6-dof機械手的抓取動作設(shè)計開題報告

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義</p><p>　　1.1 機械臂的概述</p><p>　　隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機械臂在產(chǎn)業(yè)自動化方面應(yīng)用已經(jīng)相當廣泛，各種不同的機械臂被制作出來應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境。機械臂在復雜、枯燥甚至是惡劣環(huán)境下，無論是完成效率以及完成精確性都是人類所無

2、法比擬的。此外，某些機械臂還具有視覺，聽覺，感覺等傳感器使得它具有很多人類所擁有的能力。也因此，機械臂在人類的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。機器具有一致的表現(xiàn)的這種特性提高了生產(chǎn)質(zhì)量。這種類型的自動化叫做“剛性自動化”。剛性自動化的缺點是機器為執(zhí)行一個預先的任務(wù)被設(shè)計出來，使得它在應(yīng)對每一個模型改變時必須重新更換零件。這種剛性自動化的不靈活性以及相對來說的高成本性導致了一個全新的機器誕生：機械臂。美國機器人工業(yè)學會(RIA)將機械

3、臂的定義為“機械臂是通過可變的預編程動作為處理不同的任務(wù)而設(shè)計，可以執(zhí)行如搬運材料、零件、工具或者特定的設(shè)備等任務(wù)，具有可重復編程、多功能的特點”。機械臂通常由計算機或者微處理器控制，通?？梢詾椴煌娜蝿?wù)方便地進行重復編程。這種特性使得機械臂優(yōu)于普通的為執(zhí)行單一任務(wù)被設(shè)計出來的機器，因為機械臂不需要為一個模型的更換而更換零件或者重組。這種類型的自動化成為“柔性自動化”[1]</p><p>　　機械臂由多個連桿通

4、過關(guān)節(jié)組成。根據(jù)機械臂的結(jié)構(gòu)拓撲，主要可以分為串聯(lián)機械臂（開環(huán)機械臂）以及并聯(lián)機械臂（閉環(huán)機械臂）。串聯(lián)機械臂的結(jié)構(gòu)是開環(huán)的，而并聯(lián)機械臂的結(jié)構(gòu)是閉環(huán)的。自由度(Degree Of Freedom)是指確定物體在空間的位置所需獨立坐標的數(shù)目。自由度大致有旋轉(zhuǎn)的自由度和移動的自由度兩種形式。機械臂需要有六個自由度，才能隨意地在它的工作區(qū)間內(nèi)放置物體，即可以任意指定位姿放置物體。少于六個自由度的機械臂叫做非冗余機械臂，這種機械臂不能隨意指定

5、任何位姿，但在具體的工業(yè)環(huán)境中，機械臂一般不需要六個自由度就可以滿足生產(chǎn)要求；超過六個自由度的機械臂叫做冗余機械臂，冗余為機械臂在執(zhí)行同一種任務(wù)時提供了更多的選擇配置，它有無窮多種方法為物體指定位姿，這就需要在無窮多種方法中選擇一種，這就需要計算機檢驗解和選擇最優(yōu)路徑，這增加了額外的計算時間，因此工業(yè)中一般不采用有多余自由度的機械臂。在串聯(lián)機械臂中，冗余解被廣泛地應(yīng)用。但在并聯(lián)機械臂中很少應(yīng)用，由于冗余使得結(jié)構(gòu)很復雜而且缺少理論支持，設(shè)

6、計和控制難度會大大增加。</p><p>　　關(guān)于機械臂的運動學和動力學，可以由七項指標來衡量機械臂，結(jié)合機械臂幾何學的影響，末端執(zhí)行器的運動精確性以及伺服機構(gòu)和控制系統(tǒng)的質(zhì)量，可以提供局部反饋以及管理機器的工作。這些指標包括：有效負荷，工作區(qū)間（容量，形狀），可重復性，穩(wěn)定性，精準性，敏捷靈巧度，結(jié)構(gòu)柔性。這些參數(shù)或指標描述了機械臂從啟動，工作到停止，在所有臂的長度和重量都滿負荷的條件下，有明確以及精確地操作的

