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哈尔滨理工大学学士学位论文五自由度机械臂设计摘 要本设计主要介绍关于工业机器人的一些知识和原理，包括工业机器人的组成、分类、主要技术性能参数和工业机器人的运动分析。本设计的总体内容是根据移动机构的移动能力指标，比较现有移动机构的性能特点，确定移动机构的最佳移动方式；设计一个五自由度关节式机械臂，确定五自由度工业机器人的主要技术参数和传动关系，并通过对工业机器人的动力计算为各部位选择合适的驱动电机；确定五自由度工业机器人设计计算机控制系统方案以及为所设计的五自由度工业机器人进行Pro/E建模。本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合设计的要求，并参考通用型机器人的结构，进行五自由度工业机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。本文所设计的机械手臂主要由手爪、腕、小臂、大臂和基座组成，同时用Pro/E对其进行了三维建模，可用于搜索、抓取水下管件、缆线等细长物体，也可用于抓取其它形状的物体，具有一定的通用性。机器人能自动控制，多功能，有五个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。关键词五自由度；工业机器人；三维建模59Design of Five Degrees of Freedom of Rbotic ArmAbstractThis design focuses on some knowledge and principles of industrial robots, including the composition of industrial robots, classification, the main technical performance parameters and the motion analysis of industrial robots. The overall content of this design is the ability to move of the moving mechanism based on indicators, comparing the performance characteristics of existing mobile mechanism, to determine the optimal movement mechanism moves; design a joint manipulator of five degrees, to determine five degrees of freedom of an industrial robot main technical parameters and transmission relations and through various parts of the dynamic calculation of industrial robots to choosing the right drive motor; identified the computer control system programs of the design of five degrees of freedom of industrial robots, as well as build a Pro / E model of the design of five degrees of freedom of industrial robots. The authors in reference to large number of documents on the basis,combination of design requirements, and with reference to the structure of general-purpose robot for five degrees of freedom industrial robot design and design the computer control system. The robotic arm of this article is designed mainly by gripper, wrist, forearm, arm and base composition, while using the Pro / E computer program be a three-dimensional modeling,the robotic arm can be used to search for, capture pipe fittings underwater, cables, and other fine or long objects, it can also be other shapes objects for gripping, a certain versatility. Robot can automatically control, multi-functional, there are five degrees of freedom,it can be fixed or moving, for the related automation systems.Keywords Five degrees of freedom, industrial robot, 3D modelling目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 