2919 集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車(chē)體結(jié)構(gòu),集裝箱,波紋,焊接,機(jī)器人,機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)學(xué),分析,車(chē)體,結(jié)構(gòu) 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告學(xué) 生 姓 名： 錢(qián)瑞學(xué) 號(hào)：0501510131專(zhuān) 業(yè) ： 機(jī)械工程及自動(dòng)化設(shè)計(jì) (論文 )題目 ： 集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指 導(dǎo) 教 師 : 武培軍 吳 晟年 月 日開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求1．開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述” ）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專(zhuān)業(yè)審查后生效；2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)；3． “文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打?。┰诒鹃_(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15 篇科技論文的信息量，一般一本參考書(shū)最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊(cè)） ；4．有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo) GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2009 年 3 月 15 日”或“2009-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)2000 字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述摘要 工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是通過(guò)編程完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人是一門(mén)涉及機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。以下著重闡述工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)背景，國(guó)內(nèi)外的研究狀況，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用以及實(shí)際遇到的問(wèn)題和解決思路。關(guān)鍵詞 逆解 機(jī)器人 人工智能1 機(jī)器人的概念 機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度，并能實(shí)現(xiàn)較多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器，而工業(yè)機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人。美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)提出的工業(yè)機(jī)器人定義為：“機(jī)器人是一種可重復(fù)編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)” 。英國(guó)和日本機(jī)器人協(xié)會(huì)也采用了類(lèi)似的定義。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-90 將工業(yè)機(jī)器人定義為： “機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)” 。而將操作機(jī)定義為：“具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置” 。機(jī)器人系統(tǒng)一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成 [1]。2 機(jī)器人技術(shù)的背景及其意義機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái),機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快,已成為柔性制造系統(tǒng)( FMS) 、自動(dòng)化工廠( FA) 、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人,不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量,而且保障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約材料消耗以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣,工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式 [3]。20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。3 國(guó)內(nèi)外研究概況3.1 國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r從機(jī)器人（Robots）誕生到二十世紀(jì) 80 年代，機(jī)器人制造技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過(guò)程。到了 90 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展，機(jī)器人制造技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。近年來(lái)，人類(lèi)的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向各個(gè)科技領(lǐng)域發(fā)展。海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)對(duì)機(jī)器人的要求比制造業(yè)更高，所以研制出具備能夠行走、對(duì)外感知和能夠局部自主規(guī)劃功能的機(jī)器人，成了機(jī)器人制造技術(shù)發(fā)展的重要方向。如今，水下機(jī)器人、地下機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、建筑機(jī)器人、軍用機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類(lèi)的得力助手和親密伙伴。美國(guó)是機(jī)器人的誕生地,早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人,比起號(hào)稱(chēng)機(jī)器人王國(guó)的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一。據(jù)UNECE和IFR統(tǒng)計(jì), 2004年美國(guó)新安裝工業(yè)機(jī)器人12 693臺(tái),預(yù)計(jì)到2007年底,新安裝的工業(yè)機(jī)器人將達(dá)15 900臺(tái)。至2003年末,在北美運(yùn)行的機(jī)器人總量為112 390臺(tái),比2002年增長(zhǎng)7% ,預(yù)計(jì)至2007年6美國(guó)運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人總量將達(dá)到145 100臺(tái)。就每萬(wàn)名雇員擁有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),至2003年末,在美國(guó)制造業(yè)中,每1萬(wàn)名雇員有63個(gè)工業(yè)機(jī)器人。作為對(duì)比,德國(guó)為148個(gè),歐盟為93個(gè)。在美國(guó)汽車(chē)工業(yè)中,每萬(wàn)名產(chǎn)業(yè)工人擁有740個(gè)工業(yè)機(jī)器人,但這個(gè)數(shù)字還是遠(yuǎn)低于日本( 1 400個(gè)機(jī)器人) 意大利(1 400個(gè)機(jī)器人)和德國(guó)( 1 000個(gè)機(jī)器人) [8]。日本素有“機(jī)器人王國(guó)”之稱(chēng),其工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展令人矚目,無(wú)論機(jī)器人的數(shù)量還是機(jī)器人的密度都位居世界第一。