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开源设备 赋能科研|“移动操作机器人系统设计与运动控制研究”

发布时间:2022-10-04 02:11:23 来源:欧宝娱乐线上登录入口 作者:欧宝娱乐线上登录地址

  本课题的移动操作机器人设计目标是在非结构化动态环境中,实现机器人的抓取目标物体和导航运输等作业任...

开源设备 赋能科研|“移动操作机器人系统设计与运动控制研究”

  本课题的移动操作机器人设计目标是在非结构化动态环境中,实现机器人的抓取目标物体和导航运输等作业任务。本课题将围绕移动操作机器人的系统设计、运动学分析、平面路径规划、空间规划规划和轨迹跟踪控制等相关技术进行研究,结构框架如图 1.9 所示, 着重研究移动机器人和机械臂的系统集成、 平台搭建,以及运动控制的开发和实现。

  第一章:绪论。介绍了课题的研究背景与意义, 分析了工业机器人和移动机器人两者功能单一的优缺点, 不能满足复杂的作业背景, 确定了研究移动操作机器人有必要性。此外,从移动操作机器人系统设计和运动控制两方面介绍了国内外的研究现状。

  第二章:移动操作机器人的机械系统设计。首先根据机械系统的设计指标确定整体方案, 然后对移动机器人、 协作型机械臂和三指电动软体夹爪的设计进行了详细介绍。

  第三章:移动操作机器人的控制系统设计。首先确定控制系统总体构成,然后从硬件系统和软件系统两部分进行介绍, 详细描述了每个系统的组成与实现过程。

  第四章:移动操作机器人的运动学分析。基于分散控制策略,把移动操作机器人拆分成移动机器人、 机械臂和夹爪三个独立子系统,先后建立了各自的运动模型,并推导了正、逆运动学,基于 MATLAB 完成了各自运动学的仿真验证。

  第五章:移动操作机器人的运动控制研究。首先介绍了移动操作机器人在平面移动过程中全局路径规划和局部路径规划实现原理;然后针对移动操作机器人关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划进行了分析;最后为提高机械臂轨迹跟踪控制精度设计了一种基于动力学模型的 PD 鲁棒控制算法,对设计的控制算法进行了稳定性证明并进行了仿真。

  第六章:移动操作机器人综合实验验证。首先对视觉系统进行内参标定和机器人手眼标定实验, 得到修正后相机采集的图像以及相机和机械臂之间的位姿关系。然后基于 ROS 软件集成自主导航控制,验证移动机器人自主导航功能,接着利用机械臂控制器实现控制算法从仿真环节到实物实验进行快速验证。最后以抓取目标物体为案例验证移动操作机器人的整体功能。

  第七章为总结与展望。对本文的主要研究成果进行总结,同时指出现阶段存在的不足之处,并展望未来能够进一步探讨的工作。

  工业机器人大部分是安装在固定基座上,工作空间有限,主要用于重复性工作,相对定位精度要求较高,而绝对定位精度一般的工作场合。而移动机器人可以通过轮子或者履带等传动机构进行自由移动,但不具备操作能力。两者的功能单一,不能完成一些比较复杂的任务。随着工业自动化的发展,机器人的应用领域得到了较大扩展, 要求机器人能够应对不同的工作地点进行作业,适应复杂的工作环境和工作范围大的场合。

  移动操作机器人便应运而生,它通常是由移动机器人和机械臂组合而成, 兼具灵活移动性和可操作性的优点, 可以很好的完成一些较复杂的任务。与传统固定基座的工业机器人相比,移动操作机器人可以在更大的范围内进行作业,具有更大的操作空间。加装机械臂的移动机器人将增强自身的地形通过能力,机械臂可以辅助提高移动机器人的稳定性;当移动机器人到达指定目标位置时,可以使用机械臂进行抓取或操作,使得移动机器人不再是单纯的载荷运送工具。两者相互配合工作使得很好的弥补了机械臂机动性不足与移动机器人可操作性不足的缺点。

  随着传感器技术及人工智能信息技术的快速发展,移动操作机器人将拥有更加广阔的应用领域, 本课题就移动操作机器人系统设计和运动控制进行研究,对推进移动操作机器人的发展和应用具有重要的意义。

