（控制理论与控制工程专业论文）通用型遥操作主手控制器的研究.pdf

山末科技大学顺士学位论文摘要 摘要 遥操作机器人由于可以代替人在极限环境下进行作业而受到越来越多的重视和研 究，通用型主手对于提高遥操作机器人的操作性能和工作效率具有十分重要的意义。本 论文以山东科技大学机器人研究中心承担的国家8 6 3 计划课题“配电作业带电作业机器 人”为立项背景，对遥操作机器人主手控制系统进行研究，设计了一通用型主手控制器， 和主手本体构成通用型主手，可应用于各种遥操作机器人。作者首先对遥操作机器人主 手的结构型式和双向力反应的实现进行了分析，指出现有主手的优缺点，给出了主手的 设计准则，据此确定了主手控制器的设计方案。根据设计要求，选用带有微处理器的u s b 接口控制芯片一- - e z u s b 进行主手控制器的硬件电路设计，采用u s b 和r s 一2 3 2 c 两种方 式与主机通信。论文中具体介绍了数据采集电路、u s b 接口电路的设计，定义了主手控 制器数据传输格式，对固件程序、u s b 驱动程序体系结构、设备驱动程序、主机端应用 程序进行分析和设计，最后对设计的主手控制器进行调试，测出了主手控制器的采集一 传输速率。实验表明，主手控制器的功能全部实现，传输速率满足使用要求。 关键词：遥操作机器人，通用型主手，双向力反应，主手控制器，通用串行总线 固件，设备驱动 山东科技大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t e l e r o b o th a sb e e ng i v e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n dr e s e a r c hb e c a u s ei tc a l lr e p l a c e h u m a ni nd a n g e r o u se n v i r o n m e n t u n i v e r s a lm a s t e rm a n i p u l a t o rc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c e a n dw o r ke f f i c i e n c y t h eb a c k g r o u n do ft h i sp a p e ri ss t a t e8 6 3p r o g r a m h o tl i n er o b o tt h a tw a s t a k e no nb yr o b o tr e s e a r c hc e n t e ro fs h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y a f t e r d e t a i l e d u n d e r s t a n d i n g c o n t r o l s y s t e mo fm a s t e rm a n i p u l a t o r , w ed e s i g n e d am a s t e r c o n t r o l l e r m a s t e r m a n i p u l a t o r i t s e l fa n dm a s t e r - c o n t r o l l e r b u f f d u p u n i v e r s a lm a s t e r m a n i p u l a t o r i tc a nc o n t r o le v e r ys l a v em a n i p u l a t o r w r i t e rf i r s ta n a l y z e dt h es t r u c t u r eo f m a s t e r m a n i p u l a t o r a n db i l a t e r a lf o r c e r e s p o n s e , p o i n t e d o u ti t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s ，i n d i c a t e d t h e d e s i g np r i n c i p l e o f m a s t e r m a n i p u l a t o r b a s e d o n d e s i g n r e q u i r e m e n t so fm a s t e rc o n t r o l l e r , c h o s ee z - u s ba su s b 。