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《移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、1緒論1.1引言在星球表面探索、地震或事故現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)、自然界未知事物探索等環(huán)境中工作的移動(dòng)機(jī)器人，面臨著復(fù)雜、未知、多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，應(yīng)具有良好的適應(yīng)性、靈活性。移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)能夠依靠自身的功能，克服環(huán)境的不確定性，有效地完成任務(wù)[1]。機(jī)器人不僅可以在粉塵、噪聲、有毒、輻射等有害條件下部分替代人去操作，還能在人所不能及的極限條件下，如深海、外層空間環(huán)境中完成人所賦予的任務(wù)，擴(kuò)大了人類(lèi)改造自然的能力，尤其是近些年來(lái)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)的發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。機(jī)器人的研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用涉及許多學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)跨學(xué)科的綜合性
2、技術(shù)。多剛體動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動(dòng)、控制工程、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科都和機(jī)器人技術(shù)有密切的聯(lián)系[2]。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀地面移動(dòng)機(jī)器人是脫離人的直接控制，采用遙控、自主或半自主等方式在地面運(yùn)動(dòng)的物體。地面移動(dòng)機(jī)器人的研究最早可追溯到五十年代初，美國(guó)BarrettElectronics公司研究開(kāi)發(fā)出世界第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)倆系統(tǒng)。由于當(dāng)時(shí)電子領(lǐng)域尚處于晶體管時(shí)代，該車(chē)功能有限，僅在特定小范圍運(yùn)動(dòng)，目的是提高運(yùn)輸自動(dòng)化水平。到了六、七十年代，美國(guó)仙童公司研究出集成電路，隨后出現(xiàn)集成微
3、處理器，為控制電路小型化奠定了硬件基礎(chǔ)。到了八十年代，國(guó)外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，其中具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價(jià)值的移動(dòng)機(jī)器人受到西方各國(guó)的普遍關(guān)注[3]。在移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展中，出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器人大國(guó)，一個(gè)是日本，另一個(gè)是美國(guó)。時(shí)至今日，各種類(lèi)型的地面移動(dòng)機(jī)器人紛紛研制出來(lái)，其應(yīng)用范圍從民用、工業(yè)用到軍用，涉及人類(lèi)運(yùn)動(dòng)的方方面面。進(jìn)入90年代，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展由于受到發(fā)達(dá)資本主義經(jīng)濟(jì)不景氣的影響，專(zhuān)門(mén)從事機(jī)器人研究和生產(chǎn)的部門(mén)數(shù)目有所減少，但由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器科學(xué)的長(zhǎng)足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行。機(jī)器人發(fā)展到
4、今天已經(jīng)是燦爛輝煌，隨著信息技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人作為人工智能的一個(gè)分支也將吸收這些成果，功能將更完善，新的移動(dòng)機(jī)器人也將涌現(xiàn)出來(lái)[4]。未來(lái)的機(jī)器人技術(shù)，將在以下幾個(gè)方面發(fā)展。（1）高速操作臂高速操作臂可以大大提高機(jī)器人的工作效率。為此，必須開(kāi)展新的手腕機(jī)構(gòu)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置，以及能適應(yīng)機(jī)械臂高速運(yùn)動(dòng)的變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的動(dòng)態(tài)控制方法等的研究。（2）柔性操作臂目前的操作臂本身質(zhì)量要比它所能抓起的質(zhì)量大的多。如臂自身質(zhì)量為30kg，僅能搬運(yùn)還不到10kg的物體，這與人的手臂相比要小的多，其原因主要是驅(qū)動(dòng)裝置的效率低、輕型材料的強(qiáng)度
5、和韌性不夠。因此，新型材料的開(kāi)發(fā)成為了研制高效機(jī)器人的重中之重。（3）多自由度操作臂要實(shí)現(xiàn)狹小空間的操作，研制超多自由度的機(jī)械手是完全必要的[。（4）高精度、多自由度控制操作臂機(jī)器人被越來(lái)越多的用在醫(yī)療，軍事等需求高精度的場(chǎng)合，在保證精度的同時(shí)還要追求高自由度，要能完成各種各樣的動(dòng)作，這就要求研制出更穩(wěn)定的系統(tǒng)來(lái)保證操作臂動(dòng)作的精度。（5）微型操作臂目前的操作臂局限于材料和驅(qū)動(dòng)力，自身的大小不能滿足越來(lái)越精密的工作場(chǎng)合。為此，微型操作臂的開(kāi)發(fā)已在日程中[5]。1.3機(jī)械臂介紹1.3.1機(jī)器人操作臂的機(jī)構(gòu)和空間描述機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)功能
6、最重要的部件就是機(jī)械臂(亦稱操作臂)，一般是由一系列連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)相連接的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈，一端裝在固定的支座上(機(jī)座);另一端自由，安裝手爪、工具，實(shí)現(xiàn)各種操作[6]。為了描述組成操作臂的各連桿之間的相對(duì)位置和姿態(tài)，在每個(gè)連桿上固接一個(gè)坐標(biāo)系，用其來(lái)描述相對(duì)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人通過(guò)機(jī)械臂完成人們交予的任務(wù)，從早期齒輪傳動(dòng)只能上下移動(dòng)的垂直臂到后來(lái)液壓驅(qū)動(dòng)多自由度自由伸縮的機(jī)械臂，期間一共度過(guò)了40年的時(shí)間[7]。如今，機(jī)械臂已經(jīng)更加擬人化，包括安裝了觸覺(jué)，視覺(jué)，力覺(jué)等感受功能部件，使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)起來(lái)能夠理性避讓障礙,減少不必要的損失
7、。1.3.2操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、靜力和變形把操作臂的連桿近似的當(dāng)成剛體，則相鄰兩連桿坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系用連桿變換矩陣來(lái)表示。操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)則討論手臂末端執(zhí)行器的位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系[8]。操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)由兩個(gè)基本問(wèn)題:正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。操作臂動(dòng)力學(xué)研究各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力與終端操作器的位置、速度和加速度之間的關(guān)系。操作臂的動(dòng)力學(xué)方程十分復(fù)雜，不僅與操作臂的形位有關(guān)，還和連桿的質(zhì)量分布、連桿的結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)之間的摩擦等有關(guān)[9]。操作臂的動(dòng)力學(xué)方程有多種形式:關(guān)節(jié)空間、操作空間和狀態(tài)空間形式。研究操作臂動(dòng)力學(xué)一方面是為機(jī)器人控制提供
8、精確的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算驅(qū)動(dòng)力函數(shù)、實(shí)現(xiàn)前饋補(bǔ)償;另一方面是為了仿真，根據(jù)加速度計(jì)算相應(yīng)的關(guān)節(jié)力[10]。1.3.3操作臂的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人的操作臂在運(yùn)動(dòng)之前，需要明確是否一定要沿特定的路徑運(yùn)動(dòng)，還要明確在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否會(huì)與障礙物相碰[11]。如果對(duì)運(yùn)動(dòng)的
