移動機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、移動機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第1章緒論1.1課題背景及選題意義機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備。最前沿的機(jī)器人研發(fā)和制造技術(shù)集機(jī)械工程、電子工程、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、傳感器及控制工程、生物工程等多學(xué)科技術(shù)為一體，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是一個(gè)國家高科技實(shí)力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志。從科學(xué)技術(shù)開發(fā)的角度來看，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)智能化的硬件平臺。為了與環(huán)境更好地進(jìn)行交互、靈活地操縱物體、完成目標(biāo)任務(wù)、跟上智能化的步伐、讓機(jī)械臂具有極高的靈活性與可靠性機(jī)，械臂研究致力于模仿人類的手臂，并出現(xiàn)了冗余度擬人雙臂機(jī)器人，這種機(jī)器人具有可克服奇異性高容錯(cuò)性等特點(diǎn)[

2、1]。就目前實(shí)際在工業(yè)制造、國防安全、警務(wù)防爆等各領(lǐng)域的實(shí)用性而言，采用更為普遍的是具有固定機(jī)座的工業(yè)機(jī)器人和帶機(jī)械臂的移動機(jī)器人。隨著機(jī)器人的不斷發(fā)展，機(jī)器人的種類也在不斷增加，但是無論何種形狀的機(jī)器人，都至少具有移動和操作能力這兩個(gè)最基本的功能之一。因此根據(jù)功能特性可以把機(jī)器人大體分為三大類[2]:(1)只能移動的移動機(jī)器人。(2)僅具有操作能力的機(jī)械臂。(3)具有移動和操作能力的移動機(jī)械臂系統(tǒng)。自上世紀(jì)60年代以來，機(jī)械臂開始廣泛的應(yīng)用到加工裝配、焊接、涂裝等行業(yè)，機(jī)械臂不但減輕了人們的工作強(qiáng)度，并且極大的提升了加工生產(chǎn)效率。但這些機(jī)械臂絕大部分是

3、固定于固定基座上的，這種用于重復(fù)性工作的機(jī)械臂相對位置精度要求較高，而絕對位置精度要求一般。隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，使得機(jī)器人所面對的環(huán)境越來越多樣化，所執(zhí)行的任務(wù)也具有多種不確定性因素，這就要求機(jī)器人需要同時(shí)具有移動和操作的能力。搭載在移動底盤上的機(jī)械臂系統(tǒng)恰好能夠滿足這種需求，這類機(jī)械臂因?yàn)榫哂幸苿幽芰?，故又被稱為移動機(jī)械臂。它既具有移動平臺的運(yùn)動性能又具有機(jī)械臂的執(zhí)行功能。最初的移動機(jī)械臂主要應(yīng)用于太空探索方向，現(xiàn)在它的應(yīng)用己遍及多個(gè)領(lǐng)域，并在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、家庭服務(wù)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景?；谝苿悠脚_的機(jī)械臂系統(tǒng)具有靈活度高、適應(yīng)性廣、

4、功耗低等特性，已成為二十一世紀(jì)機(jī)器人發(fā)展的重點(diǎn)方向。本課題來源于南京市科技局的科技計(jì)劃項(xiàng)目。通過進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算等，使得移動機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，高運(yùn)動性能等特點(diǎn)。1.2理論的淵源及演進(jìn)過程移動機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的NilsNilssen和CharlesRosen等人，在1966年至1972年中研發(fā)出了取名Shakey的自主移動機(jī)器人[3]，目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。自此以來，機(jī)械臂開始廣泛應(yīng)用于加工裝配行業(yè)。從工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程，可以看出機(jī)器人的

5、發(fā)展?fàn)顩r：（1）第一代機(jī)器人，即按事先示教的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)的動作的機(jī)械。它也可以簡稱為示教／再現(xiàn)方式的機(jī)器人或是T/P方式(Teaching/Playback)的機(jī)器人。目前國際上實(shí)用的機(jī)器人大多仍是這種工作方式。由于這種工作方式只能按照事先示教的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)的動作而對周圍環(huán)境無感覺的功能，其應(yīng)用范圍受到一定的限制，主要用于材料的搬運(yùn)、噴漆、點(diǎn)焊等工作。（2）第二代機(jī)器人，即具有如視覺、觸覺等外部感覺功能的機(jī)器人。這種機(jī)器人由于具有外部的感覺功能，因此可以根據(jù)外界的情況修改自身的動作，從而完成較為復(fù)雜的作業(yè)。例如，機(jī)械裝配、打磨、工件檢查等工作

6、。（3）第三代機(jī)器人，這類機(jī)器人除了具有外部感覺功能外，還具有規(guī)劃和決策的功能。從而可以適應(yīng)因?yàn)榄h(huán)境的變化而自主進(jìn)行的工作。第三代機(jī)器人目前還處于研究階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)推廣，成為主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器人也占有一定比重（占日本1998年安裝臺數(shù)的10%，銷售額的36%）。隨著機(jī)械臂的發(fā)展，安裝于固定基座的機(jī)械臂的工作空間極其有限，不能滿足實(shí)際任務(wù)需要。針對這種情況，自上世紀(jì)80年代末期開始，許多機(jī)構(gòu)分別開展了移動機(jī)器人（MobileRobot）技術(shù)的研究[5]。如美國Hughes人工智

7、能中心在1987年開始的移動機(jī)器人越野實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)科研院所也在同一時(shí)期開展了移動機(jī)器人的研究[6]，如清華大學(xué)自1988年開始設(shè)計(jì)的一系列移動機(jī)器人THMR（TsinghuaMobileRobot）。將機(jī)械臂應(yīng)用于移動平臺的案例也越來越多，如在軍事行動和反恐行動中使用的偵查排爆機(jī)器人，災(zāi)害救援時(shí)使用的搜索機(jī)器人，農(nóng)業(yè)中使用的采摘機(jī)器人，為行動不便的人設(shè)計(jì)的智能輪椅[7]，水下機(jī)器人[8]，地外行星樣品采集機(jī)器人等。在移動機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的今天，為移動平臺安裝機(jī)械臂或者說為機(jī)械臂提供移動基座是當(dāng)今移動機(jī)器人發(fā)展的重要方向，而研究這種兩者結(jié)合的移動機(jī)械臂相關(guān)

8、技術(shù)也是機(jī)械臂研究領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢。1.3移動機(jī)械臂研究的綜述在焊接、噴涂和搬