i n t e r f a c ec h i pt or e a l i z eh a r d w a r e d e s i g no fm a s t e rc o n t r o l l e r , a n dc o m m u n i c a t e dw i t hh o s tt h r o u g hu s bo rr s 一2 3 2 c t h i sp a p e r i n t r o d u c e dd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ta n du s bi n t e r f a c ec i r c u i td e t a i l e d l y , d e f i n e dt h ef o r m a to f u s e f u l d a t a , a n a l y z e d t h es t r u c t u r eo fu s bd r i v e r , p r o g r a m m e df i r m w a r ea n du l r m w a r e d o w n l o a dd r i v e , a tl a s t d e b u g g e dm a s t e rc o n t r o l l e ra n dt e s t e dd a ma c q u i s i t i o nt r a n s f e r r a t e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ta l lf u n c t i o n so f m a s t e rc o n t r o l l e rh a sb e e nr e a l i z e da n d d a t aa c q u i s i t i o nt r a n s f e rr a t e sh a sr e a c h e di t sr e q u e s t k e y w o r d s ：t e l e r o b o t ，u n i v e r s a lm a s t e rm a n i p u l a t o r ，b i l a t e r a lf o r c er e s p o n s e ，m a s t e r c o n t r o l l e r ，u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，f i r m w a r e ，d e v i c ed r i v e r 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果，该论文尚没有呈交于其 它任何学术机关做鉴定。 研究生签名：罚2 9 甍 日 期：力西e 力 a f f i r m a t i o n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fm a s t e ro ft e c h n o l o 毋v , i ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o 船v , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e d o fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o oa ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e s i g n a t u d a t e ： 惑盘 眵坷 霞3 川 山东科技丈学硕士学位论文 1 。绪论 1 1 引言 遥操作机器人( t e l e r o b o t ) 是指在人的操作下在人难以接近或对人体有害的环境中， 完成比较复杂操作的一种远距离操作系统2 仉。其工作模式是：操作者对主机械手进行操 作，将运动指令通过无线电波、计算机网络等传输媒介传送给从机械手，从机械手按照 接收到的命令在特定环境下进行： 作，同时将自己的工作状态返回给操作者，便于操作 者作出正确的决策。 世界上第一个遥操作系统是1 9 4 8 年由g o e r t z 在a n l 研制成功的 2 3 】，用于处理核实 验中的核废料。该系统由两个对称的机械手构成，主机械手和人在安全的地方，从机械 手放在需要完成任务的危险地带。操作者对主机械手进行操作，从机械手跟随主机械手 的运动，从而完成作业任务。在这个系统中，主从机械手间是通过机械连接的，具有很 大的局限性：一是传输距离有限：二是跟踪性能不是很好。1 9 5 4 年g o e r t z 开发出第一 个带伺服反馈的电动遥操作系统，使遥操作机器人的操作性能有了很大改善。后来又从 动力学和运动学角度引入了双向控制，使得设计符合人手使用的主机械手成为现实，大 大减轻了操作者的负担。8 0 年代以来随着计算机技术的飞速发展，计算机逐渐介入到遥 操作机器人系统中，使的一些先进的算法得以实现，遥操作机器人系统的性能有了质的 飞跃，其应用领域也越来越广【2 l j 。 9 0 年代以来，i n t e r n e t 技术得到了飞速发展。i n t e r n e t 是一个计算机交互网络， 又称网间网。从网络通信的角度看，i n t e r n e t 是一个以t c p i p 网络协议连接各个国家、 各个地区、各个机构的计算机网络的数据通信网。从信息资源的角度看，i n t e r n e t 是一 个集各个部门、各个领域的各种信息资源为一体，供网上用户共享的信息资源网口“。 