七自由度机器人控制系统方案设计

合集下载

BUAA_RR七自由度机器人机械结构设计

收稿日期:　1998201214作者　男　52岁　工程师　100083　北京　1)高等学校博士生点基金和863高技术计划资助项目BUAA 2RR 七自由度机器人机械结构设计1)钱锡康(北京航空航天大学机电工程系) 摘　要　就BUAA 2RR 七自由度机器人的操作机机构选型、关节结构、零部件设计等提出了一整套设计原则和方法.研制成的BUAA -RR 七自由度机器人,结构紧凑、合理,运动灵活、可靠,达到了避障和避奇异位形等预定目标.关键词　机器人;自由度;结构设计;冗余;奇异分类号　TP 242.2 从理论上讲,具有六个自由度的机器人在其工作空间内可达到任意位置和姿态,但由于奇异位形存在,一些关节运动到相应位置时,会使机器人自由度退化,失去一个或几个自由度;再加上在工作空间可能存在障碍,机器人就无法满足工作要求.具有冗余自由度的机器人就有能够克服奇异位形、避开障碍、克服关节运动限制和改善动态特性的功能.它能充分提高机器人的工作能力,在运动和动态性能方面具有无可比拟的优越性.早在七十年代,国外发达国家就已开始对冗余自由度机器人进行研究.近几年来这方面研究进展较大,有几个国家已研制出了几种具有冗余自由度的机器人,有的已能应用于实际工作.这几年国内有关单位也相继开始了对冗余自由度机器人的研究,并取得了一些可喜的成果,但水平比国外有较大差距.特别是还没有研制出一台具有冗余自由度的机器人样机.这对冗余自由度机器人的深入研究有很大影响.为此,在高等学校博士生点基金和“863”基金的支持下,从86年开始进行冗余自由度机器人的研究,并已研制成功一台七自由度机器人样机.现就这台BUAA -RR 七自由度机器人样机的操作机的机构选型原则、关节结构、零部件设计等作一简单介绍.1　机构选型冗余自由度机器人的操作机的机构选型是个非常重要的问题,因为机构型式的好坏,将直接影响到能否实现预定目标.为此,提出了如下的机构选型原则:1)能避开奇异位形.工作空间内存在奇异位形是不具有冗余度机器人不可避免的,因此添加的自由度必须能够消除工作空间内的奇异位形.2)能方便地避开障碍.有时工作空间内有不可以排除的障碍,冗余自由度机器人应能方便地避开障碍,完成所要求的工作.3)具有最佳的工作空间.为满足各种工作的需要,机器人手部应能非常灵活地到达工作需要的范围内的各个位置和点,在工作需要的范围内没有死区.工作空间越大,其通用性也就越强.4)机构设计要合理.这涉及到运动副型式的合理选择和配置,驱动运动的最佳传递方式和路线,驱动装置的最佳速比和空间配置等.机构设计不合理,可能会出现臂杆运动干涉或驱动装置无法设置,机构不能运动等问题.因此必须考虑机构设计的合理性.5)采用尽量少的自由度.一般来讲,自由度越多,灵活性越好,避障和避奇异功能越强,可操作性越好.但随之将出现机器人操作机机构的复杂化、刚度削弱、控制困难等问题.因此,在能满足前三条选型原则的前提下,采用冗余自由度尽量少的、机构简单的形式.根据这些选型原则,在分析参考了国外几种冗余自由度机器人后,我们选定了一种在6R 关节机器人的二、三关节之间加一转动自由度的冗余自由度机器人机构型式.使其成为一台肩部和腕部各有三个自由度,肘部为一个自由度的人臂型七自由度关节式机器人.其机构如图1.这种机构型式符合仿生学理论.它有类似人臂的功能,可以绕连接肩和腕两球副的直线做自转运动而不改变其手部的位置和姿态.由于具有1998年6月第24卷第3期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics J une 1998Vol.24　No 13d 1=530mm d 2=425mm d 3=148mm d 4=420mm图1　机构简图这种特性,机器人能很方便地避开障碍和完全消除手腕和肩部运动到一定位置所产生的奇异;有能完全满足工作要求的最佳工作空间;附加的冗余自由度最少;关节设置合理,驱动装置容易配置.其原理见图2,外型见图3.图2　避障碍和奇异示意图图3　BUAA 2RR机器人外形图2　结构设计结构设计是在机构选型后进行的,它必须满足机构的运动要求,还要考虑重量轻、刚性好、易制造,所以必须优选一些简单、合理、紧凑、实用的结构型式.工艺性要好,成本要低,安全可靠性好,外观造型要美观大方.尽可能采用标准件,以提高互换性,降低成本.尽可能采用模块式结构,以提高通用性.还要便于装配调整和维修.现就BUAA -RR 七自由度机器人结构设计简述如下:1)肩部结构肩部为由三个关节组成,并且是三个关节的轴线交于一点的球副结构.关节1采用圆桶型空心轴(见图4),用二个圆锥滚子轴承支承,轴承间隙可调.具有结构简单、刚性好、承载能力强、旋转精度高、并可在轴内走线的特点.图4　关节1结构图关节2也采用两端支承的空心轴结构(图5),使电机组的一部分能插入空心轴里,缩短了电机外露长度,减小整机尺寸,外观形状好.同时,还具有支承刚度高、结构简单、运动轻巧灵活的特点.图5　关节2结构图关节3与大臂壳体组合成一个整体,整个电机组安装在大臂壳体内.关节驱动输出轴设计有卸荷结构,即:将与之连接的关节4部件和小臂自重产生的重力矩不作用到驱动输出轴上去,而是利用二个轴承传到大臂壳体上,由大臂壳体去承担,驱动轴只承受扭矩,不承受弯矩.这样的结构553第3期钱锡康:BUAA -RR 七自由度机器人机械结构设计刚性好、运动灵活可靠、运动精度高;而且结构整体性好,并且有模块式特点,部件之间装拆方便,有利于各部件单独调试和维修.其结构见图6.图6　关节3结构2)手部结构根据机构设计要求,手腕要有三个自由度.因手腕处在机器人操作机的末端,体积不能过大,运动传递方式也要简单、实用、可行.对现有各种三自由度手腕进行分析后,认为采用类似Cincinnati 2T3系列机器人手腕比较合适,因为它结构紧凑体积小,手腕的运动传递方式实用、简单,符合机构设计要求,而且运动范围大.但其结构过于复杂,必须进行简化设计,还要尽可能采用降低零部件的加工难度以解决制造中的困难.图7　三自由度手腕示意图改进后的三自由度手腕,见图7.去掉了平面齿轮,全部采用标准锥齿轮,使齿轮加工容易.零部件结构的简化和调整环节的增加,使加工工艺性改善,装配、调整容易,维修方便.因手腕运动采用套轴传递,驱动装置配置在远离手腕的小臂另一端,起到配重平衡作用.手腕体积小,重量轻,运动惯量小,手部抓持载荷大,能进入小口径空腔作业.它的三个自由度如不加止挡,都能做大于360°的任意转动.三根轴的轴线相交于球心点,这对于位置反解极为方便.3)一体化的驱动装置一般机器人操作机驱动装置中的电机、减速器、制动器等为分立组件,采用联轴器、齿形带等联接起来使用.这样势必造成体积大、环节多、装配调整不方便等问题.如果统一协调电机、减速器、制动器、光电编码器的结构和尺寸,将它们设计成一体化驱动装置组件,就能使结构紧凑、体积小、重量轻,而且外观整齐,整体结构性好,装配调整及维修十分方便.4)平衡由于机器人操作机各臂杆(包括驱动与传动系统)的自重和抓持物体(载荷)的重量,将对不垂直于水平面的各关节轴线产生重力矩,使机器人操作机各臂杆对诸关节不能保持自身的平衡.因机器人操作机各关节运动速度和范围较大,不平衡力矩对机器人操作机的运动和动力性能有很大影响.对机器人操作机的驱动力矩影响也十分显著.另外:由于不平衡力矩的原因,机器人操作机运动时将增大运动部件的摩擦、磨损和变形,尤其在重载的情况下.对传动系统和运动部件的寿命和精度会产生显著影响.因此,在设计机器人操作机时要考虑平衡问题,通常要设计一套适合于该机器人的平衡系统.对常用的配重平衡、弹簧平衡、气缸平衡等方法的分析比较后,采用了小臂用配重平衡,大臂用弹簧平衡的方式.因手腕用套轴传递运动,因此可将手腕的驱动装置配置在手腕的另一端,作为配重.这样无需添加其他零部件和大量的配重,很方便地实现小臂的平衡.在大臂两侧用两根能双向调节弹簧力的拉伸弹簧来实现大臂的平衡,这种方法结构简单,调整、维护方便.考虑到机器人操作机工作时大臂常处于水平向上30°左右,因此以大臂向上30°作为重力平衡计算点.5)齿轮间隙调整结构传动链中齿轮间隙对机器人操作机运动精度有直接影响,所以一般都要设计齿轮间隙调整结构.齿轮调整结构一般有:双齿轮错齿调整法、轴向垫片调整法、予应力轴调整法、偏心套调整法、轴向压簧调整法、周向弹簧调整法等.经分析,采用了偏心套调整法.这种方法结构简单可靠,调整方便,能很好地消除齿轮间隙,明显地提高机器人传动精度.653北京航空航天大学学报 1998年6)保证机器人操作机整体刚度和强度的措施具有冗余度的机器人操作机,因其关节多,结构复杂,容易削弱整体刚度和强度,影响位姿精度.本文在大小臂等零件的结构上采用了空心封闭式薄壁结构型式,使零件刚性好,强度高,而且重量轻.在各联接处采用配合紧密可靠的止口加用高强度螺栓联接的方法,使联接具有整体效果.各转动关节选用间隙小、运动灵活的高精度轴承,各关节有间隙调整结构,有效地消除各运动关节的间隙.采用了以上措施后,机器人操作机整体刚度和强度得到了保证,达到了机器人位置精度要求和运动速度要求.7)材料的选用在保证机器人操作机刚度和强度的前提下,运动件应尽可能轻量化,以利于减小机器人操作机的转动惯量和驱动力矩,提高机器人的动力学性能.为此,大臂、小臂、手腕等大部分运动零件采用铝合金材料,使零件重量比钢材减少三分之二以上,大大减少了运动惯量和驱动力矩.基座部分的零件采用铸铁和钢材,因铸铁具有吸振性好和比重大的特点,所以能提高整机的稳定性,同时也可降低部分材料价格.8)降低成本的措施为了尽量降低研制成本,在设计时就注意到在保证机器人性能要求的基础上,在结构和加工工艺上采取了不少降低成本的措施.例如:球型手腕内因结构限制必须用一种超薄型轴承,国内无此规格,国外订货周期长、价格贵,因此采用了用高精度轴承磨削加工改制的方法,获得了满意的效果.原美国专利球腕内采用的是平面齿轮,加工困难,将它改为标准锥齿轮使加工工艺简化,加工容易.这些措施大大降低了研制成本,减少了加工难度,缩短了加工周期,而且使用效果良好.3　结束语这次研制成的BUAA 2RR 七自由度机器人样机实现了冗余自由度机器人能避开障碍,消除奇异位形的功能.它可“自运动”和克服关节角限制.运动灵活,可靠,达到了预想目标.这表明:机器人的机械结构设计是合理的,总体传动机构是可行的,是比较成功的.参　考　文　献1　Rosheim Mark E.Robot wrist actuators.Canada :JOHN WIL EY&SONS Inc ,19892　吴广玉,姜复兴.机器人工程导论.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19883　张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社,19884　赵占芳.具有冗余自由度机器人的运动学及控制研究:[学位论文].北京:北京航空航天大学机电工程系,19885　马香峰.工业机器人的操作机设计.北京:冶金工业出版社,1996Structure De sign for 72DOF BUAA 2RR ManipulatorQian Xikang(Beijing University of Aeronautics and Astronautics ,Dept.of Mechanical and Electrical Engineering )Abstract In order to avoid obstacles in task space ,overcome interior singularities and improve the performance of manipulators ,redundant manipulators have been thoroughly researched and developed.In the process of designing BUAA 2RR 7degrees of freedom ,a complete set of principles and methods are pro 2posed on design of mechanical structure ,joint and parts.BUAA 2RR 72DOF manipulator is characterized by self 2motion and overcoming joint limitations ,which has a feasible and compact structure.BUAA 2RR oper 2ates dexterously and reliably ,and is able to avoid obstacles and overcome singularity.Practice verifies the feasibility of above principles and methods.Key words robots ;degree of freedom ;structural design ;redundancy ;singularity753第3期钱锡康:BUAA -RR 七自由度机器人机械结构设计。

