机械臂

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机械臂范文第1篇

【关键词】机械臂；研究；发展

1.引言

随着机器人技术的不断发展，为了能更好地与环境进行交互、操纵物体、完成任务，跟上智能化的步伐，机器人的操作终端，如机械臂、手爪的作用越来越重要。这对机械臂的结构设计也提出了更高的指标，要求高的负载自重比，操作更加灵活，强稳定性和安全性等[1]。

2.机械臂的发展

机械臂（Manipulator）是模拟人的上臂而构成的。为了保证机器人手部有6个空间自由度，其主动关节数目一般为6。一般情况下，全部关节皆为转动型关节，而且其前3个关节一般都集中在手腕部。关节型机械臂的特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍物，是机械臂中使用最多的一种结构形式，比较典型的如PUMA[2]、SCARA[3]等。多关节机械臂[4]的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作，目前广泛应用于工业自动化生产线上。机械臂发展状况如下：

（1）第一代机械臂，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。它也可以简称为示教／再现方式的机械臂或是T/P方式(Teaching/Playback)的机械臂。目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方式。由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对周围环境无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制，主要用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作。

1996年樊炳辉等申请的专利，一种用于煤矿巷道、隧道、室内墙壁及一般机械行业喷涂工艺的四连杆机械臂机构。该机构主要包含行走组件、大臂组件、平衡拉杆组件、小臂组件四大部分，其中又包含四组按一定比例关系构成的四连杆机构，它能使喷枪在喷涂过程中，容易实现垂直起落，并始终保持对受喷面垂直、等距的关系[5]。

1997年乌克尔，戈道斯等申请的专利，一种用缝合针将病人的第二血管缝合到冠状动脉上的最小侵入性手术方法。该系统采用机械臂连接的手术器械。这些器械具有能够作来抓取和缝合组织的末端操作装置。该机械臂通过一个控制器与一对主操作手柄联结。手柄可以由外科医生移动来产生末端操作装置的一个相应移动[6]。

（2）第二代机械臂，即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种机械臂由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。如：

李彦涛等研制一种将Simulink控制程序和助餐机器人目标机无缝链接、下载的方法，实现机器人的实时控制，实时满足不同伤残患者的助餐要求。在Matlab/xPC实时目标环境的基础上，开发了助餐机器人的硬件接口模块和上位机软件模块，设计了助餐机器人模块化控制平台及基于脚踏开关、语音识别和图像识别的三种人机交互方式。实现了机械手3个关节控制器、运动学计算、路径规划控制算法[7]。

人脸肖像绘制机械臂是一种可以自动绘制人脸肖像轮廓图的智能机械系统，它由图像采集模块、图像处理模块、机械控制绘图模块组成，能够自动拍摄人脸照片，提取肖像轮廓，然后控制机械臂在画板上画出人脸线条画。人脸肖像绘制机器人是机器视觉的研究方向之一，广泛用于科普展览，其中提出的基于机器视觉的研究技术在生产和生活等各个方面都有着广泛的应用。研究绘图机械控制系统的硬件选型和控制算法，在Visual C++6.0中实现了外部对机械臂绘图动作的自动控制，设计机械臂绘画动作流程，完成人脸轮廓图的自动绘制[8]。

（3）第三代机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工作。第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。如：邹建奇[9]等人以柔性机械臂为例，进行简单的逆运动学分析.并采用小脑模型神经网络方法对机械臂的逆运动学进行了数值仿真分析，小脑模型神经网络可在较短的学习次数中有效地控制机械臂的振动。

在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人也占有一定比重。

3.机械臂技术的要素

（1）机械结构：以关节型为主流，80年明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的1/2。应汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。CAD、CAM等技术已普遍用于设计、仿真和制造中。

（2）控制技术：大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于PC开放结构的控制系统已成为一股潮流。

（3）驱动技术。新一代伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中分布式智能驱动新技术[10]。

（4）应用智能化的传感器。装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。

（5）通用机器人编程语言。在ABB公司的20多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。

（6）网络通讯。大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3%，其他采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。

4.前景展望

从三代机械臂的发展来看，随着技术的发展，机械臂越来越高精度，多功能，且向着集成化，系统化，智能化的方向发展。

（1）高速、高精度、多功能化。目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m/s。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。

（2）集成化与系统化。当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联结在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在FMS、CIMS系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，满足多样化、个性化的需求。

参考文献

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[4]郭炬.串联多关节机械臂设计与分析[D].华中科技大学,2008

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[6]Y・王;D・R・乌克尔;K・P・拉拜;J・维尔森;S・乔丹;J・赖特;M・戈道斯.施行最小侵入性心脏手术的方法和装置[P].中国专利:CN97193955.1,1997-02-19.