i n t e r n e t 的这些特点恰好符合遥操作机器人系统对通信设备的要求，遥操作机器人系统 也逐渐将i n t e r n e t 作为信号传输的媒介来使用。近几年来，基于i n t e r n e t 的遥操作机 器人系统已成为重要的研究方向之一。 遥操作机器人在工作中要将从手与环境的交互信息传递给操作者，以提高主从手的 操作性能。按照从手反馈给操作者的信号的不同，可将遥操作机器人系统分为两类：一 类是反馈视觉信号，叫做视觉临场感遥操作机器人系统：另一类反馈的是从手与环境间 山东科技尢学岫士学位论文错论 的作用信息，称为动觉临场感遥操作机器人系统。 临场感( t e ! e p r e s e n c e ) 技术是遥操作机器人的核心技术。临场感是指一方面将本 地操作者的位置和运动信息( 身体、四肢、头部、眼球等) 作为控制指令传递给远地的 从手；另一方面将从手感知到的环境信息及从手与环境问的作用信息( 视觉、听觉、力 赏和触觉) 实时地反馈给本地操作者，使操作者产生身临其境的感受。从手是操作者肢 体在远地的延伸，从而操作者能够真实地感受到从手和环境的交互信息，有效地控制机 器人完成复杂的任务 2 7 。 遥操作涉及众多学科的知识，如计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工 智能、仿生学、人体工程学等。目前，遥操作是机器人领域最具挑战性的研究方向之， 是机器人领域研究的热点。 1 2 择题依据和现实意义 本课题是以山东科技大学机器人研究中心承担的国家8 6 3 计划课题“配电作业带电 作业机器人”和山东省重大科技项目“新型带电作业机器人”为立项背景，对遥操作机 器人主手控制系统进行分析与研究，并最终设计一通用型主手控制器，与主手本体构成 通用型主手。通用型主手是一个能够独立使用的殴各，它不依赖于用户的机器，也不与 用户机器构成上下位机的关系。它提供关节空间数据和笛卡尔空间数据，提供多种通讯 接口，适用于各种遥操作机器人。 遥操作机器人的主手是操作者感知环境信息，并借之完成操作的重要的中间信息传 输媒介。一方面它可以向从手传送位置、姿态、速度和力等多种信息：同时又要接收从 手发来的力力矩等环境信息，为操作者提供力觉临场感。操作者的手指还可以传送一些 附加命令，实现对遥操作机器人系统的有效下预和控制。因此，主手性能的好坏直接影 响到整个逐操作机器人系统的执行性能和可靠性。 遥操作机器人主手控制器负责采集主手各关节信号，经转换后传输到从于控制系统 控制从手运动，同时，还要将从手的力力矩信号转换为模拟量后传递给主手，使操作者 感受到从手和作业环境间的作用信息。因此，丰手控制器性能的好坏直接影响到信息传 输的精度和实时性。 主从手间的通信可以采用有线或无线方式。基于通用性和使用方便性的考虑采用了 土从手问的通信可以采用有线或无线方式。基于通用性和使用方便性的考虑采用了 型查型垫查堂堡主茎垡丝圣 堕丝 u s b 总线和r s 一2 3 2 c 总线传输数据。u s b 总线支持动态接入，可以重新配置设备；支持传 输速率为几k b s 到几m b s 的设备。 到目前为止，大多数遥操作机器人的主手都是针对某一特定从手设计，通用性差。 随着计算机技术的发展，主从手可以分别按照各自的功能和特殊要求来考虑，因此研制 出了通用型主手。本文研制的主手控制器和主手本体构成通用型主手，提供多种接口和 从手控制系统通信。 通用型主手的型式和自由度可重构( 可重新配置) ，可以根据不同的从手选择不同的 自由度配置，同时，还可以选择是否实现力反应。在使用时只需根据实际情况进行简单 配置就可适应于某一特定从手，因此使用灵活方便，省去了为从手配置专用主手的麻烦， 在更换从手时不必再更换主手。 随着遥操作机器人应用领域的不断扩大，从手的结构趋于多样化，通用型主手的出 现不必再为某一从手配置主手。通用型主手可以控制各种从手，这给操作者带来极大的 方便，操作者不必再去熟悉各种型式的主手，从而对操作者的培训时间缩短、培训费用 降低。 因此，开发通用型主手对于扩大遥操作机器人的应用领域、提高工作效率、减轻操 作者的负担等方面具有重大的现实意义。 1 3 本文内容安排 本文对遥操作机器人主手控制系统、u s b l 1 总线协议以及c y p r e s s 公司的e z u s b a n 2 1 3 1 q c 接口控制芯片进行了深入研究，最终完成了主手控制器的设计与调试。本文的 具体内容安排如下： 第二章：对遥操作机器人系统进行分析。介绍了遥操作机器人的用途和系统组成； 分析了同构、异构型主手的结构特点、优缺点和设计原则；最后，对双向力反应的三种 基本形式进行了分析。 第三章：遥操作机器人主手的运动学模型。对机器人运动学模型的建立过程进行了 说明并建立了主手的运动学模型。最后，求出了一七自由度主手的运动学正解。 第四章：分析了通用型主手控制器的原理及各个模块的功能，介绍了u s b 总线协议 部分重要内容，对u s b 的几种接口方案进行了分析并选择了e z u s b 芯片作为微处理器， 山东科技大学硕士学位论文 绪论 然后分别分析了模拟量滤波、数据采集、数模转换电路，最后对u s b 接口电路( 电压调 整、u s b 接口保护和上电复位电路) 和串行口接口电路进行了分析。 