基于Kinova的工業(yè)機(jī)器人臂安全啟動與停止ROS程序設(shè)計摘要隨著我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的快速進(jìn)步發(fā)展和其復(fù)雜化，以及基于電子皮膚的機(jī)器人在工業(yè)應(yīng)用中得到越來越廣泛的研究，為了保證工業(yè)機(jī)器人臂的安全啟動與停止，建立了工業(yè)機(jī)器人臂的正運(yùn)動學(xué)與逆運(yùn)動學(xué)兩個基本模型，通過ROS程序設(shè)計，建立兩個節(jié)點(diǎn)，一個節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從串口接受下位硬件采集系統(tǒng)獲得的碰撞采集數(shù)據(jù)，另一個采用ROS服務(wù)、消息或API實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的安全啟停控制。關(guān)鍵詞：電子皮膚；機(jī)械臂；運(yùn)動學(xué)建模；ROS程序開發(fā)目錄TOC\o"1-3"\h\u6059摘要 126411.緒論 4301761.1基于電子皮膚的機(jī)械臂發(fā)展背景及現(xiàn)狀 4221081.2基于電子皮膚的機(jī)械臂安全啟停研究的意義 661101.3主要研究內(nèi)容 713172.Kinova機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)建模 9224922.1機(jī)械臂的位姿描述 9164452.2動力學(xué) 1053712.3Kinova機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)建模 1178862.4Kinova機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)建模 1751473.基于Kinova機(jī)械臂的ROS程序開發(fā) 19151223.1ROS開發(fā)環(huán)境介紹 19133163.2ROS簡介 20144273.3基于Kinova機(jī)械臂的ROS程序開發(fā) 20296334.程序及仿真 22262414.1重要程序說明 22258164.2仿真結(jié)果 22219485.結(jié)論與展望 24123615.1本文結(jié)論 2415725.2未來展望 2419577參考文獻(xiàn) 2530841附錄 271.緒論1.1基于電子皮膚的機(jī)械臂發(fā)展背景及現(xiàn)狀機(jī)械臂機(jī)器就是一種人類可以通過模仿任何人手和臂的某些固定運(yùn)動程序功能，按照一個固定的運(yùn)動程序方式去進(jìn)行抓取、移動其他物體或者通過操作其他運(yùn)動工具而可以完成的一種自動化機(jī)械操作的一種機(jī)器。機(jī)械臂發(fā)展是在我國發(fā)展于早期機(jī)器階段已經(jīng)開始出現(xiàn)的古代車械機(jī)器人臂的基礎(chǔ)上，機(jī)械臂的開發(fā)研制設(shè)計工作最早可以開始于20世紀(jì)中葉，在此期間，計算機(jī)信息技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化等現(xiàn)代科學(xué)工程技術(shù)的不斷飛速發(fā)展，尤其重要的事件是1946年第一臺工業(yè)數(shù)字化和電子專用計算機(jī)成功正式投入使用，計算機(jī)也由此得到了驚人的高速同步發(fā)展，向快捷、大容量、廉價的發(fā)展方向不斷前進(jìn)。與此同時，大規(guī)模裝備制造的市場迫切需要也對促進(jìn)我國現(xiàn)代機(jī)器人的快速發(fā)展及其實(shí)際應(yīng)用發(fā)展起到很強(qiáng)的技術(shù)推動促進(jìn)作用，又為推動我國現(xiàn)代機(jī)器人裝備制造業(yè)的快速健康發(fā)展進(jìn)步打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[1]。另一方面，在關(guān)于現(xiàn)代核能醫(yī)療技術(shù)的許多科學(xué)家和研究應(yīng)用領(lǐng)域，需要通過使用認(rèn)識到一些設(shè)備可以被替換成可供人類用以進(jìn)行治療和輔助處理各種放射性化學(xué)物質(zhì)的電子操縱器和機(jī)械?；谶@種新型應(yīng)用市場需求的特殊歷史背景，1947年，一種遙控自動機(jī)械臂被美國研究性地制造開發(fā)了出來，之后，在1948年，一種主從遙控機(jī)械臂也隨之產(chǎn)生。當(dāng)前，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，發(fā)展最快的就是具有機(jī)械臂自適應(yīng)運(yùn)動的機(jī)器人[2]。機(jī)械臂技術(shù)最初由美國公司開發(fā)。1954年，關(guān)于工業(yè)機(jī)器人設(shè)計的觀點(diǎn)被美國戴沃爾首次在報告中提出，并以此為基礎(chǔ)申請了該項(xiàng)發(fā)明專利。該項(xiàng)專利的重點(diǎn)之處在于它可以通過采用一種名為隨動系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)對機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)、手指等位置進(jìn)行控制，把指導(dǎo)機(jī)器人的動作作為輸入位移，最終使機(jī)器人手臂產(chǎn)生與輸入位移相同的輸出位移，即重復(fù)之前的指導(dǎo)動作。