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拟人双臂机器人技术
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拟人双臂机器人技术 版权信息
- ISBN：9787030298645
- 条形码：9787030298645 ; 978-7-03-029864-5
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：
拟人双臂机器人技术 内容简介
全书共分为11章，主要内容包括拟人双臂机器人系统平台方案设计、冗余度机器人运动灵活性和可靠性分析、双臂协调操作的运动规划和协调任务规划方法、基于视觉的机器人位姿检测方法、基于多传感器信息的分阶段控制及双臂协调控制方法、虚拟仿真环境平台的开发、拟人双臂机器人系统遥操作技术研究等。
拟人双臂机器人技术 目录
目录
《21世纪先进制造技术丛书》序
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究现状与发展趋势 2
1.2.1 拟人双臂机器人协调技术的国内外研究现状 2
1.2.2 遥操作机器人发展概述 14
1.3 研究基础、主要成果与涉及的关键技术 18
1.4 本章小结 19
参考文献 19
第2章 拟人双臂机器人系统平台方案设计 21
2.1 拟人冗余度双臂空间机器人系统的特点 22
2.2 拟人冗余度双臂空间机器人实验平台简介 22
2.2.1 平台设计思想 22
2.2.2 系统设备组成及简介 23
2.3 拟人冗余度双臂空间机器人特性分析 28
2.3.1 PA10机器人的特性分析 28
2.3.2 Module模块机器人的特性分析 33
2.4 本章小节 38
参考文献 38
附录 38
第3章 冗余度空间机器人系统在复杂环境下的灵活性和可靠性的理论研究 41
3.1 引言 41
3.2 机器人系统运动学建模与分析 41
3.2.1 PA10机器人系统运动学建模与分析 41
3.2.2 模块机器人系统运动学建模与分析 48
3.3 机器人系统运动学优化 54
3.3.1 机器人系统运动学优化的传统方法 54
3.3.2 基于容错控制的冗余度机器人运动学优化 60
3.4 笛卡儿空间运动控制 66
3.4.1 直线姿态位置插补 66
3.4.2 圆弧轨迹插补 71
3.5 机器人系统运动学计算机仿真 73
3.5.1 传统方法的机器人系统运动学计算机仿真 73
3.5.2 基于容错控制的冗余度机器人运动学优化方法计算机仿真 79
3.6 实验 83
3.6.1 模块机器人插孔实验 83
3.6.2 PA10机器人抓杯实验 85
3.7 本章小结 86
参考文献 87
第4章 冗余度空间机器人双臂协调操作运动规划方法 89
4.1 双臂机器人协调操作任务的特点及分类 89
4.1.1 双臂机器人协调操作任务的特点 89
4.1.2 双臂机器人协调操作任务的分类 90
4.2 国内外研究现状 91
4.3 双臂机器人协调操作的约朿关系 93
4.4 双臂机器人协调操作的运动学方程 93
4.4.1 开链运动学方程 94
4.4.2 闭链运动学方程 96
4.5 冗余度双臂机器人避关节极限优化 100
4.5.1 PA10机器人运动学 101
4.5.2 Module机器人运动学优化 101
4.6 冗余度机器人双臂协调避碰规划 102
4.6.1 单机器人避障规划概述 102
4.6.2 冗余度机器人双臂避划 104
4.7 冗余度机器人双臂作的 108
4.7.1 面向任务的操作度 108
4.7.2 双臂协调的操作度 112
4.7.3 面向任务的双臂协调操作度（TODAMM)114
4.8 本章小结 115
参考文献 115
第5章 冗余度双臂空间机器人协调任务规划方法 117
5.1 任务分解 117
5.1.1 操作规划和动作规划 118
5.1.2 隐式基本操作 119
5.1.3 显式基本操作 122
5.1.4 任务规划、路径规划及轨迹规划的关系 123
5.2 任务分配 124
5.2.1 机器人及任务的能力分类描述 125
5.2.2 任务完成条件 126
5.3 系统规划流程 126
5.4 程序编制 128
5.5 本章小结 129
参考文献 129
第6章 基于视觉的机器人位姿检测方法 131
6.1 机器人视觉概述 131
6.2 视觉检测系统构造 133
6.2.1 全局检测单元 134
6.2.2 局部检测单元 134