七自由度数据臂多轴伺服运动控制器设计_代明君

七自由度数据臂多轴伺服运动控制器设计3代明君1,林华2,孟偲3(1.黑龙江科技学院机械工程学院,黑龙江哈尔滨　150027;2.辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新123000;3北京航空航天大学机器人研究所,北京　100083)摘要:介绍了一种采用ARM处理器以及FP GA设计的7轴电机伺服运动控制器在数据臂平台上的应用。

与采用传统的MCU设计的多轴电机伺服运动控制器相比,该控制器具有较高的集成度和灵活性,便于用户实现较为复杂的算法。

试验表明,该控制器能够满足多轴电机伺服运动控制的需要。

在面向遥操作的7自由度数据臂平台中,将该控制器应用于关节数据采集和力反馈控制系统中,实现了多关节数据的实时采集和力反馈电机即时动作。

该运动控制器可以应用在各类型机器人、医疗设备及数控机床等控制系统设计中。

关键词:数据臂;ARM;FP GA;伺服控制器中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2005)11-0048-03 随着机电技术在航空航天、国防、工业自动化领域的快速发展,多电机协调控制技术在机器人、医疗设备和数控机床等系统中的地位越来越重要[1,2]。

嵌入式系统是近年来逐渐发展起来的面向控制、监视的实时系统,它的特点是采用高速处理器,体积小、集成度高、运算速度快、存储器容量大、功耗低、支持多种网络接口[3]。

文中讨论了一种基于ARM微处理器与FP GA设计的7轴电机伺服运动控制器。

该控制器选用ARM7芯片,内部集成5路PWM内部定时器,A/D转换,串行接口、看门狗及实时中断定时器等控制相关模块,采用基于J TA G的调试解决方案,便于程序调试修改。

其他接口如增量码盘、电机驱动采用FP GA实现。

控制器使用源码公开的μC/OS-II实时嵌入式操作系统,该操作系统采用占先式的实时内核、中断管理、可靠性高、支持多任务。

系统采用ARM和FP GA作为系统核心,使运动控制器有较强的集成度和灵活性,也降低了机电控制系统的体积。

KUKA七自由度机器人基于视觉和力反馈的控制

交通大学宋开泰等人通过立体相机，联合
SIFT（Scale Invariant Feature Transforma⁃
tion）算法和 SURF（Speed Up Robust Fea⁃
ture）算法，对比数据库中的物体特征与实
拍物体特征，从而实现辨识和定位物体。
德国慕尼黑工业大学 Maldonado 等人通过
向发展。例如基于视觉传感器，移动机器信息融合并控制机器人。第四节通过在
人可以规划路径避开障碍物；基于力传感 KUKA 七自由度机器人平台上进行实际操
器，机器人可以向物体施加持续的力而不作，采用混合型视觉、力反馈控制法则获得
至损坏物体；基于触觉传感器，多指机器人并分析试验结果。最后一节总结。
可以抓住易碎物体。但基于多传感器信息的反馈控制并不
速度的关系。从机器人动力学模型可以分到两个垂直的空间。这样视觉反馈控制
垂直方向的分量 K（c z）=1000 N/m，那么机器人直接施力的作用等同于机器人末端移动到水平平面下 0.01 米处，但是实际中平面是不可移动的，假定机器人欲移动到平面下 0.01 米处，结果机器人末端接触到平面后会产生一个 10 牛顿等同的力。
Time-of-flight TOF 相机获得无模物体的
景深和轮廓，从而确定物体形状和方位。
对于已知模型的物体，可以通过单个相机来定位和跟踪物体，法国 Lagadic 实验室的
图 1 KUKA 机器人以及试验配置
Marchan，Chaumette 等人用单相机实现了
如前文所述，Marchan，Chaumette 等人
（1）
（2）
定义误差 e=S-S*，S 是当前的特征值，
S*是误差为 0 时刻的特征值，是元素全为 0

七自由度气动肌肉机械手机构设计及运动控制实现的开题报告

七自由度气动肌肉机械手机构设计及运动控制实现的开题报告标题：七自由度气动肌肉机械手机构设计及运动控制实现摘要：本文主要介绍了一种七自由度气动肌肉机械手的设计及其运动控制实现。

该机械手采用了气动肌肉作为驱动元件，具有高柔性、低噪声、低能耗等优点。

在机械手的设计中，本文采用了模块化设计思想，将机械手分为多个模块，方便后期的维护和更新。

在运动控制方面，本文采用了PID控制算法，对机械手的位置和力进行控制，使得机械手能够实现精准的运动。

关键词：气动肌肉，机械手，七自由度，PID控制一、研究背景与意义机器人技术已经成为了现代工业生产的重要组成部分，机械手作为机器人的重要组成部分之一，具有广泛的应用前景。

机械手的发展趋势是高柔性、低噪声、低能耗，而气动肌肉作为一种柔性驱动元件，越来越受到研究者的关注。

因此，设计一款具有高柔性、低噪声、低能耗的气动肌肉机械手，具有重要的研究价值和应用前景。

二、研究内容本文的研究内容分为两部分，分别是气动肌肉机械手的设计和运动控制实现。

(一) 设计部分机械手的设计采用了模块化设计思想，将机械手分为多个模块，包括气动肌肉模块、驱动模块、传感器模块、手腕模块、手掌模块等。

其中，气动肌肉模块采用肌肉形状的设计，具有强大的柔性和可塑性；驱动模块采用电磁阀控制气动肌肉的介质流动，实现机械手的运动；传感器模块采用光电编码器进行位置传感；手腕模块采用球形联轴器设计，使得机械手能够在多个不同的方向进行旋转；手掌模块采用灵活的设计，能够适应不同的工件抓取。

