（机械工程专业论文）洁净侧装装校机器人轨迹跟踪控制.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 针对国家某大型激光器装置模块化、阵列化及超洁净工作环境等特点，提出 了一种洁净侧装装校机器人及其轨迹跟踪控制方法，以实现大量高精密侧装光学 模块的智能化无人装校。 首先，论文对侧装装校系统的作业流程与作业环境的总体分析，得到了装校 机器人作业过程需达到的洁净性及智能化等要求。并对装校机器人及其自动导引 小车的结构组成进行了研究，并得到其作业特性。 其次，根据装校机器人的结构特性，应用d h 法对机器人进行了运动学分析， 并根据正解结论完成了工作空间分析。在机器人逆运动学分析过程中，应用了应 用解析法结合几何观念的方法，引入双变量的反正切函数，求出了机器人运动学 分析的唯一逆解。 再次，根据机器人的作业特性，应用笛卡尔坐标系空间的直观性完成了机器 人的蔽障性作业规划。采用一种新型的关节耦合轨迹优化设计法，结合笛卡尔坐 标系空间的直观性与关节轨迹插值法的关节变量计算便捷性优势，完成了机器人 轨迹优化设计。 最后，采用基于运动学模型以及优化设计轨迹的伺服运动控制的方法，分析 了装校机器人控制系统结构组成，并对机器人的各控制级与控制方式进行了详细 介绍。应用迭代学习控制理论，对机器人轨迹跟踪控制算法进行了分析阐述。基 于运动学分析、轨迹优化设计以及轨迹跟踪控制的结论，应用p r o em e c h a n i s m 完 成了装校机器人模块装校的运动仿真，并得出了虚拟装校轨迹曲线。 关键字：洁净装校机器人，运动学分析，轨迹优化设计，迭代学习控制，仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a bs t r a c t t h es u p e r - c l e a ns i d el o a d i n gd e l i v e r yr o b o ta n di t st r a j e c t o r yt r a c k i n gc o n t r o l m e t h o di s p u tf o r w a r dt o f u l f i l li t ss u p e r - c l e a nw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dm o d u l e s r e g u l a rp l a c e m e n t 。s o 豳a l o t so f s i d el o a d i n gd e l i v e r yo p t i c a lm o d u l e s i n t e l l i g e n c ea n d p i l o t l e s sd e l i v e r ys h o u l db er e a l i z e d f i r s t l y , ad e m a n do nc l e a n l i n e s sa n di n t e l l i g e n c ei n t h ed e l i v e r yr o b o tw o r k i n g p r o c e s sw a sp r e s e n t e d ，a f t e rt h e o v e r a l la n a l y s i s o fs i d el o a d i n gd e l i v e r ys y s t e m p r o c e s s e sa n do p e r a t i n ge n v i r o n m e n t m o r e o v e r , r e s e a r c h e dt h es t r u c t u r eo ft h er o b o t a n di t sa u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e st oo b t a i nt h e i ro p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lp r o p e r t i e so fd e l i v e r yr o b o t ，c o m p l e t e dt h e r o b o tk i n e m a t i ca n a l y s i sb ym e a n so ft h ed hm e t h o d a na n a l y t i cm e t h o dt h a t i n t r o d u c e dt h eg e o m e t r i cc o n c e p t sw a sp r e s e n t e di nt h ep r o c e s so fr o b o ti n v e r s e k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，m o r e o v e r , t h eu n i q u e n e s so fs o l u t i o no fi n v e r s ek i n e m a t i