基于5-DOF机械手的桌面级软笔书法机器人系统设计与研究
发布时间：2022-01-27 00:45
随着计算机科学的高速发展,电脑、智能手机等快速打字设备的普及,人们用笔手写字体的机会日益减少,而身为中华艺术文化的瑰宝,毛笔书法也能非常轻易地被计算机复制模仿出来,这将导致学习毛笔书法的人越来越少,非常不利于书法文化的教育和传承。针对上述问题,本文将中国传统书法艺术与当今高科技智能化机器人进行结合,通过机器人完成书法的临摹创作。所设计出的书法机器人能够代替人类书法教师,从书写字体最原始的握笔书写毛笔字的角度进行书法文化的教育和传承。具体研究内容如下:（1）对本文所采用的五自由度机械手进行运动学分析。首先对书法机器人连杆进行具体分析,建立连杆D-H参数,以实现书法机器人连杆坐标系之间的坐标变换。然后通过连杆D-H参数和坐标变换矩阵求取机械手运动学的正逆解。最后通过MATLAB对机械手进行建模仿真分析和正逆解的验证。（2）对本文所采用的五自由度机械手进行工作空间分析。首先使用蒙特卡罗法在MATLAB中通过该机械手的正运动学方程对书法机器人末端毛笔笔尖位置进行工作空间的求解,得到其工作空间点云图。接着对其实际工作的XOY平面通过按行划分法进行工作平面边界点的提取,得到机械手的工作边界。最后对...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机械手实物图
第二章5-DOF串联机械手运动学分析6第二章5-DOF串联机械手运动学分析2.1引言运动学分析是机械手研究的基本内容之一。多自由度串联机械手就是同人类的手臂一样，拥有多个自由度，能够模仿人类做出各种动作，从而替代人类完成某种任务的一种具有高自动化程度的机械装置。机械手目前主要应用于物料抓娶货物码垛以及搬运作业等场合，代替人类完成一些重复度高且简单的劳动。本文所设计的书法机器人主要功能是完成毛笔书法的创作，所以需要选择小型轻量化的桌面级机械手，于是便搭建了一个五自由度的桌面级串联机械手。本章将从机械手的正、逆运动学等方面阐述分析此机械手用于书法创作的可行性。2.2机械手位置运动学的矩阵表示2.2.1书法机器人结构介绍本文所设计的书法机器人机械部分是一台5-DOF（5-degree-of-freedom）机械手，由五个伺服电机提供五个自由度作为动作输出，实物如图2.1所示。此机械手能够通过左右旋转、上下俯仰、前后延伸以及末端夹持机构的旋转等动作到达空间中的任何一点，机构示意图如图2.2所示。图2.1机械手实物图图2.2机械手机构示意图
第二章5-DOF串联机械手运动学分析72.2.2物体在空间中的位姿描述在描述空间中某一物体，特别是在研究讨论机器人运动学时，不只要确定其在空间中的具体位置，还要明确其具体的姿态之后，才能唯一表征其位姿状态。这里首先对其在空间中的位置进行描述，在描述物体在空间中的位置时，一般将其看作一个点。空间中的任何一点的位置都能通过一个31的列矢量表征[20]。即：xyzpPpp(2.1)其中xyzP、P、P是该物体在此坐标系中的坐标分量，如图2.3所示，处于坐标系A中的点P。图2.3物体在空间中的位置表示在确定了物体在空间中的具体位置之后，这里对物体在空间中的姿态进行进一步描述[21]。假设坐标系A是一固定坐标系，坐标系B是某一被描述物体上任一点上的动坐标系，坐标系B是由坐标系A通过平移、旋转变换得到的。那么物体在空间中的姿态就能够通过坐标系B中三个坐标轴上单位矢量的方向来表征，即这三个单位矢量相对于固定坐标系A的方向余弦，用矩阵Q表示有：xxxyyyzzznoanoanoaQ(2.2)Q称为旋转矩阵，该矩阵中第一列的三个元素xyzn、n、n表示坐标系B中X轴分别与参考坐标系A中的XY、Z、轴的余弦值，第二、三列依次类推亦是如此。图2.4两坐标系之间的位姿关系
【参考文献】：
期刊论文
[1]机械臂关节空间轨迹的时间最优智能规划研究[J]. 蔡永超. 机械设计与制造. 2020(03)
