機(jī)械臂

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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(lái)越重要。這對(duì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)空間自由度，其主動(dòng)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(dòng)型關(guān)節(jié)，而且其前3個(gè)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)的工作空間最大，還能繞過(guò)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(diǎn)是：動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過(guò)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(dòng)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(dòng)作的機(jī)械。它也可以簡(jiǎn)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(guó)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(dòng)作而對(duì)周圍環(huán)境無(wú)感覺(jué)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。

1996年樊炳輝等申請(qǐng)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(guò)程中，容易實(shí)現(xiàn)垂直起落，并始終保持對(duì)受噴面垂直、等距的關(guān)系[5]。

1997年烏克爾，戈道斯等申請(qǐng)的專利，一種用縫合針將病人的第二血管縫合到冠狀動(dòng)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(lái)抓取和縫合組織的末端操作裝置。該機(jī)械臂通過(guò)一個(gè)控制器與一對(duì)主操作手柄聯(lián)結(jié)。手柄可以由外科醫(yī)生移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生末端操作裝置的一個(gè)相應(yīng)移動(dòng)[6]。

（2）第二代機(jī)械臂，即具有如視覺(jué)、觸覺(jué)等外部感覺(jué)功能的機(jī)械臂。這種機(jī)械臂由于具有外部的感覺(jué)功能，因此可以根據(jù)外界的情況修改自身的動(dòng)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(wú)縫鏈接、下載的方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，實(shí)時(shí)滿足不同傷殘患者的助餐要求。在Matlab/xPC實(shí)時(shí)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(jì)了助餐機(jī)器人模塊化控制平臺(tái)及基于腳踏開關(guān)、語(yǔ)音識(shí)別和圖像識(shí)別的三種人機(jī)交互方式。實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手3個(gè)關(guān)節(jié)控制器、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)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(dòng)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(dòng)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(jué)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(jué)的研究技術(shù)在生產(chǎn)和生活等各個(gè)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(shí)現(xiàn)了外部對(duì)機(jī)械臂繪圖動(dòng)作的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)機(jī)械臂繪畫動(dòng)作流程，完成人臉輪廓圖的自動(dòng)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(jué)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。如：鄒建奇[9]等人以柔性機(jī)械臂為例，進(jìn)行簡(jiǎn)單的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.并采用小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)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(dòng)。

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(yùn)而生。CAD、CAM等技術(shù)已普遍用于設(shè)計(jì)、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(shí)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(dòng)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(dòng)新技術(shù)[10]。

（4）應(yīng)用智能化的傳感器。裝有視覺(jué)傳感器的機(jī)器人數(shù)量呈上升趨勢(shì)，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(yǔ)言。在ABB公司的20多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品中，采用了通用模塊化語(yǔ)言RAPID。該語(yǔ)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(lái)看，隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械臂越來(lái)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(yùn)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(diǎn)是機(jī)器人的應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。百臺(tái)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(gè)大群體?？鐕?guó)大集團(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(shí)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(jì)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(gè)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(dòng)

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

1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.1 開發(fā)環(huán)境

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

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

作為近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)設(shè)備，機(jī)械臂可以通過(guò)編寫軟件程序來(lái)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(diǎn)，而且特別具有人的視覺(jué)以及判斷能力。在作業(yè)過(guò)程中，機(jī)械臂控制的準(zhǔn)確性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，已經(jīng)使其在各個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。高級(jí)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(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，除了可以提高生產(chǎn)率之外，還能夠減弱工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此機(jī)械臂在近幾年得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。

在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，涵蓋于各個(gè)行業(yè)，已經(jīng)得到了非常廣泛的運(yùn)用，而相比國(guó)內(nèi)，我國(guó)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)跟不上，機(jī)械設(shè)計(jì)的工藝也達(dá)不到一個(gè)極高的水平，而且部分設(shè)計(jì)不夠系統(tǒng)科學(xué)，大多處于一個(gè)模仿的階段。以上原因?qū)е挛覈?guó)工業(yè)機(jī)器人在國(guó)際上并不能達(dá)到一個(gè)較高的水準(zhǔn)。如今國(guó)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(guó)際市場(chǎng)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(jì)核心思路