c sw e r e d e t e r m i n e dt h r o u g ht h er o b o to p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eg e o m e t r i cm e a n i n go f t w ov a r i a b l e sa r c t a n g e n tf u n c t i o n ，a n dt h eu n i q u es o l u t i o no ft h ei n v e r s ek i n e m a t i c s w e r eo b t a i n e d t h i r d l y , r e l y i n go nt h ec a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e ms p a c ev i s i b i l i t y , u n b l i n d e d o p e r a t i o n a lp l a n n i n g o ft h er o b o ti s c o m p l e t e d a tt h eb a s e o ft h e o p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h er o b o t t o o kt h er o b o tt r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o nd e s i g nw i t han e w j o i n tc o u p l i n gt r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o dt h a tc o m b i n e dt h es p a c ev i s i b i l i t y o fc a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e mw i t l lj o i n tv a r i a b l e sc a l c u l a t i o nc o n v e n i e n to ft h ej o i n t t r a j e c t o r yi n t e r p o l a t i o nt oc o m p l e t et h er o b o tt r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o n f i n a l l y , i n t r o d u c e dt h er o b o tc o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r eb ym e a n so ft h es e r v o m o t i o nc o n t r o lm e t h o dt h a tb a s e do nt h ek i n e m a t i cm o d e la n dt h eo p t i m i z a t i o n t r a j e c t o r yo ft h es e r v om o t i o nc o n t r o l ，a n dd e s c r i b e de a c hr o b o tc o n t r o ll e v e la n di t s c o n t r o lm o d ei nd e t m l t r a j e c t o r yt r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h mi sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d a tt h eb a s eo fi t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o lt h e o r y i ns u m m a r y , t a k ep r o em e c h a n i s mt o c o m p l e t et h er o b o tm o d u l e sd e l i v e r ym o t i o ns i m u l a t i o na n dd r a wt h ev i r t u a ld e l i v e r y t r a j e c t o r yc u r v e k e y w o r d s ：s u p e r - c l e a nd e l i v e r yr o b o t ，k i n e m a t i ca n a l y s i s ，t r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o n d e s i g n ，i t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l ，s i m u l a t i o n 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源及背景 本课题来源于国家某大型激光装置器装置工程建设中激光光学模块的机器人 洁净装校项目。