(二) 运动控制实现部分本文采用了PID控制算法对机械手的位置和力进行控制。

在位置控制方面，通过光电编码器的信号获取机械手的位置信息，然后根据设定的目标位置和当前位置计算出位置误差，并通过PID控制器计算出控制量，最终让机械手到达目标位置。

在力控制方面，本文采用了阻抗控制策略。

在机械手抓取工件时，受到的力会发生变化，本文通过测量机械手末端的力传感器获得机械手的力信息，然后根据设定的阻抗参数计算出控制量，最终使得机械手能够在受到外部力的情况下保持力平衡。

七自由度冗余机器人路径规划研究

七自由度冗余机器人路径规划探究摘要：随着工业制造的不息进步和自动化水平的提高，机器人在生产线上的应用也越来越广泛。

而冗余机器人，作为一种具有更高自由度的机器人形式，具有更强的灵活性和适应性，在求解机器人路径规划问题时表现出不行轻忽的优势。

本文对七自由度冗余机器人路径规划进行了深度探究，分析了其特点，提出了一种基于递归求解的路径规划方法，并通过模拟试验验证了该方法的可行性。

1. 引言在工业自动化生产中，机器人可以替代人力完成繁重、危险或重复性工作，提高生产效率和产品质量。

而随着机器人自由度的增加，其运动变得更加复杂，如何规划机器人的路径成为一个挑战。

2. 七自由度冗余机器人的特点七自由度冗余机器人具有更高自由度的机构，可以在运动过程中依据需要自由调整关节的角度和位置，灵活性更强。

同时，冗余自由度的存在也增加了路径规划的难度。

3. 路径规划方法的综述目前，常用的路径规划方法包括基于几何的方法、基于优化的方法和基于机器进修的方法。

这些方法在解决七自由度冗余机器人路径规划问题时各具特点。

4. 基于递归的路径规划方法本文提出了一种基于递归的路径规划方法，将路径规划问题转化为关节角度逐步求解的问题。

该方法起首确定机器人末端执行器的目标位置和姿态，然后通过递归方式求解关节角度，最终获得整个路径。

5. 模拟试验与结果分析通过对一个七自由度冗余机器人进行模拟试验，验证了基于递归的路径规划方法的可行性。

试验结果表明，该方法能够有效地规划机器人的路径，并且具有较高的运动精度和稳定性。

6. 结论与展望本文对七自由度冗余机器人路径规划进行了探究，提出了一种基于递归的路径规划方法，并通过模拟试验验证了该方法的可行性。

然而，该方法还存在一定的局限性，需要进一步改进和完善。

将来，可以结合优化算法和机器进修方法，进一步提高路径规划的效果。

关键词：七自由度冗余机器人，路径规划，递归，模拟试验，运动精综上所述，本文探究了七自由度冗余机器人路径规划问题，并提出了一种基于递归的路径规划方法。

七自由度仿人机械臂设计与分析.pptx

首先对人体上肢运动机理进行研究分析,以人体手臂完成动作类型区分自由度,分析各自由度运动所需的人体上肢骨骼和肌肉。结合机械臂的设计要求,对机械臂各关节进行结构设计,并根据各关节运动特点进行驱动匹配和选型。
对机械臂完成指定任务所需要的传感器进行选配。对液压驱动关节铰接位置参数进行了优化分析,完善了机械臂结构。
最后使用拉格朗日法得到了机械臂的动力学方程,使用ADAMS和 MATLAB联合仿真,将关节转角、角速度与关节力矩建立闭环关系, 建立一个完整虚拟样机完成机械臂的动力学仿真,得到了各关节仿真力矩变化图。

对机械臂进行运动学计算,通过机械臂的D-H参数的确定,建立各关节之间位置关系,完成正逆运动学方程的求解,采用五次多项式插值表示机械臂运动轨迹;基于MATLAB开展仿真分析,验证机械臂运动学理论正逆解,得到机械臂工作空间及到达指定位置机械臂各关节角位移变化,为后续机械臂的动力学分析提供基础。对机械臂关键部件进行拓扑轻量化设计及强度校核,借助ANSYS Workbench平台对机械臂关键部件进行形状拓扑优化设计,对优化前后机械臂关键部件位移变形进行对比分析,并对优化后的结构进行强度校核。
七自由度仿人机械臂设计与分析
在《中国制造2025》趋势的影响下,服务型机器人进入了快速发展的浪潮,其中具有多功能的辅助机械臂逐渐成为极具广阔应用前景的研究热点。本文针对老龄残疾人士及大型工程设备装配两个对象,提出了一种基于人体解剖学的七自由度机械臂的设计方案,解决大型工程设备装配需要多名工程师在相对狭小环境下协同配合及服务老龄残疾人士成本较高的问题,特点在于:(1)全刚体结构的机械臂可以保证末端强稳定性;(2)具有冗余自由度机械臂使得服务老龄残疾人士时,末端固定时其余关节可根据实际空间情况自由活动达到避免碰到受帮助者的目的;(3)同人体上肢相似的尺寸、相似的驱动效果的机械臂可以直接应用在为人类设计的工作场景。

KUKA 七自由度机器人基于视觉和力反馈的控制

KUKA 七自由度机器人基于视觉和力反馈的控制作者：郭奇来源：《创新科技》2013年第03期引言随着传感设备的普及和小型化，现代机器人产业逐渐向基于传感反馈控制的方向发展。

例如基于视觉传感器，移动机器人可以规划路径避开障碍物；基于力传感器，机器人可以向物体施加持续的力而不至损坏物体；基于触觉传感器，多指机器人可以抓住易碎物体。

但基于多传感器信息的反馈控制并不普及，因为不同类型的传感器信息难以融合，甚至不同传感器的反馈控制会相互干扰，导致机器人轨迹失控。

本文通过视觉和力反馈的方法，控制德国KUKA公司生产的七自由度旋转关节型机器人实现跟随物体和切割物体的任务。

KUKA 机器人支持关节空间控制和笛卡尔空间控制，可以向机器人输入关节转角位置或机器人末端的空间位置，并且可以输入假定的末端受力，机器人会产生相应的力以此来抵消受到的来自外部的力。

近年来大批研究者进行了关于机器人视觉的研究，并取得很多成果。

台湾国立交通大学宋开泰等人通过立体相机，联合SIFT（Scale Invariant Feature Transformation）算法和SURF （Speed Up Robust Feature）算法，对比数据库中的物体特征与实拍物体特征，从而实现辨识和定位物体。

德国慕尼黑工业大学Maldonado等人通过Time-of-flight TOF相机获得无模物体的景深和轮廓，从而确定物体形状和方位。

对于已知模型的物体，可以通过单个相机来定位和跟踪物体，法国Lagadic实验室的Marchan，Chaumette等人用单相机实现了基于物体三维模型的实时跟踪算法。

在视觉方面，本文将采用Marchand的方法，用单个IEEE 1394 Marlin型相机来定位和跟踪物体。

在力反馈方面，本文采用PI控制来达到收敛。

本文的结构如下：第二节讨论如何实现基于视觉反馈的控制。

第三节介绍混合型视觉、力反馈控制和外部混合型视觉、力反馈控制两种控制方法，实现两种传感器信息融合并控制机器人。

机器人控制系统设计方案

机器人控制系统设计方案1. 概述本文档描述了一个机器人控制系统的设计方案。

该系统被设计用于控制机器人的运动和执行特定任务。

2. 硬件设计机器人控制系统的硬件设计包括以下组件：- 中央处理器（CPU）：负责处理机器人的指令和控制信号。

- 传感器：用于收集机器人周围环境的数据，如距离、位置和光线等。

- 执行器：用于执行机器人的运动和任务。

- 电源：为系统提供电能。

3. 软件设计机器人控制系统的软件设计包括以下方面：- 控制算法：根据传感器数据和用户指令，确定机器人的运动和任务执行方式。

- 用户界面：提供用户与机器人交互的界面，用户可以发送指令和接收机器人的反馈信息。

- 数据处理：对从传感器收集到的数据进行处理和分析，以提供有效的控制策略。

- 系统保护机制：设计安全保护措施，以防止系统的过载和意外损坏。

4. 通信协议机器人控制系统需要与其他设备进行通信，因此需要采用适当的通信协议。

常见的通信协议有以下几种选择：- WiFi：适用于无线通信，具有较高的传输速度和稳定性。

- 蓝牙：适用于短距离通信，具有低能耗和广泛的设备兼容性。

- 以太网：适用于局域网通信，具有高速和稳定连接的特点。

5. 安全性考虑在设计机器人控制系统时，安全性是至关重要的考虑因素。

以下是一些安全性考虑：- 访问控制：对系统的访问进行限制，只有授权用户才能发送指令或修改系统设置。

- 数据加密：对系统中传输的敏感数据进行加密，以防止数据泄露。

- 异常处理：设计系统能够检测和处理异常情况，及时采取相应的措施以避免危险。

6. 总结本文档概述了机器人控制系统的设计方案，包括硬件设计、软件设计、通信协议和安全性考虑。

通过合理的设计和实施这些方案，机器人控制系统将能够有效地完成各种任务和运动控制。

7自由度工业机器人机械结构设计说明书

摘要7自由度工业机器人以工作范围大、动作灵活、结构紧凑、能抓取靠近机座的物体等特点备受设计者和使用者的青睐。

由于有一个冗余自由度，很容易在确保最佳焊接姿势的同时，避免工件以及夹具对机器人工作臂的干扰。

本论文首先根据机器人持重3、工作范围1434、本体重量150，确立kg mm kg机器人为S腰部回转、L小臂摆动、E大臂回转、U臂部俯仰、R腕部扭转、B 腕部俯仰、T腕部回转的7自由度关节型弧焊机器人的总体结构；分析机器人的各个关节在转动惯量、角速度、加速度等技术指标下的工作状况，确定7个关节都采用交流电机驱动、机器人手臂专用减速器传动，同时B、T腕部关节还用到同步带传动。