[7]张立勋,李彦涛,何锋,李成福,高峻,王婷.助餐机器人[P].中国专利:CN200610010497.0,2006-09-06.

[8]孟盼盼.肖像绘制机器人技术研究[D].中国科学技术大学,2011-08-15.

机械臂范文第2篇

关键词：六自由度机械臂；OpenCV；伺服；制动

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0227-03

1 机械臂控制系统软件设计

1.1 开发环境

本设计的开发环境是arduino。Arduino是一款完全开源的电子原型平台，包含了arduino板和arduino IDE。由欧洲开发团队开发，使用类似C语言的processing开发环境。Arduino可以自行设计或者购买已经焊接好的板子，程序代码写在arduino IDE上，实现对arduino板子的控制。

1.2 国内外研究现状

作为近几十年来发展起来的一种自动设备，机械臂可以通过编写软件程序来完成目标任务，它不仅大部分机械臂共同的机械有点，而且特别具有人的视觉以及判断能力。在作业过程中，机械臂控制的准确性和对环境的适应性，已经使其在各个领域有着广阔的发展前景。高级类型的机械臂，可以执行更复杂的操作。将机器臂运用于工业生产过程，除了可以提高生产率之外，还能够减弱工人的劳动强度，使生产过程实现自动控制。因此机械臂在近几年得到了愈来愈广泛的应用。

在国外，工业机器人的发展已经较为成熟，涵盖于各个行业，已经得到了非常广泛的运用，而相比国内，我国基础产业跟不上，机械设计的工艺也达不到一个极高的水平，而且部分设计不够系统科学，大多处于一个模仿的阶段。以上原因导致我国工业机器人在国际上并不能达到一个较高的水准。如今国内企业需要革新自己的技术，加强学习才能在国际市场上占有一席之地。

1.3 总体思路

1.3.1 机械臂软件设计核心思路

摄像头采集视频图像->利用OpenCV获得图像的一帧->对此帧图像进行滤波处理->将图像序列帧由RGB模型转为HSV模型->对得到的二值图像进行轮廓检测->创建回调函数并对得到的三幅图像进行合并->创建滑动条窗口->将得到的图像分为H，S，V三幅单通道图像->在目标体上绘制轮廓。

本文提到的OpenCV函数库是一个开源的跨平台的视觉图像处理库，利用此库中提供的开源算法并加以逻辑上的改进来提取摄像头中帧图像，再使用颜色阈值调节功能进行颜色识别，再对结果进行一系列的处理达到预期要求。

1.3.2 OpenCV简介

OpenCV是一个基于开源发型的跨平台计算机视觉库，可以运行在众多操作系统上，由一系列C函数和C++类构成，轻量且高效，其提供的视觉处理算法非常丰富，被大量使用于众多科学领域，卫星地图的图像整合拼凑；医学界病人器官图像的去噪处理；安全系统中的物体动态监测而预警；军事行动中代替人眼而进行众多无人操作与活动，不光如此，在图像处理能力外，还能对声谱图进行识别操作从而进行对声音的识别。

