（机械电子工程专业论文）四自由度教学型机器人运动轨迹控制技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 机器人技术作为高科技的一个重要研究领域，普遍受到各国政府的重视，已 经成为制造业中不可缺少的重要装备和手段，同时也成为衡量一个国家制造业水 平和科技水平的重要标志。随着机器人技术的迅猛发展和广泛应用，各大中院校 陆续开展了机器人课程的教学，因此迫切需要对教学机器人的进行研究与开发。 本文针对四自由度教学型机器人机械本体，搭建了开放式运动控制系统平台，实 现了机器人绘图、写字等功能。 本文首先介绍了机器人机械组成、结构型式、驱动方式及传动机构，并重点 介绍了机器人的关节结构。针对四自由度教学型机器人要实现的功能，对执笔端 机械结构进行了一些改进，解决了其在图形绘制和写字过程中出现的脱离纸面和 划破纸张的问题。机器人工作空间是从几何方面讨论机器人的工作性能，工作空 间的大小、奇异位形和灵活性分别反映了机器人位姿输出空间运动学性能的不同 侧面。本文对机器人工作空间进行了分析，得到机器人灵活工作空间大小，并讨 论了各连杆长度对它们的影响。 机器人运动学分析是实现机器人运动控制的基础，本文运用d h 方法建立机 器人模型的连杆坐标系，对四自由度教学机器人的运动学进行分析，求解出运动 学逆解。并在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下，建立了四自由度教学型机器人运动学 仿真模型，给定空间平面内一个椭圆轨迹，采用适当插补算法进行轨迹运动控制， 仿真实验结果表明机器人运动学逆解的正确性。通过仿真模型中各关节传感器可 方便得到各关节运动情况。通过修改运动学逆解子模块中杆长参数进行仿真分析 可以得到杆长对关节运动的影响情况。 采用开放式两级递阶控制系统结构，搭建了四自由度教学型机器人的运动控 制系统平台。应用研华p c i l 2 4 0 四轴运动控制卡对各关节进行直接驱动控制，提 高了控制系统的稳定性，快速性和精确性。利用单片机作为下位机进行机器人位 姿反馈，并采用串口通信方式实现与上位p c 的通信功能。在此基础上，开发了四 自由度教学型机器人上位机控制系统软件，实现机器人绘图、写字、g 代码执行、 位姿反馈等功能。编写下位机的位姿反馈程序，实现与上位机实时通信功能，为 上位机轨迹运动控制提供了实时参考依据。 关键词：机器人，运动学，轨迹规划，运动控制 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tf i e l di nr e s e a r c h i n gh i g ht e c h n o l o g y ，r o b o t i c si sg e n e r a l l yp a i d a t t e n t i o nt ob yg o v e r n m e n t s 。i th a sb e c o m ea ni m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n t a n dm e a n si nt h em a n u f a c t u r i n gs e c t o ra n da l li m p o r t a n ts y m b o lm e a s u r i n gac o u r ! t r y t s t e c h n o l o g i c a l l e v e lo fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n d e x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fr o b o tt e c h n o l o g y , c o l l e g eh a sb e e nt e a c h i n gt h et e c h n o l o g yo f t h er o b o t i ti sa nu r g e n tn e e dt or e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h et e a c h i n gr o b o t i nt h i s p a p e r , a no p e np l a t f o r mf o rm o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sb u i l df o rt h et e a c h i n gr o b o t w i t h4 d e g r e eo ff r e e d o m i ta c h i e v e st h er o b o td r a w i n g ，w r i t i n ga n do t h e rf u n c t i o n s f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em e c h a n i c a lc o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r et y p e ，d r i v ea n d t r a n s