6-DOF机械手的抓取动作设计开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告

题 目
6-DOF机械手的抓取动作设计
学 院
自动化学院
专 业
自动化

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
1.1 机械臂的概述
随着工业自动化的发展，机械臂在产业自动化方面应用已经相当广泛，各种不同的机械臂被制作出来应用于各种工业环境。机械臂在复杂、枯燥甚至是恶劣环境下，无论是完成效率以及完成精确性都是人类所无法比拟的。此外，某些机械臂还具有视觉，听觉，感觉等传感器使得它具有很多人类所拥有的能力。也因此，机械臂在人类的生产和生活中发挥着越来越重要的作用。机器具有一致的表现的这种特性提高了生产质量。这种类型的自动化叫做“刚性自动化”。刚性自动化的缺点是机器为执行一个预先的任务被设计出来，使得它在应对每一个模型改变时必须重新更换零件。这种刚性自动化的不灵活性以及相对来说的高成本性导致了一个全新的机器诞生：机械臂。美国机器人工业学会(RIA)将机械臂的定义为“机械臂是通过可变的预编程动作为处理不同的任务而设计，可以执行如搬运材料、零件、工具或者特定的设备等任务，具有可重复编程、多功能的特点”。机械臂通常由计算机或者微处理器控制，通常可以为不同的任务方便地进行重复编程。这种特性使得机械臂优于普通的为执行单一任务被设计出来的机器，因为机械臂不需要为一个模型的更换而更换零件或者重组。这种类型的自动化成为“柔性自动化”[1]。自从Unimation公司生产出第一台工业机器人以来，机械臂的应用也越来越广泛，从原本的汽车工业、模具制造、电子制造等相关产业，向农业、医疗、服务业等领域渗透。
机械臂由多个连杆通过关节组成。根据机械臂的结构拓扑，主要可以分为串联机械臂（开环机械臂）以及并联机械臂（闭环机械臂）。串联机械臂的结构是开环的，而并联机械臂的结构是闭环的。自由度(Degree Of Freedom)是指确定物体在空间的位置所需独立坐标的数目。自由度大致有旋转的自由度和移动的自由度两种形式。机械臂需要有六个自由度，才能随意地在它的工作区间内放置物体，即可以任意指定位姿放置物体。少于六个自由度的机械臂叫做非冗余机械臂，这种机械臂不能随意指定任何位姿，但在具体的工业环境中，机械臂一般不需要六个自由度就可以满足生产要求；超过六个自由度的机械臂叫做冗余机械臂，冗余为机械臂在执行同一种任务时提供了更多的选择配置，它有无穷多种方法为物体指定位姿，这就需要在无穷多种方法中选择一种，这就需要计算机检验解和选择最优路径，这增加了额外的计算时间，因此工业中一般不采用有多余自由度的机械臂。在串联机械臂中，冗余解被广泛地应用。但在并联机械臂中很少应用，由于冗余使得结构很复杂而且缺少理论支持，设计和控制难度会大大增加。
关于机械臂的运动学和动力学，可以由七项指标来衡量机械臂，结合机械臂几何学的影响，末端执行器的运动精确性以及伺服机构和控制系统的质量，可以提供局部反馈以及管理机器的工作。这些指标包括：有效负荷，工作区间（容量，形状），可重复性，稳定性，精准性，敏捷灵巧度，结构柔性。这些参数或指标描述了机械臂从启动，工作到停止，在所有臂的长度和重量都满负荷的条件下，有明确以及精确地操作的能力。机械臂的有效负荷是指机械臂所能承载的最大重量。工作区间是指机械臂的所有关节在没有打破结构和机制约束的情况下可以达到的空间。可重复性是指重复一个动作或者结果的能力。稳定性是指避免机械臂震动的能力。精准性是指机械臂在其工作区间内到达一个具体的配置（位置）的能力。敏捷灵巧度描述了机械臂在运动时的灵活以及拥有高效的速度。结构柔性是应对施加于机械臂的力和扭矩的能力。
关于机械臂的技术要素主要可以分为：1.机械结构（关节型为主流）CAD，CAM等技术已广泛应用于设计、仿真和制造中； 2.控制技术：NC技术、离线编程技术大量采用，协调技术日渐成熟，PC结构的开放系统发展迅猛； 3.驱动技术 4.智能化的传感器：具备类人的感觉功能的传感器； 5.通用的机器人编程语言：适用于各种操作系统及平台的编程语言； 6.网络通讯：大部分机器人采用Ether网络通讯方式，其他采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口[2]。
机械臂或移动车作为机器人主体部分，同末端执行器、驱动器、传感器、控制器、处理器以及软件共同构成一个完整的机器人系统。一个机械臂的系统可以分为机械、硬件、软件和算法四部分。机械臂的具体设计需要考虑结构设计、驱动系统设计、运动学和动力学的分析和仿真、轨迹规划和路径规划研究等部分。因此设计一个高效精确的机械臂系统，不仅能为生产带来更多的效益，也更易于维护和维修。