7、能力。機械臂的有效負荷是指機械臂所能承載的最大重量。工作區(qū)間是指機械臂的所有關(guān)節(jié)在沒有打破結(jié)構(gòu)和機制約束的情況下可以達到的空間?？芍貜托允侵钢貜鸵粋€動作或者結(jié)果的能力。穩(wěn)定性是指避免機械臂震動的能力。精準性是指機械臂在其工作區(qū)間內(nèi)到達一個具體的配置（位置）的能力。敏捷靈巧度描述了機械臂在運動時的靈活以及擁有高效的速度。結(jié)構(gòu)柔性是應(yīng)對施加于機械臂的力和扭矩的能力。</p><p>　　關(guān)于機械臂的技術(shù)要素主要可以分

8、為：1.機械結(jié)構(gòu)（關(guān)節(jié)型為主流）CAD，CAM等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于設(shè)計、仿真和制造中； 2.控制技術(shù)：NC技術(shù)、離線編程技術(shù)大量采用，協(xié)調(diào)技術(shù)日漸成熟，PC結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng)發(fā)展迅猛； 3.驅(qū)動技術(shù) 4.智能化的傳感器：具備類人的感覺功能的傳感器； 5.通用的機器人編程語言：適用于各種操作系統(tǒng)及平臺的編程語言； 6.網(wǎng)絡(luò)通訊：大部分機器人采用Ether網(wǎng)絡(luò)通訊方式，其他采用RS-232、RA-422、RS-485等通訊接口[2]。</p

9、><p>　　機械臂或移動車作為機器人主體部分，同末端執(zhí)行器、驅(qū)動器、傳感器、控制器、處理器以及軟件共同構(gòu)成一個完整的機器人系統(tǒng)。一個機械臂的系統(tǒng)可以分為機械、硬件、軟件和算法四部分。機械臂的具體設(shè)計需要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、運動學和動力學的分析和仿真、軌跡規(guī)劃和路徑規(guī)劃研究等部分。因此設(shè)計一個高效精確的機械臂系統(tǒng)，不僅能為生產(chǎn)帶來更多的效益，也更易于維護和維修。</p><p>　　1

10、.2 機器人分類：</p><p>　　按照不同的標準，機器人分類方法各異。操作性與移動性是機器人最基本的功能構(gòu)成[5]。根據(jù)機器人是否具有這兩個能力對機器人進行分類，大體分為三大類：</p><p>　　a. 以操作為主的機械臂，例如 Dextre、PUMA560、PowerCube機械臂等；</p><p>　　b. 以移動為主的機器人，例如Endotics醫(yī)

11、療機器人、Big Dog、PackBot，以及美國Pioneer公司的研究型機器人P2-DX、P3-DX和PowerBot等；</p><p>　　c. 以操作與移動能力相結(jié)合的移動機械臂，計入RI-MAN、FFR-1、以及勇氣號火星車等[3]。</p><p>　　本課題的研究平臺為兼具可移動性與操作能力的PowerBot的移動機械臂。</p><p>　　1.

12、3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：</p><p>　　在國內(nèi)外各種機器人和機械臂的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下[4]：</p><p>　　a．機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機。</p><p>　　b．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于

13、標準化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。</p><p>　　c．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。</p><p>

14、;　　d．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； </p><p>　　e．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。</p><p>　　總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感

15、器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。</p><p>　　1.4 選題的依據(jù)和意義</p><p>　　隨著經(jīng)濟水平和科技水平的發(fā)展，機械臂的成本也在不斷下降，在了解了行業(yè)發(fā)展方向以及應(yīng)用方向前提下，基

