Abstract ：

为了解决变电站智能消防前端执行机构灵活性不足、定位精确度低等问题，本文建立了面向变电站智能消防机械臂高精度运动学模型.首先将机械臂通过主体结构简化，转换为刚体连杆模型，并基于Denavit-Hartenberg法的齐次变换矩阵来描述机械臂相邻两连杆的空间关系与运动轨迹.接着在此基础上，提出一种利用机械臂连杆模型几何约束关系，并针对智能消防系统中使用的四自由度机械臂，进行了正向与逆向运动学分析与求解，可在解算前判断机械臂能否到达预期位姿.该模型的计算过程不仅避免了复杂的矩阵运算，而且有效地解决了机械臂逆运动学高精度控制问题.最后，完成了系统机械臂的运动仿真实验，验证了本文所提运动学模型的精确性.

Keyword ：

变电站智能消防 高精度控制 机械臂运动学模型 运动学分析

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为了解决变电站智能消防前端执行机构灵活性不足、定位精确度低等问题,本文建立了面向变电站智能消防机械臂高精度运动学模型。首先将机械臂结构简化为刚体连杆模型,并基于Denavit-Hartenberg法的齐次变换矩阵来描述机械臂相邻两连杆的空间关系与运动轨迹。接着此基础上,提出一种利用机械臂连杆模型几何约束关系,并针对智能消防系统中使用的四自由度机械臂,进行了正向与逆向运动学分析与求解,则可在解算前判断机械臂能否到达预期位姿。该模型的计算过程不仅避免了复杂的矩阵运算,而且有效地解决机械臂逆运动学高精度控制问题。最后,完成了系统仿真实验,验证了本文所提运动学模型的精确性。

Keyword ：

变电站智能消防系统 机械臂运动学模型 逆运动学解算

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智能制造作为“中国制造2025”的主攻方向，要求现代制造业与人工智能等信息技术深度融合，抢占新一轮产业竞争的制高点。工业机器人作为智能制造业的主力军在工业生产中的作用越来越广泛，在汽车行业尤为突出。目前，国产活塞生产线的上料工序需要先由人工将活塞按照要求的姿态放置在特定位置上，这极大降低了整个生产线的自动化程度。利用机器视觉引导机械臂抓取活塞，可以实现机器人替代人工完成上料，提高活塞生产线的自动化水平。论文针对活塞生产线的实际需求，围绕基于机器视觉的活塞自动上料技术开展研究，主要研究机械臂运动学及其仿真技术、面向深度相机的手眼标定算法、机械臂抓取运动规划技术和基于ROS平台的活塞自动上料系统的实现。本文的主要研究工作如下： 研究机械臂运动学及其仿真技术。根据活塞毛坯上料的实际应用背景，在实验平台上模拟活塞上料工序流程。针对实验平台中的机器人系统，利用D-H方法确定机械臂的连杆参数，从而建立机械臂的运动学模型，进而分析机械臂的正逆运动学。最后基于URDF建立活塞自动上料实验平台仿真模型，并进行机械臂正逆运动学的仿真实验，为后续运动规划奠定基础。 研究基于CALTag和点云信息的深度相机手眼标定技术。本文利用CALTag标定板代替传统的棋盘格标定板，以提高识别标定板姿态的精度，并基于李群算法求解手眼标定方程，得到标定矩阵。基于传统手眼标定算法应用于深度相机时有较大误差的问题，利用点云深度信息，并以基于CALTag的手眼标定方法得到的标定矩阵作为初值，通过信赖域反射优化算法，以获得更适用于深度相机的标定矩阵。 研究机械臂抓取运动规划算法。在分析活塞自动上料系统中两种抓取需求各自的运动规划主要难点基础上，对于机械臂在抓取散乱堆放活塞中的运动规划，本文提出改进RRT的机械臂抓取运动规划算法，该算法在充分发挥RRT（Rapidly- exploring Random Tree，RRT）算法的规划速度优势的同时，可避免机械臂手爪与障碍活塞的碰撞，最后通过实验测试验证算法的有效性；对于机械臂抓取中转台上活塞时需精确识别活塞轴向角度的问题，提出一种基于主连通区域不变矩的轴向角度测量算法，以计算中转台上活塞的精确姿态。 研发基于ROS平台的活塞自动上料系统。在分析系统整体需求的基础上，设计系统整体实现方案，基于ROS机器人操作系统平台研发视觉引导的活塞自动上料系统，最后通过机械臂抓取实验验证本文提出算法的可行性和实验系统的有效性。