1.2 机器人分类：
按照不同的标准，机器人分类方法各异。操作性与移动性是机器人最基本的功能构成[5]。根据机器人是否具有这两个能力对机器人进行分类，大体分为三大类：
a. 以操作为主的机械臂，例如 Dextre、PUMA560、PowerCube机械臂等；
b. 以移动为主的机器人，例如Endotics医疗机器人、Big Dog、PackBot，以及美
国Pioneer公司的研究型机器人P2-DX、P3-DX和PowerBot等；
c. 以操作与移动能力相结合的移动机械臂，计入RI-MAN、FFR-1、以及勇气号火星车等[3]。
本课题的研究平台为兼具可移动性与操作能力的PowerBot的移动机械臂。

1.3 国内外研究现状：
在国内外各种机器人和机械臂的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下[4]：
a．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、减速机、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。
b．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
c．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。
d．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；
e．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。
总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

1.4 选题的依据和意义
随着经济水平和科技水平的发展，机械臂的成本也在不断下降，在了解了行业发展方向以及应用方向前提下，基于对6-DOF机械臂的研究，可以更好地开发应用于生产生活各种机械臂。现在国内制造业人力劳动成本不断增加，在各个制造业内，能研制出能取代人力的机械臂也越来越成为提升行业竞争力的重要手段。
本课题研究了6-DOF机械臂的抓取动作设计，并希望由此设计能更好地引导人们设计出符合各自行业应用方向的机械臂动作。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
2.1基本内容：
利用D-H 方法对机械臂进行分析建模，对正运动学与逆运动学进行分析，以Powerbot机械臂为研究对象，进行正运动学与逆运动学的仿真实验。并以此为基础进行抓取动作设计。
设计内容具体包括以下方面：
1：关节参考坐标系的建立；
2：正运动学分析；
3：逆运动学分析；
4：运动轨迹规划
5：PowerCube机械臂动作设计

2.2拟解决的主要问题
1. 分析解决机械臂和欲抓取物体间的空间关系；
2. 确定机械臂至欲抓取物体的行进路径；
3. 对机械臂进行正运动学与逆运动学分析，确定机械臂运动轨迹；
4. 用机械臂对物体进行抓取动作。