m i s s i o no fr o b o ta n dt h es t r u c t u r eo ft h er o b o tj o i n t sp a r t i c u l a r l y i no r d e rt o a c h i e v et h ed e s i r ef u n c t i o n s s o m ei m p r o v e m e n t sa r em a d et ot h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e o fh o l d i n gp e ns ot h a ti ti sn o ta w a yf r o mo rl a c e r a t e st h ep a p e r t h ew o r k p l a c eo fr o b o t i sd i s c u s s e df r o mt h eg e o m e t r i cp r o p e r t i e so ft h er o b o t sw o r k , v o l u m ei n d e x 、s i n g u l a r p o s i t i o na n dd e x t e r i t yi n d i c e so ft h ew o r k s p a c er e f l e c t sd i f f e r e n ta s p e c t so fp o s i t i o n s a n dp o s t u r e s t h ep a p e rg e tt h ef l e x i b l ew o r k i n gs p a c eo fr o b o ti sg o tf r o mt h er o b o t w o r k s p a c ea n a l y s i s ，a n dd i s c u s s e dt h ei m p a c t o ft h el e n g t ho ft h ec o n n e c t i n gr o dt oi t k i n e m a t i ca n a l y s i si st h eb a s i so fa c h i e v i n gt h em o t i o nc o n t r 0 1o fr o b o t a f t e rt h e l i n kc o o r d i n a t es y s t e m so ft h er o b o ta r eb u i l tw i t ht h ed hm e t h o d ，t h ep a p e ra n a l y z e s t h ek i n e m a t i c so ft e a c h i n gr o b o tw i t h4d e g r e eo ff r e e d o ma n ds o l v e st h ei n v e r s e k i n e m a t i c s i nt h em a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o n m o d e lo ft e a c h i n gr o b o tw i t h4d e g r e eo ff r e e d o mi sb u i l t ，g i v e nap l a n ee l l i p t i c a l t r a j e c t o r yi ns p a c e ，u s ea p p r o p r i a t ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mt oa c h i e v et r a j e c t o r ym o t i o n c o n t r 0 1 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ei n v e r s ek i n e m a t i c so fr o b o ti sc o r r e c t t h es t a t eo fm o v e m e n to ft h ej o i n t sc a ne a s i l yb ek n o w nt h r o u g ht h ej o i n ts e n s o r st h e i n v e r s ek i n e m a t i c sb ym o d i f y i n gt h ep a r a m e t e r so fs u b m o d u l er o b o ts i m u l a t i o n a n a l y s i so fd i f f e r e n tl e n g t hi n t h es a m et r a c kt h em o v e m e n to ft h ei m p a c to fj o i n t m o v e m e n t t h ei n f l u e n c eo fl i n kl e n g t hc a nb eg o tb ym o d i f y i n gt h ep a r a m e t e r so fl i n k