双臂强耦合系统的运动规划与控制的研究.pdf
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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract For the single non-redundant manipulator(NRSM), there exist big limitations in flexibility, adaptability and operating capacity for the current level of robot technology. In order to meet the needs of complex tasks, dual-redundant manipulators (DRM) come into being, c
2、ompared with the NRSM, the controller design, solution for inverse kinematics, motion planning and coordination control for the DRM are more complex and difficult. According to the needs of the DRMs control, the hierarchical control architecture of central controller multi joint controller is used.
3、According to the needs for joint control, joint controller based on FPGA(Field-Programmable Gate Array) which embedded NIOS II microprocessor is designed, the testing results showed that the joint controller can quickly acquire the sensor information, and communicate with the central controller at a
4、 high speed. Firstly, kinematic constraints for the strongly coupled dual-manipulator system (SCDMS) which the DRM grip a rigid body is given. Combined with the requirements of the mission, a seven-segment Cartesian trajectory planning method was used, the trajectory planned by this method owns cont
5、inuous velocity and acceleration, and the velocity, acceleration and jerk are limited. Then, an improved gradient projection method is deduced to solve the velocity; this method can effectively handle manipulator singular position and avoiding joint speed limits. For the 7DOF manipulator with offset
6、-wrist, the deficiencies of the commonly used analytical method for inverse solution of position is given, and then an analytical solution called virtual joint method is proposed, the simulation result shows that this method has a high position accuracy. Finally, the dynamic model of the system is a
7、ssigned, and an arm position controller using a PD +Gravity compensation technique is designed. Model of SCDMS is build based on SimMechanics, and the simulation result showed that the contact force between manipulators and object changes frequently and leads to big relative position error. In order
8、 to control the contact force, impedance control in Cartesian space is applied and a position/impedance coordination controller is designed. The simulation result shows that this controller can track the given contact force well and reduce the relative position error. Keywords: Dual-Manipulator Stro