  1)完成了移动操作机器人系统总体设计。首先确定了由移动机器人、机械臂和夹爪组成的移动操作机器人机械系统整体方案,先后设计了一种能适应颠簸路况的移动机器人、一款轻量化的协作型机械臂、一种自适应抓取的三指软体夹爪。然后完成了移动操作机器人的控制系统设计,包括主控制器选型、机械臂控制器设计、夹爪驱控器设计以及传感器模块选型,以及针对不同硬件系统的不同供电电压要求,设计了一款电源管理系统;

  2)针对移动操作机器人进行了运动学分析。根据移动机器人、机械臂和三指夹爪的结构完成了各自的运动学分析,并利用 MATLAB 完成了各自运动学推导的仿真验证。其中, 移动机器人采用两轮差速运动模型确定了机器人整体移动速度和各个轮子转动速度的关系;机械臂采用改进 DH 参数完成了运动模型的建立,分别利用了坐标变换原理和解析法推导了正、逆运动学的表达式,针对逆运动学求解结果采用最短行程法的原则完成了最优解的选取,并对其工作空间进行了分析。根据各部分的运动学分析,最终确定了移动操作机器人整体的坐标变换关系。

  3)对移动操作机器人运动控制相关技术进行了研究。针对移动操作机器人平面路径规划,研究了移动机器人全局路径下的 A*算法和局部路径下的动态窗口算法。针对移动操作机器人空间轨迹规划,研究了机械臂关节空间下的五次多项式插补和笛卡尔空间下的三次非均匀 B 样条插补。针对机械臂系统中存在参数不确定性、变负载、外界干扰等多种不确定性因素会导致机械臂轨迹跟踪精度变差, 设计了一种基于动力学模型的 PD 鲁棒控制算法,分析了控制算法的特点,并进行了稳定性证明及仿线)完成了移动操作机器人综合实验验证。首先对视觉系统完成了内参标定和机器人手眼标定实验,修正相机采集的图像以及得到相机和机械臂之间的位姿关系。然后基于 ROS 软件集成了自主导航控制,验证了移动机器人自主导航功能,接着利用机械臂控制器结合 MATLAB/Simulink 代码生成功能, 将机械臂的控制算法从仿真环节到实物实验进行了快速验证。最后以抓取目标物体为案例验证了移动操作机器人的整体功能。

  本文基于移动操作机器人系统平台,由移动机器人、机械臂、三指夹爪、机械臂控制器、机械臂电源开源、深度相机、显示屏、超声波传感器和激光雷达组成。控制系统中的主控制器、夹爪驱控器、 CAN 转接器和电源管理系统等都集成到移动机器人车体内部。系统提供底层电机的驱动控制设计、移动机器人导航定位研究、机械臂的运动学和动力学研究、机器视觉开发和场景应用等技术。平台支持MATLAB/Simulink和ROS联合开发,可支撑相关科研人员在该平台上进行深度学习、自动驾驶、机器人移动作业等人工智能的应用研究,是机器人工程专业建设、机器人科研、人工智能研究知名的教学、科研载体,也是面向室外作业、农业摘取、巡逻作业等产业应用的高级实验平台。

  开源智能移动操作机器人是中科深谷基于传统工业移动机器人,应用视觉传感器与人工智能技术,引入智能算法,满足各类应用场景需求打造,是未来自动化产业升级的发展方向。该平台在缩短产品生产周期,降低企业运营成本,满足制造业柔性需求以及保障人身安全等方面发挥重要作用。与传统移动操作机器人相比,本产品解决了机器人在工作运行时需要按照预设轨道、预设指令执行任务,导引线障碍物停留,多机作业导引线阻塞,柔性化搬运障碍等问题,是在传统移动操作机器人之后发展起来的新一代具有智能识别、自主移动的机器人技术。

  该平台包括两种不同类型的移动机器人,分别是四轮差速作业机器人和履带式作业机器人。

  两种机器人都是通过搭载机械臂控制、视觉伺服、传感器等系统控制,完成对物品的种类识别、对标位置、自主移动和自动抓放等。拥有多环境工业场景应用、自主开源化设计、支撑MATLAB和ROS联合进行算法开发研究等特点,共计8项。

  自主开源化设计。六轴机械臂、底盘、视觉、导航系统可自由进行单独或融合算法研究。

  完全开源的平台模式。预留开发接口,可进行应用的集成,提供全方位的技术支持,能很好支撑工业应用。

  高性能计算机作为主控系统。可实现机械臂、底盘、视觉、导航系统、夹爪的控制,满足大量数据的处理运算需。

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