四自由度機械臂繪制矢量字符與圖形的研究.pdf

1、近年來，機器人受到了企業(yè)和科研人員的廣泛關(guān)注，機械臂作為機器人的一個重要分支也成為了當(dāng)前研究的熱點課題。機械臂在工業(yè)、教育、醫(yī)療、航天、軍事等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。機械臂寫字繪畫在工業(yè)噴標(biāo)和科普教育中有著廣闊的應(yīng)用空間，為此，本文結(jié)合某公司的工程項目，針對機器人書寫過程中電機頻繁啟停影響寫字速度和穩(wěn)定性的問題，設(shè)計了基于前瞻插補算法的寫字機器人，該寫字機器人中首先采用字符和圖形提取算法將軌跡轉(zhuǎn)化為連續(xù)小線段的形式，并對小線段進行前瞻處理，然后

2、采用加減速插補算法對小線段進一步的插補密化，并將密化后的微小線段通過逆運動學(xué)轉(zhuǎn)化為各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動量，最終機械臂能夠快速、穩(wěn)定和準(zhǔn)確地書寫字符和繪制圖形。
　　本文主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)機械臂建模與正逆運動學(xué)分析。對D-H參數(shù)法建立機械臂模型的原理進行了詳細(xì)的說明，在此基礎(chǔ)上對本文采用的四自由度機械臂進行了建模，然后對機械臂運動學(xué)進行了分析，并對逆運動學(xué)求解過程中出現(xiàn)的多解進行了優(yōu)選。
　　(2)機械臂軌跡規(guī)劃與仿

3、真模擬。對笛卡爾空間和關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃原理進行了分析。針對寫字機器人中使用的加減速直線插補算法的原理和實現(xiàn)過程進行了研究，采用非對稱型的速度規(guī)劃方法實現(xiàn)直線插補算法中的速度和加速度的平滑過渡。為了驗證正逆運動學(xué)和軌跡規(guī)劃的正確性，采用Matlab環(huán)境中的機器人工具箱對機械臂正逆運動學(xué)和軌跡規(guī)劃進行了仿真模擬。
　　(3)寫字控制軟件設(shè)計和實驗驗證。首先從整體上對控制軟件的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，然后按照表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層三層結(jié)

4、構(gòu)對控制系統(tǒng)軟件進行了設(shè)計，其中核心層是業(yè)務(wù)邏輯層，該層以實現(xiàn)繪制矢量字符和圖形為目標(biāo)展開設(shè)計。針對繪制矢量字符，首先分析了矢量字符在Windows平臺中的結(jié)構(gòu)，然后采用.NET提供的類庫開發(fā)了字符提取算法。針對繪制矢量圖形，首先采用繪圖軟件繪制矢量圖形并生成 PLT文件，然后以 PLT文件為基礎(chǔ)開發(fā)了圖形提取算法。最后對矢量字符和矢量圖形中均采用的小線段前瞻算法進行了設(shè)計和程序?qū)崿F(xiàn)，并對算法的有效性通過實驗進行了驗證。
　　本文

5、的創(chuàng)新點如下：
　　(1)通過對機械臂建模、運動學(xué)分析、軌跡規(guī)劃和上位機控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了四自由度機械臂繪制矢量字符和圖形。
　　(2)使用加減速直線插補算法實現(xiàn)了機器人寫字過程中速度和加速度的連續(xù)過渡以及軌跡的微量化，提高了書寫路徑的準(zhǔn)確性。采用前瞻算法使路徑小線段的初末速度不為零，改善了寫字過程中電機轉(zhuǎn)動的連貫性和穩(wěn)定性，避免了電機的頻繁啟停，延長了電機的使用壽命，同時也提高了寫字速度。
　　實驗結(jié)果表明，該寫字