在其經(jīng)歷了短暫的搖籃期之后,快速跨過(guò)實(shí)用期,邁入普及提高期。在20 世紀(jì)80 年代至90年代初期,日本的工業(yè)機(jī)器人可謂處于繁榮鼎盛時(shí)期,似乎無(wú)所不能。然而,花無(wú)百日紅,自20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始,隨著歐洲和北美工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的崛起,國(guó)際市場(chǎng)的格局發(fā)生了明顯的變化,從日本轉(zhuǎn)向了歐洲和北美。在度過(guò)了幾年的低迷期之后, 21世紀(jì)初日本的工業(yè)機(jī)器人又開(kāi)始重新煥發(fā)生機(jī),尤其是伴隨著中國(guó)和其他周邊國(guó)家對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求的增長(zhǎng),以及日本本國(guó)早年工業(yè)機(jī)器人因服務(wù)期限而帶來(lái)的更新?lián)Q代,預(yù)期將對(duì)日本工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展發(fā)揮積極的作用。據(jù)日本機(jī)器人協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì), 2004年全年日本工業(yè)機(jī)器人的定單較去年增長(zhǎng)了1718% ,達(dá)到4 99516億日元(48億美元) ，是連續(xù)第三年大幅度增長(zhǎng)。2004年全年日本工業(yè)機(jī)器人出貨量為4 45813億日元,同比增長(zhǎng)13.4%。2005年第一季度,日本工業(yè)機(jī)器人出貨量為1 289億日元,較去年同期增長(zhǎng)13.6% [4]。3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)機(jī)器人研究與應(yīng)用起步于二十世紀(jì)70年代初，1986年，“智能機(jī)器人”被列入國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），經(jīng)過(guò)近二十年的不懈努力，取得了一系列令世界矚目的科研成果。隨著以國(guó)家863機(jī)器人技術(shù)主題為主的國(guó)家相關(guān)部門(mén)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步推動(dòng)，必將對(duì)我國(guó)創(chuàng)建“以人為本”社會(huì)發(fā)展模式和發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各類(lèi)主要機(jī)器人的生產(chǎn)和應(yīng)用均呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從大型的工業(yè)機(jī)器人到小型的納米機(jī)器人，從代表國(guó)家最高科技水平的登月機(jī)器人到提高學(xué)生綜合素質(zhì)的教育機(jī)器人，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在中國(guó)正進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，呈現(xiàn)出一種欣欣向榮的前景。中國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，以其低成本的勞動(dòng)力奠定了在國(guó)際制造業(yè)中的地位，號(hào)稱(chēng)“世界工廠”。但是，隨著經(jīng)濟(jì)快速全球化以及信息技術(shù)飛速發(fā)展，單純地依靠勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)模式已經(jīng)滿(mǎn)足不了對(duì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)等日益提高的要求，提高制造業(yè)的技術(shù)與資金密集度是制造業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)。實(shí)踐證明，通過(guò)信息化帶動(dòng)工業(yè)化是中國(guó)繼續(xù)保持國(guó)際制造業(yè)大國(guó)并轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)強(qiáng)國(guó)的唯一出路。工業(yè)機(jī)器人作為重要的自動(dòng)化基礎(chǔ)裝備，是制造業(yè)信息化發(fā)展的基石。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，機(jī)器人技術(shù)與現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)和信息技術(shù)互相滲透、融合，應(yīng)用于制造業(yè)基礎(chǔ)裝備的改造，使傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)生“脫胎換骨”式的飛躍，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)步產(chǎn)生強(qiáng)大的推動(dòng)力 [2]。4 機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用4.1 仿人機(jī)器人仿人機(jī)器人具有可移動(dòng)性、超多的自由度、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)處理能力，可以完成更復(fù)雜的任務(wù)。但對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性，建立包含語(yǔ)音、視頻等多媒體信息的多功能遠(yuǎn)程操作平臺(tái)，都提出了更高的要求。以往采用的集中控制系統(tǒng)，控制功能高度集中，局部的故障就可能造成系統(tǒng)的整體失效，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此考慮采用分布式的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制.CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線(xiàn)作為在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種總線(xiàn)，具有成本低、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)放性好等特點(diǎn)，非常適合用來(lái)搭建仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng) [7]。4.2 機(jī)器人在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用機(jī)器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)不僅在傳統(tǒng)的機(jī)器人遙控操作領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，隨著Internet 的迅猛發(fā)展，它在其它許多領(lǐng)域中也有良好的應(yīng)用前景，如遠(yuǎn)程制造業(yè)、分布式制造系統(tǒng)、自主機(jī)器人系統(tǒng)等領(lǐng)域。(1)機(jī)械加工機(jī)器人：在多品種、大批量、效率低下的生產(chǎn)線(xiàn)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制生產(chǎn)過(guò)程，謀求實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化；通過(guò)機(jī)器人收集現(xiàn)場(chǎng)工況信號(hào)，使運(yùn)送、裝卸工件、切屑處理等工序流程均處于遠(yuǎn)程監(jiān)視之下，控制信號(hào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)傳送到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人完成生產(chǎn)過(guò)程的控制 [10]。（2）工業(yè)裝配機(jī)器人：在裝配作業(yè)過(guò)程中，往往有視覺(jué)、觸覺(jué)等感知功能的運(yùn)用。這些信號(hào)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人采集后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)方控制終端，由遠(yuǎn)方工作人員來(lái)操控現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的動(dòng)作，完成裝配任務(wù)，實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的遠(yuǎn)程控制 [11]。