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ROS 机械臂 散乱抓取 手眼标定 运动规划

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在现代工业控制领域，自动化控制技术在工业生产中起着越来越重要的作用，自动化设备在日新月异的发展过程中，也对核心控制器提出了更高的要求。PLC在解决复杂的多轴控制任务时，需要配置运动控制单元或位置控制单元，CPU因为要管理和协调这些单元而无法达到理想的高速度。欧姆龙公司推出的NJ系列机器自动化控制器则可以改善这一情况，满足高速、复杂、精密的运动控制要求。 论文构建了以NJ501-1500为核心，外围搭载G5系列伺服驱动器和伺服电机，控制机械臂实现工业生产线上动点到动点的工件传送的机械臂多轴控制系统。论文对Delta机械臂结构进行分析，建立了Delta机械臂运动学模型，并对其进行位置、速度、加速度分析，借助MATLAB软件对其位置正反解分析进行验证，验证结果证明位置正反解算法是正确的，在位置正解算法的基础上确定了其工作空间。系统硬件组成以NJ501-1500为核心控制器，配置内置EtherCAT通信接口的R88D-KN03H-ECT伺服驱动器和R88M-K30030H-S2伺服电机，NS系列触摸屏通过EtherNet/IP与控制器进行通信。系统软件方面分别进行了三维圆弧插补算法设计和系统程序与触摸屏界面设计。在Sysmac Studio编程环境下设计三维圆弧插补功能块并编程测试，虚轴轨迹为空间圆弧且虚轴位置与给定目标位置值一致，速度、加速度符合S型曲线。对于系统程序进行综合模拟测试，利用数据跟踪对相关变量进行跟踪监测并建立3D仿真模型。综合模拟测试证明，论文设计的系统稳定可靠、操作方便，触摸屏监控界面简洁明了,机械臂动作符合预期轨迹要求，具有一定的实用性。

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Delta机械臂 EtherCAT NJ控制器 Sysmac Studio 三维圆弧插补

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为了让截肢者安装上自然功能更多的假肢，更好地恢复生活质量，生物信号源控制的智能假肢成为国内外专家的研究热点。假肢的仿生控制主要集中在特征提取和模式分类的研究上，对引入神经反馈实现机械臂的仿生闭环运动控制考虑较少；且多为简单的二值控制，与研究者期望的人体上肢自然控制还存在一定差距。针对以上问题，本文以EOG（眼电图）扫视信号作为研究对象，对基于EOG扫视信号的机械臂闭环位置反馈、多元模式控制等问题进行了研究。本文通过构建基于EOG扫视信号的机械臂控制平台有效提取了人眼做扫视动作时产生的眼电信号，通过对该信号进行基线校正、AR谱分析和S-G滤波等信号预处理算法，剔除了系统噪声和信号伪迹，研究的短时能量端点检测算法实现了扫视信号的有效提取，为整个人机系统提供了生物信号源输入。通过对多角度重复扫视实验所得数据进行最小二乘拟合分析眼球扫视偏转角与对应扫视信号峰值之间的映射规律，建立了基于人眼双目视觉的空间定位模型。在RBT-6TS01S六自由串联关节式机械臂运动学分析的基础上，采用四元数法构造了人眼、机械臂坐标转换模型，计算旋转矩阵R和平移向量T，进而将人眼坐标系下参数化定位模型提取的目标点坐标转换到机械臂坐标系下指导机械臂闭环位置反馈，位置反馈误差为厘米量级。通过设计预定义眼球扫视路径，从EOG扫视信号中提取多元控制信息实现了机械臂手爪闭、合、预定义姿态等控制模式。最后，将空间定位模型和多元控制信息相融合，从预定义眼球扫视路径中提取机械臂运动方向、运动角度、起始点和终止点等控制信息，解决了现有生物信号控制的智能假肢控制模式单一的问题，实现了基于EOG扫视信号的机械臂轨迹规划等复杂控制，验证了基于EOG扫视信号的机械臂控制的可行性。论文通过构建信号采集及预处理模块、特征提取模块、人眼双目视觉空间定位及多模式控制信息提取模块和机械臂运动控制模块实现了基于EOG扫视信号的机械臂控制系统的整体构建。通过理论分析和实验验证最终确定了整个系统的理论基础和可行性方案。该系统的建立为残疾人更好地融入正常生活提供了理论指导，为复杂人机交互平台的实现奠定了基础。

