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機(jī)械臂范文第1篇

【關(guān)鍵詞】機(jī)械臂；研究；發(fā)展

1.引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，為了能更好地與環(huán)境進(jìn)行交互、操縱物體、完成任務(wù)，跟上智能化的步伐，機(jī)器人的操作終端，如機(jī)械臂、手爪的作用越來越重要。這對機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的指標(biāo)，要求高的負(fù)載自重比，操作更加靈活，強(qiáng)穩(wěn)定性和安全性等[1]。

2.機(jī)械臂的發(fā)展

機(jī)械臂（Manipulator）是模擬人的上臂而構(gòu)成的。為了保證機(jī)器人手部有6個空間自由度，其主動關(guān)節(jié)數(shù)目一般為6。一般情況下，全部關(guān)節(jié)皆為轉(zhuǎn)動型關(guān)節(jié)，而且其前3個關(guān)節(jié)一般都集中在手腕部。關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對的工作空間最大，還能繞過基座周圍的一些障礙物，是機(jī)械臂中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，比較典型的如PUMA[2]、SCARA[3]等。多關(guān)節(jié)機(jī)械臂[4]的優(yōu)點是：動作靈活、運動慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線上。機(jī)械臂發(fā)展?fàn)顩r如下：

（1）第一代機(jī)械臂，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)械臂或是T/P方式(Teaching/Playback)的機(jī)械臂。目前國際上使用的機(jī)械臂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、噴漆、點焊等工作。

1996年樊炳輝等申請的專利，一種用于煤礦巷道、隧道、室內(nèi)墻壁及一般機(jī)械行業(yè)噴涂工藝的四連桿機(jī)械臂機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要包含行走組件、大臂組件、平衡拉桿組件、小臂組件四大部分，其中又包含四組按一定比例關(guān)系構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu)，它能使噴槍在噴涂過程中，容易實現(xiàn)垂直起落，并始終保持對受噴面垂直、等距的關(guān)系[5]。

1997年烏克爾，戈道斯等申請的專利，一種用縫合針將病人的第二血管縫合到冠狀動脈上的最小侵入性手術(shù)方法。該系統(tǒng)采用機(jī)械臂連接的手術(shù)器械。這些器械具有能夠作來抓取和縫合組織的末端操作裝置。該機(jī)械臂通過一個控制器與一對主操作手柄聯(lián)結(jié)。手柄可以由外科醫(yī)生移動來產(chǎn)生末端操作裝置的一個相應(yīng)移動[6]。

（2）第二代機(jī)械臂，即具有如視覺、觸覺等外部感覺功能的機(jī)械臂。這種機(jī)械臂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)。如：

李彥濤等研制一種將Simulink控制程序和助餐機(jī)器人目標(biāo)機(jī)無縫鏈接、下載的方法，實現(xiàn)機(jī)器人的實時控制，實時滿足不同傷殘患者的助餐要求。在Matlab/xPC實時目標(biāo)環(huán)境的基礎(chǔ)上，開發(fā)了助餐機(jī)器人的硬件接口模塊和上位機(jī)軟件模塊，設(shè)計了助餐機(jī)器人模塊化控制平臺及基于腳踏開關(guān)、語音識別和圖像識別的三種人機(jī)交互方式。實現(xiàn)了機(jī)械手3個關(guān)節(jié)控制器、運動學(xué)計算、路徑規(guī)劃控制算法[7]。

人臉肖像繪制機(jī)械臂是一種可以自動繪制人臉肖像輪廓圖的智能機(jī)械系統(tǒng)，它由圖像采集模塊、圖像處理模塊、機(jī)械控制繪圖模塊組成，能夠自動拍攝人臉照片，提取肖像輪廓，然后控制機(jī)械臂在畫板上畫出人臉線條畫。人臉肖像繪制機(jī)器人是機(jī)器視覺的研究方向之一，廣泛用于科普展覽，其中提出的基于機(jī)器視覺的研究技術(shù)在生產(chǎn)和生活等各個方面都有著廣泛的應(yīng)用。研究繪圖機(jī)械控制系統(tǒng)的硬件選型和控制算法，在Visual C++6.0中實現(xiàn)了外部對機(jī)械臂繪圖動作的自動控制，設(shè)計機(jī)械臂繪畫動作流程，完成人臉輪廓圖的自動繪制[8]。

（3）第三代機(jī)械臂，這類機(jī)械臂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)因為環(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，距離實際應(yīng)用還有一段距離。如：鄒建奇[9]等人以柔性機(jī)械臂為例，進(jìn)行簡單的逆運動學(xué)分析.并采用小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對機(jī)械臂的逆運動學(xué)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可在較短的學(xué)習(xí)次數(shù)中有效地控制機(jī)械臂的振動。

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。

3.機(jī)械臂技術(shù)的要素

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)：以關(guān)節(jié)型為主流，80年明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的1/2。應(yīng)汽車、建筑、橋梁等行業(yè)的需求，超大型機(jī)器人應(yīng)運而生。CAD、CAM等技術(shù)已普遍用于設(shè)計、仿真和制造中。

（2）控制技術(shù)：大多采用32位CPU，控制軸數(shù)多達(dá)27軸，NC技術(shù)、離線編程技術(shù)大量采用。協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制。采用基于PC開放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)已成為一股潮流。

（3）驅(qū)動技術(shù)。新一代伺服電機(jī)與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合已由FANUC等公司開發(fā)并用于工業(yè)機(jī)器人中，在遠(yuǎn)程控制中分布式智能驅(qū)動新技術(shù)[10]。