(3)噴漆機(jī)器人：與其它作業(yè)的機(jī)器人不同(其它作業(yè)的機(jī)器人只需正確控制動(dòng)作，即控制定位精度、軌跡模仿精度和速度就已足夠)，噴漆機(jī)器人在進(jìn)行噴漆作業(yè)時(shí)還要評(píng)價(jià)噴漆完成的狀態(tài)，需不斷采集工件噴漆后的圖像信息，把這些信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)方控制終端，實(shí)現(xiàn)噴漆作業(yè)的遠(yuǎn)程控制，可以大大提高噴漆作業(yè)的精度和速度 [8]。(4)焊接機(jī)器人：在焊接生產(chǎn)中可提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，保證了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的一致性，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，滿(mǎn)足了高度柔性化生產(chǎn)的要求。因此，焊接機(jī)器人廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)，如汽車(chē)制造和汽車(chē)零部件、摩托車(chē)制造、工程機(jī)械、機(jī)車(chē)車(chē)輛、家用電器等行業(yè) [15]。5 目前仍存在的問(wèn)題和解決的思路工業(yè)機(jī)器人在我國(guó)的發(fā)展需要克服眾多困難，其中很重要的一個(gè)就是認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤。就我國(guó)絕大多數(shù)制造廠家而言，對(duì)機(jī)器人如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)成本方面缺乏相應(yīng)的了解和認(rèn)識(shí)。這種認(rèn)識(shí)上的缺乏導(dǎo)致許多人抱著一個(gè)錯(cuò)誤的觀念，工業(yè)機(jī)器人在中國(guó)沒(méi)有市場(chǎng)。但是實(shí)際情況卻正好相反。最近幾年，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人使用量呈大幅上升趨勢(shì)，工業(yè)機(jī)器人的使用已經(jīng)從傳統(tǒng)的汽車(chē)和工程機(jī)械行業(yè)向其它制造類(lèi)行業(yè)快速擴(kuò)散。目前，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)狀是大而不強(qiáng)。為了全面提升我國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，必須加快推進(jìn)制造業(yè)信息化。將網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)制造業(yè)信息化、提高本國(guó)制造業(yè)的國(guó)際影響力，完成“用信息化帶動(dòng)制造業(yè)現(xiàn)代化，用高新技術(shù)改造制造業(yè)，以實(shí)現(xiàn)制造業(yè)跨越發(fā)展”的戰(zhàn)略目標(biāo)，有著顯著的現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)用前景十分廣闊，將來(lái)大有可為 [11]。6 結(jié)束語(yǔ)我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人研究從“七五”開(kāi)始起步，近十幾年來(lái)在國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。雖然因?yàn)楣I(yè)基礎(chǔ)方面的原因，我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人本體的生產(chǎn)水平方面與國(guó)外還有較大差距，但在機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)集成等方面，與國(guó)外先進(jìn)水平的差距已經(jīng)不大。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)在許多工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的招標(biāo)項(xiàng)目中已經(jīng)可以和國(guó)外著名企業(yè)抗衡。目前國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)已經(jīng)逐步走向成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈，制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的要求越來(lái)越高，人力成本也將不斷提高，作為全球制造工廠的我國(guó)制造業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求也將會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。參 考 文 獻(xiàn)[1] 原 魁．工業(yè)機(jī)器人 發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J] ．MC 現(xiàn)代零部件,2007,(01):33～34.[2] 張效祖．工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]． WMEM,2007,(05):25～26.[3] 宋海宏．機(jī)器人技術(shù)展望[J]．山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2006,(04):43～45.[4] 吳林．全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]．機(jī)電一體化,20006,(02):56～57.[5] 坪島茂彥 中村修照．電動(dòng)機(jī)實(shí)用技術(shù)指南[M]．北京：科學(xué)出版社，2003.[6] 熊有倫．機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)．武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996.[7] 溫效朔．機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀[M]．合肥：安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，(11) ：124～125.[8] 周伯英．工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.[9] 吳林，張廣軍，高洪明．焊接機(jī)器人技術(shù)[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.[10] 吳宗澤．機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.[11] I.OM.索羅門(mén)采夫．工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)[M ．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.[12]　鄭相鋒，胡小建．弧焊機(jī)器人焊接區(qū)視覺(jué)信息傳感與控制技術(shù)[J]．電焊機(jī)，2005．[13]　孔宇，戴明，吳林．機(jī)器人結(jié)構(gòu)光視覺(jué)三點(diǎn)焊縫定位技術(shù)[J]．焊接學(xué)報(bào)，1997．[14]　王軍波等．基于 CCD 傳感器的球罐焊接機(jī)器人焊縫跟蹤 [J]．焊接學(xué)報(bào)，2001．[15]　徐培全等．基于機(jī)器人焊接的視覺(jué)傳感系統(tǒng)綜述[J]．焊接，2005． 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：本課題是集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車(chē)體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)十字滑塊選用，進(jìn)而組成的焊接機(jī)器人能夠解決波內(nèi)斜邊段焊縫外觀成形與直線(xiàn)段焊縫不一致的問(wèn)題。即末端執(zhí)行器端點(diǎn)（焊槍?zhuān)┑奈灰?，速度及焊槍與焊縫間的夾角關(guān)系，來(lái)求三個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律解決。