《工业机器人》

大

作

业

学  期：     2014～2015学年第一学期  

指导教师：       李   敏              

姓  名：                              

学  号：                              

年级、专业：   2011级机制  班         

西南交通大学峨眉校区机械工程系

2.6  已知齐次变换矩阵

H=

要求=H。确定和的值

解：，由式（2.46）得；；；

由式（2.48）得：

又：把旋转规定为绕矢量的正向旋转，使得0≤≤，故。

由式（2.52）得： 

；

综上，，。 

2.10  {A}和{B}两坐标系仅仅方向不同。坐标系{B}是这样得到的：首先与坐标系{A}重合，然后绕单位矢量旋转弧度，即

求证 ，式中  

证明：且

···········（a）

根据式（2.45）和式（2.47），令即

··（b）

由已知：,将此式作式（b）变换，可得，即，则。所以：

式（a）变为·······，

式（b）变为····，

再对作齐次变换，根据式和式可得

所以。命题得证。

3.3   图3.18所示三自由度机械手，其关节1与2相交，而关节2与关节3平行。图中所有关节均处于零位，各关节转角的正向均由箭头示出。指定本机械手各连杆的坐标系，然后求各变换矩阵,和。

解：对于末端执行器而言，因为单独指定了末端执行器的坐标系，则要确定末端执行器与最后一个坐标系之间的变换关系。

进行各连杆的坐标系建立，如下图所示：

连杆3的坐标系与末端执行器的坐标系相重合。机械手的D-H参数值见表1。

表1：机械手的连杆参数

将表中的参数带入得到各变换矩阵分别为：

=;=;=;

同时还可以求得：

=

3.7  试求PUMA250各关节变量的解（=1,2,3,···,6）。

解：建立坐标系：

杆件参数：

仿照书上求解PUMA560机器人的步骤以及方法进行求解。

以分别表示

根据式（3.16）和表中所示连杆参数，可求得各连杆变换矩阵如下：

；； 

；； 

各连杆变换矩阵相乘，得PUMA250的机械手变换矩阵：

即为关节变量的函数，要求解此方程，需计算某些中间结果：

则可得到：

将PUMA250的运动方程写为

····（1）

（1）求

可用逆变换左乘方程（1）两边，则有

== （2）

令矩阵方程（2）两端元素（2,4）对应相等，可得

利用三角代换：， 

式中，， 

得到的解

1.求

矩阵方程两端的元素（1,4）和（3,4）分别对应相等

解得： 

2.求

在矩阵方程两边左乘逆变换。

            =

方程两边的元素（1,4）和（3,4）分别对应相等，得

联立，得

和表达式的分母相等，且为正，于是

根据和的四种组合，可以得到相应的四种可能只，于是可得到的四种可能解

式中和相对应的值。

3.求

令两边元素（1,3）和（2,3）分别对应相等，则可得

只要，便可求出

当时，机械手处于奇异形位。

4.求

        =

根据矩阵两边元素（1,3）和（2,3）分别对应相等，可得

6.求

根据矩阵两边元素（2,1）和（1,1）分别对应相等，可得

从而求得

4.6求下图所示的三连杆操作手的动力学方程式。连杆1的惯量矩阵为：   

连杆2具有点质量，位于此连杆坐标系的原点。连杆3的惯量矩阵为： 

假设重力的作用方向垂直向下，而且各关节都存在有粘性摩擦，其摩擦系数为（=1,2,3）。

解：建立如图所示的坐标系，则各连杆的DH参数为

可得到：

，  ， 

假设连杆3的点质量为，由题意，经分析可得：

。下面求解。

已知：，，根据式（4.18）可得：

，

再根据式（4.19）可以得到：

故所求动力学方程为；

《工业机器人》

外

文

翻

译

学  期：     2014～2015学年第一学期  

指导教师：       李   敏              

姓  名：                              

学  号：                              

年级、专业：   2011级机制二班         

西南交通大学峨眉校区机械工程系

Intelligent Controller of SEFRE Rehab System SEFRE Rehab System

              （2~4）

康复系统旨在涵盖肌肉麻痹症的各个症状。也就是说，可以让残障者从无力到能够适当保护自己残疾的身体。该系统还为残障人士的日常活动提供了许多选择---即恢复单个关节或者几处联合的关节。FSM的细节设计，系统原理以及构造如图9所示。