第五章：就主手控制器的软件进行分析与设计。首先定义了数据传输时的数据结构， 然后对主手控制器的固件程序、设备驱动程序及固件下载驱动程序、主机端应用程序进 行设计。 第六章：对设计的主手控制器进行调试和性能分析。 4 山东科技大学硕士学位论文遥操作机器人系统构成 2 遥操作机器人系统构成 遥操作机器人代替人在人难以接近或对人体有害的环境下作业，已取得了巨大的成 功，是当今机器人领域研究的热点。本章主要对遥操作机器人的构成、主手的型式和双 向力反应进行分析。 2 1 遥操作机器人的组成 遥操作机器人( t e l e r o b o t ) 是指在人的操作下在人难以接近或对人体有害的环境中， 完成比较复杂操作的一种远距离操作系统。现在，随着计算机技术的飞速发展，计算机 逐渐介入到遥操作机器人系统中，使的一些先进的算法得以实现。遥操作机器人系统的 性能有了质的飞跃，其应用领域也越来越广。目前，遥操作机器人应用的领域包括：空 间探索( 卫星的修理，空间站的维护，月球、火星等行星的勘探) 、海洋开发( 海洋资 源调查，深海打捞，水下电缆修理，海洋钻井平台维护，海底考古等) 、军事领域( 战 场、防化、扫雷、救护等) 、民用领域( 远程医疗、远程教育、远程科学实验、旅游娱 乐等) 和危险环境( 带电作业、核工业等) 1 2 0 j 。 遥操作机器人主要由五部分组成：操作者、主机械手、通信环节、从机械手和作业 环境。有的遥操作机器人还要有智能化人机接口。遥操作机器人一般都有移动装置、观 察系统等辅助设备。如果没有这些辅助设备，一般不能称为遥操作机器人，只能称为双 向伺服主从机械手引j 。遥操作机器人的组成如图2 1 所示。 图2 1 遥操作机器人的组成 f i g 2 1s t r u c t u r eo ft e l e r o b o t 从机械手就是普通的机械手，它可以是关节型或直角坐标型，这取决于作业任务的 需要。 主机械手有同构和异构之分。同构型主手，是指主手是从手的复制品或仅是比例不 同的相似物。异构型主手在结构、尺寸、自由度数目、自由度配置等方面同从手不同。 5 生堡型茎奎兰堕圭堂篁堡兰 主手的功能是提供人机界面， 环境的作用信，自、。 遥操作机器人系统构成 操作者通过主手施加控制命令，同时也要感受从手和作业 在遥操作机器人系统中，主手是人们感知操作环境信息，并借之完成操作的重要的 中间信息传输媒介。主手的结构型式对信息测量的准确性及传输的实时性、从手反作用 力的保真度、操作者操作的方便性、工作效率的高低都有很大的影响。因此，主手是遥 操作机器人系统中的重要部分，关系到整个系统性能的好坏。下面分别对同构型主手和 异构型主手进行分析。 2 2 同构塑主手 同构型主手是针对某一特定从手设计，主手的结构形式和从手完全一致( 除手爪和 控制手柄外) ，只是在几何尺寸同从手有所区别。主从手的关节数相同，且一一对应，这 使得主从手的运动学模型致，有利于控制和制造。主手的安装方式也应与从手相同， 从而使主从手运动方向一致。 同构型主手和从手结构相同，主手的设计应在从手设计完成以后，按照从手的结构 进行设计。设计时，机械结构中大部分较重部件要保持不动，而运动部件要尽量轻，以 便将整机重量轻和结构坚固两者很好地结合起来。主手的臂长要尽量短，这样惯量小， 操作灵活方便。 同构型主手由于结构上的限制，致使它的优缺点都十分突出。 ( 1 ) 优点： 由于主从手同构，主手不用重新进行结构设计。 控制方法以关节对应为主，控制系统简单。 由于主从手同构，工作时，主手的位姿即从手的位姿。 ( 2 ) 缺点： 同构型主手针对某一从手设计，故通用性较差。更换不同的从手，一定要更换 相应的主手。 由于同构型主手按从手结构设计，没有从人体工程学角度考虑，操作者难以在 最佳操作区域内工作，操作不便。 山东科技大学硕= | = 学位论文 遥操作机器人系统构成 2 3 异构型主手 异构型主手可以和从手具有不同的自由度数目、不同的自由度配置，不同的机构形 式【。异构型主从手的配置比较灵活，主手和从手依靠计算机对主、从手运动学和动力 学的正、逆解算在计算机内部建立一个虚拟机械手作为二者联系的桥梁【2 0 】。只要选择合 适的比例因子，主手的结构尺寸不受从手结构尺寸的限制，主手和从手可以分别按照各 自的功能和特殊性要求来考虑。因此，在主手设计时无需考虑从手的结构型式，只需根 据人体工程学的要求和使用上的需要进行设计，这样设计出的主手具有较强的通用性和 较好的操作性能。 下图( 如图2 2 所示) 是一七自由度主手，具有一个平移关节、6 个回转关节，可 以应用于多种遥操作机器人。应用于带电作业机器人( 具有七个回转关节) 时，主从手 为异结构配置。 1 0 0 图2 ，2 主手结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fm a s t e r m a n i p u l a t o r 该主手的整体结构呈圆柱形，适于人手握持。所有外露部件均采用绝缘材料制成， 可以使人手与内部电气元件绝缘，避免人手对电信号的干扰。