该激光器装置激光光路由大量的在线可替换单元模块( l i n e a r r e p l a c eu n i t ，l r u ) 按照一定光学要求装校而成，而l r u 模块具有制造精密、造 价昂贵、洁净度高、重量大、阵列化等特点，机器人洁净装校项目则要实现其洁 净安装和拆卸【lj 。根据激光器装置光路设置、光学模块外形特点及其安装方式特点， 机器人洁净装校项目分为下装装校系统 2 1 和侧装装校系统两个类型。洁净装校机器 人属于侧装装校系统，主要负责需侧向装校完成所有近十类约干件l r u 模块的安 装和拆卸以及在作业区域之间的洁净转运。由于装校机器人装校作业的空间复杂 而狭小，模块数量大，装卸频率高，且装校过程中要始终保持模块处于百级洁净 环境中，尽量减少人工干预，因此，本课题对洁净侧装装校机器人进行了在基于 运动学建模的高洁净的智能化轨迹跟踪控制研究。 1 2 研究目的及意义 本课题研究对象为应用于超洁净环境下的洁净侧装装校机器人，在洁净环境 下机器人的闭环智能控制，对于洁净环境的维持与装校模块的安全性都是非常重 要的。通过对超洁净作业环境、作业对象l r u 模块、机器人的结构性能的分析， 利用运动学模型为基础可以设计出机器人的理论作业轨迹，并对此进行耦合优化， 从而实现机器人的轨迹跟踪控制。因此，本课题的研究目的为通过对机器人轨迹 跟踪控制以实现装校机器人的高洁净的智能化装校作业。 洁净侧装装校机器人结构形式、应用环境以及功能特性等都具有典型性、然 而其中涉及了多个技术领域，又具有非常广泛的研究意义。装校机器人采用了符 合机器人运动学的串联六自由度结构形式，可实现各种工况的自适应调节。机器 人搭载了自动导引小车，该技术领域属于移动机器人范畴。机器人采用了典型的 运动控制器控制系统，应用迭代学习理论进行轨迹跟踪控制，在不依赖动力学模 型的情况下实现，高精度装校具有非常特殊的意义。因此，对洁净侧装装校机器 人的运动学、轨迹优化设计以及轨迹跟踪控制的研究，具有广泛的学术意义。 洁净侧装装校机器人设计与研究是为国家某大型激光器装置服务的，该项目 是国家重大科技专项工程，具有极高的应用价值。机器人对超洁净光学环境中， 具有标准化、阵列化的高精密l r u 光学模块进行智能装校，也是特种环境作业机 器人进行标准阵列化的典型体现。该激光器装置在建设与维护的整个过程中，洁 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 净侧装装校机器人从始至终始终承担了即为重要的角色，它是确保该项目顺利实 现的重要因素。因此，对洁净侧装装校机器人的运动学、轨迹优化设计以及轨迹 跟踪控制的研究，具有非常重要的实用意义。 1 3 国内外现状 装校机器人采用六自由度串联机构形式，属于手臂型机器人，又常称为机械 手，手臂型机器人是现代化装校工艺几十年发展起来的一种高科技装校设备。手 臂型机器人属于工业机器人的一个重要分支，主要应用于大型设备、复杂环境下 的模块装校或其他特殊用途。它结合了机械、电子、电气、自动化、计算机、传 感器、通信等多门高科技技术的应用 3 1 。在现代装校中，机器人的研制和生产已成 为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了手臂机器人的 发展，使其能更好地实现与机械化及自动化的有机融合。 1 3 1 国外机器人的现状 人类对机器人的追求与发展可以追溯n 3 0 0 0 多年以前，然而真正具有现代意 义的手臂机器人的研制起源于1 9 4 7 年。当时，美国原子能委员会阿尔贡研究所需 要利用机械手代替人类进入环境恶劣的原子能实验室进行操作处理放射性物质， 这标志着手臂机器人与特种机器人的诞生【4 】。 日本素有“机器人王国”之称，自2 0 世纪8 0 年代以来，日本机器人生产量、出口 量以及工业装备保有量一直遥遥领先于其它国家，其工业机器人装备量约占据世 界工业机器人装备量的6 0 。而且日本的机器人技术水平也处于世界领先地位，在 机器人领域的国际专利统计数据中9 0 由日本企业与机构享有。k a w a s a k i 、 y a s 虬娟，a 、p a n a s o n i c 、f a n u c 、s o n n y 在世界享有盛名的日本机器人企业。长 期的技术积累、资金投入和科技实践，日本几乎引领着现代机器人的发展方向【5 1 。 美国在现代机器人领域处于较为明显的优势地位，尤其是在深海、太空、军 事领域等极限环境中的机器人的研发取得了相当的成就。美国n a s a 的太空移动 机器人s o j a n o r 已经在火星上服役，其对人类目前无法触及的环境进行了深度探索。 美国o r m l 研制的双操作臂机器人，已经应用于核辐射反应堆的清理。在军事上， 目前美国o r m l 已经投入研制和开发用于m 1 艾布拉姆斯系列主战坦克与爱国者 导弹等自主维护的特种军用机器人【6 。 欧洲的机器人技术一直保持增长趋势。德国依靠其强大的工业化水平，其工 业机器人保有量已据世界第三。