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1、五自由度機械臂運動及管控仿真研究第一章緒論1.1工業(yè)機器人概述隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，商品生產(chǎn)從單一品種、大批量生產(chǎn)向多品種、小批量生產(chǎn)過渡，對于產(chǎn)品質(zhì)量的提高、成本的降低提出了越來越高的要求。隨著生產(chǎn)和技術(shù)的進步，人們需要機器代替人完成一些人類無法完成或不能高質(zhì)量完成度的任務(wù)。機器人正是為適應(yīng)市場變化及生產(chǎn)自動化的更高要求而出現(xiàn)的。機器人的定義處于不斷發(fā)展變化之中，目前尚無統(tǒng)一的嚴格定義。通常，機器人被設(shè)計成類似于人類手臂的結(jié)構(gòu)，所以又常被稱為機器人操作手或機械臂，便形成機器人重要分支之一的工業(yè)機器
2、人。國際標準化組織曾于1987年對工業(yè)機器人給出了定義：工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機。ISO8373對工業(yè)機器人給出了更具體的解釋：機器人具有自動控制及可編程、多用途功能，機器人操作機具有三個或三個以上的可編程軸，在工業(yè)自動化應(yīng)用中，機器人的底座可固定也可移動[1]。國際標準化組織（ISO）給出的定義是，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程功能的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多
3、種任務(wù)?？梢?，機器人是為完成多種任務(wù)而設(shè)計的，因此它必定具有能靈活執(zhí)行多種任務(wù)的復(fù)雜機電系統(tǒng)。1954年，美國人喬治德沃爾(GeorgeDevol）將遙控操作手的連桿機構(gòu)與數(shù)控機床的伺服軸連接起來，發(fā)明了第一臺可編程關(guān)節(jié)輸送裝置，并取得了該項專利，即工業(yè)機器人專利。1956年，約瑟夫艾根伯格（JosephEngeberger）購買了該專利，成立了萬能自動化（Unimation）公司。1961年，該公司研制出第一臺機器人Unimate，并在美國通用汽車公司（GM）投入使用，標志著第一代工業(yè)機器人的誕
4、生。同年，Lincoln實驗室研制成功利用力反饋信息工作的機器人，并于1963年開始研究機器人視覺系統(tǒng)。1971年，美國Stanford大學(xué)制成Stanford臂，并于1973年開發(fā)了機器人編程語言A（Programm-ableUniversalManipulatorforAssembly）系列機器人。1979年，日本研制了適用于垂直裝配的SCARA（SelectivepliantArticulatedRobot）機器人。這些機器人的出現(xiàn)，促進了機器人應(yīng)用領(lǐng)域的進一步擴大。當前，全球已經(jīng)有幾百種不
5、同類型的機器人被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和科研。工業(yè)機器人可以根據(jù)許多標準進行分類，按照其技術(shù)的發(fā)展過程可分為三代。第一代工業(yè)機器人：具有示教再現(xiàn)功能，或具有可編程的NC（NumericalControl）裝置，但不具有反饋能力。第二代工業(yè)機器人：具有一定傳感裝置，能利用所獲取的環(huán)境與操作對象的簡單應(yīng)用進行反饋控制。第三代工業(yè)機器人：具有更完善的環(huán)境感知功能和適應(yīng)能力，而且具有邏輯思維、判斷和決策功能，能根據(jù)給定指令和自身判斷自主確定行動。工業(yè)機器人在20世紀60年代毫無疑問是一種獨特的設(shè)備。將其和計算機輔
6、助設(shè)計（CAD）系統(tǒng)、計算機輔助制造（CAM）系統(tǒng)結(jié)合在一起，是現(xiàn)代制造業(yè)自動化的最新發(fā)展趨勢。這些技術(shù)正引導(dǎo)工業(yè)自動化向一個新的領(lǐng)域過渡。工業(yè)機器人技術(shù)的不斷進步，使得它們在工業(yè)領(lǐng)域變得更加有效速度更快、操作更準確、更富有柔性。加之其價格的不斷降低，工業(yè)機器人得到越來越多的應(yīng)用。圖1-1為近年來全世界每年的工業(yè)機器人供應(yīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。1.2國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀機械臂是一種復(fù)雜的機電系統(tǒng)，其研究綜合了機械學(xué)、電子學(xué)、力學(xué)、控制理論、計算機技術(shù)、人工智能等多種學(xué)科，形成了諸多研究方向。本節(jié)著重對機械臂
7、的運動學(xué)、動力學(xué)、控制以及仿真方面的國內(nèi)外研究情況進行綜述。1.2.1機械臂運動學(xué)機械臂運動學(xué)不考慮使機械臂產(chǎn)生運動的力或力矩，只研究機械臂的運動特性，即機械臂的位置、速度、加速度以及位置變量相對于時間或其他變量的所有高階導(dǎo)數(shù)。機械臂運動學(xué)涉及所有與運動有關(guān)的幾何參數(shù)和時間參數(shù)，通常包括位置、速度、加速度的正、逆問題。這里，就機械臂的位置正、逆問題，即傳統(tǒng)意義上的機械臂運動學(xué)正、逆問題，簡述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。機械臂的位置正問題即機械臂正運動學(xué)，是已知機械臂關(guān)節(jié)的角度值，計算機械臂末端的位姿。為了便于
8、處理機械臂的復(fù)雜幾何參數(shù)，首先要在機械臂的每個連桿上分別固連一個連坐標系，然后再描述這些坐標系之間的關(guān)系。描述機械臂的機構(gòu)運動參數(shù)的方法很多，最為經(jīng)典的運動學(xué)模型是由Danevit和Hartenberg給出的D-H模型[9]。該模型的缺點是其參數(shù)不易直接辨識，以及相鄰軸平行或接近平行時存在奇異點問題。所以，便產(chǎn)生了許多修正的D-H模型[10]或其他模型，以便對其進行改進。Stone提出了S-model[11]，允許D-H模型中的連桿坐標系沿關(guān)節(jié)軸線平移和轉(zhuǎn)動，在相鄰關(guān)節(jié)軸線平行的情
