3自由度工程机器人
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本文采用DIGI-HIBW-60立体成像系统采集图像，该立体成像系统的摄像机模型采用的是加拿大Point Grey Research Inc.生产的Digiclops三目摄像机，如图2-7所示。通过三个Sony 1/3" progressive scan CCD摄像头，IEEE 1394接口，API软件接口函数，DIGI-HIBW-60立体成像系统使用户能够利用数字立体图像技术开发定制自己的应用，诸如跟踪、测量、VRML模型的建立、人机交互、自主移动机器人等方面。本文搭建的图像处理系统由DIGI-HIBW-60摄像机模型、IEEE-1394 PCI卡（如图2-8所示）、图像处理计算机三部分组成。
2.2.
工程机器人自主作业控制统是整个工程机器人自主作业系统的核心。通过数据通信系统，它与图像处理系统控制机取得联系，并接收由图像处理系统控制机送来的目标物体空间坐标，将物体坐标由摄象机空间坐标系转换为工程机器人坐标系，再进行运动学反解，计算出各关节角。通过电液比例换向阀控制器，它控制液比例换向阀的开口大小及阀芯移动方向来控制液压缸的伸缩快慢，从而控制工程机器人的作业。同时读取位移、压力传感器的传感器信号，经处理后作为反馈量同目标量进行比较运算，再将算的阀控信号送往电液比例换向阀控制器，如此反复运算直到整个运算结束，这就是工程机器人自主作业过程。
3自由度
3自由度串联关节型机械手结构简图如图1-2所示。
机械各个关节的自由度是由液压缸来改变的，从机构学的角度看，它们都是一个曲柄滑块机构。液由四组直线液压缸来控制串联关节型机械手的四个自由度（包括手部自由度）。整个液压系统由液压站、油路、电控比例换向阀、比例换向阀控制器和液压缸等组成，如图1–3所示。
工程机器人自主作业控制系统要做控制系统的算法研究，及控制系统的软硬件设计。其中工程机器人自主作业控制系统的算法研究我们将在第四章做详细介绍，控制系统的软硬件设计将在第五章做介绍。
2.3
本章设计了工程机器人自主作业控制系统，系统阐述了工程机器人自主作业控制系统的工作原理与总体构成，并介绍了各子系统的功能、相互关系及试验中使用的传感器和设备。
1.及时准确的将物体空间坐标由图像控制机传送到工程机器人控制机。
2.根据工程机器人本体结构进行运动学反解计算，求出各关节角。
3.设计新的算法控制器，使工程机器人能及时、准确、平稳的自主作业。
4.设计工程机器人控制系统，实现主控计算机对工程机器人的控制。
2.2
本文中的工程机器人主要有三大部分系统组成，主要包括工程机器人本体、控制系统、传感检测系统，其中工程机器人本体包括工程机器人结构系统与驱动系统；传感检测系统包括位移、压力传感器、视觉传感器等，为控制系统获取有用的内、外部环境状态信息；而控制系统则包含图像处理系统、工程机器人自主作业控制统以及由环境所构成的交互系统等。工程机器人自主作业控制系统结构图如图2-2所示。
工程机器人机械手臂采用电液比例阀作为伺服控制元件，虽然电液伺服阀是响应特性最好的控制阀，但其制造成本和维护费用高。电液比例阀除了中位有死区外，其稳态特性与伺服阀不相上下，而制造成本和维护费用要低得多，因此得到越来越广泛的应用。
为了提高工程机器人在作业时的安全性，对原有的基座进行了改进设计。原有的基座的上部是一个利用槽钢焊接而成的一个支撑架，下部是四个刚度较大的支柱，下部用地脚螺栓固定在地面上，上下部分通过螺栓把紧，这样整个基座是一个固定的刚性支撑，结构如图2-4所示。工程机器人在作业工程中，可能出现由于人为的误操作使抓手触地而没有及时关闭电液比例阀的现象，如果此类现象出现基座将受到系统的强大压力冲击，这种冲击可能使基座的上下连接处断裂而造成重大事故。为了避免此类事故发生，将原来固定的基座增加一个转动自由度，使基座在受到压力冲击时可以绕一轴线转动。考虑到节约成本，在基座上部不变的情况下，去掉基座下部的四个支柱，重新设计四个支腿。 用槽钢作成的两前支腿，并将其与上部支架焊接在一起，但前支腿不与地面固定，再用槽钢、钢板、万向节做成后支腿。将后支腿焊接在基座上部并与地面把紧，结构如图2-5所示。
2.2.