工业机器人的组成21.3 工业机器人的分类21.4 工业机器人主要技术性能参数31.5 课题的总体内容41.6 本章小结4第2章 机械臂的结构设计52.1 五自由度工业机器人的主要参数52.2 五自由度工业机器人结构52.3 五自由度工业机器人的动力计算62.4 本章小结15第3章 机械臂的Pro/E建模163.1 创建零件163.2 装配183.3 制作装配动画193.4 本章小结21结论22致谢23参考文献24附录A25附录B29第1章 绪论1.1 课题背景机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义1：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，现在已开始普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用2。1.2 工业机器人的组成机械加工中使用的机器人大多是代替人上肢的部分功能，按给定的程序、轨迹和要求进行工作。它主要由执行系统、驱动系统、控制系统及检测系统组成。1. 执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身和行走机构等。(1) 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。(2) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。(3) 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理荷重，并把它传递到预定的位置。(4) 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 2. 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。3. 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。4. 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求3。1.3 工业机器人的分类工业机器人的分类方法很多，这里主要以工业机器人的驱动方式、控制功能、编程方式、控制机构、坐标形式、自由度数以及抓取重量的不同进行分类。1. 按驱动方式分为液压传动，气压传动和电动。2. 按控制功能分为重复型和智能型。重复型机器人能够按照事前编制的程序重复自动的工作。目前，机械加工系统中应用的工业机器人几乎都是这种。智能型机器人除具有重复型的功能外，还具有视觉、触觉、识别和判断功能等。3. 按编程方式分为可编程序式和示教再现式。4. 按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制。点位控制是指机器人的运动，只控制空间点的位置，而不控制由一个定位点到另一个定位点之间的运动轨迹。连续轨迹控制是指能控制机器人的运动轨迹为空间任意曲线。5. 按控制机构分为开关型和佩服型。开关型机器人是通过机械挡块、行程开关等电器触头的开关动作，得到位置信号，从而控制运动部件定位。这种机器人结构比较简单，只能用于点位控制，难于实现复杂运动。佩服型机器人是根据连续输入指令，经过信号扩大，由佩服驱动机构控制运动。通常采用位置检测机构，检测机器人运动部件的位置和姿态变化，以控制机器人运动部件的准确定位。这种机器人可获得良好的运动特性，定位精度高，不仅适于点位控制，而且适于连续轨迹控制。6. 按坐标形式分为直角坐标式机器人、极坐标式机器人、圆柱坐标式机器人和多关节式机器人。7. 按自由度数分，机器人的自由度数越多，能用性就越广，但结构复杂。一般4到6个自由度即能满足稍复杂的使用要求了。8. 按抓取重量分大型、中型、小型和微型。大型机器人的抓取重量为100kg以上；中型机器人的抓取重量为10100kg；小型机器人的抓取重量为110kg；微型机器人的抓取重量为1kg以下4。1.4 工业机器人主要技术性能参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：1. 抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。2. 抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。3. 坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。4. 运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。5. 运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200400mm/s；回转速度最大为180/s，一般为50/s。6. 定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。1.5 课题的总体内容1.根据移动机构的移动能力指标，比较现有移动机构的性能特点，确定移动机构的最佳移动方式。2.设计一个五自由度关节式机械臂。确定五自由度工业机器人的主要技术参数和传动关系，并通过对工业机器人的动力计算为各部位选择合适的驱动电机。3.确定五自由度工业机器人设计计算机控制系统方案。4.为所设计的五自由度工业机器人进行Pro/E建模。1.6 本章小结本章主要介绍了本设计的课题背景，工业机器人的组成、分类和主要技术性能参数以及本设计的总体内容。第2章 机械臂的结构设计2.1 五自由度工业机器人的主要参数1. 自由度数：N5 2. 抓取重量：P250N 3. 