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PowerCube模块化机器人实验系统的研究与开发


第 20 卷第 6 期   2004 年 12 月

机械设计与研究 Machine Design and Research

Vol. 20 No. 6 Dec. ,2004

文章编号 :100622343 ( 2004) 062016203 主要有 Khosla
[1]

PowerC

ube 模块化机器人实验系统的研究与开发
杜启联 ,   余跃庆 ,   张绪平
( 北京工业大学   机电学院 ,北京   100022 , E2mail :yqyu @bjut . edu. cn
构示意图见图 2 。
[5]

     : 提出了 PowerCube 模块化机器人实验系统 , 开发了以 Windows Socket 为基础的数据实时传输软件 、 摘 要 Open GL 计算机仿真软件 ,实现了机器人 、 Optotrak3020 和计算机仿真终端之间的网络互连和数据传输 , 建立了机 器人闭环实时反馈系统 ,并对此系统进行了实验验证 。 关键词 : 机器人 ; 模块 ; 仿真 ; 网络 中图分类号 : TP24     文献标识码 :A

   模块化机器人是一种由一套具有各种尺寸和性能特征

的可交换的模块组成的 , 能够被装配成各种不同构形的机 器人 。二十世纪八十年代末以来 , 为了满足市场变化和科 研的需要 , 模块化机器人逐渐引起研究者和工业应用越来 进行研究 ,取得了大量成果 。模块化机器人系统能够根据环 境和工作条件的变化改变构型 ,以适应任务的变化 。该系统

1  PowerCube 模块化机器人实验系统结构
  PowerCube 模块化机器人实验系统如图 1 所示 ,系统结

越多的兴趣 ,众多的学者和工业界开始对模块化机器人系统

trak3020 三维测量系统和三台计算机组成 。模块化机器人

分为旋转模块 、 手腕模块 、 抓持模块和连接件几部分 ,可以进 行灵活的模块组装 ,既可以完成单机器人轨迹规划和运动学

等人的可重构模块化机械手系统 ( RMMS) ,

Hui [ 2 ] 等人的 IRIS 模块化机器人 , Habibi [ 3 ] 等人的可重构液

分析 ,也可以实现双机器人协调操作等任务 。Optotrak3020 主要包含一个由三个 CCD 组成的位置传感器 、 一套控制系 统 Control Unit 及若干红外 Marker 三部分 。Marker 贴在机 器人需要知道位置数据的地方 , 其发出的红外线被 CCD 接

压驱动工业机器人 ,德国 AM TEC 公司生产的 PowerCube 模 系统进行研究 。任敬轶

块化机器人 [ 4 ] 等 。近几年 ,国内开始有学者对模块化机器人

DOF 模块化机器人运动学轨迹规划问题 , 姜春福 [ 6 ] 等人采

用神经网络对模块化机器人的运动学参数进行了辨识 ,刘明 尧 [ 7 ] 等人研究了可重构模块化机器人的控制方法 。从国内 外对模块化机器人系统的研究情况来看 ,大部分模块化机器 移、 速度等参数 ,实际位姿数据不能实时反馈 ,因而不能反映

人系统本质上是开环系统 ,即通过关节电机获取各关节的位

由于杆件变形或运动副间隙等因素导致的误差 。为了满足 同时验证所提出的机器人理论和算法的正确性 、 有效性 , 要 验系统 。

现代社会对模块化机器人快速运动和准确定位的更高要求 , 求建立一种能够实时反馈实际位姿数据的模块化机器人实 本文提出了一种能够实时反馈实际位姿数据的模块化

机器人实验系统 ——PowerCube 模块化机器人实验系统 。 — 由德国 AM TEC 公司生产的 PowerCube 模块化机器人 ,通过 际位置参数 ,求得机器人的实际位姿误差 ,并进行三维动态 统进行了实验验证 。 网络与 Optotrak3020 [ 8 ] 结合 ,实时获得机器人末端反馈的实

仿真 ,建立了 PowerCube 模块化机器人实验系统 , 并对此系

收稿日期 :2004 - 06 - 28 基金项目 : 北京市自然科学基金资助项目 (3012003) 国家自然科学基金资助项目 (50375003)