通过计算各关节所需电机的功率和转矩、减速器的减速比、同步带的要求并选型；用UG NX6.0画出机器人的各关节三维仿真模型，并装配成型。

本课题研究具有广泛的实际意义和应用前景。

设计的7自由度工业机器人为后续的机器人动力学分析和运动控制提供了参考依据，并可以做进一步的研发。

关键词：7自由度，工业机器人，机械结构Abstract7 dof industrial robots with large scope of work, flexible, compact structure, can grab the object near the base are famous among so much designers and users. Because there is a redundant freedom, it is easy to ensure the best welding position at the same time, avoid workpiece and fixture work on the robot arm interference.In this thesis, according to the robot puts up , the scope of work is ,3kg1434mm body weight is ,establish 7 dof150kg joint structure of arc-welding robot including S waist, L arm swing, E arm rotation, U pitching arm, R wrist turn, B wrist pitch, T wrist rotation. Analysis of the various robot joints in moment of inertia, angular velocity, acceleration and other technical indicators of the work under the conditions identified seven joints driven by AC motor, the robot arm dedicated reducer drive, while B, T wrist joint is also used in synchronous belt drive. Required by calculating the joint motor power and torque, reduction ratio reducer, belt requirements and selection; robot with UG NX6.0 draw three-dimensional simulation model of each joint, and assembly molding.This research has extensive practical significance and application prospect. 7 dof industrial robots designed for the follow-up dynamics analysis and motion control and provide a reference, and can do further research and development.Key words: 7 dof, industrial robot, mechanical structure目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)第一章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外工业机器人的发展概况 (2)1.2.1 国内外工业机器人的发展现状 (2)1.2.2 工业机器人的发展趋势 (4)1.3 课题来源 (5)1.4 主要研究内容 (6)第二章7自由度工业机器人总体方案设计 (7)2.1 机器人机械设计的特点 (7)2.2 与机器人有关的概念 (7)2.3 机器人的基本技术要求 (9)2.4 机器人手臂结构型式 (10)2.5 机器人结构方案的分析 (12)2.5.1 7自由度工业机器人的外形结构设计 (12)2.5.2 7自由度工业机器人的关节结构设计 (15)2.6 机器人的驱动方式的选择 (19)2.7 7自由度机器人的控制系统 (20)2.7.1 7自由度工业机器人控制系统硬件部分 (20)2.7.2 7自由度工业机器人控制系统软件部分 (21)2.8 本章小结 (21)第三章7自由度工业机器人结构设计 (22)3.1 引言 (22)3.2 减速器类型选择 (23)3.3 同步带类型选择 (24)3.4 机器人结构设计 (25)3.4.1 T腕部回转关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 (25)3.4.2 B腕部摆动关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 (30)3.4.3 R回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (36)3.4.4 U回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (38)3.4.5 E回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (40)3.4.6 L摆动关节交流伺服电机和减速器的选择 (42)3.4.7 S腰部回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (44)3.4.8 电机、减速器、同步带选型总表 (47)3.5 电机型号 (48)3.5.1 SGMGH系列1500转电机 (48)3.5.2 SGMPH系列3000转电机 (49)3.6 本章小结 (51)第四章7自由度工业机器人三维结构设计 (52)4.1 机器人各个关节三维图 (52)4.1.1 底座造型图 (52)4.1.2 S腰部回转关节造型图 (53)4.1.3 L小臂摆动关节造型图 (56)4.1.4 E大臂回转关节造型图 (60)4.1.5 U臂部俯仰关节造型图 (60)4.1.6 R腕部扭转关节造型图 (61)4.1.7 B腕部俯仰关节造型图 (62)4.2 机器人装配图 (65)4.3 本章小结 (66)第五章结论和展望 (67)5.1 结论 (67)5.2 技术经济分析报告 (68)5.2.1 技术可行性分析 (69)5.2.2 技术优越性分析 (69)5.3 展望 (69)参考文献 (71)致谢 (73)声明 (74)第一章绪论1.1 课题背景机器人是典型的机电一体化装备，除了在制造业、农业、医疗、海洋开发、航天工程等方面得到了越来越广泛的应用之外，也渗透到人们生活的各个方面，随着工业机器人向更深、更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断地扩大。

7自由度工业机器人机械结构毕业设计(全套图纸)资料

7自由度工业机器人机械结构设计摘要7 自由度工业机器人以工作范围大、动作灵活、结构紧凑、能抓取靠近机座的物体等特点备受设计者和使用者的青睐。

由于有一个冗余自由度，很容易在确保最佳焊接姿势的同时，避免工件以及夹具对机器人工作臂的干扰。

本论文首先根据机器人持重3kg、工作范围1434mm、本体重量150kg，确立机器人为S腰部回转、L小臂摆动、E大臂回转、U臂部俯仰、R腕部扭转、B 腕部俯仰、T腕部回转的7自由度关节型弧焊机器人的总体结构；分析机器人的各个关节在转动惯量、角速度、加速度等技术指标下的工作状况，确定7个关节都采用交流电机驱动、机器人手臂专用减速器传动，同时B、T腕部关节还用到同步带传动。

通过计算各关节所需电机的功率和转矩、减速器的减速比、同步带的要求并选型；用UG NX6.0画出机器人的各关节三维仿真模型，并装配成型。

本课题研究具有广泛的实际意义和应用前景。

设计的7自由度工业机器人为后续的机器人动力学分析和运动控制提供了参考依据，并可以做进一步的研发。

关键词：7自由度，工业机器人，机械结构Abstract7 dof industrial robots with large scope of work, flexible, compact structure, cangrab the object near the base are famous among so much designers and users. Becausethere is a redundant freedom, it is easy to ensure the best welding position at the sametime, avoid workpiece and fixture work on the robot arm interference.In this thesis, according to the robot puts up 3kg, the scope of work is 1434mm,body weight is 150kg,establish 7 dof joint structure of arc-welding robot including Swaist, L arm swing, E arm rotation, U pitching arm, R wrist turn, B wrist pitch, T wristrotation. Analysis of the various robot joints in moment of inertia, angular velocity,acceleration and other technical indicators of the work under the conditions identifiedseven joints driven by AC motor, the robot arm dedicated reducer drive, while B, Twrist joint is also used in synchronous belt drive. Required by calculating the jointmotor power and torque, reduction ratio reducer, belt requirements and selection; robotwith UG NX6.0 draw three-dimensional simulation model of each joint, and assemblymolding.This research has extensive practical significance and application prospect. 7 dofindustrial robots designed for the follow-up dynamics analysis and motion control andprovide a reference, and can do further research and development.Key words: 7 dof, industrial robot, mechanical structure目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)第一章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外工业机器人的发展概况 (2)1.2.1 国内外工业机器人的发展现状 (2)1.2.2 工业机器人的发展趋势 (4)1.3 课题来源 (5)1.4 主要研究内容 (6)第二章7自由度工业机器人总体方案设计 (7)2.1 机器人机械设计的特点 (7)2.2 与机器人有关的概念 (7)2.3 机器人的基本技术要求 (9)2.4 机器人手臂结构型式 (10)2.5 机器人结构方案的分析 (12)2.5.1 7自由度工业机器人的外形结构设计 (12)2.5.2 7自由度工业机器人的关节结构设计 (15)2.6 机器人的驱动方式的选择 (19)2.7 7自由度机器人的控制系统 (20)2.7.1 7自由度工业机器人控制系统硬件部分 (20)2.7.2 7自由度工业机器人控制系统软件部分 (21)2.8 本章小结 (21)第三章7自由度工业机器人结构设计 (22)3.1 引言 (22)3.2 减速器类型选择 (23)3.3 同步带类型选择 (24)3.4 机器人结构设计 (25)3.4.1 T腕部回转关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 (25)3.4.2 B腕部摆动关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 (30)3.4.3 R回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (36)3.4.4 U回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (38)3.4.5 E回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (40)3.4.6 L摆动关节交流伺服电机和减速器的选择 (42)3.4.7 S腰部回转关节交流伺服电机和减速器的选择 (44)3.4.8 电机、减速器、同步带选型总表 (47)3.5 电机型号 (48)3.5.1 SGMGH系列1500转电机 (48)3.5.2 SGMPH系列3000转电机 (49)3.6 本章小结 (51)第四章7自由度工业机器人三维结构设计 (52)4.1 机器人各个关节三维图 (52)4.1.1 底座造型图 (52)4.1.2 S腰部回转关节造型图 (53)4.1.3 L小臂摆动关节造型图 (56)4.1.4 E大臂回转关节造型图 (60)4.1.5 U臂部俯仰关节造型图 (60)4.1.6 R腕部扭转关节造型图 (61)4.1.7 B腕部俯仰关节造型图 (62)4.2 机器人装配图 (65)4.3 本章小结 (66)第五章结论和展望 (67)5.1 结论 (67)5.2 技术经济分析报告 (68)5.2.1 技术可行性分析 (69)5.2.2 技术优越性分析 (69)5.3 展望 (69)参考文献 (71)致谢 (73)声明 (74)第一章绪论1.1 课题背景机器人是典型的机电一体化装备，除了在制造业、农业、医疗、海洋开发、航天工程等方面得到了越来越广泛的应用之外，也渗透到人们生活的各个方面，随着工业机器人向更深、更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断地扩大。

