论文总字数：29933字

摘 要

如今,工业机器人被运用到各个领域,协助人们完成危险,重复,高精度的工作。一般传统的工业机器人为六个旋转轴的机器人,前三个轴控制机械臂末端的位置,后三个控制末端的姿态,这样从理论上来说，机械臂末端能够以任意姿态到达空间中任意的位置。本课题三自由度机械手臂实际上就是传统六旋转轴工业机器人的前三轴,只是减少三个自由度，将大大减少机械臂的复杂程度。

本文的主要内容有三自由度机械手臂的数学建模，正逆运动学求解，轨迹规划与动力学仿真。第一，运用标准型DH方法对机械手臂进行数学建模，并根据机械臂参数计算末位置的齐次变换矩阵，再用数值法求解运动学逆解。同时利用MATLAB进行辅助计算和验证。第二，在关节空间利用五次多项式规划曲线，在笛卡尔空间用插补的方法规划直线和圆弧轨迹。第三，用solidworks建模，MATLAB和adams联合进行5kg负载的动力学仿真。第四，用arduino单片机，舵机，笔记本电脑等搭建一个物理机械臂模型，并实现规划轨迹的运动。

本课题虽然是三自由度的机械臂，但对以后的设计和研究提供了基础，以后可以在此基础上做进一步的设计，可以使用步进电机，可以再增加三个旋转关节，以实现对末端姿态的控制。

关键词：机械臂 运动学 轨迹规划 MATLAB仿真

Abstract

Today, industrial robots are used in all fields to assist people in dangerous, repetitive, high-precision tasks.In general, traditional industrial robots are robots with six rotating axes. The first three axes control the position of the end of the manipulator and the second three control the orientation of the end of the manipulator. In this way, it is theoretically possible to reach any position in space with any orientation.The three-degree-of-freedom robot arm designed in this subject is actually the first three axes of the traditional six-axis robot. The theory is the same, but the three-degree-of-freedom robot is more simpler.

The main contents of this paper include the mathematical modeling of the three-degree-of-freedom robot arm, the solution of the forward and inverse kinematics, the trajectory planning and the dynamic simulation.First, the mathematical modeling of the robot arm is carried out by using the standard DH method, and the homogeneous transformation matrix of the final position is calculated according to the parameters of the robot arm, and then the inverse kinematic solution is solved by the numerical method.At the same time, MATLAB is used for auxiliary calculation and verification.Second, the trajectory is planned by using quintic polynomial in joint space, and the straight line and arc are planned by interpolation in cartesian space.Thirdly, solidworks modeling, MATLAB and Adams were used to jointly conduct dynamic simulation of 5kg load.Fourth, build a physical robot arm model with arduino microcontroller, steering machine and laptop computer, and realize the planned trajectory movement.Although this subject is a three-degree-of-freedom mechanical arm, it provides a basis for future design and research, on which further design can be made in the future. Stepper motor can be used, and three rotating joints can be added to achieve the control of the terminal attitude.

Key Words: Robot arm; Kinematics; Trajectory planning; The MATLAB Simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1三自由度机械臂研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

第二章 机械臂运动学基础 3

2.1机械臂数学基础 3

2.1.1刚体位姿描述 3

2.1.2坐标变换 5

2.1.3齐次坐标变换 7

2.2机械手臂的几何描述及DH表示法 8

2.3机械臂的数学模型 10

2.3.1机械臂正运动学 11

2.3.2机械臂逆运动学 12

第三章 机械臂轨迹规划 15

3.1关节空间轨迹规划 15

3.2笛卡尔空间轨迹规划 19

3.2.1直线插补 19

3.2.2圆弧插补 21

第四章 机械臂动力学 22

第五章 机械臂整体设计 24

5.1机械臂模型建立 24

5.1.1仿真模型 24

5.1.2硬件接线 27

5.2轨迹运动 28

5.3动力学仿真 28

第六章 机械臂经济性分析 33

总结 34

参考文献 35

附录 38

第一章 绪论

1.1三自由度机械臂研究背景

在制造业中，工业机器人被广泛使用。它是由多旋转或移动关节组成的机械手或拥有多个自由度的机器装置，它能够根据人们事先示教好的指令完成人们所需要的工作，依靠各个关节电机提供旋转平移动力，利用控制器来实现各种功能一种机电一体化设备。如果在制造业中广泛使用工业机器人代替人工,可以很大程度上提高劳动生产率、产品质量、缩短生产周期和改减少生产中可能遇到的危险。尤其在现代化的汽车生产流水线中,大量使用搬运、点焊、涂胶、喷漆机器人。 [1]机械臂作为工业机器人的一类，也得到了广泛使用。在工厂中，机械手的工作相当于人的手臂一样，可以提前示教好的动作完成任务 [2-3]。

机械手臂要想得到本质发展必须对理论进行深入研究。机械手主要从3个方面进行：（１）机械手的运动学和动力学模型的研究，并在此基础上推出单关节的动力学樸型，为研究的基于单关节微分器的滑模控制奠定基础；（２）三自由度机械手控制系统及与通讯的研究；（３）控制算法的研究。[6]

1.2国内外研究现状

机械手运动学包括正向运动学和逆向运动学，它研究的是末端执行器位姿与关系。另外，对于机械手运动学和动力学的研究也和机械手的空间机构具有非常大的关联，对于它的研究方法有两种：图解法和解析法。但是图解法有很多限制条件，从而增加了研究难度，所以很少使用该方法。之后Denavit和Hartenbe提出了使用齐次矩阵来描述机械臂连杆之间的位置关系，这也就是现在广泛使用的D-H方法，后来经过Paul的不断修正。D-H方法依靠四个变量来确定两个连杆之间的关系，这种方法在机器人领域得到了广泛的应用。对于机械手动力学来说，建立动力学方程的方法有很多，常用的方法有有牛顿－欧拉法、拉格朗日法、高斯法、凯恩法等。但是，由于拉格朗日方法实际上是求机械手动能平衡的方法，和牛顿－欧拉法比较起来，只需要求速度而不用求内作用力，是一种方便直接的方法，在机械手领域具有大范围的应用。控制器作为机器人系统的核心，它的研究对于能否在机器人行业占据重要位置起着非常重要的作用。近些年，得益于微电子技术的迅速发展，高性能且价格低廉的微处理器大大提升了机器人控制器的性能。目前机器人控制器多采用计算能力较强的ARM系列、DSP系列、POWER PC系列、Intel系列等芯片组，以保证系统能够短时间内进行大量计算。

请支付后下载全文，论文总字数：29933字