等人利用螺旋理论研究了一种 92

   该 系 统 主 要 由 两 个 62DOF 的 模 块 化 机 器 人 、 OPto2
▲ 1  PowerCube 模块化机器人实验系统 图 ▲ 2  PowerCube 模块化机器人实验系统结构示意图 图

第 6 期              杜启联等 : PowerCube 模块化机器人实验系统的研究与开发 收 ,转换为坐标数据后再由 Control Unit 传到 Optotrak PC 。 三台计算机中 , Robot PC ( CPU : P4/ 2. 4 G) 控制 Power Cube 模块化机器人和数据的传输 、 Optotrak PC ( CPU : P3/ 504M) 控制 Optotrak3020 采集机器人的位置数据 , Simulation PC
(CPU : P3/ 504M) 实现机器人三维动态仿真 。它们之间以 HUB ( 集线器 ) 连接 , 组成一个局域网 , 其中 Robot PC 作为 Server ( 服务端) ,Optotrak PC 和 Simulation PC 作为 Client ( 客

17

服务端连接 在 PowerCube 模块化机器人系统中 ,Robot PC 处于主导 地位 ,以其作为数据传输的控制方控制数据的采集 ,Optotrak
PC 根据 Robot PC 的需要采集传输数据 , 这是因为如果由 Optotrak PC 作为数据传输的决定方 , 就有可能在 Robot PC

还没有处理完前一时刻的数据时继续发送数据 ,这样就会造 成数据阻塞 。考虑到网络数据传输过程在 10 ~ 20ms 之间 , 则设 Robot PC 控制数据采集时间间隔为 100ms , 该过程在
On Timer () 函数中实现 : if (p SubSocket2 > m trak PC { ) strName = = ” Optotrak” ∥找到 Opto2 pArchiveSend) ; ∥串行化发送

户端) ,Client 连接到 Server 后 ,便可以进行数据的交换和处 理 ,所有程序均以 MS VC + + 6. 0 为编程平台 , 操作系统
Robot Server 为 WindowsN T4. 0 , 另两台计算机为 Windows 2000 。笔者开发的 Robot 软件界面如图 3 所示 。

命令

▲ 3  Robot 软件界面 图

   该软件可以显示机器人各模块状态和参数 ,并对机器人 进行运动控制 。各模块的返回数据和 OPtotrak PC 传输过 来的数据显示在程序的两个图像窗口中 ,可以方便查看各关 节位移 、 速度 、 加速度 、 末端位移 、 末端速度 、 末端加速度等机 器人运动参数 。

2  Robot PC 和 Optotrak PC 之间的数据传


  Robot PC 作为 Server ,Optotrak PC 作为 Client , 它们之 间的数据传输关系如图 4 所示 。

▲ 4  图 Server 和 Client 数据传输关系

   首先 Server 先启动 ,处于监听状态 , 准备接收来自其他 计算机的连接信息 ,Client 发送连接信息到 Server , Server 收 到后 ,创建一个 Windows Socket ( 套接字 ) , 两者之间就可进 行数据传输了 。该过程由下面一段代码实现 :
Server :m pL snSocket = new CL snSocket ( t his) ; m pL snSocket2 > Create ( 5000) ; ∥ 创建一个监听套接字 m pL snSocket2 > Listen () ; ∥ 开始监听 m pClient Socket2 > Create () ; ∥ 创建客户端套接字

Client :m pClient Socket = new CClient Socket ( t his) ;

m pClient Socket2 > Connect ( ” 192. 168. 174. 32” ,5000) ; ∥ 与

p SubSocket2 > m trak PC }

Optotrak Unit 采集机器人末端 Marker 的当前时刻的三维坐

标 X 、 、 ,然后传给 Robot PC 。该过程由下面一段代码实 Y Z 现:
m clientMsg. uMessage = SEND ;

