仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)精選(九篇)

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第1篇：仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：陸地鉆機(jī) 二層臺(tái)機(jī)械手臂 石油鉆桿排放系統(tǒng) 伺服驅(qū)動(dòng)

1.引言

鉆井作業(yè)過(guò)程中，二層臺(tái)井架工的作業(yè)環(huán)境非常惡劣，高空露天作業(yè)，起下鉆井架工在26米高的猴臺(tái)上一站就是十多個(gè)小時(shí)，風(fēng)吹日曬。為了改善井架工的作業(yè)環(huán)境，勝利油田鉆井三公司機(jī)動(dòng)辦公室開(kāi)始著手設(shè)計(jì)二層臺(tái)機(jī)械手臂井架工伺服操作系統(tǒng)，井架工在鉆臺(tái)偏房?jī)?nèi)或是在司鉆房?jī)?nèi)遙控操作二層臺(tái)機(jī)械手臂，實(shí)現(xiàn)鉆桿、鉆鋌擺正入指梁。該設(shè)計(jì)著重考慮四點(diǎn)：①適用于公司內(nèi)部40、50、70型陸地鉆機(jī)k型自起井架，方便安裝和井隊(duì)設(shè)備搬遷。②無(wú)需對(duì)二層臺(tái)的承重進(jìn)行改裝，機(jī)械手臂小巧輕便，總重量控制在250kg以內(nèi)。③操作簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速靈敏準(zhǔn)確，井架工在鉆臺(tái)面或司鉆房?jī)?nèi)利用監(jiān)控視頻對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行可視化遙控操作，鉆桿擺放速度不低于人工擺放速度。④機(jī)械手臂露天作業(yè)，皮實(shí)耐用，防水防爆。

2.現(xiàn)有二層臺(tái)機(jī)械手臂成型產(chǎn)品的介紹

針對(duì)以上四個(gè)要求，我們考察了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的鉆井二層臺(tái)鉆桿擺放系統(tǒng)，都無(wú)法滿足上訴四個(gè)要求。國(guó)內(nèi)外鉆桿擺放系統(tǒng)成型的設(shè)計(jì)目前可以大致分為兩類(lèi)，一類(lèi)是將鉆桿整柱提起，再利用液壓手臂旋轉(zhuǎn)擺正推送入指梁。該設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于可以同時(shí)省去鉆臺(tái)面上兩個(gè)鉆工和二層臺(tái)上井架工共三個(gè)人的工作量，但這種設(shè)計(jì)對(duì)于二層臺(tái)的承重要求很高，必須對(duì)井架和二層臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)， 顯然對(duì)現(xiàn)有井架進(jìn)行改造不現(xiàn)實(shí)。例如，NOV（國(guó)民油井）公司和挪威MH公司的海上平臺(tái)鉆柱擺放系統(tǒng)（圖1），國(guó)內(nèi)杰瑞石油工程機(jī)械有限公司的二層臺(tái)智能排管系統(tǒng)（圖2）。第二種設(shè)計(jì)是鉆工先把鉆桿立柱的下端推到鉆桿盒內(nèi)，下放游車(chē)，鉆桿立柱下端立在鉆桿盒上，打開(kāi)液壓吊卡，然后用機(jī)械手臂抓住鉆桿立柱擺正推送入指梁。這種設(shè)計(jì)只能節(jié)省井架工的人工勞動(dòng)，鉆臺(tái)面上還需要人工完成，但是這種設(shè)計(jì)的好處是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，二層臺(tái)不承受鉆柱的重量，只需要一個(gè)很小的力就可以將鉆桿擺正就位。在現(xiàn)有鉆機(jī)上增加二層臺(tái)機(jī)械手臂，只能采用這種設(shè)計(jì)。目前采用第二種設(shè)計(jì)思路的成型產(chǎn)品只有NOV（國(guó)民油井）公司開(kāi)發(fā)的，二層臺(tái)液壓機(jī)械手臂（圖3）。我們?cè)贜OV的設(shè)計(jì)上大膽改進(jìn)，采用全新的機(jī)器人設(shè)計(jì)理念，自主研發(fā)出了適用于40、50、70型陸地鉆機(jī)K型自起井架的二層臺(tái)機(jī)械手臂井架工伺服操作系統(tǒng)（圖4）。