该主手结构轻巧灵活，符 合人体工程学的要求，操作方便。 主手的七个关节可以依次与从手的各个关节对应，也可以根据需要或操作上的方便 进行搭配。主手各关节内有一中空薄膜电位器，关节转动时电刷片滑过电阻膜，引起阻 值的改变，从而把关节运动转变为输出电压的改变。主手前端有一按钮，用于发出控制 信号，可根据需要确定它的功能。 异构型主手设计时不受从手的限制，这样设计出的主手优缺点如下： ( i ) 优点： 山东科技大学硕士学位论文逞操作硎l 器人系统构成 异构型主手可以从人体工程学的角度出发进行结构设计，不针对某一从手，故通 用性较强。 由于主手操作空间不受从手限制，给操作者操作带来方便 ( 2 ) 缺点： 异构型主从手的各关节不再一一对应，使控制问题变得复杂。 微处理器要对异构型主从手进行运动学和动力学的正、逆求解。当关节较多时， 运算量很大，因此对微处理的性能要求很高。 2 4 双向力反应 为了提高主从手的操作性能，可以采用临场感技术。临场感技术1 2 5 】( t e l e p r e s e n s e ) 是以人为中心，通过各种传感器将从手与作业环境的交互信息反馈给操作者，使操作者 有身临其境的感觉。临场感包括视觉临场感和动觉临场感。力觉是动觉的一种，它是把 从手的操作力传递给主手，反向驱动主手，形成双向力反应。 遥操作机器人主从手有三种基本的力反应形式，即双向位置型力反应、力一位置型力 反应和力反馈一位置型力反应。双向位置型力反应不使用力传感器，力一位置型力反应只 在从手上安装力传感器，力反馈一位置型力反应在主从手上都安装力传感器 2 】 2 5 】。 双向位置型力反应是通过一种双向有差的位置反馈伺服系统实现的。主从手之间的 位置偏差在正向驱动从手关节的同时，反向驱动主手关节运动，主手由操作者把持，反 向运动便产生种力感觉。双向位置型力反应系统主、从手的传动装置必须是可逆的。 双向位置型力反应系统如图2 3 所示： 主手 从手 图2 3 双向位置型力反应系统 f i g 2 3b i l a t e r a l p o s i t i o nt y p e 现以加拿大多伦多大学开发的m 。一m ，型遥操作机器人为例，对双向位置型力反应 山东科技大学硕士学位论文遥操作机器人系统构成 进行说明。该机器人是五自由度主从遥操作机器人，它的主从手是同构的。m 。一m 。表 示主手把运动命令m 。传递给从手，从手把运动跟随情况m ，反馈给主手，并以两者的位 置偏差形成力反应。m 。一m 。主手的结构如图2 4 所示。 图2 4 吖，一m ，主手结构 f i g 2 4s t r u c t u r eo fm m m 5m a s t e r m a n i p u l a z o r 该遥操作机器人主从手实现力反应的原理是：操作者对主手施加一令力矩，引起主 手位置的改变肖。，此时，从手仍保持在原来的位置，因此产生了位置误差信号p 。这个 信号被送到主手控制系统，经过误差限幅后，通过p d 控制作用产生驱动电压驱动主手电 机，并产生恢复力r ，它试图抵消操作者产生的运动工。，这样操作者就感到力反应。位 置误差信号送到从手控制系统后，使相应关节运动，并由位置检测元件测量实际位置， 直至位置误差为零。 由于双向位置型力反应是通过主从手位置偏差实现的，要求主从手都是位置有差伺 服系统，这限制了主从手的结构型式。双向位置型伺服系统只能产生一种虚假的力，因 此，为了获得真实的力感觉，必须使用力传感器。用于主从手力反应的传感器主要有两 种：关节力传感器和腕力传感器，通过这两种传感器实现力一位置型和力反馈一位置型力 反应，使操作者获得真实的力感觉【2 5 。 山东科技大学帧士学位论文遥操作机器人系统构成 力一位置型力反应系统只在从手上安装力传感器，是一种非对称系统。从手伺服系 统由位置偏差信号驱动，主手的力反应由安装在从手各输出轴上的力力矩传感器信号产 生，或者由安装在手腕的腕力传感器检出从手末端的力力矩信号，用解算的方法，按照 主手的结构分解到主手各输入轴上。由于主手端没有安装相应的力传感器，所以力控制 回路是开环的。这种型式的力反应从手传动装置不必是可逆的。力一位置型力反应系统 如图2 5 所示： 主手 从手 图2 5 力一位置型力反应系统 f i g 2 5f o r c e p o s i t i o nt y p e 力反馈一位置型力反应系统的主从手都装有力传感器。主从端各自构成力闭环控制 回路和位置闭环控制回路。当操作者加在主手上的力与从手受到的作用力相等或成一定 比例时，力控制回路加于主手电机输入轴上的驱动作用就停止了。由于力反馈一位置型 力反应系统采用了两端的力力矩信号反馈，对主从手传动装置的要求降低了，主从手 的传动装置均不定是可逆的。力反馈一位置型力反应系统如图2 6 所示： 主手 札手 图2 6 力反馈一位置型力反应系统 f i g 2 6f o r c e r e f e c t i n gt y p e 从主从系统的结构来看，力反馈一位置型力反应系统是一种较好的双向力反应系统。 它可以把主从手传动机构中摩擦力和惯性力用力反馈回路隔开，使之不能反馈到输入端， 从而改善了主从系统的动态特性。 