攝像頭采集視頻圖像->利用OpenCV獲得圖像的一幀->對(duì)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(duì)得到的二值圖像進(jìn)行輪廓檢測(cè)->創(chuàng)建回調(diào)函數(shù)并對(duì)得到的三幅圖像進(jìn)行合并->創(chuàng)建滑動(dòng)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(kù)是一個(gè)開源的跨平臺(tái)的視覺(jué)圖像處理庫(kù)，利用此庫(kù)中提供的開源算法并加以邏輯上的改進(jìn)來(lái)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(shí)別，再對(duì)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(jiǎn)介

OpenCV是一個(gè)基于開源發(fā)型的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，可以運(yùn)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(jué)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)而預(yù)警；軍事行動(dòng)中代替人眼而進(jìn)行眾多無(wú)人操作與活動(dòng)，不光如此，在圖像處理能力外，還能對(duì)聲譜圖進(jìn)行識(shí)別操作從而進(jìn)行對(duì)聲音的識(shí)別。

1.4 單一模塊

1.4.1 顏色識(shí)別

顏色識(shí)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(gè)三維的坐標(biāo)系，一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)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(diǎn)不同，他使用有角度的圓形來(lái)表示相應(yīng)顏色，比坐標(biāo)點(diǎn)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(huì)非常的淡，從底部往上，圓的半徑r越來(lái)越大，那么顏色就會(huì)越來(lái)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(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，RGB顏色經(jīng)測(cè)驗(yàn)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(duì)彩色圖像做直方圖均衡化。

高斯濾波函數(shù)：cvSmooth（…CV―GAUSSIAN…）。真實(shí)圖像的鄰近點(diǎn)像素如果變化，不會(huì)十分明顯，因?yàn)檎鎸?shí)圖像的像素點(diǎn)是緩慢遷移變化的，但是如果兩個(gè)像素點(diǎn)倏忽變化的話，便會(huì)有很大的像素差，就是我們說(shuō)的噪點(diǎn)，這時(shí)候便要用到廣泛用于圖像處理的減噪的高斯濾波，他對(duì)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(hào)）。

中值濾波函數(shù)：cvSmooth（…CV―MEDIAN…）。有時(shí)候圖像中會(huì)有孤立的噪聲點(diǎn)從而會(huì)形成較大差異，這樣會(huì)影響平均值也會(huì)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(diǎn)用其領(lǐng)域中各個(gè)點(diǎn)值的中值代替從而有效的去噪并且能夠保護(hù)信號(hào)邊緣使之不模糊，其算法也十分簡(jiǎn)單。

1.4.2.2 圖像細(xì)處理與生成

創(chuàng)建滑動(dòng)條：返回所讀取的顏色參數(shù)闕值。本文設(shè)定了6個(gè)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(gè)單通道圖像進(jìn)行按位與運(yùn)算，這樣便能檢測(cè)其二值圖像，由于此時(shí)會(huì)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(duì)灰度圖像處理的Canny邊緣檢測(cè)法（cvCanny（…）），將試圖獨(dú)立的候選像素拼裝成輪廓，輪廓的形成是對(duì)這些像素運(yùn)用滯后性闕值，Canny邊緣檢測(cè)算法是高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，是對(duì)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(cè)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(cè)輪廓個(gè)數(shù)，然后再用“cvDrawContours（…）”函數(shù)繪制檢測(cè)的輪廓。

2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 自由度及關(guān)節(jié)

本機(jī)械手臂采用4個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)4自由度，進(jìn)行手臂的升降，轉(zhuǎn)動(dòng)，抓取，移動(dòng)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(shí)，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(jì)

