移动机器人机械臂结构设计

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1、1绪论1.1引言在星球表面探索、地震或事故现场救灾、自然界未知事物探索等环境中工作的移动机器人，面临着复杂、未知、多变的非结构环境，应具有良好的适应性、灵活性。移动机器人应当能够依靠自身的功能，克服环境的不确定性，有效地完成任务[1]。机器人不仅可以在粉尘、噪声、有毒、辐射等有害条件下部分替代人去操作，还能在人所不能及的极限条件下，如深海、外层空间环境中完成人所赋予的任务，扩大了人类改造自然的能力，尤其是近些年来自动化和计算机的发展极大地推动了工业机器人的发展。机器人的研究、开发、应用涉及许多学科，机器人技术是一门跨学科的综合性

2、技术。多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技术、电气液压驱动、控制工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能和仿生学等学科都和机器人技术有密切的联系[2]。1.2国内外研究现状地面移动机器人是脱离人的直接控制，采用遥控、自主或半自主等方式在地面运动的物体。地面移动机器人的研究最早可追溯到五十年代初，美国BarrettElectronics公司研究开发出世界第一台自动引导车俩系统。由于当时电子领域尚处于晶体管时代，该车功能有限，仅在特定小范围运动，目的是提高运输自动化水平。到了六、七十年代，美国仙童公司研究出集成电路，随后出现集成微

3、处理器，为控制电路小型化奠定了硬件基础。到了八十年代，国外掀起了智能机器人研究热潮，其中具有广阔应用前景和军事价值的移动机器人受到西方各国的普遍关注[3]。在移动机器人的发展中，出现两个机器人大国，一个是日本，另一个是美国。时至今日，各种类型的地面移动机器人纷纷研制出来，其应用范围从民用、工业用到军用，涉及人类运动的方方面面。进入90年代，机器人技术的发展由于受到发达资本主义经济不景气的影响，专门从事机器人研究和生产的部门数目有所减少，但由于人工智能、计算机科学、传感器科学的长足进步，使得机器人的研究在高水平上进行。机器人发展到

4、今天已经是灿烂辉煌，随着信息技术、电子技术的发展，移动机器人作为人工智能的一个分支也将吸收这些成果，功能将更完善，新的移动机器人也将涌现出来[4]。未来的机器人技术，将在以下几个方面发展。（1）高速操作臂高速操作臂可以大大提高机器人的工作效率。为此，必须开展新的手腕机构和伺服驱动装置，以及能适应机械臂高速运动的变转动惯量的动态控制方法等的研究。（2）柔性操作臂目前的操作臂本身质量要比它所能抓起的质量大的多。如臂自身质量为30kg，仅能搬运还不到10kg的物体，这与人的手臂相比要小的多，其原因主要是驱动装置的效率低、轻型材料的强度

5、和韧性不够。因此，新型材料的开发成为了研制高效机器人的重中之重。（3）多自由度操作臂要实现狭小空间的操作，研制超多自由度的机械手是完全必要的[。（4）高精度、多自由度控制操作臂机器人被越来越多的用在医疗，军事等需求高精度的场合，在保证精度的同时还要追求高自由度，要能完成各种各样的动作，这就要求研制出更稳定的系统来保证操作臂动作的精度。（5）微型操作臂目前的操作臂局限于材料和驱动力，自身的大小不能满足越来越精密的工作场合。为此，微型操作臂的开发已在日程中[5]。1.3机械臂介绍1.3.1机器人操作臂的机构和空间描述机器人要实现功能

6、最重要的部件就是机械臂(亦称操作臂)，一般是由一系列连杆由旋转关节或移动关节相连接的开式运动链，一端装在固定的支座上(机座);另一端自由，安装手爪、工具，实现各种操作[6]。为了描述组成操作臂的各连杆之间的相对位置和姿态，在每个连杆上固接一个坐标系，用其来描述相对运动。机器人通过机械臂完成人们交予的任务，从早期齿轮传动只能上下移动的垂直臂到后来液压驱动多自由度自由伸缩的机械臂，期间一共度过了40年的时间[7]。如今，机械臂已经更加拟人化，包括安装了触觉，视觉，力觉等感受功能部件，使机械臂运动起来能够理性避让障碍,减少不必要的损失

7、。1.3.2操作臂运动学、动力学、静力和变形把操作臂的连杆近似的当成刚体，则相邻两连杆坐标系之间的位置关系用连杆变换矩阵来表示。操作臂运动学则讨论手臂末端执行器的位姿与关节变量之间的关系[8]。操作臂运动学由两个基本问题:正向运动学和逆向运动学。操作臂动力学研究各关节驱动力与终端操作器的位置、速度和加速度之间的关系。操作臂的动力学方程十分复杂，不仅与操作臂的形位有关，还和连杆的质量分布、连杆的结构、关节之间的摩擦等有关[9]。操作臂的动力学方程有多种形式:关节空间、操作空间和状态空间形式。研究操作臂动力学一方面是为机器人控制提供

8、精确的动力学模型，计算驱动力函数、实现前馈补偿;另一方面是为了仿真，根据加速度计算相应的关节力[10]。1.3.3操作臂的轨迹规划和运动控制机器人的操作臂在运动之前，需要明确是否一定要沿特定的路径运动，还要明确在运动过程中是否会与障碍物相碰[11]。如果对运动的