立体视觉是计算机视觉领域的一个重要课题，它的目的在于重构场景的三维几何信息。立体视觉的研究具有重要的应用价值，其应用包括移动机器人的自主导航系统，航空及遥感测量，工业自动化系统等。立体视觉的主要研究目标可总结为两点，其一是模拟人眼的功能建立立体视觉系统，完成各种视觉任务，获取目标物体的深度图，实现三维物体重构；其二是将该研究作为探索人脑视觉工作原理的手段，进一步加深对人脑视觉的掌握和理解。
3
3自由度工程机器人自主作业系统基本构成如图1–4所示。
3
3自由度工程机器人自主作业系统结构如图1–5所示。
3自由度工程机器人坐标系
3自由度工程机器人自主作业系统结构如图1–6所示。
图1-1所示工程机器人的连杆参数见表1-1
表1–13自由度连杆机器人的连杆参数
关节i
θi(°)
ai(mm)
i(°)
di(mm)
2.2.
TCP/IP作为Internet上最重要的一个协议族，其应用的广泛程度已经大大地超出了人们最初设计它时想象的范围。TCP/IP协议是一组包括TCP协议和IP协议，UDP协议、ICMP协议和其他一些协议的协议组。
TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这7层是:物理层、数据链路层、网路层、传输层、话路层、表示层和应用层。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：应用层、传输层、互连网络层、网络接口层。其中网络层和传输层与网络通讯程序的开发密切相关，模型如图2-9所示，TCP/IP参考模型详解如图2-10所示[40]。
2.1
以立体视觉为基础，建立的工程机器人自主作业系统，其原理图如图2-1所示。摄像机在控制装置的作用下，像眼睛一样搜索目标物体，并抓拍目标物体的图像。图像处理系统根据目标物体的图像来计算目标物体的轮廓形状及相应的位置信息，并将这些信息规范化处理后送给工程机器人控制机。工程机器人将传送的物体坐标进行空间坐标变换，把物体坐标由摄象机空间坐标系转换为工程机器人坐标系，然后再进行运动学反解，计算出各关节角，最后控制工程机器人按路径规划靠近目标物体，并根据任务的要求，将目标物体放到指定位置，整个过程实现工程机器人对目标物体的自主抓取。在此过程中，本论文对图像处理系统不做研究，除此之外还需解决的关键问题如下：
cosαi
sinαi
1
θ1
L1=350
90
0
0
1
2
θ2
L2=2014
0
0
1
0
3
θ3
L3=1400
0
0
1
0
4
θ4
L4=620
0
0
1
0
其中：θi称为两条连杆之间的关节角；
ai代表连杆i的长度；
i称为两轴线zi与zi+1的交错角，即连杆Li的扭角；
di称为两条连杆之间的偏置；
第2章
本章系统阐述工程机器人自主作业控制系统的工作原理与总体结构，并介绍各系统的功能及相互关系。
第
3
关节坐标的计算是新兴的工业机器人控制过程中程序设计的基础。开发比较高级的机器人程序设计语言，要求具有按照笛卡尔坐标系规定工作任务的能力。空间中的目标物体在工作空间内的位置以及机器人操作臂的位置，都是以某个确定的坐标系来描述的；而工作任务则是以某个中间坐标系（如附于操作臂端部的坐标系）来规定的。
