發(fā)布時(shí)間：2020-10-30 22:06

　　 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人逐漸被廣泛用于輔助諸多行業(yè)的工人來(lái)完成作業(yè)任務(wù),因此機(jī)器人行業(yè)也成為了我國(guó)重要的發(fā)展策略。七自由度機(jī)械臂相比傳統(tǒng)六自由度機(jī)械臂存在冗余自由度,可以實(shí)現(xiàn)工作空間范圍內(nèi)的任意位置均可達(dá)且有無(wú)窮解,在醫(yī)療器械、家庭服務(wù)、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域都有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值。本文通過(guò)對(duì)各種構(gòu)型機(jī)械臂的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析,設(shè)計(jì)了含肩部、肘部、腕部偏置的七自由度機(jī)械臂;再對(duì)比分析不同關(guān)節(jié)配置下末端所能承受的最大負(fù)載情況,選用“3+2+2”構(gòu)型配置的機(jī)械臂,以提高機(jī)械臂末端的負(fù)載能力。對(duì)本文設(shè)計(jì)的偏置式機(jī)械臂進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及工作空間分析。針對(duì)偏置式七自由度機(jī)械臂無(wú)封閉解的問(wèn)題,采用TRAC-IK求解器進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解,為不符合PIEPER準(zhǔn)則的串聯(lián)機(jī)械臂提供成功率和實(shí)時(shí)性較高的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方案。并針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定方案需要高精度高成本的三維測(cè)量?jī)x器的問(wèn)題,提出了基于單目相機(jī)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型幾何參數(shù)標(biāo)定的方案,主要包括相機(jī)的內(nèi)外參標(biāo)定、粗辨識(shí)與精辨識(shí)結(jié)合的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)補(bǔ)償及對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定方案可在一定程度上提高機(jī)械臂末端的絕對(duì)定位精度。最后,設(shè)計(jì)了偏置式七自由度機(jī)械臂本體及其硬件、軟件系統(tǒng),并設(shè)計(jì)一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解精度和靈活運(yùn)動(dòng)特性,得出本文所提出的偏置式七自由度機(jī)械臂可增大末端負(fù)載并且可靈活避障的結(jié)論。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP241
【部分圖文】：

從 19 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，國(guó)外很多科研單位就對(duì)七自由度機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃等基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，已經(jīng)有諸多機(jī)器人公司研發(fā)了應(yīng)用于不同場(chǎng)合的七自由度機(jī)械臂，用于工業(yè)場(chǎng)景的產(chǎn)品有 ABB 公司的 YuMi 機(jī)器人、KUKA 公司的 LBR 系列機(jī)械臂、安川電機(jī)公司的 SIA5D 工業(yè)機(jī)器人等，用于醫(yī)療康復(fù)場(chǎng)景的產(chǎn)品有川崎機(jī)器人公司的 MS005N 醫(yī)療與制藥機(jī)器人、F&P 機(jī)器人公司的 Lio 服務(wù)機(jī)器人、kinova 機(jī)器人公司的 JACO27DOF-S 機(jī)械臂等。在 2015 年，ABB 公司發(fā)布了最新的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人 YuMi，如圖 1.1(a)所示。從外形可以看到，該機(jī)器人由雙七自由度機(jī)械臂組成，且關(guān)節(jié)電機(jī)的布局較緊湊，刻意模仿人體結(jié)構(gòu)，從人因工程的角度出發(fā)，改變?nèi)藗儗?duì)傳統(tǒng)機(jī)器人的印象，增加親和感，更適合于人機(jī)協(xié)作場(chǎng)合。同時(shí)帶有力反饋，用于檢測(cè)外部碰撞，防止發(fā)生傷害事故，確保人機(jī)安全。有效負(fù)載 500g，工作范圍 559mm，適用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品、汽車零部件等小件的裝配。

圖 1.2 UR 協(xié)作機(jī)械臂同樣的，針對(duì)用于空間服務(wù)的七自由度機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了較多的研究，偏置式七自由度機(jī)械臂由于其靈活的運(yùn)動(dòng)范圍、可避免奇異的特性，被廣泛用于航空航天領(lǐng)域。目前已經(jīng)研制成功并投入使用的空間機(jī)械臂有加拿大的空間站遙操作機(jī)械臂 SSRMS(Space Station Remote Manipulator System)、專用靈巧機(jī)械臂SPDM(SpecialPurposeDexterousManipulator)、歐洲機(jī)械臂 ERA。其中 SPDM 是由雙七自由度機(jī)械臂和可移動(dòng)軀干組成，與空間站遙操作機(jī)械臂 SSRMS 及活動(dòng)基座系統(tǒng)MBS(MobileBaseSystem)組成移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng) MSS(MobileServiceSystem)[17]，如圖 1.所示，主要用于衛(wèi)星維修、軌道垃圾清理、太陽(yáng)能電池板的姿態(tài)矯正等。

圖 1.3 加拿大的移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)加拿大的遙操作機(jī)械臂系統(tǒng) SSRMS 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1.4 所示，由七個(gè)關(guān)節(jié)個(gè)等長(zhǎng)連桿組成，第 1 關(guān)節(jié)連接在活動(dòng)基座上，第 7 關(guān)節(jié)連接專用靈巧機(jī)械PDM。遙操作機(jī)械臂系統(tǒng) SSRMS 采用的是“3+1+3”構(gòu)型的配置，肩部由前三個(gè)（第 1、2、3 關(guān)節(jié)）組成，含三個(gè)自由度，肘部由一個(gè)關(guān)節(jié)（第 4 關(guān)節(jié)）組成，個(gè)自由度，腕部由最后三個(gè)關(guān)節(jié)（第 5、6、7 關(guān)節(jié)）組成，含三個(gè)自由度。并且關(guān)節(jié)的最后一個(gè)關(guān)節(jié)（第 3 關(guān)節(jié)）、肘關(guān)節(jié)（第 4 關(guān)節(jié)）、腕關(guān)節(jié)的第一關(guān)節(jié)（第節(jié)）均存在偏置。遙操作機(jī)械臂系統(tǒng) SSRMS活動(dòng)基座系統(tǒng) MBS
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