手臂伸缩：L500mm，v=0.5m/s 4. 手臂俯仰：45，30/s 5. 手臂回转：220，30/s 6. 手腕摆动：90，60/s 7. 手腕回转：300，120/s2.2 五自由度工业机器人结构以KUKA IR-662/100型机器人为参照，具有五个自由度，有六个控制轴，采用直流伺服控制。图纸A1-04为其传动原理图：1. 主要技术参数表2-1 技术参数项目技术参数结构型式空间多关节式自由度数5个驱动方式直流伺服电动机驱动腕部最大重量(抓取重量)250N操作方式示教再现/脱线编程 (1) 采用空间多关节式结构，工作范围比其它结构形式要大； (2) 轴控制机器人腰座旋转，伺服电动机轴上的小齿轮旋动腰部轴承带轮齿的内环完成运动；轴、轴分别控制大小臂的运动，其传动是通过滚珠丝杠螺母副来完成，传动刚度高；、轴控制腕部运动，伺服电动机通过(轴除外)齿形带轮、齿形带轮副、谐波减速器等来完成腕部运动； (3) 对影响精度的主要传动部分均采用锥滚子轴承，向心推力球轴承； (4) 腕关节传动比分配采用先小后大的原则，谐波减速器放在最末一级，减少传动零件的尺寸和重量；(5) 对细长管轴，大量采用焊接工艺，以减少机械加工量，降低成本； (6) 对大质量零件均采用铝材，如腕部全部采用高强度铸铝材料，从而大大减轻整机重量5。表2-2 传动关系轴号传动级数第一级第二级第三级第四级第五级2谐波减速器(i1)齿轮副(Z1/Z2)_1滚珠丝杠螺母副_1滚珠丝杠螺母副_5同步带(Z3/Z4)齿轮副(Z11/Z12)同步带(Z13/Z14)齿轮副(Z15/Z16)蜗轮蜗杆(Z17/Z18)3同步带(Z5/Z6)齿轮副(Z9/Z10)谐波减速器(i3)_2同步带(Z7/Z8)谐波减速器(i2)_2. 平衡系统由于自重、承重较大，工作时运动惯性亦较大，为使小臂接近静平衡，将伺服电动机组件、齿形带轮等大质量零部件布置在与腕部相对的另一端。在此质量静平衡的基础上，机器人还配置气动平衡系统，用两组平衡气缸分别对大臂、小臂进行平衡。通过改变气缸压力来补偿负荷变化对平衡的影响。气动平衡系统除气包外均放置在机器人外部。2.3 五自由度工业机器人的动力计算1. 手部夹紧力的计算N 9.8 k1 k2 k3G ( N )(2-1)G 抓取工件的重量（kg）k1 安全系数，取1.22.0k2 工作状况系数，可按k2=1+计算 a为机器人托运工件过程中的加速度的绝对值。k3 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选择，这里选k3=1.03所以： N9.8 k1 k2 k3 G =2503370.8 ( N )2. 手指驱动力 P (2-2) 1991.7（N）蜗轮蜗杆传动效率10.97销的传动效率20.9总传动效率120.970.90.873实际驱动力 P实2281.4（N）图2-2 手指传动示意图3. 手指驱动电机的选择手指夹开的速度为60/s，蜗轮蜗杆传动比为29：1(1) 考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动，精度8c GB10089-88，蜗杆用35CrMo，表面淬火，硬度为45-85HRC，表面粗糙度Ra1.6 um，蜗轮轮缘选用ZCaSn10P1金属铸造。(2) 传动比i=参考表机械设计手册第二版，第四卷 表35.5-5，取Z1=1，Z2=iZ1=29查表35.5-6选取a=40,i=29,m=2d1=22.4,Z1=1,Z2=29蜗轮分度圆直径：d2=mZ2=229=58导程角r=arctan (2-3) =arctan=5.1蜗杆转矩： P1P实tg (2-4)2281.4tg5.1203.6 N T2.28Nm图2-3 蜗杆转矩受力分析蜗杆转速v160/s=1740/s290 r/min30.35 rad/s电动机功率：Pm（1.5 2.5）MLP 负载峰值力矩（Nm）LP 负载峰值转速（rad/s） 传动装置的效率，取0.70.9Pm2 (2-5)而MLPT，LPv1，0.8Pm2173 W所以：查实用机械电气技术手册电机篇表1315选伺服电机型号为：110SZ52,185W,1500r/min，220V选取同步带的传动比为=1.875 齿轮副的传动比为=1.5同步带的传动比为=1齿轮副的传动比为=1.844. 腕摆电机的选择 腕摆转速60/s10 r/min估计腕重为50kg总重G(50+25.5)g 75.59.8739.9 NF8.7NF实10.88N谐波效率TT实10.88282.88Nmm0.28Nmm图2-4 腕摆力矩分析示意图腕摆LP1085850r/min88.97rad/sPm2262.28W(MLPT，LPv1，0.8)所以：查实用机械电气技术手册电机篇表1315选伺服电动机型号：90SZ52，1500 r/min，80W，220V选取齿轮副的传动比为=1谐波减速器i3的传动比为i3=80同步带的传动比为=1.8755. 手腕回转驱动电机的选择：手腕回转转速120/s20 r/min回转转矩：McMga+Mf Mga 启动（制动）的过程中的惯性力矩MgaJ0w手臂回转在启动或制动过程中角速度的变化量，就是工作角速度，ww (rad/s)t 启动或制动过程的时间( s )J0 手部、腕部、臂部、机身及工件等回转部件对机身回转轴线的转动惯量(kgm2)Mf 密封装置处的摩擦阻力矩(Nm)Mf (2-6) 效率，取0.850.9 J0=0.096kgm2 MgaJ0 0.0960.672Nm McMga+Mf (2-7) Mga+0.672+1.42Nm LP20r/min136.5rad/s Pm2 2484.6 w所以：查实用机械电气技术手册电机篇表1315选取伺服电动机型号：130SZ04，3000r/min，600W，200V选取谐波减速器i3的传动比为i2=80同步带的传动比为=1.8756. 