這或許便是如今人們口中所說的可以模仿人們動作的機(jī)器人[3]。幾乎每一種類型現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人都已經(jīng)可以直接采用此種遠(yuǎn)程控制驅(qū)動技術(shù)。其通常認(rèn)為具有6個點(diǎn)的自由度。自由度系數(shù)是對于自動機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動設(shè)計時的一個重要測量參數(shù)[4]。其運(yùn)動自由度越大，機(jī)械臂的功能通用性就會變得更加廣泛，柔韌力也就越強(qiáng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也就會變得更繁瑣。大多數(shù)實(shí)際情況下，專用的自動機(jī)械臂系統(tǒng)只能保證擁有2-3個不同動作點(diǎn)的自由度。1958年，美國通過利用可以把鉚件連接在一起的鉚釘與一些其他控制技術(shù)，第一臺完全自動化的加工機(jī)械臂大型焊縫工件鉚接加工機(jī)器人成功問世。手臂鉚接機(jī)器人是最早被投入使用的機(jī)器人類型，最早的兩種實(shí)用機(jī)械設(shè)計實(shí)驗(yàn)機(jī)型“VERSTRAN”于1962年由一家名為AMF的美國公司首次推出，以及“UNIMATE”由一家名為UNIMATION的公司首次推出。類似于人的雙臂和手臂是這些新型工業(yè)機(jī)器人的主要組成部分，它們可以取代人們艱苦的勞動，從而真正實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程中的機(jī)械化和工藝自動化，它們需要能在有害的環(huán)境下進(jìn)行操作，以及保護(hù)我們的財產(chǎn)和人身安全，因而已經(jīng)在機(jī)械制造、電子、冶金、原子能和輕工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，為了能夠更好地使用機(jī)械臂，人們更加詳細(xì)地計算機(jī)械臂的動力學(xué)，如：南京理工大學(xué)的馮鈞等人研究柔性空間雙臂機(jī)器人的協(xié)同控制和避障方法[5}，東華大學(xué)的李素芳等人對機(jī)械臂軌跡跟蹤控制研究[6]，國外的HülakoHalit等人對機(jī)器臂位置控制影響的研究[7]，吳敏等人對平面雙桿剛?cè)崆夫?qū)動機(jī)械臂末端位置控制與震動抑制的研究[8]，或者是對機(jī)械臂運(yùn)動進(jìn)行仿真，如ROS系統(tǒng)等[9]。機(jī)械臂的各種類型，根據(jù)其驅(qū)動形式不同，大致可以劃分為液壓、氣動、電動、機(jī)械式五種。根據(jù)其適用范圍大小可以劃分為各種專用的機(jī)械臂和各種通用的機(jī)械臂；點(diǎn)位置控制機(jī)器人手和連續(xù)軌跡控制機(jī)器人手可由對運(yùn)動蹤跡進(jìn)行控制的方式來大致劃分。目前，世界上已經(jīng)擁有了三代機(jī)械臂。第一代的機(jī)械臂，就是在教學(xué)中按照事前的位置與姿態(tài)來進(jìn)行多次重復(fù)的動作。目前，世界上大多數(shù)使用的機(jī)械臂都是以這樣的方式來正常工作。由于該類工作模式僅僅能夠根據(jù)預(yù)先顯示出來的位置和形狀進(jìn)行動作上的重復(fù)，而對周圍環(huán)境沒有產(chǎn)生任何感應(yīng)，因此，它的使用范圍也就受到了不小的局限，主要被廣泛應(yīng)用在物料的移送、噴涂、電焊等各項(xiàng)工作中。第二代機(jī)械臂，是指一種具有像人一樣的視覺、觸摸等外部感觀功能的機(jī)械臂。也正因其本身具有外部的感觀功能，因此，它們可以根據(jù)外部環(huán)境的變化對自身的動作做出相應(yīng)的修改，從而更容易地完成一些較為復(fù)雜的操作。其中，對于具有觸覺作用的機(jī)械手，為了更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，科學(xué)家們從仿生角度出發(fā)，開展了基于觸覺的交互檢測研究，其中應(yīng)用較廣的是電子皮膚方式。電子皮膚是一種可以使機(jī)器人產(chǎn)生觸覺的系統(tǒng)，它可被加工成多種形狀，并作為機(jī)器人的本體感知系統(tǒng)附著在機(jī)器人表面。電子皮膚可以增強(qiáng)機(jī)器人皮膚的導(dǎo)電性，并使得電路板的固定更加牢靠。早在2004年，日本的TakaoSmeya團(tuán)隊(duì)便研制出了可以同時獲取接觸力及溫度信息的電子皮膚，并將電子皮膚用于機(jī)器人手進(jìn)行壓力測試，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取。隨著電子皮膚集成及檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，國外一些廠商開發(fā)了基于電子皮膚的工業(yè)機(jī)械臂平臺。德國博世(BOSCH)公司研發(fā)了一套基于安全的APAS人機(jī)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有的傳感器皮膚可保障人與機(jī)器之間的安全協(xié)作，系統(tǒng)中仍然保留了前端視覺系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的物體識別和定位。近年來，機(jī)械臂的發(fā)展極為迅速，國外的BicchiAntonio等人受到脊椎動物的啟發(fā)，實(shí)現(xiàn)了可變性機(jī)器臂的控制[10]。國內(nèi)一些單位也針對電子皮膚開展了研究。