3.二層臺(tái)機(jī)械手臂井架工伺服操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和NOV的設(shè)計(jì)大致相同，都包含導(dǎo)軌、滑臺(tái)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、伸縮手臂、機(jī)械手（圖5）。整個(gè)機(jī)械手臂可以在導(dǎo)軌上前后滑動(dòng)，左右轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手臂向前伸出和向后縮回。 但是不同于NOV設(shè)計(jì)之處在于，我們的機(jī)械手臂安裝在舌臺(tái)的上部。這樣有兩個(gè)好處，第一，搬家無(wú)需將機(jī)械手臂拆掉，二層臺(tái)擋風(fēng)墻上有自動(dòng)固定位置，機(jī)械手臂滑到擋風(fēng)墻邊上自動(dòng)固定，二層臺(tái)下部就是裝車(chē)面，所以，機(jī)械手臂是一次安裝，無(wú)需拆卸。這對(duì)于陸地鉆機(jī)，平均一兩個(gè)月就搬遷一次的搬家頻率，大大節(jié)省拆卸安裝時(shí)間。第二，機(jī)械手臂安裝在舌臺(tái)上部，安裝電纜、保養(yǎng)、維修都非常方便。維修人員觸手可及。NOV的設(shè)計(jì)一但出現(xiàn)任何問(wèn)題，維修人員下去檢修都非常困難。

（2）近幾年伺服電機(jī)技術(shù)發(fā)展非常迅速，NOV的設(shè)計(jì)采用液壓缸、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂我們的設(shè)計(jì)在二層臺(tái)機(jī)械手臂上大膽采用機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念，所有的驅(qū)動(dòng)全部采用伺服電機(jī)加減速機(jī)的形式作為動(dòng)力。導(dǎo)軌滑臺(tái)采用滾珠絲杠傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)、動(dòng)作迅速、阻力小。旋轉(zhuǎn)臺(tái)和機(jī)械手臂部位全部采用渦輪蝸桿傳動(dòng)。相比NOV的液壓系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，省去了液壓站，液壓管線，制造成本大大降低，伺服電機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)和日常消耗成本也比液壓系統(tǒng)小很多。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安裝、維護(hù)、操控相比液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯。

（3）操控方面采用伺服電機(jī)速度控制系統(tǒng)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手柄模擬信號(hào)直接控制伺服驅(qū)動(dòng)器。井架工一只手握住操控手柄，前后左右推動(dòng)手柄就可以控制機(jī)械手臂的伸縮，滑臺(tái)的左右移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)手柄可以控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，拇指部位的按鈕可以控制機(jī)械手抓的開(kāi)合（圖6）。機(jī)械手臂上安裝有攝像頭，機(jī)械手臂的所有操作全部在顯示屏幕上可以看到，井架工在司鉆房?jī)?nèi)可視化遙控操作，無(wú)需再爬上二層臺(tái)。徹底解放井架工的體力勞動(dòng)，改善工作環(huán)境，。

（4）滑塊采用回型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，絲杠和導(dǎo)軌上面鋪設(shè)承重板材，機(jī)械手臂出現(xiàn)故障，無(wú)法工作，可以用搖把將機(jī)械手臂退回到擋風(fēng)墻一邊，井架工站在承重板材上面進(jìn)行人工排鉆桿作業(yè)（圖7）。同時(shí)承重板材對(duì)絲杠和導(dǎo)軌起到防雨作用。

（5）該設(shè)計(jì)目前唯一的缺點(diǎn)就是，起鉆過(guò)程中，必須有液壓吊卡的配合才能開(kāi)啟吊卡。所以只能安裝在配備有頂驅(qū)和液壓吊卡的井架上。下鉆過(guò)程中，利用機(jī)械手臂推送鉆桿的撞擊力就可以將吊卡口上。下一步的重點(diǎn)是將開(kāi)吊卡的裝置和機(jī)械抓手都安裝到機(jī)械手臂上。實(shí)現(xiàn)無(wú)需液壓吊卡的起下鉆作業(yè)。

4.結(jié)束語(yǔ)