6.2.3 系统的特点 135
6.3 视觉系统标定 136
6.3.1 摄像机标定 136
6.3.2 手-眼系统标定 141
6.3.3 摄像机-超声传感器的标定 144
6.4 物体空间位姿检测 145
6.4.1 目标物体识别 146
6.4.2 物体空间位姿检测方法 149
6.5 实验 153
6.5.1 系统标定 153
6.5.2 手-眼标定 155
6.5.3 物体位姿检测 156
6.6 本章小结 157
参考文献 158
第7章 基于多传感器信息分阶段控制方法 159
7.1 系统主要传感器及其性能 160
7.1.1 视觉传感器 160
7.1.2 超声传感器 161
7.1.3 六维腕力感器 162
7.1.4 指端力传感器 162
7.2 人体感觉与运动控制系统 164
7.2.1 人体感觉与运动控制系统的结构 164
7.2.2 人体感觉与运动控制系统的模拟 167
7.3 基于多传感器信息的分阶段控制方法 168
7.3.1 多传感器信息的分类 168
7.3.2 分阶段控制系统结构及控制模型 169
7.3.3 基于模型知识库的物体识别方法 173
7.3.4 分阶段控制过程的实现 175
7.4 本章小结 178
参考文献 178
第8章 冗余度双臂空间机器人的协调控制 179
8.1 双臂空间机器人的分层递阶控制结构 179
8.1.1 机器人规划系统概述 179
8.1.2 双臂空间机器人的分层递阶控制结构 181
8.2 双臂空间机器人的协调控制方法 184
8.2.1 主要协调控制方法分类 184
8.2.2 基于主从式双臂的力/位混合控制方法 188
8.3 本章小结 204
参考文献 204
附录 206
第9章 离线编程及虚拟仿真环境 217
9.1 机器人仿真技术概述 217
9.2 OG-DARSS仿真系统介绍 218
9.2.1 任意构形串联机器人运动学建模 218
9.2.2 机器人三维仿真模型的建立 219
9.2.3 OG-DARSS的模块介绍 221
9.3 实时控制环境 227
9.3.1 PA10机器人的实时控制环境 228
9.3.2 模块机器人的实时控制环境 228
9.4 本章小结 229
参考文献 229
第10章 拟人双臂机器人系统遥操作研究 230
10.1 单机-单操作者-多人机交互设备-多机器人遥操作体系 230
10.1.1 单机-单操作者-多人机交互设备-多机器人遥操作系统体系结构 230
10.1.2 基于虚拟现实的人机交互技术 230
10.1.3 基于Internet遥操作网络通信软件设计 240
10.1.4 多机器人遥操作控制策略的研究 251
10.1.5 遥操作实验研究 265
10.1.6 本节小结 273
10.2 多操作者-多机器人遥操作体系 273
10.2.1 多操作者多机器人遥操作系统体系结构 273
10.2.2 分布式预测图形仿真子系统 278
10.2.3 MOMR系统的协调控制技术 289
10.2.4 多机器人遥操作技术 292
参考文献 296
第11章 典型操作任务仿真及实验研究 299
11.1 模拟实验的条件及目的 299
11.1.1 模拟实验的条件 299
11.1.2 模拟实验的目的 300
11.2 实验平台通信结构及协调控制过程 300
11.3 空间舱内典型双臂协调操作任务模拟实验 302
11.3.1 双臂协调插孔 302
11.3.2 双臂协调拧螺母 307
11.3.3 双臂协调搬运箱体 313
11.4 本章小结 317
参考文献 317
附录 317
《21世纪先进制造技术丛书》序
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究现状与发展趋势 2
1.2.1 拟人双臂机器人协调技术的国内外研究现状 2
1.2.2 遥操作机器人发展概述 14
1.3 研究基础、主要成果与涉及的关键技术 18
1.4 本章小结 19
参考文献 19
第2章 拟人双臂机器人系统平台方案设计 21
2.1 拟人冗余度双臂空间机器人系统的特点 22
2.2 拟人冗余度双臂空间机器人实验平台简介 22
2.2.1 平台设计思想 22
2.2.2 系统设备组成及简介 23
2.3 拟人冗余度双臂空间机器人特性分析 28
2.3.1 PA10机器人的特性分析 28
2.3.2 Module模块机器人的特性分析 33
2.4 本章小节 38
参考文献 38
附录 38
第3章 冗余度空间机器人系统在复杂环境下的灵活性和可靠性的理论研究 41
3.1 引言 41