三、研究步骤、方法及措施：
3.1机器人正运动学方程的D-H表示法
在1955年，Denavit和Hartenberg在“ASME Journal of Applied Mechanics”发表了一篇论文，后人利用这篇论文对于机器人进行表示和建模，并导出了运动方程，这成为了表示机器人和对机器人运动进行建模的标准方法。Denavit-Hartenberg(D-H)建模方法是根据机器人连杆和关节进行建模，可应用于任何机器人构型，而不管机器人的结构顺序和复杂程度如何，这种建模方法简单通用。它可用于表示在直角坐标、圆柱坐标、球坐标、欧拉角坐标及RPY等坐标中的坐标变换，。另外，它也可以用于任何表示关节和连杆组合的机器人，如全旋转的链式机器人、SCARA机器人、Stanford机械臂等。C.R. Rocha, C.P. Tonetto, A. Dias等人比较了D-H运动学建模方法和基于螺旋理论的运动学建模方法，相比于D-H法建模，螺旋理论法对于整个链需要两个框架，而D-H法只需要一个框架；螺旋理论法坐标系可以随意选取而D-H法不能；螺旋理论法关节变量可能表示绝对位移等。相比于D-H法，螺旋理论法在运动学建模与分析也有一些优势，但没那么流行也没有一套标准化的公式方法[5]。
机器人一般由一些列关节和连杆按任意的顺序连接而成。为了对任意坐标系的机器人进行建模分析，我们需要给每个关节指定一个参考坐标系，确定从一个关节到下一个关节（一个坐标系到下一个坐标系）来进行变换的步骤。然后将基座到第一关节，第一关节到第二关节……第n-1关节到最后一个第n关节的所有变换结合起来，就可以得到机器人的总变换矩阵。
如图3-1所示，定义的连杆参数如下：表示绕关节n+1运动的轴；表示与之间的公垂线的长度（连杆长度）；表示绕轴由轴到轴所旋转的角度； 表示轴与轴之间的角度（扭角）；表示沿轴由轴到轴的距离。

图3.1[6]
假设现在的本地参考坐标系为，通过以下4步标准运动即可到达下一个本地参考坐标系。如图（3-2）所示。关节指定本地参考坐标系的步骤：
图3-2
（1）绕轴旋转（如图3-2（b）所示），它使得和互相平行，因为和都是垂直于轴的，因此绕轴旋转使它们平行。
（2）沿轴平移距离，使得和共线（如图3-2（c）所示）。因为和已经平行并且垂直于，沿着移动则可使它们互相重叠在一起。
（3）沿轴平移的距离，使得和的原点重合（如图3-2（d）和（e）所示）。这是两个参考坐标系的原点处在同一位置。
（4）将轴绕轴旋转，使得轴与轴对准（如图3-2（f）所示）。这时坐标系n和n+1完全相同（如图3-2（g）所示）。至此，我们成功的从一个坐标系变换到了下一个坐标系。
我们可以将两坐标系间的这些变换写成矩阵的形式，见式(3-1)

(3-2)
将各个连杆变换相乘，得
(3-3)
其中，表示末端连杆坐标系{R}相对于基坐标系{H}的描述。就六自由度机械臂而言，就有6个A矩阵。
其中n是关节数。对于一个具有六个自由度的机器人而言，有6个A矩阵。
为了简化A矩阵的计算，可以制作一张关节和连杆参数的表格，其中每个连杆和关节的参数值可从机器人的原理示意图上确定，并且可将这些参数代入A矩阵。表3.1可用于这个目的。
表3.1 D-H参数表
#