合肥工業(yè)大學(xué)的黃英等研究員人基于炭黑-硅橡膠顯著的壓阻效應(yīng)研究設(shè)計了一種四電極對稱結(jié)構(gòu)的三位力傳感器，可廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器人敏感皮膚，從而將該傳感器應(yīng)用到各種機(jī)械臂；在此次研究電子皮膚技術(shù)的基礎(chǔ)上，郭小輝針對電子皮膚的柔性接觸式感知技術(shù)方法問題進(jìn)行了探索，設(shè)計出一個由主從手操縱的平臺，實(shí)現(xiàn)了一個機(jī)器人靈巧的雙手在主從者的映射下捕捉到目標(biāo)的高度穩(wěn)定信息。第三代的機(jī)械臂，這種機(jī)械臂不僅使它們具有外部的感觀和控制功能，還使它們具有合理地規(guī)劃和做出決策的功能，使它們都能夠順應(yīng)環(huán)境的變化從而獨(dú)立地進(jìn)行自主的工作。目前，第三代機(jī)器人仍然處于研制開發(fā)階段，距離我們實(shí)際生活中所需要的應(yīng)用來說，尚有很大距離。目前，第一代工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在我國實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，第二代工業(yè)機(jī)器人也是在第一代機(jī)器人的基礎(chǔ)上逐步得到了應(yīng)用，成為了目前使用最多的一種機(jī)器人的型號，第三代機(jī)器人也占據(jù)了部分比例。從三代機(jī)器人手臂的形成與發(fā)展角度來看，隨著科學(xué)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，機(jī)械臂的靈活性、準(zhǔn)確性等也越來越好，功能也變得更加全面，且向著更加系統(tǒng)化、集成式、智能化等方向前進(jìn)，機(jī)器人的應(yīng)用范圍也將繼續(xù)不斷拓寬與深化，以適應(yīng)靈活性和大型制造、產(chǎn)品多樣化和個性化等方面的需要。1.2基于電子皮膚的機(jī)械臂安全啟停研究的意義目前，在國內(nèi)很多機(jī)床工廠倉庫中，仍然還保存有很多需要大量使用大型人工工具來焊接完成的大型數(shù)控機(jī)床主體零部件和機(jī)床裝卸工件等的生產(chǎn)工作流水線，工作強(qiáng)度高、生產(chǎn)效用小。為了能夠使得生產(chǎn)加工的質(zhì)量和工作效率有所提升，使得成本也得到降低，并且可以將柔性制造的機(jī)械臂系統(tǒng)充分運(yùn)用于生產(chǎn)線上，從而適合現(xiàn)代自動化的生產(chǎn)，采用了機(jī)器人的技術(shù)，針對具體的生產(chǎn)流程，設(shè)計了一臺能夠完全代替人工操作的自動裝卸式機(jī)械臂，大大提高了工作效率。機(jī)械臂是指在工業(yè)化、機(jī)械化、自動化制造的過程中所需要使用的可以對物體進(jìn)行抓取、移動、翻轉(zhuǎn)等各種操作的裝置。對于一些危險、重復(fù)或者長期枯燥的操作，機(jī)械臂完全可以代替人類來完成。減輕了人類勞動的危險性與強(qiáng)度，提高了勞動生產(chǎn)力[11]。機(jī)械臂已經(jīng)越來越廣泛地得到應(yīng)用，在各種機(jī)械制造行業(yè)中，它們可以完成零配件的組裝，也可以對工件進(jìn)行搬運(yùn)、裝卸，特別是在現(xiàn)代自動化的數(shù)控機(jī)床、組合式機(jī)床上的使用更加頻繁。它既可以適應(yīng)中、小批量的生產(chǎn)，又可以節(jié)省巨額資金，節(jié)省運(yùn)輸工件的裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且對環(huán)境的適應(yīng)性也很好。目前由于我國科學(xué)技術(shù)水平與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)水平與國外相比仍然存在一定距離，機(jī)械臂使用的規(guī)模和行業(yè)化水平較低，機(jī)械臂的科技水平對我國工業(yè)自動化制造技術(shù)水平的提升有很大的影響，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上的角度來考慮這些問題也是十分必要的。因此，進(jìn)行對機(jī)械臂的科學(xué)研究和設(shè)計工作是非常具有指導(dǎo)價值的。除此之外，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)的各個方面的應(yīng)用也越來越廣泛。如：隨著目前世界上的工業(yè)核能越來越廣泛應(yīng)用普及到了整個工業(yè)生產(chǎn)中，核設(shè)施的日常維修和拆卸安裝以及設(shè)備退役等相關(guān)問題的研究發(fā)現(xiàn)迫在眉睫，用于工業(yè)核能開發(fā)使用的自動化設(shè)備拆卸安裝機(jī)器人也隨之不斷誕生[12]；在醫(yī)學(xué)方面，機(jī)械臂被用于腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)[13]等。在這些人機(jī)共存、人機(jī)交互、多機(jī)協(xié)調(diào)等的復(fù)雜工業(yè)場景中，對人、機(jī)都存有一定的安全隱患。如：當(dāng)處于人類機(jī)械協(xié)作中的機(jī)器人和其他人類個體或其它組織者在同一條機(jī)械生產(chǎn)線上同時進(jìn)行機(jī)械協(xié)同工作時，不可避免地可能會同時發(fā)生交互相應(yīng)的碰撞，對于任何人與機(jī)器來說都會因此造成重大損壞，因此，關(guān)于機(jī)器人與機(jī)器交互的使用安全性這個關(guān)鍵問題也還有待研究解決[14]。