（机械电子工程专业论文）上下料系统中双机械臂的安装定位与路径规划技术研究.pdf

中文摘要 摘要 目前在机械加工领域中，各种全新的、有蓬勃生命力的产业机器人早已出现 而且迅速发张起来。产业机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运 输、涂装、焊接、质检等工作。双臂机器人作为一种重要的产业机器人也进入实 际的工业生产，其携带的机械臂可以很好的完成辛苦而繁复的工作，从而使人类 从简单重复的体力劳动中解放出来。 在机器人上下料系统中机械臂与机床、传送带、末端执行器等组合，使之能 满足工程生产实际。由经验可得知机械臂结构在很大程度上决定了整个系统的实 际工作性能。机械臂安装在模拟躯干上，配以人性化的控制界面，使得这种机械 臂可以高效代替人手完成上下料工序，并且这种机械臂拥有重量较轻、体积较 小、外观精致、工作空间大等特点。本文需要结合机器人运动学，以及可操作度 理论对放置在模拟躯干上的双臂机器人进行研究，主要研究内容如下： 首先，根据上下料机器人的实际工况要求及实际工作空间的特点确定适当的 自由度数和关节机构构型，并且综合考虑重量，体积等因素，选择合适的机械臂传 动方案和整体结构布局。另外结合机构学分析规划各部分功能结构，包括手爪、腕 部、小臂、大臂、底座等功能模块，最后对机械臂选型定型，选取整个手臂的具体 结构。 其次，对机器人的运动学进行分析，建立了机械臂运动学模型。根据d 一日法 得到机械臂的运动学正解和运动学逆解，并用矢量积分法推导出机械臂雅克比矩 阵，利用运动学理论分析绘制了机械臂的工作空间。结合工作空间对大臂和小臂杆 长参数进行了尺寸综合得到较优的杆长参数。 再次，研究机械臂的工作性能，把机器人性能指标中的可操作度和壁障能力作 为研究对象，结合机械臂避障商的概念，进而分析整个系统的避障判据，同时建立 环境模型，然后通过遗传算法选取了双臂机器人模型结合实际环境模型的条件下 的最优路径，此路径可以用于实际操作和机器人驱动程序编写。 最后，根据双臂机器人的控制系统和硬件系统，对控制模块进行分析。然后基 于实际所拥有的条件结合v a l 3 编写控制系统程序，连接机械部分进行调试，并且 在此基础上，进行了部分实验验证工作。 关键词：上下料，双臂机器人，安装，可操作度，路径规划 重庆大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t a tp r e s e n t ，i nt h em a c h i n i n gf i e l d ，s o m en e wa n da c t i v ei n d u s t r i a lr o b o t sa p p e a r , a n dd e v e l o p a p p l i a n c ea r e ao fm a c h i n i n gr o b o t si sw i d e ，m a i n t e n a n c e ，r e p a i r , t r a n s p o r t ， w e l d i n g q u a l i t yc o n t r o la n ds o o n d u a la i t nr o b o ta si m p o r t a n t i n d u s t r i a lr o b o t s a l r e a d vi n t ot h ea c t u a li n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h er o b o t i ca r mc a nc o m p l e t e l yd o t h eh a r d a n dc o m p l i c a t e dw o r k ，t h u sf r e e i n gm a n k i n df r o mt h es i m p l ea n dr e p e t i t i v em a n u a l l a b o r t h es t r u c t u r eo ft h ed u a lr o b o t i cl o a d i n ga n du n l o a d i n gm a t e r i a ls y s t e m d e t e r m i n et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea c t u a lw o r ko ft h ee n t i r es y s t e m t h es y s t e mw h i c h b e c o m p o s e do fr o b o t i ca r l t li n s t a l l e di nt h ea n a l o gm i n k ，a n dt h eu s e r - f r i e n d l y c o n t r o l i n t e r f a c e h a ss o m ef e a t u r eo fl i g h t e r , s m a l l e r , a n dt h ea p p e a r a n c e o ff i n e ，l a r g e w o r k s p a c ea n ds oo nc