面向协同作业任务的双臂机器人系统设计与柔顺控制研究
发布时间：2020-12-25 08:57
与传统的单臂机器人相比,双臂机器人更灵活,能适应更复杂的工作任务并能与人更好地协作。但目前双臂机器人的成本较高,因而不利于其产业化,且大部分应用场景下双臂的协调层次低,不能充分发挥双臂的优势。基于此,本文研制了一种双臂协作机器人,并针对协同作业任务开展双臂紧协调下的柔顺控制等相关研究。根据搬运装配等协同作业任务需求,确定双臂协作机器人的功能与性能指标,并据此设计了该机器人的结构。该机器人由三种模块化关节、转接件、基座等组成。单臂具有7个自由度,使其更加灵巧;模块化关节内的机加工零件少,且设计了一体化的双关节,使机器人的集成度更高,可靠性与维护性更好。该方案给出了一种低成本、高集成度的双臂机器人设计方式。基于该双臂机器人的构型特点,在任务受限的情况下,提出了基于全局图搜索的冗余机械臂运动规划方法。该方法将机械臂自身构型用一个参数表示,将规划路径用另一个参数表示,从而构成二维图,用图搜索算法寻找可行解,最后再在关节空间中进行规划。该算法能在满足末端定位定姿要求的前提下,同时实现了障碍回避、关节极限回避等目标,并能够保证多次规划的路径一致。针对搬运任务下双臂形成封闭运动链的复杂问题,提出一种...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双臂机器人
?习璠27]。Zheng[28]等人研究双臂协调下的运动学约束，从臂按照主臂的运动而跟随运动，提出根据主臂的运动规划从臂的轨迹。Liu[29]等人从位置级、速度级、加速度级三个层级对双臂的运动进行了分解，并通过仿真验证了提出的算法，但缺少实验验证。Zhu[30]等人用两个工业机器人进行鸡蛋抓取实验，提出了抓取中的控制规划方法。VahrenkampN[31]等人对双臂执行任务的规划提出了一种解决方法。其首先确定在给定位置的机械臂构型，再基于采样的运动规划算法进行规划，该规划方法实现了使用ARMAR-III在厨房中执行任务，如图1-2所示。图1-2人形机器人抓盘子1.2.3双臂机器人柔顺控制方法被动柔顺依靠弹簧等储能元件实现功能，然而存在刚度较低、通用性差等缺点，所以需要进行主动柔顺控制研究。主动柔顺控制包括力/位混合控制、阻抗控制、自适应控制等。Uchiyama[32]实现了双臂的力位混合，双臂不再区分主从，使用同一控制器。通过选择矩阵可以根据需要选择不同方向上需要控制的量，如某些方向上对力要求更高，需要控制接触力；而另一些方向上对位置的要求更高，则控制位置。Hogan[33]首先给出阻抗这个概念，该方法影响深远，为接下来的研究与改进奠定了基矗Whitney[34]提出的刚度控制方法将测量的力信号转化为位置修正量，从
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-而使机械臂表现出适应性。Salisbury[35]提出的阻尼控制将测量的力信号转化为速度修正量。Sadeghian[36]等提出了具有零空间柔顺的任务空间控制方法。阻抗控制在单机械臂上已经得到了广泛的应用，并在向双臂上拓展。Yan[37]等针对双臂末端操作力分配的问题，提出了两种力分配方式，基于这两种力分配方式，提出了双臂的协同阻抗控制，如图1-3所示，实验中双臂协同处理可更换模块。Yan[38]等针对双臂抓取移动物体进行研究，分抓取前、接触过程中与抓取后三个阶段分别进行运动规划与阻抗控制优化，实验过程如图1-4所示。Schneider[39]等给出了物体的阻抗控制方法，但该方法需要准确的物体动力学参数。自适应控制有模型参考自适应与自校正两种方法[40]。Rahimi[41]等针对人机交互中环境参数未知，机器人动力学参数未知等问题设计了一套控制方法，自适应机器人动力学参数与阻抗参数，使内环能精确跟踪轨迹，外环能顺应人的意图。Li[42]等通过使用两个传感器分别用于人机之间的交互和机器人与环境之间的交互来解决人-机-环境共同作用下机器人的自适应控制问题。Dimeas[43]等人指出在人机交互的过程中阻尼参数是最重要的参数，而一般不需要刚度参数。图1-3双臂协同处理可更换模块图1-4双臂抓捕移动物体
【参考文献】：
期刊论文
[1]美国Rethink Robotics发布Intera 5软件平台[J]. 物流技术与应用. 2017(03)
[2]ABB推出面向未来的人机协作产品:YuMi双臂机器人[J]. 自动化技术与应用. 2014(09)