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EOG扫视信号信号预处理端点检测闭环位置反馈机械臂控制

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我国棉花种植地域辽阔、品种多、收获期长。采摘方式目前以人工为主，虽然人工采棉可以有效保证棉花质量，但其效率低下，易受环境因素制约。大型机械化采棉在国内已经有了一定发展，但其采摘质量无保证，而且成本得不到有效控制，因此国内诸多机构都在研制便携式采棉机械。针对此局面，本文提出了机器人应用于棉花采摘的构想，并对其核心采摘机械臂进行了深入的研究。论文首先对采棉机器人的工作原理和整体构型进行研究，从采棉任务特点、自由度数量的选用原则以及不同构型机器人的性质出发，提出一种四自由度关节型的机械臂结构型式。根据此结构进行了机械臂的正、逆运动学理论计算以及对逆运动学多解问题的分析研究，结合MATLAB工具完成了基于解析算法的工作空间分析。其次，借助ADAMS软件对机械臂运动情况进行仿真，并利用VC++编程软件编写了基于OpenGL的运动模拟程序，程序完成了机械臂运动的动态模拟以及机械臂正、逆运动学求解运算，能够实现逆运动学问题求中多解的唯一化。最后，对机械臂的整体结构及末端采摘机构进行了设计，完成相关计算并绘制具体零件图及工程图。本文对机械臂运动学逆问题进行了深入的研究，提出一种适合本文的逆运动学多解问题的唯一化方法－平面投影法，并在计算和软件验证中证明了其有效性，这种方法对相似构型机械臂的逆问题求解计算有一定借鉴意义。同时设计了一种新型的采摘机构，为今后在采棉机器人领域进一步的研究提供一定理论基础和技术积累。本文对机械臂运动学理论，尤其是基于平面投影法的逆运动学多解唯一化理论进行了验证，结合ADAMS的仿真计算，结果表明：论文中提出的逆运动学多解唯一化理论的计算结果和仿真的结果十分吻合。

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采摘机器人逆运动学平面投影工作空间

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从机械臂运动学的角度,定义了故障容错机械臂、故障容错机械臂的阶、通用故障容错机械臂和特定任务故障容错机械臂,论证了通过运动学关节冗余也同样可以提高机械臂系统的可靠性,故障容错机械臂所应该具备的自由度数,以及针对不同的任务要求,设计故障容错机械臂的方法.通过将任务空间抽象简化为一系列的特征点,建立机械臂参数与理想值相关的罚函数,选择有效的优化算法,设计出了通用一阶故障容错平面位置机械臂,通用一阶故障容错空间位置机械臂,以及特定任务一阶故障容错平面位置机械臂,建立起完整的故障容错机械臂的设计方法.

Keyword ：

故障容错 机器人 机械臂 机械臂运动学 冗余 自由度

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该文主要从机械臂运动学的角度,定义了故障容错机械臂,巧妙地论证了冗余故障容错机械臂应该具备的自由度数,以及针对不同的任务要求,设计故障容错机械臂的方法.通过将任务空间抽象简化为一系列的特征点,建立机械臂参数与理想值相关的罚函数,选择有效的优化算法,设计出了通用一阶故障容错平面位置机械臂,通用一阶故障容错空间位置机械臂,以及特定任务一阶故障容错平面位置机械臂.建立起完整的故障容错机械臂的设计方法.

Keyword ：

故障容错 机器人 机械臂 机械臂运动学 冗余 自由度

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本文从机械臂运动学任务特性出发,定义了故障容错机械臂的相关特性,论证了运动学关节冗余也可以提高机械臂系统的可靠性,故障容错机械臂所应该具备的自由度数,以及针对不同的任务对象要求,设计故障容错机械臂的方法.将任务空间抽象简化为一系列的特征点,建立机械臂参数与理想值相关的罚函数,选择有效的优化算法,设计出了一系列故障容错平面位置机械臂和故障容错空间位置机械臂.建立起完整的故障容错机械臂的设计方法,对危险环境机器人、医疗机器人的研究设计具有重要价值.

Keyword ：

故障容错 机器人 机械臂运动学 冗余 自由度

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