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    机器人学一些概念

    自由度冗余

    机器人可以通过各种不同的位型来到达同一个位置,因为有多余的自由度。

    电缆控制机器人

    由电缆控制的机器人,而不是关节上的发动机控制。如下图机器的主动部分在右侧箱子中,包括所有马达和电缆驱动系统。

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-BVT9HbXG-1608019628484)(C:\Users\casia\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20201214192554039.png)]

    关节约束

    一个关节具有六个参数,状态位姿,如果该关节只有一个自由度,那么它就产生五个约束。

    冗余机器人

    各个关节总的自由度大于末端执行器的自由度,冗余的自由度可以帮助绕过障碍物。

    空间中点描述

    确定了原点之后的一个向量,如果原点改变了,那么这个向量也改变了。空间中的点在一个坐标系中的描述就是矢量,所以mapping和operation操作的都是矢量。

    mapping 和 operation

    mapping:只是改变点的描述,比如从A坐标系转换到B坐标系。

    operation:在空间中移动点的坐标。

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  • An Analytical Solution for a Redundant Manipulator with Seven Degrees of Freedom作者...冗余自由度用来缓解关节限制和奇异性。 本文的目的在于求出七自由度解析逆解 with an offset in the upper

    冗余七自由度机械臂的解析解逆解算法


    参考

    -【1】 An Analytical Solution for a Redundant Manipulator with Seven Degrees of Freedom Takashi Nammoto and Kazuhiro Kosuge

    -【2】 Analytical Inverse Kinematic Computation for 7-DOF Redundant Manipulators With Joint Limits and Its Application to Redundancy Resolution Masayuki Shimizu; Hiromu Kakuya


    • 首先充分理解这两张图。


      从图中可以看到一般所谓冗余关节是指相对于六自由度机械臂多出的那个关节也就是第三个关节。

    论文一

    在这项研究中,提出了具有七个自由度和偏移旋转轴的冗余机械臂逆运动学的解析解。在提出的方法中,可以直接指定冗余机械手的肘部位置。它允许冗余机械手移动,同时避免位于机械手端点和基本坐标系原点之间区域的物理障碍。一般而言,所提出的算法的计算时间比广泛用于计算冗余机械手的逆运动学的递归算法的计算时间要短。实现了更高采样率的反馈控制,以获得机械手的平稳运动。考虑到几何对称性,可同时为冗余机械手提供十六组关节角度。它允许程序员选择一组关节角度来控制冗余机械手,同时避免围绕机械手的奇异点和障碍以及关节极限。
    offset用来增加任务空间;冗余自由度用来缓解关节限制和奇异性。
    本文的目的在于求出七自由度解析逆解 with an offset in the upper arm。其中其SDH如下图:

    a 1 a_1 a1即为那个偏置,主要思想是利用Self-motion。什么是“自运动流形” 可以参考youtube或者有关文献

    许多机械手已用于工厂的组装任务,以提高质量并降低所制造产品的成本。通常,机械手具有六个自由度和多个旋转轴。这些偏移量用于增加操纵器任务空间。但是,机械手在扩展的任务空间中的运动受到奇异性和关节运动限制的限制。冗余的自由度用于缓解这些限制。
    吉川介绍了一种可操作性的测量方法,并表明通过增加多余的自由度可以避免四关节腕机构的可操作性降低[1]。 Hollerbach讨论了冗余的七个自由度机械手的最佳设计,并建议在上臂连杆的PUMA型机械手中增加旋转接头[2]。 Kreutz-Delgado等。引入臂角作为冗余参数来指定冗余零偏置机械手的自运动,并描述了其算法和运动奇异性[3]。 Shimizu等人提出了一种使用臂角的无偏移冗余机械手逆运动学的解析解,并分析了臂角与关节角之间的关系,从而通过避免关节运动极限来获得可行的解[4]。 Singh等人提出了Barrett WAM(全臂机械手)的解析解决方案,该解决方案是具有偏移量的7个自由度机械手,并说明了可行的姿势[5]。
    据作者所知,尚无关于上臂偏置的冗余机械手逆运动学解析解的报告。在本文中,提出了这种分析解决方案。这种方法允许直观地指定操纵器的自运动,以便在其宽阔的任务空间中产生连续运动。
    在提出的方法中,直接指定了冗余机械手的肘部位置,因为这自然指定了机械手的自运动。这允许冗余机械手移动,同时避免位于机械手端点和连接到机械手基座的基础坐标系原点之间的区域中的物理障碍。在没有冗余旋转接头的情况下,第一关节相对于机械手的第一关节角度的偏移角度用于指定冗余机械手的肘部位置。除了偏移角之外,还考虑了操纵器端点的位置和方向,以便通过解析得出逆运动学。
    一般而言,所提出的算法的计算时间比广泛用于计算冗余机械手的逆运动学的递归算法的计算时间要短。实现了更高采样率的反馈控制,以获得机械手的平稳运动。几何对称性的考虑同时为冗余机械手提供了十六组关节角度。这使程序员可以选择一组关节角度来控制冗余机械手,同时避免围绕机械手的奇异点和障碍以及关节极限。