a nb ee f f i c i e n ti n s t e a do fm a n p o w e r t oc o m p l e t et h ep r o c e s so f l o a d i n ga n du n l o a d i n g s i xd e g r e e so ff r e e d o ms e r i e sm a n i p u l a t o rw i t h ac o m b i n a t i o no f m a c l l i n et o o l s ，c o n v e y o r s ，a n dt h ee n do ft h ea c t u a t o r , s o t h a ti tc a nm e e tt h e e n g i n e e r i n ga n dt h ea c t u a lp r o d u c t i o n t h i sp a s s a g ec o m b i n e dw i t hk i n e m a t i c sa n d m a n i p u l a b i l i t ys t u d yt h er o b o t i ca r mm o u n t e d o na n a l o gt r u n k t h ec o n t e n ta sb e l o w ： f i r s t l y , d e c i d ep r o p e rd o fa n dj o i n ts t r u c t u r eo ft h er o b o t i ca n t i ，c h o s ep r o p e r t r a n s i l l i s s i o np r o je c ta n dw h o l ea r c h i t e c t u r ef o rt h ea r i i la c c o r d i n gt ot h eh i g hr i g i d i t y a n dl a r g ew o r ks p a c e c o m b i n e dt h ea r c h i t e c t u r et h e o r y , a n a l y s i sa n dd e s i g n t h e f m l c t i o na r c l l i t e c t u r eo ft l l er o b o t i ca r m i ti n c l u d e st h eg r i p p e r , w r i s t ，s m a l la r l n ，b i g a 旺n 让l eb a s ea n ds oo n t h ew h o l es t r u c t u r eo fa r l t li s s e l e c tw i t hc o n s i d e r i n gt h e w e i g h ta n dv o l u m e o ft h ea r m 。 s e c o n d l y , t h ea n a l y s i s ，t h ek i n e m a t i c so ft h er o b o tm a n i p u l a t o rk i n e m a t i c sm o d e l a c c o r d i n gt ot h el a wm a n i p u l a t o rd i r e c tk i n e m a t i c sa n di n v e r s ek i n e m a t i c s s o l u t i o n ， a n dv e c t o ri n t e g r a t i o nm e t h o d t od e r i v et h em a n i p u l a t o rj a c q u e st h a nt h em a t r i x ，t h eu s e o f 虹n e t i ct h e o r yt od r a wt h ew o r k s p a c eo ft h em a n i p u l a t o r t h ec o m b i n a t i o no fw o r k s p a c eo nt h eb o o ma n da r l t lr o dl e n g t h r o dl e n g t hp a r a m e t e r a r g u m e n ts i z ei n t e g r a t e dt og e tt h eb e t t e ro f t h e a g a i n ，t h er e s e a r c hp e r f o r m a n c e o ft h em a n i p u l a t o rm a n i p u l a b i l i t ya n dr o b o t p e r f o r m a n c ei nb a r r i e rc a p a c i t ya sa r e s e a r c ho b j e c t ，c o m b i n e dw i t ht h ec o n c e p to ft h e r o b o i t i c 踟mo b s t a c