l e n g t hi ni n v e r s ek i n e m a t i c sm o d u l e b u i l d i n gt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mp l a t f o r mo ft e a c h i n gr o b o t w i t hf o u rd e g r e eo f f r e e d o mu s i n gt h eo p e nt w oh i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e t h ea p p l i c a t i o no f i i 重庆大学硕士兰垡笙奎 茎奎垫至 p c i l 2 4 0f o u ra x e sm o t i o nc o n t r o lc a r do fa d v a n t e c ht od i r e c td r i v ec o n t r o lt h ej o i n t i m p r o v e st h ec o n t r o ls y s t e ms t a b i l i t y , s p e e da n da c c u r a c yu s e t h es i n g l e c h i pm a c h i n e 嬲t h ep o s i t i o na n dp o s t u r ef e e d b a c ko fr o b o ta n da c h i e v et h e f u n c t i o nw i t ht h eh o s t p c sc o m m u n i c a t i o n sb yt h ew a yo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n o nt h eb a s i so fa b o v e i n v e s t i g a t i o n s ，t h e ，t h es o f t w a r ef o rc o n t r o ls y s t e mo ft e a c h i n gr o b o t w i t h4d e g r e eo f 丘e e d o mo np ch a sb e e nd e v e l o p e dw h i c hh a sa c h i e v e dt h ef u n c t i o ns u c ha sd r a w i n g ， 、 砸t i n g ，gc o d ee x e c u t i o n ，f e e d b a c ko fp o s i t i o na n dp o s t u r e t h ep r o g r a mf o rf e e d b a c k o fp o s i t i o na n dp o s t u r ei sw r i t t e na n dt h ef u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o nw i t hh o s tp c i s a c h i e v e dw h i c hp r o v i d er e a l t i m er e f e r e n c ef o rm o t i o nc o n t r o lo n h o s tp c k e y w o r d s ：r o b o t ，k i n e m a t i c s ，t r a j e c t o r yp l a n n i n g ，m o t i o nc o n t r o l i l l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的球士学位论文垴昏埘垃簿型率滥如主参私照坤企袱 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：佧瓢 导师签名： 签字日期：加7 ，厂- ， 辩醐7 一厂 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 瓢竞震尹誓李篡黠羔篝笔箍蹙钱凝瓣雹毳辫刊( 光盘版) 电子杂志社( c n i ( i ) 在中国博士学位论文全文数据库锣列中。国忧秀礴 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入g l 娜l ： i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 苄蘑翟l 导师签 备注s 审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 机器人作为现代制造业的主要自动化装备，己经广泛应用于汽车、摩托车、 工程机械、电子电器等行业，并且随着电子技术，智能控制，新能源等关键技术 的发展，机器人的应用将越来越广泛【l 】。尤其近年来，军事、空间技术、核废料处 理以及水下探险等技术领域发展的迫切需求，引起了各国政府对机器人研究的重 视，同时也激发了各国科学家们的研究热情。近十年来，以日、美、德为代表的 发达国家，不断地推出惊人的研究成果【2 】。