目前，數(shù)字樣機(jī)的研發(fā)過(guò)程已經(jīng)完成，全程通過(guò)delmia仿真軟件進(jìn)行數(shù)字樣機(jī)的開(kāi)發(fā)、有限元分析和仿真演示。模型樣機(jī)零部件的設(shè)計(jì)、相關(guān)產(chǎn)品的選型和采購(gòu)已經(jīng)完成，下一步工作將圍繞地面試驗(yàn)臺(tái)的搭建，系統(tǒng)模型樣機(jī)的組裝和地面試驗(yàn)展開(kāi)，計(jì)劃年底能將模型樣機(jī)安裝到公司新出50DB鉆機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡文軍，張慧峰，孫，等. 鉆柱自動(dòng)化排放技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油機(jī)械，2008，36 （ 12）

[2]袁建民，趙保忠. 油管柱立式自動(dòng)排架設(shè)計(jì)[J]石油機(jī)械，2006，34

[3]童征等.陸地鉆機(jī)用二層臺(tái)管具擺放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]石油機(jī)械 2011，39

作者簡(jiǎn)介：

田成輝，男，（1966.4?―）鉆井三公司機(jī)動(dòng)辦主任

徐元春，男，（1980.6―）鉆井三公司機(jī)動(dòng)辦干事

第2篇：仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵字： 機(jī)械手臂； 農(nóng)用機(jī)械； 應(yīng)力分析； 主應(yīng)力測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)： TN06?34； TH114 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）15?0130?03

Principal stress testing experiment and analysis of machinery arm in agriculture

CHEN Chao1， L? Xiao?xue1， YI Xiao?kang2， HU Can2

（1. Xinjiang Alar Bureau of Quality and Technical Supervision， Alar 843300， China； 2. School of Mechanical Engineering， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： Taking domestic KR?70004?PAX grabbing type manipulator device as the object of study， time of the mechanical arm in actual handling process were measured and analyzed by means of resistance strain type displacement sensor and PLC?300 data acquisition system. The results show that the manipulator device′s operation radius and grabbing weight factors have great influence on the principal stress change of mechanical arm. The principal stress increases sharply by 6000 N/mm at the moment of starting when the operation radius is 3000 mm. The principal stress can reach 5300 N/mm when the normal operating radius is 2000 mm and the weight of work piece is 350 kg.

Keyword： mechanical arm； agricultural machinery； stress analysis； principal stress testing

0 引 言

目前，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的不斷推進(jìn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，碼跺垛碼機(jī)械手裝置得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在牧場(chǎng)草堆碼跺、棉花等作物桔桿碼跺、甚至棉花加工廠的碼跺作業(yè)均應(yīng)用到機(jī)械手的作業(yè)。然而，碼跺作業(yè)一般為重復(fù)連續(xù)性作業(yè)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，機(jī)械手裝置的故障率較高，特別是疲勞性過(guò)載，機(jī)械手臂的應(yīng)力變形隨著使用的時(shí)間呈變形過(guò)大的情況，甚至影響機(jī)械手裝置的整體性能；而在垛碼機(jī)械手裝置中，機(jī)械手臂應(yīng)力損害是機(jī)械手裝置最難修復(fù)的應(yīng)力故障。垛碼機(jī)械手裝置一般為重載型作業(yè)，負(fù)載要求范圍在300～1 300 kg之間，并且機(jī)械手裝置工作范圍在2 600～3 500 mm之間，特別是一些卸碼垛作業(yè)的機(jī)械手裝置中，機(jī)械手裝置工作范圍要求均超過(guò)3 000 mm。機(jī)械手裝置的工作范圍決定了機(jī)械手臂的作業(yè)半徑，作業(yè)半徑越長(zhǎng)，機(jī)械手臂所承受的應(yīng)力變化越大。在目前的機(jī)械手的研究中，國(guó)內(nèi)主要集中在機(jī)械手臂的動(dòng)力學(xué)研究上，對(duì)機(jī)械手臂的應(yīng)力分析也局限于靜態(tài)的受力分析，缺少實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的機(jī)械手臂主應(yīng)力的變化情況不明[1?4]。

