飞机表面清洗机器人运动学建模和三维仿真研究

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 飞机表面清洗机器人运动学建模和 三维仿真研究 李景春1 ,2,武丽梅2,张国忠1 (1. 东北大学,辽宁 沈阳110004 ;2.沈阳航空工业学院,辽宁 沈阳110034 ) Research on the Kinematics of Modeling and Simulating of Aircrafts Surface Cleaning Robot LI Jingchun1,2,WULimei2,ZHANG Guozhong1 (1.Northeastern University ,Shenyang 110004 ,China;2. Shenyang Institute of Aeronautical Engineering , Shenyang 110034 ,China) 摘要:利用DH方法建立了飞机表面清洗机 器人工作装置的运动学模型,以Visual C + +为设计 语言,利用OpenG L对机器人自动轨迹规划进行了 的三维仿真。实现了机器人对线、 面区域的自动规 划的目标,并可以通过手控和自动控制实现对机器 人进行控制。 关键词:机器人;清洗车;建模;仿真 中图分类号:TH112 ;TP391 文献标识码:A 文章编号:10012257(2004)07001102 Abstract:Based on DenavitHartenberg method , a kinematics model ,which emulates the working equipment of aircrafts surface cleaning robot ,was built. correspond2 ing 3D automatic the planning of the motion path simula2 tion was finished through OpenG L graphic API and Visual C + + , and realized automatic the target planning of the motion path of robot in line and area ,and the robot can be controlled automatically or by hand. Key words :robot ;cleaning vehicle ; modeling;simu2 lation 收稿日期:20040510 0 引言 随着科学技术的不断发展,信息技术、 计算机技 术和控制技术等高新技术为工程机械的设计与研究 提供了先进的技术支持,智能化、 机器人化工程机械 已成为国内外工程机械的发展主要趋势。作者根据 我国的实际情况,借鉴国外的研究经验,研制出一种 可移动式飞机表面清洗机器人。 1 飞机表面清洗机器人工作原理 飞机表面清洗机器人由运输平台和安装在其上 的机器手组成1。 运输平台选用标准汽车底盘,可以自主驱动。 机器手由机器手臂、 液压系统和计算机控制系统等 组成。机器人的手臂由底座、 大臂、 二号臂、 三号臂、 四号臂、 小臂和执行工具滚刷组成,小臂和滚刷间由 腕关节联结。整个机器人可绕底座整周回转,机器 人各手臂在液压系统驱动下绕各自关节转动。清洗 时,机器人手臂带动滚刷按照预先编好的程序按沿 规划的路径运动,利用清洗刷的移动和滚动对飞机 表面进行清洗。由于机器人拥有冗余自由度,能够 自主灵活地完成各种复杂轨迹的运动,所以可以自 动完成对不同类型的飞机表面清洗工作。 2 机器人运动学模型的建立 描述机器人操作机上每一活动杆件在空间相对 于绝对坐标系或相对于机座坐标系的位置及姿态的 方程,称为机器人操作机的运动学方程,它是机器人 运动学分析和仿真的基础。我们采用DH矩阵法 得到5R机器人机构的运动学方程。 T= 0 T11T22T33T44T55T6= nxoxaxpx nyoyaypy nzozazpz 0001 其中 11机械与电子2004(7) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 0T1 = cos(1)- sin(1)00 sin(1)cos(1)00 0010 0001 , 1T 2= cos(2)- sin(2)00 0010 - sin(2)- cos(2)00 0001 , 2T3 = cos(3)- sin(3)0a2 sin(3)cos(3)00 0010 0001 , 3T4 = cos(4)- sin(4)0a3 sin(4)cos(4)00 0010 0001 , 4T5 = cos(5)- sin(5)0a5 sin(5)cos(5)00 0010 0001 , 等式右矩阵左上角的33旋转矩阵确定机器 人末端执行器在空间的姿态;矩阵第4列前3个参 数px, py, pz表示机器人末端执行器的空间位置。 3 机器人运动学模型的求解 当机器人的结构参数已确定(各杆杆长确定 ) , 若给定各运动关节中的运动参数(各臂间的伸缩角、 底座旋转角 ) , 就可以利用直接利用机器人运动学方 程直接计算出机器人终端在坐标系中的位置。这就 是所谓求解终端轨迹的运动学正解问题,也就是直 接位置问题。若给出机器人末端操作器在任务空间 的一个位置,求机器人对应着关节的角度是机器人 运动学反解问题,它是机器人的轨迹规划和控制的 基础。该机器人属于冗余度机器人,其末端操作器 在任务空间的一个位置对应着关节空间的无穷多 解,即机器人的运动学反解不唯一。 国内外许多学者提出了许多解决该问题的方 法,如代数法2、 几何法3、 迭代法4等,这些方法都 需要反复作图或者迭代求解非线性超越方程,求解 过程十分复杂且不容易收敛。近年来Miller5等人 应用CMAC(cerebellar model articulation controller)人 工神经网络模型对机器人控制进行了深入研究。但 因CMAC法需要较大内存问题而限制了其性能。 Kuperstein和Rubinstein于1989年采用BP网络实现 了机器人眼手协调控制6。