基于ROS的移动操作机械臂底层规划及运动仿真
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘要 .............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................ II 第1章绪论. (1)
1.1课题来源 (1)
1.2课题研究的目的及意义 (1)
1.3国内外相关技术发展现状 (2)
1.3.1移动操作机械臂国内外现状 (2)
1.3.2机器人仿真系统国内外现状 (4)
1.3.3机器人高维空间路径规划 (6)
1.4本文的主要研究内容 (7)
第2章冗余机械臂运动学建模与分析 (9)
2.1引言 (9)
2.2机械臂正运动学 (9)
2.3机械臂逆运动学 (11)
2.3.1W点位置的求解 (13)
2.3.2手臂平面角度求解 (13)
2.3.3E点固连坐标系位姿求解 (14)
2.3.4机械臂关节角度的求解 (16)
2.4笛卡尔空间轨迹规划 (16)
2.4.1直线轨迹插补 (17)
2.4.2圆弧轨迹插补 (19)
2.4.3冗余机械臂自运动插补 (21)
2.5本章小结 (22)
第3章基于ROS的仿真平台搭建 (23)
3.1引言 (23)
3.2ROS基本介绍 (23)
3.3ROS的基本组成 (23)
3.4机器人模型的导入 (25)
3.5Gazebo动力学仿真器 (28)
3.5.1直线插值运动Gazebo仿真 (28)
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
3.5.2圆弧插值运动Gazebo仿真 (29)
3.5.3自运动插值运动Gazebo仿真 (30)
3.6本章小结 (31)
第4章高维空间RRT规划及动态规划 (32)
4.1引言 (32)
4.2传统RRT算法 (32)
4.3RRT算法 (33)
4.3.1总体方案 (33)
4.3.2节点拓展 (34)
4.3.3碰撞检测 (35)
4.3.4轨迹优化 (36)
4.4静态RRT算法实验 (38)
4.4.1二维静态RRT算法实验 (38)
4.4.2高维静态RRT算法实验 (40)
4.5动态RRT算法实验 (42)
4.5.1二维动态RRT算法实验 (43)
4.5.2高维动态RRT算法实验 (45)
4.6本章小结 (46)
第5章控制器设计及仿真实验 (47)
5.1引言 (47)
5.2Gazebo控制器设计 (47)
5.3仿真平台验证实验 (49)
5.3.1基于Kinect的抓取水杯实验 (49)
5.3.2基于Kinect的移动操作机械臂开门实验 (52)
5.3.3动态RRT运动规划算法仿真实验 (54)
5.4本章小结 (60)
结论 (61)
参考文献 (62)
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (66)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (67)
致谢 (68)
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第 1 章绪论
1.1课题来源
本课题来源于国家自然科学基金项目，项目名称：面向任务的服务机器人系统基础理论与关键技术。
1.2课题研究的目的及意义
机器人诞生以来，人类按照其智能化的程度划分为三代：示教型机器人属于第一代机器人，其智能化程度低但由于价格的低廉而商业应用最多；具有本体传感器的感知型机器人属于第二代机器人，它能够感知自身状态及外部环境信息，可以实现反馈运动控制；第三代智能机器人具有更强的感知能力以及前两代机器人所缺乏的自主学习、决策能力，它包含了复杂的智能化信息处理系统，目前该类机器人相关技术正处于研发阶段[1]。
工业机器人是迄今为止应用最为广泛的机器人[2]，它们被设计用来代替人类从事具有重复性或者危险性的生产工作，例如：车体焊接、车身涂装、零件装配等。机器人技术的不断发展使得机器人不再只应用于在工业制造[3]，越来越多的机器人正参与到人类的日常生活中，这类机器人统称为服务机器人[4]。一般来讲，服务机器人属于第三代机器人，其具有前两代机器人没有的智能化系统[5]。移动服务机器人具有行动能力，能够在人类生活环境中自由移动。如图1-1所示为三种典型的移动服务机器人：递物机器人、扫地机器人和娱乐机器人，它们的出现方便舒适了人们的生活[6]，然而这三种机器人属于传统的移动服务机器人，它们能够遵循人类指令完成特定的任务，但却存在功能单一，自身没有足够执行能力，智能化程度较低等缺点。
a)递物机器人b)扫地机器人c)娱乐机器人
图1-1 三种传统的移动服务机器人