学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

服务机器人双臂协作技术研究及实现

作　者: 李宪华
导　师: 谈士力
学　校: 上海大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 模块化 逆运动学 运动学标定 双臂协调 拟人运动 Petri网模型 控制架构
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 316次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术的集成体。人型化的服务机器人拥有着人体手臂一样的双臂系统,而双臂协调操作是提高机器人系统操作能力、负载能力、可靠性及扩展操作空间的有效途径,一直是机器人研究领域的热点。本课题来源于国家863计划资助项目“家庭生活支援多机器人系统”。论文以“服务机器人双臂协作技术研究及实现”为题,以课题组自主研发的服务机器人的双臂为研究对象,旨在探索双臂协作的运动及控制机理,实现双臂的拟人协调操作。研究内容主要包括双臂运动学及标定、双臂协调运动规划、双臂拟人动作规划及双臂协作Petri网建模四方面内容,论文主要工作如下:1)建立了具有轻量化与系统开放性特点的服务机器人双臂系统。针对普通工业机器人手臂重量比较大与控制系统封闭,不适合用于服务机器人手臂的缺点,采用代码开放的模块化关节构成服务机器人的双臂系统,机器人整体质量大大减轻。在完成了双臂硬件系统连接的基础上,根据关节功能模块化的特点,设计了双臂分布式控制的软件系统方案。2)从易于理解和实时性角度出发,完成了双臂运动学解算;采用相对误差的方法,对双臂进行了运动学标定。运用DH法描述了机器人双臂的结构参数,得到了双臂的正运动学方程;在逆运动学求解过程中,针对纯代数法不易查找独立不相关变量方程的缺点,采用几何方法求解手臂前三个关节,后三个关节使用代数法求解。编制基于VC++的算法验证程序,验证了算法的正确性及实时性。建立了相对误差的运动学标定模型,利用激光跟踪仪对双臂进行了标定,提高了手臂的定位精度。3)完成了单个机器人手臂的轨迹规划,深入分析了双臂四种协调运动的约束关系。对于机器人手臂关节空间,采用LSPB插值方法进行轨迹规划;笛卡尔空间采用直线插补与圆弧插补的方式进行规划,而为了使旋转运动更加均匀,对于手臂姿态则运用四元数法进行插值。双臂与所持物体形成一封闭的运动学链,针对双臂搬运刚体、持钳运动、操作球铰物体与螺栓装配四种协调运动进行了深入探讨。采用主从跟随控制方式,由主臂初始状态和运行条件,求得从臂运动速度,以完成双臂的协调运动;对于机器人单臂与双臂运动规划都进行了指令化,并编写示教软件实现了对机器人手臂的运动控制。4)从神经学生理学角度出发,对服务机器人双臂进行了姿态类人优化设计,建立了双臂拟人姿态的数学模型。为了使机器人双臂能够产生类人动作,首先分析了人体手臂结构、自由度及运动机理,然后结合神经生理学的研究成果与服务机器人双臂的特点,优化了双臂的初始姿态,在对人体手臂感知运动转换模型修正的基础上,得到了服务机器人双臂产生拟人姿态的数学模型。5)建立了单臂和双臂任务操作的Petri网模型,并分析了其基本性能,设计了基于此模型为内核的双臂协调操作控制结构。根据手臂操作任务的特点对双臂操作进行了分类,即协调操作任务和非协调操作任务,建立了单臂和双臂任务操作的Petri网模型,采用可达图的方法对模型进行了分析,得出了双臂协作网络模型是有界的、活的和守恒的结论;以此模型为服务机器人双臂任务操作的协调层,研发了双臂协作的分层递阶控制系统架构。6)为了验证本文所提出的算法及方法的有效性,以家庭一般性服务和娱乐为对象,在服务机器人本体平台上进行了一系列的功能和性能实验,测试了服务机器人双臂系统硬件的可靠性及软件的稳定性,对实验结果进行了分析,并指出了不足。本论文有关服务机器人双臂协调操作的研究,将有助于开放式系统下机器人手臂运动能力、拟人程度、操作性能及稳定性的提高,这将对拓展机器人的应用领域,具有积极的学术意义和重要的实际意义。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章 绪论  14-34
  1.1 课题研究背景及来源  14-15
  1.2 双臂服务机器人研究现状及分析  15-24
    1.2.1 日本双臂服务机器人  16-18
    1.2.2 韩国双臂服务机器人  18-19
    1.2.3 德国双臂服务机器人  19-21
    1.2.4 美国双臂服务机器人  21-22
    1.2.5 国内研究状况  22-23
    1.2.6 研究现状分析  23-24
  1.3 服务机器人双臂协作的研究  24-29
    1.3.1 双臂协调运动及控制  24-26
    1.3.2 双臂拟人运动规划  26-28
    1.3.3 机器人系统Petri 网建模  28-29
  1.4 存在的问题及本文的研究目标  29-31
    1.4.1 存在的问题  29-30
    1.4.2 本文研究目标  30-31
  1.5 本文研究内容与组织结构  31-34
第二章 服务机器人双臂系统  34-46
  2.1 引言  34
  2.2 机器人整体结构  34-37
  2.3 双臂软硬件系统  37-43
    2.3.1 双臂系统设计要求  37-38
    2.3.2 双臂系统硬件组成  38-42
    2.3.3 双臂系统软件架构  42-43
  2.4 机器人视觉系统  43-45
  2.5 本章小结  45-46
第三章 双臂运动学算法及标定  46-76
  3.1 引言  46-48
  3.2 双臂结构参数建模  48-53
    3.2.1 三维空间位姿描述  48-49
    3.2.2 连杆坐标系与齐次变换  49-51
    3.2.3 旋转矩阵的欧拉角表示  51-53
  3.3 双臂正运动学  53-55
  3.4 双臂逆运动学  55-63
  3.5 运动学算法实现  63-64
  3.6 双臂运动学标定  64-75
    3.6.1 手臂误差分析模型  65-68
    3.6.2 手臂相对位置误差模型  68-71
    3.6.3 双臂标定过程  71-75
  3.7 本章小结  75-76
第四章 双臂协调运动规划  76-100
  4.1 引言  76
  4.2 单臂运动轨迹规划  76-86
    4.2.1 关节空间轨迹规划  77-79
    4.2.2 任务空间位姿规划  79-86
  4.3 双臂协调运动学模型  86-95
    4.3.1 雅可比矩阵及广义速度  86-87
    4.3.2 双臂搬运刚体  87-90
    4.3.3 双臂持钳运动  90-92
    4.3.4 双臂操纵球铰物体  92-94
    4.3.5 双臂螺栓装配运动  94-95
  4.4 控制算法实现  95-99
    4.4.1 单臂轨迹规划实现  95-97
    4.4.2 双臂协调运动实现  97-99
  4.5 本章小结  99-100
第五章 双臂拟人动作规划  100-114
  5.1 引言  100-101
  5.2 人体手臂运动机理  101-106
    5.2.1 手臂解剖结构及自由度  101-104
    5.2.2 人体手臂运动分析  104-106
  5.3 机器人手臂拟人运动规划  106-108
    5.3.1 手臂运动学约束  106-107
    5.3.2 手臂拟人姿态生成  107-108
  5.4 服务机器人双臂分析与拟人运动实现  108-113
    5.4.1 机器人手臂结构特性分析  108-109
    5.4.2 双臂姿态类人优化  109-111
    5.4.3 双臂拟人运动实现  111-113
  5.5 本章小结  113-114
第六章 双臂协调操作 Petri 网建模  114-127
  6.1 引言  114
  6.2 Petri 网理论基础  114-119
    6.2.1 Petri 网基本概念  114-115
    6.2.2 Petri 网图形标识  115-116
    6.2.3 Petri 网基本性能  116-118
    6.2.4 Petri 网分析方法  118-119
  6.3 手臂操作Petri 网模型  119-125
    6.3.1 手臂操作任务分类  119-121
    6.3.2 单臂操作Petri 网建模  121-122
    6.3.3 双臂协作Petri 网建模  122-124
    6.3.4 双臂Petri 网模型分析  124-125
  6.4 双臂协作控制结构设计  125-126
  6.5 本章小结  126-127
第七章 双臂协作实验与分析  127-136
  7.1 引言  127
  7.2 实验总体方案介绍  127-128
  7.3 双臂协作运动及控制实验  128-134
    7.3.1 运动学及协调运动实验  128-131
    7.3.2 双臂拟人动作实验  131-133
    7.3.3 Petri 网控制双臂操作实验  133-134
  7.4 实验总结  134-135
  7.5 本章小结  135-136
第八章 总结与展望  136-140
  8.1 论文总结  136-137
  8.2 创新点  137-138
  8.3 研究展望  138-140
参考文献  140-152
攻读博士学位期间发表的论文和科研工作  152-154
致谢  154