瑞典a b b 公司作为世界5 0 0 强企业，从19 7 4 年涉 足工业机器人领域至1 j 2 0 1 2 年4 月，a b b 全球售出工业机器人总量已经超过2 0 万台。 并且a b b 是最早进入中国进行机器人生产的跨国公司，至今在中国国内占据第一 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 位的机器人市场份额 7 】。 1 3 2 国内机器人的现状 我国工业机器人的发展在2 0 世纪7 0 年代初期才进入起步阶段，然而到1 9 8 6 年 底，国务院第2 4 号文件把智能工业机器人的研发列为国家高技术研究发展计划 ( 8 6 3 ) 自动化领域的两大主题之一，其目标是“跟踪世界先进水平，研发水下机 器人等极限环境的特种机器人，【4 1 。国家先后在沈阳、哈尔滨、长春、北京、大连、 天津、上海、绵阳等地建立了9 个智能机器人开发研究产业化基地，为我国国产工 业机器人的飞速发展奠定了坚实基础。 随着改革开放的深入，尤其我国加入w t o 以后，欧、美、日本等先进的机器 人生产制造公司的先进技术的流入，在刺激机器人市场竞争的同时，也激励了我 国工业机器人技术的良性发展。机器人的发展与应用已经在国内制造业中形成了 喷涂、焊接、搬运等成套的机器人作业线，我国机器人自动化生产线相关产品产 销额已经突破十亿元。2 0 0 8 年北京奥运会中投入使用的福娃机器人、翻译机器人 以及安保机器人，以及2 0 1 0 年上海世博会上投入使用的海宝机器人均向世界展示 了我国先进的机器人技术水平【8 】。 1 4 论文研究的内容 本课题以应用于超洁净环境下的洁净侧装装校机器人为研究对象，根据机器 人作业的超洁净环境、l r u 模块高精密、阵列化排列等特点，分析了装校机器人 以及与之配套的自动导引平台车的结构性能。根据机器人结构形式，对其进行了 运动学分析，对装校作业轨迹进行了优化设计。并且根据轨迹优化结果与运动学 模型，基于迭代学习理论，研究了机器人装校作业轨迹跟踪控制方法，并对装校 作业进行了p r o em e c h a n i s m 仿真。具体工作如下： 通过对侧装装校系统的作业流程与作业环境的总体分析，得到了装校模 块相关特性以及装校机器人作业过程需达到洁净性及智能化等要求。并对装校机 器人及其自动导引小车的结构组成进行了研究，并得到其作业特性。 根据装校机器人的结构特性，应用d h 法对机器人进行了运动学分析， 并根据正解结论完成了工作空间分析。在机器人逆运动学分析过程中，应用了应 用解析法结合几何观念的方法，引入双变量的反正切函数，求出了机器人运动学 分析的唯一逆解。 根据机器人的作业特性，应用笛卡尔坐标系空间的直观性完成了机器人 的蔽障性作业规划。采用一种新型的关节耦合轨迹优化设计法，结合笛卡尔坐标 系空间的直观性与关节轨迹插值法的关节变量计算便捷性的优点，完成了机器人 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 轨迹优化设计。 采用基于运动学模型以及优化设计轨迹的伺服运动控制的方法，分析了 装校机器人控制系统结构组成，并对机器人的各控制级与控制方式进行了详细介 绍。应用迭代学习控制理论，对机器人轨迹跟踪控制算法进行了分析阐述。 基于运动学分析、轨迹优化设计以及轨迹跟踪控制的结论，应用p r o e m e c h a n i s m 完成了装校机器人模块装校的运动仿真，并得出了虚拟装校轨迹曲线。 4 重庆大学硕士学位论文 2 侧装机器人系统装校作业特性 2 侧装机器人装校系统作业特性 侧装机器人装校系统需实现近千件的侧装l r u 模块在百级洁净环境中的智能 化装校，以及在作业区域之间的洁净转运。洁净装校机器人需具有良好的自动导 引功能、敏捷的避障功能、精确的装校动态反馈调节功能、以及一定的机械与电 控自适应功能。 2 1 侧装装校系统概述 侧装装校系统经过重庆大学近5 年的研制开发，先后两代侧装机器人系统投 入工程应用。上一代侧装装校系统【9 _ 1 0 1 由移动平台、洁净转运箱、装校机器人和辅 助夹具组成，主要装校对象为装校大厅二楼楼上光路侧装模块。新一代的侧装装 校系统主要装校对象为装校大厅地面光路侧装模块。 1 装校机器人2 自动导引平台车3 辅助夹具4 侧装模块5 模块部件 图2 1 侧装装校系统 f i g 2 1 s i d el o a d i n gd e l i v e r ys y s t e m ( s l d s l 5 重庆大学硕士学位论文2 侧装机器人系统装校作业特性 新型侧装机器人装校系统由自动导引平台车、洁净转运箱、洁净装校机器人、 辅助夹具、监控系统等组成，如图2 1 所示。相比上一代系统，移动平台车采用了 日本引进的自动导引小车( a u t o m a t e dg u i d e d v e h i c l e ，a g v ) ，装校环境安装了监控 系统，洁净装校机器人末端执行器装备了水平传感器和称重传感器，各驱动电机 都配备了编码器与抱闸器，辅助夹具对外形机构各不相同的侧装模块实现了接口 转换统一，然后与装校机器人末端执行器对接。 自动导引平台车的作用是实现光学模块和装校机器人在不同区域之间按照预 定轨迹智能化无人转运；洁净装校机器人负责将所有侧装光学模块以正确的位置 和姿态装到其所属光路位置上以及从其安装位置安全拆卸。