    在上面回顾的研究工作中,手臂角度用于指定自我运动。 手臂角度定义为参考平面与手臂平面之间由肩膀,肘部和手腕跨越的角度。 在此,肩部位置定义为第一,第二和第三关节轴的交点。 肘部位置是第四关节的中心。 腕部位置定义为第五,第六和第七关节的轴的交点。 由于第一关节和第二关节之间存在偏移,因此在图1所示的机械手中无法使用手臂角度。为指定自运动,第一关节相对于第一关节角度的偏移角度为 如图2所示,引入了无冗余旋转关节的机械手的基本原理。可以通过偏移角控制基本坐标系xy平面上的肘部位置。 这种方法允许程序员直观地指定自己的动作。

    仿真结果

    总结


    论文二

    相比较第一篇论文,本篇论文对一种通用结构S-R-S机构的七自由度机械臂进行了分析,并且对考虑了关节限位以及奇异位置对逆解的影响。
    SRS构型比较简单,一个重要的概念就是参考平面。
    这里直接给出仿真结果:

    其中紫色是参考平面的构型,可以明显的看出冗余关节形成了一个“圆环”,和上面的“自运动流形”对应。
    这里取了十组臂角求逆解然后验证逆解的精度。

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  • 冗余机器人以及雅克比伪逆矩阵

    千次阅读 2018-04-15 20:41:00
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  • ④1553B模块 完全遵守MIL-STD-1553B协议 双通道及有BC、RT、BM多功能 支持1M/2M/4Mbps及用户自定义波特率 每通道为双冗余的A、B通道 帧间隔和消息间隔时间可软件设置 支持时间戳,分辨率1μs 支持自测试、错误注入 ...

    设备组成

    Etest_CPS系统主要由硬件部分与软件部分组成。硬件部分由PCI机箱、PCI控制器以及各种PCI接口板卡组成。软件部分由测试设计软件模块、测试执行服务软件模块、测试执行客户端软件模块、设备资源管理软件模块等主要软件模块以及曲线数据生成、CRC插件生成与诊断、测试数据记录与查看、应用协议生成工具、应用协议模板管理、测试报告生成等系列工具组成。

    各模块主要功能

    (1)硬件部分

    Etest硬件部分采用标准的机柜形式,主机采用PCI工业控制计算机,各类接口板块采用PCI总线的接口板卡。主要硬件部分的指标如下:

    ① 机箱

    标准19" 4U高桌面机箱
    支持PCI板卡,10个插槽
    采用直流风机及一字型风道特别设计的通风槽
    机箱底部4个80×80×25(mm)12V风扇

    ②控制器

    芯片组:Intel GM45 + ICH9M
    内存:8GB DDR III 1066MHz,用户可自行扩充。
    硬盘:500GB用户可拆卸更换

    ③ARINC429模块

    支持通道配置:发送及接收通道各2个
    支持100K/50K/48K/12.5KBPS及用户自定义波特率
    支持FIFO和Schedule两种发送模式
    支持SDI和Label两种接收过滤模式
    支持Time Stamping
    支持中断、外触发

    ④1553B模块

    完全遵守MIL-STD-1553B协议
    双通道及有BC、RT、BM多功能
    支持1M/2M/4Mbps及用户自定义波特率
    每通道为双冗余的A、B通道
    帧间隔和消息间隔时间可软件设置
    支持时间戳,分辨率1μs
    支持自测试、错误注入
    支持中断、支持外触发

    ⑤ RS232/422/485串口模块

    通讯协议:异步RS232/422/485可软件设置
    通道数:RS232/422/485各8路
    波特率,根据用户需求定制,最高可达8M
    数据位长度、停止位、校验位软件可设置
    两种数据接收方式:协议接收和透明接收
    协议接收时,可设置接收帧头
    透明接收时,可设置过滤
    提供FIFO空、满中断标志
    接收FIFO:共32M RAM空间
    发送FIFO:每通道2Kbyte的发送FIFO
    支持中断、外触发

    ⑥ CAN模块

    兼容CAN2.0A和CAN2.0B协议,支持标准帧和扩展帧;
    通道数:4
    支持双向传输,CAN发送、CAN接收
    支持时标,精度1μs
    DC2500V电气隔离保护
    支持数据帧,远程帧格式;
    CAN控制器波特率在5Kbps-1Mbps之间可选,可配置;