（4）應(yīng)用智能化的傳感器。裝有視覺傳感器的機(jī)器人數(shù)量呈上升趨勢，不少機(jī)器人裝有兩種以上傳感器，有些機(jī)器人留了多種機(jī)器人接口。

（5）通用機(jī)器人編程語言。在ABB公司的20多個型號產(chǎn)品中，采用了通用模塊化語言RAPID。該語言易學(xué)易用，可用于各種開發(fā)環(huán)境，與大多數(shù)WINDOWS軟件產(chǎn)品兼容。

（6）網(wǎng)絡(luò)通訊。大部分機(jī)器人采用了Ether網(wǎng)絡(luò)通訊方式，占總量的41.3%，其他采用RS-232、RA-422、RS-485等通訊接口。

4.前景展望

從三代機(jī)械臂的發(fā)展來看，隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械臂越來越高精度，多功能，且向著集成化，系統(tǒng)化，智能化的方向發(fā)展。

（1）高速、高精度、多功能化。目前，最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為16.5m/s，有一種大直角坐標(biāo)搬運機(jī)器人，其最大合成速度竟達(dá)80m/s。90年代末的機(jī)器人一般都具有兩、三種功能，向多功能化方向發(fā)展。

（2）集成化與系統(tǒng)化。當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)的另一特點是機(jī)器人的應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。百臺以上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊設(shè)備和操作人員形成一個大群體?？鐕蠹瘓F(tuán)的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)結(jié)在一起，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的“虛擬制造”，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及機(jī)器人在FMS、CIMS系統(tǒng)中的群體應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，滿足多樣化、個性化的需求。

參考文獻(xiàn)

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機(jī)械臂范文第2篇

關(guān)鍵詞：六自由度機(jī)械臂；OpenCV；伺服；制動

中圖分類號：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）33-0227-03

1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.1 開發(fā)環(huán)境

本設(shè)計的開發(fā)環(huán)境是arduino。Arduino是一款完全開源的電子原型平臺，包含了arduino板和arduino IDE。由歐洲開發(fā)團(tuán)隊開發(fā)，使用類似C語言的processing開發(fā)環(huán)境。Arduino可以自行設(shè)計或者購買已經(jīng)焊接好的板子，程序代碼寫在arduino IDE上，實現(xiàn)對arduino板子的控制。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

作為近幾十年來發(fā)展起來的一種自動設(shè)備，機(jī)械臂可以通過編寫軟件程序來完成目標(biāo)任務(wù)，它不僅大部分機(jī)械臂共同的機(jī)械有點，而且特別具有人的視覺以及判斷能力。在作業(yè)過程中，機(jī)械臂控制的準(zhǔn)確性和對環(huán)境的適應(yīng)性，已經(jīng)使其在各個領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。高級類型的機(jī)械臂，可以執(zhí)行更復(fù)雜的操作。將機(jī)器臂運用于工業(yè)生產(chǎn)過程，除了可以提高生產(chǎn)率之外，還能夠減弱工人的勞動強(qiáng)度，使生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動控制。因此機(jī)械臂在近幾年得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。

在國外，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，涵蓋于各個行業(yè)，已經(jīng)得到了非常廣泛的運用，而相比國內(nèi)，我國基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)跟不上，機(jī)械設(shè)計的工藝也達(dá)不到一個極高的水平，而且部分設(shè)計不夠系統(tǒng)科學(xué)，大多處于一個模仿的階段。以上原因?qū)е挛覈I(yè)機(jī)器人在國際上并不能達(dá)到一個較高的水準(zhǔn)。如今國內(nèi)企業(yè)需要革新自己的技術(shù)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)才能在國際市場上占有一席之地。

1.3 總體思路

1.3.1 機(jī)械臂軟件設(shè)計核心思路

攝像頭采集視頻圖像->利用OpenCV獲得圖像的一幀->對此幀圖像進(jìn)行濾波處理->將圖像序列幀由RGB模型轉(zhuǎn)為HSV模型->對得到的二值圖像進(jìn)行輪廓檢測->創(chuàng)建回調(diào)函數(shù)并對得到的三幅圖像進(jìn)行合并->創(chuàng)建滑動條窗口->將得到的圖像分為H，S，V三幅單通道圖像->在目標(biāo)體上繪制輪廓。

本文提到的OpenCV函數(shù)庫是一個開源的跨平臺的視覺圖像處理庫，利用此庫中提供的開源算法并加以邏輯上的改進(jìn)來提取攝像頭中幀圖像，再使用顏色閾值調(diào)節(jié)功能進(jìn)行顏色識別，再對結(jié)果進(jìn)行一系列的處理達(dá)到預(yù)期要求。

1.3.2 OpenCV簡介

OpenCV是一個基于開源發(fā)型的跨平臺計算機(jī)視覺庫，可以運行在眾多操作系統(tǒng)上，由一系列C函數(shù)和C++類構(gòu)成，輕量且高效，其提供的視覺處理算法非常豐富，被大量使用于眾多科學(xué)領(lǐng)域，衛(wèi)星地圖的圖像整合拼湊；醫(yī)學(xué)界病人器官圖像的去噪處理；安全系統(tǒng)中的物體動態(tài)監(jiān)測而預(yù)警；軍事行動中代替人眼而進(jìn)行眾多無人操作與活動，不光如此，在圖像處理能力外，還能對聲譜圖進(jìn)行識別操作從而進(jìn)行對聲音的識別。