七自由度协作机器人控制系统及避障路径规划研究

七自由度协作机器人控制系统及避障路径规划研究
随着工业自动化的快速发展，协作机器人作为一种新型的工业机器人，具有灵活、高效的特点，受到了广泛的关注和应用。

然而，如何实现七自由度协作机器人的精确控制和避障路径规划，仍然是一个具有挑战性的问题。

协作机器人具有更多的自由度，可以进行更加复杂的任务。

但是，这也给控制系统带来了更大的复杂性。

为了实现七自由度协作机器人的精确控制，需要建立一个稳定、高效的控制系统。

首先，需要对机器人的运动学和动力学进行建模和分析，确定各关节的角度和速度控制策略。

然后，设计合适的控制算法，实现机器人的运动控制。

在控制系统中，还需要考虑到实时性和稳定性的要求，以保证机器人的运动精度和稳定性。

另外，协作机器人在工作过程中需要避开障碍物，以确保工作的安全和顺利进行。

因此，避障路径规划也是一个重要的研究内容。

避障路径规划需要考虑到机器人的运动约束和环境中的障碍物信息，通过合理的算法和策略，确定机器人的最佳运动路径，避开障碍物并实现任务的完成。

在七自由度协作机器人控制系统及避障路径规划的研究中，还需要考虑到多个机器人之间的协同工作。

多机器人协作需要解决机器人之间的通信和协调问题，以实现任务的分配和协同完成。

综上所述，七自由度协作机器人的控制系统及避障路径规划是一个复杂而又关键的研究领域。

通过建立稳定、高效的控制系统，合理规划机器人的运动路径，实现机器人之间的协同工作，将为协作机器人的应用提供有力的支持，推动工业自动化的发展。

线驱动模块化七自由度机器人轨迹跟踪控制

第29卷第4期2007年7月机器人ROB O T Vol. 29, No. 4July, 2007文章编号: 100220446 ( 2007) 04203892083线驱动模块化七自由度机器人轨迹跟踪控制陈伟海1 , 满征1 , 于守谦1 , 王田苗2( 1. 北京航空航天大学自动化学院, 北京100083; 2. 北京航空航天大学机器人研究所, 北京100083)摘要: 阐述了一种线驱动与常规串联驱动相结合的混合设计方法. 这种设计方法融合了线驱动并联机构和模块化串联机构的优点,而且混合驱动机器人的工作空间大于完全线驱动机器人的工作空间. 文章首先介绍了混合驱动机器人的机构设计,也就是机器人的肩关节采用模块化串联结构,而肘、腕关节采用线驱动结构. 然后利用几何分析的方法来解机器人前向运动学问题. 在分析驱动线长与关节角之间变换关系的基础上,分别利用速度法和关节角增量法来计算机器人逆向运动学解. 最后,使用VC + +实现混合驱动机器人对直线运动轨迹进行跟踪的仿真,从而证明了文章所描述的设计方法的正确性.关键词: 线驱动; 并联机构; 模块化机器人; 运动学中图分类号: TP24 文献标识码: BTra jectory Track ing Con trol for a 72DO F Cable2D r ivenM odular M an ipula torCHEN W ei2hai1 , MAN Zheng1 , YU Shou2qian1 , WANG Ti an2m i ao2( 1. School of Autom ation, B eihang University, B eijing 100083, China;2.Robotics Institu te, B eihang University, B eijing 100083, China)Abstract: This paper p resents a hybrid2driven app roach with cable2driven and convention2driven designs for a 72DO F ma2 nipulato r. This app roach combines the advantages of both cable2driven parallel mechanism and modular serial structure, s o t hat the workspace of the hybrid2driven manipulator is larger than that of the conventional cable2driven desig n. The hybrid mechanism design of the manipulator is p resented firstly, which has a modular serial structure in shoulder joint and a cable2 driven structure in elb ow and wrist joint respectively. Then the fo r ward kinematics of the manipulato r is solved with g eom e tryanalysis. After relationship between the cable leng th and the jo int angle is analyzed, the velocity analysis and increm ental disp lacem ent analysis are respectively emp loyed to calculate the inverse kinematic solu tion. Finally, a straig ht2line motion trajecto ry tracking for the hybrid cable2driven manipulato r is realized with VC + + software, and the effectiveness of p ropo sed app roach is verified with sim ulation.Keywords: cable2driven; parallel mechanism; modular manipulato r; kinem a tics1引言( I n troduction )由于关节空间自由度多于任务空间的自由度, 冗余度机器人被广泛应用于对灵活性和可靠性要求较高的领域. 七自由度拟人臂机器人是一种理想的手臂上,这样的机构增加了机器人的重量和转动惯量[ 2, 3 ] ,从而限制了机器人的承载能力,以及高速运动和快速响应能力. 为了克服电机和连杆的重量所带来的不利影响,近年来线驱动技术越来越引起人[ 4, 5 ]冗余度机器人,它有类似人臂那样的灵活性[ 1 ] . 北京们的关注. 线驱动机器人的电机可安装于基座上航空航天大学早已开始进行冗余度机器人的研究, 并研制成功如图 1 所示的72DO F机器人样机. 但是这种常规的串联结构的机器人是将驱动电机安装于或离基座较近的地方,因此具有重量轻和转动惯量小的优点,适合应用于对机器人重量和转动惯量要求苛刻的场合,如港口和船舶的吊运和航天领域等.3 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(50375008, 60575052).收稿日期: 2006 - 08 - 15390 机器人2007年7月由于线驱动机器人的电机和控制电路远离末端执行器,因此它们不易受到外界污染物的损坏,而且线驱动机构又易于拆卸、维护和组装,这样机器人就可以应用于环境较恶劣的工作场所,例如对机器人灵活性要求很高的核电站的维修,就非常适合线驱动拟人臂机器人工作. 但是常规的线驱动机器人大致上都属于悬挂式机器人[ 6, 7 ], 这种机构所占的空间较大,不适合应用于机械臂上.图 1 七自由度机器人Fig. 1 72DO F m anipulator意大利ARTS实验室于2002年研制了一种各关节运动完全解耦的串联式线驱动拟人臂机器人[ 8 ] . 它能有效减轻手臂的自重,但是这种串联式线驱动机器人和人臂的真实运动控制并不吻合,甚至大相径庭. 最近的仿生研究表明,人臂运动虽然是依靠肌肉的线驱动,但这种线驱动是并联控制的. 也即无论是肩关节还是腕关节它们自身是相互耦合的并联式线驱动结构.开环结构的串联拟人臂机器人有机构刚度低、负载能力小、控制精度差的缺点,它的优点是工作空间较大. 而闭环结构的并联机器人有效地克服了串联机器人的缺点,但是工作空间却比较小. 特别是对于线驱动并联机构,由于绳索只能提供单向的拉力, 使得线驱动结构的肩关节工作空间远远较串联结构的为小. 由于肘、腕关节比肩关节更远离基座,这意味着前面所提到的机构刚度、负载能力、控制精度等因素主要受肘关节和腕关节以及它们的连杆的影响. 因此在设计线驱动拟人臂机器人时,一种混合机构(即常规驱动串联机构的肩关节与线驱动并联机构的肘、腕关节的组合)的设计方案就成为既增大机器人工作空间,同时又保持具有理想的承载能力和控制精度的较好选择. 本文基于减轻机器人自重、保证机器人有较大的工作空间和灵活性的考虑,提出一种模块化驱动和线驱动相结合的混合驱动设计方案,使拟人臂机器人能广泛使用在对灵活性和承载能力方面有较高要求的应用环境下.本文第1节描述了七自由度混合结构线驱动机器人的机构设计过程. 为了减小传动惯量、增大工作空间以及消除关节间的耦合影响,只有肘关节和腕关节采用线驱动并联机构;而为了增大工作空间,肩关节则使用常规串联模块化机构. 第 2 节中,详细分析了机器人的运动学问题. 由于很难直接建立驱动钢绳的线长与末端执行器位姿的关系,因此关节角被作为中间变量来解机器人前向和逆向运动学问题. 利用指数积公式建立运动学模型,而前向运动学问题则使用解析法来解. 第 3 节中,采用两种控制方式(即速度控制和关节角增量控制)分别解逆向运动学问题,并讨论了这两种控制方式的优缺点. 最后, 通过直线轨迹跟踪仿真证明了文章所述设计方法的正确性.2机构设计( M echan i sm design )人臂既有较大的工作空间、较好的承载能力,又有突出的灵活性. 其结构由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和手等部分组成. 仿照人手臂的特点和借鉴其他研究人员的成果[ 4, 9, 10 ] ,本文设计的拟人臂机器人构型如图2所示.图 2 七自由度线驱动机器人示意图Fig. 2 D iag ram of 72DO F cable2driven manipulator如图3所示,肩关节由3个单自由度机器人模块组成,其中3个模块的旋转轴交于一点,由此构成一个三自由度球关节. 如果肩关节选用线驱动机构,则需将肘和腕关节的驱动线穿过肩关节运动平台,造成肩肘腕关节之间严重的耦合,会给计算带来很大困难;另外,肩关节距离基座较近,使用串联模块化机构不会大幅度增加机器人的转动惯量. 基于以上两点,本文不使用线驱动机构作为肩关节.在肩关节上安装一个固定平台用来控制肘、腕T q ) = T ( 0) s i q i ( s^ 0, 1 ( s ^ 1, 2 ( ) s^ n - 1, n ( T第 29卷第 4期陈伟海等 : 线驱动模块化七自由度机器人轨迹跟踪控制391关节绳索 , 该平台称为电机平台. 由于绳索只能施加单向的拉力 , 所以必须有冗余力才能实现操作臂的力闭合 [ 5 ]. 为实现 n 个自由度的运动 , 就必须有 n + 1 根绳索作为驱动元件. 机构的腕关节具有 3 个自由度 , 因此采用 4根绳索驱动的并联结构 , 肘关节由两根绳索驱动一个转动轮实现单自由度旋转. 机器人的驱动绳索一共采用 6 个电机作为驱动源 , 均匀放置在电机平台上 , 如图 3所示.标系指向也相同.图 4 机器人机构简图Fig . 4 D iag ram of manipulato r mechanism3 前向运动学分析 ( Forward k inem a ticsana lysis)拟人臂机器人前向运动学是指已知各主动模块的关节角和绳索长度求末端执行器位姿.3. 1 指数积公式设一个 n 自由度的机器人有 n + 1 个连杆、n 个关节. 其中 0号连杆是基座 , n 号连杆是机器人的末端 , 连杆 i - 1和连杆 i 是两个通过关节 i 相连的相邻连杆. 那么 , 在关节位移 q i 下连杆 i 相对于连杆 i - 1 的运动学关系可以描述为 :^i- 1, i ( i i - 1, i e1)图 3 肩关节Fig . 3 Shoulder joint腕关节由运动平台、固定平台、球形轴承组成 ,运动平台通过杆端球轴承与固定平台连接. 