工程训练及生产实习--powercube机械手的运动学分析 13页

自动化学院工程设计训练及生产实习报告学院自动化学院专业自动化班级学号学生姓名骆佳园指导教师张波涛学期2014-15学年第一学期完成日期2015年1月1日\n生产实习报告一、实习目的与意义生产实习是自动化专业教学计划中重要的实践性教学环节，学生在校系统地完成了公共基础课、技术基础科和部分专业课的学习后，通过生产实习，是学生进一步巩固和深化学过的基础理论和专业理论知识。学会运用所学知识分析现场实际问题，培养积极探索和不断进取的创新精神。本次实习是面向实际，通过走向生产第一线，了解自动化生产线的生产流程，熟悉自动化专业对口工作方向和工作环境，为后续课程的学习和毕业设计打下坚实的基础。学生通过生产实习，可以进一步接触和认识社会，提高社交能力，树立劳动观念、集体观念纪律观念和创业精神。这次生产实习，我们分别去了日本清水建设研究院跟杭电合建的光伏发电微网实验室，杭州娃哈哈集团有限公司，杭州和利时自动化有限公司。二、实习单位和内容2.1日本清水建设研究院跟杭电合建的光伏发电微网实验室在老师的带领下，我们先参观了柴油发电机以及蓄电池，然后参观了终端控制系统实验室，最后参观了PV发电系统。光伏发电微网实验室由先进稳定并网光伏发电微网系统国际合作实证研究项目资助，该项目是列入中国政府和日本政府之间的能源科技合作框架的项目之一。2007年9月，由国家发展和改革委员会、浙江省发展和改革委员会和日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）签订项目基本协定书（BasicAgreement），日本NEDO提供项目建设和实证研究资金，中国方面提供场地和配套设施，中日双方共同开展项目建设和实证研究。本项目的中方承担单位是杭州电子科技大学，日方承担单位是日本清水建设研究所、日本明电舍（株）公司和日本中国电力（株）公司。中日双方就光伏发电微网系统的关键技术开展合作实证研究。光伏发电微网实验室是由120千瓦太阳能光伏发电、120千瓦柴油机发电、蓄电池储能系统、超级电容（EDLC）补偿系统、电能质量调节器（PQC）、瞬间电压跌落补偿器（DVC）、干扰发生装置和电能供需控制系统（PowerDemand&SupplyControlSystem）组成的并网光伏发电微网系统。这是国内第一个以光伏发电微型电网实验系统，也是目前国际上唯一的光伏发电比例达50%、电源容量为240kW的实验微型电网，具有国际先进水平\n，填补了我国在微型电网实验研究系统的空白，同时具有工程示范性。研究太阳能发电的背景以及意义（1）随着石油煤炭等矿石燃料储量的日渐缩减，开发新能源可以说是迫在眉睫了；（2）燃烧石油煤炭产生的废气会严重污染大气带来雾霾天气等各种环境问题；（3）太阳能取之不尽用之不竭，而且非常清洁环保安全，掌握太阳能技术可以大幅度的缓解当前的能源危机以及环境问题，只是太阳能的使用比较依赖于天气等因素，所以这也是我们当前急需解决的一个问题。2.2杭州娃哈哈集团有限公司杭州娃哈哈集团有限公司现已发展成为中国规模最大、效益最好的饮料企业。目前在全国29省市建有58个基地近150家分公司，拥有总资产300亿元，员工近30000人。23年来，公司以一流的技术、一流的设备，一流的服务，打造出一流的品质，先后投资100多亿元从美国、法国、德国、日本、意大利等国引进360余条世界一流的自动化生产线，主要生产含乳饮料、饮用水、碳酸饮料、果汁饮料、茶饮料、保健食品、罐头食品、休闲食品等8大类100多个品种的产品。在娃哈哈，我们参观了两个子公司。第一个是杭州娃哈哈百利食品有限公司，第二个是娃哈哈机械工程有限公司。首先介绍员向大家介绍了生产线的整体流程：制瓶——混比——灌装（包括清洗、消毒、灌装和封盖）——贴标（附有喷码功能）——装箱。冷灌装流水线是由两条碳酸饮料罐装线和一条纯净水罐装线组成，每条线的生产能力达到了3.6万瓶每小时。