1.4 单一模块

1.4.1 颜色识别

颜色识别的首当之事应是正确选取颜色空间，常用的颜色空间有RGB、CMY、HSV、HIS等。本文采用RGB和HSV。

RGB（红、绿、蓝）可以看成一个三维的坐标系，一个坐标点表示一种颜色。HSV是颜色空间模型。表示颜色的是Hue，与坐标点不同，他使用有角度的圆形来表示相应颜色，比坐标点更加灵活。表示饱和度的是Saturation，饱和度越低，则颜色填充就越少，例如圆心处取值为0，那么颜色会非常的淡，从底部往上，圆的半径r越来越大，那么颜色就会越来越深。表示颜色的亮度的是Value，同理，也是从圆锥底端到顶端的数值渐变，底部表示为黑色，而顶端表示为白色。在实际实验环境中，RGB颜色经测验非常容易受到强光、弱光、阴影等其他因素的干扰。相比之下，HSV空间能更加稳定的处理这些光照的变化从而能更好地反应颜色本质、传达正确信息。

1.4.2 图像获取与处理

1.4.2.1 图像获取与预处理

利用体感周边外设中强大的Kinectz像头（VideoCapture（…））获取周围环境图像，读取一张图片或视频中的一帧图像，进行两次滤波后利用cvtColor（imgOriginal， imgHSV， COLOR_BGR2HSV）函数进行RGB与HSV的转换，再在HSV空间下对彩色图像做直方图均衡化。

高斯滤波函数：cvSmooth（…CV―GAUSSIAN…）。真实图像的邻近点像素如果变化，不会十分明显，因为真实图像的像素点是缓慢迁移变化的，但是如果两个像素点倏忽变化的话，便会有很大的像素差，就是我们说的噪点，这时候便要用到广泛用于图像处理的减噪的高斯滤波，他对整幅图进行加权平均，从而能够减少噪声却又不失真（保留信号）。

中值滤波函数：cvSmooth（…CV―MEDIAN…）。有时候图像中会有孤立的噪声点从而会形成较大差异，这样会影响平均值也会产生较大噪音，所以便使用非线性平滑的中值滤波，他把图像中的孤立的噪声点用其领域中各个点值的中值代替从而有效的去噪并且能够保护信号边缘使之不模糊，其算法也十分简单。

1.4.2.2 图像细处理与生成

创建滑动条：返回所读取的颜色参数阙值。本文设定了6个参数：

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

之后得到返回的参数阙值，便用于检查图像像素灰度是否在设置的范围内并且可以得到目标颜色的色度、饱和度和亮度单通道图像。

将得到的三个单通道图像进行按位与运算，这样便能检测其二值图像，由于此时会出现噪声，所以采用膨胀腐蚀的方法进行图像形态学处理，使得到的目标体进行最大的连通。

图像生成：查找轮廓和绘制轮廓，轮廓正确勾勒，图像便能正确显示。利用OpenCV中对灰度图像处理的Canny边缘检测法（cvCanny（…）），将试图独立的候选像素拼装成轮廓，轮廓的形成是对这些像素运用滞后性阙值，Canny边缘检测算法是高斯函数的一阶导数，是对信噪比与定位精度之乘积的最优化逼近算子。

Canny函凳淙胧涑龅亩嘉灰度图，在边缘检测完成后，利用“cvFindContours（…）”函数得到输出的图像的轮廓函数（在二值图像中），检测轮廓个数，然后再用“cvDrawContours（…）”函数绘制检测的轮廓。

2 机械臂控制系统硬件设计

2.1 自由度及关节

本机械手臂采用4个电机实现4自由度，进行手臂的升降，转动，抓取，移动等功能。

2.2 基座及连杆

2.2.1 基座

基座是机械手臂的支撑，起到稳固的作用，为了使机械手臂更加的稳定，增大其与表面的接触面积，降低重心，提升其稳定性能。同时，基座的剩余部分，可用于防止控制的单片机及其扩展版，使空间充分利用。

2.3 机械手臂设计

机械手是机械行业中必不可少的一个部分，主要起到操作，转移等功能。根据工件的不同，机械手的精度，重量，形状，光滑程度等都会不一样，以至于达到节省成本或准确夹取工件等实际要求。一般机械手包括：1）灵巧手；2）吸附手；3）夹取手；4）专用操作器。本设计因实现的主要功能是夹取物体并转移，工件物体不确定，因此采用夹取手作为机械手臂的机械手进行操作。

