多关节机器人通用体系结构的研究.pdf

多 关 节 机 器 人 通 用 体 系 结 构 的 研 究 3汪 木 兰 1, 2 , 张 崇 巍 1 , 饶 华 球 2 , 张 思 弟 2(11合 肥 工 业 大 学 电 气 工 程 与 自 动 化 学 院 , 合 肥 230009; 21南 京 工 程 学 院 , 南 京 210013)摘 要 : 结 合 一 个 五 自 由 度 教 学 工 业 两 用 型 机 器 人 应 用 实 例 , 构 造 出 多 关 节 机 器 人 通 用 体 系 结 构 , 包 括 总 体 原 型 、 机 械结 构 、 关 节 传 动 链 、 伺 服 驱 动 元 件 、 电 气 控 制 系 统 、 关 节 坐 标 系 及 其 运 动 学 方 程 、 通 信 协 议 和 软 件 设 计 思 路 等 。 通 过 实 际使 用 表 明 , 本 文 提 出 的 通 用 体 系 结 构 是 实 用 的 、 合 理 的 。关 键 词 : 多 关 节 机 器 人 ; 体 系 结 构 ; 电 气 控 制 系 统 ; 运 动 学中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1001 - 3881 (2005) 2 - 060 - 3l jo in t 2 , 130009, 110013, of a le p is p 20世 纪 60年 代 机 器 人 进 入 工 业 领 域 以 来 ,安 装 和 使 用 的 机 器 人 数 量 已 经 超 过 100万 台 , 并 且 还在 以 更 快 的 速 度 递 增 。 另 外 , 机 器 人 的 应 用 领 域 也 从制 造 业 拓 宽 到 了 非 制 造 业 特 种 机 器 人 1, 2 。 这 一切 都 说 明 了 机 器 人 的 广 泛 应 用 已 成 为 不 争 的 事 实 。机 器 人 的 研 究 、 开 发 和 应 用 涉 及 到 许 多 学 科 , 机器 人 学 3, 4 是 一 门 跨 学 科 的 综 合 性 技 术 。 多 刚 体 动 力学 、 机 构 学 、 机 械 设 计 、 传 感 技 术 、 模 式 识 别 、 电 气液 压 驱 动 、 控 制 工 程 、 智 能 控 制 、 计 算 机 科 学 技 术 、人 工 智 能 、 仿 生 学 、 微 机 电 系 统 以 及 计 算 机 集 成 制 造系 统 (C 等 学 科 都 与 机 器 人 技 术 有 着 密 切 的 关系 。 正 是 由 于 技 术 的 这 种 复 杂 性 导 致 了 机 器 人 形 式 多种 多 样 , 有 些 学 者 还 为 此 研 制 出 相 应 的 “ 机 器 人 选择 综 合 决 策 支 持 系 统 ” 5 。本 文 试 图 根 据 现 有 机 器 人 的 结 构 形 式 构 建 出 多 关节 工 业 机 器 人 的 通 用 体 系 结 构 原 型 , 为 机 器 人 设 计 、制 造 和 使 用 提 供 技 术 支 撑 。1 总 体 设 计工 业 机 器 人 的 总 体 结 构 类 型 可 分 为 直 角 坐 标 型 、圆 柱 坐 标 型 、 球 坐 标 型 和 关 节 型 四 种 。 其 中 , 由 于 关节 型 结 构 动 作 灵 活 , 操 作 机 占 地 面 积 小 , 具 有 较 大 的操 作 空 间 , 应 用 比 较 广 泛 , 因 此 , 本 文 也 主 要 以 多 关节 工 业 机 器 人 作 为 研 究 对 象 。从 通 用 体 系 结 构 的 角 度 来 看 , 多 关 节 机 器 人 应 该由 机 器 人 执 行 机 构 (操 作 机 )、 电 气 控 制 系 统 、 作 业环 境 以 及 人 机 接 口 等 部 分 组 成 , 如 图 1所 示 。2 通 用 结 构 设 计图 1 多 关 节 机 器 人 总 体 原 型机 器 人 操 作 机 运 动 构 件 一 般 使 用 高 强 度 铝 合 金 材料 制 成 , 目 的 是 为 了 减 小 运 动 部 件 质 量 , 并 尽 量 提 高刚 度 , 少 数 场 合 也 使 用 碳 纤 维 材 料 , 但 成 本 较 高 。