1.4 單一模塊

1.4.1 顏色識別

顏色識別的首當(dāng)之事應(yīng)是正確選取顏色空間，常用的顏色空間有RGB、CMY、HSV、HIS等。本文采用RGB和HSV。

RGB（紅、綠、藍(lán)）可以看成一個三維的坐標(biāo)系，一個坐標(biāo)點表示一種顏色。HSV是顏色空間模型。表示顏色的是Hue，與坐標(biāo)點不同，他使用有角度的圓形來表示相應(yīng)顏色，比坐標(biāo)點更加靈活。表示飽和度的是Saturation，飽和度越低，則顏色填充就越少，例如圓心處取值為0，那么顏色會非常的淡，從底部往上，圓的半徑r越來越大，那么顏色就會越來越深。表示顏色的亮度的是Value，同理，也是從圓錐底端到頂端的數(shù)值漸變，底部表示為黑色，而頂端表示為白色。在實際實驗環(huán)境中，RGB顏色經(jīng)測驗非常容易受到強(qiáng)光、弱光、陰影等其他因素的干擾。相比之下，HSV空間能更加穩(wěn)定的處理這些光照的變化從而能更好地反應(yīng)顏色本質(zhì)、傳達(dá)正確信息。

1.4.2 圖像獲取與處理

1.4.2.1 圖像獲取與預(yù)處理

利用體感周邊外設(shè)中強(qiáng)大的Kinectz像頭（VideoCapture（…））獲取周圍環(huán)境圖像，讀取一張圖片或視頻中的一幀圖像，進(jìn)行兩次濾波后利用cvtColor（imgOriginal， imgHSV， COLOR_BGR2HSV）函數(shù)進(jìn)行RGB與HSV的轉(zhuǎn)換，再在HSV空間下對彩色圖像做直方圖均衡化。

高斯濾波函數(shù)：cvSmooth（…CV―GAUSSIAN…）。真實圖像的鄰近點像素如果變化，不會十分明顯，因為真實圖像的像素點是緩慢遷移變化的，但是如果兩個像素點倏忽變化的話，便會有很大的像素差，就是我們說的噪點，這時候便要用到廣泛用于圖像處理的減噪的高斯濾波，他對整幅圖進(jìn)行加權(quán)平均，從而能夠減少噪聲卻又不失真（保留信號）。

中值濾波函數(shù)：cvSmooth（…CV―MEDIAN…）。有時候圖像中會有孤立的噪聲點從而會形成較大差異，這樣會影響平均值也會產(chǎn)生較大噪音，所以便使用非線性平滑的中值濾波，他把圖像中的孤立的噪聲點用其領(lǐng)域中各個點值的中值代替從而有效的去噪并且能夠保護(hù)信號邊緣使之不模糊，其算法也十分簡單。

1.4.2.2 圖像細(xì)處理與生成

創(chuàng)建滑動條：返回所讀取的顏色參數(shù)闕值。本文設(shè)定了6個參數(shù)：

[LowHue（色度下限值）HighHue（色度上限值）LowSaturation（飽和度下限值）HighSaturation（飽和度上限值）HighBrightness（亮度上限值）LowBrightness（亮度下限值）]

之后得到返回的參數(shù)闕值，便用于檢查圖像像素灰度是否在設(shè)置的范圍內(nèi)并且可以得到目標(biāo)顏色的色度、飽和度和亮度單通道圖像。

將得到的三個單通道圖像進(jìn)行按位與運算，這樣便能檢測其二值圖像，由于此時會出現(xiàn)噪聲，所以采用膨脹腐蝕的方法進(jìn)行圖像形態(tài)學(xué)處理，使得到的目標(biāo)體進(jìn)行最大的連通。

圖像生成：查找輪廓和繪制輪廓，輪廓正確勾勒，圖像便能正確顯示。利用OpenCV中對灰度圖像處理的Canny邊緣檢測法（cvCanny（…）），將試圖獨立的候選像素拼裝成輪廓，輪廓的形成是對這些像素運用滯后性闕值，Canny邊緣檢測算法是高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，是對信噪比與定位精度之乘積的最優(yōu)化逼近算子。

Canny函凳淙朧涑齙畝嘉灰度圖，在邊緣檢測完成后，利用“cvFindContours（…）”函數(shù)得到輸出的圖像的輪廓函數(shù)（在二值圖像中），檢測輪廓個數(shù)，然后再用“cvDrawContours（…）”函數(shù)繪制檢測的輪廓。

2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 自由度及關(guān)節(jié)

本機(jī)械手臂采用4個電機(jī)實現(xiàn)4自由度，進(jìn)行手臂的升降，轉(zhuǎn)動，抓取，移動等功能。

2.2 基座及連桿

2.2.1 基座

基座是機(jī)械手臂的支撐，起到穩(wěn)固的作用，為了使機(jī)械手臂更加的穩(wěn)定，增大其與表面的接觸面積，降低重心，提升其穩(wěn)定性能。同時，基座的剩余部分，可用于防止控制的單片機(jī)及其擴(kuò)展版，使空間充分利用。

2.3 機(jī)械手臂設(shè)計

機(jī)械手是機(jī)械行業(yè)中必不可少的一個部分，主要起到操作，轉(zhuǎn)移等功能。根據(jù)工件的不同，機(jī)械手的精度，重量，形狀，光滑程度等都會不一樣，以至于達(dá)到節(jié)省成本或準(zhǔn)確夾取工件等實際要求。一般機(jī)械手包括：1）靈巧手；2）吸附手；3）夾取手；4）專用操作器。本設(shè)計因?qū)崿F(xiàn)的主要功能是夾取物體并轉(zhuǎn)移，工件物體不確定，因此采用夾取手作為機(jī)械手臂的機(jī)械手進(jìn)行操作。