手臂回转驱动电机的选择： 回转转速：30/s5 r/min选取谐波减速器i1的传动比为i2=80渐开线圆柱齿轮，模数(法面模数)m=1.5齿数Z1=40，Z2=150图2-5 手臂回转示意图 F摩擦Gf550gf5509.80.1539N r =30MLPF摩擦 r16.17NmLP5 r/min0.52 rad/s1.95rad/sPm2278.8w所以：查实用机械电气技术手册电机篇表1315选伺服电动机型号：90SZ52，1500 r/min，80W，220V电机转速为n电=i1 (2-8) = 580=1500r/min符合要求7. 同步带设计：(P=300W,n=3000 r/min) Pc=KAP=1.6600960W=0.96kW参考表机械设计手册第二版，第四卷表33.1-50取载荷修正KA=1.6选取L型，节距Pb9.525mm，Zmin16查表得：小带轮齿数：Z117小带轮节径：d1=51.54mm小带轮外径：查得d0150.78 mm大带轮齿数：Z2=iZ1=1.87517=31.875，取Z232大带轮节径：d2=97.02 mm大带轮外径：查得d0296.26mm,初定中心矩a0=110mm选同步带长及齿数：LP02a0+ 2110+457.94mm查表33.1-47：选LP476.25 mm，Zb50，代号：187理论中心距 aa0 + 110119.2mm故，选取中心距a0=120mm小带啮合齿数：Zn (2-9) 7.43Znmin6基本额定功率：查表33.1-53得Ta=244.46N,m=0.095kg/m,bs0 =25.4mm带速v=4.05m/sP0=0.99Kw所需带宽bs bs=bs0由表33.1-52 查得，L型带bs0=25.4mm,Kz=1bs=25.4=24.72mm由表33.1-48查得，选带宽代号为100的L型带，bs=25.4mm查表选双边挡圈，bf=26.7mm,t=1.5mm带轮的结构和尺寸：传动选用的同步带为187L100小带轮：Z1=17，d1=51.54mmda1=50.78mm大带轮：Z2=32，d2=97.02mm da2=96.26mm图2-6 双边挡圈示意图8. 大臂驱动丝杆的设计估算：等效载荷Fm=1000N,丝杆有效行程270mm,等效转速nm=1500r/min,要求使用寿命Lh =15000h左右，工作温度低于100，可靠度95%，精度为3级精度。(1) 计算载荷Fc= (2-10)查机电液设计手册上册，表15-21得=1.1，=1.0，=1.61，=1Fc= =1.11.01.6111000=1771N = = =19559N(2) 选择滚珠丝杆副的型号主要尺寸为：按=19559N，查表15-24，选用FF3206-5列=32mm,=6mm,=4mm,d=30.9mm27 mm,=24000N ,=1880N螺旋导程角= arctan=arctan=3251螺杆不长，无需验算稳定性。(3) 刚度验算按最不利情况考虑，即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为：=+ (2-11)式中T1=tan(+) =1000tan(+)=996Nmm磨擦系数f=0.025,当量磨擦角=，剪切弹性模量G=8.33N/mm2所以：=+=0.0107m其中，危险截面=28.45，E=2.06每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形=1.78/m()p=15/m因为滚球丝杆精度要求为3级精度，由表15-8查得()p=15/m(4) 计算效率=0.960=96%9. 丝杆驱动电机的选择电机的转速必须满足丝杆的等效转速1500 r/min,选择电机型号为：130SZ01，2.26Nm，1500r/min，350W10. 小臂丝杆和电机的选择设计原理与要求和大臂丝杆及电机相同，丝杆型号为：FF3206-5列，电机型号为：130SZ0162.4 本章小结本章内容主要确定了五自由度工业机器人的主要参数，对五自由度工业机器人的结构进行了设计并完成了五自由度工业机器人的动力计算。第3章 机械臂的Pro/E建模Pro/ENGINEER是世界上拥有用户最多的三维CAD软件，由美国PTC公司出品，其软件产品的总体设计思想体现了MDA（Mechanical Design Automation）软件的新发展，Pro/ENGINEER是一套又设计至生产机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。Pro/ENGINEER其强大完美的功能，使其在工业造型设计、三维模型设计、计算分析、运动学分析、工程图的输出甚至加工成产品等各个方面都有所应用11。三维建模的过程大致如下图3-1：图3-1 建模过程3.1 创建零件1.运行Pro/E程序。2.单击“新建”按钮（图3-2），在“新建”对话框中的“类型”单选框中选取“零件”,在“名称”一栏出输入零件名称，把“使用缺省模板”前面的勾去掉，单击“确定”(图3-3)。选择“mmns_part_solid”,然后单击“确定”（图3-4）。 图3-2 文件 图3-3 新建图3-4 新文件选项3.单击“拉伸”按钮，点选“放置”“定义”（图3-5）,选择FRONT面，单击“草绘”（图3-6）,进入草绘平面。 图3-5 草绘选项 图3-6 放置4.单击“创建圆”按钮，在草绘平面内分别画2个圆（图3-7），单击“确认”按钮。图3-7 草绘图5.在“深度值”处输入3（图3-8），单击“确认”。图3-8 设置深度值6.保存文件，完成建模。3.2 装配1.运行Pro/E程序。2.单击“新建”按钮（图3-2），在“新建”对话框中的“类型”单选框中选取“组件”,在“名称”一栏出输入零件名称，把“使用缺省模板”前面的勾去掉，单击“确定”(图3-3)。