山东科技大学硕士学位论文遥操作机器人系统构成 2 5 本章小结 本章就遥操作机器人系统进行了分析，主要包含以下内容： ( 1 ) 对遥操作机器人的用途和系统组成进行了描述。 ( 2 ) 对同构、异构主手的设计和优缺点进行了分析。 ( 3 ) 对双向力反应的三种基本型式进行分析，并以m 。一m 。主手对双向位置型力反 应进行了说明。 山东科技大学硕士学位论文遥操作机器人主手的运动学模型 3 遥操作机器人主手的运动学建模 机器人运动学研究的是机器人末端与各连杆之间的运动关系。机器人的运动学模型 是对机器人进行运动学分析和研究的基础，是对机器人各个连杆以及连杆之间空间关系 的描述。 3 1 主手的运动学模型 用机器人运动学模型对机器人连杆进行几何描述的方法有多种，其中以 d e n a v i t h a r t e n b u r g 表示方法( 简称d h 法) 较为常用。d h 表示法采用四个参量来描 述机械手的连杆。其中，两个参数用来描述一个连杆：公共法线距离4 和垂直于口所在 平面内两轴的夹角a ，；另外两个参数来表示相邻两连杆的关系：两连杆的相对位置d 和 两连杆法线的夹角0 2 1 - 2 2 】。 建立机器人的运动学模型，需要在每个连杆上建立一个关节坐标系。根据d - h 法对 机器人各个连杆的描述，确定各连杆关节坐标系的原点、工轴和：轴。 3 1 1 机器人运动学方程的建立 机器人各个连杆上的关节坐标系建立之后，就可以根据下列两个旋转和两个平移变 换，建立相邻两连杆之间的相对关系，然后，求解机器人末端与各连杆之间的关系，即 运动学方程口2 1 。 ( 1 ) 绕：。轴旋转0 。角，使x 。轴转到与x ，同一平面内。 ( 2 ) 沿= 。轴平移一距离d ，使x 。转到与x ，同一直线上。 ( 3 ) 沿i 轴平移一距离d ，把连杆i + 1 的坐标移到使原点与连杆”的坐标系原点重合 的地方。 ( 4 ) 绕z 。轴旋转a ，角，使：。转到与= ，同一直线上。 山东科技大学硕士学位论文遥操作机器人主手的运动学模型 定义上述坐标系 f 相对于坐标系 f + 1 的变换矩阵为连杆变换矩阵4 ，则4 ，等于上 述四个坐标变换对应的齐次矩阵的乘积，即： a ，= r o t ( z ，0 ，) t r a n s ( o ，0 ，z ) t r a n s ( a ，o ，o ) r o t ( x ，a ，) c 8 ，一s o ，c a s 8 。c 0 ，c a ， 0 s a o0 s o ，s o t ， c o f s a ， c a 0 口，c 日， 口，s o d ， 1 ( 3 1 ) 式中c 为c o s o ，s ：为s i n o 。显然，连杆变换矩阵4 。依赖于四个参数口，、a ，、d 。和口， 而其中只有一个是变量。对于转动关节，转动关节4 ，是0 ；的函数；对于移动关节4 是d ， 的函数；为了统一变量，定义一个关节的广义变量吼，对于转动关节吼= 0 ，：对于移动 关节，g ，= d ，从而变换矩阵4 成为变量g 的函数。 将各个连杆间的变换矩阵a ，( f - i ，n ) 相乘，得： ：t ( q 。，9 2 ，靠) = a 1 a 2 爿。4 ( 3 2 ) 称：t ( q ，q ：，吼) 为手臂变换矩阵，它是”个关节变量g ，g ，q 。的函数。表示末端 坐标系如) 相对于基坐标系 o 的关系。 如果定义机器人末端执行器位姿( 位置和姿态) 为x ，则： z = ：r ( g 。，9 2 ，一，g 。) = a i a 2 爿，- a 。= i ( q ) ( 3 3 ) 上式称为机器人运动学方程。它表示末端连杆的位姿x 与关节变量9 1 ，g ：，吼之间 的关系。 3 1 2 主手的运动学模型 根据上述方法，可以对遥操作机器人的主手进行运动学建模。在此给出了一七自由 度主手的运动学模型( 如图3 1 ) 。其d h 参数表如表3 1 所示。当然，运动学模型并不 是唯一的，这里只是建立了其中一种。相应的a 矩阵如式( 3 4 ) 一( 3 1 0 ) 所示。 生查兰! 蔓奎兰翌圭鲎垡堡兰堡堡堡塑登垒主兰望垄垫兰堡型 图3 1 主手运动学模型 f i g 3 1k i n e m a t i c em o d e lo fm a s t e r m a n i p u l a t o r 表3 1d - h 参数表 t a b l e3 1d hp a r a m e t e r 关节i坐蒜秉 a 。( 度)吗 删d 。 县( 度) 运动范置 l0o0d lo5 0 2l 一9 0 + 5 50b 1 5 d 32 9 0 00 黾 l d 0 4 3 9 0 4 3 0 只 g d 5 4 0躬0 岛 9 0 。 6 5 9 0 00 岛 ，9 d 了6 00 7 5 5矗 1 d 0 - a 2 = c o ， 始2 0 0 c 臼3 5 吼 0 0 0 一s 0 2 0 c 0 2 10 00 0 j 臼3 0 一c 吼 l0 o0 4 ( 3 4 ) f 3 5 ) ( 3 6 ) 晕 嚣 登回 下i k 工 ， o o d 1 o 0 1 o o l o o 1 o o o 。l | | 4 岛如r二li“ij。姗一。