机器人的工作空间，使其在工作过程中发挥更好的动态性能，在机器人运动学模型探究的基础上进一步研究了机器人的动力学特性。首先建立了机器人的雅各比矩阵，然后根据拉格朗日方法建立机器人的动力学方程，并结合机器人的结构和参数，能得到机器人的动力学模型。利用虚拟样机技术即ADAMS软件进行了动力学仿真分析，得到机器人的运动轨迹以及力和力矩曲线，对力和力矩曲线进行分析并探究变化趋势。结果不仅可以作为优化控制的依据，而且可以为优化机器人结构设计提供参考。
　　(3)在机器人运动学和动力学分析的基础上，文章接着对机器人进行了轨迹规划研究，分别分析了机器人的关节空间轨迹规划和笛卡尔轨迹规划。为了比较不同规划方法机器人轨迹的正确性和效果，文章分别对三次插值多项式和五次插值多项式方法进行了仿真，得到了由关节空间轨迹规划的运动学曲线。由仿真结果可以得出，将五次多项式插值法用于工业机器人的轨迹规划中，有利于避免机器人在运行过程中产生振动，从而保证机器人在整个运行工作中的稳定性。同时，本文建立了空间三维坐标，模拟工作场景对笛卡尔轨迹规划进行了越障仿真，得出了符合工作要求的弧形轨迹路线。
　　(4)最后基于应用较广的MATLAB软件将创建的VRML模型通过控制界面GUI与MATLAB建立仿真程序，构建了柔性制造单元轨迹规划的实时仿真平台。该平台由机器人控制按钮和三维可视化窗口组成，通过控制面板调节可实现与机器人的实时交互仿真。其中存储了求解的工作位置和角度自由调节按钮，利用三维可视化窗口通过调节存储程序实时显示机器人运行轨迹的仿真状态，并且利用实验室中已有的机器人对仿真平台进行了实验验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 柔性制造单元及工业机器人的应用

1．3 工业机器人的研究现状

1．3．1 运动学研究现状

1．3．2 动力学研究现状

1．3．3 轨迹规划研究现状

1．3．4 三者结合的研究现状

1．4 机器人仿真技术研究现状

1．4．1 常用仿真软件介绍

1．4．2 虚拟样机技术

1．5 本文研究的主要内容和意义

1．6 本章小结

第2章 六自由度工业机器人运动学分析

2．1 六自由度机器人结构及设计参数

2．2 运动学理论概述

2．2．1 坐标变换

2．2．2 齐次坐标变换

2．3 机器人运动学模型的建立

2．3．1 基于D-H坐标的运动学建模

2．3．2 机器人的正运动学分析

2．3．3 机器人的逆运动学分析

2．4 机器人运动学模型和逆运动学分析验证

2．5 本章小结

第3章 六自由度工业机器人动力学分析

3．1 动力学分析方法概述

3．2 建立动力学方程的方法简介

3．2．1 牛顿．欧拉方程

3．2．2 拉格朗日方程

3．2．3 凯恩方程法

3．3 六自由度工业机器人的动力学分析

3．3．1 雅可比矩阵的建立

3．3．2 机器人动力学模型的建立

3．4 基于ADAMS的机器人动力学仿真

3．4．1 虚拟样机仿真分析的基本步骤

3．4．2 动力学仿真环境设置

3．4．3 动力学仿真结果分析

3．5 本章小结

第4章 六自由度工业机器人的轨迹规划研究

4．1 轨迹规划概述

4．1．1 轨迹规划的流程

4．1．2 轨迹规划分类

4．2 关节空间的轨迹规划

4．2．1 用抛物线过渡的线性插值

4．2．2 三次多项式插值

4．2．3 五次多项式插值法

4．2．4 4-3-4轨迹规划

4，2．5 B样条曲线轨迹规划方法

4．2．6 三次样条插值函数

4．3 笛卡尔路径轨迹规划

4．3．1 直线轨迹规划

4．3．2 圆弧插补算法

4．4 笛卡尔轨迹规划的验证

4．5 本章小结

第5章 机器人越障轨迹仿真与实验

5．1 VRML技术

5．2 MATLAB介绍

5．2．1 MATLAB简介

5．2．2 虚拟现实工具箱的应用接口

5．3 MATLAB图形技术及图形用户界面(GUI)设计

5．3．1 GUI概述和设计

5．3．2 GUI设计流程

5．4 虚拟模型的建立

5．5 柔性制造单元虚拟越障轨迹仿真

5．6 柔性制造单元实验验证

5．6．1 越障轨迹验证

5．6．2 上料轨迹验证

5．7 本章小结

第6章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文