镜片轮廓曲线加工机器人运动规划方法研究

发布时间：2020-08-26 16:28

【摘要】：工业机器人以其柔性高、通用性强、工作空间灵活等优势,广泛应用于搬运、点焊、堆垛等领域,能提高工业生产效率和改善劳动条件,为实现工业高度自动化做出了重要贡献。运动规划属于机器人学中的底层规划领域,可以提高机器人各关节运行的平稳性、减小机械部件的磨损及降低机器人系统产生的振动与冲击。本文选取镜片轮廓曲线作为机器人运动规划的研究对象,采用不同的插值方法研究机器人各关节的速度,为研究机器人各关节的刚性冲击提供理论基础。根据通用六自由度串联型关节机器人的结构参数、标准D-H法与齐次坐标变化,建立了机器人运动学模型,推导出各关节角位移与机器人末端位姿关系矩阵。在Matlab中建立机器人仿真模型并验证了机器人运动学模型的正确性。针对机器人运动学模型中逆解多解问题,根据“运动连续”准则确定逆解多解中的唯一解。采用微分变换法求解雅可比矩阵,确定了各关节角速度与机器人末端操作速度间的线性映射关系。采用三次NURBS插值方法,对比直线、圆弧插值结果,结合运动学分析结果,获得了机器人末端轨迹为镜片轮廓曲线时各关节的角位移和角速度;通过选择合适的插值方法,达到减小机器人运动过程中由关节速度突变引起的刚性冲击的目标。PMAC控制系统对伺服驱动单元发送脉冲指令,驱动伺服电机,搭建了NURBS插值算法验证实验平台,用C++进行PMAC的二次开发,采集并分析了运动程序实时数据,最终验证了插值方法应用于机器人复杂曲线的运动规划的可行性。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

工业机器人,关节运动,机器人系统,最终目的

西安理工大学工程硕士专业学位论文的速度和加速度不连续。针对这两种插值算法在实际加工应用中产生的问题，现代CAD/CAM 系统开始使用参数曲线描述的方法来代替连续函数插补方法,促进了复杂曲线(包括 Bezier 曲线、B 样条曲线、有理 B 曲线、NURBS 曲线等)在机械制造领域中的泛应用。其中,NURBS(非均匀有理 B 样条)不仅可以表达自由曲线曲面，而且可以表达解析曲线曲面并具有导数连续性、局部可控性等优点[14-15],已经被 ISO(国际标准化组织)确定作为具有复杂形状的自由型零件、产品几何表达的唯一形式,并且己经熟练的在 CAD/CAM 领域中得到应用。

销售总额,工业机器人,全球

.2 国内外研究现状.2.1 工业机器人发展现状1962 年美国万能自动化公司的第一台机器人 Unimate 在美国通用汽车公司投入使用此机器人开始成为人类生活中的现实。此后机器人主要经历了四个发展阶段：①萌芽阶：20 世纪 40～50 年代第一台程序可编程机器人诞生，具有了机器人雏形；②初级阶段：0～70 年代因德国、日本战后劳动力短缺，工业基础好，机器人进入到了编程示教阶段；迅速发展阶段：80～90 年代因电脑技术、传感器技术迅速发展，已形成具有初步感知力的机器人，并广泛应用于工业生产中；④智能化阶段：21 世纪初至今由于制造业升及工业自动化的产生，产生了一批具有逻辑思维、决策能力的机器人，在极大程度上可替人类劳动力。近年来全球机器人行业发展迅速，其中 2018 年工业机器人在全球工业机器人行业总售量比 2017 年增长 10%，且预计到 2021 年工业机器人销售总额会达到 630 万台，如 1-2 所示。人性化、重型化、微型化、智能化已经成为未来机器人产业的主要发展趋势。前全世界运行的工业机器人的总数在 400 万台以上。

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西安理工大学工程硕士专业学位论文国外工业机器人起步较早。瑞士 ABB 作为机器人技术的开创者，在了第一台全电力驱动的工业机器人 IRB6。ABB 拥有目前国际上最多种类技术和服务，是全球最大的工业机器人供应商，其产品追求的是机器人本身六轴机器人为例，单轴速度并不是最快的，但六轴联合以后运作的精准度却应用于电子电器和物流搬运领域；德国 KUKA 创立于 1898 年，并于 1973界首个电机驱动的六轴机器人，其工业机器人主要应用于汽车制造领域，也搬运、加工、堆垛、点焊和弧焊等行业；日本 FANUC 创建于 1956 年，作专业数控系统生产商，其工业机器人相对于其他企业的独特之处在于工艺同类型机器人底座尺寸更小和拥有独特的手臂设计；日本安川电机 YASKA开发出日本首台全电气化的工业机器人 MOTOMAN,，其主要生产伺服和运制造机器人的关键零件。这也是安川电机在开发机器人方面所拥有的独特优相继开发了焊接、喷涂、装配、搬运等自动化作业机器人，是将工业机器人生产领域最早的公司之一。

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