由笛卡尔坐标系来描述工作任务时，必须把上述规定变换为一系列能够由操作臂驱动的关节位置。确定操作臂位置和姿态的各关节位置的解答，就是运动方程的求解[41]。本章将研究利用坐标变换的方法，通过设置主－从手各连杆坐标系，确定各连杆的齐次变换矩阵―D-H(Denavit-Hartenberg)坐标变换矩阵[42]，从而建立从手的运动学和动力学描述方程。这是进一步从事工程机器人自主作业控制技术研究工作的数学基础。
3
吉林大学机械电子工程实验室的3自由度工程机器人如图1-1所示。它是在液压挖掘机工作装置的基础上，用单自由度的末端执行器替换挖掘机铲斗，再将回转体及相应部件安装在基座上，从而构成了一个3自由度串联关节型机械手。
末端执行器由一对啮合齿轮、抓手、四连杆机构和驱动液压缸组成。通过驱动液压缸活塞杆的伸缩行控制抓手的开合。液压缸活塞杆带动四连杆机构并驱使主动齿轮啮合被动齿轮，以实现抓手的开合。这样的结构设计可保证抓手两边的抓取力相等。
2.2.1
本系统的工程机器人是在液压挖掘机动臂的基础上，用单自由度的末端执行器替换挖掘机铲斗，从而构成了一个3自由度串联关节型机械手，如图2-3所示。末端执行器由一对啮合齿轮、抓手和四连杆机构组成，通过驱动该自由度液压缸活塞杆的伸缩进行控制，液压缸活塞杆带动四连杆机构并驱使主动齿轮啮合被动齿轮，以实现抓手的开合。这样的结构设计可保证抓手两边的抓取力相等。位移传感器平行固定在液压缸上，可随活塞杆的伸缩测量出液压缸位移的大小，实现位置闭环控制。串联关节型机械手作为工程机器人的主体，在伺服控制过程中，液压阀与液压缸的布置较困难。在一般的液压伺服系统设计时，液压阀与油缸是直接相连的，但两者之间不允许有柔性存在。如果把液压阀装在串联型关节机械手臂上，则机械手臂的重量和转动惯量增大，如果把同液压阀直接连接的驱动部分放在工程机器人的基座上，通过钢丝绳等传递动力，由于钢丝的弹性以及传动机构的间隙等也对工程机器人的特性不利。考虑到各元件的重量分配和结构刚性，工程机器人机械手臂驱动部分的合理结构布置是把执行元件液压缸放在手臂上，把液压阀放在基座上，两者之间再以挠性连接。
2.2.
工程机器人以液压驱动为主，分别由四组直线液压缸来控制串联关节型机械手的四个自由度。整个液压系统由液压站、油路、电控比例换向阀、比例换向阀控制器和液压缸组成，如图2–6所示。
2.2.
工程机器人自主作业控制统是整个工程机器人自主作业系统的核心。通过数据通信系统，它与图像处理系统控制机取得联系，并接收由图像处理系统控制机送来的目标物体空间坐标，将物体坐标由摄象机空间坐标系转换为工程机器人坐标系，再进行运动学反解，计算出各关节角。通过电液比例换向阀控制器，它控制液比例换向阀的开口大小及阀芯移动方向来控制液压缸的伸缩快慢，从而控制工程机器人的作业。同时读取位移、压力传感器的传感器信号，经处理后作为反馈量同目标量进行比较运算，再将算的阀控信号送往电液比例换向阀控制器，如此反复运算直到整个运算结束，这就是工程机器人自主作业过程。
3自由度
3自由度串联关节型机械手结构简图如图1-2所示。
机械各个关节的自由度是由液压缸来改变的，从机构学的角度看，它们都是一个曲柄滑块机构。液由四组直线液压缸来控制串联关节型机械手的四个自由度（包括手部自由度）。整个液压系统由液压站、油路、电控比例换向阀、比例换向阀控制器和液压缸等组成，如图1–3所示。