[2]基于D-H矩阵的六足机器人运动仿真与分析[J]. 李胜铭,朱碧珂,王秉奇,吴振宇. 物联网技术. 2019(12)
[3]基于齐次坐标变换的编织工艺及芯模牵引轨迹分析[J]. 吴修可,孟婥,姚灵灵,卜剑秋. 东华大学学报(自然科学版). 2019(03)
[4]基于Sobel算子的寻迹机器人PID优化算法研究[J]. 杜人照,刘祚时,陶宗虎,殷娜. 机械设计与制造. 2019(01)
[5]基于Prewitt算子的红外图像边缘检测改进算法[J]. 安建尧,李金新,孙双平. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2018(05)
[6]基于Roberts算子的车道线图像的边缘检测研究[J]. 唐阳山,徐忠帅,黄贤丞,朱停仃,李栋梁. 辽宁工业大学学报(自然科学版). 2017(06)
[7]Zhang并行细化算法的改进[J]. 张翠芳,杨国为,岳明明. 信息技术与信息化. 2016(06)
[8]基于蒙特卡洛法的喷涂机器人工作空间分析及仿真[J]. 蔡蒂,谢存禧,张铁,邹焱飚. 机械设计与制造. 2009(03)
[9]应用数值解析结合法求解机器人工作空间体积[J]. 曹毅,于心俊,杨冠英. 机械传动. 2007(03)
[10]高斯-拉普拉斯边缘检测算子的扩展研究[J]. 严国萍,何俊峰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2006(10)
硕士论文
[1]基于OpenMV的辅助进食机械手系统的研究与设计[D]. 张平.江西理工大学 2019
[2]基于图像的书法信息提取及机器人临摹研究[D]. 董雷.湖北工业大学 2019
[3]基于风格迁移的机器人书法临摹技术研究[D]. 邢淑敏.宁波大学 2018
[4]NAO机器人手臂轨迹规划与双臂协作的研究[D]. 谢生良.江西理工大学 2018
[5]机器人书法中笔画的细粒度书写控制与临摹方法研究[D]. 范琨.东南大学 2018
[6]基于图像识别的机器人毛笔书法研究[D]. 钱自强.东南大学 2016
[7]四自由度机械手轨迹规划算法与应用研究[D]. 刘江南.哈尔滨工业大学 2015
[8]汉字笔画自动提取系统的研究与实现[D]. 徐宗懿.电子科技大学 2015
[9]书法的新媒体传播研究[D]. 王若伊.福建师范大学 2013
[10]基于六自由度机械臂的避障路径规划研究[D]. 程国秀.东北大学 2012
本文编号：3611428
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机械手实物图
第二章5-DOF串联机械手运动学分析6第二章5-DOF串联机械手运动学分析2.1引言运动学分析是机械手研究的基本内容之一。多自由度串联机械手就是同人类的手臂一样，拥有多个自由度，能够模仿人类做出各种动作，从而替代人类完成某种任务的一种具有高自动化程度的机械装置。机械手目前主要应用于物料抓娶货物码垛以及搬运作业等场合，代替人类完成一些重复度高且简单的劳动。本文所设计的书法机器人主要功能是完成毛笔书法的创作，所以需要选择小型轻量化的桌面级机械手，于是便搭建了一个五自由度的桌面级串联机械手。本章将从机械手的正、逆运动学等方面阐述分析此机械手用于书法创作的可行性。2.2机械手位置运动学的矩阵表示2.2.1书法机器人结构介绍本文所设计的书法机器人机械部分是一台5-DOF（5-degree-of-freedom）机械手，由五个伺服电机提供五个自由度作为动作输出，实物如图2.1所示。此机械手能够通过左右旋转、上下俯仰、前后延伸以及末端夹持机构的旋转等动作到达空间中的任何一点，机构示意图如图2.2所示。图2.1机械手实物图图2.2机械手机构示意图