2.4 驅(qū)動方式

調(diào)用Servo實現(xiàn)對舵機(jī)的控制，定義多個舵機(jī)，控制多個舵機(jī)，具體內(nèi)容根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)試。采用for語句，當(dāng)紅外或者視覺采集到數(shù)據(jù)，給予反饋，實現(xiàn)舵機(jī)的停止或執(zhí)行下一步。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動的角度通過脈沖寬度占空比實現(xiàn)。由于舵機(jī)牌子不同，舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度也會不同。

本機(jī)械手臂通過電機(jī)的扭矩進(jìn)行傳動。手臂的升降，轉(zhuǎn)動，抓取都是由能夠承受很大力的電機(jī)進(jìn)行完成。在機(jī)械手臂抓取物體時，盡量的平穩(wěn)，并且力不能夠過大或者過輕，移動時活動空間大。

機(jī)械行業(yè)一般常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動，電機(jī)驅(qū)動和氣壓驅(qū)動三種方式，每種驅(qū)動方式各有優(yōu)劣。本設(shè)計機(jī)械手臂中，要求驅(qū)動時滿足一下條件：1）輸出功率適中，效率高；2）精準(zhǔn)度盡可能的高；3）便于維護(hù)，調(diào)試；4）安全性高；5）成本低。

綜上所述，本設(shè)計采用電機(jī)驅(qū)動的方式對機(jī)械手臂進(jìn)行驅(qū)動。電機(jī)參數(shù)如表所示：

本機(jī)械手臂采用控制角度的方式控制手臂。在初始位確定的情況下，通過控制角度，實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，其優(yōu)點是，能夠精確控制位置，但是因為需要進(jìn)行初始位置，導(dǎo)致運行時間過長。本文設(shè)計方案傳動方式為舵機(jī)直接傳動，故不多作介紹。

3 結(jié)論

機(jī)械臂控制系統(tǒng)是當(dāng)今社會的一項非常重要的研究課題，盡管其發(fā)展已經(jīng)有了一段很長的歷史，但是其發(fā)展并不完全成熟。無論是學(xué)術(shù)界、工業(yè)還是在教育教學(xué)方面都一直在進(jìn)行著這方面的研究，距離成熟階段還要有一段時間。

本設(shè)計是基于OpenCV六自由度機(jī)械臂驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，以六自由度機(jī)械臂為控制對象，以arduino為開發(fā)環(huán)境，輔以有著豐富視覺處理算法的OpenCV軟件，并在此基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的控制理論，以正確的控制方法為指導(dǎo)，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

在整個系統(tǒng)的設(shè)計中，硬件的設(shè)計是本論文研究的重點，芯片的選型是系統(tǒng)硬件設(shè)計的保證，并且輔以可靠性分析為指導(dǎo)，保證了系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

從實驗結(jié)果中看出，我們設(shè)計制作的基于OpenCV的四自由度機(jī)械臂能夠和一些中小型機(jī)器人控制器的性能要求類似，在操作靈活度、控制精度、易操作性等方面都表現(xiàn)出優(yōu)秀的性能。然而，仍有一些不足之處需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

1）機(jī)械臂的傳感器提升。作為機(jī)械臂的控制對象，其結(jié)構(gòu)、性能的優(yōu)劣成為了機(jī)械臂的重中之重、中流砥柱，為了實際運行效果的完美，我們機(jī)械臂的手爪部分應(yīng)加入壓力等傳感器，為控制的精準(zhǔn)提供、保證更為完整的信息。

2）完善機(jī)械臂自動控制算法。算法的優(yōu)良決定了機(jī)械臂是否能自動協(xié)調(diào)運行，特別在輸入?yún)?shù)和機(jī)械臂抓取后的運輸，需要更加優(yōu)化、靈活的算法，從而將計算出的控制參數(shù)變得更加精確和一體。

3）視覺的廣泛性運用。視覺不單單只作用與顏色的閾值識別，還包括如骨骼識別，輪廓識別等等，再后續(xù)的研究中，添入以上功能，可以使機(jī)械臂的作用范圍變得更加的廣泛。

鑒于上述情況，在以后的工作中，我們應(yīng)該不斷改進(jìn)、完善，以提高該機(jī)械臂系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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機(jī)械臂范文第3篇

一般情況下，柔性機(jī)械臂的兩根連桿橫向彈性變形(彎曲)較小，則忽略機(jī)械臂的徑向變形；假定關(guān)節(jié)及臂端負(fù)載均為集中質(zhì)量，則忽略其大小。同時，暫不考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和電機(jī)的阻尼。

圖1是一雙連桿柔性機(jī)械臂，兩臂間關(guān)節(jié)電機(jī)質(zhì)量為，上臂端部集中質(zhì)量為，兩連桿質(zhì)量和抗彎剛度分別為和，和，兩連桿的長度分別為和，和為兩關(guān)節(jié)電機(jī)提供的力矩。

