虚实融合的混联机器人系统研究与开发

摘要

近年来虚拟现实技术的发展把传统技术的应用推向了一个新台阶，为其搭建了更广阔的应用平台，基于虚拟现实技术的混联机器人虚拟样机与实际模型的同步控制是虚拟现实技术在传统机械行业应用的一个方面。这种同步控制不仅可以实时控制机器人模型的运动、监控其运动状态，而且还可以对机器人内部零部件的运动进行查看，以全面把握机器人工作时的性能。近年来伴随着物联网技术的蓬勃发展，各国均表现出对远程控制的愈加感兴趣，可见如何准确地进行同步控制及实时反馈各种参数与数据是当前亟待解决的问题。
　　虚拟现实技术是综合人工智能、传感器等现代技术而发展的高新技术，在本论文的混联机器人运动过程中引入虚拟现实技术，不仅可以实时控制及监测混联机器人的运动，还可以将数据反馈给用户。而这可以应用于一些环境有害、高辐射等危险场合以及人类无法到达的场所，从而减轻对环境对人类的伤害。
　　本课题设计的混联机器人是基于东北大学自主研发的3-TPS混联机床以及3-TPT混联机床的基础上进行设计的。然后基于该型混联机器人开发出一套远程同步控制系统，因此本课题的重点是，混联机器人的结构设计、虚拟环境建立以及同步控制的实现。本论文使用的软硬件主要有:Solidworks;Adams;Blender;Python;Arduino等。
　　为了实现上述目的，本论文采用Solidworks建模、Arduino控制，具体研究内容如下:
　　(1)查阅文献把握虚拟现实的发展现状及应用领域，综述混联机器人的发展现状。
　　(2)3-TPT混联机器人建模
　　在Solidworks中进行混联机器人的结构设计及出工程图，并采用螺旋理论对自由度进行计算，最后对模型进行了干涉分析以优化杆件，最终确定混联机器人的整体模型。
　　(3)3-TPT混联机器人工作性能分析与仿真
　　混联机器人建立完成后，对其工作空间以及运动学进行分析，以输出后续用于验证用的三根滚珠丝杠伸出杆的位移、速度、加速度曲线，由这些曲线判定模型的各方面性能。
　　(4)虚拟样机及环境的建立
　　将Solidworks中建立的三维软件导入Blender动画软件中，并进行初始位姿的设定，然后通过Blender上的骨骼控制方法，建立相应脚本程序以间接控制混联机器人的运动。
　　(5)同步控制通讯接口建立
　　在BGE引擎中对逻辑控制器进行设置后，可以在BGE引擎中对模型进行控制。采用红外和蓝牙控制方法，使Arduino硬件接收到信号后，将信号通过电脑COM端发送到电脑串口，然后通过BGE引擎中的Python程序控制模型的运动，并将实验数据输出。
　　结论:建立了3-TPT混联机器人虚拟样机并加工出了物理样机，完成了两者之间的同步通讯。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题相关技术及研究背景

1．1．1 虚拟现实技术

1．1．2 混联机器人技术

1．1．3 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文主要研究内容

第2章 混联机器人的总体结构设计

2．1 混联机器人结构方案的选择

2．1．1 Solidworks建立三维模型

2．1．2 各个方案对比

2．2 自由度计算

2．2．1 常用运动副的旋量表示形式

2．2．2 用螺旋理论计算3-TPT混联机器人的自由度

2．3 平行约束机构的设计

2．4 平行约束机构干涉检测

2．5 运动学正逆解

2．6 本章小节

第3章 混联机器人工作空间及运动性能分析

3．1 混联机器人末端执行器工作空间分析及影响因素

3．2 混联机器人末端执行器工作空间仿真与优化

3．2．1 静平台三角形边长对工作空间的影响

3．2．2 “转动副2”的转角对工作空间的影响

3．3 混联机器人模型的运动学仿真

3．4 小型3-TPT混联机器人的特点

3．5 本章小节

第4章 虚拟环境的构建

4．1 BLENDER简介

4．1．1 Blender特色

4．1．2 软件应用界面

4．1．3 文件格式

4．2 BLENDER中三维模型的导入与初始位姿的设定

4．2．1 Blender中三维模型的导入

4．2．2 模型调整与初始位姿的设定

4．3 骨骼的建立及与模型的绑定

4．3．1 驱动杆骨骼的设定

4．3．2 平行约束机构模型的调整及与其对应骨骼系统的建立

4．4 本章小节

第5章 混联机器人三维交互式方法研究与同步运动的实现

5．1 三维交互仿真设计思路

5．2 内部驱动控制模型的运动

5．2．1 Blender中矩阵介绍及使用方法

5．2．2 采用内驱模式控制模型运动

5．3 外驱模式控制方法一

5．4 外驱模式控制方法二

5．4．1 软硬件介绍

5．4．2 红外线远程控制

5．4．3 手机远程控制

5．5 同步控制方法研究

5．5．1 同步控制研究方法

5．5．2 同步控制流程设计

5．6 本章小节

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

附录