機(jī)械手是機(jī)械行業(yè)中必不可少的一個(gè)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(huì)不一樣，以至于達(dá)到節(jié)省成本或準(zhǔn)確夾取工件等實(shí)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(jì)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(dòng)方式

調(diào)用Servo實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制，定義多個(gè)舵機(jī)，控制多個(gè)舵機(jī)，具體內(nèi)容根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試。采用for語(yǔ)句，當(dāng)紅外或者視覺(jué)采集到數(shù)據(jù)，給予反饋，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的停止或執(zhí)行下一步。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的角度通過(guò)脈沖寬度占空比實(shí)現(xiàn)。由于舵機(jī)牌子不同，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也會(huì)不同。

本機(jī)械手臂通過(guò)電機(jī)的扭矩進(jìn)行傳動(dòng)。手臂的升降，轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，盡量的平穩(wěn)，并且力不能夠過(guò)大或者過(guò)輕，移動(dòng)時(shí)活動(dòng)空間大。

機(jī)械行業(yè)一般常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)三種方式，每種驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)劣。本設(shè)計(jì)機(jī)械手臂中，要求驅(qū)動(dòng)時(shí)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(jì)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(guò)控制角度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是，能夠精確控制位置，但是因?yàn)樾枰M(jìn)行初始位置，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。本文設(shè)計(jì)方案?jìng)鲃?dòng)方式為舵機(jī)直接傳動(dòng)，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(huì)的一項(xiàng)非常重要的研究課題，盡管其發(fā)展已經(jīng)有了一段很長(zhǎng)的歷史，但是其發(fā)展并不完全成熟。無(wú)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(shí)間。

本設(shè)計(jì)是基于OpenCV六自由度機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以六自由度機(jī)械臂為控制對(duì)象，以arduino為開發(fā)環(huán)境，輔以有著豐富視覺(jué)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(jì)。

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

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看出，我們?cè)O(shè)計(jì)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(duì)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(shí)際運(yùn)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(dòng)控制算法。算法的優(yōu)良決定了機(jī)械臂是否能自動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，特別在輸入?yún)?shù)和機(jī)械臂抓取后的運(yùn)輸，需要更加優(yōu)化、靈活的算法，從而將計(jì)算出的控制參數(shù)變得更加精確和一體。

3）視覺(jué)的廣泛性運(yùn)用。視覺(jué)不單單只作用與顏色的閾值識(shí)別，還包括如骨骼識(shí)別，輪廓識(shí)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。

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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(shí)，暫不考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)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(duì)每根連桿建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，使得連桿在其中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)很小。機(jī)械臂的整體運(yùn)動(dòng)則可由這兩個(gè)動(dòng)坐標(biāo)系的方位角來(lái)描述。于是，在動(dòng)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(diǎn)連線坐標(biāo)系，即將連桿兩端點(diǎn)的連線作為動(dòng)坐標(biāo)系的x軸（見圖1）。描述整體運(yùn)動(dòng)的是兩個(gè)角度和，而連桿相對(duì)于動(dòng)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)則可視為簡(jiǎn)支梁的振動(dòng)。這樣，動(dòng)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(yùn)動(dòng)形式（或數(shù)值解）：

(1)

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

對(duì)每個(gè)機(jī)械臂取兩階模態(tài)坐標(biāo)來(lái)描述，應(yīng)用拉格朗日方法得到動(dòng)力學(xué)方程：

(2)

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

柔性臂系統(tǒng)的逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，是指在已知期望末端操作器運(yùn)動(dòng)軌跡的情況下，結(jié)合逆運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)方程對(duì)關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行求解。如果直接進(jìn)行逆動(dòng)力學(xué)求解，即把式(1)代入動(dòng)力學(xué)方程式(2)中，對(duì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的坐標(biāo)可以看成有兩部分組成：大范圍的相對(duì)緩慢的運(yùn)動(dòng)（慢變）部分和小范圍的振動(dòng)（快變）部分。本文試圖將這兩部分分離，分別討論它們的逆動(dòng)力學(xué)特性，并以此來(lái)分析整體系統(tǒng)的逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

