偏置式七自由度机械臂系统设计与运动学标定方法研究

发布时间：2020-10-30 22:06

　　 随着科学技术的发展,机器人逐渐被广泛用于辅助诸多行业的工人来完成作业任务,因此机器人行业也成为了我国重要的发展策略。七自由度机械臂相比传统六自由度机械臂存在冗余自由度,可以实现工作空间范围内的任意位置均可达且有无穷解,在医疗器械、家庭服务、工业自动化领域都有较高的研究和应用价值。本文通过对各种构型机械臂的优缺点进行总结分析,设计了含肩部、肘部、腕部偏置的七自由度机械臂;再对比分析不同关节配置下末端所能承受的最大负载情况,选用“3+2+2”构型配置的机械臂,以提高机械臂末端的负载能力。对本文设计的偏置式机械臂进行正运动学建模及工作空间分析。针对偏置式七自由度机械臂无封闭解的问题,采用TRAC-IK求解器进行逆运动学求解,为不符合PIEPER准则的串联机械臂提供成功率和实时性较高的逆运动学求解方案。并针对传统的机械臂运动学标定方案需要高精度高成本的三维测量仪器的问题,提出了基于单目相机的机械臂运动学模型几何参数标定的方案,主要包括相机的内外参标定、粗辨识与精辨识结合的运动学参数辨识、运动学参数补偿及对比实验分析。对比实验结果表明本文提出的运动学标定方案可在一定程度上提高机械臂末端的绝对定位精度。最后,设计了偏置式七自由度机械臂本体及其硬件、软件系统,并设计一系列的实验验证机械臂的逆运动学求解精度和灵活运动特性,得出本文所提出的偏置式七自由度机械臂可增大末端负载并且可灵活避障的结论。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP241
【部分图文】：

从 19 世纪 90 年代开始，国外很多科研单位就对七自由度机械臂的逆运动学分析、运动控制、路径规划等基础问题进行了研究。经过十多年的发展，已经有诸多机器人公司研发了应用于不同场合的七自由度机械臂，用于工业场景的产品有 ABB 公司的 YuMi 机器人、KUKA 公司的 LBR 系列机械臂、安川电机公司的 SIA5D 工业机器人等，用于医疗康复场景的产品有川崎机器人公司的 MS005N 医疗与制药机器人、F&P 机器人公司的 Lio 服务机器人、kinova 机器人公司的 JACO27DOF-S 机械臂等。在 2015 年，ABB 公司发布了最新的人机协作机器人 YuMi，如图 1.1(a)所示。从外形可以看到，该机器人由双七自由度机械臂组成，且关节电机的布局较紧凑，刻意模仿人体结构，从人因工程的角度出发，改变人们对传统机器人的印象，增加亲和感，更适合于人机协作场合。同时带有力反馈，用于检测外部碰撞，防止发生伤害事故，确保人机安全。有效负载 500g，工作范围 559mm，适用于消费类电子产品、汽车零部件等小件的装配。

图 1.2 UR 协作机械臂同样的，针对用于空间服务的七自由度机械臂的结构设计，国内外学者做了较多的研究，偏置式七自由度机械臂由于其灵活的运动范围、可避免奇异的特性，被广泛用于航空航天领域。目前已经研制成功并投入使用的空间机械臂有加拿大的空间站遥操作机械臂 SSRMS(Space Station Remote Manipulator System)、专用灵巧机械臂SPDM(SpecialPurposeDexterousManipulator)、欧洲机械臂 ERA。其中 SPDM 是由双七自由度机械臂和可移动躯干组成，与空间站遥操作机械臂 SSRMS 及活动基座系统MBS(MobileBaseSystem)组成移动服务系统 MSS(MobileServiceSystem)[17]，如图 1.所示，主要用于卫星维修、轨道垃圾清理、太阳能电池板的姿态矫正等。

图 1.3 加拿大的移动服务系统加拿大的遥操作机械臂系统 SSRMS 的结构示意图如图 1.4 所示，由七个关节个等长连杆组成，第 1 关节连接在活动基座上，第 7 关节连接专用灵巧机械PDM。遥操作机械臂系统 SSRMS 采用的是“3+1+3”构型的配置，肩部由前三个（第 1、2、3 关节）组成，含三个自由度，肘部由一个关节（第 4 关节）组成，个自由度，腕部由最后三个关节（第 5、6、7 关节）组成，含三个自由度。并且关节的最后一个关节（第 3 关节）、肘关节（第 4 关节）、腕关节的第一关节（第节）均存在偏置。遥操作机械臂系统 SSRMS活动基座系统 MBS
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本文编号：2863058