论文部分内容阅读
摘 要：该文就机器人的基础设计、运动学分析、轨迹规划等几个部分对机器人进行了较深入的研究。对救援机器人的结构与运动特点进行相关运动学分析。在分析过程中，分解了机器人的位姿，并分别用关节角度来表示，以关节的角度为中间量求解运动学方程，避免了大量矩阵的求逆的运动学计算，求解过程简单方便，大大提高了计算的速度，对于机器人的实时在线控制，具有较大的实用价值。
关键词：机器人运动学分析 末端夹持器 轨迹规划
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（a）-00-01
1 工业机器人
机器人技术是综合计算机、控制理论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等等多个学科形成的高新技术，是现今研究相当活跃，应用日益广泛的前沿领域。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是简单意 义上的代替人工的劳动，是综合了人特长和机器特长的一种拟人电子机械装置，既有人对环境状态的分析判断和快速反应能力，又有机器可长时持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说也是机器发展的产物，是工业及非产业界的重要生产品和服务性的设备，更是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。论文主要研究内容：（1）对救援机器人的关节形式进行了分析的基础上，以大小臂长度为二维函数进行了设计，使机器人的末端能够满特定条件下的抓取任务；（2）采用插入物体从上方，抓取方式为中间托起，设计出了一种夹持器是新型末端的，可实现可靠的夹持，对瓶装类物体；（3）针对其机器人的结构特点，将位姿进行分解，避开的是建立连杆方式矩阵的方法，应用简易易懂方法进行分析运动学。（4）在已经设定了路径前提下，将5个关节在完成作业任务的方式划分在关节空间与笛卡尔空间分别进行轨迹规划，在相应空间中建立数学模型，并对MATLAB轨迹仿真得到的结果进行了讨论。为了满足救援要求，所以不仅要将物体完成位置变化，而且要求姿态的变化。为完成该任务考虑机器人的关节及其形式，由于分布的范围较广，基座需要有一个绕z轴方向的自由度1，用来调节机械臂到达不同抓取与释放位置的指向；为了调节机械臂末端到达位置的远近还需要有大臂与小臂两个自由度2与3；考虑到救援物体可能较重，救援过程中应保持腕部始终朝下，以减小末端重物对机器人产生的附加力矩，这需要增加一个腕部自由度4；由于抓取与释放都保证末端夹持器侧壁的方向，这样调整末端姿态也需要一个自由度5。该文考虑到计算的繁简程度，夹持器的夹取动作的自由度不做考虑。
2 机器人运动学计算
机器人的运动学就是建立起机器人末端与机器人其他各关节连杆之间的运动关系。机器人的运动。学是专门研究物体的运动规律，它涉及到正运动学与逆运动学问题。本章以末端坐标与各关节角。转化为基础，根据搬运机器人的动作特点来进行运动学分析。设计过程以纸箱侧板作为障碍物，使末端夹持器到达纸箱内四个极限位置（最远上、最远下、最近上、最近下）作为约束，进行尺寸优化设计；为使机器人结构紧凑，且受力状况良好，在保证机器人末端可达范围足够大的同时，应使机器人的大臂和小臂长度之和最小，并验算大、小臂是否会与纸箱侧板发生干涉。
（1）设定机器人基座距侧板距离为100纸箱为（360 mm240 mm260 mm）
（2）箱内所装瓶数为46=24瓶
（3）箱内留有适当空隙
在机器人工作过程中，考虑到机器人的承载能力，以及在夹持过程中会有障碍物问题，要保证机械臂不与其发生碰撞。由于在各个位置处，大臂不发生碰撞的角度是不同的，因而在此讨论不同极限位置时大臂的最小仰角问题。考虑到杠杆传动的效率以及销与滑槽传动的效率，取机构传动的效率为0.85，故此机构的实际驱动力为 =62.2/0.85=73.2（N）
从分析过程来看，仿真能够快速反映出关节运行情况。得到的不同仿真结果能够 预测出关节运行过程中可能存在的危险，这在生产实践中具有一定的应用价值。
3 轨迹规划分析