2快變部分的逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

首先，尋求兩個(gè)關(guān)節(jié)力矩使端點(diǎn)保持不動(dòng)，先不考慮大范圍的運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，重力只起了一個(gè)改變平衡點(diǎn)的作用，在方程中把與它相關(guān)的部分略去，在動(dòng)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(duì)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(shí)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(dòng)問(wèn)題的精確逆動(dòng)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(duì)稱，必然會(huì)出現(xiàn)正實(shí)部，如選取更多階模態(tài)函數(shù)離散時(shí)，會(huì)出現(xiàn)同樣的情況。因此，選取更多階模態(tài)函數(shù)離散時(shí)，其振動(dòng)問(wèn)題的逆動(dòng)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(dòng)力學(xué)求解，當(dāng)積分步長(zhǎng)很小時(shí)，其解是發(fā)散的；當(dāng)積分步長(zhǎng)較大時(shí)，便可得到較好的結(jié)果。其原因是因?yàn)榭熳儾糠值哪鎰?dòng)力學(xué)解發(fā)散，當(dāng)步長(zhǎng)較大時(shí)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(dòng)力學(xué)

在進(jìn)行慢變意義上的逆動(dòng)力學(xué)求解時(shí)，應(yīng)試圖將彈性坐標(biāo)中的振動(dòng)部分濾掉，彈性坐標(biāo)中不應(yīng)含有振動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡：機(jī)械臂端點(diǎn)繞以(0.8,0)為圓心，做半徑為0.5m,以每周1s作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

由機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可以看到，彈性坐標(biāo)的一階、二階時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)振動(dòng)幅值很大，但它們都在零值附近振動(dòng)，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(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，相當(dāng)于濾掉了彈性坐標(biāo)中的振動(dòng)部分，經(jīng)過(guò)整理得到如下形式：

(7)

式中，、、中含、及其一階時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。

將式(1)代入式(7)中，再對(duì)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(dòng)的曲線）。為了考察得到的力矩，將力矩代入動(dòng)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(dòng)的曲線），軌跡跟蹤曲線、端點(diǎn)坐標(biāo)與期望運(yùn)動(dòng)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(dòng)）與機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)仿真得到的彈性坐標(biāo)（含振動(dòng)）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(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)相當(dāng)于濾掉了彈性坐標(biāo)中的振動(dòng)部分，說(shuō)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(yǔ)

由圖2可以看到，機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其彈性坐標(biāo)由兩方面組成，一方面是振動(dòng)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(dòng)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(duì)于柔性機(jī)械臂系統(tǒng)，振動(dòng)部分的精確逆動(dòng)力學(xué)解是發(fā)散的，進(jìn)行逆動(dòng)力學(xué)求解時(shí)，應(yīng)濾掉振動(dòng)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(yùn)動(dòng)鏈 動(dòng)態(tài)模型

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

根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)器人的指定技術(shù)特點(diǎn)與必要性來(lái)提供所需要的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)性能，并且給定重放軌跡運(yùn)動(dòng)的精度，運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)所期望性能的一種方式是在機(jī)器人設(shè)計(jì)和配置時(shí)使用機(jī)器人仿真。

仿真方法可以通過(guò)減少在概念設(shè)計(jì)階段找到解決方案的迭代次數(shù)，從而顯著縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。在機(jī)器人系統(tǒng)流程過(guò)程中建?？梢垣@得等效信號(hào)，操作機(jī)器人；考慮各種因素對(duì)機(jī)器人和它各單位的影響；計(jì)算其穩(wěn)定性、速度、精度；優(yōu)化單獨(dú)的模塊與整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)作為一個(gè)整體?，F(xiàn)代機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模方法涉及建立真正的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型。