針對(duì)目前重載型機(jī)械手臂的應(yīng)力損害情況和實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)力變化研究現(xiàn)狀，以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行棉花桔桿碼跺的機(jī)械手裝置為研究對(duì)象，進(jìn)行機(jī)械手臂的主應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，分析在不同工況條件下主應(yīng)力的變化情況，為機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 主應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)的方法與條件

1.1 測(cè)試試驗(yàn)的對(duì)象

新疆建設(shè)兵團(tuán)第一師農(nóng)場(chǎng)碼跺機(jī)械手采用的是上海易升設(shè)備公司生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)KR?70004?PAX抓取型機(jī)械手裝置，其最大碼跺負(fù)荷能力在350 kg，最大工作半徑為3 000 mm，末端執(zhí)行器為爪型方式進(jìn)行打捆桔桿的碼跺，控制系統(tǒng)采用PLC?300作為核心控制單元，根據(jù)機(jī)械手裝置的特性，以重復(fù)性順序控制為主。

主要的機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，機(jī)械手臂由兩節(jié)伸縮臂組成。機(jī)械手手臂截面結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作時(shí)，機(jī)械手臂表面任意一點(diǎn)的主應(yīng)力均為最大值。

圖1 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 機(jī)械手手臂I?I截面結(jié)構(gòu)圖

1.2 應(yīng)力測(cè)試的系統(tǒng)設(shè)備

應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備主要包括兩部分：一部分為機(jī)械手臂部位主應(yīng)力測(cè)量傳感器的現(xiàn)場(chǎng)布置和應(yīng)力信號(hào)的放大與傳送。另一部分是以PLC為核心的測(cè)量控制系統(tǒng)，包括應(yīng)力數(shù)據(jù)的處理、畫(huà)面的顯示、應(yīng)力過(guò)載值報(bào)警的輸出等，具體的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械手臂應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)框圖

根據(jù)機(jī)械手臂的工作特點(diǎn)以及負(fù)載能力，采用電阻應(yīng)變片式位移傳感器作為主應(yīng)力的測(cè)量傳感器，應(yīng)變片式位移傳感器通過(guò)信號(hào)采集放大后，傳送至機(jī)械手PLC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析[5]，根據(jù)應(yīng)力變化情況啟動(dòng)機(jī)械手裝置的保護(hù)電路，同時(shí)，采集信號(hào)通過(guò)人機(jī)畫(huà)面進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。

1.3 機(jī)械手臂主應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的布置與計(jì)算

在機(jī)械手裝置進(jìn)行碼跺作業(yè)時(shí)，物料對(duì)機(jī)械手臂的應(yīng)力影響主要為彎扭組合變形，根據(jù)應(yīng)力?應(yīng)變廣義胡克定律，機(jī)械手臂構(gòu)件表面任意一點(diǎn)處于平面應(yīng)力狀態(tài)，并且在同一直線構(gòu)件上，主應(yīng)力的大小不變。通過(guò)這一原理，在機(jī)械手手臂構(gòu)件表面布置一種直角形應(yīng)變片結(jié)構(gòu)，可測(cè)量出主應(yīng)變力大小[6?8]，具體的應(yīng)變片布置如圖4所示。I?I截面在[A，][B，][C，][D]四個(gè)測(cè)試點(diǎn)布置直角形應(yīng)變片結(jié)構(gòu)。圖4中，直角形應(yīng)變結(jié)構(gòu)由+45°方向的應(yīng)變片、0°方向的應(yīng)變片和-45°方向三個(gè)應(yīng)變片組成，當(dāng)機(jī)械手臂構(gòu)件產(chǎn)生變形時(shí)，應(yīng)變片可反饋出三個(gè)方向的線應(yīng)變值，并通過(guò)變送器將應(yīng)變值傳送回PLC系統(tǒng)。

根據(jù)被測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向應(yīng)變值[ε45°，ε0°，ε-45°，]計(jì)算主應(yīng)力大小公式為：

[σmaxmin=E2（1+μ）（ε-45°+ε45°）±E2（1+μ）（ε-45°-ε0°）2+（ε0°-ε45°）2] （1）

式中：[σ]為主應(yīng)力的最大值與最小值；[E，][μ]為機(jī)械手臂材料的彈性模量和泊松比。

則計(jì)算主應(yīng)力的方向公式為：

[tan2?=2ε0°-ε-45°-ε45°ε-45°-ε45°] （2）

式中：[?]為主應(yīng)力方向與應(yīng)變片（-45°）方向的夾角。從式（1）、式（2）中可知，在已知材料的[E，][μ]而不必已知載荷及橫截面尺寸的情況下，用實(shí)驗(yàn)手段方法就可測(cè)得構(gòu)件表面主應(yīng)力大小及方向。