我国政府对机器人的研究也非常重视， 早在“七五 期间就开始对工业机器人攻关，并取得了一定的成绩。在1 9 8 6 年启 动了国家高技术计划( 8 6 3 计划) ，设立了机器人技术主题，它的任务就是研究开发 先进的机器人系统。 机器人技术的广泛应用和迅速发展使得各大中专院校开展机器人相关课程的 教学，有些高校还购买了一些机器人作为教学演示。但目前实际应用的机器人的 控制器基本上都是采用专用计算机、专用操作系统、专用机器人语言来开发的， 结构封闭，表现出开放性差、软件独立性差、扩展性差、缺少网络功能等缺点【3 】。 而目前得到广泛研究的开放式控制器则可以有效的解决这些问题。与以前的封闭 式机器人控制器相比，开放式机器人控制器则具有很多适应现代自动化生产的特 点。首先，可以方便的集成传感器等硬件，增强机器人的柔性和灵活性。其次， 在开放式机器人控制环境下，可以实现离线编程，从而可以提高编程效率和精度， 提高安全性和可靠性降引。 “十五”期间，梁锡昌老师承担的“一种多螺旋式新型通用关节的研究 课 题，就是来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 先进制造及自动化技术领域中 机器人技术主题关键技术的攻关项目，目的是开发出一种新型的通用的、尺寸小、 力矩大的能够用于机器人腰部和手臂的关节【9 】。本课题就是在应用这种新型关节搭 建的机器人的机械平台上进行研究，其目的就是开发一种性价比高、易于维护， 扩展性好、并采用开放式结构的教学型机器人。 四自由度教学型机器人在结构类型的与目前应用较广泛的搬运、焊接，雕刻 等机器人相似。在运动控制上，可以实现点位运动和连续轨迹运动。在功能上实 现了图形绘制、写字、批命令执行等功能，因此它对学生认识和了解机器人具有 很大的帮助。并且这种机器人具有性价比高，易于维护等特点，开放式的控制结 构也方便进行二次开发，可以作为教学机器人为大中专院校、职业培训技术机构 提供教学演示。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 机器人运动学分析的研究现状 机器人运动学分析是机器人轨迹规划和控制的基础，因此，机器人运动学的研 究对机器人的设计和控制至关重要的意义。运动学问题研究机械手末端执行器( 即 手部) 相对参考坐标系的位置、姿态和速度与各关节变量间的关系。分析求解时， 一般分为正运动学与逆运动学两个问题来研究。正运动学问题是已知各关节的位 置和速度确定末端执行器的位置、姿态和速度；反之，已知机器人末端执行器相 对参考坐标系的位姿，求解各关节变量称为运动学逆问题l l 训。 由于运动学正问题在机器人控制过程中一般只用作反馈时获取端执行器的姿 态，实际应用中意义不大，而且正问题只有唯一解，求解计算也比较简单，所以 在运动学分析中一般重点讨论和研究运动学逆问题。运动学逆问题比正问题复杂 得多，主要表现在逆解的存在性和唯一性，存在性决定机器人的操作空间，逆解 一般来说是非唯一。 机器人的运动学方程是一组非线性方程，目前没有通用的解法，主要有p a u l 提出的反变换法( 也称代数法) 【1 1 1 ，l e e 和z i e g l e r 的几何法【1 2 】【1 3 】，数值解法【1 4 1 ， 前两种解法的具体步骤和最终公式，以机器人的具体结构而异，后一种解法是目 前人们寻求位姿逆解的通解而得到的方法，但由于计算量大，计算时间往往不能 满足实时控制的要求，所以这一方法目前只有理论意义。目前常用的是代数法， 即主要是利用齐次坐标变换矩阵方法将位置和姿态统一描述，该法思路清晰，但 运算速度较慢，随着机器人机构自由度的增加给运动学逆问题的讨论带来很多不 便。只要末端连杆坐标系的位置和姿态位于机器人的可达空间，则运动学方程至 少有一个解存在，但在可达空间内，有一部分是灵活工作空间，即机器人的末端 不但可以达到，而且可具有任意姿态。因此，运动学方程有可能出现重解，一般 地说，不为零的连杆参数越多，解的个数越多。 对6 r 机器人，当其几何结构满足p i e p e r 准则，即3 个相邻关节轴交于一点或 者3 个相邻关节轴相互平行时，可以采用封闭解法【l5 】求解逆运动学问题，p u m a 5 6 0 等广泛使用的工业机器人均采用这种结构对于满足p i e p e r 准则但又存在结构误 差的6 r 机器人，通常采用补偿算法修正结构误差对逆运动学解的影响，然而补偿 算法都针对特定的机器人系统，通用性和实时性无法保证当6 r 机器人的几何结 构不满足p i e p e r 准则时，成为一般6 r 机器人，其逆运动学问题是机器人领域密切 关注的难题 16 2 1 1 。r a g h a v a n 和r o t h 通过矢量运算由6 个逆运动学等式构造1 4 个 基础方程【l7 1 ，消元运算后得到一元2 4 次方程，求出最多1 6 组逆运动学解，但存在 8 个增根。m a n o c h a 采用2 4 阶矩阵特征分解方法对r a g h a v a n 的算法进行改进【l7 1 ，提 高了逆运动学解算的稳定性和精度。文献 1 8 ，1 9 为解决空间7 r 机构的位移分析难 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 题，分别采用复数方法和矩阵运算构造l o 个基础方程，进而得到一元1 6 次方程，消 除了增根，两种方法对一般6 r 机器人的逆运动学求解具有借鉴意义。 