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型不僅可以計(jì)算它的設(shè)計(jì)特性，還可以計(jì)算其速度（時(shí)間控制），動(dòng)態(tài)過(guò)程的性質(zhì)（單調(diào)性，非周期性，和振蕩）。

研究過(guò)程中對(duì)機(jī)械臂的操作是必要的，首先，使它成為一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型，即一個(gè)模型連接它與絕對(duì)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(diǎn)的位置就足以確定其在絕對(duì)（固定）坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)。描述一個(gè)剛體需要與它自己（相關(guān)的）坐標(biāo)系相結(jié)合。

在國(guó)際實(shí)踐中普遍使用的方法是基于對(duì)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(dòng)態(tài)過(guò)程建模。

1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)

分析組成機(jī)械臂的兩個(gè)鏈接：關(guān)于一個(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題必須要解決正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)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(yùn)動(dòng)任務(wù)的起點(diǎn)。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(yùn)動(dòng)學(xué)。

采用Denavit-Hartenberg方法編碼運(yùn)動(dòng)鏈。然后建立對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題的絕對(duì)和相對(duì)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(yùn)動(dòng)方程：

鏈接1：

鏈接2：

獲得擴(kuò)展鏈路的整體速度：

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題是確定一個(gè)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(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)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(lái)解決這一問(wèn)題。

從方程組發(fā)現(xiàn)后，針對(duì)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(gè)廣義坐標(biāo)方程系統(tǒng)：

隨時(shí)間變化的變量集，設(shè)置唯一標(biāo)識(shí)的機(jī)器人連桿的相對(duì)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(dòng)力學(xué)

研究人員對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)有著極大的興趣。當(dāng)導(dǎo)出機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的解析形式時(shí)可以用拉格朗日或者阿佩爾形式進(jìn)行描述。在正式說(shuō)明的情況下，拉格朗日需要對(duì)動(dòng)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(dòng)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(shí)心體的中心剛體的動(dòng)能在絕對(duì)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(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)能進(jìn)行描述解析，找到整個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)能很重要：

找到的每一個(gè)鏈接的動(dòng)能：

各鏈接的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

讓我們假設(shè)

經(jīng)過(guò)變換和替換得到

獲取拉格朗日方程的每一個(gè)環(huán)節(jié)。區(qū)分系統(tǒng)的總動(dòng)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(gè)數(shù)學(xué)工程的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。圖2表示的是一個(gè)由柯西的正常形式的方程得到的一個(gè)系統(tǒng)動(dòng)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(guò)程的動(dòng)作速度和性質(zhì)，確認(rèn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)耦合（在同步運(yùn)動(dòng)）及速度和轉(zhuǎn)速的行為。

在建模過(guò)程中已經(jīng)使用下列參數(shù)：重量負(fù)載-，一個(gè)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(guò)程中進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)對(duì)模型的研究結(jié)果顯示，進(jìn)行定性評(píng)估。

建模：

對(duì)旋轉(zhuǎn)模塊；

對(duì)機(jī)械臂的擴(kuò)展模塊。

瞬態(tài)過(guò)沖：

靜態(tài)誤差值：

過(guò)渡過(guò)程中的上升時(shí)間：

。

得到的定性評(píng)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(yàn)評(píng)估。評(píng)估結(jié)果表明，該模型在評(píng)估有另一個(gè)處理重量和力-速度特性的類似機(jī)器人動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)十分有效。

4 結(jié)語(yǔ)

因此，建立的雙連桿機(jī)器人模型允許評(píng)估他們?cè)谶@個(gè)模式下的行動(dòng)速度，產(chǎn)生的性質(zhì)，確定在他們同步運(yùn)動(dòng)時(shí)的關(guān)節(jié)耦合時(shí)刻。

參考文獻(xiàn)