l ea v o i d a n c e t o a n a l y z et h ee n t i r es y s t e m ，o b s t a c l e a v o i d a n c e c r i t e r i o n ，w h i l et h ee s t a b l i s h m e n to fe n v i r o n m e n t a lm o d e la r n lr o b o tm o d e la n dt h e i i i a c t u a le n v i r o n m e n tm o d e lu n d e rt h ec o n d i t i o n so f t h eo p t i m a lp a t h ，a n dt h e ns e l e c t e db v t h eg e n e t i c a l g o r i t h m ，t h i sp a t hc a nb eu s e df o ra c t u a lo p e r a t i o na n dr o b o t d r i v e n p r o g r a m m i n g f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ea l m so ft h er o b o tc o n t r o ls y s t e ma n dh a r d w a r es y s t e m s t h ec o n t r o lm o d u l e a n dt h e nb a s e do nt h ea c t u a lc o n d i t i o n sc o m b i n e dw i t hv a l 3 p r e p a r a t i o n o ft h e p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，c o n n e c tt h em e c h a n i c a lp a r t so ft h e c o m m i s s i o n i n g ，a n do nt h i sb a s i s ，s o m ee x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n k e yw o r d s ：l o a d i n ga n du n l o a d i n g ，d u a la l t nr o b o t ，i n s t a l l m i o n ，m a n i p u l a b i l i t y , p a t h p l a n 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景，目的和意义 1 1 1 课题的研究背景 从人类制造出第一台可以控制的机器人到目前有将近6 0 年了，在这一个甲 子的时间里，随着计算机技术和自动控制理论的发展还有工业生产的需求的不断 提高，机器人技术的发展也经历三代： 第一代是可编程示教再现型机器人，他是通过一个计算机，来控制一个多自 由度的机械。他通过示教存储程序和信息，工作时再对信息进行提取，并且发出 指令，这样机器人就可以重复示教时的结果，在现出示教时的动作。例如：船舶 电焊机器人，只要把电焊过程示教完成之后，机器人总是重复这一动作，机器人 对于外界环境没有任何感知和反馈，这种操作力的大小，工作对象存在与否，焊 点的好坏，机器人本身并且不进行评估： 第二代是基于传感器具有一定自主能力的机器人，也就是带有自我感觉的机 器人这种有自我感觉的机器人是模拟人的某种感觉功能，比如说视觉、嗅觉、触 觉、听觉之类。有了感觉的机器人在实际工作中能够将来本身与环境协调。尤其 是在2 0 世纪6 0 年代末，传感器技术得到飞速发展，为带感官的机器人发展来了 飞跃的契机； 第三代就是智能机器人。机器人的技术发展在很大程度上改变着我们的实际 生产。也是我们在从事机器人研究上所追求的一个理想中的最完美阶段。从理论 上来说只能机器人是一种带有思维能力和学习能力的机器人，能根据实际情况对 所给予的任务自主设定工作流程，并且在设计的过程中完全不需要人类对其进行 干预。由于受到各种技术的限制，智能机器人目前还是只是一个相对的概念很多 时候也只是停留在理论或者实验室中，真正意义上的智能机器人实际上并不存 在。 然而目前由于人工智能、计算机科学、传感器技术以及其他相关学科的长足 进步，使得机器人的研究在高水平上运行，同时也为机器人在实际生产应用中提 出了更高的要求。但是，机器人自诞生以来，特别是工业机器人基本都是开发者 基于自己的独立设计进行综合开发，采用专用机器人、专用计算机语言、专用机 床。这样的封闭机器人系统已经不能满足现代工业的发展的要求。随着机器人技 术的发展。针对工业机器人的封闭系统，开发具有开放式的模块化、标准化的产 业机器人系统是当前机器人实际应用中的一个重要发展方向。近几年，欧洲、美 国和日本都在开发具有开放性的产业机器人。我国8 6 3 计划关于智能机器人主题 重庆大学硕士学位论文 也对这个方面进行了研究立项h 。 由于机器人方面的软件和硬件还有各种相关技术飞速发展，如果开发一个完 全开放的能够完成全套工序的标准化产业机器人系统存在一定的困难。