基于D-H參數法的機器人運動學教具制造技術

本發明專利技術公開了一種基于D?H參數法的機器人運動學教具，包括底座、第一連桿機構、第二連桿機構；采用移動副、且可鎖緊的機構實現桿長可調整；采用轉動副、且可鎖緊的機構實現關節軸扭角可調整；采用移動副，且可鎖緊的機構實現公垂線偏置可調整。本發明專利技術可以讓學生了解與體會機器人逆運動學求解在機器人控制中的應用。

【技術實現步驟摘要】
基于D-H參數法的機器人運動學教具
本專利技術涉及一種用于機器人課程中的教學用具，其專門針對機器人運動學中連桿參數的直觀演示而設計，屬于教學用具領域。
技術介紹
目前國內外幾乎沒有專門針對機器人運動學的教具，更沒有基于D-H參數法的運動學教具。以下簡單介紹一下與本專利技術比較接近的機器人教學方面的教具。機器人教具是一種典型的機電一體化產品，它融合了造型技術、機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件和人工智能等眾多先進技術，是進行教學演示、工程訓練較為理想的平臺。經檢索，比較典型的如下幾種：重慶大學設計的四自由度的教學型機器人：它屬于典型的關節型機器人，其四個關節采用步進電機作為驅動方式,傳動機構采用諧波減速器,其傳動比都為1:80左右,因此可以獲得較大的力矩和單脈沖精度，也可簡單演示關節轉角變化。但該機器人與一般機器人在結構與控制上并無本質區別，其也未設計能表達機器人運動學有關連桿參數的機構或模塊。哈爾濱工業大學機器人研究所研制的四自由度SCARA型教學機器人讓學生對機器人的機械系統，控制系統有更好的了解，同時可簡單完成示教編程與再現、可顯示SCARA機器人較特殊而簡單的正運動學、逆運動學分析以及軌跡規劃等功能。但未能展現機器人運動學在一般情況下的連桿參數及其結構關系。美國Heathkit公司開發的ET－18HERO－I教學機器人：這種小型機器人用于示教、教學實驗都較理想,因為它具有多種功能如：自由度多,運動靈活；有簡單的光感、聲感能力；可進行聲納測距和運動物體的檢測等。然而其教學演示的主要是機器人的基本動作與簡單智能行為，并不是展現機器人關節連桿參數及其結構關系。總之，上述國內外開發的教學機器人雖說可以簡單完成示教編程與再現、甚至可以簡單展現機器人正運動學、逆運動學分析等功能，卻沒有將機器人連桿參數等運動學知識表達出來，未起到表達清楚機器人在關節處的前一連桿與后一連桿之間的一般性空間結構關系，因為它們并非專用機器人運動學教具。為解決同學們在課堂上僅憑書本理解機器人運動學參數及三維空間結構比較困難的問題，也為了激發同學們的創新能力及迎合機器人教學需要創新的改革需要，我們設計了一款能合理表達機器人運動學連桿參數，給初學者以直觀印象的機器人運動學教具，以期幫助初學者理解相關知識點，提高教學效果。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種將機器人關節處的連桿參數表達直觀、可用于輔助教學的基于D-H參數法的機器人運動學教具。本專利技術的技術解決方案是：一種基于D-H參數法的機器人運動學教具，其特征是：包括底座、第一連桿機構、第二連桿機構；底座由上底板和下底板用四顆內六角螺釘結合在一起；在下底板的中心部位有加工好的矩形凹槽，定心軸承放于所述凹槽之中，用于第一連桿的定位；第一步進電機通過其軸端小齒輪與齒輪嚙合帶動第一連桿旋轉，其中第一步進電機通過加工的凹槽定位在上底板上，凹槽中有四個孔，供螺釘通過，并將第一步進電機固連在上底板上；第一連桿機構包括第一連桿，第一連桿通過直角連接件與大空心連桿連接，大空心連桿通過錐形擰緊件與小空心管連接；第一步進電機作為動力源，使第一連桿轉動，并帶動與之連接的大、小空心連桿轉動，實現連桿轉角θ1的變化；第一連桿機構長度的改變通過松動錐形擰緊件，使小空心連桿的移動，改變連桿長度a1，長度由a1變化到a1+Δa；第二連桿機構包括方形桿套，方形桿套與小空心連桿端部螺紋連接，方形桿套中有圓孔，第二連桿可以在方形桿套圓孔中上下移動，通過方