，引 遥操作机器人主手的运动学模型 a 4 = a 6 = 且= 0 s 0 4 0 一c 0 4 10 00 一s 0 5 0 c 日5 0 01 00 0 s 0 6 0 一c 0 6 1 0 00 一s 0 7 0 c 0 7 0 01 oo 4 3 c 乳 4 3 s 0 4 0 l 4 3 c 8 5 4 3 s 0 5 0 1 o 0 7 5 5 1 3 2 主手的运动学正解 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 i 0 ) 机器人末端执行器的位姿由埘( 自由度为咒) 个关节变量决定，由关节变量构成的 空间称为关节空间。机器人末端执行器的位姿是在宜角空间中描述的，即用操作空间或 作业空间来表示。其中位置用直角坐标表示，而方位可以用欧拉角表示，统称为笛卡尔 空间。运动学正解可以看作由关节空间向笛卡尔空间的映射。 对于异构型主从手，关节空间不再一一对应。主从手间的运动关系需通过关节空间 与笛卡尔空间之间的变换得到8 】【2 2 1 。异构型主从手空间对应关系如图3 2 所示： 主手主手运i 撵正解笛卡 从手运动学逆解 从手 关节尔空 关节 空间 间空间 主手压劝掌逆屏从丰】薹动字正解 幽32 异构型主从手空间对应关系 f i g3 2s p a c er e a t i o no fis o m e r i cm a s t e r - s l a v em a n i p u l a t o r 运动学f 解是已知机器人的关节值，求解机器人末端执行器的位姿。机器人运动学 15 哦咄o o氓咄o o哦哦o o喝蚂o o 生查型茎生兰竺主兰垡堡兰 堡塑堡! ! 堡垒圭王堕垩垫兰堡型 正解归结为：已知机器人各连杆的几何参数和关节变量，选定各连杆的坐标系，按d h 表示法建立机器人的运动学模型，然后求解相邻连杆的变换矩阵a ，最后由式( 3 3 ) 可 得到末端执行器在基坐标系中的位姿。 下面求前述七自由度主手的运动学正解。通过计算可得： 式中： t = a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 = ”zs j l l ys y 疗f s ： 00 a ，p ， a ypy a 二p ： 01 胛j = c 7k 60 2 c 3 c 4 c 5 + c 2 s 3 s 5 一j 2 s 4 c 5 ) + j 60 2 c 3 c 4 c s + j 2 j 4 j 5 + c 2 屯c 5 ) 】 + s t ( s 2 c ；s 4 + s 2 c 4 ) ( 3 1 1 ) n ，= c ，p 。( $ 2 c 3 c 4 c 5 + s ：屯s ，+ c ：s 。c 5 ) - j 。0 ：屯c 。c ，+ c ：j 。s ，一s ：屯c ，) 】十s ，g ：c 3 c 。一c 2 c 4 ) 他= c 7 k 6 g 3 j 5 一j 4 c 5 ) + j 6 b 4 屯+ c 3 + c 4 s 7 虬= s 7 【- c 6 ( c 2c 3 c 4 c 5 + c 2 岛屯一5 2 j 4 c 5 ) 一凡( c 2 c 3 c 4 c 5 + j 2 s 4 s 5 + c 2 s 3 c 5 ) 】 + c 7 0 2 已j 4 + j 2 c 4 ) s ，= s ， _ c 。g ：c 3 c a c ，+ s ：s ，s ，+ c ：s 。c ，) + s 。0 ：s ，c 。c ，+ c ：s 。s ，一s ：s 3 c 5 ) + c ，g ：c ：c 。- - c 2 c 4 ) 巳= 一s 7 k 6 0 3 s 5 一j 4 c 5 ) + s 6 0 4 j 5 + c 3 c 5 ) + c 4 s 7 d ，= & ( c 2 已c 4 c 5 一s 2 j 4 c 5 + c 2 j 3 工5 ) + c 6 0 2 c 3 c 4 c 5 - s 2 s 4 s 5 一c 2 s 3 c 5 ) 口u = s 60 2 c 3c _ 4 c 5 + 占2 屯s 5 + c e s 4 c 5 ) + c 6 ( $ 2 s 3 c 4 c 5 + c 2 s 4 s 5 一s 2 屯c 5 ) 盘：= j 6 ( c 3 s 5 一s 4 c 5 ) 一c 6 b 4 j 5 + c 3 c 5 ) p ，= 7 5 5 c 2c 3 c 4 岛g 6 + s 7 ) + + s 6 ( c 2 屯5 5 一j 2 占4 c 5 ) 一c 6 g 2 占4 占5 + c 2 屯c 5 ) 】 + 4 3 ( c 2 c 3 c 4 c 5 一$ 2 s 5 c 5 + c 2 q c 4 + c 2 j 3 c 5 一j 2 j 4 ) + 5 5 c 2 p 。= 0 2c o c 5 + s 2 为j 5 + c 2 s 4 c 5 x 7 5 5 s 6 + 4 3 ) + 7 5 5 c 6 0 2 屯c 4 c 5 + c 2 j 4 s 5 一s 2 屯c 5 ) + 5 5 c 2 + 4 3 0 2c 3 c 4 + c 2 s 。) p = = ( 7 5 5 s 6 + 4 3 3 j 5 5 4 c 5 ) 一7 5 5 c 6 0 4 j 5 + c 3 f 5 ) 一4 3 s 4 + d 1 ( 3 i 2 ) 其中：s ，= s i n 0 ，c ，= c o s 0 ，i = 2 7 。 