但是整合 现有技术打破产业机器人的封闭局面，开发一个结构开放。功能模块化的标准机 器人进行工序中的一部分还是完全可行的，比如使得此机器人系统能够完成上下 料这道工序。本课题组在王家序教授的带领下，受到国家自然科学基金项目：新 型高性能传动件及系统的可靠性设计理论与方法( 项目编号：5 0 7 3 5 0 0 8 ) 资助， 对于重庆第二机床厂c h k 4 6 0 型数控车床和s t a u b l i t x 9 0 机器人进行整合，可以 为我国在相关领域的研究工作起到一定的借鉴作用。 使用机器人代替人工完成生产实际中的繁重而单调的上下料工作，是实现生 产高效、高速、高质量的生产的必要手段，也是现代机械制造业的重要发展方 向。机器人在作业之前必须进行编程或者示教，描述机器人的运动轨迹，使得机 器而能够获取所要到达的位置和姿态等信息，并且同时规定机器人所要完成的动 作和工作中的具体内容。机器人能够胜任这些复杂工作的特点是以下两个方面的 原因决定的”1 ： 通用性：机器人的通用性取决于其几何特性和机械能力。通用性指的是某种 执行不同功能和完成多样性的简单任务的实际能力。通用性也意味着，机器人具 有可变的几何结构，即根据生产工作需要进行变更的几何结构。也就是说，在机 械结构上允许机器人执行不同的任务或者以不同方式完成同一工作。现在的大部 分机器人都具有不同程度的通用性，包括机械手的机动性和控制系统的灵活性。 由此，可以知道因为机器人的通用性使得使用机器人的代替繁复的工作比如 上下料是一个机器人在工业生产中很重要的一个实际应用。 适应性：机器人的适应性是指对环境的自适应能力，即所设计的机器人能够 自我够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计 到环境变化。这一能力的要求机器人认识其环境，即具有人工知觉。在这个方 面，机器人使用它的下述能力： 运用传感器感测环境的能力； 分析任务空间和执行操作规划的能力； 自动指令模式能力。 迄今为止，虽然所有已经开发的机器人知觉与人类对环境的解释能力相比， 仍然是十分有限的，但是机器人在某些对于环境知觉要求不是那么大的工作环境 中代替人类已经是十分成熟的技术。 并且随着机床加工技术的不断提高，以及对机床在加工过程中工件上下料方 式要求的提高，机器人在机械加工中的自动化应用由此产生，并在各个机床加工 1 绪论 领域得到越来越广泛的应用。例如在用在加工发动机缸体等大型零件时，负载可 达几十甚至上百公斤，这类零件通常是批量化加工，数量大，需要机床2 4 小时 连续运行。在欧美等发达国家早已采用机器人代替人工自动上料和下料，从毛坯 开始到加工成成品，整套生产线全部采用机械手来完成，已成为现代加工生产技 术的主流发展方向”1 上下料机器人机械结构及特点：上下料机器人采用模块化设计，可以进行各 种形式的组合，甚至可以组成多台联机生产线。组成部分有：基座、机械臂、控 制系统、上下料仓系统，灵巧手等系统。各模块在机械上彼此相对独立，亦可以 在一定范围内进行任意组合，可实现对车床、加工中心、插齿机、电火花、磨床 等设备的自动化生产。 上下料机器人的安装调试可以与加工机床分开进行，机床部分为标准机即 可。机器人部分是一个完全独立体，即便在现场也可以对已经购买的车床机械自 动化改造和升级。 在此类系统内机器人的系统工程是整体自动化生产的大脑，即可以独立工 作，也可以协调合作，顺利完成生产。机器人控制系统功能： 机器人运行轨迹进行编程； 对各部分机构独立操作； 提供必要的操作指导以及诊断信息； 能协调机器人与机床之间的工作过程； 控制系统具有丰富的i o 口资源，可扩展； 多种控制模式，如：自动，手动，停止，急停，故障诊断。 机器人上下料系统的优越性： 生产效率高：要提高生产效率，必须控制生产节拍。除了固定的生产加工节 拍无法提高外，自动上、下料取代了人工操作，这样就可以很好的控制节拍，避 免了由于人为因素而对生产节拍产生的影响，大大提高了生产效率。 工艺修改灵活：我们可以通过修改程序和灵巧手，迅速的改变生产工艺，调 试速度快，免去了对员工还要进行培训的时间，快速就可投产。 提高工件出场质量：机器人自动化生产线，从上料，装夹，下料完全由机器 人完成，减少了中间环节，零件质量大大提高，特别是工件表面更美观。 在机器人上下料系统中最重要的是机器人部分。机器人是存在多种语言和文 字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器 或人造人，以便能够代替人去进行各种工作”1 。机器人开始帮助人类摆脱重复而 繁杂的任务，并且可以代替人类进入到一个危险的环境内进行工作，所以机器人 最早是在汽车业和核能工业中得到充分使用。随着机器人技术的不断发展，在焊 重庆大学硕士学位论文 接、搬运、装配等场合，已经大量开始使用机器人，另外在军事、海洋探测、航 天。农业、林业甚至是服务娱乐业，也都开始使用机器人p 1 。世界上许多工业发 达国家，如美国，俄国，日本和西欧一些国家的机器人产业也发展的很快。 从6 0 年代末工业机器人开始应用到19 9 8 年底，全世界累计销售机器人数约 为1 0 2 万台，由于许多早期装备的机器人已经退役，据联合国欧洲经济委员会及 国际机器人联合会的估计至2 0 0 7 年，全球新安装机器人的数量将从2 0 0 3 年的 8 18 0 0 套增至2 0 0 7 年的1 0 6 0 0 0 套，年平均增长7 。