三：智能控制器的研制过程。

SEFRE系统可以分成四个部分----即Master PC、KUKA、SS、FSM.每个子系统都有自己的软件控制系统。笔记本电脑上的主控器是用IC系统作为中心软件控制系统来控制SEFRE系统中的每个子系统。KUKA自己就是自己的控制系统。SS的软件控制系统是将单片机改进后的系统。FSM的控制系统就是FMS.然而，FSM和主控器一样共存于同一台电脑。SEFRE的系统概述如图2所示。

图2

主控器可以分为5个子模块---IC模块、PC模块、TG模块、PM模块以及PS模块。主控器的详细阐释如图3所示。

                           图3

这节将阐释两大智能系统---FSM系统和IC系统的有效操作细节。接下来是各种力传感系统和同步恢复系统。最后是的初步显示将是KUKA系统和FSM系统的积极模式下和消极模式下的同步性，还包括结果讨论。

A：IC方案。

IC方案可以理解为IC控制概述。要了解整个IC的功能，可参照图4.

图4

（1）：机器人交流。我们将协议置于IC系统和机器人之中（如图5所示）。

图5

图标显示了KUKA机器人和FSM复原过程的8种主要的状态。最原始的一种状态就是病人在康复治疗前，在医生的指导下进行乔当的康复设置。姿势就绪状态是病人在完成康复设置之后将手搭在FSM之上。在运动状态下，病人可以恢复之前的康复设置。因此，运动状态更加强调KUKA和FSM的移动。要想改变状态，就要转变条件，而这又只受IC的控制。列如，当病人已经通过GUI访问了康复系统，IC就会发注册信号把居家状态转变为原始状态。另外一个雷子是当用户通过GUI已经启动康复系统之后，IC会发信号将原始状态改为姿势准备就绪状态。同时机器人也会调整好位置让病人能够把手更好地搭在它上面。除此之外，KUKA与FSM需要在运动状态下移动，具体的运行步骤请参照图10.

（2）：FSM交流，我们把协议置于IC系统和FSM系统（类似于上面提到的KUKA机器人）之中 。这使得IC能同时控制KUKA和FSM来转变状态。 

（3）：压力感应式交流：IC与压力感应式的传达是该系统的基本输入。压力感应式旨在积极的状态下能感应到肌肉鞥两的强度。在接下来的话题，我们将深入讨论该系统的各种力感应和每个传感器的目的。

（4）：游戏和图形用户界面模型通信：游戏和GUI模型主要负责的是与病人的互动，因为它们比较有吸引力和亲和力。尽管    GG是用户直接下达各种指令的界面，它还不能够完全理解用户的各项指令和需求。通过友好的GUI，IC可以和GG交流并且能从用户那里获得数据。IC还能够很好的理解用户的需要并且能够有效的使用户的需要得到满足。此外，IC还能够KUKA和FSM机器人的姿势使其在游戏中显得灵活。图6是掷塞子游戏，此游戏的目的在于向前移动。

图6

（5）：数据库通信：IC通过数据库通信转换所有的需要记录在数据库的数据。

（6）：FSM机器人的同步化：IC的另外一个重要任务便是操作同步化。同步化视个体康复模式的不同而多种多样。这部分的功能在同步化的章节将会有更加详细的阐述。

（7）：安全保障：IC通过判断来自几个传感器（即限位开关、测力传感器、力量感应电阻器）的信号价值来检测系统的安全。有3个现为开关负责检测做，中，手的位置。在上述图标所示的状态下，IC可以控制系统在不同的模式下的安全和稳定。第一，在康复治疗开启前，IC会检查手面的位置是否正确与所选的位置是否一致。其次，IC会检测用户的手是否已经松开支撑手的设备。最后，在康复治疗过程中， IC会检测手的位置是否正确。另外，IC可以通过分析测力传感器和FSR来判断肌肉力量是否超过了安全线，并且还能检测到用户是否会突然停止使用以免造成的意想不到的后果。