4 根绳索这里 , T i - 1, i ( 0) ∈S E ( 3)是连杆 i 相对于连杆 i - 1 的初始位姿 , q i ∈R 是关节角变量 , s ^i ∈se ( 3 ) 是表达在坐标系 i 内的关节轴 i 的运动旋量. 因此 , 串联机器人的前向运动学方程可表示为 [ 11, 12 ]:T 0, n ( q 1 , q 2 ,, q n ) = T 0, 1 ( q 1 ) T 1, 2 ( q 2 )T n - 1, n ( q n )一端固定在运动平台上 ,一端经过固定平台上的导 = T 0) e 1q 1 T 0 e2q 2 T 0) e n q n ( 2)向孔 ,采用简单对称的结构设计 4 根绳索 ,如图 2 的右端所示.拟人臂的肘关节采用两根绳索驱动一个转动轮 ,以此实现肘关节的单自由度旋转 ,如图 2 所示. 从图中可见 ,驱动腕关节运动的 4 根绳索经过肘关节上的 4 个导向孔延伸到肩部. 为了消除肘关节运动时对腕关节的影响 ,将导向孔布置在肘关节的回转中心上 ,使腕关节的驱动绳索经过转动轮的轴心假设肩关节的关节角变量分别为 q 1 、q 2 、q 3 , 肘关节关节角变量为 q 4 , 腕关节关节角变量分别为 q 5 、q 6 、q 7. 将各关节角变量代入式 ( 2 )就可以得到拟人臂机器人的末端位姿.3. 2 腕关节运动分析腕关节的驱动示意图如图 5 所示. 各绳的长度分别为 l 1 、l 2 、l 3 、l 4. 被固连在运动平台 W m 上的坐标系 n 2s 2a 表示腕关节做旋转运动之后的姿态.TT线. 因此 ,当转动轮绕轴心旋转时 ,驱动绳索只发生弯曲变化 ,而不会影响长度. 图 4为拟人臂机器人的机构简图. 图中肩关节的坐标系为 { S } , 它和坐标系 { S 1 } 、{ S 2 } 、{ S 3 }重合 , 而这 3个坐标系分别是 3 个单自由度旋转模块的坐标系. { E} 、{W } 、{ F} 、{ B }分别是肘关节、腕关节、末设矢量 n = [ n x , n y , n z ] , s = [ s x , s y , s z ] , a =[ a x , a y , a z ] , 是旋转后 n 、s 、a 轴上的单位方向矢量. 若欧拉角用绕 x 轴旋转 q 5 度 ( rad ) , 再绕新的 y 轴旋转 q 6 度 ( rad ) , 最后绕新的 z 轴旋转 q 7 度 ( rad )来描述转动后平台的位姿 , 则平台的姿态矩阵表示为 :n xs x a xB端执行器和基座的坐标系. 在初始状态下所有的关节坐标系所指方向相同 , 并且肩关节坐标系与基坐T W= n ys ya yn zs za z1 - a2 x2 2 2 W5 b h 6bh123 4T2 i 392机器人2007年 7月2 2 2 2 C q C q- C q S qS q2 l w = x 1 + y 1 + z 16 7 6 7622 2 2 = S q S q C q + C q S q- S q S q S q + C q C q - S q C q 2 l w = x 2 + y 2 + z 2 5 6 7 5 7 5 6 75 75 622 2 2 ( 6)- C q S q C q + S q S qC q S q S q + S q C qC q C q2 l w = x3 + y 3 + z 35 6 75 75 6 75 75 62 222其中 , C q= cos q i , S q ( 3)= sin q i . 则转动后腕关节的关节2 l w = x 4 + y 4 + z 4由矢量关系有 l i =W i - W 5 ( i = 1, 4 ) , l i =W i -角可表示为 :- a y W 6 ( i = 2, 3) , 于是 :l 1= ( x 1 - l b )+ y 1 + ( z 1 + l h )q 5 = arctan () l =( x + l ) 2+ y 2 + ( z + l )2az22 2 b() 22 2h2 ( )2 ( 7)a x q 6 = arctan ()( 4)l 3 = 2x 3 + l b+ y 3 + 22z 3 + l h 2l 4 = ( x 4 - l b )+ y 4 + ( z 4 + l h )- s xq 7 = arctan ( )n x由式 ( 5 ) ～ ( 7 ) 可求出点 W 1 、W 2 、W 3 、W 4 的坐标. 由图 5可知 :根据图 5所示 , BT 的具体求解过程如下 : W 1 - W 2 n = 2 l w, s =W 1 - W 4w a = n ×s ( 8) 坐标系 {W m }固定在运动平台 W m 上 , W 1W 2W 3W 4是边长为 2 l w 的正方形 , 中间支撑杆的长度为 l h , 固再将式 ( 8)代入式 ( 4)就可以得到腕关节各关节角的解 q 、q 、q . 5 6 7定平台上两导向孔的距离为 2 l b .3. 3 肘关节运动分析肘关节为单自由度的旋转关节 , 其示意图如图 6所示. 该转动轮的半径为 r, l 5, 0和 l 6, 0分别是初始状态下从点 E 1 到 E 2 和从 E 3 到 E 4 的绳子的长度. l 5 和 l 6 分别是绕 X 轴转动 q 4 后的长度. 从图 6 可看出有 : l 5, 0 - l 5 = r ·q 4 , 因此得出 :l 5, 0 - l 5q 4 =( 9)r图 5 腕关节示意图Fig . 5 D iag ram of wr ist jo int假设固定平台上两导向孔为 W 5 、W 6 , 它们在坐标系 { B }中的坐标分别为 : W = [ l , 0, - l ]T, W = [ - l , 0, - l ]T. 转动后四边形的顶点 W 、W 、W 、W 在坐标系 { B }中的坐标分别表示为 : W 1 = [ x 1 , y 1 ,TTTz 1 ] , W 2 = [ x 2 , y 2 , z 2 ] , W 3 = [ x 3 , y 3 , z 3 ] , W 4 = [ x 4 ,y 4 , z 4 ] .由于四边形 W 1W 2W 3W 4 是边长为 2 l w 的正方形 , 则由对称性可得 :x 1 = - x 3 , y 1 = - y 3 , z 1 = - z 3 ( 5)x 2 = - x 4 , y 2 = - y 4 , z 2 = - z 4图 6 肘关节示意图Fig . 6 D iagram of elbow jo i nt4 逆向运动学分析 ( In v erse k i n e m a tic ana 2 lysis)由 WW 1得 := WW 2= WW 3= WW 4 = 2 l w逆运动学是指已知末端 F 的位姿求解各主动关节的关节角 q 1 、q 2 、q 3 和驱动线线长 l 1 、l 2 、l 3 、l 4、l 5 、l6. i 222222j+1 jjω TWBWs i 50, n 0, n (i 6 0, 7 ) 为 J 0, n h q W 第 29卷第 4期陈伟海等 : 线驱动模块化七自由度机器人轨迹跟踪控制393由于直接通过末端位姿求解线长比较困难 , 因此采 d q = J +D ( 16)用间接方法 , 即先通过末端位姿求出各个关节的关节角 , 再由关节角与线长的关系求出线长.本文所使用的逆向运动学算法是数值方法 , 它其中 J + 为雅可比矩阵的 M 2P 伪逆矩阵.根据式 ( 16)可得到以下迭代公式 :dq j= J +D的优点是适合于构型可变的一切串联机器人而且计 Tq= q + dq( 17)算速度也可以满足实时性的要求 , 是不随构型变化而变化的运动学算法. 由于本文设计的机器人构型从整体上看是串联结构 , 并联结构只发生于肘腕关节 , 于是可以用串联机器人的解法来求得关节角度.4. 1 速度控制分析机器人末端位姿可表示为 :R 0, np 0, n其中 , j 为迭代次数. 当 d q 充分接近于 0时 , 迭代终止.关节角增量控制算法具有控制精度高的优点 , 但计算速度较慢 , 适合于高精度运动控制.4. 3 线长与关节角的关系在求出的关节角中 , q 1 、q 2 、q 3 已经是肩关节旋转模块的逆向运动学解 , 因此只需要分析 q 4 、q 5 、q 6 、q 7T 0, n =13 ×1( 10)与线长 l 1 、l 2 、l 3 、l 4 、l 5 、l 6 的关系. 其中 R 0, n ∈S O ( 3 ) , p 0, n ∈R 分别为末端执行器的腕关节示意图如图 5 所示 , 由前向运动学分析姿态矩阵和位置向量在基坐标系下的表示. 可定义知 W 5 、W 6 在 { B } 中的坐标分别为 : W 5 = [ l b , 0, 机器人末端的速度 V h ∈R 6 ×1的旋量坐标 :- l ]T , B W = [ - l , 0, - l ]T. 四边形的顶点 W 、W 、0, n··h6bh12hp 0, np 0, nW 3 、W 4 在坐标系 {W }中的坐标分别表示为 :V 0, n ==s 0, n·( R 0, nR 0, n )( 11)W 1 = [ l w , l w , 0 ]W 2 = [ - l w , l w , 0 ]·sW= [ - l , - l , 0 ]TW W = [ l , - l , 0 ]T其中 p 0, n 、ω0, n 分别为机器人末端的线速度和角速 3ww4ww度. 这种速度被定义为机器人的混合速度 [ 12, 13 ], 则机器人的混合速度与关节速度的关系为 :于是腕关节的旋转矩阵可表示为 :R W = ro t ( x , q 5 ) ro t ( y , q 6) ro t ( z , q 7 ) ( 18) V 0, n = J 0, n ( q ) q ( 12)这样点 W i 在坐标系 { B }中的坐标为 :I 3 ×3 h h ·p^0, nW i = R WW i( i = 1, 2, 3, 4)( 19)0, n =I 3 ×3J 0, n ∈R6 ×n表示机器人的这里求绳长的解法与一般的并联机器人求逆解混合雅可比矩阵. 此时 , 关节速度可以表示为 :方法类似 , 由图 5可知有矢量关系 l =BW -W i ( i =·= ( J h ) + Vh13)1, 4) , l =BW - W i ( i = 2, 3 ) 存在 , 则可求出 4 根绳其中( J h+h0, 7的 M 2P 伪逆矩阵. 则所求的机器索的长度为 :BBB B W人关节角可表示为 :·q k +1 = q k + q k d t( 14)其中 q 为关节角向量 , d t 为采样时间.速度控制方法的优点是运动平滑、计算速度快 , l i =l i = W 5 - W 6 - W i = W i = W 5 -W 6 - R W W i ( i = 1, 4)( 20)R W W i( i = 2, 3)( 21)缺点是定位精度较差 , 适合于粗运动控制.4. 2 关节角增量控制分析假设当前的实际末端位姿为 T 0, n , 通过插补算法对于肘关节 , 在前向运动学中已得到线长与关节角的关系 , 即 :l 5 = l 5, 0 - rq 4 ( 22) 计算出的期望末端位姿为 T d . d- 1 ∨6 ×1l 6 = l 6, 0 + rq 4( 23)定义 D T = - l og ( T 0, n ( T 0, n ) ) ∈R 为位姿偏差向量 , 它反映的是机器人末端执行器期望位姿与实际位姿的偏差 , 当期望位姿与实际位姿相等时 , 其值为 0[ 11, 14 ]. 则有 :D T = J dq( 15)6 ×n5 仿真研究 ( S i m ula tion stud ies)机器人的设计参数如图 4所示 (单位为 mm ) :大臂长 B E 为 345, 小臂长 EW 为 220, 腕关节到末端的距离 W F 为 30, 肘关节转动轮半径 r = 35, 腕关节参其中 J = [Ad T 0, 1 s 1 Ad T 0, 2 s 2 Ad T 0, n s n ] ∈R 为机T数 l b = 40, l h = 40, l w = 28.