工業(yè)機器人知識講解

1、工業(yè)機器人精品資料工業(yè)機器人（論文）排爆機器人機械手運動規(guī)劃1前言機器人作業(yè)主要依賴于機械手的運動，對機械手進行運動學分析是實現(xiàn)其運動控制和動力學分析所必需的。機械手運動學有正向和逆向之分，簡單來講，正 向運動學就是由關(guān)節(jié)運動規(guī)律確定抓手運動規(guī)律，反之則為逆運動學。通常依據(jù)機器人的作業(yè)特點提出對機械手的位置、速度或加速度要求，由此再確定各關(guān)節(jié)的位置、速度或加速度，這是逆運動學要重點解決的問題。2機械手運動學構(gòu)型通常機械手的作業(yè)要求的主要特征之一是其末端執(zhí)行器（抓手）的位姿，如果要 抓手能實現(xiàn)空間任意位姿則最少要有 6個由自由度。機械手的自由度數(shù)不一定 非要為6,主要是要與其任務(wù)要求相適應(yīng)，根據(jù)

2、排爆機器人實際操作的需要，僅供學習與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝2精品資料從控制簡單可靠的角度出發(fā)，我們設(shè)計不要求抓手實現(xiàn)空間任意位姿，而且由于本排爆機器人機械手基座位于運動小車上，基座相對目標物可作一定的位置調(diào)整的，故最終決定采用5自由度機械手，相比6自由度機械手，只是腕部少用一個偏轉(zhuǎn)的自由度。一旦所需要的自由度數(shù)確定之后，必須合理布置各個關(guān)節(jié)來實現(xiàn)這些自由度。對于串聯(lián)的運動連桿，關(guān)節(jié)的數(shù)目等于機械手自由度數(shù)。大多數(shù)機械手的設(shè)計是由最后 3個關(guān)節(jié)確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)，且它們的軸相交于腕關(guān)節(jié)原點，而前3個關(guān)節(jié)確定腕關(guān)節(jié)原點的位置。根據(jù)運動學知識，可知這類操作臂都有封閉的運動學解。參考國內(nèi)外

3、同類機器人，本機械手采用關(guān)節(jié)型機械手，各運動副安排（見圖1）。腰、肩、肘關(guān)節(jié)確定抓手的空間位置，腕俯仰關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定抓手的姿態(tài)，肩、肘和腕俯仰關(guān)節(jié)處于同一平面。3排爆機器人機械手運動軌跡設(shè)計和規(guī)劃手腕俯仰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)爪圖1排爆機器人機構(gòu)示意圖3. 1機械手作業(yè)分析和抓手軌跡設(shè)計本機械手共有五個自由度，目標抓取過程中，主控計算機進行周期插補計算，即根據(jù)設(shè)計軌跡利用逆運動學算法計算輸出關(guān)節(jié)角度系列，為滿足實時性的要求，算法應(yīng)力求簡單?；谶@種考慮，我們設(shè)計機械手抓取目標物的過程是讓腰關(guān)節(jié)先運動至抓手中心（抓手坐標系原點）對準目標物位置，即使目標物上的測距點處于機械手連桿平面內(nèi)，此階段影響抓手姿

4、態(tài)的抓手回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)也可同時調(diào)整到位（一般根據(jù)目標物被抓部位的幾何特征而定），接下來才讓肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕俯仰關(guān)節(jié)同時運動使得手爪從瞄準位置運動至目標物被抓部位，后面這段過程的軌跡是我們要重點設(shè)計和規(guī)劃的。僅供學習與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝3精品資料如此以來，后面的這段過程進行逆運動求解時只需計算肩、肘、腕r一個關(guān)節(jié)，而這三個關(guān)節(jié)組成的是一個平面機械手，利用幾何方法就可計算，并且計 算簡單，可得到封閉解，也沒有處理多重解的麻煩。通過這一過程，實際上是 對機械手進行了解耦處理，使控制得以簡化。機械手小臂卜安裝有雙目視覺定 位系統(tǒng)田，其上兩個攝像頭可攝取同一目標物兩幅圖像，利用一 I角測距原

5、 理，經(jīng)圖像匹配和計算得出目標物與視覺坐標系的精確相對位置，通過坐標轉(zhuǎn) 換矩陣得到目標物相對大臂連桿坐標系得位置。腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度這時就可汁 算fl來，具體公式見后面的逆運動學汁算。接下來的機械手運動過程取決于抓 手應(yīng)以什么樣的軌跡（運動線路）接近目標物。依照通常情況，我們設(shè)計了兩種 軌跡，如圖2所示。第一種是單段軌跡斜抓，見圖 2 rj-i由E點直線運動至目標 位置T, OBCE是某個起始位置。這種方式的優(yōu)點是手爪在接近目標物的過程 中，攝像頭一直對準目標物，起到一種手眼協(xié)調(diào)作用，致使目標物始終處于網(wǎng) 像監(jiān)控之下。這段軌跡用起始位形和日標的，Z坐標就可計算H來。第二種是兩段直線軌跡組合，即由

6、同 2中的c點到F點，到達F點是，小臂水平，然后再走|Tr的水平線過程。這種軌跡雖然復雜一些，但是保證了水平抓取這種常態(tài)。軌跡的 段長 度由設(shè)汁確定，一般比小臂長度大一些即可，避免在前段過程就 觸到日標物。3_2機械手連桿關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃關(guān)節(jié)空間規(guī)劃方法是以關(guān)節(jié)角度的函數(shù)來描述機器人的軌跡，并進行軌跡規(guī)劃。關(guān)節(jié)空間法不必在直角坐標空間中描述兩僅供學習與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝4精品資料個路徑點之問的位形，計算簡單，容易。而且，由于關(guān)節(jié)空間與直角坐標空間之間并不是連續(xù)對應(yīng)關(guān)系，因而不會發(fā)生機構(gòu)奇異性問題。連桿關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃方法取決于選取的關(guān)節(jié)插值函數(shù)，常用的有多項式插值和拋物線過渡的

