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U JIA N C O M P U T E R
O
基于HOME型移动机器人的机械臂非示教系统的设计
方景辉s孙强s余聪s曾远伟s邹旭2,孔元元1
(1上海电机学院电子信息学院上海201306;
2上海电机学院机械学院上海201306)
【摘要】机器人学的出现，促进了人类社会生活方式和生产方式的改变。本文通过对Home型移动机器人机械臂的 构造分析，以及一些关键技术如机器视觉、坐标系变换和路径规划的介绍，然后衍生出非示教系统的体系结构，完成对非 示教系统的设计。最后总结了非示教系统的优点与不足，并对下一步研究进行展望。
【关键字】非示教系统机械臂
0引言
随着移动机器人领域的不断发展，机械臂的小型化促使服 务型机器人的标准清单内包含了此类物品，同时，在生产系统 中的示教系统也被照搬到服务型机器人的操作内容里。但是，示教系统的一大特点就是机械臂的运动路径在执行任务前必 须被规划好，换而言之，抓取物必须放置在相对机器人而言的 固定位置，否则，抓取就极有可能失败。这一特点在服务型机器 人的发展中演变成了缺点。
因此，机械臂的非示教系统应运而生了，它要具备以下的 几种特点：第一，抓取物的位置不硬性要求放置在相对机器人 而言的固定位置，而是只要在机械臂的可抓取范围之内就好; 第二，抓取物抓取完毕后，机械臂的移动路径并不是固定路径; 第三，保证机械臂在移动到抓取物的过程中所走的路径是最短 路径。
本文将对服务型机器人的机械臂非示教系统的设计进行 探究，寻找一种合适的体系结构来设计系统。文章[1]中提出了一 种在自动化生产系统中，用以替代传统的手工示教方式而延伸 出的自动示教方法，利用机器视觉基本原理和六自由度机械臂 的运动正反解技术，所设计的全自动视觉反馈示教系统，有效 地提高了示教速度。但是这样一种示教运动仅仅是基于定点的 机器视觉识别物品并抓取，其运动路径都是已经规划完毕的，不具有实时性。文章[2]提出了在空间机械臂技术应用方面，所展 开的一种避障路径规划的研究，该研究利用A*启发式搜索方 法实现了空间机械臂的无碰撞路径规划。然而该方法的研究场 景有限，且其针对的是机械臂的避障系统研究，无法对机械臂 的抓取进行有效地设定。文章[3]分析了 SCARA型机器人的机械 臂特点。文章[4提出了一种基于Kinect的点云图计算方法，求出 机械臂的正反解，有效地对一个规则物体进行了抓取，然而该 实验依旧是对人工示教的一个再现，没有考虑到机械臂移动过 程中可能会出现的振动过程。文章[5]在利用Leap Motion这种手 势识别器具的过程中，提出了双LM手势融合系统，探索了，给 出了一个对抓取质量的评价方法，颇具创新性。文章[6]在4个自 由度的机械臂的基础上介绍了一套自动转载系统的工作原理，建立了机械吊臂数学模型，控制了机械臂定位的精度。文章[7]设 计了一种基于LED生成二维码的室内定位技术，对二维码在光 线变化情况下产生的畸变做了有效的修正。
因此，可以认为，机械臂的非示教系统是一种包含了机器视觉、路径规划等技术的针对不确定环境下对规则型物品放在 不确定位置进行抓取的一种系统。
1Home型移动机器人机械臂的构造与组成
针对Home型移动机器人机械臂的非示教系统设计，首先 要了解到机械臂的物理构成，确定关节是否存在硬约束，然后 再进行实际的设计。
Home型移动机器人由七大部分组成，最关键的是底层驱 动部分和机械手臂控制部分。它自身携带的是四自由度机械 臂，分成控制机械臂整体运动范围及方向的大模块、控制机械 爪运动方向的小模块和机械爪三部分，其中机械爪只有横向抓 取的功能。可以将机械臂整体简化为以机械臂转动圆心为坐标 原点的三维直角坐标系，如图所示，实线部分代替无法移动的 关节，而圆点P1、P2、P3、P4代表可以进行旋转运动的关节点。其 中P1、P2构成了机械臂运动的大模块，而P3、P4构成了机械爪运 动的小模块。关节点P1、P4绕着其关节所处的轴顺时针运动为 正，反之相反;关节点P2、&绕着垂直于其关节的法线做旋转运 动，方向定义与上面相同。
虚线部分代表了每一个关节的运动阈值，每个关节的旋转 不能超出这个阈值，否则就会终止其运动并对机械臂整体的运 算产生误差。而这个运动阈值是通过机械臂关节的硬约束转换 而来。
2关键技术
事实上，针对机械臂的非示教运动系统的设计，很大程度 上依靠着一些关键技术的组合。在对被抓取物品的定位过程中 需要机器视觉提供支持，在机械臂的非示教运动中需要路径规 划予以协助，传感器间通信则需要坐标系变换技术。
注:上海市大学生科创项目
?16 ?福建电脑|2017年第6
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