器人的雅可比矩阵 , dq = [ d q 1 , d q 2 ,, d q n ] 角增量向量 , 根据式 ( 15)可得 :BB其中 J TB ∨W TW T- 1BBB B B B为关节机器人的运动学参数如下:( 1)各关节的关节旋量为T T 1 2 394机器人2007年 7月s = [ 0, 0, 1, 0, 0, 0 ]T, s = [ 1, 0, 0, 0, 0, 0 ]Ts 3 = [ 0, 0, 1, 0, 0, 0 ] , s 4 = [ 1, 0, 0, 0, 0, 0 ]s 5 = [ 1, 0, 0, 0, 0, 0 ] ,s 6 = [ 0, 1, 0, 0, 0, 0 ]T 时间为 151267 s,计算整个过程需要插补 305次.使用本文的关节角增量法可以求得各关节角的解. 图 7为运动过程中各关节角的变化曲线.s 7 = [ 0, 0, 1, 0, 0, 0 ]( 2) 各关节坐标系之间的初始变换矩阵为 :T 3, 4 ( 0) =T 4, 5 ( 0) =T 7, 8 ( 0) =在初始位形时 , 关节 1、2、3 的坐标系重合 , 关节 5、6、7 的坐标系重合 , 因此 T 0, 1 ( 0 ) 、T 1, 2 ( 0 ) 、T 2, 3 ( 0) 、T 5, 6 ( 0) 、T 6, 7 ( 0)均为单位矩阵.为了获得较高的控制精度 , 仿真采用关节角增量法来解逆向运动学问题. 具体的仿真过程叙述如下 :首先 , 让机器人从起始点 P 0 沿直线运动到终止点 P d . 利用关节角增量法可以在线求出各关节角的解. 然后 , 根据线长与关节角的关系可以求出机器人的全部逆向运动学解 , 即 q 1 、q 2 、q 3 和 l 1 、l 2 、l 3 、l 4 、l 5、 l 6. 之后 , 将求出的逆向运动学解代入到前向运动学计算公式中计算出末端执行器在运动中的实际轨迹. 最后 , 比较末端执行器的实际轨迹与理想轨迹 , 并绘制出轨迹的误差曲线.仿真中使用插补算法来计算理想轨迹 [ 14 ]. 给定 P 0 、P d 和 q 0 为 :6 根绳索的长曲线,分别是 1和 3实线 , 2和 4 点划线 , 5 和 6 虚线 ,这种曲线形状的相似性体现出了绳索布置上的对称关系.图 8 线长曲线Fig . 8 Curves of cable lengthsq 0 = [ - 10, 5, 0, 10, 20, 15, - 5 ] (单位: °) 将求出的逆解代入到前向解计算公式中计算出末端在运动中的位置和姿态曲线 ,如图 9 和图 10 所P 0 =P d =设定步长因子为 0105 s,速度为 0106 m / s,仿真总据来控制机器人每根线的运动. 这样 ,机器人末端就T TT1 0 00 0 1 0 0 0 0 1 3450 0 0 1 1 0 00 0 1 0 0 0 0 1 220 0 0 01图 7 关节角曲线1 0 0 0Fig . 7 Curves of j o i n t angles0 1 0 0 0 0 1 30根据式 ( 20 ) ～( 23 )可以推导出 0 0 0 1度 ,如图 8所示. 图中有 3对形状类似的 0196101227 01159 - 10136 T示在图中末端的姿态是用欧拉角来表示 . 10 , X YZ - 01092 01802 - 01591 - 103141 的. 整个运动过程被分为 3 个阶段 :加速阶段 4 s,匀 - 01261 01553 01791 579191速阶段 71267 s,减速阶段 4 s .0 0 0 1本文采用 ADAM S 进行机器人的轨迹跟踪仿真 ,01904- 01369 - 01218 - 350101 T以此检验文中所述方法的正确性. 首先使用 So l i d 2- 01149 01206 - 01967 - 350101 W orks 进行机械零件的建模 , 再将所建模型导入到 01401 019060113150100ADAM S 环境中 ,然后将 VC + +下计算的绳长数据转0 0 1化成 ADAM S 中的 SPL I N E 数据存储形式 ,以这些数图 9 末端位置曲线Fig . 9 Curves of end 2effecto r po sition图 12 位置误差曲线Fig . 12 P o siti o n err o r curve图 10 末端姿态曲线 Fig . 10 Curves of end 2effecto r o rien tati o n第 29卷第 4期陈伟海等 : 线驱动模块化七自由度机器人轨迹跟踪控制395能沿预定轨迹运动 ,如图 11所示.图 11 直线运动仿真Fig . 11 Straight 2line motion sim ulation计算实际轨迹的误差时不能用插补点作为采样点计算 ,因为这样求出的误差只反映数值迭代的精度误差. 由于相邻两插补点的中点处误差最大 ,所以本文使用此中点作为采样点计算误差曲线 ,这样能够反映末端轨迹的最大误差. 于是可以绘制出位置和姿态误差曲线如图 12 和图 13 所示. 图中实线、点划线、短虚线分别表示 x 轴、y 轴、z 轴的位置和方向误差. 从图中可以看出位置和姿态误差都很微小 ,说明本文所用的运动学分析方法是正确的.图 13 姿态误差曲线Fig . 13 O rientation erro r curve6 结论 ( Conclusion )本文设计了一种混合驱动拟人臂机器人 , 即肩关节使用模块化串联机构 ,而肘、腕关节采用线驱动机构. 这种设计具有传动惯量小、工作空间大和无关节耦合的优点. 前向运动学使用解析法来解 ,而逆向运动学分别用速度控制和关节角增量控制算法来解. 在 ADAM S 环境下进行的直线运动轨迹跟踪仿真中 ,误差在允许的范围内. 从而验证了所设计机构的可行性和所提出的前向运动学、逆向运动学算法的396 机器人2007年7月正确性.参考文献( References)[ C ]. Piscataway, NJ, U SA: IEEE, 2002. 2268 - 2273.[ 9 ] Yama moto M , Yanai N, Mohri A. Inverse dynam ic and control of crane2type manipulator[ A ]. Proceedings of the IEEE /RSJ Interna2[ 1 ] 赵冬斌, 易建强, 张文增, 等. 拟人机器人TH 21 手臂运动学[ J ]. 机器人, 2002, 24 ( 6) : 502 - 507.[ 2 ] 钱锡康. BUAA2RR 七自由度机器人机械结构设计[ J ]. 北京航空航天大学学报, 1998, 24 ( 3) : 354 - 357.[ 3 ] 李鲁亚. 冗余自由度机器人控制研究[ D ]. 北京: 北京航空航天大学, 1994.[ 4 ] Yang G L, L in W , Kurbanhusen M S. K inematic design of a 72D O F cable2driven humanoid arm: A solution2in2nature app roach[ A ]. Proceedings of the IEEE /A S M E International Conf erence on Advanced Intelligent Mechatroni cs [ C ]. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2005. 444 - 449.[ 5 ] Pha m C B, Ye o S H, Yang G L. Workspace analysis and op tima l design of cable2driven p lanar parallel manipulator [ A ]. Proceed2 ings of the 2004 I EEE International Conf erence on Robotics, Auto2 mation and Mechatronics [ C ]. Piscataway, NJ, U SA: IEEE,2004. 219 - 224.[ 6 ] Take mura F, Enomoto M, Denou K, et a l. Proposition of a human body searching strategy using a cable2driven robot at major disaster [ A ]. Proceedings of the IEEE /RSJ International Conf erence on In2telligent Robots and System s[ C ]. Piscataway, NJ, U SA: IEEE,2004. 1456 - 1461.[ 7 ] A lp A B, Agrawal S K. Cable suspended r obots: Design, p lanning and control[ A ]. Proceedings of the I EEE International Conf erenceon Robotics and Automation [ C ]. Piscataway, NJ, USA: IEEE,2002. 4275 - 4280.[ 8 ] Zollo L, Siciliano B, Laschi C, et a l. An impeda nce2c omp liance control f or a cabl e2actuated robot [A ]. Proceedings of the IEEE / RSJ International Conf erence on Intelligent Robots and Syste m stional Conf erence on Robots and Syste m s [ C ]. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 1999. 1228 -1233.[ 10 ] Kurtz R, Hayward V. Multip le2goa l kinematic op tim ization of a pa2 rallel spherical mechanism with actuator redundancy [ J ]. IEEETransactions on Robotics and Automation, 1992, 8 ( 5 ) : 644 -651.[ 11 ] Chen IM , Yang G L. Inverse kinematics f ormodular reconf igurable robots[A ]. Proceedings of the IEEE International Conf erence onRobotics and Automation [ C ]. Piscataway, NJ, U SA: IEEE,1998. 1647 - 1652.[ 12 ] Murray R M , 李泽湘, Sastry S S.徐卫良, 钱瑞明. 机器人操作的数学导论[M ]. 北京: 机械工业出版社, 1995.[ 13 ] Chen W H, Yang G L,Ho H L, et a l.Interac tive2motion control of modular reconf igurable manipulators[ A]. Proceedings of the IEEE / RSJ International Conf erence on Intelligent Robots and Syste m s [ C ]. Piscataway, NJ, U SA: IEEE, 2003. 1620 - 1625.[ 14 ] Chen W H, Chen IM, L im W K, et a l. Cartesian coordinate con2 trol f or redundant modular robots[A ]. Proceedings of the IEEE I n2ternational Conf erence on Syste m s, Man and Cybernetics[ C ]. Pis2cataway, NJ, U SA: IEEE, 2000. 3253 -3258.作者简介:陈伟海( 19552) ,男,博士,副教授. 研究领域:机器人学和机器人控制,可重构技术.满征( 19832) ,男,硕士生. 研究领域:机器人机构学,模块化机器人.于守谦( 19492) ,男,硕士,教授. 研究领域:机器人控制,嵌入式控制器.。