选择“mmns_asm_design”,然后单击“确定”（图3-9）。3.单击“将元件添加到组件”按钮，选择零件。4单击“放置”,选择“缺省”（图3-10），确定。图3-9 新文件选项图3-10 放置定义5重复第3步，添加零件。6使用约束将第2个零件装配到第一个零件上。7重复第3步与第6步，将所有零件都装配在一起。8保存文件，完成装配。3.3 制作装配动画 1.运行Pro/E程序，打开已经装配好的文件。 2.选择“应用程序”下的“动画”，进入动画制作界面。3.单击“主体定义”按钮，选择“每个主体一个零件”（图3-11）图3-11 创建主体4.单击“创建新关键帧序列”按钮，在单击“编辑或创建快照”（图3-12），用“主体拖动”对个别零件进行移动。然后点击拍照按钮，重复移动和拍照（图3-13）。5.单击“启动动画” ，运行动画。6单击“回放” ，选择“捕捉”“确定”,动画被保存到组件所在的目录下，完成。 图3-12 关键帧 图3-13 拖动图3-14机械臂装配图3.4 本章小结建立了机械手的三维模型，对机械手运动学和动力学性能进行了仿真研究，分析了运动部件之间的相对关系，完成了机械手抓取不同目标物时的运动学、动力学仿真；机械手采用液压驱动方式，驱动力大、结构简单。结论本文通过对五自由度工业机器人的结构设计，建立了机械臂运动过程模型。又通过五自由度工业机器人的动力计算、建立计算机控制系统方案和对机械臂进行Pro/E三维建模，得到了如下一些结果：1五自由度机械臂可用于搜索、抓取水下管件、缆线等细长物体,也可用于抓取其它形状的物体,具有一定的通用性。2机器人能自动控制，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。3可编程控制器控制系统主要是针对五自由度工业机器人的控制。可编程控制器是通过软件来实现控制的，只需改变软件就可以实现不同的控制要求。在本文结束之际，总结自己所做的工作，受时间和研究水平所限，认为在对机器人自动控制系统进行开发与应用还应进一步深入研究，使机器人具备自动控制工作和机体在外部障碍的影响下进行自动修正的功能。致谢本文是在导师焦波老师的精心指导下和热情关怀下完成的。在论文的整个过程中无不渗透着焦波老师的大量心血。几个月来，焦老师那严谨的治学态度，开拓创新的科研作风，忘我的工作精神和对学生的关爱，无一不让我感动和钦佩，这将使我在今后的工作和学习中受益终身。在此表示衷心的感谢，并致以最崇高的敬意。参考文献1 林来兴空间控制技术M宇航出版社，1992：25-422 DQMcInerny简单的逻辑学C赵明燕 译山西教育出版社，2011：12-173 JRMcDonnell，DWagenEvolving Recurrent Perceptions for Time-Series ModelingJIEEE Transon Neural Networks，1994，5(1) ：24-384 文东辉，刘献礼，李连等PCBN刀具硬态切削加工机理J，机械技术，2001年，第18卷，第6期：24385 SNiwa，MSuzuki，KKimura etcElectrical Shock Absorber for Docking System SpaceCEdited by JRMcDonnellIEEE Intemational Workshop on Intelligent Motion Control，Bogazici University，Istenbul，1990：825-8306 谌颖空间最优交会控制理论方法研究D哈尔滨工业大学博士论文，1992：8-137 河北绿洲生态环境科技有限公司一种荒漠化地区生态植被综合培育种植方法：中国，01129210.5P/OL. 2001-10-242002-05- 28. http:/ /7/sipoasp/zlijs/hyjs-yx-new.asp? recid=01129210. 5&leixin.附录A图A-1为底座尺寸示意图图A-1底座尺寸示意图图A-2为腰关节尺寸示意图图A-2腰关节尺寸示意图图A-3为小臂连杆尺寸示意图图A-3小臂连杆尺寸示意图图A-4为钟形连杆尺寸示意图图A-4钟形连杆尺寸示意图图A-5为腕部连接杆尺寸示意图图A-5腕部连杆尺寸示意图图A-6为电动机托架尺寸示意图图A-6电动机托架尺寸示意图图A-7为腕部齿轮箱尺寸示意图图A-7腕部齿轮箱尺寸示意图附录B (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (12) (13) (14) (15) (16) (17)C.Comopetitive Dynamics (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24)The size of the change in direction of the tool is then calculated as (25) (26) (27) (28)WithSumming up over all obstacles the total contribution becomes (29) (30) (31) (32) (33)2009年IEEE国际机器人和自动化会议神户国际会议中心日本神户12-17，2009机械臂动力学与控制的研究拉斯彼得Ellekilde 摘要 操作器和移动平台的组合提供了一种可用于广泛应用程序高效灵活的操作系统，特别是在服务性机器人领域。在机械臂众多挑战中其中之一是确保机器人在潜在的动态环境中安全工作控制系统的设计。在本文中,我们将介绍移动机械臂用动力学系统方法被控制的使用方法。该方法是一种二级方法，是使用竞争动力学对于统筹协调优化移动平台以及较低层次的融合避障和目标捕获行为的方法。