2007年B题 机械臂运动路径设计问题

自1959年美国的英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人“尤尼梅特”开始，近半个世纪以来，机器人的研制和应用以惊人的速度发展并取得长足的进步。当今世界，机器人的应用领域已十分广泛，包括工业生产、海空探索、医疗康复和军事活动等，此外，机器人已逐渐在医院、家庭和一些服务行业获得应用。从生产车间中的焊接机械手，到水下自治式机器人，从娱乐性的拳击机器人，到伊拉克战场上的无人驾驶机，机器人已经与我们的日常生活息息相关。

机器人通常分为关节式机器人（或称机械臂、机械手、机器人操作臂、工业机器人等）和移动式机器人。一般来说，前者具有更多的自由度，而后者的作业范围则更大一些。

以某型号机器人为例，其示意图见图1：

图1 机器人结构图

这种机器人一共有6个自由度，分别由六个旋转轴（关节）实现，使机器人的末端可以灵活地在三维空间中运动。为了便于分析和计算，我们对机器人结构进行简化，简化后的数据见图2和参数表1。这里用七条直线段表示机器人的七个连杆，连杆之间用所谓的旋转关节连接，已知AB＝140mm，BC＝255mm，CD＝255mm，DE＝65mm。根据旋转的方向分成两类关节，旋转轴分平行连杆的（如图1的自由度一、四、六，对应于图2中的F，G，H）和垂直连杆的（如图1的自由度二、三、五，对应于图2中的B，C，D）两种，前者如笔帽的转动方向，后者如摇柄的转动方向。每一个关节对应一个角度 ，这个角度表示前一个连杆方向到后一个连杆方向转角（对于B，C，D），连杆方向为AB、BC、CD、DE，或者相对于初始位置的转角（对于F，G，H），假设机器人的初始位置是在一个平面上的（y-z 平面）。为了使机器人运动得更加灵活允许关节的转角超过360°的。