連桿變形很小，對每根連桿建立一個運動坐標(biāo)系，使得連桿在其中的相對運動很小。機(jī)械臂的整體運動則可由這兩個動坐標(biāo)系的方位角來描述。于是，在動力學(xué)模型中將有兩類變量，一類是幅值很小但變化迅速的彈性坐標(biāo)，另一類是變化范圍較大的方位角。本文采用端點連線坐標(biāo)系，即將連桿兩端點的連線作為動坐標(biāo)系的x軸（見圖1）。描述整體運動的是兩個角度和，而連桿相對于動坐標(biāo)系的運動則可視為簡支梁的振動。這樣，動力學(xué)模型剛度陣的彈性坐標(biāo)互相不耦合，臂端的位置可由和確定，其期望運動形式（或數(shù)值解）：

(1)

如采用其他形式的動坐標(biāo)系，兩桿的彈性坐標(biāo)將耦合在一起，而且在逆動力學(xué)求解時，將不得不處理微分方程與代數(shù)方程組合的方程組。

對每個機(jī)械臂取兩階模態(tài)坐標(biāo)來描述，應(yīng)用拉格朗日方法得到動力學(xué)方程：

(2)

式中。為6×6質(zhì)量陣；為速度的二次項；為6×6剛度陣；為重力的廣義力向量；為驅(qū)動力矩的廣義力向量；，其中和、和分別是兩個機(jī)械臂的一階和二階彈性坐標(biāo)。

柔性臂系統(tǒng)的逆動力學(xué)問題，是指在已知期望末端操作器運動軌跡的情況下，結(jié)合逆運動學(xué)與動力學(xué)方程對關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行求解。如果直接進(jìn)行逆動力學(xué)求解，即把式(1)代入動力學(xué)方程式(2)中，對方程中的彈性坐標(biāo)和力矩進(jìn)行求解，一般情況下，其數(shù)值解將很快發(fā)散。

表達(dá)系統(tǒng)運動狀態(tài)的坐標(biāo)可以看成有兩部分組成：大范圍的相對緩慢的運動（慢變）部分和小范圍的振動（快變）部分。本文試圖將這兩部分分離，分別討論它們的逆動力學(xué)特性，并以此來分析整體系統(tǒng)的逆動力學(xué)問題。

2快變部分的逆動力學(xué)問題

首先，尋求兩個關(guān)節(jié)力矩使端點保持不動，先不考慮大范圍的運動。此時，重力只起了一個改變平衡點的作用，在方程中把與它相關(guān)的部分略去，在動力學(xué)方程(2)中令，得：

(3)

式中

在方程(3)中消去和得：

(4)

式中：

，,

,,,

,,,

,,,

,

對式(4)降階：

(5)

式中

其中，

I是四階單位陣。方程(5)可化為下列形式：

(6)

式中。求出的特征值分別為

式中。

因的特征值存在正實部，則方程(3)所表示的系統(tǒng)不穩(wěn)定，其解發(fā)散，即雙連桿柔性臂在這種情況下，其振動問題的精確逆動力學(xué)解是發(fā)散的。

的各特征值在復(fù)空間分布關(guān)于虛軸對稱，必然會出現(xiàn)正實部，如選取更多階模態(tài)函數(shù)離散時，會出現(xiàn)同樣的情況。因此，選取更多階模態(tài)函數(shù)離散時，其振動問題的逆動力學(xué)解是發(fā)散的。

如應(yīng)用應(yīng)用文獻(xiàn)[10]中給出的迭代法進(jìn)行逆動力學(xué)求解，當(dāng)積分步長很小時，其解是發(fā)散的；當(dāng)積分步長較大時，便可得到較好的結(jié)果。其原因是因為快變部分的逆動力學(xué)解發(fā)散，當(dāng)步長較大時相當(dāng)濾掉了快變部分，便可得到較好的結(jié)果。

3慢變意義上的逆動力學(xué)

在進(jìn)行慢變意義上的逆動力學(xué)求解時，應(yīng)試圖將彈性坐標(biāo)中的振動部分濾掉，彈性坐標(biāo)中不應(yīng)含有振動部分，再結(jié)合期望的、求得力矩。

如圖1所示，機(jī)械臂的各參數(shù)：L1=0.87m,L2=0.77m,M1=1.9kg,M2=0.8kg,m1=12.75kg,m2=2.4kg,=602.5,=218。期望運動軌跡：機(jī)械臂端點繞以(0.8,0)為圓心，做半徑為0.5m,以每周1s作勻速圓周運動。

由機(jī)械臂的動力學(xué)仿真結(jié)果可以看到，彈性坐標(biāo)的一階、二階時間導(dǎo)數(shù)項振動幅值很大，但它們都在零值附近振動，即其慢變部分很小。因此，在式(2)中去掉彈性坐標(biāo)的一階、二階時間導(dǎo)數(shù)項，相當(dāng)于濾掉了彈性坐標(biāo)中的振動部分，經(jīng)過整理得到如下形式：

(7)

式中，、、中含、及其一階時間導(dǎo)數(shù)項。

將式(1)代入式(7)中，再對方程求解，可以得到彈性坐標(biāo)和力矩，彈性坐標(biāo)見圖2（圖中不含振動的曲線）。為了考察得到的力矩，將力矩代入動力學(xué)方程式(2)中，得到的各彈性坐標(biāo)見圖2（圖中含振動的曲線），軌跡跟蹤曲線、端點坐標(biāo)與期望運動相比較的誤差曲線分別見圖3和圖4。

Fig.4theerrorsofcoordinatesinxandyDirectionsfortheendmovement

由圖2中可以看出，由式(7)得到的彈性坐標(biāo)（不含振動）與機(jī)械臂的動力學(xué)仿真得到的彈性坐標(biāo)（含振動）的慢變部分十分相似，所以在式(2)中去掉彈性坐標(biāo)的一階、二階時間導(dǎo)數(shù)項相當(dāng)于濾掉了彈性坐標(biāo)中的振動部分，說明這種方法是合理的。

由圖3與圖4給出的仿真結(jié)果可以看出，軌跡跟蹤很好，由此可見，得到的力矩精度很高.