內(nèi)容如下：1、解決焊接過(guò)程中焊槍速度與波形夾角的問(wèn)題，使焊接速度始終與波形垂直，完成三自由度焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解2、三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)3、設(shè)計(jì)出小車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)，并在圖紙上繪制出機(jī)器人的裝配圖在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上,針對(duì)上述問(wèn)題有了以下設(shè)計(jì)思路：1、焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成三自由度焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解機(jī)器人采用三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)：左右平移的焊接機(jī)器人本體，前后平移的十字滑塊和做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的末端效應(yīng)器。通過(guò)三個(gè)關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，來(lái)保證末端效應(yīng)器的姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，焊接速度保持不變，焊槍與焊縫間的夾角保持垂直關(guān)系，來(lái)做到直線(xiàn)段與波內(nèi)斜邊段焊縫成形的一致。2、三個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)機(jī)器人采用兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3、完成車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫(huà)出相關(guān)的零件圖和裝配圖運(yùn)用 AutoCAD、Pro/engineer 等機(jī)械繪圖軟件分別繪制出車(chē)體結(jié)構(gòu)及相關(guān)的零件圖和裝配圖。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告指導(dǎo)教師意見(jiàn)：1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：指導(dǎo)教師： 年 月 日所在專(zhuān)業(yè)審查意見(jiàn)：負(fù)責(zé)人： 年 月 日集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),姓 名：錢(qián)瑞 學(xué) 號(hào)：0501510131 指導(dǎo)教師：吳晟,本課題的研究設(shè)計(jì)內(nèi)容,本課題所涉及的內(nèi)容主要是兩塊，分別為關(guān)于集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及該機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。,焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,,齊次變換（D-H變換）,運(yùn)用齊次變換可求得活動(dòng)坐標(biāo)系中某點(diǎn)在參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)值 。這種思想為下面的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解提供了重要的理論依據(jù)。,,一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡,,變換方程的建立,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理,,運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,,過(guò)渡段運(yùn)動(dòng)學(xué)分析處理方法,運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解結(jié)果,逆解出焊接波紋板一個(gè)周期內(nèi)機(jī)器人的三個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，和三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)之間的函數(shù)關(guān)系。,,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,,謝謝大家！, 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯系　　部： 機(jī)械工程系 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 姓 名： 錢(qián) 瑞 學(xué) 號(hào)： 0501510131 外文出處：The Internation Journal of Advanced Manufacturing Technology 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：簽名： (用外文寫(xiě)) 年 月 日注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。附件 1：外文資料翻譯譯文應(yīng)用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)姿態(tài)的標(biāo)定這篇文章報(bào)到的是用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定中能獲得全部姿態(tài)的操作裝置——坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由于操作器得到發(fā)展, 它們關(guān)系到基坐標(biāo)和工件。 工件姿態(tài)是從實(shí)驗(yàn)測(cè)量中引出的討論, 同樣地是識(shí)別方法學(xué)。允許定義觀察策略的完全模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)工作的目的是描寫(xiě)參數(shù)辨認(rèn)和精確確認(rèn)。用推論原則的那方法能得到在重復(fù)時(shí)近連續(xù)地校準(zhǔn)機(jī)器人。關(guān)鍵字：機(jī)器人標(biāo)定 坐標(biāo)測(cè)量 參數(shù)辨認(rèn) 模擬學(xué)習(xí) 精確增進(jìn)1. 前言機(jī)器手有合理的重復(fù)精度 (0.3毫米)而知名, 但仍有不好的精確性(10.0 毫米)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器手精確性，機(jī)器人可能要校準(zhǔn)也是好理解 。 在標(biāo)定過(guò)程中， 幾個(gè)連續(xù)的步驟能夠精確地識(shí)別機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，提高精確性。這些步驟為如下描述：1 操作器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和標(biāo)定過(guò)程本身是發(fā)展，和通常有標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的工具實(shí)現(xiàn)的。作為結(jié)果的模型是定義基于廠商的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤量, 和識(shí)別未知的,實(shí)際的參數(shù)設(shè)置。2 機(jī)器人姿態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量法(部分的或完成) 是拿走為了獲得從聯(lián)系到實(shí)際機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。3 實(shí)際的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)識(shí)別是系統(tǒng)地改變參數(shù)設(shè)置和減少在模型階段錯(cuò)誤量的定義。一個(gè)接近完成辨認(rèn)由分析不同中間姿態(tài)變量P 和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)K 的微分關(guān)系決定：于是等價(jià)轉(zhuǎn)化得：兩者擇一, 問(wèn)題可以看成為多維的優(yōu)化問(wèn)題，這是為了減少一些定義的錯(cuò)誤功能到零點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)設(shè)置被改變。這是標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化問(wèn)題和可能解決用的眾所周知的 方法。4 最后一步是機(jī)械手控制中的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)識(shí)別和在學(xué)習(xí)之下的硬件系統(tǒng)的詳細(xì)資料。