山东科技大学硕上学位论义 遥操作机器人主手的运动学模型 3 3 本章小结 本章对机器人的运动学建模和异构型主手的运动学正解进行了分析，对以下内容进 行了阐述： ( 1 ) 对机器人运动学模型建立方法进行了说明。 ( 2 ) 建立了遥操作机器人主手的运动学模型。 ( 3 ) 求出了一七自由度主手的运动学正解。 山东科技大学顾士学位论文主手控制器的硬件实现 4 主手控制器的硬件实现 遥操作机器人主手控制器是主手控制系统的核心，它的性能直接影响到信息传输的 精度和实时性。本章对主手控制器总体结构、各模块的功能及硬件实现进行分析，以 e z u s b 微处理器为核心进行数据转换电路和接口电路的设计。 4 。1 主手控制器的原理 目前，大多数遥操作机器人的控制系统可分为两个独立的控制系统，即主手控制系 统和从手控制系统。两个系统之间通过通信线路( 有线或无线) 连接，以传输力、位置 等信息。主手控制器是遥操作机器人主手控制系统的核心，它的性能直接影响信息传输 的精度和实时性。本文研制的通用型主手控制器和主手本体构成通用型主手，是一个能 够独立使用的设备。它不依赖于用户的机器，也不与用户机器构成上下位机的关系。它 提供关节空间数据和笛卡尔空间数据，提供多种通讯接口。 根据通用型主手控制器的要求，主手控制器要完成主手各关节信号的采集与传输， 将从手与作业环境的作用信息传递给主手，以及其它控制信号的传输。主手控制器的原 理如图4 1 所示。 主 糙受堂型j 微 机 匝堕p 处 擒理 手器 c = =瓤蕊磊忙 图4 1 主手控制器的原理框圈 f i g 4 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fm a s t e r c o n t r o l l e r 由图4 1 可以看出，主手各关节信号由关节信号采集模块采入，由微处理器处理后， 经通信模块传输给计算机；从手的力力矩信息经力反应驱动模块分配到主手的相应关节 上，使操作者感受到力反应；其它控制指令经辅助指令模块进行传输。主手控制器各模 块的具体功能如下： ( 1 ) 关节信号采集模块：主要完成各关节位置、力信号的采集、滤波，经a d 转换 i r 山东科技大学硕士学位论文 主手控制器的硬件实现 后送入微处理器进行处理。该模块又可具体化分为：模拟量滤波电路、信号调理电路、 采样保持电路、模数转换电路。 ( 2 ) 辅助指令：主要是一些控制信号的传输。这些数字量由设备或主机发出，可以 用来控错i 设备的运行或显示设备所处的状态。 ( 3 ) 力反应驱动模块：要实现力反应，主手控制器必须有力反应驱动模块。通过它 把从手传送来的力力矩等信号转换成模拟信号，然后加到主手相应关节的驱动单元上。 ( 4 ) 通信模块，是系统之间数据传输的媒介。通信的方式有多种，可以采用无线通 信或有线通信。有线通信可以采用r s 一2 3 2 c 、r s 一4 2 2 、i e e e - 4 8 8 及u s b 总线等。为了使 设计的主手控制器具有较强的通用性及使用上的方便性，在设计中采用了r s 一2 3 2 c 和u s b 总线传输数据。 对于异结构主从手，在主从控制中需要进行主手的运动学正变换和从手运动学正、 逆变换，将主、从手的关节运动信息转换为笛卡尔空间的运动信息。为了实现力反应， 还需要进行各手末端作用力到基坐标系作用力的变换，以便建立主从手统一的框架来描 述运动和力信息关系。运动学正、逆解算工作由微处理器完成，对于多自由度主从手的 运动学正、逆解的运算量很大，因此应选用高性能的微处理器。 4 2 1 惦b 出现原因和发展 4 2 峪b 协议介绍 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 协议是由以i n t e l 为首的七家p c 厂商，为了解决日 益增加的p c 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的种串行通信标准，于 1 9 9 4 年1 1 月推出。自9 5 年在c o m d e x 上亮相以来至今已广泛地为各p c 厂家所支持，应 用品趋广泛。现在生产的p c 几乎都配备了u s b 接口，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 9 8 、n t 及l i n u x 等流行操作系统都增加了对u s b 的支持f 1 3 【2 8 。 u s b 技术能够支持从高速到低速的各种外设，支持1 2 7 个设备同时连接。u s b 设备甚 至能够不占用任何系统资源就能实现预想的功能。因此，u s b 总线技术出现短短几年就 迅速获得了业界的青睐，得到了广泛的应用。 坐查型苎查堂丝主兰竺笙苎 圭王堡型墨箜堡堡壅墨 4 2 2u s b 总结拓朴结构 u s b 总线体系一般分为主机、集线器和u s b 设备三部分。u s b 的物理连接是一种层状 星形拓朴结构，其根部是主控制器，u