gamma300型七自由度機(jī)械臂建模與仿真 (1)

《gamma300型七自由度機(jī)械臂建模與仿真 (1)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。

1、中北大學(xué)學(xué)位論文1.引言1.1研究背景和意義機(jī)器人這個(gè)名詞所涵蓋的領(lǐng)域非常廣泛，不僅包括機(jī)械、電子、自動(dòng)化等方面，同時(shí)還涉及計(jì)算機(jī)以及人工智能等多種學(xué)科，是目前科技發(fā)展中最活躍的領(lǐng)域之一。機(jī)械臂是通過(guò)對(duì)人類(lèi)的手臂進(jìn)行模仿，從而創(chuàng)造出的一種能夠?qū)崿F(xiàn)抓握、移動(dòng)等目的的機(jī)械裝置，具有能穩(wěn)定性、持久性的工作特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、高標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中扮演十分重要的角色。到二十世紀(jì)中葉，人們對(duì)機(jī)械臂的發(fā)明和使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，在計(jì)算機(jī)技術(shù)在飛速的發(fā)展的同時(shí)，對(duì)于生產(chǎn)的大批量化迫切的要求自動(dòng)化技術(shù)的與時(shí)俱進(jìn)，在此基礎(chǔ)上機(jī)械臂領(lǐng)域悄然發(fā)展起來(lái)了。再者，對(duì)于核能的開(kāi)發(fā)研究同樣迫切需要機(jī)械手臂來(lái)代替人

2、類(lèi)與放射性物質(zhì)接觸。在以上種種需求之下，一九四七年由美國(guó)首先開(kāi)發(fā)了一款遙控機(jī)械臂，開(kāi)創(chuàng)了機(jī)械臂技術(shù)發(fā)展的先河。經(jīng)過(guò)不斷研究和改進(jìn)在第二年又研制出了主從機(jī)械臂。機(jī)械臂的研制始于美國(guó)，首臺(tái)機(jī)器的結(jié)構(gòu)是：機(jī)器上有一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂端是有磁性的抓放裝置，擁有示教型的控制系統(tǒng)。在七零年關(guān)于機(jī)器人的首屆國(guó)際會(huì)議召開(kāi)伊始，機(jī)械臂被廣泛應(yīng)用到各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域、大量勞動(dòng)力被逐步取代，人類(lèi)進(jìn)入了機(jī)械化時(shí)代。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷應(yīng)用，機(jī)械臂的主要控制程序被微型計(jì)算機(jī)所主宰，機(jī)械臂的可操作性被大幅度提高，設(shè)備的體積不斷減小，減少了大量的制作原材料、降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)空間[1]。九十年代至今工業(yè)生產(chǎn)

3、機(jī)械臂已走向市場(chǎng)化，代替人類(lèi)勞動(dòng)如焊接、搬運(yùn)等?，F(xiàn)如今機(jī)械臂已應(yīng)用在醫(yī)療方面，主要是借鑒了機(jī)械手臂的多關(guān)節(jié)性和智能性。研究人員參照人類(lèi)胳膊或腿仿生制造出多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，廣泛應(yīng)用于肢體殘疾人士。而對(duì)于手術(shù)臺(tái)上的機(jī)械手臂主要是依據(jù)機(jī)械臂的智能性，以此來(lái)完成精確度、精細(xì)度較高的手術(shù)，并保質(zhì)保量。同時(shí)，由于人類(lèi)從事勞動(dòng)具有生理上的極限，并且有著主觀客觀的干擾因素，應(yīng)用機(jī)械手臂可以很好的置換掉這一缺陷，并能長(zhǎng)期重復(fù)的從事一類(lèi)動(dòng)作任務(wù)，使得工作效率大大提高。1萬(wàn)方數(shù)據(jù)中北大學(xué)學(xué)位論文美國(guó)C.M公司在九二年推出了手術(shù)機(jī)器人，此后醫(yī)療機(jī)械臂正式走進(jìn)醫(yī)院，走進(jìn)臨床。其間當(dāng)屬零零年由德國(guó)公司研發(fā)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用于腦科神