在 机 器 人 中 从 驱 动 元 件 到 各 个 关 节 之 间 常 常 设 计有 机 械 传 动 链 , 并 且 一 般 通 过 连 杆 机 构 和 运 动 部 件 相连 。 在 驱 动 元 件 的 电 动 机 上 , 其 输 出 轴 一 般 联 接 行 星齿 轮 类 减 速 器 , 假 设 减 速 比 为 n ( n 1) , 则 输 出 力 矩增 大 了 而 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 负 载 转 动 惯 量 要除 以 这 有 利 于 提 高 驱 动 系 统 的 动 力 学 性 能 。 常用 的 减 速 器 有 正 齿 轮 、 锥 齿 轮 和 谐 波 齿 轮 等 。 当 传 动链 较 长 时 还 经 常 采 用 齿 形 带 传 动 、 低 摩 擦 链 传 动 和 钢丝 绳 传 动 等 。机 器 人 中 驱 动 元 件 安 装 方 式 分 关 节 直 接 驱 动 和 集中 式 间 接 驱 动 。 前 者 直 接 安 装 在 关 节 上 , 比 较 麻 烦 ,不 太 美 观 , 但 没 有 关 节 运 动 诱 导 现 象 ; 而 后 者 集 中 安装 在 机 器 人 某 个 空 间 位 置 , 布 局 比 较 合 理 、 结 构 优化 , 但 存 在 关 节 运 动 诱 导 行 为 , 必 须 通 过 控 制 软 件 进行 适 当 补 偿 。在 自 行 研 制 的 五 自 由 度 (腰 、 肩 、 肘 、 摆 腕 、旋 腕 ) 教 学 工 业 两 用 型 多 关 节 机 器 人 (中06 机 床 与 液 压 20051 金 项 目 : 江 苏 省 高 校 自 然 科 学 研 究 基 金 资 助 项 目 (99 用 了 集 中 驱 动 方 式 , 如 图 2所 示 。 图 中 1为 旋 腕 减速 器 , 2为 摆 腕 减 速 器 , 3为 腰 座 , 4为 上 臂 减 速 器 ,5为 前 臂 减 速 器 , 6为 电 动 手 指 , 7为 手 腕 , 8 、 10、11、 15、 16、 17为 齿 形 带 轮 , 9 为 套 , 12、 14 为 齿轮 , 13为 霍 尔 开 关 , 18为 胀 紧 轴 。 可 见 , 机 器 人 操作 机 以 腰 座 为 独 立 基 础 单 元 , 其 余 关 节 机 构 及 传 动 装置 均 置 于 腰 座 之 上 , 各 驱 动 元 件 (含 减 速 箱 ) 集 中置 于 下 臂 关 节 下 方 或 后 方 以 减 少 自 重 倾 覆 力 矩 和 运 动惯 量 , 并 且 结 构 紧 凑 , 便 于 电 气 布 线 。 各 自 由 度 分 别由 电 动 机 经 谐 波 齿 轮 1 100减 速 后 经 齿 轮 和 齿 形 带 传动 实 现 旋 转 。图 2 关 节 机 器 人 总 体 结 构具 体 的 传 动 链 如 下 :肩 关 节 : 减 速 箱 5 齿 轮 12 肩 关 节肘 关 节 : 减 速 箱 4 齿 轮 14 齿 形 带 轮16 齿 形 带 齿 形 带 轮 8 套 9 肘 关 节摆 腕 关 节 : 减 速 箱 2 齿 形 带 齿 形 带 轮11 齿 形 带 齿 形 带 轮 10 齿 形 带 摆 腕旋 腕 关 节 : 减 速 箱 1 齿 形 带 齿 形 带 轮15 齿 形 带 齿 形 带 轮 17 齿 形 带 旋 腕3 通 用 电 气 控 制 系 统 设 计机 器 人 电 气 控 制 系 统 结 构 一 般 都 是 多 工 作 的 分 级 控 制 方 式 , 可 以 配 有 专 用 控 制 语 言 或 通 用的 高 级 语 言 、 汇 编 语 言 等 。机 器 人 中 的 驱 动 元 件 一 般 采 用 交 流 伺 服 电 动 机 ,但 对 于 性 能 指 标 要 求 不 太 高 的 场 合 也 可 以 采 用 步 进 驱动 系 统 ; 对 于 重 型 或 要 求 防 爆 的 喷 漆 机 器 人 , 也 可 以采 用 电 气 液 压 驱 动 系 统 ; 对 于 要 求 快 速 动 作 的 冲 压上 、 下 料 机 器 人 , 经 常 采 用 气 压 驱 动 方 式 。