析、 轨迹修正等 。

3  Open GL 计算机仿真

合期望 ,需要预先进行模拟仿真 ,当机器人实际运行时 ,则需 机仿真界面如图 5 所示 。

要实时显示机器人的运动状态 。笔者开发的 Open GL 计算

部作为显示列表存储 ,从而有效地提高了显示效率 。该仿真 所能达到的各种位姿 。Simulation PC 作为 Client 与 Robot

程序能够实现视点的变换和关节限位检测 ,并能模拟机器人
PC 通信 ,其机理与 Optotrak PC 和 Robot PC 通信相同 。通

过编程 , 可得机器人的仿真结果 , 在 Robot PC 中运行程序 ,

Serialize ( 3 p SubSocket2 > m

  Optotrak PC 收到 Robot PC 的数据采集请求后 , 通过

TreatData () ; ∥ 接收 Optotrak3020 采集 Marker 的数据

   在机器人的实际操作前 ,为了检验机器人的动作是否符

   机器人模型和环境按照 1∶ 的比例由 Open GL 创建 ,全 1

m pArchiveSend2 > Flush () ; ∥ 发送给 Robot PC
▲ 5  图 Simulation 界面

Serialize ( 3 m pArchiveSend) ; ∥ 串行化发送数据

Robot Computer 收到数据后 , 即可进行处理 , 如误差分

pArchiveSend2 > Flush ( ) ; ∥发送给 OPto2

18

机械设计与研究                   20 卷 第 出的偏差代入平面 2R 机器人摄动反解式 ( 1 ) , 求出关节补 偿量 ,与理论关节位置叠加后作为新的关节位置驱动机器人 运动 ,直到偏差在偏差限ε内为止 。 Δ1 θ Δ2 θ
= l 1 l 2 sinθ 2

当机器人实际运动时 ,Simulation PC 获得机器人各关节的运 动数据 ,如位移 、 速度等 ,并实时显示 。

4  高层通信协议
   Client 和 Server 通信时 ,需要在传输层 TCP 上自定义高 层通信协议 。由于 Optotrak PC 和 Simulation PC 在模块化 机器人系统中功能的不同 , 它们在与 Robot PC 通信时需要 定义不同的高层通信协议 ,以减少延时 。高层通信协议如图
6 ,图 7 所示 。

1

×               
l 2 sin (θ + θ ) 1 2 - l 1 sinθ - l 2 sin (θ + θ ) 1 1 2

l 2cos (θ + θ ) 1 2 - l 1cosθ - l 2cos (θ + θ ) 1 1 2

Δx Δy
( 1)

   在各点作三次实验 ,取绝对值均值 ,结果如附表所示 ,其 中 ρ= Δ x 2 +Δy2 。
附表   平面点的定位
关节补偿量 序 ρ(mm)   | Δ x | (mm) θ θ |Δ 1| |Δ 2| 号 补偿前 补偿后 补偿前 补偿后 补偿前 补偿后 (° ) (° ) 末端位置误差 | Δy | (mm)
0. 252 0. 516 1. 204 0. 014 0. 016 0. 021

▲ 6  图 Optotrak PC 与 Robot PC 之间的高层通信协议 1

1 2 3

0. 726 0. 931 0. 831

0. 041 0. 033 0. 030

0. 768 1. 065 1. 463

0. 046 0. 037 0. 037

0. 036 0. 132 0. 228

0. 186 0. 036 0. 027

   由附表可以看出 ,机器人末端点定位偏差在闭环反馈前 最大 偏 差 是 1. 463mm , 加 上 闭 环 反 馈 后 , 最 大 偏 差 为 0.
046mm ,定位精度提高了 90 %左右 ,这说明系统的闭环反馈
▲ 7  Robot PC 与 Simulation PC 之间的高层通信协议 2 图

功能对机器人末端的精确定位效果显著 。

   从图 6 、 7 可以看出 ,高层通信协议分为两部分 ,前部 图 为 Client 消息 ,定义了 Client 名称 Name 、 数据传递方式 Mes2
sage ( 如 CONN ECT 、 SEND 等 ) 、 数目 Num ( 协议 1 为 Marker Marker 的状态 ( Status) 、 坐标值 x 、 、 , 协议 2 是机器人关 y z

6    结 论
   本文以 PowerCube 模块化机器人 、 Optotrak3020 三维测 量系统和 Open GL 计算机仿真构成了 PowerCube 模块化机 器人实验系统 ,实现了数据的闭环实时反馈和显示 。该系统 具有较强的柔性 ,非常适于精密定位和轨迹规划 , 具有工作 能力强 、 适应性好 、 工作空间大 、 精度高的品质 , 适合对机器 人运动学有关理论和算法做出实验验证和深入研究 。

