七自由度机器人控制系统方案设计
BUAA_RR七自由度机器人机械结构设计
收稿日期: 1998201214作者 男 52岁 工程师 100083 北京 1)高等学校博士生点基金和863高技术计划资助项目BUAA 2RR 七自由度机器人机械结构设计1)钱锡康(北京航空航天大学机电工程系) 摘 要 就BUAA 2RR 七自由度机器人的操作机机构选型、关节结构、零部件设计等提出了一整套设计原则和方法.研制成的BUAA -RR 七自由度机器人,结构紧凑、合理,运动灵活、可靠,达到了避障和避奇异位形等预定目标.关键词 机器人;自由度;结构设计;冗余;奇异分类号 TP 242.2 从理论上讲,具有六个自由度的机器人在其工作空间内可达到任意位置和姿态,但由于奇异位形存在,一些关节运动到相应位置时,会使机器人自由度退化,失去一个或几个自由度;再加上在工作空间可能存在障碍,机器人就无法满足工作要求.具有冗余自由度的机器人就有能够克服奇异位形、避开障碍、克服关节运动限制和改善动态特性的功能.它能充分提高机器人的工作能力,在运动和动态性能方面具有无可比拟的优越性.早在七十年代,国外发达国家就已开始对冗余自由度机器人进行研究.近几年来这方面研究进展较大,有几个国家已研制出了几种具有冗余自由度的机器人,有的已能应用于实际工作.这几年国内有关单位也相继开始了对冗余自由度机器人的研究,并取得了一些可喜的成果,但水平比国外有较大差距.特别是还没有研制出一台具有冗余自由度的机器人样机.这对冗余自由度机器人的深入研究有很大影响.为此,在高等学校博士生点基金和“863”基金的支持下,从86年开始进行冗余自由度机器人的研究,并已研制成功一台七自由度机器人样机.现就这台BUAA -RR 七自由度机器人样机的操作机的机构选型原则、关节结构、零部件设计等作一简单介绍.1 机构选型冗余自由度机器人的操作机的机构选型是个非常重要的问题,因为机构型式的好坏,将直接影响到能否实现预定目标.为此,提出了如下的机构选型原则:1)能避开奇异位形.工作空间内存在奇异位形是不具有冗余度机器人不可避免的,因此添加的自由度必须能够消除工作空间内的奇异位形.2)能方便地避开障碍.有时工作空间内有不可以排除的障碍,冗余自由度机器人应能方便地避开障碍,完成所要求的工作.3)具有最佳的工作空间.为满足各种工作的需要,机器人手部应能非常灵活地到达工作需要的范围内的各个位置和点,在工作需要的范围内没有死区.工作空间越大,其通用性也就越强.4)机构设计要合理.这涉及到运动副型式的合理选择和配置,驱动运动的最佳传递方式和路线,驱动装置的最佳速比和空间配置等.机构设计不合理,可能会出现臂杆运动干涉或驱动装置无法设置,机构不能运动等问题.因此必须考虑机构设计的合理性.5)采用尽量少的自由度.一般来讲,自由度越多,灵活性越好,避障和避奇异功能越强,可操作性越好.但随之将出现机器人操作机机构的复杂化、刚度削弱、控制困难等问题.因此,在能满足前三条选型原则的前提下,采用冗余自由度尽量少的、机构简单的形式.根据这些选型原则,在分析参考了国外几种冗余自由度机器人后,我们选定了一种在6R 关节机器人的二、三关节之间加一转动自由度的冗余自由度机器人机构型式.使其成为一台肩部和腕部各有三个自由度,肘部为一个自由度的人臂型七自由度关节式机器人.其机构如图1.这种机构型式符合仿生学理论.它有类似人臂的功能,可以绕连接肩和腕两球副的直线做自转运动而不改变其手部的位置和姿态.由于具有1998年6月第24卷第3期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics J une 1998Vol.24 No 13d 1=530mm d 2=425mm d 3=148mm d 4=420mm图1 机构简图这种特性,机器人能很方便地避开障碍和完全消除手腕和肩部运动到一定位置所产生的奇异;有能完全满足工作要求的最佳工作空间;附加的冗余自由度最少;关节设置合理,驱动装置容易配置.其原理见图2,外型见图3.图2 避障碍和奇异示意图图3 BUAA 2RR机器人外形图2 结构设计结构设计是在机构选型后进行的,它必须满足机构的运动要求,还要考虑重量轻、刚性好、易制造,所以必须优选一些简单、合理、紧凑、实用的结构型式.工艺性要好,成本要低,安全可靠性好,外观造型要美观大方.尽可能采用标准件,以提高互换性,降低成本.