d
a

1

2

3

4

5

6

3.2 机器人的逆运动学分析
问题：已知手部位姿,求各关节位置
意义：是机械臂控制的关键

3.2.1 机器人逆运动学有关问题
对于机械臂的动作设计来说，我们真正关心的是逆运动学解。要让机械臂到达特定的位姿，我们需要确定各个关节的值。
不像串联机械臂的正运动学方程有通用的求解方法，串联机械臂的逆运动学问题在大多数情况下是很复杂的。求逆运动学解是在已知末端执行器相对于参考坐标系的位姿，如前面提到PowerCube机械臂的，试图求出各个关节的角度值，如。对于具有六自由度的机械臂来说，有12个方程，其中6个是未知的。这些方程是非线性超越方程，很难求解。我们在求解时需要考虑解的存在性、多重解性以及求解方法。
• 存在性：解是否存在的问题完全取决于机械臂的工作空间[5]。简单地说，工作空间是机械臂末端执行器所能到达的范围。若解存在，则被指定的目标点必须在工作空间内。
• 多重解性：对于机械臂来说，到达一个指定位姿可能不止一种位形，而系统最终只能选择一个解，因此机械臂的多重解现象会产生一些问题。
• 解法：对于机械臂的可解性有如下定义：如果关节变量能够通过一种算法确定，这种算法可以求出与已知位姿相关的全部关节变量，那么机械臂就是可解的。机械臂的全部解法可以分为两类：封闭解和数值解法。
由于逆运动学问题的著名以及在工业上六自由度机械臂的实用性。众多学者做了大量的研究，利用不同的技巧包括数值和几何解法提出了不少逆运动学问题的解决方法。

3.2.2.机器人逆运动学解法：封闭解法和数值解法
封闭解：封闭解是指基于解析形式的算法，或者指对于不高于四次的多项式不用迭代便可完全求解。可将封闭解的求解方法分为两类：代数解法和几何解法。
数值解法：数值解具有迭代性质，所以此封闭解法的求解速度慢得多。通常，数值解的计算也依赖于解的解析形式，一般不用数值解来求解运动学问题，对运动方程的数值迭代本身已形成一个完整的研究领域。

3.3 机械臂运动轨迹规划
为了求得在关节空间的轨迹，首先利用逆运动学方程将路径点转换成关节角度值，然后分别对每一个关节变量映射成一个光滑时间函数，使之从起始点开始，依次通过所有路径点，最后达到目标点。每个关节时间函数之间是相互独立的，但是总的运动时间是相同的[8]。
在关节空间中轨迹规划的一些方法：
1． 三次多项式轨迹规划
2． 五次多项式轨迹规划

四、研究工作进度：
起止日期：
2014
年
10
月
8
日 至
2015
年
1
月
1222
日

进度安排：
序号
时间
内容
1
2014.10.8-2014.10.28
理解毕业设计内容，查阅文献资料。
2
2014.10.29-2014.11.20
熟悉机械臂运动学、仿真工具箱，编写开题报告，按要求做文献综述，翻译英文资料。
3
2014.11.21-2014.12.15
进行数学模型建立与分析，完成轨迹规划算法设计与仿真验证，实现毕业设计要求的各项任务。
4
2014.12.16—2014.12.29
撰写毕业论文，准备答辩
5
2014.12.29—2015.1.12
论文答辩，整理毕业材料

五、主要参考文献：
[1] Zongliang MU. Computational kinematics of general stewart platform [D]. Connecticut: University of Connecticut, 2005.
[2] 任美玲，陶大锦. 机械臂的研究与进展[J].出国与就业,2012, (2):84.
[3] 史先鹏.模块化移动机械臂运动规划与控制[D].华东理工大学,2010.
[4] 龚振帮．机械人机械设计[M]．北京：电子工业出版社，1995.
[5] C.R. Rocha, C.P. Tonetto, 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.
[6] Saeed B. Niku 孙富春等译.机器人学导论:分析、控制及应用(第2版)[M] 北京：电子工业出版社，2013：55.
[7] B.Roth,”Performance Evaluation of Manipulators from a Kinematic Viewpoint,” Performance Evaluation of Manipulators, National Bureau of Standards, special publication, 1975.
[8] 孙亮,马江阮,晓钢 六自由度机械臂轨迹规划与仿真研究[J].控制工程,2010,17(3):390.

六、指导教师审核意见：

指导教师签字：

　　 年　　月　　日七、教研室评议意见：

教研室主任签字：

　　 年　　月　　日
八、开题小组评审意见：

开题小组负责人签字：　　　　

　　　　　　　　　　　 　　 年　　月　　日

九、系领导审核意见：

1．通过； 2．完善后通过；　　　　　３．未通过

系领导签字：　　　　

　　　　　　　　　　　 　　 年　　月　　日