1、毕业设计机械臂远程控制的设计与实现Design and Realization of Remote Control of Manipulator专 业：自动化 - I -摘 要由于当下人工捕捞海参存在成本高、危险性高、人员短缺等问题，用机械臂去代替人捕捞海参已成为必然的趋势。而目前工业用的机械臂大都属于第一代机械臂，即人工开环控制下的机械臂，且大多数机械臂只能完成单一重复性的工作。由于海底捕捞环境复杂、海参位置不固定、机械臂防水程度不够、抓取操作复杂等因素，第一代机械臂不能直接用于捕捞海参。为了满足水下捕捞作业的需求，需要对现有机械臂从结构、控制算法到控制系统进行改进。本文基于 6 自由度机械
2、手臂（乐幻索尔科技）和 7 自由度机械手臂，设计此类机械臂控制算法并加以验证和扩展。为了实现机械臂的远程控制和日后的二次开发，采用了美国国家仪器开发的 LabVIEW，利用其庞大的函数库和便捷的用户界面编写的特性，搭建了 6 自由度机械手臂和 7 自由度机械手臂的远程人工控制系统，加入网络摄像头用于实时画面传输，加入手柄来对机械臂控制进行操作，通过网络传输信号实现了远程控制，使操作人员在远处通过实时画面来控制机械臂简洁迅速的抓取某一物体。本文创新之处在于机械臂控制算法。现有的由舵机旋转控制运动的机械臂大多以单舵机控制为主，即机械臂上所由舵机被分别控制，操作复杂费时。本文设计了 6 自由度机械手
3、臂和 7 自由度机械手臂的简化控制、机械臂末端定点控制和机械臂末端平动控制的算法并加以归纳和验证。其中机械臂末端定点控制算法，参考机械臂逆运动学的理念，摆脱传统的矩阵逆乘解析法等计算复杂的算法，从空间几何的角度进行设计的。先单独计算控制机械臂底盘旋转舵机，这样将机械臂控制的空间问题转化为平面问题，再用多边形与机械臂姿态对应，在已知目标点的情况下，加入合理的约束条件，求出多边形的各个角度，即机械臂各个关节对应的舵机旋转角度，从而实现了机械臂末端定点控制。在机械臂末端定点控制算法的基础上，实现了机械臂末端平动控制算法，使此类机械臂人工控制更加直观简洁。通过实验验证，6 自由度机械臂和 7 自由度机
4、械臂的控制算法可以满足控制需求。使用 LabVIEW 编写 6 自由度机械臂和 7 自由度机械臂的远程人工控制系统已基本完成，随着手柄和网络摄像头的加入，已经能够实现操作人员实时依据返回机械臂工作环境的画面，使用手柄远程控制机械臂对给定目标进行抓取。关键词：机械臂控制；机械臂逆运动学；远程控制- II - III -Design and Realization of Remote Control of ManipulatorAbstract Due to the high cost, high risk and shortage of artificial sea cucumber, it i
5、s an inevitable trend to use robotic arm instead of sea cucumber. The current industrial robots are mostly the first generation of robotic arm, that is, artificial ring under the control of the arm, and most of the arm in the completion of a single repetitive work. Due to the complexity of the seabe
6、d fishing environment, the location of the sea cucumber is not fixed, the arm arm is not enough water level, the crawling operation is complicated and so on. The first generation manipulator can not be directly used for artificial sea cucumber. In order to meet the needs of underwater fishing operat
7、ions, the need for existing robots from the structure, control algorithms to control the system to transform.Based on 6-DOF robotic arm and 7-DOF manipulator, this algorithm is designed and validated and expanded. In order to achieve the remote control of the robot and the future of the secondary de
8、velopment, the use of the United States National Instruments developed LabVIEW, the use of its huge library and convenient user interface to write the characteristics of the 6-DOF mechanical arm and 7 degrees of freedom machinery Arm remote control system, adding a web camera for real-time picture t
9、ransmission, adding the handle to manipulate the arm control, and then realize the remote control, so that the operator in the distance through the real-time screen to control the robot simple and quick grasp An object.The innovation of this paper lies in the robot arm control algorithm. The existin