流水线作业大大的减少了人力劳动，使工人的工作更加的轻松。偌大的一个车间，只需要不到10个工人就能把工作做好了，而且工作效率也得到了很大的保证。虽然没能进入生产线仔细参观生产过程，但我们依然能看到自动化在生产中起到的作用。在娃哈哈机械工程有限公司，我们见到了加工瓶子的模具。在这个公司中，所有生产的模具都是公司内部供应的。其中，我们看到了有刻着娃哈哈图标的模具，这是一种非常精细的工艺，但通过编程却使得原本不可能的事情实现了。在公司内部，我们还看到了一台据介绍员说能加工军火的机器，精密度非常高。在这家子公司中，大部分工作都是通过机器自动控制的。这些机器应该主要采用PLC来实现编程。通过PLC将本来需要人来加工的部件用机器来代替，这不仅解放了劳动力也提高了部件的精度。参观娃哈哈公司的意义本次参观使我了解到自动化生产的高效性，也看到了机械臂在生产中的一些应用，对我完成毕业设计具有一定的参考价值。\n2.3杭州和利时自动化有限公司杭州和利时公司HOLLiAS工业控制平台下拥有一系列先进、实用、可靠的工业自动化系统，包括MACS-F、MACS-S工业控制系统DCS，面向装备制造业的DEH、ETS等专业控制系统，以及相关产品LK大型、LM小型可编程控制器PLC等。公司产品达到国际先进水平，已成功用在包括600MW大型火电机组等多种关键装备中，在业界树立了良好的声誉。通过宣传片，我们了解了和利时的发展历史,部门经理的讲解让我们对和利时有了更深的认识，同时对他们整个的生产过程有了一定的了解，碰到我们感兴趣的东西时，现在工作人员也会做非常仔细地讲解。通过向在和利时实习过的同学，我了解到他们是通过用组态软件进行编程然后下载到PLC中来实现控制的，通过客户的需求来设计并绘制相应的图形界面，对所要用到的数据点进行编码从而达到对数据点的控制。他们的机柜是自己组装的，这可以最大程度的保证程序的可执行性。三、实习总结在有限的实习期间，我们接触了不同行业的流水线生产。参观过程中，自始至终都能感受到企业的特色文化，细致严谨的工作气氛、一丝不苟的工作态度、科学认真的工作作风。通过这次实习，我对自动化全过程有了一个完整的感性认识，同时我也深深的认识到自动化是一个很有潜力的行业，在很多领域都能够看到自动化的技术。而我对生产实习的目的也有了进一步的理解，它是我学习生涯的一笔宝贵的财富。学校里学的大都是理论知识，理论只有与实践结合才能更好的发挥技术的作用，才能更好的应用于各行业。\n工程设计训练标题：Powercube机械手的运动学分析1.引言随着工业自动化的发展，机械臂在产业自动化方面应用已经相当广泛，各种不同的机械臂被制作出来应用于各种工业环境。机械臂在复杂、枯燥甚至是恶劣环境下，无论是完成效率以及完成精确性都是人类所无法比拟的。此外，某些机械臂还具有视觉，听觉，感觉等传感器使得它具有很多人类所拥有的能力，也因此，机械臂对人类的生产生活也越发重要。关于机械臂的运动学和动力学，可以由七项指标来衡量机械臂，结合机械臂几何学的影响，末端执行器的运动精确性以及伺服机构和控制系统的质量，可以提供局部反馈以及管理机器的工作。这些指标包括：有效负荷，工作区间（容量，形状），可重复性，稳定性，精准性，敏捷灵巧度，结构柔性。这些参数或指标描述了机械臂从启动，工作到停止，在所有臂的长度和重量都满负荷的条件下，有明确以及精确地操作的能力。机械臂的有效负荷是指机械臂所能承载的最大重量。工作区间是指机械臂的所有关节在没有打破结构和机制约束的情况下可以达到的空间。可重复性是指重复一个动作或者结果的能力。稳定性是指避免机械臂震动的能力。精准性是指机械臂在其工作区间内到达一个具体的配置（位姿）的能力。敏捷灵巧度描述了机械臂在运动时的灵活以及拥有高效的速度。结构柔性是应对施加于机械臂的力和扭矩的能力。