七自由度机器人控制系统方案设计

七自由度机器人控制系统方案设计
张新予;匡以顺
【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2009(000)005
【摘要】浮渣铲除机器人是一种为了代替在高温、高粉尘环境下工作的人工劳动而设计的七自由度串连关节型工业杌器人,在机构设计的基础上.对控制环节中的硬件、软件部分进行分析设计,并给出了控制系统图.
【总页数】2页(P54-55)
【作者】张新予;匡以顺
【作者单位】江西理工大学,江西,赣州,341000;江西理工大学,江西,赣州,341000【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.七自由度球头开孔机器人结构优化研究 [J], 徐鹏;富威;陈艳龙;肖凯元;薛睿
2.七自由度双臂机器人旋量理论正向运动学与工作空间分析 [J], 刘冠隆;贺晓莹;高兴宇;李明枫;Alaa Aldeen Housein
3.七自由度串联机器人位姿轨迹规划算法与仿真 [J], 陈爱文;黄忠明;黄凤良
4.基于MATLAB-Robotics的七自由度机器人运动轨迹规划仿真 [J], 朱小利
5.二自由度七连杆机器人腿部机构优化设计 [J], 罗中华
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于MRDS七自由度机器人仿真系统的设计

基于MRDS七自由度机器人仿真系统的设计张立平;王殿君;徐小龙;曹宇;刘淑晶;李强【摘要】According to VA1400 7-DOF robot,the robot simulation system was built based on Microsoft Robotics Stu-dio (MRDS).The link coordinate system was built by using D-H method.The forward kinematics equationsof robot were deduced from the link parameters.The 7-DOF robot model was built by blender.The simulation software of the 7-DOF ro-bot was designed by using the runtime library of MRDS,and the results were verified in MATLAB toolbox.By comparison of the two simulationresults,the maximum deviation was 1 .1 5 mm.It was in reasonablelimits.The system simulated the motion state of the 7-DOF robot realistically.It was a basis for robotics researchers to develop offline programming and sim-ulation software.%针对VA1400七自由度机器人建立了基于微软机器人工作室(MRDS)的仿真系统。

通过运用D-H 法,建立了机器人连杆坐标系,并由连杆参数推导出机器人正运动学方程；采用Blender三维建模软件,对七自由度机器人进行建模；使用C#语言调用MRDS提供的运行库,设计了七自由度机器人仿真软件,并用MATLAB软件中的机器人工具箱对仿真结果进行了验证。