形桿套外圍的緊定螺釘使第二連桿固定；第二連桿在方形桿套中的上下移動，實現公垂線偏置d2的可調公垂線偏置由d2變化到d2+Δd；固定有第二步進電機的角鋁通過配合的圓孔放置在第二連桿的端部，第二連桿端部有螺紋，將法蘭擰緊在第二連桿上；直線軸承在帶夾緊裝置的軸承支座中，法蘭與軸承支座和角鋁作為一個整體由兩顆尼龍螺栓緊固在一起；直線軸承內有軸，軸上有齒輪與第二步進電機上的齒輪嚙合為第二連桿機構提供動力源，軸又通過連接件與第三連桿連接；通過松動錐形擰緊件，轉動小空心連桿，使得第二連桿發生扭轉，實現連桿扭角α1的變化；由軸上有齒輪與第二步進電機上的齒輪嚙合為第二連桿機構提供動力源，所以第三連桿可以繞軸的軸線轉動，轉角為θ2。第一步進電機、第二步進電機由控制系統控制。所述控制系統包括進行測距的超聲波傳感器，超聲波傳感器將測距數據傳遞給主控芯片，主控芯片將測距數據換算為步進電機脈沖，第一步進電機、第二電機按脈沖轉動。將α1置為0，此時機器人可在X0OY0的平面或與之相平行的平面內運動，此刻該機器人可視為一平面機器人，具有兩個轉動自由度，根據逆運動學的求解方法，可得：Ta表示機器人末端需要到達的目標點，在X0OY0平面內的坐標為(x,y)，大空心連桿、小空心連桿構成的連桿長度為a1；連接件與第三連桿構成的連桿長度為a2；實現時，在目標點Ta處，通過超聲波傳感器向兩邊的測距壁測距，得xb,yb，再根據測距壁本身與X0OY0平面的坐標軸距離xa,ya,換算得到目標點Ta在X0OY0的平面內的坐標(x,y)；根據該坐標值，算得θ1與θ2，然后將這些角度值換算成相應的脈沖量，由單片機程序控制二個步進電機分別轉動θ1與θ2。本專利技術的優點：功能創新：本專利技術用于表達機器人運動學中基于D-H參數法的四個基本連桿參數，除了常見的關節轉角變量可動態變化，其余的三個參數也可調整，以展示出關節一般性的結構關系，有利于觀察這些參數。這在國內外沒有報道。是本專利技術的最基本也是最重要的創新點。本專利技術可將一些參數特殊化，進行簡單的運動控制演示，雖然機器人運動控制有較多報道，但基本四個連桿參數的特殊調整，轉化為簡單的平面機器人，并進行運動演示，關于這個功能報道很少。結構創新：所設計的裝置，采用移動副，且可鎖緊的機構實現桿長可調整；采用轉動副，且可鎖緊的機構實現關節軸扭角可調整；采用移動副，且可鎖緊的機構實現公垂線偏置可調整。以上機構實現四個連桿參數中三個通常為常數的參數均可調，是本裝置的主要結構創新點。附圖說明下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步說明。圖1是機器人連桿結構關系及其參數的一般表達示意圖。圖2是本專利技術機器人運動學教具示意圖。圖3是底座內部結構示意圖。圖4是本專利技術機器人運動學教具三維外觀圖。圖5是θ1的變化示意圖。圖6是連桿長度a變化示意圖。圖7是第二連桿機構主視圖。圖8是第二連桿機構爆炸圖。圖9是公垂線偏置d2的可調示意圖。圖10是第二連桿機構在構件81,91處的局部裝配剖視圖圖11是展示連桿扭角α1變化的機器人運動學教具左視圖。圖12是展示轉角θ2變化的第二連桿機構俯視圖。圖13是控制簡圖。圖14是平面二自由度(連桿)機器人按運動學逆解簡單求解運動至指定點示意圖。具體實施方式為了研究機器人各連桿之間的位移關系，Denavit和Hartenberg在1955年提出了一種比較通用的方法，這種方法在機器人的每個連桿上都固接一個坐標系，通過坐標軸的旋轉、平移、平移、旋轉四個基本變換，通用性地表達了前一連桿至后一連桿之間的變換關系，并且可用一個4×4的齊次變換矩陣描述相鄰兩連桿之間的空間關系。