双臂协作机器人算法验证平台设计
随着社会发展和生产力提高，机器人取代人工已经成为必然趋势。机器人不断的延伸到国防、工业、农业、医疗等行业，人类的双臂结构特别适合进行生产制造，双臂协作机器人通过模拟人类的双臂协作动作实现更加协调的机械臂控制。目前工业机器人多为单臂机器人，其存在无法完成协调性要求较强的工作、示教调试繁琐、人机协作能力不强等缺点。本文针对现有问题设计了一种双臂协作机器人实验平台，该平台集中央控制器模块、双臂协作运动控制模块、3D视觉定位模块于一体，并通过自主开发双臂机器人控制算法库，实现双臂机器人的协作控制和防碰撞路径规划。与国内外同类相关产品相比，具有操作简单、控制系统开放、控制精度高等优点。
目 录
一、绪论 1
（一）课题来源及研究意义 1
（二）国内外研究现状 1
1.国外研究现状 1
2.国内研究现状 1
（三）课题主要研究内容 2
二、双臂机器人本体设计及装配 2
（一）设计思路 2
（二）设计参数 4
（三）机器人本体装配 5
1.基座静力学分析 5
2.机器人关节一静力学分析 6
（四）机器人本体装配 7
1.关节5装配 8
2.关节4装配 9
3.机械臂安装 12
4.3D视觉检测部位安装 12
5.机器人背部安装 13
6.3D景深传感器安装 13
7.示教触摸屏安装 14
三、双臂机器人控制系统设计 15
（一）双臂机器人电气控制系统选型 15
（二）双臂机器人电气控制器系统设计 15
（二）双臂机器人人机交互软件系统设计 17
四、双臂协作机器人控制算法库 23
（一）机器人控制算法库设计 23
（二）机器人3D场景重构与定位设计 27
总结 32
参考文献 33
致 谢 34
附件 35
一、专利证书 36
专利1：机器人关节防绕线机构 36
专利2：机器人供电关节 37
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
/> 三、设备现场使用图片 38
四、机械图纸 39
五、设备获奖证书 49
一、绪论
（一）课题来源及研究意义
本课题来源于苏州市亨通有限公司，该公司需要使用双臂机器人在生产线上进行相关生产作业，代替工人进行手动装配及加工等操作，在实际生产装配中人供装配速率低、精度差、浪费原材料，为此企业投入大量人力物力进行生产作业满足企业生产需求，但是收效甚微。
针对生产线生产及装配效率低，支出高的难题，本课题设计了双臂协作机器人算法验证平台，完成企业在产品装配及生产需求上的要求，搭建双臂机器人以及相关算法验证以减少人工废料并加快生产效率，为企业带来实质性的经济效益。
（二）国内外研究现状
1.国外研究现状
日、美等国的研究人员在双臂机器人协调控制以及双臂柔性动作协调控制等方面开展了大量实验和应用研究，并研制出多款样机。
Stanford大学开发了PR2移动双臂协作机器人，其拥有双目视觉摄像头，激光雷达加云台可以实现三维立体扫描，实时构建三维地图，实现机器人的导航控制。机器人系统架构采用开源机器人操作系统(ROS)架构。
日本川田2009年推出双臂协作工业机器人NEXTAGE，机器人本体由头部2个自由度，双臂各6个自由度，臀部1个自由度构成。单臂的定位精度为30μm，最大负载1.8kg。机器人头部安装全局摄像头及手臂安装有局部摄像头定位，通过摄像头可实现避障功能。己经被应用于生产线上代替工人完成简单的任务。
美国Rethink公司2012年研制Baxter机器人，通过手臂关节安装扭矩传感器实时反馈关节扭矩/力，通过高清摄像头引导机器人对工业零部件定位，并采用超声波传感器实现避障传感。在协作控制方面具有共存性强、安全性高等特点，易编程、功能多、成本低的优点。
ABB公司2014年推出双臂工业机器人Yumi。其双臂各有七个自由度，装备安全柔性手爪。其核心传感器是机械臂腕部的六维力传感器，当碰撞发生时Yumi能快速的响应系统做出响应动作确保人员安全。
2.国内研究现状
国内对双臂工业机器人的研究尚处在仿制和预研起步阶段。北京航空航天大学采用两个七自由度冗余机械臂PA10和dole模块机器人搭建了冗余度双臂协作机器人平台应用于空间探索；南开大学采用PUMA560和PUMA760两个6DOF机械臂搭建了双臂协调机器人系统，主要用于协调控制算法研究。
沈阳新松在2016年发布国内首台自主研发双臂协作机器人，该双臂协作机器人拥有14个完全具有自主知识产权的一体化中空伺服驱动单元，同时集成化与柔性化地实现快速、安全、灵活、精准、高效的旋拧、定位等全套装配解决方案，堪称国内第一产品。
此外，东南大学研制了视觉伺服双臂冗余度机器人系统，上海交大研发了类人型双臂机器人、复旦大学研发了“复旦一号”，国防科技大学、哈尔滨工业大学等对双臂协调控制问题等方面进行了大量研究工作。
（三）课题主要研究内容
作品通过设计基于3D打印的双臂协作机器人算法验证平台，验证双臂协作机器人的运动防碰撞协作控制算法库和较大视场范围内3D景深传感器在运动环境下的场景重建和精确定位。与国内外类似机器人产品相比，作品特点如下：
1.采用3D打印技术实现双臂机器人本体轻量化设计，降低机器人本体制造成本、可复制性强，便于控制算法验证。与ABB公司的双臂机器人(Yumi)进行对比，该公司产品采用镁合金材料，本体重量为38kg；本团队作品采用环保复合PLA材料，密度为1.385g/cm3，弹性模量为350MPa，通过调整3D打印填充率在保证强度的同时减轻重量，机器人本体重量
