(1)研究背景

随着我国社会经济的快速崛起和科技在各行各业中的广泛应用，机器人越来越成为提高工作效率、降低生产成本、提高生产安全性的有力助手。在家庭、商场、办公室等场所中，服务型正在不断提高其服务性能，提高了人们的生活水平，减少了人们的工作量。在工业生产现场，工业机器人的产生，使工人脱离了以往的危险的工作环境，提高了生产效率，明显地带动了工业生产水平。除了以上所举例的行业，机器人的作用更深入到了社会生产生活的方方面面，如救火机器人、医疗机器人、水下机器人、搜救机器人等等。随着机器人产业的迅速发展，机器人研发向着专业化和精细化的方向不断发展。

据有关机构统计，我国工业机器人市场需求正处于爆发期。我国制造业机器人密度在不到8年的时间内由2011年的11爆炸式地增长到了现在的36，我国机器人密度较低但增速较快，未来工业机器人市场潜力巨大，需求将继续保持井喷态势。预计到2020年，工业机器人保有量在80万台以上，密度达150以上。工业机器人市场潜力巨大。

六自由度机器人是目前工业领域常用的工业机器人。六自由度的设计使其可以完成自由度较少的机器人可以完成的工作，同时也不存在因自由度过多而产生的如资源浪费、控制系统过于复杂等冗余问题。六自由度是许多机器人厂家的生产标准产品，所以对其进行研究有现实的意义和应用。

（2）国内外研究现状

目前，国内外许多高校和研究机构对六自由度工业机器人运动控制方面的研究主要集中在以下几方面：一、运动学；二、静力学；三、动力学；四、轨迹规划及其控制算法。

一、运动学研究是最基本的研究内容。John J.Craig较早且系统地对机器人运动学进行了分析研巧，并以PUMA560为例详细介绍了正逆运动学方程的求解过程。但是在实际研究中，研究人员会面临＂正易逆难＂的情况。因为一般无法得到任意结构机器人的所有解。不过目前实际所使用的机器人基本都是腕部三轴轴线相交的结构。宫赤坤等人就是对该结构的机器人进行了研究。孙恒辉等人引入旋量理论对末端Ｈ轴相交的六自由度机器人逆运动学方程作了进一步的深入研究。求出其逆解后依然有两个问题需要解决。一是解的奇异性，二是解的合理性选择。针对解的奇异性问题，董伯麟提出了如何规避这个问题的方法，即连续阻尼自适应调节方法。如何对求出的逆解进行合理选择即获得期望解，叶伯生等人是采用对机器人肩肘腕三个关节的状态进行分类的方法对解作进一步选择。

二、静力学主要研巧速度和静力。关键内容则是求出机器人雅可比矩阵。吕永军采用微分变换的方法，而张鹏程等则是使用矢量积的方法。求出的雅可比矩阵主要应用于三方面，求解末端速度、求解静力或者静力矩以及分析机器人运动路径中的奇异点。

三、动力学与运动学两者有相似之处。它也有正与逆两方面内容。正解用于控制，逆解则用于仿真。求解动力学方程的方法有很多。大多数使用的方法为Newton-Euler法、Lagrange法、Gauss以及Kane法等。石巧等人比较了这几种方法在计算效率和应用场合方面的优劣，其对于选择哪种方法进行六自由度机器人动力学计算具有一定的指导意义。

四、轨迹规划和控制算法描述了如何通过相关算法使六自由度机器人在多维空间中得到期望的运动。华磊、段晋军二人是基于其他平台对六自由度机器人的控制算法进行研究，前者为Windows平台，后者为LabView平台。目前，基于CodeSys平台进行运动控制系统的研究较少。结合CodeSys开发平台，王伟做了基于CodeSys平台开发多轴机器人控制系统的研究，主要对SCARA的控制算法进行研究。仲晓帆则是基于CodeSys平台研究了六轴机器人运动控制方法，其更侧重于轨迹规划和嵌入式控制平台开发两方面内容。

一、研究内容

1.研究六关节机器人的控制问题及国内外现状，掌握六关节机器人的工作原理

2.建立六关节机器人对象的数学模型，仿真其运动学

3.在MATLAB平台上仿真验证

二、技术方案

从运动学方面对六关节机器人的控制进行研究，在此基础上，在MATLAB环境下对其进行相应的仿真。研究主要包括以下几个方面：

1、六自由度机器人的相关数学理论进行了系统研究。内容包括：将所研究机器人转化为对应的数学模型；机器人空间描述和变换方法；D-H表示法。这些内容是后续研究的数学基础。

2、对KUKA KR 1000 Than的运动学进行了分析。首先根据其模型建立了D-H参数表，结合前面内容建立其正运动学方程。然后采用几何法求解逆运动学方程，并利用关节配置状态对解进行选择。最后利用MATLAB平台对所求方程进行仿真以验证算法的正确性。

最后，完成毕业论文的撰写和完善。

第1~3周 查阅文献；分析题目研究现状，学习基本理论；

第4周 阅读文献、撰写开题报告，英文文献翻译；

第5周 将所研究机器人转化为对应的数学模型；

第6-8周 学习机器人空间描述和变换方法；D-H表示法；

第9-11周 对动力学进行分析，建立D-H参数表、正逆运动学方程；

第12周 学习MATLAB软件相关工具箱；

第13周 利用MATLAB平台对所求方程进行仿真；

第14周 撰写毕业论文、完成初稿；

第15周 整理、完善论文；

第16周 论文打印、装订、准备答辩。

[1]楼佳祥. 六自由度工业机器人控制系统设计与实现[D].杭州电子科技大学,2015.

[6]耿磊．六自由度工业机器人的建模与仿真研究［Ｄ］，沈阳：东北大学，2013．

[7]欧阳旭东, 胡晓兵, 付柯锦, amp; 徐兴伟. (2016). 基于opengl的六关节机器人运动学分析与仿真. 制造业自动化, 38(3), 38-41.

[8]顾威. 六自由度机器人控制与仿真技术研究[D].山东大学,2017.

[9]卢月品.我国机器人产业发展对策研究[J].电器工业,2016(10):51-58.

[10]吕永军. 六关节串联机器人机构奇异位形研究[D].中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所),2016.

[11] Racine J L C.Control of a lower extremity exoskeleton for human performanceamplification[M]. University of California, Berkeley, 2003.

[12] Cao H, Zhu J, XiaC, et al. Design and Control of a Hydraulic-Actuated Leg Exoskeleton forLoad-Carrying Augmentation[M]// Intelligent Robotics and Applications.Springer Berlin Heidelberg, 2010:590-599.

[13]董伯麟, 彭航. 工业机器人逆运动学的奇异回避算法[J]. 机械设计与研究, 2016(2):35-40.