4、經(jīng)手術(shù)的機(jī)器人和零九年由日本研發(fā)的專(zhuān)為顯微神經(jīng)外科的手術(shù)機(jī)器人最為著名。一時(shí)之間醫(yī)療機(jī)械臂在世界上產(chǎn)生投資浪潮，影響力非常之大，但是在短時(shí)間內(nèi)想要實(shí)現(xiàn)大范圍大規(guī)模的醫(yī)用機(jī)械臂仍然是待攻克的難題[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械臂研究的起步相對(duì)較晚，從二十世紀(jì)七十年代開(kāi)始，我們分三個(gè)階段進(jìn)行論述。在八十年代末九十年代初，我國(guó)依據(jù)國(guó)外機(jī)械臂技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r分析自身技術(shù)水平首次規(guī)劃了未來(lái)機(jī)械臂技術(shù)的發(fā)展藍(lán)圖。目標(biāo)在十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域機(jī)械臂武裝，還要求在其他領(lǐng)域，包括海洋、醫(yī)療等大力發(fā)展機(jī)械臂技術(shù)。在當(dāng)時(shí)甚至專(zhuān)門(mén)設(shè)定機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃以及將機(jī)器人方面技術(shù)的發(fā)展并入“八六三”計(jì)劃當(dāng)中。在八五年由哈工大研制的兩足步行機(jī)器人見(jiàn)證

5、了那個(gè)歷史的時(shí)刻。在二十世紀(jì)九十年代，機(jī)械臂的應(yīng)用已經(jīng)滲入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。在改革開(kāi)放以來(lái)，汽車(chē)制造業(yè)、機(jī)械加工、棉麻品紡織業(yè)等都融入了機(jī)械臂技術(shù)，極大的促進(jìn)了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)。這個(gè)時(shí)期的代表機(jī)器人分別為來(lái)自北京的高壓水切割機(jī)器人和出自沈陽(yáng)的遙控移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人。九十年代之后，我國(guó)針對(duì)機(jī)械臂領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已然接軌于世界水平。以機(jī)械臂全面武裝工業(yè)制造業(yè)以及其他行業(yè)的目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。甚至在太空也研制了空間機(jī)械臂。對(duì)于醫(yī)療機(jī)械臂的研究已經(jīng)開(kāi)始并將持續(xù)發(fā)展下去。在軍事方面，出品排雷、排爆的特種機(jī)械臂?？傮w來(lái)說(shuō)，機(jī)械臂的快速發(fā)展以及技術(shù)應(yīng)用的不斷成熟，效果驚人。此階段具有代表性的研發(fā)成果分別為華南理工大研制

6、的焊接機(jī)械臂和哈工大研制的蒸氣發(fā)生器檢修機(jī)械臂。人們?cè)诙兰o(jì)八十年代后，為提高機(jī)器人在復(fù)雜作業(yè)中的操作性能，增強(qiáng)靈活性和柔順性，以此來(lái)適應(yīng)不同環(huán)境下不同的任務(wù)。此時(shí)出現(xiàn)了冗余度機(jī)械臂，通過(guò)增加機(jī)械臂的自由度也就是增添更多關(guān)節(jié)，來(lái)滿(mǎn)足高效率、高安全性的需要[2]。冗余度機(jī)械臂指的是操作臂擁有自由度數(shù)大于要完成某個(gè)動(dòng)作必需的最少自由度數(shù)的此種類(lèi)型機(jī)械臂[3]。機(jī)械臂至少需要六個(gè)自由度來(lái)完成三維空間的任意方位動(dòng)作，故本文所研究的GAMMA300機(jī)械臂具有七個(gè)自由度，屬于冗余自由度機(jī)械臂。仿人機(jī)械臂有顯著的優(yōu)勢(shì)，多自由度能夠到達(dá)并穿越障礙，可以重新配置強(qiáng)度，伴隨靈巧流暢2萬(wàn)方數(shù)據(jù)中北大學(xué)學(xué)位論文的手

7、臂動(dòng)作。然而，對(duì)于機(jī)械臂自身的建模問(wèn)題、測(cè)量精確度問(wèn)題、負(fù)載問(wèn)題以及外部干擾問(wèn)題帶來(lái)的各種不確定性，還有機(jī)械臂各個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合問(wèn)題，這些會(huì)給機(jī)械臂的控制增加難度和復(fù)雜度，不能使機(jī)械臂順利按照理論值進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制達(dá)到目標(biāo)要求。鑒于以上原因，對(duì)于機(jī)械臂系統(tǒng)的建模與仿真進(jìn)行進(jìn)一步分析是非常必要的，并且具有非常重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值[4]。本課題研究的GAMMA300型機(jī)械臂具有運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余，像人類(lèi)手臂