2.设计开发双臂机器人控制算法库，实现双臂机器人的协作控制和防碰撞路径规划。打破现有封闭式机器人控制算法库限制，以国外开源机器人算法库Robotics Library为基础，并对算法进行优化，设计开发双臂机器人的协作运动控制及防碰撞路径规划算法。
目 录
一、绪论 1
（一）课题来源及研究意义 1
（二）国内外研究现状 1
1.国外研究现状 1
2.国内研究现状 1
（三）课题主要研究内容 2
二、双臂机器人本体设计及装配 2
（一）设计思路 2
（二）设计参数 4
（三）机器人本体装配 5
1.基座静力学分析 5
2.机器人关节一静力学分析 6
（四）机器人本体装配 7
1.关节5装配 8
2.关节4装配 9
3.机械臂安装 12
4.3D视觉检测部位安装 12
5.机器人背部安装 13
6.3D景深传感器安装 13
7.示教触摸屏安装 14
三、双臂机器人控制系统设计 15
（一）双臂机器人电气控制系统选型 15
（二）双臂机器人电气控制器系统设计 15
（二）双臂机器人人机交互软件系统设计 17
四、双臂协作机器人控制算法库 23
（一）机器人控制算法库设计 23
（二）机器人3D场景重构与定位设计 27
总结 32
参考文献 33
致 谢 34
附件 35
一、专利证书 36
专利1：机器人关节防绕线机构 36
专利2：机器人供电关节 37
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
/> 三、设备现场使用图片 38
四、机械图纸 39
五、设备获奖证书 49
一、绪论
（一）课题来源及研究意义
本课题来源于苏州市亨通有限公司，该公司需要使用双臂机器人在生产线上进行相关生产作业，代替工人进行手动装配及加工等操作，在实际生产装配中人供装配速率低、精度差、浪费原材料，为此企业投入大量人力物力进行生产作业满足企业生产需求，但是收效甚微。
针对生产线生产及装配效率低，支出高的难题，本课题设计了双臂协作机器人算法验证平台，完成企业在产品装配及生产需求上的要求，搭建双臂机器人以及相关算法验证以减少人工废料并加快生产效率，为企业带来实质性的经济效益。
（二）国内外研究现状
1.国外研究现状
日、美等国的研究人员在双臂机器人协调控制以及双臂柔性动作协调控制等方面开展了大量实验和应用研究，并研制出多款样机。
Stanford大学开发了PR2移动双臂协作机器人，其拥有双目视觉摄像头，激光雷达加云台可以实现三维立体扫描，实时构建三维地图，实现机器人的导航控制。机器人系统架构采用开源机器人操作系统(ROS)架构。
日本川田2009年推出双臂协作工业机器人NEXTAGE，机器人本体由头部2个自由度，双臂各6个自由度，臀部1个自由度构成。单臂的定位精度为30μm，最大负载1.8kg。机器人头部安装全局摄像头及手臂安装有局部摄像头定位，通过摄像头可实现避障功能。己经被应用于生产线上代替工人完成简单的任务。
美国Rethink公司2012年研制Baxter机器人，通过手臂关节安装扭矩传感器实时反馈关节扭矩/力，通过高清摄像头引导机器人对工业零部件定位，并采用超声波传感器实现避障传感。在协作控制方面具有共存性强、安全性高等特点，易编程、功能多、成本低的优点。
ABB公司2014年推出双臂工业机器人Yumi。其双臂各有七个自由度，装备安全柔性手爪。其核心传感器是机械臂腕部的六维力传感器，当碰撞发生时Yumi能快速的响应系统做出响应动作确保人员安全。
2.国内研究现状
国内对双臂工业机器人的研究尚处在仿制和预研起步阶段。北京航空航天大学采用两个七自由度冗余机械臂PA10和dole模块机器人搭建了冗余度双臂协作机器人平台应用于空间探索；南开大学采用PUMA560和PUMA760两个6DOF机械臂搭建了双臂协调机器人系统，主要用于协调控制算法研究。
沈阳新松在2016年发布国内首台自主研发双臂协作机器人，该双臂协作机器人拥有14个完全具有自主知识产权的一体化中空伺服驱动单元，同时集成化与柔性化地实现快速、安全、灵活、精准、高效的旋拧、定位等全套装配解决方案，堪称国内第一产品。
此外，东南大学研制了视觉伺服双臂冗余度机器人系统，上海交大研发了类人型双臂机器人、复旦大学研发了“复旦一号”，国防科技大学、哈尔滨工业大学等对双臂协调控制问题等方面进行了大量研究工作。
（三）课题主要研究内容
作品通过设计基于3D打印的双臂协作机器人算法验证平台，验证双臂协作机器人的运动防碰撞协作控制算法库和较大视场范围内3D景深传感器在运动环境下的场景重建和精确定位。与国内外类似机器人产品相比，作品特点如下：
1.采用3D打印技术实现双臂机器人本体轻量化设计，降低机器人本体制造成本、可复制性强，便于控制算法验证。与ABB公司的双臂机器人(Yumi)进行对比，该公司产品采用镁合金材料，本体重量为38kg；本团队作品采用环保复合PLA材料，密度为1.385g/cm3，弹性模量为350MPa，通过调整3D打印填充率在保证强度的同时减轻重量，机器人本体重量
2.设计开发双臂机器人控制算法库，实现双臂机器人的协作控制和防碰撞路径规划。打破现有封闭式机器人控制算法库限制，以国外开源机器人算法库Robotics Library为基础，并对算法进行优化，设计开发双臂机器人的协作运动控制及防碰撞路径规划算法。
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