六軸工業(yè)機(jī)器人的離線編程與仿真系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著中國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型以及人口紅利的消失，工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中逐漸普及開來。工業(yè)機(jī)器人具有柔性生產(chǎn)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保護(hù)工人安全和節(jié)約人力成本的優(yōu)點(diǎn)，是先進(jìn)制造業(yè)中不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。而離線編程與仿真系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)的虛擬仿真與離線編程。其能提高機(jī)器人的作業(yè)效率，改善作業(yè)質(zhì)量與保證作業(yè)安全。
　　本課題的研究對(duì)象為六軸工業(yè)機(jī)器人的離線編程與仿真系統(tǒng)，其由人機(jī)接口、算法庫(kù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存以及通訊接

2、口模塊構(gòu)成。其中，算法庫(kù)是核心，配合其他模塊完成作業(yè)的虛擬仿真與離線編輯。人機(jī)接口由作業(yè)模塊與仿真顯示模塊構(gòu)成。其中，作業(yè)模塊根據(jù)機(jī)器人語(yǔ)言離線編輯作業(yè)，仿真顯示模塊則虛擬顯示機(jī)械臂作業(yè)過程。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)作業(yè)過程中的關(guān)節(jié)超限情況。其他模塊，如數(shù)據(jù)分析模塊用于分析關(guān)節(jié)變化，數(shù)據(jù)保存模塊用于保存作業(yè)，通訊接口模塊用于PC與運(yùn)動(dòng)控制卡間的通訊。本文主要進(jìn)行了以下研究工作:
　　第二章中，以離線編程與仿真系統(tǒng)的基本組成和機(jī)械臂控制原理

3、為切入點(diǎn)，研究了系統(tǒng)的架構(gòu)和相關(guān)控制算法。
　　首先，分析了系統(tǒng)的組成與架構(gòu)，闡明了各個(gè)模塊的功能。介紹了六軸機(jī)械臂的數(shù)學(xué)建模原理，就空間剛體的位姿描述，齊次坐標(biāo)系的變換以及連桿坐標(biāo)系的建立，進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并對(duì)項(xiàng)目所用的SIASUN_V1機(jī)械臂建立了D-H模型。由此闡述了正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，推導(dǎo)了基于分塊矩陣的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的多解性進(jìn)行了分析，并給出其唯一解的確定方法。
　　其次，為實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃，就機(jī)械臂末端位姿規(guī)

4、劃和關(guān)節(jié)角度規(guī)劃分別進(jìn)行了討論。其中，對(duì)于位置規(guī)劃，介紹了空間直線、圓弧和NURBS自由曲線的規(guī)劃原理;對(duì)于姿態(tài)規(guī)劃，分析了其等效性，給出基于單位四元數(shù)的姿態(tài)描述方法，提出了C2連續(xù)并且旋轉(zhuǎn)可控的姿態(tài)規(guī)劃算法;對(duì)于關(guān)節(jié)空間規(guī)劃，介紹了C2連續(xù)的5次多項(xiàng)式規(guī)劃原理。
　　然后，基于本項(xiàng)目的開發(fā)需要，介紹了LabVIEW Robotics和MathScriptRT開發(fā)環(huán)境或工具包。
　　第三章中，詳細(xì)論述了離線編程與仿真系統(tǒng)中各

5、個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方法。
　　首先，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)與模塊劃分。確定了“LabVIEW Robotics+Matlab+CAD”的模式作為軟件開發(fā)平臺(tái)，并詳細(xì)闡明了程序設(shè)計(jì)模式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
　　其次，對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述。對(duì)于仿真模塊，規(guī)定其構(gòu)建模式，給出了虛擬場(chǎng)景與機(jī)械臂的構(gòu)建過程。對(duì)于算法庫(kù)，實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證了正運(yùn)動(dòng)學(xué)、空間直線圓弧規(guī)劃、NURBS自由曲線規(guī)劃以及關(guān)節(jié)空間角度規(guī)劃算法。以

6、SIASUN_V1的D-H模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了基于分塊矩陣的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。以Take_Robot_V1為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證了C2連續(xù)并且旋轉(zhuǎn)可控的姿態(tài)規(guī)劃算法。對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，給出了關(guān)節(jié)限位原理，并對(duì)機(jī)械臂末端位置調(diào)試，姿態(tài)調(diào)試以及單關(guān)節(jié)調(diào)試過程中的限位處理，進(jìn)行了詳細(xì)的分析與實(shí)現(xiàn)。對(duì)于作業(yè)模塊，給出機(jī)器人語(yǔ)言相關(guān)內(nèi)容，針對(duì)項(xiàng)目需求以及實(shí)際進(jìn)展，設(shè)定了機(jī)械臂控制指令并構(gòu)建了作業(yè)編輯環(huán)境。另外，介紹了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析與通訊接口模塊的