B：sFSM

sFSM是与IC控制器隔开的能够自动控制FSM机器人的控制器。在这个项目中，我们利用2个Dynamixel发动机来是机器人移动，就像人类的手臂那样，换句话说，就是人的肘部和前臂。这是因为了类人形的Dynamixel汽车非常流行切容易操作。建立在我们想要完成什么样的任务的基础之上，这个发动机有两个模式（联合模式和轮模式），他们分别用来控制发动机的位置和速度。根据我们的任务，我们应该用联合模式来控制 发动机的位置。然而，当我们使用联合模式控制肘部运动时，在一些位置上的过度转矩要求中，问题就来了。因此，我们添加了一个1：3比列的变速箱来增加增加更多的扭矩，即从8.4N-m到25.2N-m.

正如我们所知道的，尽管动轴的扭矩增加了3倍，动轴的关节活动度的范围和速度也会分别下降平常标准的1/3.这意味着我们要转动发动机3圈才能达到肘部运动360度的效果。这会导致发动机运行模式冲突。因为联合模式只能解决一圈。因此,我们需要采用轮模式,从而使电动机旋转不止一个。同时,我们创造了我们自己的认识一个round-counting软件模块作为一个编码器肘部的实际位置。此外,一个PID控制器添加到使汽车移动的确切位置在联合模式操作如图7。

图7

没有PID控制器,轮模式不能控制前臂支持机制肘部的位置如图8指的欲望(a)。根据图8(b),我们输入点的位置90度,输出位置大约是90.8度(稳态误差几乎为零)。当然,添加后PID控制器在轮模式,前臂支持机制肘部的位置精确控制。

(a)

(b)

图8 度弯头电动机运动没有和PID控制器

持有人类肘在任何角度位置的结果满意的和实用的。这个实验能承受大量的手臂正常体重相同的ROM和速度。总之,应用Dynamixel电机的高转矩应用程序,例如像我们的手肘马达我们需要操作在车轮电机模式后,添加一个变速箱增加转矩的能力电动机。然后,控制软件,round-counting作为一个编码器和PID控制器算法,必须开发把轮子模式作为联合模式操作。c .力传感力传感补充的一个重要组成部分积极的康复模式在任何意义上的肌肉力量在恢复关节。每一个力传感器是基于选定的其特殊和物理性质一致的力量传感任务。有三种类型的力传感器系统即基础力扭矩传感器、负载细胞和力量感应电阻器(身上)。

1)基础力扭矩传感器:扭矩传感器基础力量应用于测量力方向和力/力矩级用户的肩膀上,因为人的肩膀上的六个自由度(x,y,z,滚和偏航)。除了能够测量信号在6自由度,扭矩传感器还具有较高的基础力量分辨率和精度,因此它适用于测量肌肉肩膀的力量。因为它是极易受到噪声的影响如电磁干扰产生的直流电机的机器人,我们需要像卡尔曼滤波器实现高效过滤器。我们调整后的协方差估计在预测和更新状态作为最优卡尔曼增益只提取信号输入。我们测试卡尔曼滤波器的响应和降噪,把基础力扭矩传感器在5和4 N分别根据图9。这是一个之间的比较没有卡尔曼滤波器和肩膀的肌肉力量卡尔曼滤波器。结果表明有效的性能卡尔曼滤波降噪。

图9 肩膀的力量没有和卡尔曼滤波器。

2)负载细胞:两个负载细胞,轮辐类型,应用力大小和方向的用户的肘部。

3)力感应电阻器(身上):两方市场用于测量力的用户级的前臂前臂的两个方向:旋后,手掌向下。减少噪音的负载细胞和市场,我们整合低通滤波器软件的微控制器力信号更好。

D. Synchronization

同步集成电路在前臂支持机制之间的同步和扮演了一个至关重要的作用机器人运行状态图5指运动类型,如达到向前,和其他人类活动能力同时,自然。在这一节中提供了前臂支持机制和机器人之间的同步程序流程图和特点为每个康复的同步模式。根据同步流程图如图10，智能控制器计算出机器人的速度和前臂支持机制在开始之前这两个系统同时运动。的速度机器人和机器人计算基于前臂支持机制和前臂支持机制范围运动(ROM),分别包括基于早期康复证明和用户设置的。

图10下载本文