圖4 I?I截面應(yīng)力布置展開(kāi)圖與應(yīng)力受力情況圖

1.4 機(jī)械手臂主應(yīng)力測(cè)試的步驟

應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)根據(jù)機(jī)械手臂的作業(yè)半徑和抓取工件的重量大小進(jìn)行單因素影響試驗(yàn)，以測(cè)試不同作業(yè)半徑下對(duì)機(jī)械手臂主應(yīng)力的影響和不同工件重量下對(duì)機(jī)械手臂主應(yīng)力的影響。

（1） 作業(yè)半徑根據(jù)車(chē)間的常用作業(yè)情況，選取作業(yè)半徑分別為2 000 mm，2 500 mm及最大作業(yè)半徑3 000 mm進(jìn)行作業(yè)半徑單因素影響測(cè)試。

（2） 根據(jù)抓取工件的重量，選取200 kg，300 kg和350 kg進(jìn)行抓取重量單因素影響測(cè)試。

（3） 在進(jìn)行主應(yīng)力的實(shí)際測(cè)量時(shí)，根據(jù)車(chē)間生產(chǎn)時(shí)的實(shí)際工況對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)時(shí)間段進(jìn)行劃分，分別記錄抓取工件物料時(shí)、起動(dòng)瞬間，穩(wěn)定時(shí)、移動(dòng)過(guò)程及下放過(guò)程各時(shí)間段的應(yīng)力變化情況。

2 應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果與討論

根據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)得出的各應(yīng)力數(shù)據(jù)，進(jìn)行主應(yīng)力的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，可得到作業(yè)半徑、抓取重量?jī)煞N因素影響下的應(yīng)力變化情況。

圖5所示為機(jī)械手臂使用工作半徑為2 000 mm時(shí)的主應(yīng)力變化情況。機(jī)械手裝置的一個(gè)工作時(shí)間段為20 s，當(dāng) [t=]1.2 s時(shí)為起動(dòng)瞬間。從圖中可以看出，不同的抓取重量對(duì)主應(yīng)力的影響明顯，當(dāng)工件重量為350 kg時(shí)，主應(yīng)力能達(dá)到5 300 N/mm。同時(shí)，對(duì)于起動(dòng)瞬間[t=]1.2 s時(shí)的主應(yīng)力變化影響最為明顯，當(dāng)工件重量為200 kg時(shí)，起動(dòng)瞬間最大主應(yīng)力為3 450 N/mm。

圖5 工作半徑2 000 mm時(shí)的主應(yīng)力變化情況

圖6和圖7所示分別為機(jī)械手臂使用工作半徑為2 500 mm和3 000 mm時(shí)的主應(yīng)力變化情況。

圖6 工作半徑2 500 mm時(shí)的主應(yīng)力變化情況

與圖5相比，當(dāng)不同抓取重量時(shí)，機(jī)械手臂各運(yùn)動(dòng)時(shí)間段內(nèi)的曲線變化情況基本一致，均在機(jī)械手裝置抓取工件的起動(dòng)瞬間主應(yīng)力值變化最大。不同的是，不同的工作半徑下，主應(yīng)力變化曲線的最大值有所不同，當(dāng)作業(yè)半徑為3 000 mm時(shí)，主應(yīng)力在起動(dòng)瞬間急劇增加，最高時(shí)達(dá)到6 000 N/mm。

圖7 工作半徑3 000 mm時(shí)的主應(yīng)力變化情況

圖5～圖7中的數(shù)據(jù)表明，主應(yīng)力的變化情況與工況條件、機(jī)械手臂作業(yè)半徑密切相關(guān)。當(dāng)作業(yè)半徑較少時(shí)，主應(yīng)力的變化值區(qū)間明顯減小；而當(dāng)作業(yè)半徑達(dá)到最大時(shí)，機(jī)械手臂的整個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間段的應(yīng)力變化明顯增大，并且在起動(dòng)瞬間達(dá)到最大值。