4結(jié)束語

由圖2可以看到，機(jī)械臂在運動過程中，其彈性坐標(biāo)由兩方面組成，一方面是振動部分（快變部分），另一方面是與載荷、慣性力有關(guān)的慢變部分。而彈性坐標(biāo)速度、加速度的慢變部分很小，在逆動力學(xué)求解中將其略去是合理的，由式(7)得到了比較準(zhǔn)確的彈性坐標(biāo)慢變部分并非偶然。

由以上分析可以看出，對于柔性機(jī)械臂系統(tǒng)，振動部分的精確逆動力學(xué)解是發(fā)散的，進(jìn)行逆動力學(xué)求解時，應(yīng)濾掉振動部分，在慢變的意義上進(jìn)行，才能得到比較好的前饋力矩。

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機(jī)械臂范文第4篇

關(guān)鍵詞：雙連桿機(jī)械臂 運動鏈 動態(tài)模型

中圖分類號：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（a）-0248-03

根據(jù)設(shè)計的機(jī)器人的指定技術(shù)特點與必要性來提供所需要的動態(tài)性能，系統(tǒng)性能，并且給定重放軌跡運動的精度，運動的穩(wěn)定性。實現(xiàn)所期望性能的一種方式是在機(jī)器人設(shè)計和配置時使用機(jī)器人仿真。

仿真方法可以通過減少在概念設(shè)計階段找到解決方案的迭代次數(shù)，從而顯著縮短設(shè)計時間。在機(jī)器人系統(tǒng)流程過程中建模可以獲得等效信號，操作機(jī)器人；考慮各種因素對機(jī)器人和它各單位的影響；計算其穩(wěn)定性、速度、精度；優(yōu)化單獨的模塊與整個機(jī)器人系統(tǒng)作為一個整體?，F(xiàn)代機(jī)器人系統(tǒng)的動力學(xué)建模方法涉及建立真正的機(jī)器人運動學(xué)和動力學(xué)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型。

機(jī)器人動力學(xué)模型不僅可以計算它的設(shè)計特性，還可以計算其速度（時間控制），動態(tài)過程的性質(zhì)（單調(diào)性，非周期性，和振蕩）。

研究過程中對機(jī)械臂的操作是必要的，首先，使它成為一個運動模型，即一個模型連接它與絕對空間中的夾持器的中心位置的位移的鏈接[1-2]。

指定在三維空間中點的位置就足以確定其在絕對（固定）坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)。描述一個剛體需要與它自己（相關(guān)的）坐標(biāo)系相結(jié)合。

在國際實踐中普遍使用的方法是基于對Denavit-Hartenberg坐標(biāo)系的采用[3]。目前的工作是致力于在雙連桿機(jī)械臂的動態(tài)過程建模。

1 機(jī)械臂運動學(xué)

分析組成機(jī)械臂的兩個鏈接：關(guān)于一個廣義坐標(biāo)的垂直軸線旋轉(zhuǎn)鏈接和沿水平軸偏移的一個廣義鏈路坐標(biāo)。這些坐標(biāo)位移決定了機(jī)械臂的位置。為了描述機(jī)械臂運動學(xué)問題必須要解決正、逆運動學(xué)問題。

這些任務(wù)的解決方案用于機(jī)械臂工作區(qū)的建設(shè)。另外，由此產(chǎn)生的方程組是隨后的處理運動任務(wù)的起點。解決方案是一組建立機(jī)械臂廣義坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)之間聯(lián)系的非線性函數(shù)。圖1顯示了該機(jī)械臂的運動學(xué)。

采用Denavit-Hartenberg方法編碼運動鏈。然后建立對機(jī)械臂的運動學(xué)正問題的絕對和相對坐標(biāo)形式的約束方程：

-在一般形式上

-與特定的值

因此：

獲得機(jī)械臂的運動方程：

鏈接1：

鏈接2：

獲得擴(kuò)展鏈路的整體速度：

逆運動學(xué)問題是確定一個給定位置和它的輸出鏈路定位（夾具）的機(jī)器人的廣義坐標(biāo)[4-5]。有多種方法用于求解逆運動學(xué)問題，但大多數(shù)是與超越方程系統(tǒng)的解相關(guān)。

讓我們用三角法來解決這一問題。

從方程組發(fā)現(xiàn)后，針對這種劃分獲得

顯然，在第一連桿的旋轉(zhuǎn)角度可以被定義為

For to find the use identity ，thenobtain：，obvious that ，then finally get ，hence.