1.3主要研究內(nèi)容本設(shè)計研究內(nèi)容主要圍繞機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)建模及ROS環(huán)境下的碰撞停止實(shí)驗(yàn)，主要研究內(nèi)容為：(1)在第二章中，主要是對機(jī)械臂運(yùn)動的推導(dǎo)，主要包括表示機(jī)械臂空間位置的位姿描述、動力學(xué)以及機(jī)械臂的正向與反向運(yùn)動學(xué)建模推導(dǎo)。(2)在第三章中，主要介紹了ROS系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境以及系統(tǒng)的組成與作用，進(jìn)而基于Kinova機(jī)械臂進(jìn)行ROS程序開發(fā)(3)在第四章中，編寫了具體程序?qū)崿F(xiàn)了對手指與關(guān)節(jié)的角度移動以及對手指與機(jī)械臂的位置讀取，最終實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的啟動與停止的控制。2.Kinova機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)建模為對機(jī)械臂運(yùn)動進(jìn)行描述，需要把機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)求解出來。正向系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和逆向系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)共同作用組成了一種關(guān)于機(jī)器人的系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)，給定了已知機(jī)器人的各個部分關(guān)節(jié)的運(yùn)動變量，計算后得出一種機(jī)器人在尾部或其他位置的全部姿態(tài)被我們統(tǒng)稱之為正向系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)；而逆向系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)恰好與正向系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)完全方向相反，即我們只需要經(jīng)過一種計算方法，就是說可以通過已知機(jī)器人尾端所在位置的全部姿態(tài)，計算后得出相應(yīng)于其尾端所在位置的全部各個關(guān)節(jié)上的變化。2.1機(jī)械臂的位姿描述在研究機(jī)器人時，我們一般都是在一個三維空間中對于一個物體的的位置移動進(jìn)行具體研究。這里面所講到的物體既包括了操作臂上連接關(guān)節(jié)運(yùn)動的桿件、零配件及抓取物體的機(jī)器人手，還包括了操作臂的底座及空間內(nèi)其他任何物體。一般情況下這些東西都應(yīng)該是由兩個極其重要的性質(zhì)元素來進(jìn)行描述：物體位置與運(yùn)動姿態(tài)。自然而然，我們將有機(jī)會首先開始去深入研究如何正確采用一些數(shù)學(xué)方法來正確表示和分析計算它們的每個參數(shù)變量。為了準(zhǔn)確地描述一個空間中物體的位置，我們一般首先將空間中的物體固定地放置于一個參考坐標(biāo)系，即一個參考系中，然后我們就在這個參考坐標(biāo)系中進(jìn)行研究，研究該空間中物體的具體位置和運(yùn)動姿態(tài)，如圖2-1所示。圖2-1在坐標(biāo)系（參考系）中的操作臂和工作空間內(nèi)的其他物體任一個坐標(biāo)系均可以被應(yīng)用為描述一個物體的位置和其運(yùn)動形式的參考系，我們通過在不同的參考系中進(jìn)行變換來表達(dá)出這個物體在空間中的位置。在機(jī)器人以外的其他領(lǐng)域中，剛體位置姿態(tài)的研究也是非常有意義的。2.2動力學(xué)動力學(xué)研究運(yùn)動是一個廣泛應(yīng)用的科學(xué)研究領(lǐng)域，主要目的是用于研究各種物料在運(yùn)動中所可能需要的力或產(chǎn)生的運(yùn)動能量。為了保證能夠正確使得驅(qū)動操作臂由靜止時的起步加速開始，最后逐漸減慢直至停止，必須由驅(qū)動關(guān)節(jié)臂和驅(qū)動器操作產(chǎn)生的一組復(fù)雜的動力學(xué)力矩構(gòu)成函數(shù)。關(guān)節(jié)之間產(chǎn)生的摩擦、末端關(guān)節(jié)執(zhí)行器運(yùn)動路徑過程中的空間形態(tài)與瞬時力矩特征、連桿與各個負(fù)載的質(zhì)量特征等問題都可以決定力矩函數(shù)形式，它是由關(guān)節(jié)驅(qū)動器所產(chǎn)生的?？刂撇僮鞅叟c關(guān)節(jié)沿我們所希望的路線運(yùn)動的一種辦法是，通過對運(yùn)動操作臂的各種動力學(xué)函數(shù)方程分別進(jìn)行函數(shù)求解，得到這些方程相應(yīng)的控制關(guān)節(jié)力矩的函數(shù)。很多時候，當(dāng)我們拿起一個物體時，我們會以為它很重，但實(shí)際卻很輕（例如，從桌子上取下一瓶水，我們以為是滿的，但實(shí)際卻幾乎是空的），這種對物體輕重的錯誤認(rèn)知有時會使我們的抓舉動作變得很反常。這種情況說明，人體因大腦等機(jī)器人不具備的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)會比機(jī)器人手臂的運(yùn)動更加復(fù)雜。操作臂控制系統(tǒng)就是運(yùn)用了質(zhì)量、速度、加速度等動力學(xué)知識。