2.4 驱动方式

调用Servo实现对舵机的控制，定义多个舵机，控制多个舵机，具体内容根据实际情况进行调试。采用for语句，当红外或者视觉采集到数据，给予反馈，实现舵机的停止或执行下一步。舵机的转动的角度通过脉冲宽度占空比实现。由于舵机牌子不同，舵机转动的角度也会不同。

本机械手臂通过电机的扭矩进行传动。手臂的升降，转动，抓取都是由能够承受很大力的电机进行完成。在机械手臂抓取物体时，尽量的平稳，并且力不能够过大或者过轻，移动时活动空间大。

机械行业一般常用的驱动方式有液压驱动，电机驱动和气压驱动三种方式，每种驱动方式各有优劣。本设计机械手臂中，要求驱动时满足一下条件：1）输出功率适中，效率高；2）精准度尽可能的高；3）便于维护，调试；4）安全性高；5）成本低。

综上所述，本设计采用电机驱动的方式对机械手臂进行驱动。电机参数如表所示：

本机械手臂采用控制角度的方式控制手臂。在初始位确定的情况下，通过控制角度，实现电机的转动，其优点是，能够精确控制位置，但是因为需要进行初始位置，导致运行时间过长。本文设计方案传动方式为舵机直接传动，故不多作介绍。

3 结论

机械臂控制系统是当今社会的一项非常重要的研究课题，尽管其发展已经有了一段很长的历史，但是其发展并不完全成熟。无论是学术界、工业还是在教育教学方面都一直在进行着这方面的研究，距离成熟阶段还要有一段时间。

本设计是基于OpenCV六自由度机械臂驱动系统的设计，以六自由度机械臂为控制对象，以arduino为开发环境，辅以有着丰富视觉处理算法的OpenCV软件，并在此基础上，采用先进的控制理论，以正确的控制方法为指导，进行了系统的硬件设计。

在整个系统的设计中，硬件的设计是本论文研究的重点，芯片的选型是系统硬件设计的保证，并且辅以可靠性分析为指导，保证了系统运行的可靠性和稳定性。

从实验结果中看出，我们设计制作的基于OpenCV的四自由度机械臂能够和一些中小型机器人控制器的性能要求类似，在操作灵活度、控制精度、易操作性等方面都表现出优秀的性能。然而，仍有一些不足之处需要进一步的改进。

1）机械臂的传感器提升。作为机械臂的控制对象，其结构、性能的优劣成为了机械臂的重中之重、中流砥柱，为了实际运行效果的完美，我们机械臂的手爪部分应加入压力等传感器，为控制的精准提供、保证更为完整的信息。

2）完善机械臂自动控制算法。算法的优良决定了机械臂是否能自动协调运行，特别在输入参数和机械臂抓取后的运输，需要更加优化、灵活的算法，从而将计算出的控制参数变得更加精确和一体。

3）视觉的广泛性运用。视觉不单单只作用与颜色的阈值识别，还包括如骨骼识别，轮廓识别等等，再后续的研究中，添入以上功能，可以使机械臂的作用范围变得更加的广泛。

鉴于上述情况，在以后的工作中，我们应该不断改进、完善，以提高该机械臂系统的稳定性以及可靠性。

参考文献：

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[6] （美）Don.Wilcher.学ARDUINO玩转电子制作[M].翁恺，译.人民邮电出版社，2013.

[7] 孙骏荣，吴明展，卢聪勇.Arduino一试就上手[M].科学出版社，2013.

[8] （德）乌尔里希・菲舍尔.简明机械手册[M].2版.杨放琼，编.湖南科学技术出版社，2012.

[9] 陈明秋.机械制图[M].武汉理工大学出版社，2009.