查找使用的身份，進(jìn)而獲得：，顯而易見的是，最終得到了想要的結(jié)果，因此。

其結(jié)果是，我們得到一個廣義坐標(biāo)方程系統(tǒng)：

隨時間變化的變量集，設(shè)置唯一標(biāo)識的機(jī)器人連桿的相對位置。因此，機(jī)械系統(tǒng)的配置稱為廣義坐標(biāo)。在完整力學(xué)系統(tǒng)中一些廣義坐標(biāo)的n等于自由度的數(shù)目。

2 機(jī)械臂動力學(xué)

研究人員對機(jī)器人動力學(xué)有著極大的興趣。當(dāng)導(dǎo)出機(jī)器人動力學(xué)方程的解析形式時可以用拉格朗日或者阿佩爾形式進(jìn)行描述。在正式說明的情況下，拉格朗日需要對動能和廣義力推導(dǎo)出解析表達(dá)式，在使用形式化描述阿佩爾的情況下―能量，加速度，和轉(zhuǎn)化的廣義力。確定必要的動能，在一般情況下，為了確定質(zhì)量速度的構(gòu)成系統(tǒng)和固體角速度矢量實心體的中心剛體的動能在絕對坐標(biāo)系的變換下是不發(fā)生改變的。

這使我們能夠獲得慣性張量的變換公式之交

一旦將每個環(huán)節(jié)的動能進(jìn)行描述解析，找到整個系統(tǒng)的總動能很重要：

找到的每一個鏈接的動能：

各鏈接的轉(zhuǎn)動慣量：

讓我們假設(shè)

經(jīng)過變換和替換得到

獲取拉格朗日方程的每一個環(huán)節(jié)。區(qū)分系統(tǒng)的總動能交替關(guān)于。

該操作的結(jié)果是，我們得到了各鏈接下面的等式：

鏈接1：

鏈接2：

（1）

結(jié)合系統(tǒng)得出方程：

（2）

柯西變換結(jié)果系統(tǒng)的一般形式，替代：

（3）

3 模擬分析

分析所得的方程系統(tǒng)，在MATLAB特別是在其組件Simulink中建立一個數(shù)學(xué)工程的系統(tǒng)動力學(xué)模型。圖2表示的是一個由柯西的正常形式的方程得到的一個系統(tǒng)動態(tài)模型。該模型是通用的，可用于參數(shù)不同的確定質(zhì)量和尺寸的機(jī)械臂的機(jī)器人的研究。建模的目的是確定其發(fā)生過程的動作速度和性質(zhì)，確認(rèn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)耦合（在同步運動）及速度和轉(zhuǎn)速的行為。

在建模過程中已經(jīng)使用下列參數(shù)：重量負(fù)載-，一個夾持器的延伸速度-，繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的速度-，其余參數(shù)在建模過程中進(jìn)行計算。

根據(jù)對模型的研究結(jié)果顯示，進(jìn)行定性評估。

建模：

對旋轉(zhuǎn)模塊；

對機(jī)械臂的擴(kuò)展模塊。

瞬態(tài)過沖：

靜態(tài)誤差值：

過渡過程中的上升時間：

。

得到的定性評估結(jié)果相當(dāng)接近于具有適當(dāng)質(zhì)量和尺寸和參數(shù)的雙連桿機(jī)器人的試驗評估。評估結(jié)果表明，該模型在評估有另一個處理重量和力-速度特性的類似機(jī)器人動態(tài)參數(shù)時十分有效。

4 結(jié)語

因此，建立的雙連桿機(jī)器人模型允許評估他們在這個模式下的行動速度，產(chǎn)生的性質(zhì)，確定在他們同步運動時的關(guān)節(jié)耦合時刻。

參考文獻(xiàn)

機(jī)械臂范文第5篇

摘 要：我國的經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升。在現(xiàn)代科技中，空間技術(shù)的地位非常突出。我國發(fā)射的航天器數(shù)量不斷增多，想要保障發(fā)射質(zhì)量，必須應(yīng)用空間技術(shù)，研制出成熟的空間機(jī)器人，同時掌握有效的空間機(jī)械臂技術(shù)。本文將具體探討機(jī)械臂建模方法及其控制策略，希望能為相關(guān)人士提供一些參考。

關(guān)鍵詞：空間機(jī)械臂；建模方法；控制策略

引言：進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國和國外的經(jīng)濟(jì)文化往來日益密切，全球化的進(jìn)程不斷加快，國與國之間的競爭日趨激烈。隨著各國空間技術(shù)水平的不斷提升，宇航能力成為評價國際地位的重要內(nèi)容。我國的科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，每年發(fā)射了數(shù)以百計的衛(wèi)星。值得注意的是，在衛(wèi)星發(fā)射的過程中，還存在一些故障問題亟待解決。為了提高我國的綜合競爭力，掌握科學(xué)的空間機(jī)械臂建模方法和控制策略勢在必行。

1空間機(jī)械臂的建模方法

1.1參考系方法

首先，在構(gòu)建空間機(jī)械臂模型時，可以采用參考系方法：第一是浮幼標(biāo)系的方法，所謂的浮動坐標(biāo)系方法，就是結(jié)合不同的物理學(xué)知識，對空間機(jī)械臂進(jìn)行仿真模擬[1]。在仿真的過程中，空間機(jī)械臂被分為底座、機(jī)械臂、執(zhí)行系統(tǒng)幾個部分，機(jī)械臂可以被看做是柔性結(jié)構(gòu)，而其他組成部分可以看做是剛性結(jié)構(gòu)。在不考慮參照物慣性的基礎(chǔ)上，可以對空間機(jī)械臂的虛擬運動進(jìn)行分解，然后把坐標(biāo)系形成固化模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行固化模型的離散。第二是隨轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的方法，所謂的隨轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法，就是以動力學(xué)知識為基礎(chǔ)，對空間機(jī)械臂進(jìn)行移動建模。將空間機(jī)械臂放置于隨轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，可以對空間機(jī)械臂進(jìn)行水平位移，通過位移情況，可以分析空間機(jī)械臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探討空間機(jī)械臂的彈性體特征。當(dāng)進(jìn)行位移時，坐標(biāo)系節(jié)點發(fā)生轉(zhuǎn)角位移，可以形成不同的位移節(jié)點，形成動態(tài)模型。第三是慣性坐標(biāo)系的方法，所謂的慣性坐標(biāo)系方法，就是以力學(xué)知識作為基礎(chǔ)，對節(jié)點坐標(biāo)進(jìn)行分析的方法。空間機(jī)械臂在運動時要受到慣性的影響，此時可以根據(jù)空間機(jī)械臂的慣性位移來構(gòu)建有限元模型。