因此，我們編寫控制機(jī)器人操作臂運(yùn)動的算法的同時，也應(yīng)當(dāng)考慮動力學(xué)知識。動力學(xué)線性方程的另外一種重要用途可能是為了便于進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真。通過將二次重構(gòu)的驅(qū)動力學(xué)函數(shù)方程化，以及用到的驅(qū)動力矩函數(shù)等多種形式計算出來加速度。這樣就等于能夠在一組機(jī)械驅(qū)動力矩的共同作用下，對每個操縱臂的運(yùn)動移位和運(yùn)動速度等情況實(shí)時進(jìn)行了自動仿真，如圖2-2。隨著人工智能計算技術(shù)和實(shí)踐能力的進(jìn)一步提高以及計算費(fèi)用成本的減少，仿真已經(jīng)在許多行業(yè)中得到了廣泛的研究和應(yīng)用，顯得愈加重要。圖2-2動力學(xué)方程中驅(qū)動器的驅(qū)動力矩與操作臂運(yùn)動之間的關(guān)系2.3Kinova機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)建模運(yùn)動學(xué)理論主要是研究一個物體的運(yùn)動，而不考慮導(dǎo)致該物體發(fā)生運(yùn)動的外界因素。在物理和運(yùn)動學(xué)中，我們主要研究了位置、速度、加快率和位置變量對于時間或者其他種類變量的一個高階微分[15]。這樣，操作臂運(yùn)動學(xué)主要研究的對象也就是操作臂運(yùn)動的整體幾何與時間學(xué)的特征。幾乎每一個機(jī)器人手臂都必須是由一個具有高度運(yùn)動剛性性質(zhì)的連桿連接構(gòu)成，能夠使其做相對運(yùn)動的機(jī)械關(guān)節(jié)連接著相鄰的連桿。這些機(jī)械關(guān)節(jié)往往是在安裝時都有一個位置傳感器，用來自動檢測兩個相鄰的機(jī)械桿件之間的相對高度和位置。如果被認(rèn)為是主要用來轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)，那么這個轉(zhuǎn)向位移就可以叫做兩個關(guān)節(jié)間的夾角。一些機(jī)器人手臂如果包括一個機(jī)械關(guān)節(jié)具有可以滑動或者移動的能力，那么兩個關(guān)節(jié)相鄰連桿的運(yùn)動位移偏離就是一條水平直線的運(yùn)動，有時把這個連桿關(guān)節(jié)的運(yùn)動稱為這個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)偏距。操作臂的自由度數(shù)目就是指在操作臂中位置變量各不相同的各個部分的數(shù)量總和，整個機(jī)械臂中各種零件的空間位置就是由這些不同的位置變量所決定[16]。自由度對于全體機(jī)構(gòu)都有著普遍意義。例如，四桿機(jī)構(gòu)只有一個運(yùn)動的自由度(盡管它們只有三個桿件可以進(jìn)行運(yùn)動)。對于一個典型的工業(yè)機(jī)器人來說，由于它們的操作手臂大都采用開形式的運(yùn)動鏈，而且一個單獨(dú)的變量都能定義一個關(guān)節(jié)的位置，因此關(guān)節(jié)的總數(shù)量應(yīng)該相當(dāng)于其運(yùn)動的自由度。末端指令執(zhí)行器被自動安裝到一個操作臂上的自由端，它就是我們常說的機(jī)器人手。根據(jù)各種自動機(jī)器人的不同使用者和使用的場景，末端自動執(zhí)行器可以對物體進(jìn)行抓取，翻轉(zhuǎn)，搬運(yùn)等操作。在機(jī)器人手上，我們通常會附著一個帶有坐標(biāo)系的工具，可以用來確定機(jī)器人手臂的具體位置，在操作臂固定的底座上還裝有一個基坐標(biāo)系，它與末端執(zhí)行器的工具坐標(biāo)系相互對應(yīng)[17]（如圖2-3所示）。圖2-3在工具坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系中，各個關(guān)節(jié)變量的函數(shù)關(guān)系在有關(guān)操作臂正向運(yùn)動學(xué)這一方面的學(xué)術(shù)研究中，關(guān)于操作臂的正向性運(yùn)動學(xué)是一個最為典型的重要問題。而其中，一個靜態(tài)的幾何問題就是計算機(jī)器人手臂尾端執(zhí)行器的工作位置與運(yùn)行姿態(tài)。具體來說，給定了其中一組兩個關(guān)節(jié)坐標(biāo)夾角的具體值，正運(yùn)動學(xué)的主要問題就是如何正確計算和得出其中一組工具坐標(biāo)系的基本位置及運(yùn)動姿態(tài)，且與基坐標(biāo)系一一相對。一般而言，我們把這個描述過程簡單地稱之為從一個關(guān)節(jié)三維空間表示機(jī)器人手臂位置一直到笛卡爾空間。機(jī)械臂正運(yùn)動常采用Denavit-Hartenberg法（簡稱D-H法）進(jìn)行推導(dǎo)。將軸i定義為連接連桿i-1與連桿i的關(guān)節(jié)的軸，定義連桿坐標(biāo)系i時采用D-H法，如圖2-4所示。圖2-4D-H連桿坐標(biāo)系一旦D-H連桿的坐標(biāo)系建立成功，就可以用以下幾種參數(shù)來確定坐標(biāo)系i與i-1之間的姿態(tài)關(guān)系（位置和方向），稱為D-H參數(shù)。oi和oi’之間的距離表示為ai，即沿坐標(biāo)系xi軸，zi-1軸到zi軸之間的距離；坐標(biāo)系起點(diǎn)zi-1軸和終點(diǎn)zi軸之間的軸向夾角用θi來表示，即軸圍繞坐標(biāo)系起點(diǎn)xi軸，zi-1軸旋轉(zhuǎn)至終點(diǎn)zi軸的夾角，且其旋轉(zhuǎn)方向是正時逆時針轉(zhuǎn)動；oi’沿zi-1的坐標(biāo)表示為di，即沿坐標(biāo)系zi-1軸，xi-1軸到xi軸之間的距離；坐標(biāo)系起點(diǎn)xi-1軸和終點(diǎn)xi軸之間的軸向夾角用qi來表示，即軸圍繞坐標(biāo)系起點(diǎn)zi-1軸，xi-1軸旋轉(zhuǎn)至終點(diǎn)xi軸的夾角，且其旋轉(zhuǎn)方向是正時逆時針轉(zhuǎn)動；通過D-H建立連桿坐標(biāo)系的基本操作方法，Kinova機(jī)械臂的連桿坐標(biāo)系基本建立操作過程如圖2-5所示。