10、g robotic machine to control the movement of the robot is mostly controlled by a single steering gear, that is, the arm on the steering gear were controlled, the operation of complex time-consuming. In this paper, the simplified control of the 6-DOF manipulator and the 7-DOF manipulator, the algorit
11、hm of the fixed-point control of the manipulator and the translational control of the end of the manipulator are designed and summarized. The algorithm of manipulating the end of the manipulator is based on the idea of inverse kinematics of the manipulator, which is designed from the perspective of
12、spatial geometry from the traditional matrix inverse multiplication method. The control of the robot arm chassis rotation of the steering wheel, so that the robot arm control space problem into a plane problem, and then the polygon and arm attitude corresponding to the known target point in the case
13、, adding reasonable constraints, The angle of the polygon, that is, the rotation angle of the steering gear corresponding to each joint of the manipulator, thus realizing the fixed point control of the arm end. On the basis of the control algorithm of the end of the manipulator, the algorithm of - I
14、V -the end of the manipulator is realized, which makes the artificial control of the manipulator more intuitive and concise.Experiments show that the 6-DOF manipulator and the 7-DOF manipulator control algorithm can meet the control requirements. The use of LabVIEW to write 6-DOF robotic arm and 7-D
15、OF robotic arm remote control system has been basically completed, with the joystick and web camera to join, has been able to achieve real-time operation according to the robot back to the robot working environment, through the handle remote The control arm scans the given target.Key Words：Robot arm
16、 control; manipulator inverse kinematics; remote control- V -目 录摘 要 .IAbstract .II1 引言 .11.1 课题研究背景 .11.2 设计的目的与意义 .11.3 主要设计要求 .21.4 国内外研究现状 .21.5 设计方案及主要设计内容 .42 机械臂控制算法的设计 .52.1 单舵机控制 .52.2 6 自由度机械臂控制算法的设计 .52.2.1 简化控制 .62.2.2 末端定点坐标控制 .72.2.3 末端平动控制 .102.3 7 自由度机械臂控制算法的设计 .112.3.1 简化控制 .122.3.2
17、末端定点坐标控制 .122.3.3 末端平动控制 .152.4 多自由度机械臂控制算法的设计 .152.5 机械臂控制算法的验证 .173 机械臂远程控制的实现 .183.1 机械臂基本组成及功能 .183.2 机械臂控制算法的实现 .193.3 机械臂远程控制实现 .233.4 控制手柄的加入 .243.5 误差分析 .264 机械臂设计的远景规划 .274.1 机械臂的姿态反馈 .274.2 机械臂的防水 .284.3 图像定位与机械臂控制算法的结合 .284.4 机械臂的避障算法的设计 .29- VI -设计总结 .30参 考 文 献 .31致 谢 .33机 械 臂 远 程 控 制 的
18、设 计 与 实 现11 引言1.1 课题研究背景当下海参捕捞主要靠人工完成，由海参捕捞员穿上潜水衣下潜到水面下七八米的深度进行捕捞作业，如图 1.1 所示。这种人工捕捞的方式有多种弊端。第一，海参捕捞员这份工作对水下工作技能要求很高，而且这种工作危险系数大，十分考验工作人员的毅力和勇气。第二，海参捕捞主要在冬季，冬季海水寒冷，工作环境很恶劣。第三，人工捕捞费用极高，海参捕捞员平均一个月酬金 3 万余元，增加了海参的成本，且即使如此高的工资，海参捕捞员也是供不应求。图 1.1 人工捕捞海参现状基于上述弊端，人工捕捞海参的方式将逐渐被机器捕捞海参取代。而目前虽然我国深海载人潜水器“蛟龙号”成绩斐然