数 ,协 议 2 为 机 器 人 数 ) ; 后 部 为 数 据 内 容 , 协 议 1 是 各 节坐标运动参数 ( 位移 Pos 、 速度 Vel 、 加速度 Acc) 。

5  系统实验验证

   为了证明 PowerCube 模块化机器人系统的可行性和有

效性 ,本文利用该系统实现机器人末端的精确定位实验 。 明 ,见图 8 。

参考文献 :
[1]   Schmitz Donald , Khosla Pradeep . The CMU reconfigurable mod2 ular manipulator system [ A ] . Proceedings of t he International Symposium and Exposition on Robots[ C] . 1988 ,473~488. configurable and expandable robot test bed[ A ] . IEEE Proc of Int Conf On Robotics and Automation[ C] . 1993 :155~160. urable industrial hydraulic robot [ A ] . IEEE Proc of Int Conf On Robotics and Automation[ C] . 1995 :2206~2211. [4]   http : ∥ www. Powercube. de [5 ]   任敬轶 ,孙汉旭 . 一种新颖的笛卡尔空间轨迹规划方法 [J ] . 机

将模块化机器人构型为平面 2 自由度机器人作实验说

▲ 8  图 平面 2R 机器人

   已知 : l 1 = 315mm , l 2 = 146mm , 定位点 R 1 ( 195 ,413 ) ,
R 2 ( 222 ,368) , R 3 ( 305 ,227) ,距离偏差限 ε= 0. 5mm 。

首先经过 Simulation PC 计算机仿真 , 可得所求三点都

在机器人工作空间内 。然后驱动 PowerCube 模块化机器人 不断实时检测机器人末端位置 ,将其与期望位置作比较 ,得

末端到达各点位置 , 在这个到达过程中 , 通过 Optotrak3020

究生 ,主要研究方向为机器人轨迹规划 、 机器人仿真系统 。

[ 2 ]  HuiR , KircanskiN. Design of t he IRIS facility : a modular , re2 [ 3 ]  Habibi S R , Goldenberg A A. Design and control of a reconfig2

器人 ,2002 ,24 (3) :217~221.

[6]   姜春福 ,余跃庆 . 基于神经网络的机器人运动模型辨识及其实

验研究 [J ] . 控制与决策 ,2003 ,18 (5) :550~554 ,572.
[J ] . 中国机械工程 ,2002 ,13 (20) :1737~1739.