3 結(jié) 論

應(yīng)用KR?70004?PAX抓取型機(jī)械手進(jìn)行了機(jī)械手臂的應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，得出了機(jī)械手裝置的作業(yè)半徑、抓取重量大小因素變化對(duì)機(jī)械手臂主應(yīng)力變化的影響規(guī)律。

（1） 機(jī)械手臂的主應(yīng)力變化與作業(yè)半徑成正比的關(guān)小，在相同的抓取重量下，作業(yè)半徑越大，機(jī)械手臂承受的應(yīng)力值越大，當(dāng)作業(yè)半徑為3 000 mm時(shí)，主應(yīng)力在起動(dòng)瞬間急劇增加，最高時(shí)達(dá)到6 000 N/mm。

（2） 機(jī)械手臂的主應(yīng)力變化與抓取重量大小成正比關(guān)系，在相同的作業(yè)半徑條件下，不同的抓取重量對(duì)主應(yīng)力的影響明顯，在正常的作業(yè)半徑2 000 mm時(shí)，當(dāng)工件重量為350 kg時(shí)，主應(yīng)力能達(dá)到5 300 N/mm。

（3） 在機(jī)械手臂的一個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間段周期應(yīng)力變化中，不論什么工況條件與作業(yè)半徑，在抓取工件后的起動(dòng)瞬間主應(yīng)力值達(dá)到最大值。因此，起動(dòng)瞬間的主應(yīng)力變化值可作為機(jī)械手設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

注：本文通訊作者為弋曉康。

參考文獻(xiàn)

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第3篇：仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞 數(shù)控機(jī)床；機(jī)械手；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2012）68-0071-02

在數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)和整體布局上，輸送技術(shù)對(duì)其有著直接性的影響。在缸體加工過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的三軸孔加工是一項(xiàng)十分重要的程序和環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)在很大程度上確保了三軸孔在加工過(guò)程中的精確度；在缸體的縱向上，應(yīng)當(dāng)配置若干個(gè)固定的導(dǎo)向設(shè)施，用于支撐鏜桿；傳統(tǒng)意義上的三軸孔鏜床，其架構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)存在防護(hù)難度大、輸送速度較慢等諸多問(wèn)題，在很大程度上給數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)節(jié)拍造成了影響。為了解決上述困難，大連機(jī)床企業(yè)首次研究并設(shè)計(jì)了空中布局的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手，這不僅強(qiáng)化了數(shù)控機(jī)床的剛性，同時(shí)也解決了數(shù)控機(jī)床在排屑過(guò)程中所面臨的一系列難題，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)缸體在輸送過(guò)程中所表現(xiàn)出的柔性；通過(guò)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在很大程度上減少了輸送機(jī)床在輸送過(guò)程中的時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了工序的分解，致使數(shù)控機(jī)床的節(jié)拍從原來(lái)的6min下降到現(xiàn)在的3.2min；在一定意義上達(dá)到了用戶在節(jié)拍方面的一些要求，與此同時(shí)，在很大程度上也提高了數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化。

1 機(jī)械手的發(fā)展情形與動(dòng)態(tài)

從國(guó)內(nèi)外所有機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，在現(xiàn)階段，對(duì)機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)已趨于，機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)，可以總結(jié)為：第一，模塊化與可重構(gòu)化是現(xiàn)階段機(jī)械架構(gòu)發(fā)展的主要?jiǎng)酉?；其二，PC機(jī)的開(kāi)放型控制器是機(jī)械手體系發(fā)展的一個(gè)主要方向，其目的就是為了完善機(jī)械手，使其逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化；器件集成度得以強(qiáng)化，架構(gòu)設(shè)計(jì)玲瓏，同時(shí)運(yùn)用過(guò)了模塊化架構(gòu)；在很大程度上強(qiáng)化了機(jī)械手體系的安全性和可靠性，同時(shí)也滿足機(jī)械手在維修和防護(hù)方面的一些便捷性；第三，傳感器在機(jī)械手中發(fā)揮了十分重要的作用，不僅運(yùn)用了傳統(tǒng)的速度傳感器、位置傳感器等，同時(shí)也引進(jìn)了先進(jìn)的視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器和聽(tīng)覺(jué)傳感器，促使機(jī)械手逐漸向智能化方向發(fā)展和推進(jìn)；第四，裝配、焊接等機(jī)械產(chǎn)品逐漸向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化及系列化方向推進(jìn)和發(fā)展，及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的仿真等。