其中，日本2 0 0 7 年工业机器人 的销售将从2 0 0 3 年的3 1 6 0 0 增长至2 0 0 7 年的4 1 0 0 0 套；欧洲2 0 0 7 年工业机器人 将从2 0 0 3 年的2 7 1 0 0 套增长至2 0 0 7 年的3 4 0 0 0 套；北美2 0 0 7 年工业机器人市场 每年平均增长5 8 ，至2 0 0 7 年将增长到1 6 0 0 0 套【j 。 我国研究机器人的起步时间，其实并不比国外晚很多，7 0 年代初北京自动化 研究所和沈阳自动化研究所就相继开展了机器人技术的研究工作。但是由于种种 原因，机器人技术及应用推广在我国十分缓慢。这种情况一直到9 0 年代初才有 所好转，早期的“八六三”计划已经把机器人技术作为重要的攻关内容，国家科委 和国家自然科学基金委员会也都相继资助了一些有关机器人的研究项目。在高等 学校中也陆续开展了机器人的教学课程和机器人技术的研究工作。目前在我国也 已把智能机器人列入国家高技术计划，足以证明政府有关部门对发展智能机器人 的高度重视。并且我国的智能机器人研究与开发己取得丰硕成果。我国现有机器 人研究开发和应用工程单位2 0 0 多家，其中从事工业机器人研究和应用的有7 5 家，公开发生产各类工业机器人约8 0 0 台，9 0 以上用于生产中，引进工业机器 人做应用工程约5 0 0 台p j 。经过“七五”、“九五”、国家“八六三”计划支持的应用 工程开发，我国第一代工业机器人设计、制造和应用技术已趋于成熟，近几年工 业机器人的开发基本上是按用户需求结合应用工程进行的。从数据上来看，我国 的机器人设计和制造技术与发达国家相比还有较大差距。此外在智能机器人的方 面可以说才刚刚开始起步，其中机器人的实际使用等方面还比较薄弱。 机器人技术的研究对我国的产业升级和装备制造业的提升有很大帮助，它能 够促进我国的机械制造业的根本转变，从而实行跨越式发展。不光在装备制造 业，机器人技术在军用、办公室用和家用机器人也在应用着。可见机器人应用范 围是非常广泛的。 1 1 2 本文的研究目的 本文的目的是对机器人上下料系统中的机械臂进行初始选型、安装，并且使 之满足实际生产的需要。其研究成果可以用于改进上下料机器人并且使得这些机 器人能够很好的满足实际生产的需要。此类机器人的是工矿企业上下料自动化生 产线的核心部分，完成好本课题，具有重要的现实意义。 4 1 绪论 还可以对最初的设计结构加以验证，并且使用运动学理论对机器人运动轨迹 和参数进行合理分析，并且提出一个有效的控制算法，以建立起一种理论与实践 相结合的先进控制方法。 本文的先进性主要体现在，整合了机器人和机床系统，突破了传统工业机器 人的封闭式结构，并具有良好的可拓展性。在功能上，节省了上下料工序的大量 人力资源，同时也是一个良好的机器人实验平台。 1 1 3 本文的研究意义 本课题从不同角度分析来说，有三点意义： 实用性：本课题的研究成果可以用于改进上下料机器人并且使得这些机器人 能够很好的满足实际生产的需要。此类机器人的是工矿企业上下料自动化生产线 的核心部分，完成好本课题，具有重要的现实意义。 学术性：本课题的研究成果可以对最初的设计结构加以验证，并且使用运动 学理论对机器人运动轨迹和参数进行合理分析，并且提出一个有效的线路规划方 法，以建立起一种理论与实践相结合的先进控制方法。 自身性：本课题的研究成果对于本人也是一次很好的工程体验，除了学到很 多有关工业机器人的新知识之外，通过此次锻炼，也将提高自身的工程素养，为 自己日后的工作和学习大下一个良好的基础。 1 1 4 机器人上下料系统的研究现状 目前，针对机器上下料系统的研究已经是科研的热点，其研究的现状和大体 趋势如下： 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机，减速器， 检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。机械 臂和夹持部分也倾向于使用通用组件，从而降低研发和使用成本。 工业机器人控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展。便于标准化， 网络化；集成程度高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大力提高了系统的 可靠性、易操作性和可维护性。 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感 器之外，装配、焊接机器人还采用了视觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术进 行控制；多传感器融合配置技术成为智能机器人的关键技术。实际生产工业机器 人产品的标准化、模块化、通用化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态 仿真。 并且在生产实际中自动化上下料系统已经开始大量运用图1 1 为机器人上下 料系统在发动机生产过程中的使用；图1 2 为机器人上下料系统在啤酒包装中的 使用；图1 3 为双臂机器人上下料系统在汽车零部件生产过程中的使用。 