目前，国内有人提出一套解决各类6 r 机器人逆运动学问题的组合算法采用 封闭解法求解满足p i e p e r 准则的6 r 机器人的逆运动学问题。 一般算法通过矢量 计算和符号运算将m a n o e h a 得到的目标矩阵从2 4 阶降低到1 6 阶，并以矩阵特征 分解方法提高一般6 r 机器人逆运动学求解的效率和稳定性。将封闭解法和一般算 法分别与牛顿拉夫森迭代算法【2 2 】组合，解决满足p i e p e r 准则但又存在结构误差的 6 r 机器人和不满足一般算法条件的一般6 r 机器人的逆运动学问题，具有通用和 高效的特点。逆运动学方程求解是一个机器人系统的关键技术，一直受到广泛的 关注，仍然是当今的一个研究热点。 1 2 2 机器人轨迹规划的研究现状 机器人轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点的位移、速 度和加速度。机器人在作业空间要完成给定的任务，其手部运动必须按一定的轨 迹进行。轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到 关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进 行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。机器人轨 迹规划属于机器人底层规划，基本上不涉及人工智能问题，而是在机器人运动学 和动力学的基础上，讨论在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动的轨迹规划和轨 迹生成方法。 轨迹规划既可在关节空间也可在笛卡尔空间进行，目前在笛卡尔空间进行轨 迹规划，主要是采用模拟c p 控制，即采用一系列离散的点去逼近目标轨迹，相应 于这些点对应的关节坐标可用运动学逆问题求解得。因为对于cp 控制，不可能把 空间轨迹的所有点都示教一遍，让机器人记住，因为这样太繁琐也浪费许多计算 机内存。对有规律的轨迹，只需给定几个特征点( 如直线需要给定两点，圆弧需 要给定三点) ，计算机就能利用插补算法获得中间点的坐标。求中间点的方法有： 引入时间驱动函数求两点间的中间点【2 3 。2 4 】；引入螺旋理论求两点间的中间点【2 5 】； 直线插值和圆弧插值陋2 8 1 。t a y l o r 的笛卡尔路径控制法【2 9 】是文献 2 3 方法的改进， 但使用四元数表示转动。这种方法简便，而且给出更均匀的旋转运动。不过，它 需要相当多的实时计算，并易使机器人手臂形态退化。 在关节空间进行规划，大量的工作是对关节变量进行插值运算。常用的关节 空间规划方法有以下几种：线性插值【3 们，它是最简单最常用的插值运算，但不 满足速度和加速度连续的要求；用抛物线过渡的线性插值【3 0 】，它规划出的轨迹 曲线不唯一；b 样条曲线插值【3 1 3 4 1 ，多应用于生成机器人的复杂轨迹，它有统一 的表达式，b 样条所有的系数为常数，所以计算量小，但它难保证各关节运动速度 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 恒定；多项式( 三次多项式高阶多项式) 插值【3 5 。3 9 】，是常用的轨迹规划方法， 满足速度和加速度连续的要求，且表达式容易产生，但它产生波动问题明显，这 可能引起机械手手部碰撞物体。 在笛卡尔空间进行轨迹规划的优点是在概念上直观，而且沿预定路径可到达 相当的准确性。但需要在笛卡尔坐标和关节坐标之间进行实时变换，这是个计算 量很大的任务，导致很长的控制间隔，不能满足轨迹规划实时进行。关节空间法 不必在直角坐标系中描述两个路径点之间的路径形状，直接对运动时的受控变量 进行规划轨迹，计算简单，容易，运动也较平稳。但由于关节空间与直角坐标系 之间并不是连续的对应关系，因而不会发生机构的奇异性问题。 1 2 3 机器人控制理论与算法研究现状 机器人控制系统的作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制，完成 作业的各种动作。控制系统的性能在很大程度上决定了机器人的性能。一个良好 的控制系统要有灵活、方便的操作方式，各种形式的运动控制方式和安全可靠性。 工业机器人的控制系统一般分为上下两个控制层次：上级为组织级，其任务是将 期望的任务转化成运动轨迹或适当的操作，并随时检测机器人各部分的运动及工 作情况，处理意外事件；下级为实时控制级、它根据机器人动力学特性及机器人 当前运动情况，综合出适当的控制命令，驱动机器人机构完成指定的运动和操作。 为了实现机器人期望运动的伺服控制，需要规定一种算法，计算出每个关节 的驱动力矩。根据机器人轨迹规划的结果( 关节位置、速度、加速度) ，可以用机器 人动力学模型计算出这个驱动力矩，实现各关节的伺服控制。但由于机器人是个 非线性、强耦合的动力学系统，用一般的伺服技术有时根本无法满足要求，经典 控制理论和现代控制理论都不能照搬使用。因此，关于机器人的控制问题引起了 技术界的广泛研究，但到目前为止，机器人控制理论还不完整、不系统1 4 引。 