基于六维力传感器的协作型六自由度机器人控制系统研究

摘要

协作型机器人具有人机协作特性与安全保护系统，能够在无护栏的情况下与人协同完成任务，使得协作型机器人在未来“智能工厂”时代将发挥越来越重要的作用。基于此，本文以协作型六自由度机器人开发为目的，研究其运动学，碰撞检测，并基于六维力传感器开发出协作型六自由度机器人的力顺应控制系统，并通过仿真与应用验证有效性，初步赋予了协作型六自由度机器人人机协作特性。该力顺应性控制系统可通过可视化仿真平台对力控制效果进行监控，这在实现基于虚拟现实的机器人力顺应控制方面具有一定的科学意义。具体研究内容如下：
　　首先，研究了协作型六自由度机器人运动学正解与逆解，推导出其运动学正解与逆解结果，并通过仿真验证了结果的正确性；根据前人工作进行了轨迹规划仿真，印证了前人工作的可靠性，为后续研究奠定基础。
　　其次，从协作型六自由度机器人安全运行角度考虑，提出了新型机器人关节碰撞检测。为此，定义了有界圆柱体基本参数，并从有界圆柱体几何要素角度提出了新的碰撞检测分类方法，并基于有界圆柱体基本参数归纳出碰撞判据数学模型；通过将机器人关节与连杆简化为有界圆柱体，建立了协作型六自由度机器人的碰撞检测模型，建立了关节有界圆柱体基本参数与机器人关节角度的动态关系，从而将机器人的碰撞检测转化为空间有界圆柱体的碰撞检测过程，通过仿真验证了方法的有效性。碰撞检测理论为力顺应控制系统的研究提供了安全保障。
　　最后，研究了基于关节空间的力顺应控制理论，并以协作型六自由度机器人为应用对象，通过六维力传感器进行力信号检测，以LabVIEW为软件开发平台，开发出可视化力顺应性控制系统仿真平台；该平台能够根据反馈力信号，通过虚拟协作型六自由度机器人实现力顺应控制响应运动，并可提供信号监控与参数调节，通过该平台进行仿真实验与数据分析，验证了力顺应控制的有效性。将该仿真平台应用于实际，最终开发出集运动控制、力信号检测、数据监控、碰撞检测、可视化力顺应性控制仿真与应用力顺应控制于一体的较为完善的协作型六自由度机器人力顺应性控制系统。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1机器人定义

1.2 课题背景及研究的目的和意义

1.3 国内外发展现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 机器人运动学与笛卡尔空间轨迹规划

2.1 协作型六自由度机器人运动学

2.2 协作型六自由度机器人轨迹规划仿真

2.3 本章小结

第3章 协作型六自由度机器人碰撞检测

3.1 协作型六自由度机器人结构简化

3.2 协作型六自由度机器人关节角度限位

3.3 协作型机器人关节碰撞检测

3.4 本章小结

第4章 协作型六自由度机器人力顺应性控制方法

4.1 引言

4.2关节空间力顺应控制理论

4.3 本章小结

第5章 机器人力顺应性控制系统仿真与实验

5.1可视化力顺应性控制系统仿真平台硬件系统搭建

5.2力信号检测校核与滤波

5.3 可视化力顺应性控制系统仿真平台与仿真

5.4 力反馈顺应性控制系统应用

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