工程机器人自主作业控制系统要做控制系统的算法研究，及控制系统的软硬件设计。其中工程机器人自主作业控制系统的算法研究我们将在第四章做详细介绍，控制系统的软硬件设计将在第五章做介绍。
2.3
本章设计了工程机器人自主作业控制系统，系统阐述了工程机器人自主作业控制系统的工作原理与总体构成，并介绍了各子系统的功能、相互关系及试验中使用的传感器和设备。
1.及时准确的将物体空间坐标由图像控制机传送到工程机器人控制机。
2.根据工程机器人本体结构进行运动学反解计算，求出各关节角。
3.设计新的算法控制器，使工程机器人能及时、准确、平稳的自主作业。
4.设计工程机器人控制系统，实现主控计算机对工程机器人的控制。
2.2
本文中的工程机器人主要有三大部分系统组成，主要包括工程机器人本体、控制系统、传感检测系统，其中工程机器人本体包括工程机器人结构系统与驱动系统；传感检测系统包括位移、压力传感器、视觉传感器等，为控制系统获取有用的内、外部环境状态信息；而控制系统则包含图像处理系统、工程机器人自主作业控制统以及由环境所构成的交互系统等。工程机器人自主作业控制系统结构图如图2-2所示。
工程机器人机械手臂采用电液比例阀作为伺服控制元件，虽然电液伺服阀是响应特性最好的控制阀，但其制造成本和维护费用高。电液比例阀除了中位有死区外，其稳态特性与伺服阀不相上下，而制造成本和维护费用要低得多，因此得到越来越广泛的应用。
为了提高工程机器人在作业时的安全性，对原有的基座进行了改进设计。原有的基座的上部是一个利用槽钢焊接而成的一个支撑架，下部是四个刚度较大的支柱，下部用地脚螺栓固定在地面上，上下部分通过螺栓把紧，这样整个基座是一个固定的刚性支撑，结构如图2-4所示。工程机器人在作业工程中，可能出现由于人为的误操作使抓手触地而没有及时关闭电液比例阀的现象，如果此类现象出现基座将受到系统的强大压力冲击，这种冲击可能使基座的上下连接处断裂而造成重大事故。为了避免此类事故发生，将原来固定的基座增加一个转动自由度，使基座在受到压力冲击时可以绕一轴线转动。考虑到节约成本，在基座上部不变的情况下，去掉基座下部的四个支柱，重新设计四个支腿。 用槽钢作成的两前支腿，并将其与上部支架焊接在一起，但前支腿不与地面固定，再用槽钢、钢板、万向节做成后支腿。将后支腿焊接在基座上部并与地面把紧，结构如图2-5所示。
2.2.
立体视觉是计算机视觉领域的一个重要课题，它的目的在于重构场景的三维几何信息。立体视觉的研究具有重要的应用价值，其应用包括移动机器人的自主导航系统，航空及遥感测量，工业自动化系统等。立体视觉的主要研究目标可总结为两点，其一是模拟人眼的功能建立立体视觉系统，完成各种视觉任务，获取目标物体的深度图，实现三维物体重构；其二是将该研究作为探索人脑视觉工作原理的手段，进一步加深对人脑视觉的掌握和理解。
3
3自由度工程机器人自主作业系统基本构成如图1–4所示。
3
3自由度工程机器人自主作业系统结构如图1–5所示。
3自由度工程机器人坐标系
3自由度工程机器人自主作业系统结构如图1–6所示。
图1-1所示工程机器人的连杆参数见表1-1
表1–13自由度连杆机器人的连杆参数
关节i
θi(°)
ai(mm)
i(°)
di(mm)
2.2.