辅助夹具的作用是实 现尺寸、结构各异的不同模块与装校机器人之间的接口转换。监控系统的作用是 实现侧装装校系统整个运行过程中的可视化、安全化的保障系统。 2 1 1 装校作业环境 机器人装校作业大厅分为两层，地面层有成列的剪力墙支撑起二层大厅。新 型侧装装校系统主要负责地面层的侧装模块装校。地面层的侧装模块安装位置根 据大厅成一定规律顺序排列与剪力墙之间，模块部件成m n 阵列化布置，部件之 间为装校通道，通道中心设置了a g v 导引磁条引导自动导引平台车按预定轨迹自 动行走。为便于描述与分析，将装校作业大厅进行了基准坐标系的定义：y 轴为地 面竖直向上，x 轴位于大厅地面上表示纵向由南向北为正，z 轴亦位于大厅地面上 表示横向由西向东为正方向，三者符合右手法则。口、臼分别是绕x 轴、】，轴、 z 轴的旋转角。如图2 2 所示。 蝴部件1 囝蛔部件2 国嘲部件一p m 阴i i l li 孙 栩limi iil 阮 r 羽ihl li li 盼“ al l lil 叼li l liii 掣i l j r 广iiil li 掣 槲i lml i 氐 划i 斗i i i i - ii 队 闷i 哺inl l lli n 嘲i l l i 严坫豳in i it r 一 、。 ( a ) 装校大厅布局俯视图 6 1 行 2 行 m 行 重庆大学硕士学位论文2 侧装机器人系统装校作业特性 2 3 1 模块部件 f i g 2 2 2 模块3 剪力墙4 a g v 导引磁条 图2 2 装校大厅布局图 a r r a n g e m e n tf l o wo ft h ed e l i v e r yh a l l 侧装光学模块在各模块部件中仍按照阵列排列，如图2 2 ( b ) ，每个部件可安装 4 行3 列模块，可进行两面背对背对称安装，共有4 3 2 个安装位置。模块定位 要求也相当准确，模块部件各安装位设置三个球头定位座，模块底座则分别设置 了v 型槽、球窝以及平面座。 模块定位为标准三点定位，虽然球头、球窝以及v 型槽具有一定自适应能力， 然而球头尺寸较小，白适应范围仍很小，而且模块三点若有一点未安装到位，模 块水平度误差便将明显体现。这要求装校机器人必须具有敏捷的误差反馈能力以 及精确的姿态调整能力。如图2 3 所示。 图2 3l r u 模块安装方式 f i g 2 3l o c a t i o nm o d eo fl r u m o d u l e s 7 重庆大学硕士学位论文2 侧装机器人系统装校作业特性 2 1 2 装校作业流程 侧装装校系统的是以所有需要从侧向装校的近千件侧装光学模块为装校对象 的洁净装校系统。由于侧装光学模块应用于激光装置，需要在超洁净环境中( 1 0 0 级内) 进行清洁和组装。而侧装光学模块是由机械框架与易碎、高精密的光学原 件组装而成，外形尺寸与重量都相对较大，加之侧装光学模块造价昂贵，这对侧 装机器人进行超洁净装校是相当大的考验。 然而侧装光学模块种类相对较少，而且新型侧装装校系统主要针对装校大厅 地面的侧装模块，而且模块是l r u 模块，具有可替换性。而且光路设置具有一定 的规律，这使洁净装校机器人进行轨迹规划与轨迹跟踪以及自动化装校的动态控 制显得极具实际意义。 洁净与组装间 ： 装校中转间 ： 机器人作业大厅 ji 图2 4 侧装系统装校流程图 f i g 2 4f l o wo ft h ed e l i v e r yp r o c e s sf o rs l d s 如图2 4 所示，根据模块相关特性以及侧装机器人装校系统的工作流程等因 素，将侧装装校系统的作业环境化分为模块清洁与组装间、装校中转间和机器人 装校作业大厅三个区域。模块清洁与组装间主要进行侧装光学模块的各部件的清 洁与装配，以及功能验证调试，调试合格后的侧装光学模块才能够投入激光光路 设施中使用。在装校中转间，搭乘自动导引平台车的洁净装校机器人通过辅助装 校夹具与侧装光学模块进行人工组装，并对机器人及模块进行再次洁净度与功能 的检查。装校中转间也是自动导引平台车开始无人导引转运的起点。装校作业大 厅是与前两个工作区域相比则无需人工介入，自动导引小车搭载装校机器人与侧 装模块从装校中转间出发进入装校作业大厅，按照预定轨迹自动进入模块装校位 重庆大学硕士学位论文2 侧装机器人系统装校作业特性 置的安装现场。装校作业大厅安装了严密的监控系统，虽然无人工介入，但是可 实现装校全过程可视化。而自动导引小车的良好避障功能也保障了机器人作业大 厅的装校有条不紊。 2 2 装校机器人 新型侧装洁净装校机器人机械机构总体传承了上一代装校机器人的结构思想 1 2 】，新型装校机器人主要引入了传感器技术、a g v 技术、监控系统的应用，形成 的机电一体化智能装校机器人系统。 2 2 1 装校机器人结构组成 洁净装校机器人采用6 自由度串联操作手的结构，主要由机架、提升机构、 侧送机构、四个转动关节和前端执行器组成，如图2 5 所示。 提升机构 提升机构主要实现模块沿y 向的垂直提升的功能，采用了一组滚珠丝杆螺旋 副驱动配合两组直线导轨滑块机构从动的直线运动运动形式。由于机器人侧送机 械臂较长，前端还需搭载侧装光学模块，采用直线导轨滑块机构有效的起到了防 倾翻的功能。