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《移動機器人機械臂結(jié)構設計》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關內(nèi)容在學術論文-天天文庫。
1、1緒論1.1引言在星球表面探索、地震或事故現(xiàn)場救災、自然界未知事物探索等環(huán)境中工作的移動機器人,面臨著復雜、未知、多變的非結(jié)構環(huán)境,應具有良好的適應性、靈活性。移動機器人應當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[1]。機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,擴大了人類改造自然的能力,尤其是近些年來自動化和計算機的發(fā)展極大地推動了工業(yè)機器人的發(fā)展。機器人的研究、開發(fā)、應用涉及許多學科,機器人技術是一門跨學科的綜合性
2、技術。多剛體動力學、機構學、機械設計、傳感技術、電氣液壓驅(qū)動、控制工程、智能控制、計算機科學技術、人工智能和仿生學等學科都和機器人技術有密切的聯(lián)系[2]。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀地面移動機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動的物體。地面移動機器人的研究最早可追溯到五十年代初,美國BarrettElectronics公司研究開發(fā)出世界第一臺自動引導車倆系統(tǒng)。由于當時電子領域尚處于晶體管時代,該車功能有限,僅在特定小范圍運動,目的是提高運輸自動化水平。到了六、七十年代,美國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。到了八十年代,國外掀起了智能機器人研究熱潮,其中具有廣闊應用前景和軍事價值的移動機器人受到西方各國的普遍關注[3]。在移動機器人的發(fā)展中,出現(xiàn)兩個機器人大國,一個是日本,另一個是美國。時至今日,各種類型的地面移動機器人紛紛研制出來,其應用范圍從民用、工業(yè)用到軍用,涉及人類運動的方方面面。進入90年代,機器人技術的發(fā)展由于受到發(fā)達資本主義經(jīng)濟不景氣的影響,專門從事機器人研究和生產(chǎn)的部門數(shù)目有所減少,但由于人工智能、計算機科學、傳感器科學的長足進步,使得機器人的研究在高水平上進行。機器人發(fā)展到
4、今天已經(jīng)是燦爛輝煌,隨著信息技術、電子技術的發(fā)展,移動機器人作為人工智能的一個分支也將吸收這些成果,功能將更完善,新的移動機器人也將涌現(xiàn)出來[4]。未來的機器人技術,將在以下幾個方面發(fā)展。(1)高速操作臂高速操作臂可以大大提高機器人的工作效率。為此,必須開展新的手腕機構和伺服驅(qū)動裝置,以及能適應機械臂高速運動的變轉(zhuǎn)動慣量的動態(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)動裝置的效率低、輕型材料的強度
5、和韌性不夠。因此,新型材料的開發(fā)成為了研制高效機器人的重中之重。(3)多自由度操作臂要實現(xiàn)狹小空間的操作,研制超多自由度的機械手是完全必要的[。(4)高精度、多自由度控制操作臂機器人被越來越多的用在醫(yī)療,軍事等需求高精度的場合,在保證精度的同時還要追求高自由度,要能完成各種各樣的動作,這就要求研制出更穩(wěn)定的系統(tǒng)來保證操作臂動作的精度。(5)微型操作臂目前的操作臂局限于材料和驅(qū)動力,自身的大小不能滿足越來越精密的工作場合。為此,微型操作臂的開發(fā)已在日程中[5]。1.3機械臂介紹1.3.1機器人操作臂的機構和空間描述機器人要實現(xiàn)功能
6、最重要的部件就是機械臂(亦稱操作臂),一般是由一系列連桿由旋轉(zhuǎn)關節(jié)或移動關節(jié)相連接的開式運動鏈,一端裝在固定的支座上(機座);另一端自由,安裝手爪、工具,實現(xiàn)各種操作[6]。為了描述組成操作臂的各連桿之間的相對位置和姿態(tài),在每個連桿上固接一個坐標系,用其來描述相對運動。機器人通過機械臂完成人們交予的任務,從早期齒輪傳動只能上下移動的垂直臂到后來液壓驅(qū)動多自由度自由伸縮的機械臂,期間一共度過了40年的時間[7]。如今,機械臂已經(jīng)更加擬人化,包括安裝了觸覺,視覺,力覺等感受功能部件,使機械臂運動起來能夠理性避讓障礙,減少不必要的損失
7、。1.3.2操作臂運動學、動力學、靜力和變形把操作臂的連桿近似的當成剛體,則相鄰兩連桿坐標系之間的位置關系用連桿變換矩陣來表示。操作臂運動學則討論手臂末端執(zhí)行器的位姿與關節(jié)變量之間的關系[8]。操作臂運動學由兩個基本問題:正向運動學和逆向運動學。操作臂動力學研究各關節(jié)驅(qū)動力與終端操作器的位置、速度和加速度之間的關系。操作臂的動力學方程十分復雜,不僅與操作臂的形位有關,還和連桿的質(zhì)量分布、連桿的結(jié)構、關節(jié)之間的摩擦等有關[9]。操作臂的動力學方程有多種形式:關節(jié)空間、操作空間和狀態(tài)空間形式。研究操作臂動力學一方面是為機器人控制提供
8、精確的動力學模型,計算驅(qū)動力函數(shù)、實現(xiàn)前饋補償;另一方面是為了仿真,根據(jù)加速度計算相應的關節(jié)力[10]。1.3.3操作臂的軌跡規(guī)劃和運動控制機器人的操作臂在運動之前,需要明確是否一定要沿特定的路徑運動,還要明確在運動過程中是否會與障礙物相碰[11]。如果對運動的