机械臂范文第3篇

一般情况下，柔性机械臂的两根连杆横向弹性变形(弯曲)较小，则忽略机械臂的径向变形；假定关节及臂端负载均为集中质量，则忽略其大小。同时，暂不考虑电机转子的转动惯量和电机的阻尼。

图1是一双连杆柔性机械臂，两臂间关节电机质量为，上臂端部集中质量为，两连杆质量和抗弯刚度分别为和，和，两连杆的长度分别为和，和为两关节电机提供的力矩。

连杆变形很小，对每根连杆建立一个运动坐标系，使得连杆在其中的相对运动很小。机械臂的整体运动则可由这两个动坐标系的方位角来描述。于是，在动力学模型中将有两类变量，一类是幅值很小但变化迅速的弹性坐标，另一类是变化范围较大的方位角。本文采用端点连线坐标系，即将连杆两端点的连线作为动坐标系的x轴（见图1）。描述整体运动的是两个角度和，而连杆相对于动坐标系的运动则可视为简支梁的振动。这样，动力学模型刚度阵的弹性坐标互相不耦合，臂端的位置可由和确定，其期望运动形式（或数值解）：

(1)

如采用其他形式的动坐标系，两杆的弹性坐标将耦合在一起，而且在逆动力学求解时，将不得不处理微分方程与代数方程组合的方程组。

对每个机械臂取两阶模态坐标来描述，应用拉格朗日方法得到动力学方程：

(2)

式中。为6×6质量阵；为速度的二次项；为6×6刚度阵；为重力的广义力向量；为驱动力矩的广义力向量；，其中和、和分别是两个机械臂的一阶和二阶弹性坐标。

柔性臂系统的逆动力学问题，是指在已知期望末端操作器运动轨迹的情况下，结合逆运动学与动力学方程对关节力矩进行求解。如果直接进行逆动力学求解，即把式(1)代入动力学方程式(2)中，对方程中的弹性坐标和力矩进行求解，一般情况下，其数值解将很快发散。

表达系统运动状态的坐标可以看成有两部分组成：大范围的相对缓慢的运动（慢变）部分和小范围的振动（快变）部分。本文试图将这两部分分离，分别讨论它们的逆动力学特性，并以此来分析整体系统的逆动力学问题。

2快变部分的逆动力学问题

首先，寻求两个关节力矩使端点保持不动，先不考虑大范围的运动。此时，重力只起了一个改变平衡点的作用，在方程中把与它相关的部分略去，在动力学方程(2)中令，得：

(3)

式中

在方程(3)中消去和得：

(4)

式中：

，,

,,,

,,,

,,,

,

对式(4)降阶：

(5)

式中

其中，

I是四阶单位阵。方程(5)可化为下列形式：

(6)

式中。求出的特征值分别为

式中。

因的特征值存在正实部，则方程(3)所表示的系统不稳定，其解发散，即双连杆柔性臂在这种情况下，其振动问题的精确逆动力学解是发散的。

的各特征值在复空间分布关于虚轴对称，必然会出现正实部，如选取更多阶模态函数离散时，会出现同样的情况。因此，选取更多阶模态函数离散时，其振动问题的逆动力学解是发散的。

如应用应用文献[10]中给出的迭代法进行逆动力学求解，当积分步长很小时，其解是发散的；当积分步长较大时，便可得到较好的结果。其原因是因为快变部分的逆动力学解发散，当步长较大时相当滤掉了快变部分，便可得到较好的结果。

3慢变意义上的逆动力学

在进行慢变意义上的逆动力学求解时，应试图将弹性坐标中的振动部分滤掉，弹性坐标中不应含有振动部分，再结合期望的、求得力矩。

如图1所示，机械臂的各参数：L1=0.87m,L2=0.77m,M1=1.9kg,M2=0.8kg,m1=12.75kg,m2=2.4kg,=602.5,=218。期望运动轨迹：机械臂端点绕以(0.8,0)为圆心，做半径为0.5m,以每周1s作匀速圆周运动。

由机械臂的动力学仿真结果可以看到，弹性坐标的一阶、二阶时间导数项振动幅值很大，但它们都在零值附近振动，即其慢变部分很小。因此，在式(2)中去掉弹性坐标的一阶、二阶时间导数项，相当于滤掉了弹性坐标中的振动部分，经过整理得到如下形式：

(7)

式中，、、中含、及其一阶时间导数项。

将式(1)代入式(7)中，再对方程求解，可以得到弹性坐标和力矩，弹性坐标见图2（图中不含振动的曲线）。为了考察得到的力矩，将力矩代入动力学方程式(2)中，得到的各弹性坐标见图2（图中含振动的曲线），轨迹跟踪曲线、端点坐标与期望运动相比较的误差曲线分别见图3和图4。