第二章5-DOF串联机械手运动学分析72.2.2物体在空间中的位姿描述在描述空间中某一物体，特别是在研究讨论机器人运动学时，不只要确定其在空间中的具体位置，还要明确其具体的姿态之后，才能唯一表征其位姿状态。这里首先对其在空间中的位置进行描述，在描述物体在空间中的位置时，一般将其看作一个点。空间中的任何一点的位置都能通过一个31的列矢量表征[20]。即：xyzpPpp(2.1)其中xyzP、P、P是该物体在此坐标系中的坐标分量，如图2.3所示，处于坐标系A中的点P。图2.3物体在空间中的位置表示在确定了物体在空间中的具体位置之后，这里对物体在空间中的姿态进行进一步描述[21]。假设坐标系A是一固定坐标系，坐标系B是某一被描述物体上任一点上的动坐标系，坐标系B是由坐标系A通过平移、旋转变换得到的。那么物体在空间中的姿态就能够通过坐标系B中三个坐标轴上单位矢量的方向来表征，即这三个单位矢量相对于固定坐标系A的方向余弦，用矩阵Q表示有：xxxyyyzzznoanoanoaQ(2.2)Q称为旋转矩阵，该矩阵中第一列的三个元素xyzn、n、n表示坐标系B中X轴分别与参考坐标系A中的XY、Z、轴的余弦值，第二、三列依次类推亦是如此。图2.4两坐标系之间的位姿关系
【参考文献】：
期刊论文
[1]机械臂关节空间轨迹的时间最优智能规划研究[J]. 蔡永超. 机械设计与制造. 2020(03)
[2]基于D-H矩阵的六足机器人运动仿真与分析[J]. 李胜铭,朱碧珂,王秉奇,吴振宇. 物联网技术. 2019(12)
[3]基于齐次坐标变换的编织工艺及芯模牵引轨迹分析[J]. 吴修可,孟婥,姚灵灵,卜剑秋. 东华大学学报(自然科学版). 2019(03)
[4]基于Sobel算子的寻迹机器人PID优化算法研究[J]. 杜人照,刘祚时,陶宗虎,殷娜. 机械设计与制造. 2019(01)
[5]基于Prewitt算子的红外图像边缘检测改进算法[J]. 安建尧,李金新,孙双平. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2018(05)
[6]基于Roberts算子的车道线图像的边缘检测研究[J]. 唐阳山,徐忠帅,黄贤丞,朱停仃,李栋梁. 辽宁工业大学学报(自然科学版). 2017(06)
[7]Zhang并行细化算法的改进[J]. 张翠芳,杨国为,岳明明. 信息技术与信息化. 2016(06)
[8]基于蒙特卡洛法的喷涂机器人工作空间分析及仿真[J]. 蔡蒂,谢存禧,张铁,邹焱飚. 机械设计与制造. 2009(03)
[9]应用数值解析结合法求解机器人工作空间体积[J]. 曹毅,于心俊,杨冠英. 机械传动. 2007(03)
[10]高斯-拉普拉斯边缘检测算子的扩展研究[J]. 严国萍,何俊峰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2006(10)
硕士论文
[1]基于OpenMV的辅助进食机械手系统的研究与设计[D]. 张平.江西理工大学 2019
[2]基于图像的书法信息提取及机器人临摹研究[D]. 董雷.湖北工业大学 2019
[3]基于风格迁移的机器人书法临摹技术研究[D]. 邢淑敏.宁波大学 2018
[4]NAO机器人手臂轨迹规划与双臂协作的研究[D]. 谢生良.江西理工大学 2018
[5]机器人书法中笔画的细粒度书写控制与临摹方法研究[D]. 范琨.东南大学 2018
[6]基于图像识别的机器人毛笔书法研究[D]. 钱自强.东南大学 2016
[7]四自由度机械手轨迹规划算法与应用研究[D]. 刘江南.哈尔滨工业大学 2015
[8]汉字笔画自动提取系统的研究与实现[D]. 徐宗懿.电子科技大学 2015
[9]书法的新媒体传播研究[D]. 王若伊.福建师范大学 2013
[10]基于六自由度机械臂的避障路径规划研究[D]. 程国秀.东北大学 2012
本文编号：3611428
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xixikjs/3611428.html