19、 1，水下技术颇有建树，但是至今没有专门用在水下捕捞海参的相关机器。于是，为了解决海参捕捞问题，促进海参养殖行业的发展，拟设计并开发一款用于水下海参捕捞的机械臂，海参捕捞人员将船开到指定海域，投下机械臂等相关装置，在船上通过水下摄像头返回的图像操作机械臂进行海参捕捞。后期可与水下潜行器相结合，利用图像识别，自主完成海参捕捞，将人彻底从海参捕捞这种繁重危险的工作中解放出来。而完成这宏伟目标的第一步，是对机械臂进行远程控制。无论人工控制还是智能识别控制，如何控制机械臂才能直观，简洁，不易出错，是本文主要研究设计的方向。1.2 设计的目的与意义现有由舵机旋转控制运动的机械臂大多以单舵机控制为主，即机
20、械臂上所有舵机被独立控制。以主流的 6 自由度旋转机械臂为例，需要控制 6 路舵机。控制输入较多，机 械 臂 远 程 控 制 的 设 计 与 实 现2且操作复杂，因为每调整一路舵机时，机械臂末端都会以不同的轴按不同的半径旋转，这样到达目标点之前需要对多个舵机进行反复调整，既影响工作效率，又不符合人们直观控制的思维习惯，即上、下、左、右、前、后直线调整。现有的流水线上的多自由度旋转机械臂大多以动作组的方式进行作业，本质是将动作预先编成指令进行存储，再让机械臂一遍遍读取指令进行动作。这种方式只适用于重复性较高，且目标点固定的场合，不适用于人机交互、目标点不确定等场合 2。所以，设计一套简单直接的多
21、自由度旋转机械臂的控制算法具有很深远的意义。本文设计目的是设计一套简单直接普适的多自由度机械臂的控制算法，并使用LabVIEW 设计开发 6 自由度和 7 自由度旋转机械臂的远程控制系统。1.3 主要设计要求使用 LabVIEW 设计开发机械臂远程控制系统，实现对 6 自由度机械臂或 7 自由度机械臂的控制。控制模式包括单舵机控制、简化控制、机械臂末端定点坐标自主控制和机械臂末端平动控制。控制模式可以任意切换，并可以通过远程连接对机械臂进行操作。控制算法自主设计，并且要求开发平台界面友好，操作方便，具有较好的数据分析方法与手段。完成后需反复测试，确保可靠。本设计开发平台为 Windows 7，
22、开发工具为 LabVIEW2014 或以上版本，硬件工具有 PC 机，6 自由度机械手臂（乐幻索尔科技）及其相关开发套件。1.4 国内外研究现状机械臂属于机器人的一种，指能够按照程序或指令对物体完成夹取、传递等操作的机械设备，其历史可追溯到 1913 年。第一个机器手是美国福特公司于 1913 年研制出来，用于汽车生产线的上下料。从那时至今，机械臂由于工作效率高，重复性工作能力强，能够在恶劣的环境下工作等优点，被广泛地应用在工业生产中。机械臂的控制技术也随之得到国内外很多机构和个人的探究。工业机械臂大致分为三个阶段。第一代机械臂主要用人工进行控制，控制是开环的，机械臂本身不具备识别物体的能力
23、3。当下大多数机械臂仍处于此阶段。第二代机械臂集合了多种传感器进行反馈，具备视觉、触觉、听觉和一定程度的智能，有其独立的控制系统，这些都能辅助工作人员更好的控制机械臂。第三代机械臂能够彻底摆脱人工控制，独立完成工作中各种问题，将完全实现智能。机械臂有很多种，按运动坐标形式分类，有直角坐标式机械臂，圆柱坐标式机械臂，球坐标式机械臂和多关节式机械臂大致四类，而且每一类中的机械臂也有多种，所以机械臂五花八门，这给机械臂控制算法的探究造成了一定的困难。很难有哪种机机 械 臂 远 程 控 制 的 设 计 与 实 现3械臂的控制算法能满足多种类甚至全部种类的机械臂。所以，对机械臂控制算法的研究应针对机械臂
24、的种类而具体探究设计。不同种类的机械臂，在不同的工作要求下，对应的最适合的控制算法也是不同的，但机械臂控制算法的研究思想却可以互相借鉴。机械臂逆运动学的探究式机械臂控制算法的主要组成部分。机械臂的正向运动学，是给出机械臂的各个关节的角度从而确定整个机械臂的姿势，正向运动学相对简单，因为各个关节的角度和机械臂的姿势是一对一的关系。而机械臂的逆运动学是在机械臂姿势的某种或某些约束下（如给定机械臂末端位置）求解各个关节的角度。求出的解多数情况并不唯一，所以机械臂的逆运动学往往涉及到寻找最优解的问题。近年来，国内对机械臂逆运动学的研究取得了很多成果。王海，蔡英凤，张为公提出一种逆运动学解析算法在传统
25、6 维位姿矩阵的基础上，额外提出一个 elbo wangle 新约束，利用位姿目标矩阵和该 elbow angle 共 7 维约束推导出 7 自由度机械臂逆运动学的一种可求得冗余解的解析算法 4。徐军福利用 Matlab 仿真平台的 Robotics Toolbox 机器人工具箱进行仿真和验证逆运动学求解算法的正确性 5。李宇飞，高朝辉和申麟使用了立体相机，对空间目标的位姿进行测量从而控制机械臂的抓取 6。崔泽、张世兴和崔玉乾为了降低冗余自由度的逆运动学研究的难度，以 7 自由度机械臂为研究对象，采用 SolidWorks/Motion 模块的虚拟仿真，应用轨迹规划算法实现避障优化 7。任晓琳
26、和李洪文在 D-H 参数法中引入虚拟关节建立运动学模型，使用四种 PSO 算法进行计算，使机械臂的逆运动学计算更加有效 8。张栩曼，张中哲，王燕波等人提出一种适用于大多数串联型节械臂的数值迭代逆运动学求解方法 9。国外机械臂逆运动学成果斐然。 B Siciliano 提出了基于 Jacobian 的闭环直接运动学（CLDK）算法来解决沿给定轨迹的直接运动学问题 10。P Chang 使用拉格朗日乘数法得到具有冗余度的机械手逆运动学的闭式解决方案公式。在提出的方法中，解析运动方法中的重复性问题将不再存在 11。B Karlik ，S Aydin 使用 ANN 来实现六自由度机器人机械手的运动学解
27、决方案 12。AT Hasan ， AMS Hamouda ，N Ismail ，HMAA Al-Assadi 提出了一种使用人工神经网络 ANN 的收养学习策略，用于控制 6D.O.F 机器人机器人的运动，克服了反向运动学问题，这主要是手臂配置中的奇异点和不确定性13。Simas, H ; Guenther, R ; Da Cruz, D. F. M ; Martins, D 设计一种基于数值积分求解并联机器人逆运动学的数值算法 14。Jess Rubio, Jos ; Aquino, Vctor ; Figueroa, Maricela 提出了两种获取移动机器人逆运动学的方法并进行了模拟验证 15。 Cavdar, Tugrul ; Mohammad, M. ; Milani, R. Alavi 提出了一种基于改进的人造蜂群（ABC ）的新方法来解决机器人手臂的逆运动学问题，并使用一些统计分析方法来确定修改后的