Fig.4theerrorsofcoordinatesinxandyDirectionsfortheendmovement

由图2中可以看出，由式(7)得到的弹性坐标（不含振动）与机械臂的动力学仿真得到的弹性坐标（含振动）的慢变部分十分相似，所以在式(2)中去掉弹性坐标的一阶、二阶时间导数项相当于滤掉了弹性坐标中的振动部分，说明这种方法是合理的。

由图3与图4给出的仿真结果可以看出，轨迹跟踪很好，由此可见，得到的力矩精度很高.

4结束语

由图2可以看到，机械臂在运动过程中，其弹性坐标由两方面组成，一方面是振动部分（快变部分），另一方面是与载荷、惯性力有关的慢变部分。而弹性坐标速度、加速度的慢变部分很小，在逆动力学求解中将其略去是合理的，由式(7)得到了比较准确的弹性坐标慢变部分并非偶然。

由以上分析可以看出，对于柔性机械臂系统，振动部分的精确逆动力学解是发散的，进行逆动力学求解时，应滤掉振动部分，在慢变的意义上进行，才能得到比较好的前馈力矩。

参考文献

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机械臂范文第4篇

关键词：双连杆机械臂 运动链 动态模型

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0248-03

根据设计的机器人的指定技术特点与必要性来提供所需要的动态性能，系统性能，并且给定重放轨迹运动的精度，运动的稳定性。实现所期望性能的一种方式是在机器人设计和配置时使用机器人仿真。

仿真方法可以通过减少在概念设计阶段找到解决方案的迭代次数，从而显著缩短设计时间。在机器人系统流程过程中建模可以获得等效信号，操作机器人；考虑各种因素对机器人和它各单位的影响；计算其稳定性、速度、精度；优化单独的模块与整个机器人系统作为一个整体。现代机器人系统的动力学建模方法涉及建立真正的机器人运动学和动力学适当的数学模型。

机器人动力学模型不仅可以计算它的设计特性，还可以计算其速度（时间控制），动态过程的性质（单调性，非周期性，和振荡）。

研究过程中对机械臂的操作是必要的，首先，使它成为一个运动模型，即一个模型连接它与绝对空间中的夹持器的中心位置的位移的链接[1-2]。

指定在三维空间中点的位置就足以确定其在绝对（固定）坐标系统中的坐标。描述一个刚体需要与它自己（相关的）坐标系相结合。

在国际实践中普遍使用的方法是基于对Denavit-Hartenberg坐标系的采用[3]。目前的工作是致力于在双连杆机械臂的动态过程建模。

1 机械臂运动学

分析组成机械臂的两个链接：关于一个广义坐标的垂直轴线旋转链接和沿水平轴偏移的一个广义链路坐标。这些坐标位移决定了机械臂的位置。为了描述机械臂运动学问题必须要解决正、逆运动学问题。

这些任务的解决方案用于机械臂工作区的建设。另外，由此产生的方程组是随后的处理运动任务的起点。解决方案是一组建立机械臂广义坐标与笛卡尔坐标之间联系的非线性函数。图1显示了该机械臂的运动学。

采用Denavit-Hartenberg方法编码运动链。然后建立对机械臂的运动学正问题的绝对和相对坐标形式的约束方程：

-在一般形式上

-与特定的值

因此：

获得机械臂的运动方程：

链接1：

链接2：

获得扩展链路的整体速度：

逆运动学问题是确定一个给定位置和它的输出链路定位（夹具）的机器人的广义坐标[4-5]。有多种方法用于求解逆运动学问题，但大多数是与超越方程系统的解相关。

让我们用三角法来解决这一问题。

从方程组发现后，针对这种划分获得

显然，在第一连杆的旋转角度可以被定义为

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

查找使用的身份，进而获得：，显而易见的是，最终得到了想要的结果，因此。

其结果是，我们得到一个广义坐标方程系统：

随时间变化的变量集，设置唯一标识的机器人连杆的相对位置。因此，机械系统的配置称为广义坐标。在完整力学系统中一些广义坐标的n等于自由度的数目。

2 机械臂动力学

研究人员对机器人动力学有着极大的兴趣。当导出机器人动力学方程的解析形式时可以用拉格朗日或者阿佩尔形式进行描述。在正式说明的情况下，拉格朗日需要对动能和广义力推导出解析表达式，在使用形式化描述阿佩尔的情况下―能量，加速度，和转化的广义力。确定必要的动能，在一般情况下，为了确定质量速度的构成系统和固体角速度矢量实心体的中心刚体的动能在绝对坐标系的变换下是不发生改变的。