圖2-5Kinova機(jī)械臂連桿坐標(biāo)系與Kinova機(jī)械臂相對應(yīng)的D-H參數(shù)如表2-1所示，具體參數(shù)由機(jī)械臂實(shí)際機(jī)械參數(shù)確定。連桿iai/radai/mdi/mqi/radq1范圍/rad1π/20d1q10~2π20a20q2-3π/4~3π/43-π/20d3q3-2π/3~2π/34π/30d4q40~2π5-π/30d5q50~2π600d6q60~2π表2-1Kinova機(jī)械臂D-H參數(shù)圖Aii-1為坐標(biāo)系i和坐標(biāo)系i-1的齊次參數(shù)變換矩陣，可以表示為Aii-1=Rotz(qi)Transz(di)Transz(ai)Rotz(ai)展開如下圖2-6：Aii-i(qi)=圖2-6坐標(biāo)系i和坐標(biāo)系i-1的齊次參數(shù)變換矩陣式中s表示sin，c表示cos。至此，相鄰運(yùn)動關(guān)節(jié)的齊次參數(shù)變換矩陣的表達(dá)式就可以通過帶入相對應(yīng)的Kinova機(jī)械臂的D-H參數(shù)輕松求出，如下圖2-7，2-8，2-9，2-10，2-11，2-12：A10=圖2-7A10的值A(chǔ)21=圖2-8A21的值A(chǔ)32=圖2-9A32的值A(chǔ)43=圖2-10A43的值A(chǔ)54=圖2-11A54的值A(chǔ)65=圖2-12A65的值帶入對應(yīng)的D-H參數(shù)，可以通過求解公式求解出Kinova的正向運(yùn)動學(xué)函數(shù)方程T60(q)，它的表達(dá)式如下圖2-13：T60(q)=A10A21A32A43A54A65=圖2-13T60(q)的值進(jìn)而我們可以求解出尾端點(diǎn)位置的坐標(biāo)表達(dá)式為Pk(Pkx，Pky，Pkz)。通過對位置關(guān)系方程求導(dǎo)可得下式：Pkx=J11q1+J12q2+J13q3+J14q4+J15q5+J16q6Pky=J21q1+J22q2+J23q3+J24q4+J25q5+J26q6Pkz=J31q1+J32q2+J33q3+J34q4+J35q5+J36q6取速度列向量為V于是有：V=Jq其中J代表Kinova的運(yùn)動速度雅克比矩陣，求取雅克比矩陣每一個元素的表達(dá)式，即可以通過給定不同關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度，實(shí)現(xiàn)對該種設(shè)備的各個末端點(diǎn)進(jìn)行控制。2.4Kinova機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)建模關(guān)于機(jī)器人手臂的反向逆運(yùn)動學(xué)。這個問題是要求在已知機(jī)器人手臂尾端機(jī)械執(zhí)行器的固定位置和運(yùn)動姿態(tài)，計算出所有機(jī)器人手臂上可以達(dá)到我們所需固定位置和運(yùn)動姿態(tài)的關(guān)節(jié)角，如圖2-14所示。這也是機(jī)器人手臂實(shí)際運(yùn)動與應(yīng)用中的一個最基礎(chǔ)的問題。

圖2-14機(jī)械臂位姿與關(guān)節(jié)角度逆運(yùn)動學(xué)一直是一個很繁瑣的幾何類問題，但是人類或其他生物體系每天都必須要進(jìn)行幾千次的逆運(yùn)動學(xué)求解。對于控制機(jī)器人這樣的一個基于人工智能的系統(tǒng)，我們就需要控制電腦實(shí)現(xiàn)一種求解逆方向計算的公式。從某些程度上來說，對于機(jī)器人手臂而言，最關(guān)鍵的部分無疑就是逆向運(yùn)動學(xué)問題的求解。我們把逆向運(yùn)動學(xué)定義是一個“定位”映射的問題，是將一個機(jī)器人的位置和姿態(tài)從三維笛卡兒空間轉(zhuǎn)移到內(nèi)部的關(guān)節(jié)空間進(jìn)行映射[18]。所以當(dāng)機(jī)器人的目標(biāo)位置被使用外部的三維空間坐標(biāo)來代替時，則我們就需要對其進(jìn)行此類映射。一些早期的機(jī)器人并未具備這種計算方法，它們只能簡單地被移動（有時需要進(jìn)行人工示教）到我們所希望的位置，同時通過記錄一系列機(jī)械關(guān)節(jié)的變量（例如各個關(guān)節(jié)空間的空間位置和運(yùn)動姿態(tài)），最終來實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)運(yùn)動。顯然如果一個機(jī)器人僅僅是單純地通過計算機(jī)來記錄和重新再現(xiàn)機(jī)器人的各種關(guān)節(jié)位置和移動，那么就沒有必要再用任何一種從關(guān)節(jié)空間轉(zhuǎn)換到笛卡兒空間的變換算法。但是在今天找到一臺不具備這種逆運(yùn)動學(xué)算法功能的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)變得幾乎不可能了。逆向運(yùn)動學(xué)與正向運(yùn)動學(xué)相比，相對要更難一些。由于這個運(yùn)動學(xué)的方程式都是非線性的，因而很難求解其中的封閉式解，有時甚至不存在封閉式解。所以解的存在問題和多解問題也被同時提出。