包含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的這張紙用于標(biāo)度過(guò)程。 可獲得的幾個(gè)方法是可用于完成這任務(wù), 雖然他們相當(dāng)復(fù)雜，獲得數(shù)據(jù)需要大量的成本和時(shí)間。這樣的技術(shù)包括使用可視化的和自動(dòng)化機(jī)械 ，伺服控制激光干涉計(jì)，有關(guān)聲音的傳感器和視覺(jué)傳感器 。理想測(cè)量系統(tǒng)將獲得操作器的全部姿態(tài)(位置和方向)，因?yàn)檫@將合并機(jī)械臂各個(gè)位置的全部信息。上面提到的所有方法僅僅用于唯一部分的姿態(tài), 需要更多的數(shù)據(jù)是為了標(biāo)度過(guò)程到進(jìn)行。2．理論文章中的理論描述，為了操作器空間放置的各自的位置，全部姿態(tài)是可測(cè)量的，雖然進(jìn)行幾個(gè)中間測(cè)量，是為了獲得姿態(tài)。測(cè)量姿態(tài)使用裝置是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM),它是三軸的，棱鏡測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到0.01毫米的精確。機(jī)器人操作器是能校準(zhǔn)的，PUMA 560 ，放置接近于 CMM，特殊的操作裝置能到達(dá)邊緣。圖 1顯示了系統(tǒng)不同部分安排。在這部分運(yùn)動(dòng)學(xué)模型將是發(fā)展, 解釋姿態(tài)估算法，和參數(shù)辨認(rèn)方法。2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)在這部分，操作器的基本運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)將被規(guī)定，它關(guān)系到完全坐標(biāo)系統(tǒng)的討論, 和終點(diǎn)模型。從這些模型，用于可能的技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的識(shí)別將被規(guī)定，和描述決定這些參數(shù)的方法。那些基礎(chǔ)的模型工具用于描寫(xiě)不同的物體和工件操作器位置空間的關(guān)系的方法是Denavit-Hartenberg方法，在Hayati 有調(diào)整計(jì)劃，停泊處 和當(dāng)二連續(xù)的接縫軸是名義上地平行的用于說(shuō)明不相稱(chēng)模型 。如圖2這中方法存在于物體或相互聯(lián)系的操作桿結(jié)構(gòu)中，和運(yùn)動(dòng)學(xué)中需要從一個(gè)坐標(biāo)到另一個(gè)坐標(biāo)這種同類(lèi)變化是被定義的。這種變化是相同形式的上面的關(guān)系可以解釋通過(guò)四個(gè)基本變化操作實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系n-1到結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系n的變化。只有需要找到與前一個(gè)的關(guān)系的四個(gè)變化是必需的，在那個(gè)時(shí)候連續(xù)的軸是不平行的， 定義為零點(diǎn)。n?當(dāng)應(yīng)用于一個(gè)結(jié)構(gòu)到下一個(gè)結(jié)構(gòu)的等價(jià)變化坐標(biāo)系與更改Denavit-Hartenberg系相一致時(shí)，它們將被書(shū)寫(xiě)成矩陣元素實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)功能的矩陣形狀。這些參數(shù)是變化的簡(jiǎn)單變量：關(guān)節(jié)角 ，連桿偏置 , 連桿長(zhǎng)度 ，扭角 ，矩陣通常n?ndnan?表示如下：對(duì)于多連接的, 例如機(jī)械操作臂,各自連續(xù)的鏈環(huán)和兩者瞬間的位置描寫(xiě)在前一個(gè)矩陣變化中。這種變化從底部鏈環(huán)開(kāi)始到第n鏈環(huán)因此關(guān)系如下：圖3表示出PUMA機(jī)器人在Denavit-Hartenberg系中每一連桿，完全坐標(biāo)系和工具結(jié)構(gòu)。變化從世界坐標(biāo)系到機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)需要仔細(xì)考慮過(guò)，因?yàn)闈撛诘膮?shù)取決于被選擇的改變類(lèi)型?？紤]到圖4,世界坐標(biāo) ，在D-H系中定義的從世wzyx,界坐標(biāo)到機(jī)器人基坐標(biāo) ，坐標(biāo) 是 PUMA機(jī)器人定義的基坐標(biāo)和機(jī)器0,zyxbz,人第二個(gè)D-H結(jié)構(gòu)中坐標(biāo) 。我們感興趣的是從世界坐標(biāo)到 必需的最1 1,zyx小的參數(shù)數(shù)量。實(shí)現(xiàn)這種變化有兩種路徑：路徑1，從 到 D-H變w,0化包括四個(gè)參數(shù)，接著從 到 的變化將牽連二個(gè)參數(shù) 和 的變化0,zyxbz, `?d圖3圖4最后，另外從 到 的D-H變化中有四個(gè)參數(shù)其中 和 兩個(gè)參bzyx,1,z 1??`?數(shù)是關(guān)于軸Z 0因此不能獨(dú)立地識(shí)別， 和 是沿著軸Z 0因此也不能是獨(dú)立地識(shí)d?`別。因此，用這路徑它需要從世界坐標(biāo)到PUMA機(jī)器人的第一個(gè)坐標(biāo)有八個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。路徑2，同樣地二中擇一，從世界坐標(biāo)到底部結(jié)構(gòu)坐標(biāo) 的變bzyx,化可以是直接定義。因此坐標(biāo)變換需要六個(gè)參數(shù)，如Euler形式：下面是從 到 D－H變化中的四個(gè)參數(shù)，但 與 相關(guān)聯(lián)，bzyx,1,z 1??b??,與 相關(guān)聯(lián)，減少成兩個(gè)參數(shù)。很顯然這種路徑和路徑1一樣需要八1d?zbp,個(gè)參數(shù)，但是設(shè)置不同。上面的方法可能使用于從世界坐標(biāo)系到PUMA機(jī)器人的第二結(jié)構(gòu)的移動(dòng)中。在這工作中，選擇路徑2。工具改變引起需要六個(gè)特殊參數(shù)的改變的Euler形式：用于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的參數(shù)總數(shù)變成30，他們定義于表12.2 辨認(rèn)方法學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)辨認(rèn)將是進(jìn)行多維的消去過(guò)程, 因此避免了雅可比系統(tǒng)的標(biāo)定，過(guò)程如下：1. 首先假設(shè)運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù), 例如標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。2. 為選擇任意關(guān)節(jié)角的設(shè)置。3. 計(jì)算PUMA機(jī)器人末端操作器。4. 測(cè)量PUMA機(jī)器人末端操作器的位姿如關(guān)節(jié)角，通常標(biāo)準(zhǔn)的和預(yù)言的位姿將是不同的。5. 為了最好使預(yù)言位姿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的位姿，在整齊的方式更改運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)。這個(gè)過(guò)程應(yīng)用于不是單一的關(guān)節(jié)角設(shè)置而是一定數(shù)量的關(guān)節(jié)角，與物理測(cè)量數(shù)量等同的全部關(guān)節(jié)角設(shè)置是需要，必須滿(mǎn)足在這兒：Kp是識(shí)別的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的數(shù)量N是測(cè)量位姿的數(shù)Dr是測(cè)量過(guò)程中自由度的數(shù)量文章中，給定了自由度的數(shù)量，贈(zèng)值為因此全部位姿是測(cè)量的。在實(shí)踐中，更多的測(cè)量應(yīng)該是在實(shí)驗(yàn)測(cè)量法去掉補(bǔ)償結(jié)果。優(yōu)化程序使用命名為ZXSSO，和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)功能的IMSL。2.3 位姿測(cè)量法顯然它是從上面的方法確定PUMA機(jī)器人全部位姿是必需的為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)定。這種方法現(xiàn)在將詳細(xì)地描寫(xiě)。如圖5所示，末端操作器由五個(gè)確定的工具組成。 