这使我们能够获得惯性张量的变换公式之交

一旦将每个环节的动能进行描述解析，找到整个系统的总动能很重要：

找到的每一个链接的动能：

各链接的转动惯量：

让我们假设

经过变换和替换得到

获取拉格朗日方程的每一个环节。区分系统的总动能交替关于。

该操作的结果是，我们得到了各链接下面的等式：

链接1：

链接2：

（1）

结合系统得出方程：

（2）

柯西变换结果系统的一般形式，替代：

（3）

3 模拟分析

分析所得的方程系统，在MATLAB特别是在其组件Simulink中建立一个数学工程的系统动力学模型。图2表示的是一个由柯西的正常形式的方程得到的一个系统动态模型。该模型是通用的，可用于参数不同的确定质量和尺寸的机械臂的机器人的研究。建模的目的是确定其发生过程的动作速度和性质，确认机械臂关节耦合（在同步运动）及速度和转速的行为。

在建模过程中已经使用下列参数：重量负载-，一个夹持器的延伸速度-，绕垂直轴旋转的速度-，其余参数在建模过程中进行计算。

根据对模型的研究结果显示，进行定性评估。

建模：

对旋转模块；

对机械臂的扩展模块。

瞬态过冲：

静态误差值：

过渡过程中的上升时间：

。

得到的定性评估结果相当接近于具有适当质量和尺寸和参数的双连杆机器人的试验评估。评估结果表明，该模型在评估有另一个处理重量和力-速度特性的类似机器人动态参数时十分有效。

4 结语

因此，建立的双连杆机器人模型允许评估他们在这个模式下的行动速度，产生的性质，确定在他们同步运动时的关节耦合时刻。

参考文献

机械臂范文第5篇

摘 要：我国的经济社会不断发展，科学技术水平不断提升。在现代科技中，空间技术的地位非常突出。我国发射的航天器数量不断增多，想要保障发射质量，必须应用空间技术，研制出成熟的空间机器人，同时掌握有效的空间机械臂技术。本文将具体探讨机械臂建模方法及其控制策略，希望能为相关人士提供一些参考。

关键词：空间机械臂；建模方法；控制策略

引言：进入新世纪以来，我国和国外的经济文化往来日益密切，全球化的进程不断加快，国与国之间的竞争日趋激烈。随着各国空间技术水平的不断提升，宇航能力成为评价国际地位的重要内容。我国的科学技术突飞猛进，每年发射了数以百计的卫星。值得注意的是，在卫星发射的过程中，还存在一些故障问题亟待解决。为了提高我国的综合竞争力，掌握科学的空间机械臂建模方法和控制策略势在必行。

1空间机械臂的建模方法

1.1参考系方法

首先，在构建空间机械臂模型时，可以采用参考系方法：第一是浮幼标系的方法，所谓的浮动坐标系方法，就是结合不同的物理学知识，对空间机械臂进行仿真模拟[1]。在仿真的过程中，空间机械臂被分为底座、机械臂、执行系统几个部分，机械臂可以被看做是柔性结构，而其他组成部分可以看做是刚性结构。在不考虑参照物惯性的基础上，可以对空间机械臂的虚拟运动进行分解，然后把坐标系形成固化模型，应用数学方法进行固化模型的离散。第二是随转坐标系的方法，所谓的随转坐标系方法，就是以动力学知识为基础，对空间机械臂进行移动建模。将空间机械臂放置于随转坐标系中，可以对空间机械臂进行水平位移，通过位移情况，可以分析空间机械臂的内部结构，探讨空间机械臂的弹性体特征。当进行位移时，坐标系节点发生转角位移，可以形成不同的位移节点，形成动态模型。第三是惯性坐标系的方法，所谓的惯性坐标系方法，就是以力学知识作为基础，对节点坐标进行分析的方法。空间机械臂在运动时要受到惯性的影响，此时可以根据空间机械臂的惯性位移来构建有限元模型。