上述問題的研究給人腦和神經(jīng)系統(tǒng)在無意識的情況下引導(dǎo)手臂和手移動以及操作物體的現(xiàn)象做出了一種恰當(dāng)?shù)慕忉?。機(jī)器人手臂的工作空間因運(yùn)動學(xué)方程是否存在解而受到了很大的限制。如果運(yùn)動學(xué)方程無解，那么就意味著目標(biāo)點(diǎn)已經(jīng)不在工作空間之內(nèi)，所以機(jī)器人手臂就很難達(dá)到我們所期望的位置和姿態(tài)。除了要分析一些關(guān)于靜態(tài)定位的問題外，我們也想要分析一下在運(yùn)動過程中的機(jī)器人手臂。為了更加方便地進(jìn)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的速度分析，我們可以為機(jī)器人手臂定義雅可比矩陣。雅可比矩陣表明了機(jī)械關(guān)節(jié)空間速度與笛卡兒空間速度之間的映射關(guān)系，如圖2-15所示。這種映射關(guān)系隨著機(jī)器人手臂位形的變化，這種映射關(guān)系也會隨之發(fā)生變化。雅可比矩陣在奇異點(diǎn)處是不可以被逆的。正確認(rèn)識這一現(xiàn)象，對于設(shè)計機(jī)器人手臂的人員與機(jī)器人手臂使用者都是非常重要的。圖2-15雅克比矩陣表示的關(guān)節(jié)速率和末端執(zhí)行器速率的幾何關(guān)系上節(jié)對Kinova機(jī)械臂進(jìn)行了正運(yùn)動學(xué)建模，先通過代數(shù)解法求解逆運(yùn)動學(xué)。根據(jù)萬能三角函數(shù)公式，設(shè)t=tan（q/2），有cosq=1-t2/1+t2，sinq=2t/1+t2；帶入便可求出q1。但由于多自由度機(jī)械臂有時存在多種逆解問題，因此q1可以解出多個不同的解[19]，這就非常需要我們通過計算Kinova的D-H參數(shù)所在的范圍來決定其應(yīng)該取的值。當(dāng)求出q1的確定解后，就可以求出q2至q6的表達(dá)式：q2+q3=Atan2（s23，c23）q4=Atan2（s4，c4）q5=Atan2（s5，c5）q6=Atan2（s6，c6）3.基于Kinova機(jī)械臂的ROS程序開發(fā)3.1ROS開發(fā)環(huán)境介紹隨著現(xiàn)代機(jī)器人開發(fā)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的不斷迅猛發(fā)展與其的復(fù)雜化，市場越來越需要代碼可以多次使用，以及利用模塊化開發(fā)技術(shù)設(shè)計代碼，而目前現(xiàn)有的各種新型開源式的機(jī)器人開發(fā)技術(shù)和操作系統(tǒng)卻根本無法很好地勝任這樣的工作。2010年，名為ROS的機(jī)器人操作系統(tǒng)由WillowGarage公司首次發(fā)布[20]，在機(jī)器人應(yīng)用科學(xué)與新技術(shù)研究的領(lǐng)域，不久就掀起了學(xué)習(xí)并研究使用ROS系統(tǒng)的波瀾。ROS系統(tǒng)作為一種次級操作系統(tǒng)，其首要的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)意圖就是努力提升其代碼的復(fù)用度，使其成為機(jī)器人領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。ROS是一種框架（也可以稱之為Nodes），主要用于處理一些事物，它以分布式為基礎(chǔ)。它的特殊之處在于可以獨(dú)立地設(shè)計一個可執(zhí)行的文件。設(shè)計文件的流程可以在數(shù)據(jù)資料包（Packages）和堆棧（Stacks）中直接安裝，便于用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資料的信息共享與數(shù)據(jù)分發(fā)。3.2ROS簡介ROS（Robot

Operating

System，簡稱“ROS”）軟件系統(tǒng)是一個專門為機(jī)器人而設(shè)計研發(fā)和使用的免費(fèi)開源的元操作系統(tǒng)。它為網(wǎng)絡(luò)使用者提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括對硬件的網(wǎng)絡(luò)抽象，對底層設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，設(shè)計與實(shí)現(xiàn)常用的函數(shù)，進(jìn)程之間的網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)傳送，以及管理數(shù)據(jù)包。它的主要設(shè)計師曾說ROS系統(tǒng)是通道、工具、性能、容量、生態(tài)系統(tǒng)的集合，即ROS是一種可以提供通信通道、工具軟件包、機(jī)器人的高層次功能以及機(jī)器人生態(tài)系統(tǒng)的整體，功能強(qiáng)大。它還可以提供一種工具和庫函數(shù)，可以用來調(diào)用或編寫各種代碼，甚至是在跨計算機(jī)操作時運(yùn)行源代碼。ROS系統(tǒng)致力于機(jī)器人的發(fā)展，方便了機(jī)器人的代碼編寫與運(yùn)行。同時，ROS的各種基礎(chǔ)性工具都是可以對所有的項(xiàng)目工程進(jìn)行組織整合的。3.3基于Kinova機(jī)械臂的ROS程序開發(fā)為了使使用者能夠進(jìn)行第二次開發(fā)，Kinova公司設(shè)計出了一種名為ROS的新型接口，專為一些類型的機(jī)器人手臂而打造，此接口對Kinova系列產(chǎn)品幾乎都是適用的。除此之外，新系列接口中還包含了許多錯誤糾正、改良及新的功能。