[7 ]   刘明尧 ,谈大龙 . 基于多 Agent 可重构机器人控制方法的研究 [8]   http : ∥ www. ndigital. com

   作者简介 : 杜启联 (1973 - ) ,男 , 北京工业大学机电学院硕士研

第 20 卷第 6 期   2004 年 12 月

机械设计与研究 Machine Design and Research                    

Vol. 20 No. 6 Dec.          ,2004

MAIN TOPICS , ABSTRACTS & KEY WORDS

ISSN 1006 - 2343 Machine Design and Research Vol. 20 ,No . 6 ,Dec. ,2004
Edited and Published by :Machine Design and Research The G enetic Optimization Algorithm of Engineering Optimal Design with Mixed Discrete Variables and Its Application ZHAN G Long2ting ,L UO You2xin , HE Zhe2ming ( Department of Science and Technology , Huan University of Arts and Science ,Changde ,415000 ,China) P10   Abstract :A new improved genetic optimization algorit hm ( IGOA) is proposed for solving nonlinear constraint problem of mechanical engineering wit h mixed discrete variables. After re2 movig equation constraint , constructing character2type coding vectors and well2connected planning dynamic inherit and aber2 rance operator and so on. This new algorit hm can speed up t he rate of convergence and improve t he ability of solution. The soft2ware is developed wit h Matlab language. The calculation example proved t hat t he met hod is successful ,simple and mod2 erate ,and it has high rate of convergence ,accuracy and reliabili2 ty. It is also effective for t he mechanical optimization problem.    Key words : Genetic Algorit hm ; mixed discrete variables ; optimization design ;nonlinear constraint problem AGV and Design of Its Variable Structure Controller With Sliding Mode SON G Li2bo ,ZHAN G Jia2liang ,L I Bei2zhi , YAN G Jian2guo ( School of Mechanical Engineering , Dong Hua University , Shanghai ,200051 ,China) P13   Abstract : The t hree2wheeled Automated Guided Vehicle ( A GV) wit h two rear wheels used as driving unit and one caster wheel as t he front wheel were designed. To decrease t he in2 creasing trend of t he tracking precision ,t he turning problem was analyzed wit h t he matrix t heory ,t he state space and t he control equation in t he flexible mode were also obtained on t he basis of its construction and taking t he nonholonomic constraint into consideration in t his paper. Meanwhile ,t he CAN fieldbus wire2 less communication system in which t he personal computer and t he MCS51 micro2controller were used as t he master controller and slave controller was constructed. t he tracking simulations and t he experiments wit h t he optimum parameters were con2 ducted ,and t he validity of t he variable structure control met hod and t he wireless communication system were approved.   Key words :nonholonomic constraint ;A GV ; CAN fieldbus ; variable structure control Research and Development for Experiment System of Power2 Cube Modular Robot DU Qi2lian , YU Yue2qing ,Zhang Xu2ping ( College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technolgoy ,Beijing University of Technology ,Beijing 100022 , China) P16   Abstract :In t his paper ,a PowerCube Modular Robot Ex2 periment System is developed. In order to provide a robot sys2 tem wit h close2loop real2time feedback ,t he program of real2time data transferring based on Windows Socket and t he software of

Journal Office Add :No. 1954 Hua Shan Road Shanghai China Distributer :China International Book Trading Corporation ( P. O. Box 339 ,Beijing) Open GL simulation are developed. Data can be exchanged a2 mong t he robots ,t he 32D motion and position measurement sys2 tem Optotrak3020 and t he Open GL simulation terminal in real2 time in network. An experiment is presented to test t he sys2 tem.   Key words :robot ;modular ;simulation ;network. Numerial Value Simulation Analysis of Dynamic Characteris2 tics for Random chain Mechanism System HUAN G J u2feng ,CHEN Jian2jun ,ZHAO Ying2ying ( School of Electronic Mechanical Engineering , Xidian Universi2 ty ,Xi’ 710071 ,China) P19 an   Abstract :The problem of dynamic analysis based on relia2 bility for t he chain structures wit h random parameters are stud2 ied in t his paper. Considering t he randomness of structure pa2 rameters , t he met hod to calculate natural frequency has been built ,t he structure dynamic characteristics is analyzed based on probability ,and t he digital characteristics for each order random variable of natural frequency is derived by using Monte Carlo random simulation met hods. Finally , two examples are given , and some conclusions are obtained.   Key Words :random chain structures ;transfer matrix ; ran2 dom variables ; dynamic characteristics analysis ; Monte Carlo met hods Restearch On Dynamic Modeling of Flexible Multibody Sys2 tems With Synthesis Method YAN G Dong2wu ,DUAN Bao2yan ,DI Jie2jian ( School of Electro2mechanical Engineering Xidian University , Xi′ 710071 ,China) P22 an   Abstract : It is pointed out t hat t he synt hesis modeling met hod is a good met hod for dynamic analysis of complex flexi2 ble multibody systems by comparing several availble met hods. Whole process of modeling wit h synt hesis met hod is discussed wit h t he help of some knowledge of finite element met hod. Furt her research tendency of t he synt hesis met hod is proposed.   Key words :modeling met hod ; synt hesis met hod ;finite ele2 ment Kinematic Simulation and Trajectory Optimization for the En2 closed Five2bar Feeding Mechanism of Se wing Machine ZHAN G Qing ,ZOU Hui2jun , GUO Wei2zhong , TIAN Yong2li ( School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong Univer2 sity ,Shanghai ,200030 ,China) P25   Abstract :This paper studies t he kinematic simulation and trajectory optimization for t he enclosed driving 22DOF five2bar feeding mechanism of sewing machine. The programmed soft2 ware can realize t he dynamic input of all structural parameters and kinematic simulation. It can obtain t he real2time simulation result of t he positions ,velocities and accelerations of every mov2 ing links and t he key characteristic parameters and simulation animation of t he feeding mechanism. And it can also obtain dif2


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