导轨滑块机构还能够承受较大的各方向弯矩、压力和拉力，并且在 承受压力与扭转力矩的工况下都可以防止机构变形，使滚珠丝杆机构只承受轴向 力，保持竖直提升状态。滚珠丝杆与导轨滑块机构都可以采用超高洁净环境专用 的a f e 、a f f 润滑脂，使提升机构在各种工况下都能保持较低的摩擦阻力系数， 减少提升阻力。 侧送机构 侧送机构主要实现机械臂侧向直线运动的功能，采用了一组齿轮齿条机构驱 动配合两组直线导轨滑块机构从动的直线运动运动形式。与提升机构相似，侧送 机构的直线导轨滑块机构也具有防倾翻与保持齿轮齿条机构竖直运动不变形的功 能。相比滚珠丝杠螺旋副机构需要两端支撑，采用齿轮齿条机构外形结构更为简 单，极大的减小了机器人横向尺寸，保证了足够侧送行程。 机械臂 机械臂是侧送机构搭载的四个转动关节以及关节间的连接件，末端安装辅助 工装夹具作为机器人的末端执行器，主要实现模块的多自由度姿态调整。由于提 升机构与提升机构均为直线运动，若按机构运动学标准，则提升机构设为关节1 ， 侧送机构为关节2 ，两关节均为直线运动副。因此，机械臂的转动关节依次为关节 3 、关节4 、关节5 、关节6 ，由伺服电机配合减速机驱动，如图2 5 所示。 9 重庆大学硕士学位论文2 侧装机器人系统装校作业特性 4 3 2 1 机架2 电控柜3 无限手操器4 提升机构5 侧送机构 6 关节37 关节48 关节59 关节61 0 前端执行器 图2 5 装校机器人结构组成图 f i g 2 5t h es t r u c t u r eo fd e l i v e r yr o b o t 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 侧装机器人系统装校作业特性 2 2 2 装校机器人功能参数 根据侧装机器人装校系统作业环境要求以及机器人结构性能与功能分析，装 校机器人主要功能参数如下： 工作载荷1 2 0 k g ； 提升行程2 0 0 0 m m ： 侧送行程6 6 0 m m ； 关节3 与关节4 转动行程9 0 。； 关节5 与关节6 转动行程2 0 。； 提升、侧送、转动定位精度l m m ； 2 3 自动导引平台车 a g v 技术经历了长时间累积如今生产技术已经相当成熟，侧装洁净机器人装 校系统引进这一技术对装校作业的稳定性、洁净性、高效性都得到了极大提高。 1 对接平台2 剪式提升机构3 a g v 底盘4 辅助支撑机构 图2 6 自动导引平台车结构组成图 f i g 2 6t h es t r u c t u r eo f a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e 重庆大学硕士学位论文 2 侧装机器人系统装校作业特性 2 3 1 自动导引小车结构组成 侧装系统搭载的自动导引小车采用了日本先进的a g v 磁带导引技术，侧装机 器人装校系统对外购的标准a g v 小车进行了2 次开发，使其具有一级剪式提升、 辅助支撑、自动导引等综合功能，如图2 6 所示。自动导引小车具有操作杆，既可 以手动操作行进，也可以进入自动导引工作状态。自动导引小车主要是为装校机 器人搭载移动以及移动供电等服务的，搭载了自动导引平台车的装校机器人就进 入了移动机器人的范畴。 a g v 侧装机器人装校系统采用的自动导引小车是经外购标准的a g v 小车产品进行 的二次开发。标准a g v 包括了a g v 底盘、剪式提升机构与对接平台。 a g v 对接平台是自动导引小车与装校机器人的结合面，平台上改制了对称的 安装孔，为适应机器人正对不同工况的模块装校，对接平台提供了一个正向与两 个侧向共三个方位的安装方式，如图2 7 所示。 ( a ) 对接平台安装位置( b ) 正向对接安装方式 ( c ) 侧正向对接安装方式( b ) 侧反向对接安装方式 图2 7 对接平台安装方式 f i g 2 7t h ew a y so fc o n n e c t i n gt h er o b o ta n da g v 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 侧装机器人系统装校作业特性 剪式提升机构可以实现1 0 0 0 m m 的y 向竖直提升，可有效降低装校机器人的 外形尺寸。而且转运过程中，由于辅助支撑机构不起作用，装校机器人提升机构 和a g v 剪式提升机构需同时降到最低点，装校机器人的移动重心可以达到极低的 位置，防止转运过程中出现晃动，甚至侧翻。 a g v 底盘装载了大量直流铅酸蓄电池、磁道引传感器、驱动单元、转向单元 与自动导引电控系统。其主要功能是实现装校机器人自动导引转运，还是机器人 的移动电源，保证装校机器人的续航能力。 a g v 磁带导引 a g v 导引技术是a g v 的核心，目前a g v 自动导引主要包括视觉导引、激光 导引、电磁导引以及磁带导引等导引方式。磁带导引技术通过磁感应信号实现导 引，具有灵活性好、改变或扩充路径容易、精确度高、成本低、操作简便、智能 化水平高等特点。其工作方式如图2 8 所示。 