7、線性插值。3. 2. 1拋物線過渡的線性插值如圖3所示，如果單純采用線性插值，則在起始點、路徑點和終止點的關(guān)節(jié)運動速度不連續(xù)，加速度無窮大。為了生成一條位置和速度都連續(xù)的平滑的運動軌跡，在線性捅值時，在每個節(jié)點的鄰域內(nèi)采用一段拋物線作為“緩沖IX段”。由于拋物線對時間的二階導數(shù)為常數(shù)，一階導數(shù)即速0度實現(xiàn)平滑過渡，不致產(chǎn)生突變，這樣整個軌跡上角位移和角速度都是連續(xù)的。線性函數(shù)與拋物線函數(shù)平滑的銜接在一起形成的軌跡就是帶拋物線過渡的線性軌跡。如圖3所示，岡中t,為過渡時日】，為線性段時間，tm為節(jié)點問隔時間。若關(guān)節(jié)角度系列和間隔時間已知，設(shè)定好角加速度的絕對值后，就可進行規(guī)劃計算。3. 2. 2

8、路徑點的方程對除起始點和終點之外的路徑點，t可用以下方程求得：僅供學習與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝5精品資料3. 3基于幾何的逆運動學算法3. 3. 1腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度根據(jù)前面機械手作業(yè)分析，由于自動抓取過程中腰關(guān)節(jié)先行轉(zhuǎn)動時，肩、肘、腕俯仰關(guān)節(jié)不動，手爪回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動到位。這樣的話，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的確定就比較簡單，設(shè)雙目視覺定位系統(tǒng)測出的是目標物卡H對視覺坐標系的位置（，y,）,先將該位置變換為卡H對手爪坐標系的坐標，接著再變換為相對腰部坐標系的坐標（'，Y',。）；坐標系（見圖2）,腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度可用下式求得：ol=arctan（y，乂）3. 3_2肩、肘、腕俯仰三個關(guān)

9、節(jié)逆運動學計算由于肩、肘、腕俯仰關(guān)節(jié)組成的是平面3R機械手，基于前述的抓手軌跡，路經(jīng)的中間點通過等距插補獲得，其位置逆運動學算法采用幾何方法來導出。設(shè)機械手的仞始位姿，如圖 4所示。由。、確定，要求手爪沿自身軸線前進。為統(tǒng)一和簡單起見，在此對關(guān)節(jié)角度作如下定義：后一個連桿與前一個連桿延伸共線是為0度，重疊時為1。，后一連桿相對前一連桿逆時針轉(zhuǎn)動時角度為正。設(shè)：=o , =6 , _l =c,計算過程是通過曰 點位置來算出、。具體計算遞推過程如下：bl=2a COS（OI1d2）1=180。+ 撕 3D6、/6 l+c2-26 Ic cosB,I/3F#,-1+arccos（c sinfl, 1

10、/bi）2. i=-2arccos（b/2a）僅供學習與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝6精品資料ol3.,/2-1 80。o/1,帶一 l-1Ei|+（ 2 川一 .）,2+ 1 13. 4抓手運動軌跡計算仿真各關(guān)節(jié)角度在關(guān)節(jié)空間規(guī)劃后，過渡拋物線并未經(jīng)過路徑點，而且，關(guān)節(jié)角度是離散的系列值，相鄰路徑點之間的角度是軌跡插補得到，所以抓手在直角坐標空問的準確軌跡以及速度均未可知，在這里我們用仿真方法計算其理論軌跡和速度。下面 以一個斜抓過程為例，進行全面的仿真計算，仿真計算順序流程僅供學習與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝7精品資料采用前文介紹的帶拋物線過渡的線性插值軌跡規(guī)劃方法，編程計算出各

11、關(guān)節(jié)線性段時間和速度以及拋物線過渡段時間等。各關(guān)節(jié)的軌跡確定后，接著就是生成關(guān)節(jié)空間實時軌跡。生成方法是，根據(jù)插補周期在每次更新軌跡時，首先判斷當前時間t是處于軌跡的線性段還是過渡段，若處于線性段，各關(guān)節(jié)的軌跡按下式計算：e=e eil| 0式中：卜第個路徑點算起的時間。若處于過渡段時，各關(guān)節(jié)軌跡按下式計算：2t （ 2+ ）O=0j+0（t % ）+ +8=eI § 曲4計算結(jié)果假設(shè)初始位置角度，. 0二45。、- 90。、，一 80。手爪移動直線距離600ram,移動速度為50mm/s。路徑點通過等間距50ram取得，利用MATIAB編程，計算三個關(guān)節(jié)角度系列結(jié)果（見表1）。根據(jù)關(guān)節(jié)角度系列值，設(shè)相鄰路徑點的間隔時間為1s,加速度為0. 4rad/s,軌跡規(guī)劃輸出插補周期為50ms。用MATLAB編程，肩關(guān)節(jié)規(guī)劃計算結(jié)果，如圖 6所示。僅供學習與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝8精品資料利用正運動學計算抓手的軌跡和速度（圖略），大部分路段的軌跡和速度與目標要求較吻合，相對而言，最后一小段的波動較大，從這點可以看出，抓手軌跡與機械手的位形也是有關(guān)的。當然，以上的抓手位置和速度分析只是針對機械手諸多目標軌跡中的一個，不同目標軌跡所得的關(guān)節(jié)角度變化必然不同，故其位置和速度曲線與目標的偏差也必然不同。而且，軌跡的準確程度還與所取路徑點的密集程度有關(guān)，通常，路徑點