16、于對6-DOF機械臂的研究，可以更好地開發(fā)應(yīng)用于生產(chǎn)生活各種機械臂。現(xiàn)在國內(nèi)制造業(yè)人力勞動成本不斷增加，在各個制造業(yè)內(nèi)，能研制出能取代人力的機械臂也越來越成為提升行業(yè)競爭力的重要手段。</p><p>　　本課題研究了6-DOF機械臂的抓取動作設(shè)計，并希望由此設(shè)計能更好地引導人們設(shè)計出符合各自行業(yè)應(yīng)用方向的機械臂動作。</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：</p

17、><p><b>　　2.1基本內(nèi)容：</b></p><p>　　利用D-H 方法對機械臂進行分析建模，對正運動學與逆運動學進行分析，以Powerbot機械臂為研究對象，進行正運動學與逆運動學的仿真實驗。并以此為基礎(chǔ)進行抓取動作設(shè)計。</p><p>　　設(shè)計內(nèi)容具體包括以下方面：</p><p>　　1：關(guān)節(jié)參考坐標系的

18、建立；</p><p><b>　　2：正運動學分析；</b></p><p><b>　　3：逆運動學分析；</b></p><p><b>　　4：運動軌跡規(guī)劃</b></p><p>　　5：PowerCube機械臂動作設(shè)計</p><p>　　2

19、.2擬解決的主要問題</p><p>　　1. 分析解決機械臂和欲抓取物體間的空間關(guān)系；</p><p>　　2. 確定機械臂至欲抓取物體的行進路徑；</p><p>　　3. 對機械臂進行正運動學與逆運動學分析，確定機械臂運動軌跡；</p><p>　　4. 用機械臂對物體進行抓取動作。</p><p>　　三、研究

20、步驟、方法及措施：</p><p>　　3.1機器人正運動學方程的D-H表示法</p><p>　　在1955年，Denavit和Hartenberg在“ASME Journal of Applied Mechanics”發(fā)表了一篇論文，后人利用這篇論文對于機器人進行表示和建模，并導出了運動方程，這成為了表示機器人和對機器人運動進行建模的標準方法。Denavit-Hartenberg(D-

21、H)建模方法是根據(jù)機器人連桿和關(guān)節(jié)進行建模，可應(yīng)用于任何機器人構(gòu)型，而不管機器人的結(jié)構(gòu)順序和復雜程度如何，這種建模方法簡單通用。它可用于表示在直角坐標、圓柱坐標、球坐標、歐拉角坐標及RPY等坐標中的坐標變換，。另外，它也可以用于任何表示關(guān)節(jié)和連桿組合的機器人，如全旋轉(zhuǎn)的鏈式機器人、SCARA機器人、Stanford機械臂等。C.R. Rocha, C.P. Tonetto, A. Dias等人比較了D-H運動學建模方法和基于螺旋理論的運

22、動學建模方法，相比于D-H法建模，螺旋理論法對于整個鏈需要兩個框架，而D-H法只需要一個框架；螺旋理論法坐標系可以隨意選取而D-H法不能；螺旋理論法關(guān)節(jié)變量可能表示絕對位移等。相比于D-H法，螺旋理論法在運動學建模與分析也有一些優(yōu)勢，但沒那么流行也沒有一套標準化的公式</p><p>　　機器人一般由一些列關(guān)節(jié)和連桿按任意的順序連接而成。為了對任意坐標系的機器人進行建模分析，我們需要給每個關(guān)節(jié)指定一個參考坐標系，

23、確定從一個關(guān)節(jié)到下一個關(guān)節(jié)（一個坐標系到下一個坐標系）來進行變換的步驟。然后將基座到第一關(guān)節(jié)，第一關(guān)節(jié)到第二關(guān)節(jié)……第n-1關(guān)節(jié)到最后一個第n關(guān)節(jié)的所有變換結(jié)合起來，就可以得到機器人的總變換矩陣。</p><p>　　如圖3-1所示，定義的連桿參數(shù)如下：表示繞關(guān)節(jié)n+1運動的軸；表示與之間的公垂線的長度（連桿長度）；表示繞軸由軸到軸所旋轉(zhuǎn)的角度； 表示軸與軸之間的角度（扭角）；表示沿軸由軸到軸的距離。</