目前用于机器人控制的方法多种多样，不仅传统的控制技术( 如开环控制、p i d 反馈控制) 和现代控制技术( 如最优控制、解耦控制、变结构控制【4 3 】、自适应控制【4 4 1 、 神经元控制【4 5 】等) 均在机器人系统中得到不同程度的应用，而且智能控制( 如递阶控 制、模糊控制、神经元控制) 也在机器人控制上最先得到应用。目前在机器人的控 制中最常用的是位置控制和力矩控制。机器人位置控制的目的就是要使机器人的 各关节或末端执行器的位姿能够以理想的动态品质跟踪给定轨迹或稳定在指定的 位姿上。当其末端执行器与环境之间存在力的作用，且环境中的各种因素不确定， 此时仅使用轨迹控制就不能满足要求。执行这些任务时必须让机器人末端执行器 沿着预定的轨迹运动，同时提供必要的力使它能克服环境中的阻力或符合工作环 境的要求。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 3 论文的主要内容与结构 目前，教学机器人系统作为一种最为典型的机电一体化产品，日益受到人们 的青睐，它是专门为大中专院校、职业培训技术机构教学实验目的而设计的高精 度多自由度机器人。但由于很多教学机器人采用封闭式结构，扩展性差，维修不 便，价格昂贵等缺点，急切需要一种开放式结构，扩展性好，性价比高的教学机 器人，本文在梁锡昌老师所设计四自由度的机器人机械结构的基础上进行了运动 控制研究，主要内容包括：机械结构改进及其工作空间分析、四自由度机器人运 动学分析；轨迹规划与运动仿真分析；控制系统设计和软件开发。 基于上述研究内容，本论文的组织结构如下： 第二章：介绍了机器人组成和机械结构，分析了几种结构形式的机器人的优缺 点，并对所研究的四自度教学型机器人结构及关节结构进行了详细介绍，除此之 外，还用图解法分析了我们设计的机器人的工作空间大小、奇异位形和杆长对工 作空间的影响。 第三章：先介绍机器人运动学分析的数学工具齐次坐标变换，然后详细叙述了 建立连杆坐标系的d h 法。在此理论基础上，对四自度教学型机器人进行了运动 学正逆问题分析，为了在后面仿真试验中，验证机器人运动学逆解的正确性，我 们在m a t l a b 中建立机器人逆运动学子模型，并进行参数化封装，这是机器人运动 轨迹仿真分析的基础子模型。 第四章：先介绍了轨迹规划的概念和涉及的相关问题，然后详述了机器人轨 迹插值的方法，重点介绍了在笛卡尔空间进行轨迹规划的常用插值方法。最后在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下，利用s i m m e c h a n i c s 工具箱建立写字机器人的运动学 分析模型，规划出空间平面内的一个椭圆轨迹，通过仿真分析验正了运动学逆解 的正确性。 第五章：采用开放式两级递阶控制系统结构和应用研华p c i l 2 4 0 四轴运动控 制卡成功实现了四自由度教学型机器人的运动控制。开发出四自由度教学型机器 人上位机控制系统软件，实现了机器人绘图、写字、批处理、位姿反馈等功能。 设计了机器人位姿反馈系统软件，实现了与上位机实时通信功能，为上位机轨迹 运动控制提供了参考依据。 5 重庆大学硕士学位论文 2 机器人结构及其工作空间 2 机器人结构及其工作空间 一个机器人所具备的功能在本质上是由其机械部分、传感部分、控制部分内 部集成所决定的。如图2 1 所示，通常将机器人系统分为驱动系统、机械结构系统、 感受系统、机器人一环境交互系统、人一机交互系统、控制系统等六个子系统【4 6 】。 本章主要介绍和分析所研究机器人的机械结构。 2 1 机器人的机械结构系统 机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成，如图2 2 所示。 每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若机身具备行走机构 便构成行走机器人；若机身不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂。手臂机 构是整个机器人机械系统最主要的组成部分，反映了整个机器人机械系统的主要 结构特征【4 7 】。机器人手臂部分的主要功能，是使机器人能达到空间指定位置，一 般需要有三个自由度。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装 在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、 焊具等作业工具。 感 受 系 统 人一机交互系统 控制系统 驱动系统 机器人环境交互系统 图2 1 机器人的基本组成 f i g 2 1t h eb a s i cc o m p o s i t i o no f t h er o b o t 作署 图2 2 机器人机械结构三大件 f i g 2 23c o m p o n e n t s m e c h a n i c a ls 仃u d 胁o f r o b o t 2 1 1 机器人的结构形式 机器人按结构形式可分为关节型机器人和非关节型机器人两大类，由各种关 节按不同的配置方法可组合成结构类型各异的机器人，其坐标形式也各不一样， 6 重庆大学硕士学位论文2 机器人结构及其工作空间 通常关节机器人依据坐标形式的不同可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型 以及关节坐标型【4 6 1 。 