1.2柔性體方法

其次，在構(gòu)建空間機(jī)械臂模型時，可以采用柔性體方法。上文已述，按照柔性體方法結(jié)構(gòu)類型的不同，可以把空間機(jī)械臂分為柔性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)。所謂的柔性體建模方法，就是以空間機(jī)械臂的機(jī)械臂作為建模基礎(chǔ)，通過對機(jī)械臂的變形程度進(jìn)行描述來構(gòu)建立體模型。柔性體方法可以分為兩種：第一是有限元的方法?？臻g機(jī)械臂的運動是無窮無盡的，但是可以根據(jù)不同的離散點，判斷空間機(jī)械臂的基本運動形態(tài)。在對離散方程進(jìn)行計算之后，可以得到一個動力學(xué)方程式，把具體的參數(shù)代入到方程式之中，就能得到空間機(jī)械臂的運動速度、機(jī)械臂的柔性程度等等。第二是集中參數(shù)的方法[2]。為了尋找固定點建立模型，可以把空間機(jī)械臂的柔性結(jié)構(gòu)分為若干點，并把不同的點匯聚成剛性片段。這種方法可以實現(xiàn)剛性結(jié)合和柔性結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，掙脫機(jī)械臂的變形束縛。這種方法和有限元方法具有較大的差異性。在采用有限元方法時，需要確定離散方程，對坐標(biāo)點進(jìn)行二次劃分，此時機(jī)械臂完全為柔性結(jié)構(gòu)。在采用集中參數(shù)方法時，需要讓機(jī)械臂產(chǎn)生非線性的變形，把柔性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一，以此來判斷柔性機(jī)械臂的動力形態(tài)。

1.3方程構(gòu)建方法

再次，在構(gòu)建空間機(jī)械臂模型時，可以采用方程構(gòu)建方法：第一是平動方程方法，在應(yīng)用這一方法時，要應(yīng)用牛頓第二定律和歐拉原理，把握空間機(jī)械臂中各個結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系。通過這一方程構(gòu)建出來的模型比較容易分析，但是經(jīng)常會受到外部的干擾，如果模型中的未知變量過多，模型的精確性就會受到不利影響。第二是力學(xué)方程方法，在應(yīng)用這一方法時，要從力學(xué)的角度對方程坐標(biāo)進(jìn)行判斷。在力學(xué)坐標(biāo)中，可以根據(jù)空間機(jī)械臂的運動軌跡計算其動能和勢能，把這些計算結(jié)果作為參數(shù)，可以構(gòu)建完整的動力學(xué)模型。第三是動力方程方法，在應(yīng)用這一方法時，應(yīng)該引入速度概念，對空間機(jī)械臂的動力系統(tǒng)進(jìn)行分析，并依據(jù)偏角速度和系統(tǒng)之間的關(guān)系構(gòu)建模型。與前兩種方法相比，動力方程的計算效率更高，物理意義更加明確，因此其所構(gòu)建出來的模型實用價值更高[3]。

2空間機(jī)械臂的控制策略

在控制空間機(jī)械臂的過程中，可以先形成坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系上繪制出空間機(jī)械臂的運動圖示，對空間機(jī)械臂進(jìn)行虛擬控制。具體來說，應(yīng)該做到以下幾點：第一，應(yīng)該確定空間機(jī)械臂的基本結(jié)構(gòu)，在自然坐標(biāo)系中繪制內(nèi)臂和外臂兩個柔性結(jié)構(gòu)。第二，應(yīng)該在內(nèi)臂和外臂的關(guān)節(jié)處施加一個控制力，對空間機(jī)械臂進(jìn)行限制，規(guī)范空間機(jī)械臂的運動速度和運動角度。第三，可以采用PD控制器，對柔性機(jī)械臂進(jìn)行智能操控。第四，可以制定空間機(jī)械臂的運動方案。當(dāng)控制周期一定時，可以發(fā)現(xiàn)空間機(jī)械臂的方位角和時間呈正比關(guān)系。機(jī)械臂運動處在0到T/2時，角速度在T/2達(dá)到了最大，但是當(dāng)機(jī)械臂運動處在T/2到T，角速度在T達(dá)到了0。此時可以根據(jù)角速度和周期的關(guān)系構(gòu)建動力學(xué)方程式，求出規(guī)劃方位的角速度，對空間機(jī)械臂進(jìn)行控制[4]。

結(jié)論：綜上所述，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平也在不斷提升?？臻g技術(shù)是重要的現(xiàn)代化技術(shù)之一，提高空間機(jī)器人的研發(fā)效率，提升空間機(jī)械臂技術(shù)應(yīng)用效率可以促進(jìn)我國衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展，因此應(yīng)該掌握科學(xué)的空間機(jī)械臂建模方法和控制策略。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧雅. 空間機(jī)械臂建模及軌跡跟蹤控制方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]莫洋. 大型空間機(jī)械臂動力學(xué)建模與穩(wěn)定控制策略[D].北京理工大學(xué)，2016.