24、p><p><b>　　圖3.1[6]</b></p><p>　　假設(shè)現(xiàn)在的本地參考坐標系為 ，通過以下4步標準運動即可到達下一個本地參考坐標系 。如圖（3-2）所示。關(guān)節(jié)指定本地參考坐標系的步驟：</p><p><b>　　圖3-2</b></p><p>　?。?）繞軸旋轉(zhuǎn)（如圖3-2（b）所示

25、），它使得和互相平行，因為和都是垂直于軸的，因此繞軸旋轉(zhuǎn)使它們平行。</p><p>　?。?）沿軸平移 距離，使得和共線（如圖3-2（c）所示）。因為和已經(jīng)平行并且垂直于，沿著移動則可使它們互相重疊在一起。</p><p>　　（3）沿軸平移 的距離，使得和的原點重合（如圖3-2（d）和（e）所示）。這是兩個參考坐標系的原點處在同一位置。</p><p>　　（4

26、）將軸繞軸旋轉(zhuǎn) ，使得軸與 軸對準（如圖3-2（f）所示）。這時坐標系n和n+1完全相同（如圖3-2（g）所示）。至此，我們成功的從一個坐標系變換到了下一個坐標系。</p><p>　　我們可以將兩坐標系間的這些變換寫成矩陣的形式，見式(3-1)</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　將各個連桿變換相乘，得<

27、/p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　其中，表示末端連桿坐標系{R}相對于基坐標系{H}的描述。就六自由度機械臂而言，就有6個A矩陣。</p><p>　　其中n是關(guān)節(jié)數(shù)。對于一個具有六個自由度的機器人而言，有6個A矩陣。</p><p>　　為了簡化A矩陣的計算，可以制作一張關(guān)節(jié)和連桿參數(shù)的表格

28、，其中每個連桿和關(guān)節(jié)的參數(shù)值可從機器人的原理示意圖上確定，并且可將這些參數(shù)代入A矩陣。表3.1可用于這個目的。</p><p>　　表3.1D-H參數(shù)表</p><p>　　3.2 機器人的逆運動學分析</p><p>　　問題：已知手部位姿,求各關(guān)節(jié)位置</p><p>　　意義：是機械臂控制的關(guān)鍵</p><p>

29、;　　3.2.1 機器人逆運動學有關(guān)問題</p><p>　　對于機械臂的動作設(shè)計來說，我們真正關(guān)心的是逆運動學解。要讓機械臂到達特定的位姿，我們需要確定各個關(guān)節(jié)的值。</p><p>　　不像串聯(lián)機械臂的正運動學方程有通用的求解方法，串聯(lián)機械臂的逆運動學問題在大多數(shù)情況下是很復雜的。求逆運動學解是在已知末端執(zhí)行器相對于參考坐標系的位姿，如前面提到PowerCube機械臂的，試圖求出各個關(guān)

30、節(jié)的角度值，如。對于具有六自由度的機械臂來說，有12個方程，其中6個是未知的。這些方程是非線性超越方程，很難求解。我們在求解時需要考慮解的存在性、多重解性以及求解方法。</p><p>　　存在性：解是否存在的問題完全取決于機械臂的工作空間[5]。簡單地說，工作空間是機械臂末端執(zhí)行器所能到達的范圍。若解存在，則被指定的目標點必須在工作空間內(nèi)。</p><p>　　多重解性：對于機械臂來說，

31、到達一個指定位姿可能不止一種位形，而系統(tǒng)最終只能選擇一個解，因此機械臂的多重解現(xiàn)象會產(chǎn)生一些問題。</p><p>　　解法：對于機械臂的可解性有如下定義：如果關(guān)節(jié)變量能夠通過一種算法確定，這種算法可以求出與已知位姿相關(guān)的全部關(guān)節(jié)變量，那么機械臂就是可解的。機械臂的全部解法可以分為兩類：封閉解和數(shù)值解法。</p><p>　　由于逆運動學問題的著名以及在工業(yè)上六自由度機械臂的實用性。眾多學