尽可能采用模块式结构,以提高通用性.还要便于装配调整和维修.现就BUAA -RR 七自由度机器人结构设计简述如下:1)肩部结构肩部为由三个关节组成,并且是三个关节的轴线交于一点的球副结构.关节1采用圆桶型空心轴(见图4),用二个圆锥滚子轴承支承,轴承间隙可调.具有结构简单、刚性好、承载能力强、旋转精度高、并可在轴内走线的特点.图4 关节1结构图关节2也采用两端支承的空心轴结构(图5),使电机组的一部分能插入空心轴里,缩短了电机外露长度,减小整机尺寸,外观形状好.同时,还具有支承刚度高、结构简单、运动轻巧灵活的特点.图5 关节2结构图关节3与大臂壳体组合成一个整体,整个电机组安装在大臂壳体内.关节驱动输出轴设计有卸荷结构,即:将与之连接的关节4部件和小臂自重产生的重力矩不作用到驱动输出轴上去,而是利用二个轴承传到大臂壳体上,由大臂壳体去承担,驱动轴只承受扭矩,不承受弯矩.这样的结构553第3期 钱锡康:BUAA -RR 七自由度机器人机械结构设计刚性好、运动灵活可靠、运动精度高;而且结构整体性好,并且有模块式特点,部件之间装拆方便,有利于各部件单独调试和维修.其结构见图6.图6 关节3结构2)手部结构根据机构设计要求,手腕要有三个自由度.因手腕处在机器人操作机的末端,体积不能过大,运动传递方式也要简单、实用、可行.对现有各种三自由度手腕进行分析后,认为采用类似Cincinnati 2T3系列机器人手腕比较合适,因为它结构紧凑体积小,手腕的运动传递方式实用、简单,符合机构设计要求,而且运动范围大.但其结构过于复杂,必须进行简化设计,还要尽可能采用降低零部件的加工难度以解决制造中的困难.图7 三自由度手腕示意图改进后的三自由度手腕,见图7.去掉了平面齿轮,全部采用标准锥齿轮,使齿轮加工容易.零部件结构的简化和调整环节的增加,使加工工艺性改善,装配、调整容易,维修方便.因手腕运动采用套轴传递,驱动装置配置在远离手腕的小臂另一端,起到配重平衡作用.手腕体积小,重量轻,运动惯量小,手部抓持载荷大,能进入小口径空腔作业.它的三个自由度如不加止挡,都能做大于360°的任意转动.三根轴的轴线相交于球心点,这对于位置反解极为方便.3)一体化的驱动装置一般机器人操作机驱动装置中的电机、减速器、制动器等为分立组件,采用联轴器、齿形带等联接起来使用.这样势必造成体积大、环节多、装配调整不方便等问题.如果统一协调电机、减速器、制动器、光电编码器的结构和尺寸,将它们设计成一体化驱动装置组件,就能使结构紧凑、体积小、重量轻,而且外观整齐,整体结构性好,装配调整及维修十分方便.4)平衡由于机器人操作机各臂杆(包括驱动与传动系统)的自重和抓持物体(载荷)的重量,将对不垂直于水平面的各关节轴线产生重力矩,使机器人操作机各臂杆对诸关节不能保持自身的平衡.因机器人操作机各关节运动速度和范围较大,不平衡力矩对机器人操作机的运动和动力性能有很大影响.对机器人操作机的驱动力矩影响也十分显著.另外:由于不平衡力矩的原因,机器人操作机运动时将增大运动部件的摩擦、磨损和变形,尤其在重载的情况下.对传动系统和运动部件的寿命和精度会产生显著影响.因此,在设计机器人操作机时要考虑平衡问题,通常要设计一套适合于该机器人的平衡系统.对常用的配重平衡、弹簧平衡、气缸平衡等方法的分析比较后,采用了小臂用配重平衡,大臂用弹簧平衡的方式.因手腕用套轴传递运动,因此可将手腕的驱动装置配置在手腕的另一端,作为配重.这样无需添加其他零部件和大量的配重,很方便地实现小臂的平衡.在大臂两侧用两根能双向调节弹簧力的拉伸弹簧来实现大臂的平衡,这种方法结构简单,调整、维护方便.考虑到机器人操作机工作时大臂常处于水平向上30°左右,因此以大臂向上30°作为重力平衡计算点.5)齿轮间隙调整结构传动链中齿轮间隙对机器人操作机运动精度有直接影响,所以一般都要设计齿轮间隙调整结构.齿轮调整结构一般有:双齿轮错齿调整法、轴向垫片调整法、予应力轴调整法、偏心套调整法、轴向压簧调整法、周向弹簧调整法等.经分析,采用了偏心套调整法.这种方法结构简单可靠,调整方便,能很好地消除齿轮间隙,明显地提高机器人传动精度.653北京航空航天大学学报 1998年6)保证机器人操作机整体刚度和强度的措施具有冗余度的机器人操作机,因其关节多,结构复杂,容易削弱整体刚度和强度,影响位姿精度.本文在大小臂等零件的结构上采用了空心封闭式薄壁结构型式,使零件刚性好,强度高,而且重量轻.