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1、基于PLC的六自由度机械手复杂运动控制学院：电气工程与自动化学院专业班级：自动化133班学号：07号学生姓名：龙官世指导老师：刘飞飞老师 日期：2016/5/20摘要 近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、 推广机器人的应用是有现实意义的。 典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合任务书的要求，设计了一种小型的实现移动的六自由度串联机器人。 首先，作者针
2、对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用 D- H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解。 机器人广泛应用于工业、农业、医疗及家庭生活中，工业机器人主要应用领域有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。总之，工业机器人的多领域广泛应用，其发展前景广阔。 关键词：机器人关节，运动学分析，工业机器人，自由度 目录第一章 绪论41.1引言41.2机器人的产生与发展史41.3国内外机器人的发展状况及发展战略61.4六自由度机械手复杂运动控制的现实意义91.5 PLC在设计中的应用10第二章
3、 机械手的总体方案设计112.1 机械手基本形式的选择112.2 机械手的主要部件及运动122.3驱动机构的选择122.4传动机构的选择12第三章 六自由度机械手的坐标建立及运动学分析133.1 系统描述及机械手运动轨迹设计方式133.1.1 机器人技术参数一览表133.1.2 机械手运动轨迹设计方式143.2 平面复杂轨迹设计目的183.2.1“西”字的轨迹设计和分析183.2.2“南”字的轨迹设计和分析193.2.3机械手的起始位姿和末态位姿203.3机械手轨迹设计中坐标系的建立203.4 平面轨迹设计的正运动学分析293.4.1. 平面轨迹设计的正运动学分析原理293.4.2 正运动学分
4、析步骤及计算293.5 六自由度机械手轨迹设计中的逆运动学分析303.5.1.机械手逆运动学分析原理303.5.2.逆运动学分析步骤及计算31第四章 PLC控制机械手运动轨迹设计与分析354. 1可编程序控制器的选择及工作过程354.1.1 可编程序控制器的选择354.1.2 可编程序控制器的工作过程354.2 控制系统设计36（一） 控制系统硬件设计361. PLC梯形图中的编程元件372 PLC的I/O分配373 机械手控制系统的外部接线图38（二） 控制系统软件设计38第五章 总结40参考文献41第一章 绪论1.1引言 机器人是当代科学技术的产物，是高新技术的代表。从20世纪60年代开始
5、，伴随着微计算机技术的发展，机器人科学与技术得到了迅猛的发展。全世界已经有近100万台机器人在各个领域(特别是在制造系统)应用。 工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感器装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产，它对稳定提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了机械学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，建立在多学科发展的基础之上，具有应用领域广、技术新、学科综合与交叉性强等特点。是当代研究十分
6、活跃，应用日益广泛的领域，机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。各种各样的机器人不但已经成为现代高科技的应用载体，而且自身也迅速发展成为一个相对独立的研究与交叉技术领域，形成了特有的理论研究和学术发展方向，具有 鲜明的学科特色。 1.2机器人的产生与发展史 “机器人”是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够取代人去进行各种工作。 1920年，捷克剧作家卡雷尔凯培克(KarelCapek)在他的幻想情节剧罗萨姆的万能机器人中，第一次提出来“机器人”这个名词。各国对机器人的译法，几乎都从斯洛伐克语“robota”音
7、译为“罗伯特”，只有中国译为“机器人”。 1939年，美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。 1942年，美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。即(1)机器人不应伤害人类；(2)机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；(3)机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这是给机器人赋予的伦理性纲领。虽然这只是科幻小说里的创造，机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。 1954年，美国人乔治德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人
8、，并与1961年发表了该项机器人专利。 1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。 1962年，美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司(GM)投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。 从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右。2004年增长率达到创记录的20%。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达
9、43%。日本是目前使用机器人最多的国家，机器人数量占世界总量的60%以上，其次是美国、德国、新加坡使用机器人的数目也在飞速增长。 经过半个多世纪的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此
10、外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。1.3国内外机器人的发展状况及发展战略工业机器人运动学是机器人学的一个研究领域，是机器人系统的基础，因此，机器人运动学的研究对机器人的设计和控制是十分重要和必须的。运动学问题是研究机械手末端执行器(即手部)相对参考基的位置、姿态和速度与各关节，包括运动学正问题和运动学反问题。运动学正问题是己知关节的位置和速度确定末端执行器的位置、姿态和速度；反之，为使机器人所握工具相对参考系的位姿(位置和姿态)满足给定的要
11、求，计算相应的关节变量，这一工程称为运动学反问题。运动学正问题的研究目前主要是利用齐次坐标变换矩阵方法将位置和姿态统一描述，该法思路清晰，但运算速度较慢，随着机器人机构自由度的增加对运动学正问题的讨论带来很多不便。运动学逆问题比正问题复杂的多，主要表现在逆解的存在性和唯一性，存在性决定机器人的操作空间，逆解一般来说非唯一。目前对具有特殊形状的机器人机构如球形手腕机器人机构，其逆解是封闭的，但并不唯一。对一般的机器人机构逆解必须使用数值计算方法，因而数值解的计算速度和精度受到人们的关注，同时机器人机构中常见的奇异状态(不可解状态)也是讨论的问题之一。国外目前机器人研究的重点主要有以下儿个方面：(
12、1)机器人操作机通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机己实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。(2)并联机器人采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司己开发出了此类产品。(3)控制系统控制系统的性能进一步提高，己由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴机器人，并且实现了软件伺服和全数字控制
13、。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。(4)传感系统激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。(5)网络通信功能日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus,Profibu总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人
14、由过去的专用设备向标准化设备有了发展。(6)可靠性由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性一般为几千小时，而现在己达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。国外研究现状：自世界上第一台工业机器人诞生以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。应用领域从汽车工业逐渐向其他行业渗透，据国际机器人联合会(正R)统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2000年增长率上升到15%。机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作
15、单元，另一种是带机器人的生产线，而后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已武汉理工大学硕士学位论文开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。像国际上著名公司ABB、COMAU、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。据国际机器人协会统计，2003年工业机器人发货量呈现强劲增长势头。与2002年相比，2003年全球范围内机器人的订货量增长约10%以上。预计，工业机器人的世界市场将从2002年的68600台套增长到2006年的91100多台套，年平均增长7.4%。国内研究现状：随着科学技术和世界各国机器人技术的发展，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。从80年代末到90年代，国家863