這種方法可以表達機器人任意關節處前后兩連桿之間的一般性結構關系，后來成為機器人運動學建模的標準方法，我們通常稱為D-H參數方法本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于D?H參數法的機器人運動學教具，其特征是：包括底座、第一連桿機構、第二連桿機構；底座由上底板(12)和下底板(11)用四顆內六角螺釘結合在一起；在下底板(11)的中心部位有加工好的矩形凹槽，定心軸承(51)放于所述凹槽之中，用于第一連桿(41)的定位；第一步進電機(31)通過其軸端小齒輪(311)與齒輪(61)嚙合帶動第一連桿(41)旋轉，其中第一步進電機通過加工的凹槽(121)定位在上底板(12)上，凹槽中有四個孔，供螺釘通過，并將第一步進電機固連在上底板(12)上；第一連桿機構包括第一連桿(41)，第一連桿(41)通過直角連接件(71)與大空心連桿(421)連接，大空心連桿(421)通過錐形擰緊件(4211)與小空心管(422)連接；第一步進電機(31)作為動力源，使第一連桿(41)轉動，并帶動與之連接的大、小空心連桿轉動，實現連桿轉角θ1的變化；第一連桿機構長度的改變通過松動錐形擰緊件(4211)，使小空心連桿(422)的移動，改變連桿長度a1，長度由a1變化到a1+Δa；第二連桿機構包括方形桿套(72)，方形桿套(72)與小空心連桿(422)端部螺紋連接，方形桿套(72)中有圓孔，第二連桿(431)可以在方形桿套(72)圓孔中上下移動，通過方形桿套外圍的緊定螺釘(721)使第二連桿(431)固定；第二連桿(431)在方形桿套(72)中的上下移動，實現公垂線偏置d2的可調公垂線偏置由d2變化到d2+Δd；固定有第二步進電機(32)的角鋁(101)通過配合的圓孔放置在連桿(431)的端部，第二連桿(431)端部有螺紋，將法蘭(91)擰緊在第二連桿(431)上；直線軸承(52)在帶夾緊裝置的軸承支座(81)中，法蘭(91)與軸承支座(81)和角鋁(101)作為一個整體由兩顆尼龍螺栓(22)緊固在一起；直線軸承(52)內有軸(432)，軸(432)上有齒輪(62)與第二步進電機(32)上的齒輪嚙合為第二連桿機構提供動力源，軸(432)又通過連接件(73)與第三連桿(44)連接；通過松動錐形擰緊件(4211)，轉動小空心連桿(422)，使得第二連桿(431)發生扭轉，實現連桿扭角α1的變化；由軸(432)上有齒輪(62)與第二步進電機(32)上的齒輪嚙合為第二連桿機構提供動力源，所以第三連桿(44)可以繞軸(432)的軸線轉動，轉角為θ2。...

【技術特征摘要】
1.一種基于D-H參數法的機器人運動學教具，其特征是：包括底座、第一連桿機構、第二連桿機構；底座由上底板(12)和下底板(11)用四顆內六角螺釘結合在一起；在下底板(11)的中心部位有加工好的矩形凹槽，定心軸承(51)放于所述凹槽之中，用于第一連桿(41)的定位；第一步進電機(31)通過其軸端小齒輪(311)與齒輪(61)嚙合帶動第一連桿(41)旋轉，其中第一步進電機通過加工的凹槽(121)定位在上底板(12)上，凹槽中有四個孔，供螺釘通過，并將第一步進電機固連在上底板(12)上；第一連桿機構包括第一連桿(41)，第一連桿(41)通過直角連接件(71)與大空心連桿(421)連接，大空心連桿(421)通過錐形擰緊件(4211)與小空心連桿(422)連接；第一步進電機(31)作為動力源，使第一連桿(41)轉動，并帶動與之連接的大、小空心連桿轉動，實現連桿轉角θ1的變化；第一連桿機構長度的改變通過松動錐形擰緊件(4211)，使小空心連桿(422)的移動，改變大空心連桿和小空心連桿構成的連桿長度a1，長度由a1變化到a1+Δa；第二連桿機構包括方形桿套(72)，方形桿套(72)與小空心連桿(422)端部螺紋連接，方形桿套(72)中有圓孔，第二連桿(431)可以在方形桿套(72)圓孔中上下移動，通過方形桿套外圍的緊定螺釘(721)使第二連桿(431)固定；第二連桿(431)在方形桿套...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙南生，張磊，楊浩，嚴萬林，孫宇航，黃薛佺，羅曉冬，劉建中，
申請(專利權)人：南通大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32