在各联接处采用配合紧密可靠的止口加用高强度螺栓联接的方法,使联接具有整体效果.各转动关节选用间隙小、运动灵活的高精度轴承,各关节有间隙调整结构,有效地消除各运动关节的间隙.采用了以上措施后,机器人操作机整体刚度和强度得到了保证,达到了机器人位置精度要求和运动速度要求.7)材料的选用在保证机器人操作机刚度和强度的前提下,运动件应尽可能轻量化,以利于减小机器人操作机的转动惯量和驱动力矩,提高机器人的动力学性能.为此,大臂、小臂、手腕等大部分运动零件采用铝合金材料,使零件重量比钢材减少三分之二以上,大大减少了运动惯量和驱动力矩.基座部分的零件采用铸铁和钢材,因铸铁具有吸振性好和比重大的特点,所以能提高整机的稳定性,同时也可降低部分材料价格.8)降低成本的措施为了尽量降低研制成本,在设计时就注意到在保证机器人性能要求的基础上,在结构和加工工艺上采取了不少降低成本的措施.例如:球型手腕内因结构限制必须用一种超薄型轴承,国内无此规格,国外订货周期长、价格贵,因此采用了用高精度轴承磨削加工改制的方法,获得了满意的效果.原美国专利球腕内采用的是平面齿轮,加工困难,将它改为标准锥齿轮使加工工艺简化,加工容易.这些措施大大降低了研制成本,减少了加工难度,缩短了加工周期,而且使用效果良好.3 结束语这次研制成的BUAA 2RR 七自由度机器人样机实现了冗余自由度机器人能避开障碍,消除奇异位形的功能.它可“自运动”和克服关节角限制.运动灵活,可靠,达到了预想目标.这表明:机器人的机械结构设计是合理的,总体传动机构是可行的,是比较成功的.参 考 文 献1 Rosheim Mark E.Robot wrist actuators.Canada :JOHN WIL EY&SONS Inc ,19892 吴广玉,姜复兴.机器人工程导论.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19883 张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社,19884 赵占芳.具有冗余自由度机器人的运动学及控制研究:[学位论文].北京:北京航空航天大学机电工程系,19885 马香峰.工业机器人的操作机设计.北京:冶金工业出版社,1996Structure De sign for 72DOF BUAA 2RR ManipulatorQian Xikang(Beijing University of Aeronautics and Astronautics ,Dept.of Mechanical and Electrical Engineering )Abstract In order to avoid obstacles in task space ,overcome interior singularities and improve the performance of manipulators ,redundant manipulators have been thoroughly researched and developed.In the process of designing BUAA 2RR 7degrees of freedom ,a complete set of principles and methods are pro 2posed on design of mechanical structure ,joint and parts.BUAA 2RR 72DOF manipulator is characterized by self 2motion and overcoming joint limitations ,which has a feasible and compact structure.BUAA 2RR oper 2ates dexterously and reliably ,and is able to avoid obstacles and overcome singularity.Practice verifies the feasibility of above principles and methods.Key words robots ;degree of freedom ;structural design ;redundancy ;singularity753第3期 钱锡康:BUAA -RR 七自由度机器人机械结构设计。