考慮到借助于工具坐標(biāo)和世界坐標(biāo)中間各個(gè)坐標(biāo)的形式，如圖6這些坐標(biāo)的關(guān)系如下：是關(guān)于世界坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的第i個(gè)球的4x1列向量坐標(biāo), Pi是關(guān)于工具坐標(biāo)結(jié)構(gòu),p第i個(gè)球的4x1坐標(biāo)的列向量, T是從世界坐標(biāo)結(jié)構(gòu)到工具坐標(biāo)結(jié)構(gòu)變化的4x4矩陣。設(shè)定Pi，測(cè)量出 ，然后算出T，使用于在標(biāo)定過(guò)程的位姿的測(cè)量。它是不,ip會(huì)很簡(jiǎn)單，但是不可能由等式(11)反求出T。上面的過(guò)程由四個(gè)球A, B, C和D來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下：或?yàn)橛捎赑`, T和P全部相符合，反解求的位姿矩陣在實(shí)踐中當(dāng)PUMA機(jī)器人放置在確定的位置上，對(duì)于CMM由四個(gè)球決定Pi是困難的。準(zhǔn)確的測(cè)量三個(gè)球，第四球根據(jù)十字相乘可以獲得考慮到?jīng)Q定的球中心坐標(biāo)的是基于球表面點(diǎn)的測(cè)量,沒(méi)有分析可獲到的程序。 另外，數(shù)字優(yōu)化的使用是為了求懲罰函數(shù)的最小解這里 是確定球中心， 是第 個(gè)球表面點(diǎn)的坐標(biāo)且 是球的半徑。),(wvu),(iizyx r在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)只測(cè)量四個(gè)表面上的點(diǎn)來(lái)確定中心點(diǎn)是非常有效的。附件 2：外文原文（復(fù)印件）Full-Pose Calibration of a Robot Manipulator Using a Coordinate-Measuring MachineThe work reported in this article addresses the kinematiccalibration of a robot manipulator using a coordinate measuringmachine (CMM) which is able to obtain the full pose ofthe end-effector. A kinematic model is developed for themanipulator, its relationship to the world coordinate frame andthe tool. The derivation of the tool pose from experimentalmeasurements is discussed, as is the identification methodology.A complete simulation of the experiment is performed, allowingthe observation strategy to be defined. The experimental workis described together with the parameter identification andaccuracy verification. The principal conclusion is that themethod is able to calibrate the robot successfully, with aresulting accuracy approaching that of its repeatability.Keywords: Robot calibration; Coordinate measurement; Parameteridentification; Simulation study; Accuracy enhancement1. IntroductionIt is well known that robot manipulators typically havereasonable repeatability (0.3 ram), yet exhibit poor accuracy(10.0 mm). The process by which robots may be calibratedin order to achieve accuracies approaching that of themanipulator is also well understood . In the calibrationprocess, several sequential steps enable the precise kinematicparameters of the manipulator to be identified, leading toimproved accuracy. These steps may be described as follows:1. A kinematic model of the manipulator and the calibrationprocess itself is developed and is usually accomplished withstandard kinematic modelling tools. The resulting modelis used to define an error quantity based on a nominal(manufacturer's) kinematic parameter set, and an unknown,actual parameter set which is to be identified.2. Experimental measurements of the robot pose (partial orcomplete) are taken in order to obtain data relating to theactual parameter set for the robot.3.The actual kinematic parameters are identified by systematicallychanging the nominal parameter set so as to reducethe error quantity defined in the modelling phase. Oneapproach to achieving this identification is determiningthe analytical differential relationship between the posevariables P and the kinematic parameters K in the formof a Jacobian,and then inverting the equation to calculate the deviation ofthe kinematic parameters from their nominal valuesAlternatively, the problem can be viewed as a multidimensionaloptimisation task, in which the kinematic parameterset is changed in order to reduce some defined error functionto zero. This is a standard optimisation problem and maybe solved using well-known methods.4. The final step involves the incorporation of the identifiedkinematic parameters in the controller of the robot arm,the details of which are rather specific to the hardware ofthe system under study.This paper addresses the issue of gathering the experimentaldata used in the calibration process. Several methods areavailable to perform this task, although they vary in complexity,cost and the time taken to acquire the data. Examples ofsuch techniques include the use of visual and automatictheodolites, servocontrolled laser interferometers ,acoustic sensors and vidual sensors . An ideal measuringsystem would acquire the full pose of the manipulator (positionand orientation), because this would incorporate the maximuminformation for each position of the arm. All of the methodsmentioned above use only the partial pose, requiring moredata to be taken for the calibration process