9、ngly Coupled System, Seven-Segment Cartesian Trajectory Planning Method, Virtual-Joint Method, Coordination Control 目 录 - III - 目 录 摘 要I ABSTRACT . II 第 1 章 绪论.1 1.1 课题研究的目的和意义.1 1.2 冗余度双臂机器人的国内外研究现状分析 1 1.2.1 国内外双臂机器人的研究现状.1 1.2.2 冗余度机械臂的逆运动学.5 1.2.3 笛卡尔空间轨迹规划 7 1.2.4 双臂协调操作概述 8 1.3 主要研究内容 9 1.4 本章
10、小结 10 第 2 章 双臂系统关节控制器的设计 11 2.1 双臂控制系统的总体硬件设计 .11 2.2 关节控制器的设计.12 2.2.1 电源设计13 2.2.2 传感器系统14 2.2.3 电机驱动器16 2.2.4 失电制动器电路设计 16 2.2.5 片上关节控制器的设计.16 2.2.6 关节控制器测试实验 17 2.3 本章小结 20 第 3 章 双臂强耦合系统的运动规划 21 3.1 双臂强耦合系统的运动学约束 .21 3.1.1 位置约束22 3.1.2 速度约束22 3.2 双臂强耦合系统的运动规划 .24 3.2.1 七段式笛卡尔轨迹规划方法.24 3.2.2 点对点直
11、线轨迹规划 25 3.2.3 多点连续轨迹规划 27 3.2.4 双臂强耦合系统的轨迹规划.29 3.3 本章小结 29 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 第 4 章 7 自由度机械臂的运动学研究30 4.1 机械臂运动学建模及正运动学 .30 4.1.1 机械臂的运动学建模 30 4.1.2 机械臂的正运动学 31 4.2 关节速度的求解.32 4.2.1 改进型梯度投影法 33 4.3 位置的逆运动学求解.35 4.3.1 虚拟关节法36 4.3.2 运动仿真验证41 4.5 本章小结 .43 第 5 章 双臂强耦合系统的协调控制 44 5.1 双臂强耦合系统的动力学模型 .4
12、4 5.1.1 机械臂的静力学 44 5.1.2 机械臂的逆动力学 44 5.1.3 双臂强耦合系统的动力学分析.45 5.2 双臂强耦合系统的位置控制 .47 5.2.1 基于 SimMechanics 的位置控制仿真试验47 5.2.2 双臂强耦合系统的位置控制.51 5.3 笛卡尔空间阻抗控制的研究 .52 5.3.1 机械臂的操作空间动力学模型.52 5.3.2 基于位置的阻抗控制 53 5.3.3 笛卡尔空间基于给定力的阻抗控制 .55 5.3.4 双臂强耦合系统的协调控制.56 5.4 实验研究 58 5.4.1 实验平台介绍58 5.4.2 位置控制实验58 5.4.3 阻抗控制
13、实验60 5.5 本章小节 61 结 论.62 参考文献.63 攻读学位期间发表的学术论文68 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.69 致 谢.70 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 本课题来源于哈工大德宇航空间联合实验室“机器人宇航员”的预研课 题。 自机械臂被发明并投入实际应用以来,机械臂技术得到了极大的发展,其 应用从工业制造逐渐扩展到医疗救援、娱乐服务、军事排爆甚至航天太空探索 等领域。在机械臂的应用中,大部分任务比较单一,往往只需要单个机械臂配 合专用的末端执行器就能完成。但是随着行业的进一步深入的发展,操作任务 越来越复杂,
14、对机械臂的适应性和智能性提出了更高的要求。此外机械臂在运 动过程中,往往会对机械臂提出避障,避奇异等要求,为了满足任务需求,双 臂冗余度机器人应运而生。其相对于单臂机器人有如下的特点: (1)灵活性高:冗余度机械臂能够利用其冗余特性克服奇异性。避关节 角极限、避障等1-4。 (2)容错性:由于带有冗余自由度,当某一个关节遇到故障时,可以利 用剩余的六个关节进行任务再规划,具有较高的可靠性。 (3)工作能力强:能够完成单一机械臂无法完成的任务,如夹持柔性的 薄板、搬运较重的物体(超过单臂承载范围)、拉锯等任务; (4)任务适应性高:能够根据任务的需要,可以进行单臂控制和双臂协 调控制,完成简单或
15、复杂的任务; 虽然双臂冗余自由度机器人具有上述良好的性能,但是冗余双臂间的协调 运动是一个复杂的过程,从运动学角度来看,冗余自由度机械臂的运动学存在 多解性,选择合适的优化解可以更好的发挥其性能;从路径规划角度来看,采 用一种平滑的安全的轨迹能避免机械臂的震荡,保证机械臂和使用人的安全; 从控制角度来看,使双臂系统按照指定的路径运动并能控制其输出力,可以保 证最终任务的完成并能对操作物体不造成伤害。因此本文对冗余度双臂强耦合 系统的研究是具有十分重要的意义的。 1.2 冗余度双臂机器人的国内外研究现状分析 1.2.1 国内外双臂机器人的研究现状 1.2.1.1 德国宇航中心的双臂机器人 Jus
16、tin 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 德国宇航中心(DLR)研制的仿人上半身系统Justin4 F5-6是目前最灵活的仿人 形机器人之一。如图 1-1 所示,它由两条 7 自由度仿人机械臂、两个 12 自由 度灵巧手,一个 3 自由度腰部一个 2 自由度头部组成,其上半身最大可伸展高 度 90cm,重量 45kg,可以完成夹持重物,扭瓶盖等复杂任务。整个机器人的 核心是由两条DLR新一代轻型臂(DLR-LWR-III)构成的双臂系统。整个双臂 系统的控制器分为笛卡尔控制层和关节控制层,关节层采用基于DSP/FPGA构 架的关节控制器,主要负责传感信号的采集和电机的驱动。笛卡尔控制
