基于力反馈器的模块化机器人控制建模与仿真-机
2013-10-14 02:11
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摘 要：建立了一个基于力反馈器直观控制模块化机器人的
摘 要：建立了一个基于力反馈器直观控制模块化机器人的模型，通过对模块化机器人和力反馈器进行独立建模，然后对模型中的参数分别进行对应，使得模块化机器人末端位置和姿态与力反馈器的位置和姿态一一对应，从而达到直观控制效果，经仿真实验证明本模型的有效性。
关键词：力反馈器；模块化；控制；DH 参数1 引言计算机技术、电子技术、人工智能等的快速发展促进了机器人技术的发展。除了工业机器人水平不断提高之外,各种水下、空间、核工业等遥操作机器人成为研究热点,也取得了很大的进步,大大延伸了人的活动范围。尽管如此,在深海、太空以及核辐射等危险的、人不适合或不可达领域,完全依靠机器人自主的完成各种作业任务目前还不现实。工作在交互方式下的机器人遥操作系统是在复杂或非确定环境下完成作业任务的一种实用手段,虚拟机器人是遥操作系统基本框架中不可或缺的一部分,是解决信号传输中的大时延、实现预测显示技术的关键之一,本文针对模块机器人的特性，采用PHANToM Desktop 作为虚拟环境系统交互设备，并通过建立一个直观控制模型来操纵模块化机器人进行抓取物体。
2 DH 模型机器人本体由一串用转动或平移关节连接的刚体（杆件）组成。每一对关节-杆件构成一个自由度。六自由度机器人也就有六对关节-杆件。杆件的编号有手臂的固定基座开始，将基座编号为0，接着基座的第一个运动体是杆件1，依次类推。为描述相邻杆件间平移和转动的关系，以下采用D-H 表示法来推导。D-H 方法是对机器人连杆和关节进行建模的一种非常有效的方法，可用于任何机器人结构，而不管机器人的结构顺序和复杂程度；D-H 方法是为每个关节处的杆件坐标系建立4×4 齐次变换矩阵，表示它与前一杆件坐标系的关系。
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3 模块化机器人建模
模块化机器人是由一套各种功能的模块组成的，通过选择不同的模块组合就可装配成不同模块化的机器人，模块化机器人构形设计的目的就是如何找到一个最优的装配构形来完成给定的工作，所以模块化机器人的DH 参数模型是根据不同的组装而发生变化的，是本实验室组装的模块化机器人，该机器人有6 个关节和1 个手抓，其中全部关节都是旋转关节，而手抓是平动手抓。在DH 建模时，手抓的参数先不用考虑，本文只考虑前6 个关节的动作对手抓的位置和姿态的影响。
对于非模块化机器人在出厂时都有一个DH 参数表，表示该机器人的尺寸和构型，而由于模块化机器人是自行组装的，所以出厂时只有部件的尺寸表，没有DH 参数表，DH 参数根据自行组装的构型进行定义因此，需要给每个关节指定一个参考坐标系，然后，确定从一个关节到下一个关节（一个坐标系到下一个坐标系）来进行变换的步骤。如果将从基座到第一个关节，再从第一个关节到第二个关节直至到最后一个关节的所有变换结合起来，就得到了机器人的总变换矩阵。
模型机器人本体由一串用转动或平移关节连接的刚体（杆件）组成。每一对关节-杆件构成一个自由度。六自由度机器人也就有六对关节-杆件。杆件的编号有手臂的固定基座开始，将基座编号为0，接着基座的第一个运动体是杆件1，依次类推。为描述相邻杆件间平移和转动的关系，以下采用D-H 表示法来推导。D-H 方法是对机器人连杆和关节进行建模的一种非常有效的方法，可用于任何机器人结构，而不管机器人的结构顺序和复杂程度；D-H 方法是为每个关节处的杆件坐标系建立4×4 齐次变换矩阵，表示它与前一杆件坐标系的关系。
因此，需要给每个关节指定一个参考坐标系，然后，确定从一个关节到下一个关节（一个坐标系到下一个坐标系）来进行变换的步骤。如果将从基座到第一个关节，再从第一个关节到第二个关节直至到最后一个关节的所有变换结合起来，就得到了机器人的总变换矩阵。
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4 力反馈器建模系列的力觉/触觉反馈设备是上世纪90 年代初由美国麻省理工大学设计的，它共有。耐Omni，Desktop 和Premium 三种型号， PHANToM Desktop 型产品的结构。它有6 个自由度的位姿输入和3 个自由度的力反馈，其结构类似于6 自由度关节型机械手臂。
当操作者移动PHANToM 末端的手柄时，PHANToM 各个关节和手臂随末端手柄一起协同运动。
型(以下简称PHANToM)力觉/触觉反馈设备具有两个基本功能:位姿输入和力觉/触觉反馈。这两个基本功能是由6 个关节机构实现的，其中1、2、3 关节中的每个关节上有一个直流电机和一个编码器，这三个直流电机协调工作决定了反馈力的大小和方向。计算机通过读取关节1、2、3 上的编码器数值和PHANToM 臂A、B、C 的固定长度计算出HIP 在PHANToM 坐标系的位置。4、5、6 关节组成了一个万向节，