机 器 人 运 动 轨 迹 可 分 为 点 位 控 制 方 式 、 轮 廓 控 制方 式 和 柔 顺 控 制 方 式 , 但 无 论 哪 一 种 类 型 都 是 要 求 控制 机 器 人 末 端 作 用 器 的 位 姿 (位 置 和 姿 势 )、 轨 迹 、速 度 和 加 速 度 。图 3 关 节 机 器 人 控 制 系 统在 器 人 设 计 过 程 中 , 基 于 上 述 思 路构 造 了 一 种 三 级 结 构 多 工 作 方 式 的 电 气 控制 系 统 6 , 如 图 3所 示 。 图 中 第 一 级 计 算 机 选 用 工 业级 嵌 入 式 主 要 完 成 机 器 人 路 径 规 划 、 正 向 运动 学 和 逆 向 运 动 学 的 计 算 , 然 后 把 计 算 结 果 通 过 32 口 送 给 下 一 级 计 算 机 。 第 二 级 计 算 机 一方 面 接 收 到 发 的 命 令 信 息 (如 示 教 方 式 、 自动 方 式 、 状 态 查 询 等 ) 或 各 关 节 旋 转 角 度 数 据 后 ,立 即 转 发 给 下 一 级 计 算 机 执 行 ; 另 一 方 面 它 还 具 有 独立 的 下 位 机 手 动 示 教 键 盘 接 口 功 能 。 第 三 级 计 算 机 通过 内 部 并 行 数 据 总 线 和 握 手 信 号 按 约 定 的 逻 辑 关 系 进行 数 据 通 信 , 它 主 要 接 收 上 一 级 计 算 机 发 来 的 命 令 和数 据 , 然 后 控 制 对 应 关 节 电 动 机 旋 转 相 应 的 角 度 , 驱动 机 器 人 手 指 到 达 所 要 求 的 位 置 。4 关 节 坐 标 系 及 其 运 动 学 方 程根 据 机 器 人 各 个 关 节 坐 标 系 和 广 义 连 杆 四 参 数( 1、 i - 1、 i ) 的 定 义 , 当 上 臂 和 前 臂 处 于 水平 状 态 时 , 自 由 度 多 关 节 机 器 人 运 动 学坐 标 系 如 图 4所 示 , 图 中 0 固 定 基 坐 标 系 ,1 腰 关 节 坐 标 系 , 2 肩 关 节 坐 标 系 ,3 肘 关 节 坐 标 系 , 4 摆 腕 关 节 坐 标 系 ,5 旋 腕 关 节 坐 标 系 , 器 人 末 端 作 用 器位 姿 坐 标 系 。图 4 器 人 运 动 学 坐 标 系现 将 机 器 人 各 关 节 连 杆 变 换 矩 阵 相 乘 , 求 得 其 末端 作 用 器 的 位 姿 矩 阵 , 整 理 得 :16 机 床 与 液 压 200515 =nx ox ax oy ay oz az 0 1=345 + 345 12 12 345 - 345 12 12 345 0 - 34 - 30 0 0 1式 中 : 1 + 2 ) , 以 此 类 推 ; 3 + 4 + 5 ) , 以 此 类 推 。可 见 , 在 处 理 器 人 正 向 运 动 学 时 ,只 要 将 各 关 节 旋 转 的 角 度 1、 2、 3、 4、 5 代入 上 式 中 右 边 表 达 式 , 就 可 求 得 末 端 作 用 器 位 姿 。 反之 , 对 于 逆 向 运 动 学 来 讲 就 是 已 知 上 式 中 左 边 表 达 式末 端 作 用 器 位 姿 , 然 后 求 得 各 个 关 节 应 该 旋 转 的 角 度值 。 显 然 , 正 向 运 动 学 的 解 是 唯 一 的 , 而 逆 向 运 动 学是 一 个 多 解 问 题 , 处 理 比 较 麻 烦 一 些 。5 通 信 和 软 件 系 统 设 计当 采 用 多 工 作 方 式 时 , 的 通信 问 题 非 常 关 键 , 并 且 要 求 制 订 相 应 的 通 信 协 议 。 对于 如 图 3所 示 电 气 控 制 系 统 来 讲 , 第 一 级 与 第 二 级 计算 机 之 间 可 以 采 用 串 行 通 信 的 方 式 , 例 如 232C、 485等 ; 而 第 二 级 与 第 三 级 之 间 可 以 采 用 并 行 通信 方 式 , 通 过 内 部 总 线 实 现 。 至 于 通 信 协 议 要 根 据 具体 情 况 自 行 约 定 。 