重庆大学硕士学位论文 图1 1 机器人上下料系统实际应用实1 f i 9 1 t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h er o b o t i cl o a d i n ga n du n l o a d i n gm a t e r i a ls y s t e m1 图1 2 机器人上下料系统实际应用实例2 f i 9 1 2 t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h er o b o t i c l o a d i n ga n du n l o a d i n gm a t e r i a ls y s t e m 2 图1 3 机器人上下料系统实际应用实例3 f i 9 1 2 t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h er o b o t i c l o a d i n ga n du n l o a d i n gm a t e r i a ls y s t e m 3 综上所述，为了增加生产线柔性和稳定性，目前国内外使用的机械臂上下料 系统常采用通用工业机械臂和末端执行器。设计该类系统的主要问题是如何针对 应用要求选择通用工业机械臂：因此，如何针对应用要求，设计合适的指标完成 通用工业机械臂选型具有重要的意义。目前，机器人选型和安装中应该充分考虑 可操作度( 即为机器人在某一位形下往各个方向运动的能力做出综合度量，用来 6 1 绪论 衡量机器人的整体灵活性) 、操作空间( 即为机器人在正常运行时，末端执行器 坐标系原点能够达到的空间活动最大范围，或者说该原点可达点的体积空问。) 图1 4 双臂机器人 f i 9 1 4 d u a la r mr o b o t 1 2 机械臂轨迹规划研究现状 1 2 1 轨迹规划的基本概念 所谓轨迹，是指操作臂在运动过程中的位移、速度和加速度。而轨迹规划是 根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹。通常将操作臂的运动看作是工具 坐标系相对于工作坐标系的运动。对于点位作业，需要描述它的起始状态和目标 状态，对于曲面加工，不仅要规定操作臂的起始点和终止点，而且要指明两点之 间的若干中问点( 称路径点) 、必须沿特定的路径运动( 路径约束) 。这类称为连 续路径运动或轮廓运动。在规划机器人的运动时，还需要弄清楚在其路径上是否 存在障碍物( 障碍约束) 。 f o 轨迹规划可看成是黑箱r 1 ，其输入包括路径的“设定”和“约束”，输出是操作 臂末端手部的“位姿序列”，表示手部在各个离散时刻的中间形位。操作臂最常用 的轨迹规划方法有两种：第一种要求用户对于选定的轨迹结点( 插值点) 上的位 姿、速度和加速度给出一组显式约束( 例如连续性和光滑程度等) ，轨迹规划器 从一类函数( 例如一次或者n 次多项式) 中选取参数化轨迹，对结点进行插值， 并满足约束条件。第二种方法要求用户给出运动路径的解析式；如直角坐标空间 中的直线路径，轨迹规划器在关节空间或直角坐标空问中确定一条轨迹未逼近预 定的路径。第一种方法中，约束的设定和轨迹规划均在关节空间进行。由于对操 作臂手部( 直角坐标形位) 没有施加任何约束，用户很难弄清手部的实际路径， 因此可能会发生与障碍物相碰。第二种方法的路径约束是在直角坐标空间中给定 重庆大学硕士学位论文 的，而关节驱动器是在关节空间中受控的。因此，为了得到与给定路径十分接近 的轨迹，首先不许采用某种函数逼近的方法将直角坐标路径约束转化为关节坐标 路径约束，然后确定满足关节路径约束的参数化路径。 轨迹规划既可在关节空间也可在直角空间中进行，但是做规划的轨迹函数都 必须连续和平滑，使得操作臂的运动平稳。在关节空间进行规划时，是将关节变 量表示成为时间的函数，并规划它的一阶和二阶时间导数；在直角空间进行规划 是指将手部位姿、速度和加速度表示为时间的函数。而相应的关节位移、速度和 加速度由手部的信息导出。通常通过运动学逆解得出关节位移，用逆雅克比求出 关节速度，用逆雅克比及其导数求解关节加速度。 用户根据作业给出各个路径结点后，规划器的任务包含：解变换方程、进行 运动学反解和插值运算等；在关节空间进行规划时，大量工作是对关节边路的插 值运算。 关节轨迹的插值：为了求得在关节空间形成所要求的轨迹，首先运用运动学 逆解将路径点转换成关节矢量角度值，然后对每个关节拟合一个光滑函数，使之 从起始点开始，依次通过所有路径点，最后到达目标点。对于每一段路径，各个 关节运动时间均相同，这样保证所有关节同时到达路径点和终止点，从而得到工 具坐标系应有的位置和姿态。但是，尽管每个关节在同一段路径中的运动时间相 同，各个关节函数之间却是相互独立的。 总之，关节空间法是以关节角度的函数来描述机器人的轨迹的，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，计算简单，容易。再者， 由于关节空间与直角坐标空间之间不是连续的对应关系，因而不会发生机构的奇 异性问题。 在关节空间中进行轨迹规划，需要给定机器人在起始点、终止点手臂的形 位。对关节进行插值时，应满足一系列约束条件。在满足所有约束条件下，可以 选取不同类型的关节插值函数，生成不同的轨迹。