32、者做了大量的研究，利用不同的技巧包括數(shù)值和幾何解法提出了不少逆運動學問題的解決方法。</p><p>　　3.2.2.機器人逆運動學解法：封閉解法和數(shù)值解法</p><p>　　封閉解：封閉解是指基于解析形式的算法，或者指對于不高于四次的多項式不用迭代便可完全求解?？蓪⒎忾]解的求解方法分為兩類：代數(shù)解法和幾何解法。</p><p>　　數(shù)值解法：數(shù)值解具有迭代性質(zhì)，

33、所以此封閉解法的求解速度慢得多。通常，數(shù)值解的計算也依賴于解的解析形式，一般不用數(shù)值解來求解運動學問題，對運動方程的數(shù)值迭代本身已形成一個完整的研究領(lǐng)域。</p><p>　　3.3 機械臂運動軌跡規(guī)劃</p><p>　　為了求得在關(guān)節(jié)空間的軌跡，首先利用逆運動學方程將路徑點轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度值，然后分別對每一個關(guān)節(jié)變量映射成一個光滑時間函數(shù)，使之從起始點開始，依次通過所有路徑點，最后達到目

34、標點。每個關(guān)節(jié)時間函數(shù)之間是相互獨立的，但是總的運動時間是相同的[8]。</p><p>　　在關(guān)節(jié)空間中軌跡規(guī)劃的一些方法：</p><p><b>　　三次多項式軌跡規(guī)劃</b></p><p><b>　　五次多項式軌跡規(guī)劃</b></p><p><b>　　四、研究工作進度：&l

35、t;/b></p><p><b>　　五、主要參考文獻：</b></p><p>　　[1] Zongliang MU. Computational kinematics of general stewart platform [D]. Connecticut: University of Connecticut, 2005.</p><p

36、>　　[2] 任美玲，陶大錦. 機械臂的研究與進展[J].出國與就業(yè),2012, (2):84.</p><p>　　[3] 史先鵬.模塊化移動機械臂運動規(guī)劃與控制[D].華東理工大學,2010.</p><p>　　[4] 龔振幫．機械人機械設(shè)計[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1995.</p><p>　　[5] C.R. Rocha, C.P. Tonet

37、to, A. Dias. A comparison between the Denavit–Hartenberg and the screw-based methods used in kinematic modeling of robot manipulators [J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 27 (2011):723–728.</p><

38、p>　　[6] Saeed B. Niku 孫富春等譯.機器人學導論:分析、控制及應(yīng)用(第2版)[M] 北京：電子工業(yè)出版社，2013：55.</p><p>　　[7] B.Roth,”Performance Evaluation of Manipulators from a Kinematic Viewpoint,” Performance Evaluation of Manipulators, Nat

39、ional Bureau of Standards, special publication, 1975.</p><p>　　[8] 孫亮,馬江阮,曉鋼 六自由度機械臂軌跡規(guī)劃與仿真研究[J].控制工程,2010,17(3):390.</p><p>　　六、指導教師審核意見： </p><p>　　指導教師簽字： </p>

40、<p>　　年　　月　　日七、教研室評議意見： </p><p>　　教研室主任簽字： </p><p><b>　　年　　月　　日</b></p><p>　　八、開題小組評審意見：</p><p>　　開題小組負責人簽字：　　　　 </p><p>

41、;<b>　　年　　月　　日</b></p><p>　　九、系領(lǐng)導審核意見：</p><p>　　1．通過； 2．完善后通過；　　　　?。常赐ㄟ^ </p><p>　　系領(lǐng)導簽字：　　　　 </p><p><b>　　年　　月　　日</b></p>