相似论文

  1. 一种新型模块化自重构机器人的研究,TP242.2
  2. 晶圆传输机器人关键控制技术研究,TP242.2
  3. 模块化双管发射技术的研究,TN957.3
  4. 基于分布式描述逻辑的本体模块化构建方法研究,TP391.1
  5. 基于模块化建模方法的舰用燃气轮机装置的仿真技术研究,U674.703
  6. 船舶模块化设计技术研究,U662
  7. S公司单元制模块化员工培训体系研究,F407.61
  8. 多通道闪存控制器模块化设计与实现,TP333
  9. 小型移动机器人系统平台的模块化设计与实现,TP242
  10. 新型卷板机运动结构与控制系统设计,TG333.24
  11. 国际语音业务运营支撑系统的研究与实现,TN915.07
  12. 基于结构光视觉传感器的焊缝实时跟踪控制,TG441
  13. 基于Linux的分布式交换机设备虚拟化技术研究,TP393.05
  14. 基于永磁同步无齿轮曳引机的电梯节能驱动与控制系统设计与实现,TP273
  15. 单目视觉伺服模块化机械臂控制系统研究,TP242
  16. 自动化测试系统在光网络设备的应用研究,TN929.1
  17. 模块化背景下中国数控机床企业技术能力成长路径研究,F426.4
  18. 垃圾焚烧热电联产厂级监控系统SIS的研究与实现,TM619
  19. 龙纹的异化设计研究与应用,J522
  20. 三自由度纯平动并联机器人关键技术研究,TP242.2
  21. 六足仿生机器人单腿结构设计及其柔顺控制研究,TP242

中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
© 2012 www.xueweilunwen.com