I介绍在过去的几十年里大多数机器人的研究主要关注在移动平台或操作系统，并且在这两个领域取得了许多可喜的成绩。今天的新挑战之一是将这两个领域组合在一起形成具有高效移动和有能力操作环境的系统。特别是服务性机器人将会在这一方面系统需求的增加。大多数西方国家的人口统计数量显示需要照顾的老人在不断增加,尽管将有很少的工作实际的支持他们。这就需要增强服务业的自动化程度，因此机器人能够在室内动态环境中安全的工作是最基本的。图.1 一台由赛格威RMP200和轻重量型库卡机器人组成的平台这项工作平台用于如图1所示，是由一个Segway与一家机器人制造商制造的RMP200轻机器人。其有一个相对较小的轨迹和高机动性能的平台使它适应在室内环境移动。库卡工业机器人具有较长的长臂和高有效载荷比自身的重量,从而使其适合移动操作。当控制移动机械臂系统时，有一个选择是是否考虑一个或两个系统的实体。在参考文献1和2中是根据雅可比理论将机械手末端和移动平台结合在一起形成一个单一的控制系统。另一方面，这项研究发表在3和4,认为它们在设计时是独立的实体，但不包括两者之间的限制条件,如延伸能力和稳定性。这种控制系统的提出是基于动态系统方法5, 6。它分为两个层次，其中我们在较低的水平，并考虑到移动平台作为两个独立的实体，然后再以安全的方式结合在上层操纵者。在本文中主要的研究目的是展现动力系统方法可以应用于移动机械臂和使用各级协调行为的控制。本文剩下的安排如下。第二部分介绍系统的总体结构设计,其次是机械手末端移动平台的控制在第三第四部分讲述。在第五部分我们在结束本文之前将显示一作实验。然而, 首先与动力学系统有关工作总结与方法将在在部分I-A提供。A.相关工作动力学系统接近5，6为控制机器人提供一套动作的框架，例如障碍退避和目标捕捉。每个动作通过一套一个非线性动力学系统的attractors和repellors来完成。这些通过向量场的简单的加法被结合在一起来完成系统的整体动作。动力系统的方法涉及到更广泛的应用势场法7,但具有一定的优势。这里势场法的行为是由后场梯度形成的结果，行为变量，如航向和速度，可直接运用动力系统控制的方法。成本相对较低的计算与方法有关，使得它在动态环境中在线控制适宜，允许它即使在相当低的水平有限的计算能力平台8实施。传感器的鲁棒性在人声嘈杂中显示9和10其中一个是由红外传感器和麦克风的结合，当避障和目标获取时使用。尽管能解决各种各样的任务，但它仅是一个局部的方法，为了其他的任务和使命级计划(即参见11)其他的方法应该被釆用。当多行为被结合时，在5和6的缺点是由潜在的假的因子引起的。为了克服这个问题12介绍了一种基于竞争动态的行为比重。每个行为的影响是控制使用一个相关的竞争优势，再加上定义的行为之间有竞争力的相互作用，控制重物。如果所有的行为之间的竞争性相互作用是必需的，这种方法可以推广到任意数n,行为，除了这样一个最坏情况的复杂度在现实世界中使用这种方法的竞争态势室内实验中可以找到13，14。13是只在有标题方向的车辆上使用，而在14中航向和速度均得到控制。15提供了一个为速度性能简短的策略讨论。在16中提到动力系统的方法不仅被用于平面移动机器人，同时也可以作为控制机械手工具。另外运用产生极限环Hopf振荡器动力系统的更复杂的动力系统也可被使用。 17展现出不同形状的极限环是如何产生的，其可运用于避障轨迹的生成。18中介绍到使用Hopf振荡器产生一个定时的轨迹,实现了机械手可以接住从桌子上面滚下来的球。 动力系统的方法不仅可以用于控制的工具，也可以控制7自由度机械手多余的动作这一 点在19 中得到论证。II.总体结构我们整个系统的整体架构如图2所示。在赛格威平台中为了控制移动平台，两个低级别的性能被使用：一个用于目标捕获和另一个是避障。运用竞争动态的动作被混合在一起是为了做出移动平台希望得到的指定的移动动作。同样，在竞争态势的基础上目标捕获和机械手避障行为的融合给机器人收缩下达指令。当目标不在范围内，应收回机械手到一个安全的位置，这是机械手缩回行为的目的。最后融合是以一个安全的方式把所有的控制结合在一起，这样一来目标捕获和收回行为不互相干扰，另外移动平台在不开始朝着新的目标之前，移动机械手巳被收回。用、和分别代表机械手移动、机械手捕获和机械手收缩行为的影响，控制信号和通过(1)(2)移动平台和机械手。 (1) (2)其中( )是指控制输入信号以控制在第三节中描述的平台的左，右侧车轮;和是在第四节描述的机械手关节速度。障碍 动作运动结合 结合目标 设备 赛格威障碍操作结合结合目标库卡机器人操作收回图.2.控制系统的体系结构A. 竞争动态这种竞争态势釆用的方法是以12为基础的，除了附加参数用于控制在14中的转换率。动力系统釆用(3)因此给予: (3)其中是b和r竞争优势产生的参数，b是和b相互竞争作用的参数。1) 移动：在移动平台远离目标时它的竞争优势应该被加强；标被捕获时移动平台的竞争优势应该被降低。这是通过(4)实现的。 (4)其中,决定如何迅速的改变这种优势，是指到目标的距离和是指移动平台移动目标所需的最小距离。移动的行为，没有能力进行互动，并抑制其他行为，因此它的竞争性相互作用被设置为0。2) 机械手捕获目标：A移动平台接近他的目标时，机械手捕获目标的动作应该别加强。这样的竞争优势将被定义为： (5)激活距离必须大于来确保其行为被激活。此动作没有和其他的动作有直接联系，因此它的相互作用参数设置为0。3) 机械手收缩：收回动作应该被激活当对面目标被捕获之后，因此 (6)要有一个非常小的过渡时间，这可以防止在同一时间活动的机械臂捕获和收缩动作,因此，我们可以设置由于机械手收缩和移动动作的联系，当机械手原理自动巡航装置时我们希望能够取消停止移动。因此这种相互作用定义为： (7)其中和，是机械手当前和原始配置参数，是指目标最近的距离和指定如何使相互作用迅速变化的参数。III.