3.2 机器人系统运动学建模与分析 41
3.2.1 PA10机器人系统运动学建模与分析 41
3.2.2 模块机器人系统运动学建模与分析 48
3.3 机器人系统运动学优化 54
3.3.1 机器人系统运动学优化的传统方法 54
3.3.2 基于容错控制的冗余度机器人运动学优化 60
3.4 笛卡儿空间运动控制 66
3.4.1 直线姿态位置插补 66
3.4.2 圆弧轨迹插补 71
3.5 机器人系统运动学计算机仿真 73
3.5.1 传统方法的机器人系统运动学计算机仿真 73
3.5.2 基于容错控制的冗余度机器人运动学优化方法计算机仿真 79
3.6 实验 83
3.6.1 模块机器人插孔实验 83
3.6.2 PA10机器人抓杯实验 85
3.7 本章小结 86
参考文献 87
第4章 冗余度空间机器人双臂协调操作运动规划方法 89
4.1 双臂机器人协调操作任务的特点及分类 89
4.1.1 双臂机器人协调操作任务的特点 89
4.1.2 双臂机器人协调操作任务的分类 90
4.2 国内外研究现状 91
4.3 双臂机器人协调操作的约朿关系 93
4.4 双臂机器人协调操作的运动学方程 93
4.4.1 开链运动学方程 94
4.4.2 闭链运动学方程 96
4.5 冗余度双臂机器人避关节极限优化 100
4.5.1 PA10机器人运动学 101
4.5.2 Module机器人运动学优化 101
4.6 冗余度机器人双臂协调避碰规划 102
4.6.1 单机器人避障规划概述 102
4.6.2 冗余度机器人双臂避划 104
4.7 冗余度机器人双臂作的 108
4.7.1 面向任务的操作度 108
4.7.2 双臂协调的操作度 112
4.7.3 面向任务的双臂协调操作度（TODAMM)114
4.8 本章小结 115
参考文献 115
第5章 冗余度双臂空间机器人协调任务规划方法 117
5.1 任务分解 117
5.1.1 操作规划和动作规划 118
5.1.2 隐式基本操作 119
5.1.3 显式基本操作 122
5.1.4 任务规划、路径规划及轨迹规划的关系 123
5.2 任务分配 124
5.2.1 机器人及任务的能力分类描述 125
5.2.2 任务完成条件 126
5.3 系统规划流程 126
5.4 程序编制 128
5.5 本章小结 129
参考文献 129
第6章 基于视觉的机器人位姿检测方法 131
6.1 机器人视觉概述 131
6.2 视觉检测系统构造 133
6.2.1 全局检测单元 134
6.2.2 局部检测单元 134
6.2.3 系统的特点 135
6.3 视觉系统标定 136
6.3.1 摄像机标定 136
6.3.2 手-眼系统标定 141
6.3.3 摄像机-超声传感器的标定 144
6.4 物体空间位姿检测 145
6.4.1 目标物体识别 146
6.4.2 物体空间位姿检测方法 149
6.5 实验 153
6.5.1 系统标定 153
6.5.2 手-眼标定 155
6.5.3 物体位姿检测 156
6.6 本章小结 157
参考文献 158
第7章 基于多传感器信息分阶段控制方法 159
7.1 系统主要传感器及其性能 160
7.1.1 视觉传感器 160
7.1.2 超声传感器 161
7.1.3 六维腕力感器 162
7.1.4 指端力传感器 162
7.2 人体感觉与运动控制系统 164
7.2.1 人体感觉与运动控制系统的结构 164
7.2.2 人体感觉与运动控制系统的模拟 167
7.3 基于多传感器信息的分阶段控制方法 168
7.3.1 多传感器信息的分类 168
7.3.2 分阶段控制系统结构及控制模型 169
7.3.3 基于模型知识库的物体识别方法 173
7.3.4 分阶段控制过程的实现 175
7.4 本章小结 178
参考文献 178
第8章 冗余度双臂空间机器人的协调控制 179
8.1 双臂空间机器人的分层递阶控制结构 179
8.1.1 机器人规划系统概述 179
8.1.2 双臂空间机器人的分层递阶控制结构 181
8.2 双臂空间机器人的协调控制方法 184
8.2.1 主要协调控制方法分类 184
8.2.2 基于主从式双臂的力/位混合控制方法 188
8.3 本章小结 204
参考文献 204
附录 206
第9章 离线编程及虚拟仿真环境 217
9.1 机器人仿真技术概述 217
9.2 OG-DARSS仿真系统介绍 218
9.2.1 任意构形串联机器人运动学建模 218
9.2.2 机器人三维仿真模型的建立 219
