基于虚拟夹具的机械臂人机交互控制关键技术研究

摘要

虚拟夹具建模算法对于机械臂防撞性能的研究具有重要意义。在非结构环境下，可通过虚拟夹具限制机械臂末端的运动空间来防止机械臂与周围环境发生碰撞。
　　本文在总结和归纳虚拟夹具在机器人领域的研究和应用现状后，给出了基于人工势场法的虚拟夹具建模方法及机械臂控制仿真方案。利用3dsMax建立机械臂各连杆的三维模型，在MFC框架下采用OpenGL编程将机械臂模型导入仿真平台，并采用截面圆三角片元法构建虚拟夹具几何模型，实现机械臂模型和虚拟夹具的可视化。在机械臂运动学和动力学基础上，建立了基于D-H参数法的6自由度机械臂数学模型，并对6自由度机械臂的运动学正逆解方程与动力学方程进行了详细推导。在虚拟夹具管道内部建立人工势场，根据机械臂末端与虚拟夹具的相对位置关系，实时计算末端所受虚拟力，并以视觉反馈的形式将虚拟力方向予以显示。在虚拟夹具几何约束机械臂运动空间的基础上，计算出虚拟力对各关节转轴的力矩，通过与各关节驱动力矩进行实时比较，实现了采用虚拟夹具对机械臂运动空间进行限制的方法。基于上述各功能模块在VS2008平台上利用MFC结合OpenGL的技术，开发了一个机械臂实时控制仿真演示系统。该系统通过友好的人机交互界面，控制机械臂在虚拟环境下的实时运动，对机械臂的实时位姿状态予以可视化，并验证了文中所设计算法的有效性。
　　本文所采用的基于虚拟夹具限制机械臂末端运动空间的方法，不仅可在虚拟环境下实现对机械臂运动的限制，也可在真实环境下根据从端机械臂与实际接触力实现对机械臂运动的限制，具有较为广泛的应用前景。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状和发展趋势

1．3 论文结构

1．3．1 研究思路

1．3．2 论文组织安排

2 基于3dsMax与OpenGL的机械臂三维建模

2．1 OpenGL概述

2．1．1 OpenGL的绘图原理

2．1．2 OpenGL三维建模及显示

2．2 基于MFC的OpenGL编程环境设置

2．3 基于3dsMax的机械臂三维建模

2．3．1 3dsMax简介

2．3．2 3ds文件格式

2．3．3 3ds Max绘制机械臂模型

2．3．4 3ds模型文件读取与显示

2．4 本章小结

3 虚拟夹具建模

3．1 虚拟夹具模型的建立

3．2 人工势场法

3．2．1 势场函数描述

3．2．2 位置参数的求取

3．3 仿真与验证

3．4 本章小结

4 6自由度机械臂的运动学及动力学分析

4．1 机械臂的位姿和坐标系描述

4．1．1 机器人的位姿描述

4．1．2 坐标系变换

4．2 机器人的运动学求解

4．2．1 机械臂运动学建模

4．2．2 运动学正解

4．2．3 运动学逆解

4．3 雅可比矩阵

4．4 6自由度机械臂的动力学建模方法

4．4．1 机械臂动力学方程动能项参数计算

4．4．2 重力项的计算

4．5 仿真与验证

4．6 本章小结

5 人机交互控制系统的实现

5．1 空间力对轴的力矩

5．2 机械臂速度与加速度的求取

5．2．1 机械臂末端速度与加速度假设

5．2．2 机械臂关节速度与加速度的求取

5．3 机械臂控制模型

5．3．1 位置控制的基本结构

5．3．2 基于虚拟力负反馈的位置控制

5．3．3 机械臂位置控制算法

5．4 基于虚拟夹具的机械臂控制仿真平台实现

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果