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机器人技术作为高科技的一个重要研究领域,普遍受到各国政府的重视,已经成为制造业中不可缺少的重要装备和手段,同时也成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。随着机器人技术的迅猛发展和广泛应用,各大中院校陆续开展了机器人课程的教学,因此迫切需要对教学机器人的进行研究与开发。本文针对四自由度教学型机器人机械本体,搭建了开放式运动控制系统平台,实现了机器人绘图、写字等功能。本文首先介绍了机器人机械组成、结构型式、驱动方式及传动机构,并重点介绍了机器人的关节结构。针对四自由度教学型机器人要实现的功能,对执笔端机械结构进行了一些改进,解决了其在图形绘制和写字过程中出现的脱离纸面和划破纸张的问题。机器人工作空间是从几何方面讨论机器人的工作性能,工作空间的大小、奇异位形和灵活性分别反映了机器人位姿输出空间运动学性能的不同侧面。本文对机器人工作空间进行了分析,得到机器人灵活工作空间大小,并讨论了各连杆长度对它们的影响。机器人运动学分析是实现机器人运动控制的基础,本文运用D-H方法建立机器人模型的连杆坐标系,对四自由度教学机器人的运动学进行分析,求解出运动学逆解。并在Matlab/Simulink仿真环境下,建立了四自由度教学型机器人运动学仿真模型,给定空间平面内一个椭圆轨迹,采用适当插补算法进行轨迹运动控制,仿真实验结果表明机器人运动学逆解的正确性。通过仿真模型中各关节传感器可方便得到各关节运动情况。通过修改运动学逆解子模块中杆长参数进行仿真分析可以得到杆长对关节运动的影响情况。采用开放式两级递阶控制系统结构,搭建了四自由度教学型机器人的运动控制系统平台。应用研华PCI1240四轴运动控制卡对各关节进行直接驱动控制,提高了控制系统的稳定性,快速性和精确性。利用单片机作为下位机进行机器人位姿反馈,并采用串口通信方式实现与上位PC的通信功能。在此基础上,开发了四自由度教学型机器人上位机控制系统软件,实现机器人绘图、写字、G代码执行、位姿反馈等功能。编写下位机的位姿反馈程序,实现与上位机实时通信功能,为上位机轨迹运动控制提供了实时参考依据。