[3]浙江大学成功研制大型仿人机器人[J]. 吴浪,周炜. 科技创新与品牌. 2011(11)
硕士论文
[1]七自由度仿人机械臂直接示教方法研究[D]. 赫向阳.华中科技大学 2017
[2]六自由度机械臂阻抗控制方法研究[D]. 谢心如.哈尔滨工程大学 2016
[3]机器人宇航员全身协调运动规划及双臂柔顺控制研究[D]. 郑彦宁.哈尔滨工业大学 2015
[4]冗余灵巧臂的示教学习[D]. 沈珑斌.浙江大学 2014
本文编号：2937339
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双臂机器人
?习璠27]。Zheng[28]等人研究双臂协调下的运动学约束，从臂按照主臂的运动而跟随运动，提出根据主臂的运动规划从臂的轨迹。Liu[29]等人从位置级、速度级、加速度级三个层级对双臂的运动进行了分解，并通过仿真验证了提出的算法，但缺少实验验证。Zhu[30]等人用两个工业机器人进行鸡蛋抓取实验，提出了抓取中的控制规划方法。VahrenkampN[31]等人对双臂执行任务的规划提出了一种解决方法。其首先确定在给定位置的机械臂构型，再基于采样的运动规划算法进行规划，该规划方法实现了使用ARMAR-III在厨房中执行任务，如图1-2所示。图1-2人形机器人抓盘子1.2.3双臂机器人柔顺控制方法被动柔顺依靠弹簧等储能元件实现功能，然而存在刚度较低、通用性差等缺点，所以需要进行主动柔顺控制研究。主动柔顺控制包括力/位混合控制、阻抗控制、自适应控制等。Uchiyama[32]实现了双臂的力位混合，双臂不再区分主从，使用同一控制器。通过选择矩阵可以根据需要选择不同方向上需要控制的量，如某些方向上对力要求更高，需要控制接触力；而另一些方向上对位置的要求更高，则控制位置。Hogan[33]首先给出阻抗这个概念，该方法影响深远，为接下来的研究与改进奠定了基矗Whitney[34]提出的刚度控制方法将测量的力信号转化为位置修正量，从
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-而使机械臂表现出适应性。Salisbury[35]提出的阻尼控制将测量的力信号转化为速度修正量。Sadeghian[36]等提出了具有零空间柔顺的任务空间控制方法。阻抗控制在单机械臂上已经得到了广泛的应用，并在向双臂上拓展。Yan[37]等针对双臂末端操作力分配的问题，提出了两种力分配方式，基于这两种力分配方式，提出了双臂的协同阻抗控制，如图1-3所示，实验中双臂协同处理可更换模块。Yan[38]等针对双臂抓取移动物体进行研究，分抓取前、接触过程中与抓取后三个阶段分别进行运动规划与阻抗控制优化，实验过程如图1-4所示。Schneider[39]等给出了物体的阻抗控制方法，但该方法需要准确的物体动力学参数。自适应控制有模型参考自适应与自校正两种方法[40]。Rahimi[41]等针对人机交互中环境参数未知，机器人动力学参数未知等问题设计了一套控制方法，自适应机器人动力学参数与阻抗参数，使内环能精确跟踪轨迹，外环能顺应人的意图。Li[42]等通过使用两个传感器分别用于人机之间的交互和机器人与环境之间的交互来解决人-机-环境共同作用下机器人的自适应控制问题。Dimeas[43]等人指出在人机交互的过程中阻尼参数是最重要的参数，而一般不需要刚度参数。图1-3双臂协同处理可更换模块图1-4双臂抓捕移动物体
【参考文献】：
期刊论文
[1]美国Rethink Robotics发布Intera 5软件平台[J]. 物流技术与应用. 2017(03)
[2]ABB推出面向未来的人机协作产品:YuMi双臂机器人[J]. 自动化技术与应用. 2014(09)
[3]浙江大学成功研制大型仿人机器人[J]. 吴浪,周炜. 科技创新与品牌. 2011(11)
硕士论文
[1]七自由度仿人机械臂直接示教方法研究[D]. 赫向阳.华中科技大学 2017
[2]六自由度机械臂阻抗控制方法研究[D]. 谢心如.哈尔滨工程大学 2016
[3]机器人宇航员全身协调运动规划及双臂柔顺控制研究[D]. 郑彦宁.哈尔滨工业大学 2015
[4]冗余灵巧臂的示教学习[D]. 沈珑斌.浙江大学 2014
本文编号：2937339
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