2 機(jī)械手手爪架構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

機(jī)械手手爪的類(lèi)型較多，其主要用于作業(yè)的操作和裝置，按照不同的作業(yè)方法和操作，可以將手爪分為測(cè)量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所謂搬用式手爪，即為多種類(lèi)型的夾持裝置，其主要用于對(duì)物體的搬用和抓取；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機(jī)械手附加設(shè)備，其主要用于對(duì)作業(yè)的加工；所謂測(cè)量式手爪，即為附有傳感器的一種附加設(shè)備，其主要用于對(duì)作業(yè)的檢驗(yàn)和測(cè)量。在機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)遵循以下幾個(gè)方面的要求：其一，根據(jù)機(jī)械手作業(yè)的具體要求對(duì)機(jī)械手手爪進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)；其二，機(jī)械手手爪的專(zhuān)用性和萬(wàn)能型之間存在一定的矛盾。萬(wàn)能手的架構(gòu)設(shè)計(jì)比較繁瑣，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象，以工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，將重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)各類(lèi)專(zhuān)用的、工作效率較高的機(jī)械手的研究和設(shè)計(jì)上，確保工業(yè)機(jī)械手的所有工作性能的實(shí)現(xiàn)和健全，在這里，我們不贊成通過(guò)一個(gè)萬(wàn)能手來(lái)完成所有工作，應(yīng)當(dāng)考慮機(jī)械手在設(shè)計(jì)過(guò)程中所發(fā)揮的一些經(jīng)濟(jì)效益；其三，確保手爪的通用性。所謂機(jī)械手爪的通用性，即為通過(guò)數(shù)量有限的手爪來(lái)適應(yīng)不同要求的機(jī)械手，這就給末端執(zhí)行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口，保證末端執(zhí)行器能夠標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)用。

3 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案的運(yùn)行

因?yàn)闄C(jī)械手手臂在運(yùn)作過(guò)程中表現(xiàn)為直線式，并且考慮到機(jī)械手在剛度、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性和安全性、動(dòng)態(tài)性能等方面的一些要求，所以應(yīng)當(dāng)選取液壓驅(qū)動(dòng)方式，基于液壓缸所表現(xiàn)出的直接性驅(qū)動(dòng)，液壓缸不僅是執(zhí)行件，同時(shí)也是驅(qū)動(dòng)件，所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以取消對(duì)執(zhí)行件的設(shè)計(jì)，又由于液壓缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)為直線式，所以，在其控制上的難度較低，便于計(jì)算機(jī)管理和控制。

除此之外，機(jī)械手手臂由于在其具體工作及控制方面的一些要求，所以在機(jī)械手手臂的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)控制其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不應(yīng)過(guò)大，如果只依賴(lài)加大液壓缸的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)剛度的提高，那么將無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)剛度的一些要求。所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，額外添加了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，在小臂上安置了兩個(gè)導(dǎo)桿，兩導(dǎo)桿和活塞桿共同形成了一個(gè)等邊三角形，在最大程度上加大了小臂的剛度；在大臂上安置了四個(gè)導(dǎo)桿，四個(gè)導(dǎo)桿構(gòu)成了四邊形，為了最大限度的降低大臂的重量，每個(gè)導(dǎo)桿都引用了空心架構(gòu)。

4 機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用

機(jī)械手實(shí)施方案具有速度快、工作效率高、負(fù)載能力強(qiáng)、移位精度高及故障出現(xiàn)頻率低等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)。

機(jī)械手在DK050機(jī)床上的成功運(yùn)用，是數(shù)控機(jī)床柔性輸送方面的一大創(chuàng)新。在今后的數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用將會(huì)得到前所未有的發(fā)揮，同時(shí)為廣大用戶提供了極大地方便，能夠產(chǎn)生較大的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

