四自由度機(jī)械臂繪制矢量字符與圖形的研究.pdf

1、近年來，機(jī)器人受到了企業(yè)和科研人員的廣泛關(guān)注，機(jī)械臂作為機(jī)器人的一個(gè)重要分支也成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)課題。機(jī)械臂在工業(yè)、教育、醫(yī)療、航天、軍事等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。機(jī)械臂寫字繪畫在工業(yè)噴標(biāo)和科普教育中有著廣闊的應(yīng)用空間，為此，本文結(jié)合某公司的工程項(xiàng)目，針對(duì)機(jī)器人書寫過程中電機(jī)頻繁啟停影響寫字速度和穩(wěn)定性的問題，設(shè)計(jì)了基于前瞻插補(bǔ)算法的寫字機(jī)器人，該寫字機(jī)器人中首先采用字符和圖形提取算法將軌跡轉(zhuǎn)化為連續(xù)小線段的形式，并對(duì)小線段進(jìn)行前瞻處理，然后

2、采用加減速插補(bǔ)算法對(duì)小線段進(jìn)一步的插補(bǔ)密化，并將密化后的微小線段通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)化為各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)量，最終機(jī)械臂能夠快速、穩(wěn)定和準(zhǔn)確地書寫字符和繪制圖形。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)機(jī)械臂建模與正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。對(duì)D-H參數(shù)法建立機(jī)械臂模型的原理進(jìn)行了詳細(xì)的說明，在此基礎(chǔ)上對(duì)本文采用的四自由度機(jī)械臂進(jìn)行了建模，然后對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析，并對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解過程中出現(xiàn)的多解進(jìn)行了優(yōu)選。
　　(2)機(jī)械臂軌跡規(guī)劃與仿

3、真模擬。對(duì)笛卡爾空間和關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃原理進(jìn)行了分析。針對(duì)寫字機(jī)器人中使用的加減速直線插補(bǔ)算法的原理和實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了研究，采用非對(duì)稱型的速度規(guī)劃方法實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)算法中的速度和加速度的平滑過渡。為了驗(yàn)證正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃的正確性，采用Matlab環(huán)境中的機(jī)器人工具箱對(duì)機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃進(jìn)行了仿真模擬。
　　(3)寫字控制軟件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先從整體上對(duì)控制軟件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后按照表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層三層結(jié)

4、構(gòu)對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中核心層是業(yè)務(wù)邏輯層，該層以實(shí)現(xiàn)繪制矢量字符和圖形為目標(biāo)展開設(shè)計(jì)。針對(duì)繪制矢量字符，首先分析了矢量字符在Windows平臺(tái)中的結(jié)構(gòu)，然后采用.NET提供的類庫開發(fā)了字符提取算法。針對(duì)繪制矢量圖形，首先采用繪圖軟件繪制矢量圖形并生成 PLT文件，然后以 PLT文件為基礎(chǔ)開發(fā)了圖形提取算法。最后對(duì)矢量字符和矢量圖形中均采用的小線段前瞻算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)和程序?qū)崿F(xiàn)，并對(duì)算法的有效性通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　本文

5、的創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　(1)通過對(duì)機(jī)械臂建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、軌跡規(guī)劃和上位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了四自由度機(jī)械臂繪制矢量字符和圖形。
　　(2)使用加減速直線插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人寫字過程中速度和加速度的連續(xù)過渡以及軌跡的微量化，提高了書寫路徑的準(zhǔn)確性。采用前瞻算法使路徑小線段的初末速度不為零，改善了寫字過程中電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的連貫性和穩(wěn)定性，避免了電機(jī)的頻繁啟停，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命，同時(shí)也提高了寫字速度。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該寫字