机器人的轨迹，指机器人的每一个自由度在运动过程中每个时刻的位置、速度和加速度，确定这些轨迹参数的过程称之为轨迹规划。其目的是根据任务要求，通过一定的方法，计算出预期的运动轨迹。如给定有关路径和轨迹的若干约束和简单描述（目标位姿、路径点、持续时间、速度、加速度等），通过轨迹规划环节就可获得机器人完成这一任务的具体运动细节。机器人的路径定义为机器人位姿的一个特定序列，它不考虑机器人位姿的时问因素。即如果机器人沿着一条特定曲线从A点运动到B点，那么曲线上所保持的位姿序列就构成了一条路径。与轨迹不同的是，轨迹则与何时到达路径中的每个部分有关，即轨迹强调了时间性。因此，不论机器人何时到达B点，其路径都会是一样的；而轨迹则依赖于速度和加速度。如果机器人抵达B点的时间不同，则相应的轨迹会有所不同；即使时间相同，而运动过程中的速度、加速度不同，轨迹亦有所差异。因而，作为轨迹规划的必要基础，应首先进行搬运机器人的路径规划。类同于关节空间的轨迹规划，在笛卡尔空问看，末端完成一个完整的运动，其动作过程也至少包含一个加速段和一个减速段（其余部分作速度为的匀速运动）。如果在加减速过程中的时间相等，且加速段的终速度与减速段的初速度相同，那么加速与 减速段经由的位移也相同，那么该运动至少要使末端移动2（一），即末端总位移量>2（一）：当2（一）时，我们可以通过令末端位移在加速段中令=0。
该文中采用局部规划方法中的人工势场法来进行路径规划。人工势场法的基本思想是将机器人在环境中的运动视为一种虚拟的人工受力场中的运动。障碍物被排斥势场包围，对机器人产生斥力，排斥力随机器人与障碍物的距离的减少而迅速增大；目标被引力势场包围，对机器人产生引力，吸引力随机器人与目标的接近而减小；这样将引力与斥力的合力作为控制机器人的运动方向，最后形成机器人的作业
路径。
参考文献
[1] 蒋新松.未来机器人技术的发展方向[J].机器人技术与应用，1997（2）：2-5.
[2] 顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势[J].机电一体化，2006（2）.
[3] 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[J].机器人技术与应用，2004（4）：11-16.
关键词：机器人运动学分析 末端夹持器 轨迹规划
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（a）-00-01
1 工业机器人
机器人技术是综合计算机、控制理论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等等多个学科形成的高新技术，是现今研究相当活跃，应用日益广泛的前沿领域。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是简单意 义上的代替人工的劳动，是综合了人特长和机器特长的一种拟人电子机械装置，既有人对环境状态的分析判断和快速反应能力，又有机器可长时持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说也是机器发展的产物，是工业及非产业界的重要生产品和服务性的设备，更是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。论文主要研究内容：（1）对救援机器人的关节形式进行了分析的基础上，以大小臂长度为二维函数进行了设计，使机器人的末端能够满特定条件下的抓取任务；（2）采用插入物体从上方，抓取方式为中间托起，设计出了一种夹持器是新型末端的，可实现可靠的夹持，对瓶装类物体；（3）针对其机器人的结构特点，将位姿进行分解，避开的是建立连杆方式矩阵的方法，应用简易易懂方法进行分析运动学。（4）在已经设定了路径前提下，将5个关节在完成作业任务的方式划分在关节空间与笛卡尔空间分别进行轨迹规划，在相应空间中建立数学模型，并对MATLAB轨迹仿真得到的结果进行了讨论。为了满足救援要求，所以不仅要将物体完成位置变化，而且要求姿态的变化。为完成该任务考虑机器人的关节及其形式，由于分布的范围较广，基座需要有一个绕z轴方向的自由度1，用来调节机械臂到达不同抓取与释放位置的指向；为了调节机械臂末端到达位置的远近还需要有大臂与小臂两个自由度2与3；考虑到救援物体可能较重，救援过程中应保持腕部始终朝下，以减小末端重物对机器人产生的附加力矩，这需要增加一个腕部自由度4；由于抓取与释放都保证末端夹持器侧壁的方向，这样调整末端姿态也需要一个自由度5。该文考虑到计算的繁简程度，夹持器的夹取动作的自由度不做考虑。