直角坐标型机器人 直角坐标型机器人是最简单的关节型机器人，如图2 3 所示，其3 个关节皆为 主动式移动关节( p p p 型) ，因此有3 个自由度，通过3 个互相垂直的轴线位移来改 变手部的空间位置。直角坐标型机器人易于实现高定位精度，空间轨迹易于求解， 但当具有相同的工作空间时，机体所占空间体积是机器人中最大的。 图2 3 直角坐标机器人 f i g 2 3c a r t e s i a nc o o r d i n a t er o b o t 图2 4 圆柱坐标机器人 f i g 2 4c y l i n d r i c a lr o b o t 圆柱坐标型机器人 这种机器人通过两个移动和一个转动( p p r ) 实现手部空间位置的改变，圆柱坐 标型机器人的位置精度仅次于直角坐标型，控制简单，避障性好，但结构也较庞 大，难与其他机器人协调工作，两个移动轴的设计较复杂。 球坐标型机器人 图2 5 球坐标机器人 f i g 2 5s p h e r i c a lc o o r d i n a t e sr o b o t 7 图2 6 关节坐标型机器人 f i g 2 6r o b o tw i t hj o i n tc o o r d i n a t e s 重庆大学硕士学位论文2 机器人结构及其工作空间 这类机器人手臂的运动由一个直线运动和两个转动( r r y ) 所组成，如图2 5 所示，即沿手臂方向父的伸缩，绕y 轴的俯仰和绕z 轴的回转。这类机器人占地 面积较小，结构紧凑，位置精度尚可，能与其他机器人协调工作，重量较轻，但 避障性差，有平衡问题，位置误差与臂长有关。 关节坐标型机器人 关节坐标型机器人主要由立柱、前臂和后臂组成( 如图2 6 所示) ，机器人的 运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑，灵活性大，占地面积 最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，避障性好，但位置精度较低， 有平衡问题，控制存在在耦合，故比较复杂，这种机器人目前应用得最多。 2 2 驱动系统及传动机构 2 2 1 驱动方式 机器人关节的驱动方式有电动式、液压式和气动式，还有近年来出现的新型 动器，如形状记忆合金( s m a ) 驱动器。目前常用的驱动方式及特点如下【4 6 】： 气压驱动式 气压驱动是采用压缩空气来驱动执行机构。这种驱动方式的优点是空气来源 方使，动作迅速，结构简单，造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，致使 工作速度的稳定性较差。因为气压驱动一般压力不大，故这类驱动方式只适宜抓 举力要求较小的场合。 液压动式 相对于气压驱动，液压驱动的机器人具有大得多的抓举能力，可高达上百千克。 液力驱动式机器人结构紧凑，传动平稳且动作灵敏，但对密封的要求较高，且不 宜在高温或低温的场合工作，要求的制造精度较高，成本较高。 电力驱动式 电力驱动具有无环境污染，易于控制，运动精度高，成本低，驱动效率高等优 点，其应用最为广泛。电力驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过 减速机构驱动机器人，以获得所需的位置、速度、加速度。它可以运用多种灵活 的控制方法，是目前最易控制的驱动方式。 新型驱动方式 伴随着机器人技术的发展，出现了利用新的上作原理制造的新型驱动器，如 静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光驱动器等。 2 2 2 常用传动机构 由于机器人广泛应用电力驱动，因此也常需要采用传动机构对其进行减速以 达到机器人关节低转速、大力矩的要求。常用驱动方式如下： 8 重庆大学硕士学位论文 2 机器人结构及其工作空间 在机器人齿轮传动机构中较常用的是行星齿轮传动机构和谐波传动机构。 电动机是高转速、小力矩的驱动器，而机器人通常却要求低转速、大力矩，因此， 常用行星齿轮传动机构和谐波传动机构减速器来完成速度和力矩的变换与调节。 行星齿轮传动尺寸小，惯量低；一级传动比大，结构紧凑；载荷分布在若干 个行星齿轮上，内齿轮也具有较高的承载能力。 谐波传动具有大减速比，同轴线好，响应快，体积小，重量小，回差小，转 矩大等优点，适用于各种关节；目前谐波传动在机器人上获得比行星齿轮传动更 加广泛的应用。 滚动丝杆传动减速比大，刚度好，精度高，无回差，效率高，可实现运动 方式的改变，一般适用于直线驱动关节。 带传动和链传动用于传递平行轴之间的回转运动，或把回转运动转换成直 线运动。机器人中的带传动和链传动分别通过带轮或链轮传递回转运动，有时还 用来驱动平行轴之间的小齿轮。 绳传动与钢带传动 绳传动广泛应用于机器人的手爪开合传动，特别适合有限行程的运动传递。 绳传动的主要优点是：钢丝绳强度大，各方向上的柔软性好，尺寸小，加载后有 可能消除传动间隙。 绳传动的主要缺点是：不加预载时存在传动间隙；因为绳索的蛹变和索夹的 松弛使传动不稳定；多层缠绕后，在内层绳索及支承中损耗能量：效率低；易积 尘垢。 钢带传动的优点是传动比精确，传动件质量小，惯量小，传动参数稳定柔性 好，不需润滑，强度高。 杆、连杆与凸轮传动 重复完成简单动作的搬运机器人( 固定程序机器人) 中广泛采用杆、连杆与凸轮 机构【9 1 。