七自由度数据臂多轴伺服运动控制器设计_代明君
七自由度数据臂多轴伺服运动控制器设计3代明君1,林华2,孟偲3(1.黑龙江科技学院机械工程学院,黑龙江哈尔滨 150027;2.辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新123000;3北京航空航天大学机器人研究所,北京 100083)摘要:介绍了一种采用ARM处理器以及FP GA设计的7轴电机伺服运动控制器在数据臂平台上的应用。
与采用传统的MCU设计的多轴电机伺服运动控制器相比,该控制器具有较高的集成度和灵活性,便于用户实现较为复杂的算法。
试验表明,该控制器能够满足多轴电机伺服运动控制的需要。
在面向遥操作的7自由度数据臂平台中,将该控制器应用于关节数据采集和力反馈控制系统中,实现了多关节数据的实时采集和力反馈电机即时动作。
该运动控制器可以应用在各类型机器人、医疗设备及数控机床等控制系统设计中。
关键词:数据臂;ARM;FP GA;伺服控制器中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2005)11-0048-03 随着机电技术在航空航天、国防、工业自动化领域的快速发展,多电机协调控制技术在机器人、医疗设备和数控机床等系统中的地位越来越重要[1,2]。
嵌入式系统是近年来逐渐发展起来的面向控制、监视的实时系统,它的特点是采用高速处理器,体积小、集成度高、运算速度快、存储器容量大、功耗低、支持多种网络接口[3]。
文中讨论了一种基于ARM微处理器与FP GA设计的7轴电机伺服运动控制器。
该控制器选用ARM7芯片,内部集成5路PWM内部定时器,A/D转换,串行接口、看门狗及实时中断定时器等控制相关模块,采用基于J TA G的调试解决方案,便于程序调试修改。
其他接口如增量码盘、电机驱动采用FP GA实现。
控制器使用源码公开的μC/OS-II实时嵌入式操作系统,该操作系统采用占先式的实时内核、中断管理、可靠性高、支持多任务。
系统采用ARM和FP GA作为系统核心,使运动控制器有较强的集成度和灵活性,也降低了机电控制系统的体积。
KUKA七自由度机器人基于视觉和力反馈的控制
交通大学宋开泰等人通过立体相机，联合
SIFT（Scale Invariant Feature Transforma⁃
tion）算法和 SURF（Speed Up Robust Fea⁃
ture）算法，对比数据库中的物体特征与实
拍物体特征，从而实现辨识和定位物体。
德国慕尼黑工业大学 Maldonado 等人通过
向发展。例如基于视觉传感器，移动机器 信息融合并控制机器人。第四节通过在
人可以规划路径避开障碍物；基于力传感 KUKA 七自由度机器人平台上进行实际操
器，机器人可以向物体施加持续的力而不 作，采用混合型视觉、力反馈控制法则获得
至损坏物体；基于触觉传感器，多指机器人 并分析试验结果。最后一节总结。
可以抓住易碎物体。 但基于多传感器信息的反馈控制并不
速度 的关系。从机器人动力学模型可以 分到两个垂直的空间。这样视觉反馈控制
垂直方向的分量 K（c z）=1000 N/m，那么机 器人直接施力的作用等同于机器人末端移 动到水平平面下 0.01 米处，但是实际中平 面是不可移动的，假定机器人欲移动到平 面下 0.01 米处，结果机器人末端接触到平 面后会产生一个 10 牛顿等同的力。
Time-of-flight TOF 相机获得无模物体的
景深和轮廓，从而确定物体形状和方位。
对于已知模型的物体，可以通过单个相机 来定位和跟踪物体，法国 Lagadic 实验室的
图 1 KUKA 机器人以及试验配置
Marchan，Chaumette 等人用单相机实现了
如前文所述，Marchan，Chaumette 等人
（1）
（2）
定义误差 e=S-S*，S 是当前的特征值，
S*是误差为 0 时刻的特征值，是元素全为 0
七自由度气动肌肉机械手机构设计及运动控制实现的开题报告
七自由度气动肌肉机械手机构设计及运动控制实现的开题报告标题：七自由度气动肌肉机械手机构设计及运动控制实现摘要：本文主要介绍了一种七自由度气动肌肉机械手的设计及其运动控制实现。