2 1 磁导引传感器2 磁带 图2 8 磁带导引布置图 f i g 2 8a r r a n g e m e n to f m a g n e t i ct a p eg u i d a n c e 由图2 8 可知，磁带导引根据预设路径在运行路线上贴磁条替代在地面下埋设 金属线，磁条宽度为3 卜5 0m m ，厚度l m m ，铺设简单易行。a g v 行驶时依靠车 体前方底部的磁导引传感器，距离磁条表面2 0 - - - 4 0 m m ，a g v 磁导引传感器利用 其内部间隔1 0 r a m 平均排布的1 6 个采样点，能够检测出磁条上方1 0 0g a u s s 以下 的微弱磁场，每一个采样点都有一路信号对应输出。a g v 运行时，磁导引传感器 1 3 重庆大学硕士学位论文2 侧装机器人系统装校作业特性 内部垂直于磁带上方的连续3 5 个采样点会输出信号。依靠1 6 路通道中输出的3 5 路信号，可以判断磁条相对于a g v 磁导引传感器的偏离位置，a g v 会自动作 出调整，确保沿磁带前行。 辅助支撑机构 由于装校机器人竖直提升最大达到2 0 0 0 m m ，侧送机械臂其平展尺寸加上模块 尺寸也将近2 0 0 0 m m ，装校机器人移动到位后进行装校作业时将产生极大侧翻的扭 矩，仅仅靠a g v 的车轮定位是无法完成安全支撑的。a g v 的车轮制动器仅可以 防止车轮转动，但是由于车轮与地面接触面极小，在装校机器人作业过程中将可 能会出现局部滑动，这会造成机器人默认装校路径错误，影响装校精确性，甚至 损坏模块。因此对平台车进行辅助支撑以及辅助定位是非常必要的。 1 升降螺杆2 力矩电机3 电动推杆4 支撑底板 图2 9 a g v 辅助支撑机构 f i g 2 9a u x i l i a r ys u p p o r ta g e n c yo f a g v 如图2 9 所示，辅助支撑机构主要包括电动推杆横向伸缩与力矩电机纵向螺旋 伸缩两级运动。当a g v 到达安装位置后，电动推杆伸长，可增大真个装校系统的 平衡力矩。而力矩电机外部定子与外壳固定，内部转子带动螺母转动，而升降螺 杆螺杆上部为四方结构，限制了转动，因此升降螺杆做向下移动，当支撑底板与 1 4 重庆大学硕士学位论文2 侧装机器人系统装校作业特性 地面接触后，力矩电机到达限位自动停止运转。待装校作业完成后，辅助支撑机 构提升、收回，a g v 将机器人转运至下一工位。 由此，通过四个支撑机构，可以极大增加机器人的定位精度，与防倾翻性能。 2 3 2 自动导引小车功能参数 自动导引小车采用国际先进的磁导引技术，具有良好的工作性能，其主要功 能参数如下： 工作载荷1 0 0 0 k g ： 提升行程1 0 0 0 m m ； 最小转弯半径1 0 0 0 m m ； 自动导引定位精度l m m ； 最大持续工作时间8 h ： 2 4 本章小结 本章完成了对侧装装校系统的作业流程与作业环境的总体分析，得到了装校 模块相关特性以及装校机器人作业过程需达到洁净性及智能化等要求。随后介绍 了装校机器人以及自动导引小车的机构组成及其功能参数，分析得到了两者的作 业特性。通过以上分析阐述，可以对侧装机器人装校系统整体作业特性有实质的 认识，为后续洁净装校机器人的运动学分析打下了实体基础。 重庆大学硕士学位论文 3 装校机器人运动学分析 装校机器人运动学分析 机器人运动学控制是空间机构运动分析的一个重要分支，机器人空间描述以 及运动学、动力学分析常应用矢量法、运动影响系数法、螺旋理论法以及矩阵法 等【1 1 1 。矩阵法是以四阶方阵变换三位空间点的几次坐标为基础，将机器人机构运 动、变换和映射与矩阵运算相联系的方法。矩阵法相对于其他方法具有几何概念 数字化、表达形式简单等特点，并且洁净装校机器人采用6 自由度串联结构形式， 采用矩阵法可以更方便表述相邻两关节或者多关节之间的位置关系。 3 1 机器人的空间描述 机器人的作业终端是末端执行器，其作业实现直接体现在末端执行器的三维 空间矢量。而末端夹持器不是单一质点，在对其进行三维矢量描述时，需将其作 为刚体对其位置与姿态指向进行确定。并且通过确定与基座固定的固定坐标系， 以及末端执行器几何中心的工具坐标系，以及两者问的一系列关节组建的坐标系， 最后用固定坐标系表示出工具坐标系的空间位置与指向姿态【1 2 1 。 本文对机器人运动学以及后续轨迹规划等空间描述过程中进行如下标定： 所有坐标系均为右手坐标系。 用大写英文字母表示坐标轴。 用大写黑体英文字母表示矩阵。 用小写黑体英文字母表示矢量。 矩阵与矢量左上标表示参考坐标系，右下标表示目标坐标系。 3 1 1 刚体位置和指向描述 空间一点相对于某坐标系的位置可以用一个3x1 的矢量矩阵进行描述。点p 相对于坐标系o x y z ( 岛系) 的位置描述为 = 差 ( 3 1 ) 其中p x ，p ，p z 分别表示点p 在系的三个坐标值，o p 为位置矢量。 刚体的位置可通过刚体坐标系原点与固定坐标系的矢径来描述。根据该矢径， 则可以通过工具坐标系中对刚上各点的描述进行矢量求和。建立和刚体固连的工 具坐标系d l 墨y 1 z l ( s l 系) 。则刚体上任一点q 在刚体坐标系中的位置矢量r 则可 根据其三坐标值得到。通过岛系中s l 系原点的的矢径p ，刚体上s l 系中点q 的矢 1 6 重庆大学硕士学位论文 3 装校机器人运动学分析 径，则可知岛系中点q 的矢径为p + ，图3 1 所示。 