移动平台的控制该移动平台的控制，结构与参考文献14中表述的非常相似，但也有一些不同。刚开始时目标捕获和避障指令被使用。紧接着除走廊和墙壁避障不包括在内，伹将沿直线扩展。第二个领域，不同的是这项工作的障碍是如何找出障碍密度的计算方法。具体的论述在III-D部分。为了使控制系统能够根据具体的环境进行导航。我们所使用的方法是基于参考文献20中论述的方法，它运用里程计和激光测距相结合对所在环境中地图的主导线匹配测量。该平台控制编码的使用方向：；速度：V，它在一个控制输入系统的结果数的值是由两部分组成，和，这里合并为 (8)其中和是被Eq限制的。(3)中的竞争优势和相互作用在III-C中有详细的描述。作为控制输入我们需要一个表达式对移动平台的左右轮进行控制，这里用和分别作为左，右侧车轮的表达参数。要使获得这些数据集成得到v，连同所需的旋转速度时，车轮直径和车轮之间的距离可以用数据库来计算控制输入： (9) (10)这里车轮需要的速度差被定义为: (12)A. 动态目标：捕获目标动作的基本动力是: (13) (14)其中和是吸引子的优势参数和表示运动到目标的方向。常数表达出机械手到目标之间的距离和所需的速度关系。最后最大速度是指移动平台所允许的最大速度。B. 障碍动态假定一个距离，方句参数表示机械手到第i个障碍的方向，在避障的动力学中用公式（15) (16)表不如下： (15) (16)其中动态参数包括三个要素：(一)障碍物的相对方向，(二)例系数,其中根据距离决定衰减的程度。(三)另一个比例系数根据到障碍的方向而定的，并运用保两障碍间的attractor产生，如果机器人可以在确保安全距离DS下通过。我们可以在参考文献14中看到具体的描述。对于是表示调整速度转向,但确保最小速度是被保留的。运用公式(17)获取我们总结所有障碍的值： (17)C. 竞争动态在竞争态势的运算如上面所述公式(3)控制的。下面是最大的竞争优势和两种动作的相互作用。1) 目标：每当一个目标是存在的，竞争优势的参数就被设置为，否则设置为。目标动作有能力影响和抑制避障动作，目标之间的距离和最近的目标之间的比例足以确保向目标移动的动作是无碰撞运动。这时建模为： (18)其中到最近障碍物的距离，是一个如何快速是动作相互影响的增益常数，我们将开始抑制避障时表示障碍和目标之间的距离比。2) 障碍：该障碍动作的竞争优势有公式（19)控制： (19)其中是障碍密度在第三节-D被定义。这种相互作用被定义为 (20)第一部分抑制目标动作当障碍浓度超过临界值时，最后一部分可以确保这只是发生在由于的原因避障没有被抑制。D障碍密度的计算假设一系列的距离，移动平台和障碍的密度，计算公式为 (21)此处的定义不同于14中的。公式化的主要问题是，我们不能区分物体的相对多远和一个对象相对多近。例如2米外有5个对象的密度定义成相同的密度与40厘米的距离之外的一个对象。根据指数函数的性质在场景中的单个对象永远不能导致超1。用于切换到避障动作的临界值将因此必须小于1，但一个场景中有多样的障碍往往临界值设置的更低。此外，发现用代替参数调整更容易，因为我们可以考虑其作为距离的反比密度。这也造成了当越来越接近一个障碍时密度増长非常迅速，从而可以迅速迫使动作改变。IV.机械手的控制我们将这个问题分成两部分：1)确定机械手的运动，从当前位置到目标，同时避免障碍。2)计算所需刀具的逆运动的速度。第二部分是一个很好的理解问题，这项工作可以运用在参考文献23中描述的逆运动学方法解决。这种方法包括机器人运动学和动力学的局限性，如关节的位置，速度和加速度的限制。此外，在此方法的基础上，进行二次优化获得方法已被证明表现很突出。该机械手的运动受机器人控制的目标和障碍动作限制，为此和，是相关的。由于逆运动学的输入需要一个六维旋转速度，因此这些动作必须设置一个变数，它可以集成所需的速度 (22)其中，和是从目标和避障中得到的。A. 目标动作到目标行为的输入是当前和所需的工具转换和。从这些我们可以计算出所需的六维速度螺杆。为避免要求不切实际的快速运动它的范围是和，和代表最大允许的机床直线和旋转速度。计算 (23)我们得到了当前速度预期的变化。B. 障碍动作作为输入避障动作的参数，釆用当前笛卡尔速度，釆用最近的障碍为轨道，给出机械手和障碍物之间方向和距离。我们现在要根据到障碍物的方向和距离计算笛卡尔速度的变化，并分别用和表示。1) 施力方叫：根据当前机械手的速度V，我们计算向量相互两者之间的角度为 (24)在机械手尺寸方向变化的大小，用(25)计算 (25)其中是repellor的数值，根据距离控制衰减，控制相对障碍之间的角度。被用于计算预期的机械手方向的改变： (26)根据所有障碍物的作用，我们可以根据障碍物的方向计算机械手运动的改变： (27)2) 动力学速度：对速度的动态控制相似于Eq。障碍i的作是: (28)其中。集合所有障碍的作用变成： (29)C. 竞争动态1) 目标动作：对于移动平台当目标存在目标动作的竞争优势值设置为0.5，否则设置为-0.5。当到目标的距离和最近障碍物的距离之间的比例系数超过，目标与障碍物之间的相互作用需要被重新设置，避障作用受到限制，这是有公式(30)实现： (30)其中是机床和目标的距离；是一个如何迅速改变值的增益系数。2) 障碍：该障碍动作的竞争优势和在第三节-C表述的相同: (31)用Eq (21)进行密度计算，但用障碍和机械手之间的距离代替障碍和移动平台的距离。这种相互之间的作用用公式确定： (32)其中到机械手最接近目标时，有助于撤销臂章动作。D. 收缩收缩动作是在关节处直接运作的。通过定义，其中是指机械手原始的收缩数据配置，我们可能计算关节速度为: (33)其中是关节最大的速度，为attractor的作用参数。V.实验本实验的目的主要是展示了移动平台和机械手的协调。以前的工作已经展示了动力系统方面的方针与导航的能力通过一个环境中移动机器人13 14和指导一个机器人绕过障碍16。