9.2.3 OG-DARSS的模块介绍 221
9.3 实时控制环境 227
9.3.1 PA10机器人的实时控制环境 228
9.3.2 模块机器人的实时控制环境 228
9.4 本章小结 229
参考文献 229
第10章 拟人双臂机器人系统遥操作研究 230
10.1 单机-单操作者-多人机交互设备-多机器人遥操作体系 230
10.1.1 单机-单操作者-多人机交互设备-多机器人遥操作系统体系结构 230
10.1.2 基于虚拟现实的人机交互技术 230
10.1.3 基于Internet遥操作网络通信软件设计 240
10.1.4 多机器人遥操作控制策略的研究 251
10.1.5 遥操作实验研究 265
10.1.6 本节小结 273
10.2 多操作者-多机器人遥操作体系 273
10.2.1 多操作者多机器人遥操作系统体系结构 273
10.2.2 分布式预测图形仿真子系统 278
10.2.3 MOMR系统的协调控制技术 289
10.2.4 多机器人遥操作技术 292
参考文献 296
第11章 典型操作任务仿真及实验研究 299
11.1 模拟实验的条件及目的 299
11.1.1 模拟实验的条件 299
11.1.2 模拟实验的目的 300
11.2 实验平台通信结构及协调控制过程 300
11.3 空间舱内典型双臂协调操作任务模拟实验 302
11.3.1 双臂协调插孔 302
11.3.2 双臂协调拧螺母 307
11.3.3 双臂协调搬运箱体 313
11.4 本章小结 317
参考文献 317
附录 317
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拟人双臂机器人技术 节选
第1章绪论 1.1引言 就目前的机器人技术水平而言，单个机器人在信息的获取、处理、控制及操作能力等方面都存在较大的局限性，对于复杂的工作任务及多变的工作环境，它的能力更显不足，如复杂的装配作业、搬运较重的物体（其质量超过一个机器人的承载能力）或柔软物体、安装或维修复杂的零件以及拉锯等，于是人们考虑采用两个或多个机器人的协调作业来完成单个机器人无法或难以完成的工作。随着操作环境和任务要求的复杂化，一般需要机器人既要有良好的灵活性又要有很高的可靠性，一般的非冗余度机器人难以达到要求。冗余度机器人固有的许多优点使之非常适合复杂任务和工作环境的要求，如： ①冗余度机器人利用其冗余性可以克服奇异性、避关节角极限、提高灵活性、躲避障碍物及获得*小关节力矩等） ②冗余度机器人具有容错性，可以在故障条件下进行任务再规划，具有较高的可靠性。 因此，冗余度机器人双臂协调操作的研究得到了越来越多的重视。 进人21世纪后，机器人技术进一步向智能化、网络化、与人和谐共存方向发，其概念、内涵、研究内容、应用领域都发生了很大变化。美国以军事为背景，开发了多种无人作战平台和作战机器人系统；日本以拟人型机器人为重点，不断赋予机器人智能，并开拓新的应用领域；欧洲重点开发医疗、家庭用的智能机器人。从机器人的应用角度来考虑，应用许多*新的智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、模糊神经网络技术、遗传算法和遗传编程、仿生技术、多传感器集成和信息融合技术以及纳米技术等来增强机器人的智能程度将是今后发展的一个重点。因此，给双臂机器人赋予智能以实现人类双臂的功能是当前研究的热门课题。 随着人类文明的高速发展，人类的生存空间不断扩展和延伸，在许多太空、海底、军事、核废料及有毒物质处理等人类难以到达或者对人类有危险的作业环境中，都可以利用遥操作技术遥控机器人代替人来完成任务，在一定程度上将人类从一些危险、极限、不可达和不确定性的环境中解放出来。遥操作技术不仅扩展了人类自身的能力，也提高和维护了人身安全。 20世纪90年代以后，网络技术的飞速发展使得网络技术与机器人技术的结合也日益紧密。近些年来，基于网络的遥操作机器人技术在远程医疗、远程教育、家庭服务、娱乐、养老助残等方面得到了发展和应用。基于互联网的遥操作技术以其广泛的适用性、功能的多样性、成本的经济性，正成为机器人领域中的一个重要的前沿课题，受到人们越来越多的重视。 机器人遥操作技术作为“桥梁”，跨越空间，将操作者、机器人和控制对象闭合到一个环路中，在操作者与控制对象之间存在远距离跨度约朿的情况下，实现人与机器人的同步交互操作，帮助人类实现感知能力和行为能力的延伸。