西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文）

六自由度机械手复杂运动控制

年 级:200X级 学 号:200XXXX 姓 名:XXX

专 业: 机械工程系数控技术 指导老师:XXX

0X年 6月

院 系 机械工程系 年 级 200X级 题 目 六自由度机械手复杂运动控制

指导教师

评 语 专 业 数控技术姓 名 XXX

指导教师 (签章)

评 阅 人

评 语

评 阅 人 (签章)

成 绩

答辩委员会主任 (签章)

年 月 日

毕业设计（论文）任务书

班 级 0X级数控技术（1）班 学生姓名 XXX 学 号 200XXXXX 发题日期： 0X年 3月 1 日 完成日期： 6月 18日 题 目 六自由度机械手复杂运动控制

1、本论文的目的、意义本设计主要以实验室设备（六自由度串联机械手）为基础，运用六自由度串联机械手完成现实工程及实际需要为出发点。通过对机械手的系统分析建立机器人坐标系的方法，并对其进行正运动分析和逆运动学分析结合矩阵的变换等研究该机器人系统在平面轨迹方面的设计。并利用MATLAB对该设计的准确行进行验证。本次设计让我们能有效的利用学校的设备对实际需要进行分析设计，从而使我们能将理论与实际有效结合。并从中掌握了工程设计的

主要方法和了解了现存技术中需要我们进行探索的必要。 2、学生应完成的任务由于本课题取材于实际生产运用中，不仅从理论方面对设计有分析等要求，更要结合理论做出实际需要的运动控制。下面主要以学生的设计为主提出其需要完成的任务：（1）完成一万字符的外文翻译；

（2）完成复杂运动控制设计的总体方案； （3）通过老师指导可以对机械手进行熟悉的操作和运用； （4）利用现有资料对机械手进行运动学理论分析，并结合矩阵 工具对其建立的运动学方程进行求解； （5）利用机械手完成平面文字轨迹的运动控制； （6）对复杂运动控制的总结，分析其优缺点，并提出其缺点的

解决方案和需要注意的问题； （7）完成毕业设计论文。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 17 周）

第一部分阅读相关文献并收集资料 ( 3周) 第二部分熟悉设备操作并进行相关简单的操作 ( 3周) 第三部分轨迹设计过程和相关计算分析 ( 4周) 第四部分完成设计部分到实际运行部分 ( 3周) 第五部分撰写毕业论文 ( 2周) 评阅及答辩 准备好答辩的演示文档及进行答辩 ( 2周)

备 注

指导教师： XXX 0X年 3月 日 审 批 人： 年 月 日

摘 要

本文以示教型六自由度串联机械手为试验设备，进行机械手的复杂运动控制，使机械手完成各种复杂轨迹的运动控制等功能，能够在现代工业焊接、喷漆等方面的任务。

本文从运动学分析的基础上着手研究轨迹控制的问题，利用运动学逆解的方式分析复杂轨迹运动的可行性和实用性。目前，六自由度机械手的复杂运动控制已经有了比较好的逆解算法，也有一些针对欠自由度机械手的逆解算法。逆解算法求出的解不是唯一的，它能使机械手达到更多位姿，完成大部分的原计划任务，但其中的一些解并不是最优化的，因此必须讨论其反解的存在性和唯一性。

本文通过建立机械手的笛卡尔坐标系，推导出机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆运动学方程的解；在此基础上建立机械手的工作空间，并讨论其工作空间的灵活性和存在可能性。 因此本文的另一种方式对六自由度串联机械手的复杂运动控制问题进行研究，提出以机械手示教手柄引导末端执行器对复杂运动轨迹进行预设计。然后通过记录程序进行复杂轨迹的再实现，再对记录程序进行预修改，最终通过现有的程序进行设计编程完成复杂轨迹设计任务。并利用MATLAB对轨迹进行仿真，对比其实际与计算的正确性。

最后本设计通过六自由度串联机械手实现平面文字轨迹，得出其设计的方式。即首先利用示教手柄实现轨迹预设，记录预设轨迹程序，然后再对比程序初始化坐标进行手动编程。 关键词：六自由度机械手，笛卡尔坐标系，运动学方程，仿真，示教手柄ABSTRACT

In this paper, mechanical hand control the complex movement based on the series of six degrees of freedom manipulator so that the mechanical hand complete the complex trajectory of the movement control functions. In modern industrial welding, painting, and other aspects of the mandate can be used. This article based on the analysis of kinematics to study the trajectory control problems, use of inverse kinematics of the complex mode of tracking movement of the feasibility and practicality. At present, the six degrees of freedom manipulator complex movement has been relatively good control of

the inverse algorithm.There are also some less freedom for the inverse of the manipulator algorithm. Solutions sought by inverse algorithm is not the only solution, it can reach more manipulator Pose, originally planned to complete most of the task.But some of these solutions is not the most optimal, it is necessary to discuss their anti-the existence of solutions and uniqueness.

Through the establishment of the manipulator Cartesian coordinates, derived manipulator is the inverse kinematics matrix equation and the study is the inverse kinematics of the equation solution on the basis of this establishment manipulator working space. And discuss their work space The flexibility and the possibility exists.

So in another way to the six degrees of freedom series manipulator motion control the complex issues of research, to handle the machinery Shoushi guide for the implementation of the end of the complex pre-designed trajectory. Then track record of the complicated procedure to achieve, and then record the pre-amended procedures.The eventual adoption of the existing procedures designed trajectory design of complex programming tasks. And using MATLAB simulation of the track, compared with its actual calculation is correct.

The final design through six degrees of freedom series manipulator track to achieve flat text, draw their design approach. That is, first of all use of teaching handle achieve trajectory default the track record of default procedures, and then compared to manual procedures initialized coordinate programming.

key words：Six degree-of-freedom manipulators，Cartesian coordinates， Equations of motion， Simulation， Demonstration handle.

目 录

绪论 …………………………………………………………………1 课题研究背景和意义…………………………………………………1 国内外研究状况………………………………………………………2 六自由度机械手复杂运动控制的现实意义…………………………4 课题的提出……………………………………………………………5 本课题研究的主要内容………………………………………………5 串联机器人运动学…………………………………………………7

2.1 机器人运动学方程的表示……………………………………………7

2.1.1 运动姿态和方向角……………………………………………8 2.1.2 运动位置和坐标………………………………………………9 2.1.3 连杆变换矩阵及其乘和………………………………………12 2.2 机械手运动方程的求解………………………………………………15

2.2.1 欧拉变换解……………………………………………………16 2.2.2 滚、仰、偏变换解……………………………………………20 2.2.3 球面变换解……………………………………………………21 2.3 反解的存在性和唯一性………………………………………………23

2.3.1 反解的存在性和工作空间……………………………………23 2.3.2 反解的唯一性和最优解………………………………………24 2.3.3 求解方法………………………………………………………25 六自由度机械手的平面复杂轨迹设计及运动学分析……………27

3.1 系统描述及机械手运动轨迹设计方式………………………………27