图3 1 刚体位置描述 f i g 3 1d e s c r i p t i o no f r i g i db o d y p o s i t i o n k 豳n y , 0 0 = 小o y = 目 2 ， 卜qq 嘧1 = l 7 z yo y 口yl - o 刀，o d ，o 口】 ( 3 3 ) 【- n zd ：a z j 3 1 2 坐标变换 k ，在s o 系中坐标表达式为o k = 疋，b ，如 t ，则可得出欧拉公式 嘧l = ( c o s 0 ) ，+ ( 1 - - c o s o ) 叩矿+ ( s i n o ) s ( o k ) ( 3 4 ) 0 一k z 砖i s c k ) = lk z 0 一k x l - 砖 t 0 1 7 重庆大学硕士学位论文 3 装校机器人运动学分析 矢量为k 的一轴和转角臼所决定的方向余弦矩阵嘧l 来表示坐标系以及矢量的旋转 变换。嘧。称为从岛系到s 。系的旋转矩阵。 绕五】，z 轴的三个坐标轴转动所对应的旋转矩阵称为基本旋转矩阵，由欧 拉公式3 4 得到3 个基本旋转矩阵为 1 oo b ( 目) = 1 0c o s o s i n0 1 0 s i n0c o s 0j c o s 口0s i n 日l b ( 乡) = l 010 ( 3 5 ) l s i n o 0 c o s o j c o s 臼- s i n 目0 恐( 口) = ls i n o c , o s o0 l o o 1 j 对于任一坐标系指向总可以通过3 次绕坐标轴连续基本转动实现，即任一方 向余弦矩阵可通过3 个基本旋转矩阵的乘积来表示，而该过程中的3 个转角称为 欧拉角12 1 。 ) 妒 y ， 么氧， ， 以 x t x 、 图3 2 欧拉角 f i g 3 2e u l e ra n g l e 将坐标系o x y z ( s o 系) 先绕z 轴转妒角得到坐标系o x y z ，z 轴即为z 轴； 绕新的y ，轴转臼角得到坐标系o x 7 p ，z ”，】，”轴即为y 轴；绕新的z ”轴转y 角 到坐标系o x ”y ，z ，”( s 1 系) 。 9 ，口，y ) 即为欧拉角，如图3 2 所示。 用欧拉角表示出& 系到s l 系的旋转矩阵为 重庆大学硕士学位论文3 装校机器人运动学分析 。墨= r ( 妒) 墨( 臼) 疋( y ) = 孑吾；j i l fc 兰o 臼兰篓 葶葶； 。3 射 c 伊c 9 c l 矿一s 妒s yc 9 c 8 s y s f o c yc 伊s 9 = is f p c o c 少- i - c f p s y s f o c o s y - i - c 9 c ys f o s o s 臼c ys 妒s y c o 式中，c 9 = c o s e p ，s 伊= s i n 伊，c o = c o s o ，s o = s i n o ，c v = c o s l g ，s g z = s i n v 。 齐次变换 齐次坐标主要用于将一个n 维向量用一个n + l 维向量来表示。齐次坐标推动 了将某一坐标系内二维、三维甚至高维空间中一点的坐标表示，应用矩阵运算的 方法变换至另一坐标系的表示。 设点q 在坐标系o x y z ( s o 系) 和坐标系d 1 蜀y i z l ( s 1 系) 中的位置矢量分 别为o ，和1 ，s l 系的原点0 l 在岛系的位置矢量为，如图3 3 所示。 y 1 图3 3 两坐标系间的坐标变换 f i g 3 3c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt w oc o o r d i n a t es y s t e m s s 1 系三个轴上的单位矢量为n ，o ，口，相对于s o 系的位置矢量为o n ，o o ，o 口， 则点q 在s 1 系与s o 系之间的坐标变换可表示为 0 ，_ 一o q = 。”。( 砸) ( 3 7 ) = = 。p l + 。刀。口。口 1 ，= = 。p l + 。r 1 1 ， 将图3 3 中增加坐标系0 2 x 2 y e z 2 ( & 系) ，设点q 在s o 系、s l 系、s 2 系中的位 1 9 重庆大学硕士学位论文 3 装校机器人运动学分析 置矢量分别为o ，、1 r 、2 ，s 1 系的原点o l 在s o 系的位置矢量为 ，& 系的原点 0 2 在s l 系的位置矢量为- 2 ，如图3 4 所示。 3 4 多坐标系间的齐次变换 f i g 3 4h o m o g e n e o u st r a n s f o r m a t i o nb e t w e e ns e v e r a lc o o r d i n a t es y s t e m s 系三个轴上的单位矢量为以，d ，口，相对于& 系的位置矢量为。以，o d ，o a ， 点q 在& 系与s o 系的坐标变换仍可按照式3 7 的方法求得。 o ，= o p l + o 墨1 ，1 ，= 1 p 2 + 1 垦2 r ( 3 8 ) o r = o ，l + o 墨( 1 仍+ 1 恐2 ，) = o p l + o 墨1 p 2 + o 墨1 垦2 ， ( 3 9 ) 显然按这种方法对三坐标系都显得非常繁琐的，对于更多坐标系要