连杆机构的特点是用简单的机构可得到较大的位移，而凸轮机构具有设计 灵活，可靠性高和形式多样等特点，外凸轮机构是最常见的机构，它借助于弹簧 可得到较好的高速性能；内凸轮驱动时要求有一定的间隙，其高速性能劣于前者； 圆柱凸轮用于驱动摆杆，而摆杆在与凸轮回转方向平行的面内摆动。设计凸轮机 构时，应选用适应大负载的凸轮曲线( 修正梯形和修正正弦曲线等) 。 流体传动 流体传动分为液压传动和气压传动。液压传动由液压泵、液压马达或液压缸 组成，可得到高扭矩一惯性比。气压传动比其他传动运动精度差，但由于容易达 到高速，多数用在完成简易作业的搬运机器人上。液压、气压传动中，模块化和 小型化的机构较易得到应用。例如，驱动机器人端部手爪上由多个伸缩动作气缸 9 重庆大学硕士学位论文 2 机器人结构及其工作空间 集成的内装式移动模块；气缸与基座或滑台一体化设计，并由滚动导轨引导移动 支承在转动部分的基座和滑台内的后置式模块等n 近几年电机制造技术飞速发展在机器人工业中出现了不要减速器而由电机 直接驱动的手臂即d d 臂。 23 四自由度教学型机器人 2 3 1 四自由度教学型机器人结构 本课题所研究的机器人为文献【5 6 设计一个四自由度的教学型机器人，其机械 结构如图27 所示，按机械结构的坐标形式分，它属于典型关节型机器人。四个关 节采用步进电机作为驱动方式，传动机构采用谐波减速器，其传动都为1 ：8 0 左 右，因此可以获得较大的力矩和单脉冲精度。 国27 四自度教学型机器人结构 f i g27 t h es u c m no f t h e t e a c h i n gr o b o t w i t h f o u r d e g r e e 第一关节采用电谐纵关节，转角范围：t ：3 6 0 。，第二关节和第三关节用电谐横关 节，转角范围9 0 。一1 8 0 ，第四关节所用电谐横关节，转角范m 4 5 。1 3 56 ，各关节 的电谐横关节除尺寸和输出接头的位置不同外，其它结构完全相同。 232 四自由度教学型机器人关节 机器人是由一系列连杆通过旋转或移动关节相互连接组成的多自由度机构。 关节的结构、重量和动力载荷，直接影响机器人的结构、重量和性能，因此在关 重庆大学硕士学位论文2 机器人结构及其工作空间 节设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。尤其对多自由度及驱动力较大的腕关节， 结构设计矛盾最突出。 现有机器人关节主要针对某一特定功能的机器人而设计，没有通用性可言， 而且普遍结构尺寸偏大。为此，我们设计了两种以谐波减速器为传动机构的电机 驱动关节h o 】【4 l 】。谐波减速器是目前用于机器人关节传动的主要装置，其主要优点 是传动比大、运转平稳、结构简单、传动效率高，是一种比较理想的传动装置。 电谐纵关节 机器人电谐纵关节结构如图2 8 所示，其主要由上套，上接套，下套，下接套 组成。步进电机装在下套内，其输出轴经谐波减速器减速后将运动传给上接套。 谐波减速器装在上套内，由于上套和上接套之间存在相对运动，为减小其摩擦， 采用滚动轴承配合。上套和下套用螺栓联接，便于步进电机和其安装和谐波减速 器拆卸。 l 、下接套2 、下套3 、螺钉4 、套5 、平键6 、螺钉7 、上套8 、轴9 、上接套1 0 、滚动轴 承1 1 、挡圈1 2 、密封圈1 3 、弹簧圈1 4 、调整圈 图2 8 电谐纵关节结构示意图 f i g 2 8t h es 仃u c h l r eo fe l e c t r i ch a r m o n i cl o n g i t u d i n a lj o i n t s 电谐横关节 机器人电谐横关节结构如图2 9 所示，步进电机装在滚动轴承内圈中，上接口 与滚动轴承外圈联接，下接口与滚动轴承内圈联接。在加工前，为使零件的装配 性更好，我们做了改进。在开始设计时，上接口如图2 3 a ，它通过粘接的方式固 定在谐波减速器的钢轮的端面上，为保证上接口和谐波减速器同心，要求两端面 间的粘胶均匀涂抹，这样使得装配要求很高。改进方案：如图2 3 b ，改由6 6 的孔 为巾5 5 ，并在这台阶上钻两个销孔、三个螺钉孔，它们同谐波减速器的钢轮上的 重庆大学硕士学位论文2 机器人结构及其工作空间 销孔和螺钉孔配合。这样，就可用销定位螺纹连接上接口和谐波减速器的钢轮。 为使整个关节的外形更美，改尺寸由6 9 为巾7 0 ( 谐波减速器的钢轮的外径为巾7 0 ) 。 b a - a 截丽 b 1 、上接口2 、螺钉3 、接套4 、滚动轴承外圈5 、隔离圈6 、滚动轴承内圈7 、盖8 、螺钉 9 、平键1 0 、套1 1 、螺钉1 2 、谐波减速器1 3 、销1 4 、衬套1 5 、螺钉1 6 、铆钉1 7 、 下接口1 8 、螺钉1 9 、滚动轴承2 0 、步进电机 图2 9 电谐横关节结构示意图 f i g 2 9t h es 仃u c t i l r eo fe l e c t r i ch a r m o n i ch o r i z o n t a lj o i n t s l 一 a 修改前的电谐横关节上接口b 修改后的电谐横关节上接口 图2 1 0 改进前后的电谐横关节上接口 f i g 2 1 0t h ep a r to fe l e c t r i c a lj o i n ti m p r o v e d 2 3 3 执笔端机械结构改进 由于机器人在绘图、写字等运动过程中，笔与