TCP/IP作为Internet上最重要的一个协议族，其应用的广泛程度已经大大地超出了人们最初设计它时想象的范围。TCP/IP协议是一组包括TCP协议和IP协议，UDP协议、ICMP协议和其他一些协议的协议组。
TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这7层是:物理层、数据链路层、网路层、传输层、话路层、表示层和应用层。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：应用层、传输层、互连网络层、网络接口层。其中网络层和传输层与网络通讯程序的开发密切相关，模型如图2-9所示，TCP/IP参考模型详解如图2-10所示[40]。
2.1
以立体视觉为基础，建立的工程机器人自主作业系统，其原理图如图2-1所示。摄像机在控制装置的作用下，像眼睛一样搜索目标物体，并抓拍目标物体的图像。图像处理系统根据目标物体的图像来计算目标物体的轮廓形状及相应的位置信息，并将这些信息规范化处理后送给工程机器人控制机。工程机器人将传送的物体坐标进行空间坐标变换，把物体坐标由摄象机空间坐标系转换为工程机器人坐标系，然后再进行运动学反解，计算出各关节角，最后控制工程机器人按路径规划靠近目标物体，并根据任务的要求，将目标物体放到指定位置，整个过程实现工程机器人对目标物体的自主抓取。在此过程中，本论文对图像处理系统不做研究，除此之外还需解决的关键问题如下：
cosαi
sinαi
1
θ1
L1=350
90
0
0
1
2
θ2
L2=2014
0
0
1
0
3
θ3
L3=1400
0
0
1
0
4
θ4
L4=620
0
0
1
0
其中：θi称为两条连杆之间的关节角；
ai代表连杆i的长度；
i称为两轴线zi与zi+1的交错角，即连杆Li的扭角；
di称为两条连杆之间的偏置；
第2章
本章系统阐述工程机器人自主作业控制系统的工作原理与总体结构，并介绍各系统的功能及相互关系。
第
3
关节坐标的计算是新兴的工业机器人控制过程中程序设计的基础。开发比较高级的机器人程序设计语言，要求具有按照笛卡尔坐标系规定工作任务的能力。空间中的目标物体在工作空间内的位置以及机器人操作臂的位置，都是以某个确定的坐标系来描述的；而工作任务则是以某个中间坐标系（如附于操作臂端部的坐标系）来规定的。
由笛卡尔坐标系来描述工作任务时，必须把上述规定变换为一系列能够由操作臂驱动的关节位置。确定操作臂位置和姿态的各关节位置的解答，就是运动方程的求解[41]。本章将研究利用坐标变换的方法，通过设置主－从手各连杆坐标系，确定各连杆的齐次变换矩阵―D-H(Denavit-Hartenberg)坐标变换矩阵[42]，从而建立从手的运动学和动力学描述方程。这是进一步从事工程机器人自主作业控制技术研究工作的数学基础。
3
吉林大学机械电子工程实验室的3自由度工程机器人如图1-1所示。它是在液压挖掘机工作装置的基础上，用单自由度的末端执行器替换挖掘机铲斗，再将回转体及相应部件安装在基座上，从而构成了一个3自由度串联关节型机械手。
末端执行器由一对啮合齿轮、抓手、四连杆机构和驱动液压缸组成。通过驱动液压缸活塞杆的伸缩行控制抓手的开合。液压缸活塞杆带动四连杆机构并驱使主动齿轮啮合被动齿轮，以实现抓手的开合。这样的结构设计可保证抓手两边的抓取力相等。
2.2.1
本系统的工程机器人是在液压挖掘机动臂的基础上，用单自由度的末端执行器替换挖掘机铲斗，从而构成了一个3自由度串联关节型机械手，如图2-3所示。末端执行器由一对啮合齿轮、抓手和四连杆机构组成，通过驱动该自由度液压缸活塞杆的伸缩进行控制，液压缸活塞杆带动四连杆机构并驱使主动齿轮啮合被动齿轮，以实现抓手的开合。这样的结构设计可保证抓手两边的抓取力相等。位移传感器平行固定在液压缸上，可随活塞杆的伸缩测量出液压缸位移的大小，实现位置闭环控制。串联关节型机械手作为工程机器人的主体，在伺服控制过程中，液压阀与液压缸的布置较困难。在一般的液压伺服系统设计时，液压阀与油缸是直接相连的，但两者之间不允许有柔性存在。如果把液压阀装在串联型关节机械手臂上，则机械手臂的重量和转动惯量增大，如果把同液压阀直接连接的驱动部分放在工程机器人的基座上，通过钢丝绳等传递动力，由于钢丝的弹性以及传动机构的间隙等也对工程机器人的特性不利。考虑到各元件的重量分配和结构刚性，工程机器人机械手臂驱动部分的合理结构布置是把执行元件液压缸放在手臂上，把液压阀放在基座上，两者之间再以挠性连接。
2.2.
工程机器人以液压驱动为主，分别由四组直线液压缸来控制串联关节型机械手的四个自由度。整个液压系统由液压站、油路、电控比例换向阀、比例换向阀控制器和液压缸组成，如图2–6所示。