该机械手采用了气动肌肉作为驱动元件，具有高柔性、低噪声、低能耗等优点。
在机械手的设计中，本文采用了模块化设计思想，将机械手分为多个模块，方便后期的维护和更新。
在运动控制方面，本文采用了PID控制算法，对机械手的位置和力进行控制，使得机械手能够实现精准的运动。
关键词：气动肌肉，机械手，七自由度，PID控制一、研究背景与意义机器人技术已经成为了现代工业生产的重要组成部分，机械手作为机器人的重要组成部分之一，具有广泛的应用前景。
机械手的发展趋势是高柔性、低噪声、低能耗，而气动肌肉作为一种柔性驱动元件，越来越受到研究者的关注。
因此，设计一款具有高柔性、低噪声、低能耗的气动肌肉机械手，具有重要的研究价值和应用前景。
二、研究内容本文的研究内容分为两部分，分别是气动肌肉机械手的设计和运动控制实现。
(一) 设计部分机械手的设计采用了模块化设计思想，将机械手分为多个模块，包括气动肌肉模块、驱动模块、传感器模块、手腕模块、手掌模块等。
其中，气动肌肉模块采用肌肉形状的设计，具有强大的柔性和可塑性；驱动模块采用电磁阀控制气动肌肉的介质流动，实现机械手的运动；传感器模块采用光电编码器进行位置传感；手腕模块采用球形联轴器设计，使得机械手能够在多个不同的方向进行旋转；手掌模块采用灵活的设计，能够适应不同的工件抓取。
(二) 运动控制实现部分本文采用了PID控制算法对机械手的位置和力进行控制。
在位置控制方面，通过光电编码器的信号获取机械手的位置信息，然后根据设定的目标位置和当前位置计算出位置误差，并通过PID控制器计算出控制量，最终让机械手到达目标位置。
在力控制方面，本文采用了阻抗控制策略。
在机械手抓取工件时，受到的力会发生变化，本文通过测量机械手末端的力传感器获得机械手的力信息，然后根据设定的阻抗参数计算出控制量，最终使得机械手能够在受到外部力的情况下保持力平衡。
七自由度冗余机器人路径规划研究
七自由度冗余机器人路径规划探究摘要：随着工业制造的不息进步和自动化水平的提高，机器人在生产线上的应用也越来越广泛。
而冗余机器人，作为一种具有更高自由度的机器人形式，具有更强的灵活性和适应性，在求解机器人路径规划问题时表现出不行轻忽的优势。
本文对七自由度冗余机器人路径规划进行了深度探究，分析了其特点，提出了一种基于递归求解的路径规划方法，并通过模拟试验验证了该方法的可行性。
1. 引言在工业自动化生产中，机器人可以替代人力完成繁重、危险或重复性工作，提高生产效率和产品质量。
而随着机器人自由度的增加，其运动变得更加复杂，如何规划机器人的路径成为一个挑战。
2. 七自由度冗余机器人的特点七自由度冗余机器人具有更高自由度的机构，可以在运动过程中依据需要自由调整关节的角度和位置，灵活性更强。
同时，冗余自由度的存在也增加了路径规划的难度。
3. 路径规划方法的综述目前，常用的路径规划方法包括基于几何的方法、基于优化的方法和基于机器进修的方法。
这些方法在解决七自由度冗余机器人路径规划问题时各具特点。
4. 基于递归的路径规划方法本文提出了一种基于递归的路径规划方法，将路径规划问题转化为关节角度逐步求解的问题。
该方法起首确定机器人末端执行器的目标位置和姿态，然后通过递归方式求解关节角度，最终获得整个路径。
5. 模拟试验与结果分析通过对一个七自由度冗余机器人进行模拟试验，验证了基于递归的路径规划方法的可行性。
试验结果表明，该方法能够有效地规划机器人的路径，并且具有较高的运动精度和稳定性。
6. 结论与展望本文对七自由度冗余机器人路径规划进行了探究，提出了一种基于递归的路径规划方法，并通过模拟试验验证了该方法的可行性。
然而，该方法还存在一定的局限性，需要进一步改进和完善。
将来，可以结合优化算法和机器进修方法，进一步提高路径规划的效果。
关键词：七自由度冗余机器人，路径规划，递归，模拟试验，运动精综上所述，本文探究了七自由度冗余机器人路径规划问题，并提出了一种基于递归的路径规划方法。
七自由度仿人机械臂设计与分析.pptx
首先对人体上肢运动机理进行研究分析,以人体手臂完成动作类 型区分自由度,分析各自由度运动所需的人体上肢骨骼和肌肉。 结合机械臂的设计要求,对机械臂各关节进行结构设计,并根据 各关节运动特点进行驱动匹配和选型。
对机械臂完成指定任务所需要的传感器进行选配。对液压驱动 关节铰接位置参数进行了优化分析,完善了机械臂结构。