插值方法有：1 、三次多项式 插值；2 、过路径点的三次多项式插值；3 、高阶多项式插值；4 、用抛物线过渡 的线性插值；5 、过路径点的用抛物线过渡的线性插值。 1 2 2 笛卡尔空间规划法： 笛卡尔空间规划法步骤如下r ： 物体对象的描述： 相对于固接坐标系，物体上任一点用相应的位置矢量表示，任一方向用方向 余弦表示，给出物体的几何图形及固接坐标系后，只要规定固接坐标系的位姿， 便可重构该物体。 作业的描述： 1 绪论 在这种轨迹规划系统中，作业是用操作臂终端抓手位姿的笛卡尔坐标结点序 列规定的，因此，结点是指表示抓手位姿的齐次变换矩阵。相应的关节变量可用 运动学逆解程序计算。 两个结点之间的“直线”运动： 操作臂在完成作业时，抓手的位姿可以用一系列结点p 来表示。因此，在直 角坐标空间中进行轨迹规划的首要问题是由两结点只和p 。，所定义的路径起点和 终点之间，如何生成一系列中间点。两结点间最简单的路径是在空间的一个直线 移动和绕某轴的转动。若运动时间给定之后，则可产生一个使线速度和角速度受 控的运动。 两段路径之间的过渡： 为了避免两段路径衔接点处速度不连续，当由一段轨迹过渡到下一段轨迹 时，需要加速或减速。 运动学逆解的有关问题： 主要是笛卡尔路径上解的存在性( 路径点都在工作空间之内与否) 、唯一性 和奇异性的问题分为以下三类： 第一类问题：中间点在工作空间之外。在关节空问中进行规划不会出现这类 问题。 第二类问题：在奇异点附近关节速度激增。比如p u m a 这类机器人具有两种 奇异点：工作空间边界奇异点和工作空间内部的奇异点。在处于奇异位姿时，与 操作速度( 笛卡尔空间速度) 相对应的关节速度可能不存在( 无限大) 。可以想 象，当沿笛卡尔空间的直线路径运动到奇异点附近时，某些关节速度将会趋于无 限大。实际上，所容许的关节速度是有限的，因而会导致操作臂偏离预期轨迹。 第三类问题：起始点和目标点有多重解。问题在于起始点与目标点若不用同 一个逆解，这时关节变量的约束和障碍约束便会产生问题。 重壅奎堂堡圭堂篁笙壅 图1 5 本文工作流程图 f i 9 1 5w o r kf l o wc h a t 1 3 本文主要研究的内容 本文开展了以下的研究工作： 研究分析了双臂机器人上下料系统的形状与研究背景； 双机械臂上下料系统的机械结构选型： 双机械臂上下料运动学分析以及可操作度的仿真研究： 双机械臂机器人的轨迹规划方法： 双机械臂上下料系统的相关实验。 工作流程如图1 5 所示。 2 上下料系统中双机械臂的方案设计 2 上下料系统中双机械臂的方案设计 2 1 引言 上下料系统的结构种类很多，但是配合机械臂的上下料整体布局可以借鉴的 并且不是很多。因为实际生产中大部分上下料还是人工完成为主，并且大部分机 械臂上下料存在占地面积大，上下料缓慢等各种问题，对于针对机器人上下料需 要设计一个合理的整体布局。并且在机器人上下料系统中最主要的是关于机器人 的选择，必须能够达到实用化的要求。并且除了实用性之外，还应该使得安全性 达标，并且还要保持其工作效率。本课题研究的机器人选择了用动力直接驱动关 节，这样可以大大减少传动链，提高机器人的传动效率，并且使用双臂布局，使 得系统内的机器人有较好的工作分工，从而能够更好的进行实际生产。当然设计 此整体布局美观大方也是需要考虑的一个重要因素，因此机器人的重量，各个杆 的长度、分布、外观、对机器人的选择都是十分重要。 2 2 工作场景与设计要求分析 2 2 1 工作场景 本文针对数控车床进行双机械臂上下料系统研究。其工作环境如图2 1 ，2 2 所示： 羲羲毒嘉 雕鲴 话链 蔓* 崔蜜莲蒌 o of = _ 日。 莲蔓霉= 蔷蠢， f 习目 e 爿f = ：习， 吲 = = 叫 塞襄漕馨未毪鼙 i 靖箍最瘫蠡e = 刊 | ：= = ：刊 ，、目 = ：= ：一，。 l 【_ j 7 u 图2 1 上下料系统平面图 f i 9 2 1t h ef l o o rp l a no ft h el o a d i n g u n l o a d i n gm a t e r i a ls y s t e m 重庆大学硕士学位论文 图2 2 上下料系统三维图 f i 9 2 2t h e3 di l l u s t r a t i o n o f t h el o a d i n g u n l o a d i n gm a t e r i a ls y s t e m 2 2 2 设计要求分析 根据安全性，美观性等综合考虑总体布局如下图2 1 所示。 根据实际工作情况要求机械臂放置在模拟躯干上，代替人手进行上下料工 序，并且机器人必须拥有足够自由度，能够顺利完成实际生产任务，由于在此系 统上进行日常的实际生产任务，要求机器人重量轻、体积小、安全性能好，具备 稳定性等特性。针对实际生产中的要求，对机器人提出了以下要求： 机械臂最大重量为：1 1 6 k g 工作负载：2 0 k g ( 包括执行机构，应为3 0 k g ) 机械臂最大伸长量：1 4 3 0 m m 最大关节角速度为3 0 0 s 我们可以知道在此上下料系统内对于机器人机构的选型是非常关键的问题， 对于机构选型的成败，将直接影响到此系统能否顺利的进行实际的生产实践。为 此，我们要按照以下原则进行选型： 合理的自由度：配合实际工作环境选择机器人机构，合理选择机械臂的自 由度数，并能够顺利整合到工作环境中。 具有极佳的工作空间：能够满足实际生产中的各种动作的需求，机器人末 端工作构件能够到达工作范围内各个任务点。