按基板玻璃尺寸的大小，FPD 行业的生产代线从 1990 的 G1 世代发展到如今的 G10 世代。 随着基板玻璃尺寸的增大，转运机械手也大致划分为小、中和大三个类别[6]。

从机械手的构造上，大致可分为极坐标型、直角坐标型和平面多关节型机械手等。其中， 极坐标型机械手有 3 个自由度，其优点是构型简单、轨迹规划容易，缺点是负载能力低，空 间利用率不高；直角坐标型机械手一般有两个到三个自由度，它的优点是不易形变，带负载 能力强，适合转运大型玻璃基板，缺点是其空间利用率低；平面多关节型机械手又可细分为 6 自由度的垂直多关节型机械手和 4 自由度的水平多关节型机械手两种，这种类型也是目前 转运中型基板玻璃经常采用的机械手。值得一提的是，6 自由度的垂直多关节型机器人可实 现三维的各种位姿，对转运过程玻璃基板位姿发生改变的情况特别适用。

从基板玻璃转运机械手轨迹规划的空间上，可分为关节空间和笛卡尔空间两种类型[7]。 在关节空间中进行轨迹规划时，机械手的关节变量（角度或位移）随时间变化的函数决定了 机械手末端的运行轨迹，又因为关节空间不能线性地映射到世界坐标系空间，所以当关节变 量（角度或位移）呈线性变化时，机械手末端在世界坐标系空间的运行轨迹并非一条直线， 所以关节空间不能够被用来对有路径要求的转运流程进行规划；相反，笛卡尔坐标系适用于 严格要求机械手末端运行中位姿的瞬时变化情况的流程，但因为必须将运动空间分成有限多 个点，再将各点逐个反解关节空间变量，以控制各关节运动，计算量大、间隔变长[8]。

此外，插补轨迹的方式也因空间而异。关节空间下，可以利用多项式插补轨迹，如三次 多项式、高次多项式、二次抛物线连接的线性函数，也可利用样条函数来插补轨迹，如 B 样 条函数，还有一些其他的数学函数，如正弦函数和组合函数[9]等。笛卡尔空间下，可以利用 线性函数或者圆弧来插补轨迹。

1。3 国内外研究现状

1。4 本文内容安排

本文在对某 FPD 产业大型国企液晶屏生产线的玻璃转运流程现场调研的基础上，分析现 有的玻璃基板转运机械手的工作原理。然后选择合适型号的工业机械手作为研究对象，根据 其机械结构特性和参数，用 D-H 方法建立该机械手的运动学模型，并导出机械手各关节及末

端的运动学正解和逆解表达式。计算出机械手运动空间后，设计运动轨迹优化算法，进行多 自由度机械手的运动学仿真模型的建立，完成玻璃转运机械手的 MATLAB 仿真。

论文的内容安排如下：

第 2 章选取 PUMA 560 型机械手为研究对象，建立其运动学模型。首先介绍位姿的表示 方法、空间坐标的变换， D-H 参数的选取以及机械臂各关节连杆坐标系的搭建等通用基础知 识，然后选定 PUMA 560 型机械手作为研究对象，研究其运动方程，并对其分别进行正向运 动学和逆向运动学的分析。

第 3 章首先分析 4 阶三次 B 样条曲线插补轨迹的方法，针对该方法在插值轨迹首尾速度 和加速度不能同时为零的问题，设计了基于 5-B-5 曲线的轨迹插值的解决方案。基于时间-加 加速度的综合轨迹优化策略和罚函数法，将带有非线性约束的多目标优化问题转化为单目标 优化问题，最后用遗传算法进行优化。

第 4 章是基于 5-B-5 曲线和遗传算法的机械手运动轨迹的仿真。包括 PUMA 560 机械手 仿真模型的建立，以及对仿真结果进行正、逆运动学和轨迹优化的分析。