to proceed.2. TheoryIn the method described in this paper, for each position inwhich the manipulator is placed, the full pose is measured,although several intermediate measurements have to be takenin order to arrive at the pose. The device used for the posemeasurement is a coordinate-measuring machine (CMM),which is a three-axis, prismatic measuring system with aquoted accuracy of 0.01 ram. The robot manipulator to becalibrated, a PUMA 560, is placed close to the CMM, and aspecial end-effector is attached to the flange. Fig. 1 showsthe arrangement of the various parts of the system. In thissection the kinematic model will be developed, the poseestimation algorithms explained, and the parameter identificationmethodology outlined.2.1 Kinematic ParametersIn this section, the basic kinematic structure of the manipulatorwill be specified, its relation to a user-defined world coordinatesystem discussed, and the end-point toil modelled. From thesemodels, the kinematic parameters which may be identifiedusing the proposed technique will be specified, and a methodfor determining those parameters described.The fundamental modelling tool used to describe the spatialrelationship between the various objects and locations in themanipulator workspace is the Denavit-Hartenberg method, with modifications proposed by Hayati, Mooringand Wu to account for disproportional models when two consecutive joint axes are nominally parallel. Asshown in Fig. 2, this method places a coordinate frame oneach object or manipulator link of interest, and the kinematicsare defined by the homogeneous transformation required tochange one coordinate frame into the next. This transformationtakes the familiar formThe above equation may be interpreted as a means totransform frame n-1 into frame n by means of four out ofthe five operations indicated. It is known that only fourtransformations are needed to locate a coordinate frame withrespect to the previous one. When consecutive axes are notparallel, the value of/3. is defined to be zero, while for thecase when consecutive axes are parallel, d. is the variablechosen to be zero.When coordinate frames are placed in conformance withthe modified Denavit-Hartenberg method, the transformationsgiven in the above equation will apply to all transforms ofone frame into the next, and these may be written in ageneric matrix form, where the elements of the matrix arefunctions of the kinematic parameters. These parameters aresimply the variables of the transformations: the joint angle0., the common normal offset d., the link length a., the angleof twist a., and the angle /3.. The matrix form is usuallyexpressed as follows:For a serial linkage, such as a robot manipulator, a coordinateframe is attached to each consecutive link so that both theinstantaneous position together with the invariant geometryare described by the previous matrix transformation. 'Thetransformation from the base link to the nth link will thereforebe given byFig. 3 shows the PUMA manipulator with theDenavit-Hartenberg frames attached to each link, togetherwith world coordinate frame and a tool frame. The transformationfrom the world frame to the base frame of themanipulator needs to be considered carefully, since there arepotential parameter dependencies if certain types of transformsare chosen. Consider Fig. 4, which shows the world framexw, y,, z,, the frame Xo, Yo, z0 which is defined by a DHtransform from the world frame to the first joint axis ofthe manipulator, frame Xb, Yb, Zb, which is the PUMAmanufacturer's defined base frame, and frame xl, Yl, zl whichis the second DH frame of the manipulator. We are interestedin determining the minimum number of parameters requiredto move from the world frame to the frame x~, Yl, z~. Thereare two transformation paths that will accomplish this goal:Path 1: A DH transform from x,, y,, z,, to x0, Yo, zoinvolving four parameters, followed by another transformfrom xo, Yo, z0 to Xb, Yb, Zb which will involve only twoparameters ~b' and d' in the transformFinally, another DH transform from xb, Yb, Zb to Xt, y~, Z~which involves four parameters except that A01 and 4~' areboth about the axis zo and cannot therefore be identifiedindependently, and Adl and d' are both along the axis zo andalso cannot be identified independently. It requires, therefore,only