多关节机器人轨迹规划及离线编程方法研究

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近年来,随着计算机技术、微电子技术以及网络通信技术的快速发展,有力推动了机器人技术的进步,工业机器人业已成为现代工业生产中不可或缺的机电一体化设备,其数量迅猛增长,应用范围日益广泛,标志着工业生产过程的现代化程度。但是,目前的工业机器人大多采用示教再现进行编程,工作效率较低;离线编程及远程控制技术在一定程度上提高了机器人的工作效率,但也只能借助于最基本的差补方式——直线插补、圆弧插补等来完成作业任务,实现对任意连续复杂轨迹的运动控制仍是工业机器人研究与应用的难点与热点问题之一。   本文在简述工业机器人应用与发展现状的基础上,以MOTOMAN-HP20机器人为具体研究对象,就离线仿真软件、远程控制软件、LabVIEW等工具软件进行了简要概述,并描述了文章所做的主要工作。系统介绍了机器人轨迹规划的相关理论:分析机器人位置控制方法的同时,对轨迹规划中基本的插值方式——空间直线插补和空间圆弧插补算法进行了阐述;针对机器人在关节空间中的轨迹规划,采用多种不同的插值方式进行了详细论述。   其次,对机器人运动学的相关理论进行了研究,基于建立运动学模型所采用的D-H方法系统建立了MOTOMAN-HP20多关节机器人的运动学模型,详细分析了依据相关参数进行MOTOMAN-HP20机器人运动学正解和运动学逆解的求解过程。   再者,针对MOTOMAN-HP20的示教编程、离线编程及远程控制方法进行了研究:以机器人夹持水杯倒水为例说明了机器人的示教编程方法;并以控制MOTOMAN-HP20机器人对12个堆放整齐的矩形零件进行搬运为例,通过远程控制软件MOTOCOM32实现机器人控制柜NX100与计算机之间的通信,从而操控机器人码垛;提出了现有机器人离线编程软件存在的不足之处。   最后,以LabVIEW为基础平台,设计、开发了一种新的离线编程软件,可以实现HP20多关节机器人的运动学正解与逆解运算,可完成空间任意两个约束点之间的直线插补和空间任意三个约束点间的圆弧插补。对于空间任意已知解析式的自由曲线能够较好地实现离线编程;对于二维平面内的任意未知曲线,该软件可以通过数据库中存储的各约束点的位姿,采用不同方法进行插值,并比较选出精度最高的差值方式,编辑、生成程序文件。软件的各部分功能均通过相应的实验进行了验证,能够操控机器人按照预期的轨迹进行运动。
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