例 如 , 关 节 机 器 人 中约 定 的 自 动 工 作 方 式 下 数 据 包 (共 32个 字 节 ) 格 式为 7 :R 腰 关 节 步 数 肩 关 节 步 数 肘 关 节 步 数摆 腕 关 节 步 数 旋 腕 关 节 步 数 指 关 节 步 数 机 器 人 控 制 软 件 要 涉 及 到 复 杂 的 运 动 学 计 算和 路 径 规 划 , 同 时 还 要 实 现 各 关 节 的 实 时 控 制 , 所 以选 用 的 软 件 环 境 要 有 针 对 性 。 一 般 情 况 下 , 复 杂 的 运动 学 处 理 和 友 好 的 人 机 交 互 界 面 比 较 适 合 采 用 高 级 语言 完 成 , 而 实 时 在 线 控 制 较 多 采 用 汇 编 语 言 实 现 。 这种 控 制 软 件 设 计 方 案 能 够 扬 长 避 短 , 具 有 一 定 的 通 用性 和 代 表 性 , 可 以 推 广 应 用 到 类 似 的 上 下 位 机 控 制 场合 。 为 了 便 于 高 、 低 级 语 言 的 混 合 编 程 , 建 议 选 用 +和 086汇 编 语 言 。 当 然 , 下 位 机 也 可 以使 用 51系 列 单 片 机 汇 编 语 言 实 现 各 关 节 的 控制 , 而 与 高 级 语 言 之 间 的 接 口 可 以 通 过 串 行 通 信 等 方式 来 完 成 。对 于 如 图 3所 示 的 电 气 控 制 系 统 来 讲 , 第 一 级 计算 机 采 用 + 610高 级 语 言 编 程 , 而 第 二 级 和 第三 级 计 算 机 采 用 了 单 片 机 汇 编 语 言 编 程 。6 小 结将 以 上 通 用 体 系 结 构 的 原 型 应 用 于 自 行 研 制 的 教学 工 业 两 用 型 多 关 节 机 器 人 的 设 计 过 程 中 , 获 得 了 较好 的 效 果 , 并 且 已 将 该 机 器 人 成 功 应 用 于 某 小 型 柔 性制 造 系 统 ( 和 课 程 教 学 过 程 中 。 同 时 , 这 种 通用 的 体 系 结 构 也 可 以 借 鉴 应 用 于 柱 型 机 器 人 或 简 单 机械 手 等 其 它 场 合 。 可 见 , 对 于 多 种 多 样 的 机 器 人 来讲 , 开 展 本 文 类 似 的 通 用 技 术 研 究 是 完 全 有 必 要 的 ,这 既 有 利 于 机 器 人 设 计 、 制 造 和 使 用 的 标 准 化 工 作 ,也 有 利 于 机 器 人 的 普 及 和 推 广 应 用 , 具 有 较 大 的 现 实意 义 。 另 外 , 在 本 文 的 基 础 上 也 可 以 进 一 步 开 展 可 移动 机 器 人 、 特 种 机 器 人 和 智 能 机 器 人 的 通 用 体 系 结 构的 研 究 工 作 。参 考 文 献【 1】 王 树 国 , 付 宜 利 1我 国 特 种 机 器 人 发 展 战 略 思 考 J 1自 动 化 学 报 , 2002 (增 刊 ) : 70 761【 2】 戴 先 中 121世 纪 非 制 造 业 自 动 化 的 发 展 与 特 种 机 器 人研 究 思 考 J 1自 动 化 学 报 , 2002 (增 刊 ) : 961021【 3】 张 伯 鹏 , 张 昆 , 徐 家 球 1机 器 人 工 程 基 础 M 1北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 19891【 4】 蔡 自 兴 1机 器 人 学 M 1北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ,20001【 5】 李 贇 , 徐 家 球 1机 器 人 选 择 综 合 决 策 支 持 系 统 J 1制 造 技 术 与 机 床 , 2001 (11) : 16 181【 6】 汪 木 兰 , 饶 华 球 等 1 器 人 电 气 控 制 系 统 设计 J 1组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 , 2003 (4) 1【 7】 徐 开 芸 , 饶 华 球 1多 关 节 机 器 人 实 用 通 信 系 统