    ⑦ AD模块

    64路单端/32路差分输入
    单通道采样率最高1MSPS
    输入范围可选±100V/±40V/±10V
    ADC分辨率:16bit
    量程档可程控
    32KByte/通道 FIFO
    外触发功能

    ⑧ DA模块

    64通道输出
    DAC分辨率:16bit
    输出电压:±10V
    输出精度:0.2%FSR
    输出阻抗:10Ω
    最大驱动电流:10mA/通道

    ⑨ 光隔离离散量I/O模块

    64通道光隔离离散量输入/输出
    每通道光电隔离
    开关量支持28V/OPEN,GND/OPEN
    支持宽输入电压范围-60V~+60V
    支持最大开关电压±60V
    支持自恢复断路保护电流

    (2)测试设计软件模块

    测试设计软件模块对待测系统及其对外接口进行建模,进行协议编辑及分析、创建测试监控、建立硬件规划、创建及管理测试用例,确定测试要准备的接口设备数量。其主要功能包括:
     进行测试方案管理,针对测试方案的操作有:新建方案、打开方案、保存方案。
     每个测试方案中,可以包含一个到多个测试项目,多个测试项目的存在使得每个测试方案可以完成多个测试项目的设计,便于开展多个配置项到系统的集成测试。
     测试项目有新建、重命名、删除和查看属性的操作。
     用图形化的方式对被测系统、外围系统及被测系统对外接口进行描述,包括接口数量和接口类型,包括RS422、1553B、CAN、AD、DA、DI、DO、CT、Freq-CT、TCP等类型;能够设定接口参数。
     创建接口协议,并使用协议描述语言进行协议描述,包括报文包头、包尾、校验等,描述各个字段类型及编码方式,以及分支、循环等结构。
     为了适应各种数据通信的需要,协议字段具有丰富的类型,包括:整形(无符号和有符号,8位/16位/32位/自定义长度)、浮点型、布尔类型、条件语句类型、分支语句类型、计算字段、校验字段、数组字段。
     创建测试监控,描述实时数据监控的监控内容和显示形式,并可设定报警条件。
     用户可以在测试监控模块添加测试监控并在监控面板上添加数据监控仪器,通过不同的类型监控仪器绑定协议字段或者字段按照某种公式运算的结果,从而在运行时通过监控仪器指针或数值的改变直观地显示出测试通讯时数据的变化。
     测试监控工具栏管理所有的测试监控仪表,包括数字表仪器,圆盘仪表,曲线图,枚举类型等。选择合适的监控仪表,将其拖拽到监控面板的合适的位置,即可添加该监控仪表到监控面板上。用鼠标拖拽监控仪表的边缘,即可调整其大小。
     打开“属性”标签页,可以修改测试仪表的属性。其中最重要的属性是“协议段”属性,表明了该监控仪表的数据来源。
     通过“协议段”属性右侧的展开按钮,可以打开“绑定数据协议”对话框,其中显示当前项目中的仿真模型中的所有的协议和协议段。
     测试仪表的数据源,既可以是一个协议字段,也可以是若干个协议字段组成的公式。
     在“绑定数据协议”对话框下部的输入框中输入协议字段,或协议字段组成的公式。双击需要的字段名称,可以添加该字段名称到自定义公式的光标所在位置。
     创建测试硬件规划,确定测试需要使用的接口板卡设备,以及接口板卡设备对应的资源。
     创建测试用例,并提供测试用例的管理方式,包括分组、删除、重命名等。
     创建测试用例的内容,包括使用测试脚本描述测试的过程,包括变量定义、条件语句、循环语句、输出语句、数学运算、函数定义等。
     提供测试脚本的扩展接口,能够实现向待测件的数据交互和数据自动解析,将比特流解析成具有意义的用户数据。
     提供时序控制的方式,能够按照一定的时序进行规定的操作。
     提供运行环境设置方式,设置测试运行期间的仿真模型服务器、数据中心服务器、测试执行服务器和客户端的IP地址和端口号。
     提供对标准输入输出监控进行配置的功能,确定标准输入输出监控的类别配置。
     提供测试脚本执行方式,能够运行用户选择的测试脚本;用户能够选择终止脚本运行。
     能够查看输出信息及错误信息。