1.2柔性体方法

其次，在构建空间机械臂模型时，可以采用柔性体方法。上文已述，按照柔性体方法结构类型的不同，可以把空间机械臂分为柔性结构和刚性结构。所谓的柔性体建模方法，就是以空间机械臂的机械臂作为建模基础，通过对机械臂的变形程度进行描述来构建立体模型。柔性体方法可以分为两种：第一是有限元的方法。空间机械臂的运动是无穷无尽的，但是可以根据不同的离散点，判断空间机械臂的基本运动形态。在对离散方程进行计算之后，可以得到一个动力学方程式，把具体的参数代入到方程式之中，就能得到空间机械臂的运动速度、机械臂的柔性程度等等。第二是集中参数的方法[2]。为了寻找固定点建立模型，可以把空间机械臂的柔性结构分为若干点，并把不同的点汇聚成刚性片段。这种方法可以实现刚性结合和柔性结构的完美结合，挣脱机械臂的变形束缚。这种方法和有限元方法具有较大的差异性。在采用有限元方法时，需要确定离散方程，对坐标点进行二次划分，此时机械臂完全为柔性结构。在采用集中参数方法时，需要让机械臂产生非线性的变形，把柔性结构和刚性结构相统一，以此来判断柔性机械臂的动力形态。

1.3方程构建方法

再次，在构建空间机械臂模型时，可以采用方程构建方法：第一是平动方程方法，在应用这一方法时，要应用牛顿第二定律和欧拉原理，把握空间机械臂中各个结构单元之间的关系。通过这一方程构建出来的模型比较容易分析，但是经常会受到外部的干扰，如果模型中的未知变量过多，模型的精确性就会受到不利影响。第二是力学方程方法，在应用这一方法时，要从力学的角度对方程坐标进行判断。在力学坐标中，可以根据空间机械臂的运动轨迹计算其动能和势能，把这些计算结果作为参数，可以构建完整的动力学模型。第三是动力方程方法，在应用这一方法时，应该引入速度概念，对空间机械臂的动力系统进行分析，并依据偏角速度和系统之间的关系构建模型。与前两种方法相比，动力方程的计算效率更高，物理意义更加明确，因此其所构建出来的模型实用价值更高[3]。

2空间机械臂的控制策略

在控制空间机械臂的过程中，可以先形成坐标系，在坐标系上绘制出空间机械臂的运动图示，对空间机械臂进行虚拟控制。具体来说，应该做到以下几点：第一，应该确定空间机械臂的基本结构，在自然坐标系中绘制内臂和外臂两个柔性结构。第二，应该在内臂和外臂的关节处施加一个控制力，对空间机械臂进行限制，规范空间机械臂的运动速度和运动角度。第三，可以采用PD控制器，对柔性机械臂进行智能操控。第四，可以制定空间机械臂的运动方案。当控制周期一定时，可以发现空间机械臂的方位角和时间呈正比关系。机械臂运动处在0到T/2时，角速度在T/2达到了最大，但是当机械臂运动处在T/2到T，角速度在T达到了0。此时可以根据角速度和周期的关系构建动力学方程式，求出规划方位的角速度，对空间机械臂进行控制[4]。

结论：综上所述，随着我国经济社会的不断发展，科学技术水平也在不断提升。空间技术是重要的现代化技术之一，提高空间机器人的研发效率，提升空间机械臂技术应用效率可以促进我国卫星事业发展，因此应该掌握科学的空间机械臂建模方法和控制策略。

参考文献：

[1]邓雅. 空间机械臂建模及轨迹跟踪控制方法研究[D].哈尔滨工业大学，2013.

[2]莫洋. 大型空间机械臂动力学建模与稳定控制策略[D].北京理工大学，2016.