最后使用拉格朗日法得到了机械臂的动力学方程,使用ADAMS和 MATLAB联合仿真,将关节转角、角速度与关节力矩建立闭环关系, 建立一个完整虚拟样机完成机械臂的动力学仿真,得到了各关节 仿真力矩变化图。
对机械臂进行运动学计算,通过机械臂的D-H参数的确定,建立各 关节之间位置关系,完成正逆运动学方程的求解,采用五次多项 式插值表示机械臂运动轨迹;基于MATLAB开展仿真分析,验证机 械臂运动学理论正逆解,得到机械臂工作空间及到达指定位置机 械臂各关节角位移变化,为后续机械臂的动力学分析提供基础。 对机械臂关键部件进行拓扑轻量化设计及强度校核,借助ANSYS Workbench平台对机械臂关键部件进行形状拓扑优化设计,对优 化前后机械臂关键部件位移变形进行对比分析,并对优化后的结 构进行强度校核。
七自由度仿人机械臂设计与分析
在《中国制造2025》趋势的影响下,服务型机器人进入了快速发 展的浪潮,其中具有多功能的辅助机械臂逐渐成为极具广阔应用 前景的研究热点。本文针对老龄残疾人士及大型工程设备装配 两个对象,提出了一种基于人体解剖学的七自由度机械臂的设计 方案,解决大型工程设备装配需要多名工程师在相对狭小环境下 协同配合及服务老龄残疾人士成本较高的问题,特点在于:(1)全 刚体结构的机械臂可以保证末端强稳定性;(2)具有冗余自由度 机械臂使得服务老龄残疾人士时,末端固定时其余关节可根据实 际空间情况自由活动达到避免碰到受帮助者的目的;(3)同人体 上肢相似的尺寸、相似的驱动效果的机械臂可以直接应用在为 人类设计的工作场景。
KUKA 七自由度机器人基于视觉和力反馈的控制
KUKA 七自由度机器人基于视觉和力反馈的控制作者：郭奇来源：《创新科技》2013年第03期引言随着传感设备的普及和小型化，现代机器人产业逐渐向基于传感反馈控制的方向发展。
例如基于视觉传感器，移动机器人可以规划路径避开障碍物；基于力传感器，机器人可以向物体施加持续的力而不至损坏物体；基于触觉传感器，多指机器人可以抓住易碎物体。
但基于多传感器信息的反馈控制并不普及，因为不同类型的传感器信息难以融合，甚至不同传感器的反馈控制会相互干扰，导致机器人轨迹失控。
本文通过视觉和力反馈的方法，控制德国KUKA公司生产的七自由度旋转关节型机器人实现跟随物体和切割物体的任务。
KUKA 机器人支持关节空间控制和笛卡尔空间控制，可以向机器人输入关节转角位置或机器人末端的空间位置，并且可以输入假定的末端受力，机器人会产生相应的力以此来抵消受到的来自外部的力。
近年来大批研究者进行了关于机器人视觉的研究，并取得很多成果。
台湾国立交通大学宋开泰等人通过立体相机，联合SIFT（Scale Invariant Feature Transformation）算法和SURF （Speed Up Robust Feature）算法，对比数据库中的物体特征与实拍物体特征，从而实现辨识和定位物体。
德国慕尼黑工业大学Maldonado等人通过Time-of-flight TOF相机获得无模物体的景深和轮廓，从而确定物体形状和方位。
对于已知模型的物体，可以通过单个相机来定位和跟踪物体，法国Lagadic实验室的Marchan，Chaumette等人用单相机实现了基于物体三维模型的实时跟踪算法。
在视觉方面，本文将采用Marchand的方法，用单个IEEE 1394 Marlin型相机来定位和跟踪物体。
在力反馈方面，本文采用PI控制来达到收敛。
本文的结构如下：第二节讨论如何实现基于视觉反馈的控制。
第三节介绍混合型视觉、力反馈控制和外部混合型视觉、力反馈控制两种控制方法，实现两种传感器信息融合并控制机器人。
机器人控制系统设计方案
机器人控制系统设计方案1. 概述本文档描述了一个机器人控制系统的设计方案。
该系统被设计用于控制机器人的运动和执行特定任务。
2. 硬件设计机器人控制系统的硬件设计包括以下组件：- 中央处理器（CPU）：负责处理机器人的指令和控制信号。
- 传感器：用于收集机器人周围环境的数据，如距离、位置和光线等。
- 执行器：用于执行机器人的运动和任务。
- 电源：为系统提供电能。
3. 软件设计机器人控制系统的软件设计包括以下方面：- 控制算法：根据传感器数据和用户指令，确定机器人的运动和任务执行方式。
- 用户界面：提供用户与机器人交互的界面，用户可以发送指令和接收机器人的反馈信息。
- 数据处理：对从传感器收集到的数据进行处理和分析，以提供有效的控制策略。