eight independent kinematic parameters to go from theworld frame to the first frame of the PUMA using this path.Path 2: As an alternative, a transform may be defined directlyfrom the world frame to the base frame Xb, Yb, Zb. Since thisis a frame-to-frame transform it requires six parameters, suchas the Euler form:The following DH transform from xb, Yb, zb tO Xl, Yl, zlwould involve four parameters, but A0~ may be resolved into4~,, 0b, ~, and Ad~ resolved into Pxb, Pyb, Pzb, reducing theparameter count to two. It is seen that this path also requireseight parameters as in path i, but a different set.Either of the above methods may be used to move fromthe world frame to the second frame of the PUMA. In thiswork, the second path is chosen. The tool transform is anEuler transform which requires the specification of sixparameters:The total number of parameters used in the kinematic modelbecomes 30, and their nominal values are defined in Table 1.2.2 Identification MethodologyThe kinematic parameter identification will be performed asa multidimensional minimisation process, since this avoids thecalculation of the system Jacobian. The process is as follows:1. Begin with a guess set of kinematic parameters, such asthe nominal set.2. Select an arbitrary set of joint angles for the PUMA.3. Calculate the pose of the PUMA end-effector.4. Measure the actual pose of the PUMA end-effector forthe same set of joint angles. In general, the measured andpredicted pose will be different.5. Modify the kinematic parameters in an orderly manner inorder to best fit (in a least-squares sense) the measuredpose to the predicted pose. The process is applied not to a single set of joint angles butto a number of joint angles. The total number of joint anglesets required, which also equals the number of physicalmeasurement made, must satisfyKp is the number of kinematic parameters to be identifiedN is the number of measurements (poses) takenDr represents the number of degrees of freedom present ineach measurement.In the system described in this paper, the number of degreesof freedom is given bysince full pose is measured. In practice, many more measurementsshould be taken to offset the effect of noise in theexperimental measurements. The optimisation procedure usedis known as ZXSSO, and is a standard library function in theIMSL package .2.3 Pose MeasurementIt is apparent from the above that a means to determine thefull pose of the PUMA is required in order to perform thecalibration. This method will now be described in detail. Theend-effector consists of an arrangement of five precisiontoolingballs as shown in Fig. 5. Consider the coordinates ofthe centre of each ball expressed in terms of the tool frame(Fig. 5) and the world coordinate frame, as shown in Fig. 6.The relationship between these coordinates may be writtenas:where Pi' is the 4 x 1 column vector of the coordinates ofthe ith ball expressed with respect to the world frame, P~ isthe 4 x 1 column vector of the coordinates of the ith ballexpressed with respect to the tool frame, and T is the 4 ? 4homogenious transform from the world frame to the toolframe.Then may be found, and used as the measured pose in thecalibration process. It is not quite that simple, however, sinceit is not possible to invert equation (11) to obtain T. Theabove process is performed for the four balls, A, B, C andD, and the positions ordered as:or in the form:Since P', T and P are all now square, the pose matrix maybe obtained by inversion:In practice it may be difficult for the CMM to access fourbails to determine P~ when the PUMA is placed in certainconfigurations. Three balls are actually measured and a fourthball is fictitiously located according to the vector cross product:Regarding the determination of the coordinates of thecentre of a ball based on measured points on its surface,no analytical procedures are available. Another numericaloptimisation scheme was used for this purpose such that thepenalty function:was minimised, where (u, v, w) are the coordinates of thecentre of the ball to he determined, (x/, y~, z~) are thecoordinates of the ith point on the surface of the ball and ris the ball diameter. In the tests performed, it was foundsufficient to measure only four points (i = 4) on the surfaceto determine the ball centre.