本課題的開發(fā)中采用ROS通訊機(jī)制設(shè)計程序，建立兩個節(jié)點(diǎn)（Node），一個節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從串口接受下位硬件采集系統(tǒng)獲得的碰撞檢測數(shù)據(jù)，另一個采用Kinova公司開發(fā)的ROS服務(wù)、消息或API實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的運(yùn)動啟停控制。運(yùn)動啟?？刂栖浖鞒虉D如圖3-1所示，所用到ROS服務(wù)、消息及API列于表3-1中。圖3-1機(jī)械臂運(yùn)動啟停控制軟件流程圖服務(wù)、消息及API名稱功能/j2n6s200_driver/out/joint_command獲得關(guān)節(jié)控制指令/j2n6s200_driver/joints_action/joint_angles獲得關(guān)節(jié)位置client.send_goal(goal)設(shè)置關(guān)節(jié)位置/j2n6s200_driver/in/start機(jī)械臂開始運(yùn)動/j2n6s200_driver/in/stop機(jī)械臂停止運(yùn)動表3-1機(jī)械臂啟?？刂朴玫降腞OS服務(wù)、消息、API4.程序及仿真4.1重要程序說明defmoveJoint(jointcmds，prefix，nbJoints)：移動關(guān)節(jié)defmoveFingers(jointcmds，prefix，nbJoints)：移動手指defread_finger_tip_state()：讀取手指位置defget_current_position()：讀取機(jī)械臂位置moveJoint([-1.474,2.9,1.005,-2.084,1.477,1.319],prefix,nbJoints)：移動關(guān)節(jié)，括號內(nèi)六組數(shù)據(jù)即移動關(guān)節(jié)的角度大小。完整程序祥見附錄4.2仿真結(jié)果通過對程序的運(yùn)行，得到仿真結(jié)果如下圖4-1，4-2，4-3。圖4-1機(jī)械臂初始位置圖4-2機(jī)械臂第一次啟動并停止后的位置圖4-3機(jī)械臂第二次啟動并停止后的位置5.結(jié)論與展望5.1本文結(jié)論隨著科技發(fā)展的不斷完善，機(jī)器人技術(shù)也變得越來越成熟，向著高精度、高質(zhì)量、多功能、系統(tǒng)化、集成化、智能化的方向快速發(fā)展，在各個領(lǐng)域的使用隨之增多，更新?lián)Q代也日益加快。因此，為了研究機(jī)器人手臂，本文主要對以下幾個方面進(jìn)行了研究：(1)通過對機(jī)械臂的空間位置與運(yùn)動姿態(tài)描述以及對運(yùn)動學(xué)中的驅(qū)動器的驅(qū)動力矩與操作臂運(yùn)動之間關(guān)系的探索，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的正向與反向運(yùn)動學(xué)建模。(2)通過對ROS的了解與使用，編寫程序移動機(jī)械臂關(guān)節(jié)與手指，讀取手指與機(jī)械臂的位置等程序，最終成功實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械臂的啟?？刂频姆抡?。5.2未來展望本文研究的基于電子皮膚的機(jī)械臂作為最近比較新型的機(jī)械臂，在環(huán)境適應(yīng)性、價格、運(yùn)動速度、等方面具有很大的優(yōu)勢。但同時，隨著社會的發(fā)展與人們生活質(zhì)量的提高，更新型的機(jī)器人也在處于不停的發(fā)展研究中。作為以6自由度為主的機(jī)械臂，本文所研究的機(jī)械臂在以下幾個方面仍有較大的提升空間：(1)靈活性與準(zhǔn)確性。6自由度機(jī)械臂與傳統(tǒng)機(jī)械臂相比，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的工作，但對于更繁瑣的運(yùn)動，有時也無能為力。因此，盡可能地設(shè)計更高自由度的機(jī)械臂，提高機(jī)械臂的柔韌度與靈活性，可使其功能變得更加強(qiáng)大。(2)故障率與使用壽命。機(jī)械臂畢竟是機(jī)器，其關(guān)節(jié)、手指等位置本就有較大壓力，再加上工作時的不斷摩擦，容易出現(xiàn)故障，降低使用壽命?？赏ㄟ^在關(guān)節(jié)手指等位置使用一些較為圓滑的工件，使機(jī)械臂不易出現(xiàn)損壞。參考文獻(xiàn)[1]冼錦羲.智能制造背景下機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展[J].數(shù)碼世界,2018(06):97.[2]AiqinLiu,HonghuaZhao,TaoSong,etal.Adaptivecontrolofmanipulatorbasedonneuralnetwork[J].NeuralComputingandApplications,2020(prepublish).[3]尹吉.工業(yè)機(jī)器人智能化技術(shù)在IGM焊接機(jī)器人中的應(yīng)用研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2005.[4]李健.人機(jī)結(jié)合型上肢助力機(jī)械臂的研究與設(shè)計[D].燕山大學(xué),2019.[5]馮鈞,孔建壽,王剛.一種柔性空間雙臂機(jī)器人的協(xié)同控制和避障方法[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用,2020,46(05):