在实际工作范围内没有死区。一般 并且可以这么认为工作范围越大，其通用性，模块化程度也越高，能完成动作就 越多，对于实际工作也能更好的完成。 机构形式要适合：这一部分关系到运动副的合理选择，电机如何能够提供 最好的路线和传递方式，驱动装置的最佳速比和空间配置等。如果机构设计不合 理，就会出现运动干涉、机构碰撞。驱动装置过载等等问题卜“。 机器人机构简单紧凑：系统越复杂越不稳定反之亦然。所以此机器人应该 是结构简单、紧凑，这样才能减少工作空间并且具有良好的稳定性。 1 2 2 上下料系统中双机械臂的方案设计 具有尽量小的体积和重量：体积越小，重量约轻，在实际工作中稳定性 高，消耗能量少并且方便控制，安全系数高。 具有较高的安全性：因为机器人虽然安装在车床附近，但是还是为人类进 行服务，必须保证其稳定性和安全性，否则对人造成伤害。 初步设计方案为根据仿生学模仿人类上半身安装调试一台可以用于上下料的 双臂机器人。 2 3 机械臂夹持器的选型 开始选取工作之后，首先要选取的就是机械臂的末端执行机构，根据手抓构 型方案，手爪应为两指开合式平移结构，传动的平移式开合式抓取机构很多。末 端执行机构基本只在两指开合夹持机构和多指机构，普通的开合夹持机构，抓取 工件动作简单，虽然在夹持复杂外形物体的能力方面不足，但是在此系统内工件 基本为统一的圆柱体，因此两指开合机构是最好的选择，原因是机构实现简单， 操作容易，控制方便，成本也较低。 我们选择将液动件放置在手爪根部中心部位，电机驱动液压件运行压缩从而 带动爪座向内运动，从而使指尖变成一个平行四边形，利用平行四边形的特性， 使手爪在开合过程中，指尖的啮合一直都是保持相对。其中一个抓面为三个抓 指，另外一面为两个抓指，闭合时候能个互相错开而使抓尖不发生碰撞。 图2 3 末端执行机构 f i 9 2 3 e n de f f e c t o r 1 3 重庆大学硕士学位论文 选取这种手爪的时候，做了相应的安全性能考虑。液压件有自锁性能。若是 手爪在工作过程中突然断电，手爪本身也能保持夹紧状态，而手爪的夹紧力来自 液压的收缩力，就是突然断电也不会出现将工件坠落地上，从而伤害到工作人员 和对工作环境以及工件造成损坏【1 2 。 该执行机构重l o k g ，因此，机械臂的末端工作负载应为2 0 蚝。 2 4 机械臂构型的选型 机械臂分成臂身和手腕，其中机械臂臂身是整个机器人系统内最重要的部 分，用来支持各个关节和末端机械手，而且带动它在实际的工作空间中运动，它 能够决定末端机械手的位置。为了使得末端机械手能够达到工作空间中的任意位 置，机械臂臂身一般至少需要三个自由度 1 3 】。 润瀑黼 彩疆冒 麓辚装雠熬鞯簧懒举耧燕节萱 图2 4 比较常见的关节型手臂结构 f i 配4t h ec o m m o n l ys e e l ls t r u c t u r eo f t h ej o i n tt y p er o b o ta l m 1 4 2 上下料系统中双机械臂的方案设计 腕部是机器人系统中另外一个关键性运动部件，它用来支持末端机械手，使 得末端机械手能够在工作空间内进行夹持作业，并且它还决定了末端机械手的姿 态，根据机器人在生产中的实际要求，综合考虑结构简单，方便控制，而且能够 完美完成生产中的一些动作，三自由度的臂身能够完成末端机器人到达工作空间 内的任意位置，此外还需要三自由度的腕部结构来保证末端机械手的技巧姿态。 所以确定此系统内的机器人系统为六自由度串联结构来完成全方位的运动。 六个旋转自由度和末端机械手的张合组成了机器人的串联结构。在同样的空间条 件下，关节型机械臂比非关节型机械臂拥有大的多的相对活动空间( 手腕可以达 到的最大空间与机械臂本体外壳体积之比) 和绝对工作空间。此外还有结构紧凑 的特点，同时关节型机器人的动作和运动轨迹更加灵活，所以此系统内机器人采 用关节型机械臂结构。 对于关节的选取来说，比较之下，旋转关节相对于平移关节来说，操作空间 大，结构紧凑，重量轻便，关节处易于密封从而达到比较好的防尘效果。由于有 以上的优点，结合负载和控制精度要求，在本系统内优选选择旋转关节”。 塾8 疑粼 图2 5 三自由度手腕结构 f i 9 2 5 t h r e ed e g r e eo ff r e e d o mw r i s ts t r u c t u r e r b r 在上述几种关节结构里图( b ) ，( e ) 里面都有两个平移关节导致整个手臂的刚 度地下，并且结构繁复，精度较低，所以放弃采用。图( b ) ，( d ) 中都有一个平移 重庆大学硕士学位论文 关节，并且分析虽然图( b ) 的工作空间是个圆柱体，图( d ) 的工作空间是个半 球体，但是中间有些点达不到；并且刚度也较低，而且工作空间远不如图( a ) 结构 的大，经过比较图( a ) 的结构刚度较高，结构紧凑。所以采用图( a ) 所示的机构构型 作为决定机器人位置的臂身的前三个关节结构。 机器人的手腕机构构型也多种多样，常见的有b b r 型、b r r 型、r b r 型和 r r r 型等四种。 其中b 表示弯曲结构，表示组成手腕关节的运动构件的轴线在工作过程中的 相互角度有变化。r 表示转动结构，表示组成手腕关节的相邻运动构件的轴线在 工作过程中相互角度不变化。 手腕弯曲结构尺寸大，但是能达到的空间也比较大，相对来说旋转结构的机 构虽