17、层采用 了基于PC机的上层控制器,笛卡尔控制层和关节控制层间采用总线周期为 1ms的实时串行通信总线进行通信。 图 1-1 德国宇航中心的双臂机器人 Justin 1.2.1.2 美国 NASA 双臂机器人 Robonaut2 2011 年 2 月 25 日“发现号”航天飞机携带人类首个机器人宇航员 “Robonaut2”进入空间站。如图 1-2 所示,Robonaut27-8全身装备多种的传感 器,拥有灵巧的上肢,可帮助人类宇航员完成枯燥、重复或者危险的任务。 Robonaut 2 也采用了两级控制构架,中央控制器采用了双处理器构架,其中一 个处理器主要实现对关节信号的接收和处理,此外对整个
18、系统实行动力学和运 动学监测和保护;另一个处理器主要运行控制算法,运动学计算等。它们之间 通过CPCI总线进行通信和数据共享;关节控制器采用嵌入式微处理器,具有 极强的驱动能力。两级控制器之间采用M-LVDS总线代替Robonaut1 中的 RS485 点对点通信,大大的减少了通信导线的数量,提高了通信频率,最高通 信频率可达 10khz。Robonaut2 采用了操作空间阻抗控制和关节空间阻抗控制 两级阻抗控制,整个系统表现出极强的柔性,能够适应多种环境。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 图 1-2 美国 NASA 研制的机器人宇航员 Robonaut2 1.2.1.3 2 9
19、BHONDA公司的ASIMO机器人 如图 1-3 所示,ASIMO9-10是日本本田公司研制的最新一代的仿人形机器 人,ASIMO 与 HONDA 开发的前几代机器人相比,最为显著的特点是其上肢 活动能力得到大大的增强,其灵活的 7 自由度双臂能够轻松完成一些服务动 作。如开锁,端盘子等9 F。 图 1-3 HONDA 公司的 ASIMO 机器人 1.2.1.4 HRP 仿人形机器人 日本产经省于 1998 年至 2002 年间组织推动了HRP(Humanoid Robotics Project)项目,推出了HRP系列机器人,并于 2008 年推出了最新一代仿人机 器人HRP-311。如图 1
20、-4 所示,整个机器人身高 160cm,重 68kg,具有 42 个 自由度。机械臂采用与人手臂相同的构型即三自由度肩关节、单自由度肘关节 和三自由度腕关节组成,关节内集成了位置传感器并使用直流无刷电机进行驱 动,在手臂处集成了加速度传感器和力传感器以实现手臂和身体的协调控制。 上层控制器采用奔腾处理器,并集成了ART-Linux实时操作系统,保证了机器 人控制的实时性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 图 1-4 日本开发的 HPR-3 双臂机器人 1.2.1.5 3 0 BABB 公司FRIDA工业机器人 如图 1-5 所示。ABB公司开发的FRIDA1 1 F12工业机器人仅
21、由两条机械臂构 成,每条机械臂含有 7 个自由度,在机械臂的末端装有六维力矩传感器,整个 机器人结构紧凑,重量轻,可以任意安放。机器人的控制器采用ABB公司开 发的ABB IRC5 Robot Control System,该控制系统有开放的外部接口,能够与 外部传感系统进行连接进行控制。 图 1-5 ABB 公司开发的 FRIDA 双臂工业机器人 1.2.1.6 国内双臂机器人的研究现状 国内对双臂机器人的研发处于战略决策和预研阶段,在使用方面几乎是一 片空白。早期开发的双臂系统往往用国外已成型的单机械臂组合而成,如首钢 莫托曼机器人有限公司开发的双机器人协调弧焊系统、双机器人协调倒水、下
22、棋演示系统13、北京工业大学的Power Cube模块化双臂协调机器人14及北京 航天航空大学搭建的冗余双臂空间机器人系统实验平台15。在自主研发方 面,近期也取得了一定的成果,如复旦大学研发的“复旦一号”16,上海交通 大学研究开发的类人型双臂机器人17,哈工大研发的服务机器人18等。其中 最具代表性的是如图 1-6 所示北京理工大学研制的机器人“汇童19”,“汇童”灵 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 活的双臂能够完成复杂的动作,如舞剑,打太极等。 图 1-6 北京理工大学研制的机器人“汇童” 1.2.2 冗余度机械臂的逆运动学 相比于非冗余度机械臂,冗余度机械臂有更灵活的性能,
23、如避动力学奇异 位置,避障碍物、避关节极限、实现关节力矩优化等。但是机械臂的冗余自由 度却给手臂的逆运动学求解带来了困难。在过去的 20 多年时间内,大量的学 者对冗余自由度机器人的逆运动学展开了深入的研究,提出了大量的解法及优 化方法。 1.2.2.1 固定角度法 固定角度法的思想非常简单,即将冗余度机械臂的冗余自由度固定,转化 为六自由度机械臂,然后通过反变换方法20或者几何方法进行求解。该种方 法思想简单,但相比于其它方法,没有将机械臂的自运动分离出来,失去了冗 余性。 1.2.2.2 梯度投影法 梯度投影法(gradient projection method, GPM)21-23是应
24、用最广泛的一种逆 运动学求解方法。根据机器人雅可比矩阵的定义,关节速度 q ? 和末端运动速度 x ? 存在如下的关系: ( )xJ q q=? (1-1) 式中( )J q机械臂的雅可比矩阵; x ? 机械臂末端在基座标中的速度; q ? 机械臂的关节速度。 根据式(1-1),我们可以得出关节速度和末端执行器速度的关系 ( -)qJ xIJ J v + =+? (1-2) 式中 + JJ的伪逆; I单位矩阵; 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - v任意向量; 梯度投影法求解的速度包含两项,第一项称为最小范数解,它能完成所有 的机械臂的运动;第二项为式(1-1)的通解,( -)IJ J
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- 双臂 耦合 系统 运动 规划 控制 研究
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