- 系统保护机制：设计安全保护措施，以防止系统的过载和意外损坏。
4. 通信协议机器人控制系统需要与其他设备进行通信，因此需要采用适当的通信协议。
常见的通信协议有以下几种选择：- WiFi：适用于无线通信，具有较高的传输速度和稳定性。
- 蓝牙：适用于短距离通信，具有低能耗和广泛的设备兼容性。
- 以太网：适用于局域网通信，具有高速和稳定连接的特点。
5. 安全性考虑在设计机器人控制系统时，安全性是至关重要的考虑因素。
以下是一些安全性考虑：- 访问控制：对系统的访问进行限制，只有授权用户才能发送指令或修改系统设置。
- 数据加密：对系统中传输的敏感数据进行加密，以防止数据泄露。
- 异常处理：设计系统能够检测和处理异常情况，及时采取相应的措施以避免危险。
6. 总结本文档概述了机器人控制系统的设计方案，包括硬件设计、软件设计、通信协议和安全性考虑。
通过合理的设计和实施这些方案，机器人控制系统将能够有效地完成各种任务和运动控制。
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《装备制造技术》2009 年第 5 期
讯等，具有良好的通用性和开放性，易于开发其与机器人传感 器反馈信号的接口。
（2）采用 AT89C51 对示教盒控制，与主控机之间并行处 理，提高了运行速度，增加了处理能力。
（3）示教盒能显示机器人的坐标、运行状态、操作提示盒 故障状态等。
4 软件设计
软件设计采用多级模块化结构（见图 5）。各功能编成相应 的子模块程序，可以独立运行完成待定的操作，又可以相互调 用，由管理程序统一调配，改善可读性和易维护性，且缩短了 调试时间，又便于将来的功能扩展。
图 4 浮渣铲除机器人控制系统结构
该机器人的硬件具有以下特点： （1）采用统用 PC 机进行轨迹规划、运动学计算、人机通
（1）在软件设计中，采用多级模块化结构，进而提高了可 靠性、可维护性和可读性。
（2）轨迹控制采用插点法，进一步保证了精度要求。 （3）可以把人从恶劣的工作环境中解脱出来，即解决了劳 动力保护问题，又为提高生产效率创造了条件，具有显著的经 济效益和社会效益。
参考文献: [1] 张新予, 匡以顺. 七自由度浮渣铲除机器人的运动学正逆解研究
[J]. 装备制造技术,2007,(01):9- 11 . [2] 蔡自兴. 机器人学[M]. 北京：清华大学出版社，2000.
7 Degree of Freedom Dross Eradication Robot Control System Project Design
中图分类号：TP 242
文献标识码：A
文章编号：1672- 545X（2009）05- 0054- 02
在我国，冶炼厂中的浮渣铲除都是由人工完成的，工人劳 动单调乏味，而且现场作业环境比较恶劣———高温、多粉尘、 空气质量差等。这样不仅影响工人的身体健康，工作效率低 下，而且人为因素直接影响到产品的质量。因此，设计出一种 既能代替人的劳动，又能保证产品质量的机器人，对于冶炼行 业是十分有意义的。但是从目前所掌握的资料看，国外相关企 业已有采用铲除冶炼浇铸金属液表面渣滓皮层的工业机器 人，但效果不尽理想，而且相关资料比较少。
换通式：
0
0
1
n- 1
Tn = T1 ，T2 ，…， Tn
连杆的 D- H 参数列于表 1 中。
表 1 连杆的 D- H 参数
#
θi
di
ai- 1
αi- 1
1
θ1
0
0
0
2
θ2
d2
0
- 90°
3
θ3
d3
a2
0
4
θ4
0
a3
0
5
θ5
0
0
90°
6
θ6
0
0
- 90°
0
0
1
n- 1
由 Tn = T1 ，T2 … Tn
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自由度采用“手把手”示教会引起示教精度的误差，故采用轨 迹插补算法(Interpolation)获得中间点相对基础坐标系的坐标， 获得关节角值(关节坐标)，再通过逆运动学，把轨迹中间点的 位置和姿态，转变为对应的关节角(θ1，θ2，…，θ6)，然后由机器人 的角位置闭环控制系统去实现。这样就实现了所要求的轨迹 上的一个点，继续插补并重复上述过程，进而实现所要求的轨 迹（如图 3 所示）。
Equipment Manufactring Technology No.5，2009
