论文总字数：32861字

摘 要

多自由度机械臂操控作为现代机器人遥控技术里面很重要的一环，在工业、太空、医疗等方面都有广泛的应用。譬如在流水线生产中，多自由度机械臂能极大地提升产量，降低产品的不合格率。在救援项目中，通过操控机械臂可以远程、安全、有效地救助伤患。

本课题基于实验室的六自由度的机械臂，探讨不同方式下对机械臂的操控。课题主要做了以下工作。

采用标准的D-H建模方法，确定了该六自由度机械臂的D-H参数，从而建立了六自由度机械臂数学模型，并通过仿真程序对于机械臂进行了模拟仿真。并根据建模结果编写求运动学逆解的函数。

基于Windows环境下编写六自由度机械臂的操控平台，上位机平台连接FT232usb转串口板，用串口通讯的方法对底层机械臂提供控制数据，并且得到反馈传输回上位机软件。上位机软件集成了键盘鼠标与手柄两种不同外接I/O设备，提供键鼠控制和手柄控制两种种不同方式的控制模式。并且可以在不同模式直接进行切换，实现不同操作模式下对六自由度机械臂的操控。

关键词：六自由度机械臂，逆运动解，D-H建模，串口通讯

Abstract

The multi-DOF manipulator control is a very important part of modern robotic remote control technology and has wide applications in industry, space, and medical care.

This paper is based on the 6-DOF robotic arm in the laboratory, and discusses the manipulation of the robot arm in different modes.

Using the standard D-H modeling method, the D-H parameter of the 6-DOF manipulator is determined, and a mathematical model of the 6-DOF manipulator is established. The simulation of the manipulator is performed through the simulation program. And according to the modeling results, we write the function for inverse kinematics solution.

Based on the Windows environment to write the host computer software, the upper computer platform is connected to the ft232 board, and the serial robot is used to provide the control data to the underlying mechanical arm and the feedback is transmitted back to the upper computer software. The host computer software integrates two different external I/O devices. It provides wireless control, mouse and keyboard control, and handle control in three different modes of control.

KEY WORDS: 6-DOF manipulator；Inverse motion solution；D-H modeling；Serial communication

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景和意义 1

1.2 机械臂操控研究现状 1

1.2.1 机械臂操控的国内外研究 1

1.2.2 机械臂操控发展方向 3

1.3 论文组织结构 4

第二章 六自由度机械臂控制方案整体设计 5

2.1 需求分析 5

2.2 机械臂机械结构 5

2.3 硬件系统方案 6

2.4 软件系统方案 7

2.5 本章小结 8

第三章 六自由度机械臂建模 8

3.1 建立六自由度机械臂模型 8

3.2 机械臂正向运动学求解 10

3.3 机械臂逆向运动学求解 11

3.4 本章小结 15

第四章 六自由度机械臂控制实现 15

4.1 通讯模块添加 15

4.2 上下层系统通讯协议设计 16

4.2.1 通信协议格式 16

4.2.2 支持命令 16

4.3 上下层通讯 18

4.4 本章小结 18

第五章 六自由度机械臂不同操控方式实现 19

5.1 上层软件界面设计 19

5.1.1 主窗体 19

5.1.2 副窗体 20

5.2 上层软件键鼠操控 20

5.2.1 下层通信模块 20

5.2.2 用按键和鼠标点击控制机械臂 23

5.3 上层软件手柄操控 24

5.3.1 初始化手柄设备 24

5.3.2 用手柄按键控制机械臂 25

5.4 逆运动求解 27

5.5 本章小结 32

第六章 总结与展望 32

6.1 总结 32

6.1.1 主要完成的工作 32

6.1.2 收获和体会 33

6.2 展望 33

致谢 34

参考文献 35

绪论

课题背景和意义

作为机器人一种不可忽视的研究方向：多自由度机械臂，在在很多行业中都发挥着重要的作用。比如在救援行动中，多自由度机械臂以其独有的特性起到了很大的帮助作用。例如2011年的福岛核电站和泄露事故中，iRobot公司研发的Packbot和日本科学家研发的Quince号救援机器人对反应堆厂房的一系列调查。这些机器人装载的多自由度机械臂可在核反应堆清除障碍物，使机器人可以更好的检测出核反应堆内部情况，制定合理的救援方案，促使救援人员能够更好地进行救援行动。并且在现代工业生产中，高速增长的产品质量和生产效率的需求使得纯手工的方式将逐渐被淘汰，加上工作内容单一、工作环境恶劣等等因素影响，、多自由度机械臂都可以很好地解决这些问题。而如何有效、多样、方便地控制机械臂，也是机械臂应用的重要课题。目前比较先进的技术有如基于kinect骨骼信息进行的体感交互、基于语音识别的语音交互等等。优秀的交互操纵方式能使机械臂能在医学、工业、服务业等领域中拓展更多应用。

图1-1 工业机械臂

而目前多自由度的机械臂的控制大多数停留在基于位姿的各种控制方式上。本课题就是基于六自由度的机械臂平台，目标在于探究如何更有效、多样地对六自由度机械臂进行多种形式的操纵控制，包括键盘鼠标和手柄这种传统I/O设备的操控和通过安卓系统进行无线操控等方式，并将多个控制方式集成设计成一个可以切换控制模式的控制软件。

机械臂操控研究现状

1.2.1 机械臂操控的国内外研究

机械臂是在20世纪40年代开始发展起来的，当时随着计算机和自动化技术的发展以及一些特殊工作环境的限制，需要可遥控的机器去完成这些工作。于是就有了遥控机械手的产生，可以说是最早出现的机械臂了，此后机械臂的技术就飞速发展了起来。现代多半机械臂结构相对比较集中，体积不大但操作范围不小，并且在一些特定环境下能够有效的避开阻碍， PUMA、SCARA等就是其中的典型。在机械臂发展的这70多年来，机械臂从最开始的应用于工业到现在应用于军事、航天、医疗、救援探索等各个行业，对机械臂的研究也是当前最火热的研究之一。这种机械臂正在逐渐成熟，走向实用。第三个阶段就是当今全世界都在努力研究的智能化阶段，该类机械臂的还处于开发阶段，未来将可能大量投入使用。

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