摘 要

本文通过介绍双臂机器人坐标系描述、运动学求解以及双臂运动规划等模块，对双臂机器人的运动规划展开深入研究。研究了D-H参数建模法，并通过ROS进行机器人模型的创建和导入，进行了机器人正逆运动学的求解推导，将理论与Matlab进行验证对比，验证了求解的有效性。在运动学的基础上，研究了机器人的雅克比矩阵以及双臂机器人的轨迹规划，轨迹规划作为运动规划的核心部分需要直观的观测其状态才能深刻理解其中的原理，所以通过Matlab的机器人工具箱进行轨迹插值法轨迹规划模拟，从而更直观的描述了机器人轨迹规划的原理和实现过程。在单臂机器人的基础上将运动规划推广到双臂机器人中，将双臂机器人的运动规划方法分为双臂独立操作模式和双臂约束模式，在运动规划中研究了双臂机器人的运动约束方程，运动约束方程包括了位姿约束、速度约束、加速度约束。

最后，在ROS中结合Gazebo物理仿真环境进行Baxter双臂机器人堆叠汉诺塔运动规划任务，完成了运动学求解、操作空间规划等相关内容，实现了双臂机器人协作运动。

文章结尾对本次毕业设计进行了总结与展望，为双臂机器人的研究提出了自身的提高与改善之法。

关键词：双臂机器人；运动学；关节空间；操作空间；轨迹规划；协作运动规划；ROS仿真

Abstract

This paper introduces dual-arm robot's coordinate system description, kinematics solution and dual-arm motion planning,and the motion planning of dual-arm robot is studied deeply.D-H parameter modeling method is studied, and the robot model is created and imported by ROS.The forward and inverse kinematics of the robot is deduced.By comparing the theory with the Matlab, the validity of the solution is verified.Based on kinematics, the Jacobian matrix of robot and trajectory planning of dual-arm robot are studied. As the core part of motion planning, trajectory planning needs visual observation of its state in order to deeply understand its principle. So the trajectory interpolation method trajectory planning simulation is carried out through the Matlab robot’s toolbox, so the principle and implementation process of robot trajectory planning are described more intuitively. On the basis of single-arm robot, motion planning is extended to dual-arm robot, and the motion planning method of dual-arm robot is divided into dual-arm independent operation mode and dual-arm engagement beam mode, the motion constraint equations of the dual-arm robot are studied in motion planning. the motion constraint equations include pose constraints, velocity constraints and acceleration constraints.

finally, combined with the Gazebo physical simulation environment in the ROS to carry out the motion planning task of Baxter dual-arm robot stacking Hanoi, the kinematics solution, the operation space planning and other related contents are completed, and the cooperative motion of the double-arm robot is realized.

At the end of the thesis, the thesis summarizes and looks forward to this graduation project, and puts forward its own improvement and improvement method for the research of dual-arm robot.

Key Words： Dual robot；Kinesiology；Joint space；Operating space；Track planning；Collaborative motion planning；ROS simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1背景及国内外的研究现状分析 1

1.2课题基本内容、目标、拟采用的技术方案 3

第2章 机器人描述与运动学 5

2.1双臂机器人的坐标系描述 5

2.1.1 位置描述 5

2.1.2 方位描述 6

2.1.3 位姿描述 7

2.1.4 旋转坐标变换 7

2.1.5 复合变换 8

2.1.6 齐次矩阵变换 9

2.2 正运动学分析 9

2.3 逆运动学分析 11

2.4 运动学Matlab验证 12

2.5 机器人雅可比矩阵 13

第3章 双臂机器人协作任务运动方法研究 16

3.1 双臂机器人轨迹规划 16

3.1.1 双臂机器人关节空间轨迹规划 18

3.1.2 双臂机器人三次多项式轨迹插值 18

3.1.3 双臂机器人操作空间轨迹规划 22

3.2双臂独立工作模式 24

3.2.1 独立工作模式位姿约束关系 24

3.2.2 独立工作模式速度约束关系 25

3.3 双臂约束协作模式 26

3.3.1 协作模式位姿约束关系 27

3.3.2 协作模式速度约束关系 27

第4章 基于ROS平台的Baxter机器人汉诺塔仿真 29

4.1 基于Python的程序设计 29

4.2 Gazebo仿真结果 31

第5章 总结 34

5.1 工作总结 34

5.2 个人展望 35

致谢 36

参考文献 37

第1章 绪论

1.1背景及国内外的研究现状分析

机器人一直是21世纪以来最受到社会广泛关注的新兴产物之一，也正是这

样的使命和感召，催生出了人工智能这样的学科以及研究方向。现如今科技和

经济蓬勃发展，让诸多事物都变得瞬息万变，时代的更替也更加迅速，机器人

从一开始的笨重、缓慢、功能单一，转变为今天的轻巧、灵活、智能化。工业机器人、服务机器人使如今机器人的两大分类。当然，机器人也可以统分为单臂和双臂两大类。如今，随着人类需求不断提高，单臂机器人将不再能满足人类生产的全部需求，这就自然而然的催生出了双臂协作机器人。显然，双臂机器人比单臂机器人有更广阔的发展空间，也更契合时代所需，双臂机器人更加高效、应用范围更广。通过多个双臂机器人的联合使用，更是能够解决复杂的工程问题。当然，相对于单臂机器人，双臂机器人的控制方法、算法自然是更为繁琐、复杂^[1]。

因此，本课题尝试基于ROS平台在机器人关节空间与操作空间运动规划建模，并通过导入机器视觉以实现双臂协作完成汉诺塔任务的规划。在这个过程中掌握机器人齐次矩阵表达、正向和逆向运动学，深度探索机器人路径规划和轨迹规划的知识。

• • 1. 机器人的国内外发展现状

目前，中国俨然已经成为了机器人大国，不仅仅是因为市场需求足够大，也是因为机器人的发展前景是非常广阔的。