七自由度机器人控制系统方案设计
张新予,匡以顺
（江西理工大学,江西 赣州 341000）
摘要：浮渣铲除机器人是一种为了代替在高温、高粉尘环境下工作的人工劳动而设计的七自由度串连关节型工业机器人，在机构设计 的基础上，对控制环节中的硬件、软件部分进行分析设计，并给出了控制系统图。 关键词：机器人；控制；示教
ZHANG Xin-yu, KUANG Yi-shun (Jiangxi University of Science &Technology, Ganzhou Jiangxi 341000, China)
Abstract: The dross eradication robot is one kind of industry robot which has 7 degrees of freedom establish contacts the joint. It can replace the man-power artificial work in the high temperature, under the high dust environment. On the basis of mechanism design，the hardware and software are analyzed，and the control system chart is given. Key words : robots; control; demonstration
X1 X0
Z3 a3 X3
Z5 Z4 X4 X5 X6
X6
图 2 浮渣铲除机器人杆件坐标系
相邻杆件间位置和姿态用 4×4 的齐次变换矩阵描述[2]，
由 D－H 矩阵经过变换得到相邻连杆变换通式 i- 1 Ti 为[2]
! " "
cθi
"
i-
1
Ti
=
"""sθi
"
""sθi
cαisαi-
1 1
"
"
0 "
求得运动学方程正解，因此可利用杆件参数在知道所有
的关节变量时，用逆运动学求解各关节变量。
浮渣铲除机器人采用示教盒作为人机交互方式，6 个关节
收稿日期：2009- 02- 054 作者简介：张新予 (1978－ )，女，河南开封人，讲师，硕士，主要从事机电一体化、工业机器人的设计与控制方向的研究与应用。
主控程序
初始化
示教
再现
系统管理
监控模块
示教 盒初 始化
伺服 电机 检
初始 查 化
算法 伺服
程序 驱动
解
文件
模块 模块
释
编辑
磁盘 通信 错误 输入 管理 处理 处理 输出
图 5 浮渣铲除机器人的软件系统结构
示教盒 键盘
工业控制机
5 结束语
PC 总线
I/O 接口板
脉冲发生器 伺服发生器
外围设备
机器人
编码器
轨迹上几个教点 插 的位姿及姿态 补 算 法
轨迹中间 点位姿
各关节角 机器人 （给定值）
逆运
动学
TS
n 个角 位置 控制 系统
要求的 位姿、姿态
图 3 机器人轨迹控制过程
3 硬件设计
该机器人的控制核心，为一台工业控制机，负责完成机器 人系统的坐标变换、轨迹生成、插补运算及外部信息传感和周 边设备的控制。该机器人控制系统结构如图 4 所示。
1 机构设计
浮渣铲除机器人的设计，是仿造人工铲除过程的手臂运 动方式，其运动是由底座的直线运动、腰部（立柱）回转运动、 大臂的仰俯运动、小臂的仰俯运动、腕部的回转、仰俯、左右摆 动这七个自由度组成（参照图 1）。底座的直线运动，是保证该 机器人能够在铲除过程中和浇注槽保持同速运动。
d3
a2
小臂 a3
#
- sθi cθi cαi- 1 cθi sαi- 1
0
0
ai- 1
$ % %
%
- sαi- 1
-di sαi- 1
% % %
%
cαi- 1
-di cαi- 1
% %
%
%
0
1
% &
其中，ai- 1 、αi- 1 、di 和 θi 是坐标系 i- 1 和 i 之间的位置参
数末端执行器的坐标系{n}相对于基坐标系{0}的总的矩阵变
θ4
臂 大
θ3
d2 θ2
θ5 θ6
立 柱
θ1
末端执行器 （铲子）
图 1 浮渣铲除机器人结构简图
2 运动学参数及作业轨迹规划
浮渣铲除机器人为串连杆式机械手，其动态特性具有高 度非线性，以 Denavit－Hartenberg（D- H）表示方法描述机器人 坐标系统，如图 2。
Z2
a2 Z1
Z0
X2
d 2