将人加入机器人控制回路形成的机器人遥操作系统，是将人的智能与机器人的智能有机地结合起来，利用人的智能进行高层次的感知理解、问题求解、任务规划以及任务分解等，利用机器人完成低级感知控制、路径规划、精密运动、信息处理、常规和重复性的任务等工作，这样组成的人机智能系统就可以充分发挥人和机器人各自的优点。通过这种人机之间的协调和交互，不但可以增强机器人完成操作任务的能力，同时还扩展了机器人的应用领域。 1.2研究现状与发展趋势 1.2.1拟人双臂机器人协调技术的国内外研究现状 1.2.1.1国外研究现状 双臂机器人*早在工业自动化生产线、社会服务等方面得到发展和应用，近年来逐渐向空间作业、深海作业和危险品处理等领域扩展。而拟人双臂机器人比普通的双臂机器人具有更高的灵活性，更适合于特殊复杂作业环境的操作任务需求。 图1-1是国外某工厂机器人化装配生产线。该机器人的两个手臂由一固件连接在一起，两臂可同时进行协调操作的工作，如装配、搬运物体等。 日本一家公司曾推出一种机器人产品，它的名字叫：Shakeutron，如图1-2所示。其实它就是一个普通感应式便池改装的小便池机器人，方便一些肢体残疾的男士如厕。 众所周知，人类在日常生活和工作中遇到的复杂任务都需要靠双手来完成，而在遥操作任务中同样有许多操作仅靠单个机器人是不可能完成的。有人对空间环境中的操作任务做过统计，在常用的195项EVA任务中有166项需要用双手才能完成，因此，至少需要两个机器人臂相互协调配合才能完成各项操作任务。近年来，拟人双臂机器人遥操作系统的应用研究得到了较多的重视。 在加拿大为美国设计的空间站遥操作机器人系统中，使用了两个结构对称的七自由度机械臂，臂上装有视觉相机，两臂末端装有遥操作器和力传感器。该系统可实现空间站上大型设备安装、长期维护、探测和修理等工作。日本的Fujitsu空间系统实验室，使用了两个七自由度的机械臂系统，在地面空间机器人实验平台上成功地实现了卫星的停泊实验。 图1-1国外某工厂机器人化装配生产线 图1-2感应式便池改装的小便池机器人Shakeutron 德国空间局DLR利用分别安装在上、下导轨上的两个机械臂协调操作进行舱内插拔电路板和维修卫星的地面模拟实验，如图1-3所示。 图1-3德国空间局DLR双臂机器人平台 美国的JPL实验室开发了面向空间作业的先进遥操作多机器人系统(ATOP)，如图1-4所示，该系统由两个固定位置的八自由度AAI型机器人、固接于机器人腕部的灵巧手、本地分布式机器人控制系统和远端的遥操作系统组成。ATOP可以使操作者进行双手协调遥操作，进行大量模拟空间作业的实验研究，完成诸如更换卫星主电气控制盒等较复杂的任务。 图1-4美国JPL实验室双臂机器人平台 美国Stanford大学ARL实验室搭建的双臂机器人系统，如图1-5所示，可以完成一些较复杂的操作任务，如从传送带上抓取移动的物体、对柔性物体的装配等。 图1-5美国Stanford大学双臂机器人系统 NASA向太空发射的Ranger飞行器带有一对机器人手臂，如图1-6所示。在轨道上，Ranger在地面的遥控制下进行各种空间操作，从相对简单的太空舱的安装到复杂的人造卫星的维修和燃料补给。Ranger是双臂机器人在空间操作的一个典型应用。 图1-6Ranger的双臂系统及其控制界面 NASA的JSC实验室建立的双臂机器人平台可实现空间站上设备维护和修理等工作[12]，如图1-7所示。 美国NASA Johnson空间中心正在研制可代替或帮助宇航员出舱活动的舱外灵巧机器人Robonaut(机器人宇航员），它的主要任务是代替宇航员进行舱外活动，或者担当宇航员的助手共同执行任务，可减少宇航员在舱外活动的时间，如图1-8所示。在2004 ANS(American Nuclear Society)10 th Int.Conf. on Robotics and Remote System for Hazardous Environments上，NASA的研究人员详细介绍了应用于搭建空间站的协调操作机器人系统，该系统可以完成搬运建筑材料、传递工具和绳索等较为复杂的作业任务，并特别强调这些机器人的设计充分考虑了其可靠性和容错性能。 图1-7JSC实验室的双臂机器人平台 图1-7JSC实验室的双臂机器人平台 图1-8NASA空间站双操作臂机器人 日本的Tohoku大学宇宙机械实验室搭建了一个双臂空间机器人系统DARTS，如图1-9所示，双臂是由两个七自由度的PA10机器人、两个Barrett手和两个装在臂末端的六维力/力矩传感器构成。整个系统是一个由空间系统、地面系统和软件开发系统组成的遥操作机器人系统。他们对遥操作技术进行了系
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