機(jī)械臂范文第5篇

摘 要：我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(guó)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(shí)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(lái)，我國(guó)和國(guó)外的經(jīng)濟(jì)文化往來(lái)日益密切，全球化的進(jìn)程不斷加快，國(guó)與國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。隨著各國(guó)空間技術(shù)水平的不斷提升，宇航能力成為評(píng)價(jià)國(guó)際地位的重要內(nèi)容。我國(guó)的科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，每年發(fā)射了數(shù)以百計(jì)的衛(wèi)星。值得注意的是，在衛(wèi)星發(fā)射的過(guò)程中，還存在一些故障問(wèn)題亟待解決。為了提高我國(guó)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，掌握科學(xué)的空間機(jī)械臂建模方法和控制策略勢(shì)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(shí)，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(dòng)坐標(biāo)系方法，就是結(jié)合不同的物理學(xué)知識(shí)，對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行仿真模擬[1]。在仿真的過(guò)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(gè)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(duì)空間機(jī)械臂的虛擬運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行移動(dòng)建模。將空間機(jī)械臂放置于隨轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，可以對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行水平位移，通過(guò)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(shí)，坐標(biāo)系節(jié)點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)角位移，可以形成不同的位移節(jié)點(diǎn)，形成動(dòng)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(shí)作為基礎(chǔ)，對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行分析的方法?？臻g機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到慣性的影響，此時(shí)可以根據(jù)空間機(jī)械臂的慣性位移來(lái)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(shí)，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(guò)對(duì)機(jī)械臂的變形程度進(jìn)行描述來(lái)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。空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)是無(wú)窮無(wú)盡的，但是可以根據(jù)不同的離散點(diǎn)，判斷空間機(jī)械臂的基本運(yùn)動(dòng)形態(tài)。在對(duì)離散方程進(jìn)行計(jì)算之后，可以得到一個(gè)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)，并把不同的點(diǎn)匯聚成剛性片段。這種方法可以實(shí)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(shí)，需要確定離散方程，對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行二次劃分，此時(shí)機(jī)械臂完全為柔性結(jié)構(gòu)。在采用集中參數(shù)方法時(shí)，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(lái)判斷柔性機(jī)械臂的動(dòng)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(shí)，可以采用方程構(gòu)建方法：第一是平動(dòng)方程方法，在應(yīng)用這一方法時(shí)，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(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系。通過(guò)這一方程構(gòu)建出來(lái)的模型比較容易分析，但是經(jīng)常會(huì)受到外部的干擾，如果模型中的未知變量過(guò)多，模型的精確性就會(huì)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(shí)，要從力學(xué)的角度對(duì)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(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算其動(dòng)能和勢(shì)能，把這些計(jì)算結(jié)果作為參數(shù)，可以構(gòu)建完整的動(dòng)力學(xué)模型。第三是動(dòng)力方程方法，在應(yīng)用這一方法時(shí)，應(yīng)該引入速度概念，對(duì)空間機(jī)械臂的動(dòng)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(dòng)力方程的計(jì)算效率更高，物理意義更加明確，因此其所構(gòu)建出來(lái)的模型實(shí)用價(jià)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(guò)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(yùn)動(dòng)圖示，對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行虛擬控制。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：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(gè)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(gè)控制力，對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行限制，規(guī)范空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)角度。第三，可以采用PD控制器，對(duì)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(yùn)動(dòng)方案。當(dāng)控制周期一定時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)空間機(jī)械臂的方位角和時(shí)間呈正比關(guān)系。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)處在0到T/2時(shí)，角速度在T/2達(dá)到了最大，但是當(dāng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)處在T/2到T，角速度在T達(dá)到了0。此時(shí)可以根據(jù)角速度和周期的關(guān)系構(gòu)建動(dòng)力學(xué)方程式，求出規(guī)劃方位的角速度，對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行控制[4]。

結(jié)論：綜上所述，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(guó)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(dòng)力學(xué)建模與穩(wěn)定控制策略[D].北京理工大學(xué)，2016.