BP网络的缺点是收敛 速度慢,一般不宜在微机上实现对于自由度较大机 器人仿真,实时性也不令人满意。RBF神经网络是 一种局部逼近网络,具有惟一最佳逼近的特性,且无 局部极小。文中利用RBF神经网络实现飞机清洗 机器人逆运动学的求解,该方法的求解速度、 精度完 全可以满足工业机器人的实时控制要求。 4 仿真实验 文中利用Visual C + + 6. 0成功求解了机器人 运动学的正逆解,并用OpenG L成功地实现了对机 器人运动轨迹的三维仿真,分析并检验了轨迹规划 的正确性与合理性。 仿真系统可实时地动态显示出机器人的空间状 态。若给出机器人的杆长、4个臂之间的伸缩角及 空间旋转角,程序可以自动计算出混凝土泵车布料 杆终端的坐标,即实现机器人位置的正解的仿真,如 图1a所示。若在先确定4个杆杆长的基础上,给出 机器人末端的位置,程序就可以自动计算出4个杆 最合理的伸缩角以及空间旋转角的大小,即实现机 器人位置逆解的仿真,如图1b所示。另外还可以对 机器人实现直线、 四边形平面等轨迹进行轨迹 规划仿真,如图1所示。 图1 机器人机构运动学正逆解的三维仿真实验结果 图2 机器人机构运动轨迹规划的三维仿真实验结果 21机械与电子2004(7) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 结束语 介绍了机器化飞机清洗车的工作原理,建立了 机器人手臂的运动学模型,并利用VC + +语言编程 求得了机器人的运动学正、 逆解,实现了从机器人工 作空间到关节空间的变换,利用OpenG L所完成的 轨迹规划仿真试验为机器人的控制奠定了基础。 参考文献: 1 李景春,等.国内外飞机表面清洗车的现状及发展趋势 J .专用汽车,2004 ,(2) :5 - 6. 2 Manocha D ,CannyJ F. Efficient inverse kinematicsfor gener2 al 6r manipulatorJ . IEEE Trans on Robotics and Automa2 tion ,1994 ,10(5) :648 - 657. 3 Featherstone R. Position and velocity transformation between robot endeffector coordinate and jointangleJ . The Interna2 tional Journal of Robotics Research ,1983 ,2(2) :35 - 45. 4 K orein J U ,Balder N I. Techniques for generating the goal directed motion of articulated structuresJ . IEEE Computer Graphics and Application ,1982 ,2(9) :71 - 81. 5 Miller W T. SensorBased control of robotic manipulators us2 ing general learning aAlgorithmJ . IEEE Robotics and Au2 tomation ,1987 ,4(2) :157 - 165. 6 Kuperstein M,Rubinstein J. Implementation of an adaptive neural controller for sensorymotor coordinationJ . IEEE Control Systems Magazine , 1989 ,9(3) :25 - 30. 7 蔡自兴.机器人学M.北京:清华大学出版社,2000. 8 费广正,乔林.Visual C + + 6. 0高级编程技术(OpenG L 篇) M.北京:中国铁道出版社,2000. 9 Williams AL.MFC技术内幕M.龚 波,等译.北京:机 械工业出版社,1999. 作者简介:李景春 (1972 - ) ,男,吉林长春人,东北大学机械 工程及自动化学院博士研究生,研究方向为机器人技术与应用;武丽 梅 (1963 - ) ,女,辽宁本溪人,东北大学机械工程及自动化学院副 教授,研究方向为机械设计及理论;张国忠 (1936 - ) ,男,山东寿光 人,东北大学机械工程及自动化学院教授,博士研究生导师,研究方 向为机械设计及理论、 车辆工程与设计。 基于旋量理论的可重构机器人运动学的研究 王 卓,赵 杰,王卫忠 (哈尔滨工业大学,黑龙江 哈尔滨150001) Kinematics Research of Reconfigurable Robots Based on the Screw Theory WANG Zhuo,ZHAO Jie,WANG Weizhong (Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001 ,China) 摘要:研究了可重构机器人的正、 逆运动学算 法,应用旋量理论和指数积公式法,而非较常用的D - H法建立运动学模型,得出了与机器人构型无关 的正运动学算法,并推导得到通用性较好的迭代计 算逆解的数值算法,通过基于实例进行Matlab编程 的实现,验证了算法的可行性。 关键词:可重构机器人;旋量理论;运动学;指数 积公式 中图分类号:TP242 文献标识码:A 文章编号:10012257(2004)07001305 收稿日期:20040509 Abstract :In this paper , the kinematics algorithmsof reconfigurable robots are studied.Based on the screw the2 ory ,a geometrics modeling method by means of product of exponentials formula is employed instead of the familiar D H method. Then the forward kinematics regardless of configurations