(a)移向目标(t=0s) (b)图像伺服(t=28s)(c)移动到目标位置(t=40s) (d)完成动作(t=72s)图.3移动机器人实验。假定环境和目标重物的角度是不变的。在实验中使用的平台如图1所示，是由一个赛格威RMP200和轻重量型库卡机器人与崇德PG70平行爪装备组成。该平台具有一个SICK LMS291定位和避障装Unibrain Fire-iFireWire摄像头的激光扫描仪，用于机械手瞄准并抓起目标。不幸的是我们没有足够的时间来连接夹持器和控制目标。因此，它仅仅是定位和准备抓。但实际上从未关闭的抓手。由于控制框架我们使用了Microsoft Robotics Sludiol.5,这提供了一个从传感器的各种输入，到驱动器输出，并确保不同的控制算法同时运作的方法。该赛格威运动和大多数机械手运动是基于特定的笛卡尔坐标定位目标的。但是，一旦目标在toolmourUed相机视线范围内，机械手依靠视觉输入指导切换。第五部分A将会详细阐述视觉伺服系统方法，紧接着在第五部分B中会提供测试结果。图.4.检测使用微软机器人SimpleVision方面的服务特征.黑白边边框表示特征识别。A. 伺服系统对于最终机械手的定位是使用视觉伺服系统方法获得标准图像进行定位的。特征检测是根据Microsoft Robotics Studio的SimpleVision服务而测定的，获得能够识别颜色的斑点。在这些试验中获得结果我们用绿色标记标出，如图4所示。我们希望该机械手的方向是同定的，因此仅仅需要3个自由度（自由度）的位置应该被相关的视觉输入的影响。这些自由度两个是由BLOB的定位控制，其中一个应在图像中心位置。最后的自由度是由BLOB的大小决定的。B测试结果如图3所示，移动机械手的任务是移动一个瓶子从图像的桌子上移动到右边相对的较远的箱子里。机器人移动、机械手收缩和目标行为有关的数据关系可以在图5中看到。图.5机械手运行时各项的比例系数表首先移动机械手收缩和移动指令被激活引起移动平台移向目标，同时手臂保持原始的配置装态。经过约7秒之内达到目标并获得目标信号，因此机械手收缩动作被取消，机械手捕获动作被激活。不久后，Segway动作也被取消，让机械手拿起无干扰的目标。然而机械手运动会异致赛格威漂移，因此要过一会知道经过20s之后移动平台重新被激活，在这里移动平台又达到了预期目标的相对位置。视觉伺服指挥机械手到如图3 (b)所示的状态。经过约30秒钟，瓶子应该被抓手拾起的和新的目标是给予，造成机械手收缩动作被重新激活而机械手捕获动作被取消。同时移动平台移动动作也被激活，但当机械臂被收回时移动平台的移动动作会迅速被取消。完成之后控制移动平台移动到所需位置放置，进而机械手被激活把目标放到箱子里。VI.结论本文已经介绍了如何使动态系统的方法应用于移动操作。此文的主要结论包括两个层次，其中竞争态势是用于移动平台的整体协调和机械手运动以及避障和目标获取等动作。该方法首先已被证实在模拟环境中，其次也通过实际工作的验证。实验用的系统是Microsoft Robotics Studiol.5 (MSRS)。该系统最初是模拟和参数的调整，釆用模拟器进行。基于模拟器的物理参数理想的转向。整个MSRS是一个执行工作有益环境的平台。虽然控制是以20Hz被执行的，但由于Windows XP的非实性，动作间会有异常值出现。本文出自2009年IEEE国际机器人和自动化会议论文集参考文献1H. Seraji，A Unified Approach to Motion Control of Mobile Manipulators, The International Journal of Robotics Research, Vol. 17，No. 2, 1998，pp. 107-118.2E. Papadopoulos，J. Poulakakis, Planning and Model-Based Control for Mobile Manipulators, Proceedings of the IROSOO，2000，pp. 1810-1815.3Q. Huang, K. Tanie, S. Sugano, Coordinated Motion Planning for a Mobile Manipulator Considering Stability and Manipulation, Thee International Journal of Robotics Research, Vol. 19，No. 8，2000, pp. 732-742.4D.H. Shin, B.S. Hamenr, S. Singh, M. Hwangbo，Motion Planning for a Mobile Manipulator with Imprecise Locomotion, Proceddings of the IROS03，2003, 847-853.5G. Sch. oner，M. Dose, A dynamical systems approach to task-level system integration used to plan and control autonomous vehicle motion, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 10, 1992, pp. 253-267.6G. Sch. oner，M. Dose, C. Engels, Dynamics of behavior: theory and applications for autonomous robot architecture. 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