自由度工程机器人

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1、吉林大学机械电子工程实验室的3自由度工程机器人吉林大学机械电子工程实验室的3自由度工程机器人如图1-1所示。它是在液压挖掘机工作装置的基础上，用单自由度的末端执行器替换挖掘机铲斗，再将回转体及相应部件安装在基座上，从而构成了一个3自由度串联关节型机械手。末端执行器由一对啮合齿轮、抓手、四连杆机构和驱动液压缸组成。通过驱动液压缸活塞杆的伸缩行控制抓手的开合。液压缸活塞杆带动四连杆机构并驱使主动齿轮啮合被动齿轮，以实现抓手的开合。这样的结构设计可保证抓手两边的抓取力相等。连杆1连杆0关节1关节2连杆3关节3连杆3关节4连杆4图1-1工程机器人机器人的连杆和关节3自由度串联关节型机械手结构简图3自由

2、度串联关节型机械手结构简图如图1-2所示。图1-23自由度串联关节型机械手结构简图1—小臂；2—抓手；3—大臂；4—回转臂；5—基座6—位移传感器；7—电液比例阀；8—压力传感器机械各个关节的自由度是由液压缸来改变的，从机构学的角度看，它们都是一个曲柄滑块机构。液压缸采用电液比例阀控制。3自由度串联关节型机械手液压系统工程机器人以液压驱动为主，分别由四组直线液压缸来控制串联关节型机械手的四个自由度（包括手部自由度）。整个液压系统由液压站、油路、电控比例换向阀、比例换向阀控制器和液压缸等组成，如图1–3所示。图1-3工程机器人电液控制系统原理图1-油箱2-粗滤油器3-电动机4-定量泵5、10-压

3、力表6、9、11-表用管接头7-单向阀8-电控溢流阀12-蓄能器13-细滤油器14-压力开关15~18-例换向阀19~22-液压缸94123510611781314M~1921212215161718123自由度工程机器人自主作业系统3自由度工程机器人自主作业系统基本构成如图1–4所示。主控计算机工程机器人三目摄像机目标物体图像处理系统图1-43自由度工程机器人自主作业系统基本构成路径规划网络连接三维信息3自由度工程机器人自主作业系统结构3自由度工程机器人自主作业系统结构如图1–5所示。A/D卡阀控制信号图1-53自由度工程机器人自主作业系统结构遥操作工程机器人位移传感器压力传感器工程机器人自

4、主作业控制系统目标物体D/A卡三目摄像机图像处理系统数据通信系统抓取检测传感器信号电液比例换向阀控制器3自由度工程机器人坐标系3自由度工程机器人自主作业系统结构如图1–6所示。y0（b）前臂22222243022110压力量化值（a）前臂液压缸有杆腔压力曲线t/s0z2z1θ2a1a2a3回转关节大臂关节小臂关节抓手O0腕部关节x1x4y1y4θ3θ4θ1z0x0y2a4x2x3y3z3z4图1-63自由度工程机器人坐标系O1O2O3O4图1-1所示工程机器人的连杆参数见表1-1表1–13自由度连杆机器人的连杆参数关节iθi(°)ai(mm)ai(°)di(mm)cosαisinαi1θ1L1

5、=350900012θ2L2=201400103θ3L3=140000104θ4L4=6200010其中：θi称为两条连杆之间的关节角；ai代表连杆i的长度；ai称为两轴线zi与zi+1的交错角，即连杆Li的扭角；di称为两条连杆之间的偏置；第2章工程机器人自主作业系统本章系统阐述工程机器人自主作业控制系统的工作原理与总体结构，并介绍各系统的功能及相互关系。2.1工程机器人自主作业系统原理图以立体视觉为基础，建立的工程机器人自主作业系统，其原理图如图2-1所示。摄像机在控制装置的作用下，像眼睛一样搜索目标物体，并抓拍目标物体的图像。图像处理系统根据目标物体的图像来计算目标物体的轮廓形状及相应的

6、位置信息，并将这些信息规范化处理后送给工程机器人控制机。工程机器人将传送的物体坐标进行空间坐标变换，把物体坐标由摄象机空间坐标系转换为工程机器人坐标系，然后再进行运动学反解，计算出各关节角，最后控制工程机器人按路径规划靠近目标物体，并根据任务的要求，将目标物体放到指定位置，整个过程实现工程机器人对目标物体的自主抓取。在此过程中，本论文对图像处理系统不做研究，除此之外还需解决的关键问题如下：1.及时准确的将物体空间坐标由图像控制机传送到工程机器人控制机。2.根据工程机器人本体结构进行运动学反解计算，求出各关节角。3.设计新的算法控制器，使工程机器人能及时、准确、平稳的自主作业。4.设计工程机器人

7、控制系统，实现主控计算机对工程机器人的控制。主控计算机工程机器人三目摄像机目标物体图像处理系统图2-1工程器人自主作业系统原理图路径规划网络连接三维信息2.2工程机器人自主作业系统基本构成本文中的工程机器人主要有三大部分系统组成，主要包括工程机器人本体、控制系统、传感检测系统，其中工程机器人本体包括工程机器人结构系统与驱动系统；传感检测系统包括位移、压力传感器、视觉传感器等，为控制系统获取有用的内