    (3)测试执行服务软件模块

    测试执行软件模块为自动化测试执行软件的主要部分,与客户端软件相配合,驱动测试数据,进行自动化测试执行。主要实现以下功能:
     提供进程调度服务后台运行程序,在进程调度代理的帮助下,根据测试设计软件的设计,在PCI控制器上启动测试执行、客户端、服务器等进程,并通过进程调度服务协调各个软件的运行逻辑。
     提供仿真模型服务器后台运行程序,通过仿真模型服务器解析测试设计所建立的仿真模型,实现测试执行时数据收发的仿真解析服务。
     提供数据中心服务器后台运行程序,在测试用例执行过程中,在数据中心服务器中集中统一处理通道中的收发收据,确保数据监控的分布式实现。
     提供用例服务器后台运行程序,解析处理测试设计中所编写测试用例的执行过程。
     提供标准输入输出监控窗口程序,可以显示仿真模型服务器、数据中心服务器、客户进程以及用例服务器运行过程中的调试信息。
     解析测试脚本中的变量定义、条件语句、循环语句、输出语句、数学运算、函数定义等语句,进行相应的操作。
     解析测试脚本扩展接口,实现向待测系统进行数据发送/接受和数据解析。
     解析测试脚本,按照时序控制要求进行操作。
     向客户端软件发送的测试数据注入包;接收客户端软件所发送的测试数据输出包。
     按照用户要求即时停止测试用例的执行。
     记录并显示测试用例的执行结果。

    (4)测试执行客户进程及数据监控模块

    测试执行客户进程及数据监控模块运行PCI控制器上。主要实现以下功能:
     提供设备驱动功能,实现1553B、CAN、RS422、RS232、AD/DA/DI/DO等接口板卡的驱动能力。
     测试执行客户软件同测试执行软件均运行在PCI控制器中,采用内存机制交换数据。
     同被测件通信使用测试设计软件中配置好的通信参数。
     提供方便的硬件板卡扩展方式,方便新的硬件板卡的集成。
     接收来自测试执行软件发送的测试数据注入包,进行数据格式的转换,并通过通信板卡发送到待测件。
     接收来自被测件发送的测试数据输出包,并转发到测试执行软件。
     登录测试服务软件后,显示测试设计软件设计的全部测试监控界面,可选择一个或多个测试监控面板进行测试监控。
     运行指定的测试监控,在测试执行过程中实时显示指定的测试数据,提供数字仪器、仪表盘、枚举项、曲线图等数据监控方式。
     可以实时显示测试执行中的测试数据;
     可以以解析后的协议数据格式显示测试数据,也可以以二进制、八进制、十六进制显示测试数据。
     可以设置数据过滤条件,实现界面显示特定数据的功能。
     可以设置数据报警条件,当出现某种特性数据时,软件以醒目的形式显示出满足报警条件的数据。
     可以进行数据查询,可以查询某个时间段的报文,也可以查询某个协议字段的数据。
     可以对指定的数据进行统计,也可以查看数据曲线图。

    (5)设备资源管理软件模块

    设备资源管理软件模块提供了系统支持的测试设备及通道的管理功能,提供了系统设备扩展的接口。其主要实现以下功能:
     添加、删除系统设备。
     修改系统设备的数量。
     添加、删除设备包含的通道。
     修改设备包含的通道的数量及类型。
     保存设备信息到设备资源文件中,在测试设计软件中使用。

    (6)辅助工具

    工具软件提供了嵌入式系统测试时部分常用的软件工具,主要包括以下软件模块:
     曲线数据生成工具;
    具有曲线数据编辑、坐标选择、曲线数据读取、曲线数据存储等功能,配合测试执行软件,提供一种测试数据生成手段。
     应用协议接口调试助手;
    具有应用协议解析功能的串口(RS232/422/485)调试助手,可实现串口(RS232/422/485)接口的设置、数据收发,接收时自动解析为上层应用量,发送时自动按照应用数据形成接口数据包。
     测试数据记录与查看工具;
    在测试执行时,可记录测试执行中的数据,供测试执行结束后查看与分析,包括协议选择、数据过滤、报警条件设置功能。
     应用协议生成工具;
    提供应用协议的表格化编辑功能,可以设置协议的字段组成、字段类型、字段默认取值等。
     协议模板管理工具;
    将所编写的应用协议存储为协议模板,以实现协议复用,可实现模板库的管理,包括添加模板、导入模板、编辑模板等功能。
     CRC插件诊断器与CRC插件生成器
    提供CRC校验算法的设计功能,可设计自定义的CRC算法,诊断其算法正确性,并最终形成协议描述语言中的CRC字段算法插件。
     测试报告生成工具
    具有测试报告模板编辑与管理与测试报告自动生成功能。

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  • 什么是机器人自由度

    万次阅读 2015-11-26 15:28:19
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  • 机器人自由度

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空空如也

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冗余自由度机器人