2.PowerCube机械臂的正运动学分析在1955年，后人利用Denavit和Hartenberg在“ASMEJournalofAppliedMechanics”发表的论文对机器人进行了表示和建模，并导出了运动方程。Denavit-Hartenberg(D-H)建模方法是根据机器人连杆和关节进行建模，这种建模方法简单通用，是表示机器人和对机器人运动进行建模的标准方法。它可用于表示在直角坐标、圆柱坐标、球坐标、欧拉角坐标及RPY等坐标中的坐标变换。另外，它也可以用于任何表示关节和连杆组合的机器人，如全旋转的链式机器人、SCARA机器人、Stanford机械臂等。C.R.Rocha,C.P.Tonetto,A.Dias等人比较了D-H运动学建模方法和基于螺旋理论的运动学建模方法，相比于D-H法建模，螺旋理论法对于整个链需要两个框架，而D-H法只需要一个框架；螺旋理论法坐标系可以随意选取而D-H法不能；螺旋理论法关节变量可能表示绝对位移等。相比于D-H法，螺旋理论法在运动学建模与分析也有一些优势，但没那么流行\n也没有一套标准化的公式方法[1]。机器人一般由一些列关节和连杆按任意的顺序连接而成。为了对任意坐标系的机器人进行建模分析，我们需要给每个关节指定一个参考坐标系，确定从一个关节到下一个关节（一个坐标系到下一个坐标系）来进行变换的步骤。然后将基座到第一关节，第一关节到第二关节……第n-1关节到最后一个第n关节的所有变换结合起来，就可以得到机器人的总变换矩阵。我们建立了如图3-1所示的Powercube机械臂的模型示意图[2]图3-1机械臂示意图其中，符号“”和“⊙”分别表示方向为垂直纸面向里和垂直纸面向外，符号表示坐标系原点。为末端夹持器坐标系，其余为关节坐标系。根据图3-1以及D-H建模法，我们可以分析出该机械臂的D-H参数表为表1PowerCube机械臂D-H参数表坐标系00000000其中，，，，，各关节的变换矩阵为\n，，，，，，。为了简化书写，表示，表示。总变换矩阵由于矩阵结果较为复杂，在此先假设为矩阵其中各项为：\n(2-22)其中ci表示，si表示。1.PowerCube机械臂的逆运动学分析对于机械臂的动作设计来说，我们真正关心的是逆运动学解。要让机械臂到达特定的位姿，我们需要确定各个关节的值。现在我们给出机械臂的期望位姿为：\n其中各个参数都是已知的。现在假设地上有一小球，我们要进行逆运动学分析算出各个关节角度，让机械臂达到小球位置。假定小球在机械臂的工作区间内。机械臂工作区间如下表所示：表2PowerCube机械臂的约束关节Min()Max()连杆约束1160-1601关节角工作范围290-1102碰到平台、自身3160-1603关节角工作范围4120-1204碰到平台、自身5120-1205碰到平台、自身6360-3606线缠绕(1080)为了计算简便。我们这里假设关节角度3和5为0，即，。这样可以保证机械臂的夹持器垂直向下。为了求解，选择左乘等式左边矩阵为由于等式右边矩阵较为复杂，仅列出与求解相关项，第三行第四列项为0。则由等式两端各项相等可得假设小球坐标系和全局坐标系平行，则小球的位姿矩阵可以表示为\n现在让，则由式正运动学方程和矩阵中的对应各项的关系可以得到和的关系为：且（保持夹持器垂直向下）。此外，中的项对应了矩阵中的，由于，，则：其中表示由和的关系和余弦二倍角公式可将上式化为：判别式为当时，即当时，方程无解，即机械臂无法达到此高度范围。当有解时，即时，求得方程解为：对于地面上小球而言，，此时取。中的项对应了矩阵中，由于，，则：现在我们可以根据和的关系、已知的角求得以上我们由给定位置的小球求得了相应的关节参数。由于逆解求法不唯一，且六自由度机械臂在相同位姿下可能存在多解性，如。因此我们需要选择一种\n在实际环境下对于机械臂的最优解（考虑功率、行程、受力、避障等情况）。1.PowerCube机械臂的仿真建模1.1构建机械臂对象由于实物机械臂的昂贵性，操作不便性，以及体积庞大。