2 机器人运动学计算
机器人的运动学就是建立起机器人末端与机器人其他各关节连杆之间的运动关系。机器人的运动。学是专门研究物体的运动规律，它涉及到正运动学与逆运动学问题。本章以末端坐标与各关节角。转化为基础，根据搬运机器人的动作特点来进行运动学分析。设计过程以纸箱侧板作为障碍物，使末端夹持器到达纸箱内四个极限位置（最远上、最远下、最近上、最近下）作为约束，进行尺寸优化设计；为使机器人结构紧凑，且受力状况良好，在保证机器人末端可达范围足够大的同时，应使机器人的大臂和小臂长度之和最小，并验算大、小臂是否会与纸箱侧板发生干涉。
（1）设定机器人基座距侧板距离为100纸箱为（360 mm240 mm260 mm）
（2）箱内所装瓶数为46=24瓶
（3）箱内留有适当空隙
在机器人工作过程中，考虑到机器人的承载能力，以及在夹持过程中会有障碍物问题，要保证机械臂不与其发生碰撞。由于在各个位置处，大臂不发生碰撞的角度是不同的，因而在此讨论不同极限位置时大臂的最小仰角问题。考虑到杠杆传动的效率以及销与滑槽传动的效率，取机构传动的效率为0.85，故此机构的实际驱动力为 =62.2/0.85=73.2（N）
从分析过程来看，仿真能够快速反映出关节运行情况。得到的不同仿真结果能够 预测出关节运行过程中可能存在的危险，这在生产实践中具有一定的应用价值。
3 轨迹规划分析
机器人的轨迹，指机器人的每一个自由度在运动过程中每个时刻的位置、速度和加速度，确定这些轨迹参数的过程称之为轨迹规划。其目的是根据任务要求，通过一定的方法，计算出预期的运动轨迹。如给定有关路径和轨迹的若干约束和简单描述（目标位姿、路径点、持续时间、速度、加速度等），通过轨迹规划环节就可获得机器人完成这一任务的具体运动细节。机器人的路径定义为机器人位姿的一个特定序列，它不考虑机器人位姿的时问因素。即如果机器人沿着一条特定曲线从A点运动到B点，那么曲线上所保持的位姿序列就构成了一条路径。与轨迹不同的是，轨迹则与何时到达路径中的每个部分有关，即轨迹强调了时间性。因此，不论机器人何时到达B点，其路径都会是一样的；而轨迹则依赖于速度和加速度。如果机器人抵达B点的时间不同，则相应的轨迹会有所不同；即使时间相同，而运动过程中的速度、加速度不同，轨迹亦有所差异。因而，作为轨迹规划的必要基础，应首先进行搬运机器人的路径规划。类同于关节空间的轨迹规划，在笛卡尔空问看，末端完成一个完整的运动，其动作过程也至少包含一个加速段和一个减速段（其余部分作速度为的匀速运动）。如果在加减速过程中的时间相等，且加速段的终速度与减速段的初速度相同，那么加速与 减速段经由的位移也相同，那么该运动至少要使末端移动2（一），即末端总位移量>2（一）：当2（一）时，我们可以通过令末端位移在加速段中令=0。
该文中采用局部规划方法中的人工势场法来进行路径规划。人工势场法的基本思想是将机器人在环境中的运动视为一种虚拟的人工受力场中的运动。障碍物被排斥势场包围，对机器人产生斥力，排斥力随机器人与障碍物的距离的减少而迅速增大；目标被引力势场包围，对机器人产生引力，吸引力随机器人与目标的接近而减小；这样将引力与斥力的合力作为控制机器人的运动方向，最后形成机器人的作业
路径。
参考文献
[1] 蒋新松.未来机器人技术的发展方向[J].机器人技术与应用，1997（2）：2-5.
[2] 顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势[J].机电一体化，2006（2）.
[3] 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[J].机器人技术与应用，2004（4）：11-16.