車載機械臂軌跡布局與軌跡補償方式研究

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1、車載機械臂軌跡布局與軌跡補償方式研究第1章緒論1.1課題研究背景及意義隨著機器人技術(shù)的發(fā)展和完善，該技術(shù)對很多國家的太空和海洋探索、工業(yè)生產(chǎn)以及國民經(jīng)濟產(chǎn)生了積極影響，并且這種影響呈擴大趨勢發(fā)展。機器人是將電力電子技術(shù)、自動檢測技術(shù)、機械工程技術(shù)等多學(xué)科先進技術(shù)融于一體的現(xiàn)代產(chǎn)品制造工業(yè)的裝備，因此，機器人技術(shù)成為了當(dāng)代技術(shù)研究的熱點問題[2,3]。機器人自20世紀(jì)60年代初問世以來，共經(jīng)歷了從自動機到工業(yè)機器人以及從一般機器人到具有強大功能的工業(yè)機器人兩大飛躍[4,5]。目前機器人技術(shù)的研發(fā)正處于蒸蒸日上的發(fā)展階段，機器人技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)志著整個國家的自動

2、化水平。發(fā)達國家中，機器人技術(shù)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域中得以運用[6-8]。車載機械臂是將各個關(guān)節(jié)、連桿和末端執(zhí)行器共同組合成的一個相互連接以及相互依賴的傳動機構(gòu)。工程應(yīng)用中大多數(shù)車載機械臂采用液壓驅(qū)動，如圖1.1所示。車載機械臂主要優(yōu)點有：操作簡潔方便、節(jié)省作業(yè)成本、裝卸效率高等。為了完成自動轉(zhuǎn)載過程，需要設(shè)計合理的軌跡規(guī)劃方法，使整個過程平穩(wěn)安全的運行?？紤]到車載機械臂在自動轉(zhuǎn)載過程中會發(fā)生形變，對裝載精度造成影響，需要補償因變形所造成的影響。保證按照指定路徑平穩(wěn)的抓取和放置目標(biāo)物體，完成整個自動轉(zhuǎn)載。車載機械臂構(gòu)型較復(fù)雜，同時含有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和伸縮關(guān)節(jié)

3、，并且伸縮關(guān)節(jié)具有強耦合性。在機械臂運動學(xué)的分析過程中，構(gòu)型特點、任務(wù)要求以及作業(yè)環(huán)境的影響對進一步的研究有著重要意義。研究車載機械臂軌跡規(guī)劃對其平穩(wěn)、準(zhǔn)確、安全和高效的轉(zhuǎn)載有著巨大的意義。這不僅使得大載荷物體轉(zhuǎn)載的自動化程度大大提高，而且節(jié)省了大量人力，確保了轉(zhuǎn)載精度。車載機械臂在實際工程中，自動轉(zhuǎn)載過程中產(chǎn)生的誤差對整個轉(zhuǎn)載精度造成不利的影響。研究軌跡誤差補償，對整個車載機械臂自動轉(zhuǎn)載具有重要的意義。本課題中的車載機械臂屬于液壓驅(qū)動型機械臂。它主要轉(zhuǎn)載任務(wù)是完成大載荷物體在該車與運輸車之間的轉(zhuǎn)載作業(yè)。傳統(tǒng)的搬運機械臂既耗費了大量的時間和體力又不能保證

4、轉(zhuǎn)載精度。因此，本課題設(shè)計了一種具有高自動轉(zhuǎn)載精度的車載機械臂。1.2車載機械臂的研究現(xiàn)狀從20世紀(jì)40年代開始，國外形成了機電液控制一體化的車載機械臂，用于搬運物體。西方發(fā)達國家中，勞動力成本很高。運用車載機械臂裝卸物體，不但可以降低生產(chǎn)成本，而且可以提高裝卸精度。因此，車載機械臂在國外發(fā)達國家中得到廣泛的應(yīng)用[9]。目前國外市場中比較有名氣的是德國法恩公司生產(chǎn)的車載機械臂，該公司產(chǎn)品的特點是：前軸裝減震剛性軸，后輪裝獨立單輪，這樣使該產(chǎn)品在野外作業(yè)時性能大大改善。世界知名車載機械臂制造商聯(lián)邦德國克虜伯公司生產(chǎn)的KMK系列產(chǎn)品，不但可以節(jié)省燃油，而且維

5、修與備件供應(yīng)極為方便。還有芬蘭希爾博公司、奧地利帕爾菲格公司和意大利FASSI公司主要生產(chǎn)折疊式車載機械臂[10]。我國最早使用的是日本生產(chǎn)的伸縮臂式車載機械臂。這種結(jié)構(gòu)的車載機械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于維修。近年來隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，車載機械臂的市場也逐漸擴大，促使中國的自動化生產(chǎn)快速發(fā)展[11,12]。全國生產(chǎn)車載機械臂的廠家約有l(wèi)0多家，主要企業(yè)有徐州隨車起重機公司、山西長治清華機械廠、石家莊煤礦機械廠、湖南專用汽車制造廠等[9]。目前，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，世界各國車載機械臂的生產(chǎn)有了較大的發(fā)展。從最初的單一產(chǎn)品，現(xiàn)已發(fā)展成全系列、大力矩、多功能、外

6、型美觀、操作簡單、使用安全，并能進行有線或無線遙控的先進產(chǎn)品，可以說車載機械臂的發(fā)展已進入了成熟期。由于國外勞動力費用高，強調(diào)工作效率，施工中基本不存在人工裝卸，車載機械臂有使用靈活、技術(shù)成熟等特點，所以在歐洲車載機械臂市場前景廣闊。我國車載機械臂起步較晚，但隨著科學(xué)技術(shù)的進步和市場需求的增加，我國車載機械臂的生產(chǎn)水平將會日益發(fā)展，系列將不斷完善，產(chǎn)品將具有更大的市場潛力。目前，在沿海城市和地區(qū)，車載機械臂的銷售形勢正逐步好轉(zhuǎn)，特別是大型車載機械臂，正受到南方個體用戶的青睞，并有向內(nèi)地推進的趨勢。第2章車載機械臂運動學(xué)建模2.1引言車載機械臂的運動學(xué)主要

7、把機械臂相對于固定參考系下的運動作為時間的函數(shù)進行分析研究，而不考慮引起這些運動的力和力矩，也就是要把車載機械臂的空間位移解析地表示為時間的函數(shù)，主要是研究關(guān)節(jié)變量空間和車載機械臂末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)之間的關(guān)系。由于車載機械臂是由關(guān)節(jié)、連桿及伸縮臂構(gòu)成，所以為每一連桿建立一個坐標(biāo)系，并用齊次變換矩陣方法來描述這些坐標(biāo)系間的相對位置和姿態(tài)。對于車載機械臂的運動學(xué)建模主要包括兩方面問題：（1）正運動學(xué)問題：已知連桿參數(shù)α、a、id以及關(guān)節(jié)變量的值，來求解末端執(zhí)行器的位姿。機械臂的總體坐標(biāo)系，一般取大地上的笛卡爾坐標(biāo)系。（2）逆運動學(xué)問題：已知連桿

8、參數(shù)α、a、id以及末端執(zhí)行器位姿，來求解機械臂各個關(guān)節(jié)變量的值。通