本文中的大部分实验都采用Matlab仿真实现，利用仿真不仅能够很好地验证理论的正确性，也在对理论以及空间结构的理解上更为直观。借由计算机强大的计算能力以及Matlab提供的良好平台，本文选取MatlabRoboticsToolbox作为机械臂的仿真工具箱[3]。借图3-2PowerCube机械臂对象（初始位姿）以及滑块控制图助这个工具箱强大的函数库，机械臂的正逆运动学求解、轨迹规划的仿真、动作的仿真都有了很好的处理。本文参考了文献中的仿真工具的使用方法，对机械臂进行了仿真。首先我们要构建机械臂对象。由于机械臂是由多个连杆构成，依据前面的D-H表参数，我们可以通过Link函数构建各个关节，并通过这些关节构建出机械臂对象。如图3-2左图所示，为构建出的机械臂对象（初始位姿）。我们还可以根据图3-2右图所示的滑块控制图来调节相应关节变化，观察机械臂的运动情况。Matlab构建机械臂代码如下：d1=10;a1=12.5;d3=33.5;a4=18;d6=15;d7=5;th1=0;th2=0;th3=0;th4=0;th5=0;th6=0;th7=0;u1=-pi/2;u2=pi/2;u3=-pi/2;u4=0;u5=-pi/2;u6=pi;u7=0;L1=LINK([u1a1th1d10],'standard');\nL2=LINK([u20th2+pi/200],'standard');L3=LINK([u30th3+pid30],'standard');L4=LINK([u4a4th4-pi/200],'standard');L5=LINK([u50th5+pi/200],'standard');L6=LINK([u60th6d60],'standard');L7=LINK([u70th7d70],'standard');pb=robot({L1L2L3L4L5L6L7});pb.name='PowerCube机械臂';drivebot(pb);1.1正运动学仿真正运动学仿真主要用到fkine函数。给出各个关节角度值，使机械臂到达符合关节角度的位姿。fkine函数可以由给出各个关节角度值求出位姿矩阵。这里我们假定各个关节角度值为[000-pi/2000]，即让第四关节旋转-90度。仿真部分代码如下qs=[000-pi/2000];%期望位姿关节角T=fkine(qs)%正运动学解仿真结果为(2-40)T矩阵即为给定关节下的位姿矩阵。1.2逆运动学仿真现在假设小球的位姿矩阵为中的矩阵。我们来进行一次“逆推”，即由此矩阵逆解出小球到达此位姿的各个关节角度。相应代码如下R=0:0.056:5;qz=[0000000];%初始位姿关节角T=[10046;0100;001-18;0001];%期望位姿矩阵qi=ikine(pb,Q)%逆运动学求解q0=jtraj(qz,qs,R);plot(pb,q0);\n我们在其中进行了轨迹规划的动态演示。逆解结果qi为qi=[000-pi/2000]，和正运动学仿真中的qs相同。因为我们正是由正运动学解反过来求解逆运动学解，两者相等说明了仿真的正确性。抓取小球的最终位姿如下图2-8抓取小球的位姿参考文献：[1]C.R.Rocha,C.P.Tonetto,A.Dias.AcomparisonbetweentheDenavit–Hartenbergandthescrew-basedmethodsusedinkinematicmodelingofrobotmanipulators[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing27(2011):723–728.[2]史先鹏，张波涛，刘士荣等.面向任务的冗余移动机械臂的运动规划[C].第27届中国控制会议论文集.2008:476-480.[3]谢斌，蔡自兴.基于MATLABRoboticsToolbox的机器人学仿真实验教学[J].计算机教育,2010,(19):140-143.