機(jī)械手在機(jī)械行業(yè)中的運(yùn)用已經(jīng)成為一種必然的趨勢(shì)，同時(shí)這種運(yùn)用將得到前所未有的發(fā)揮，機(jī)械手能夠成功的運(yùn)用于機(jī)械零件的組裝和加工工件的裝卸與搬運(yùn)，尤其體現(xiàn)于組合機(jī)床以及自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床上的運(yùn)用和創(chuàng)新。將機(jī)械手與機(jī)床設(shè)備合為一個(gè)柔性體，在很大程度上能夠節(jié)省工件輸送裝置，架構(gòu)比較緊湊，同時(shí)適應(yīng)能力較強(qiáng)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上對(duì)機(jī)械手進(jìn)行考慮都是有必要的，所以，對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)是一種必然。

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第4篇：仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文

[關(guān)鍵詞]機(jī)器人學(xué) 三位一體 創(chuàng)新精神 工程實(shí)踐

自從1920年捷克劇作家卡雷爾?凱培克在《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中第一次提出 “機(jī)器人”（Robota，Robot）這個(gè)名詞就開(kāi)啟了人類(lèi)的“機(jī)器人之夢(mèng)”。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)不僅僅是重復(fù)勞動(dòng)的機(jī)器而是具有了一定的智能性甚至能自主的完成人類(lèi)賦予的特定任務(wù)的智能機(jī)器。

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為高科技發(fā)展的代表，很多國(guó)家尤其是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在高校設(shè)立專(zhuān)門(mén)機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)，提供大量的資金支持機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)并開(kāi)設(shè)機(jī)器人相關(guān)的課程。我國(guó)在這方面也取得了很大的進(jìn)展，如嫦娥三號(hào)攜帶的玉兔號(hào)月球車(chē)的成功充分證明了我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的成果。

一、機(jī)器人學(xué)課程的重要性

深空探測(cè)等重大工程的開(kāi)展，將進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。從另外一個(gè)角度來(lái)看，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展對(duì)于其他行業(yè)的發(fā)展也起著非常重要的促進(jìn)作用，如自主移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)可以為汽車(chē)輔助駕駛提供解決方案。在高校已經(jīng)有相當(dāng)多的理工科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程，而且機(jī)器人是多領(lǐng)域高度交叉、多學(xué)科高度融合的系統(tǒng)，它涵蓋了電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、及人工智能等多學(xué)科，因而要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等方面知識(shí)才能更好地進(jìn)行系統(tǒng)操作和設(shè)計(jì)，因而機(jī)器人課程也是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的良好平臺(tái)[1，2]。另外，通過(guò)機(jī)器人課程可以用較少的教育投入（包括人力、物力以及時(shí)間等）獲得較大的教育成果（主要包括學(xué)生獲得的知識(shí)、技能以及情感培養(yǎng)等），從而得到優(yōu)化的教與學(xué)效果。

本文結(jié)合南京郵電大學(xué)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的大學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)，從機(jī)器人課程的教學(xué)模式出發(fā)，探索了一種結(jié)合了課堂講授、仿真模擬、實(shí)驗(yàn)操作為一體的從理論基礎(chǔ)到理論理解和驗(yàn)證再到理論指導(dǎo)實(shí)踐的三位一體的教學(xué)模式，并在南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的“機(jī)器人學(xué)”課程中進(jìn)行了實(shí)踐，取得了較好的成效。

二、機(jī)器人學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題

機(jī)器人這門(mén)課程具有高度知識(shí)交叉性和綜合性以及工程實(shí)踐性的特點(diǎn)[3]。因而在以往的教學(xué)中所采取的課堂講授法的教學(xué)方式因?yàn)橹v授方式的局限性而無(wú)法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、無(wú)法將抽象的數(shù)學(xué)模型具體化形象化，學(xué)生對(duì)于教學(xué)內(nèi)容理解不深入不能融會(huì)貫通，因而對(duì)于學(xué)生能力的培養(yǎng)效果不明顯[4]。存在的問(wèn)題具體闡述如下：

1.教學(xué)內(nèi)容不能緊跟時(shí)展。

由于機(jī)器人技術(shù)更新快速，課程選用的教材出版周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致了教學(xué)內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的新的發(fā)展趨勢(shì)。且授課內(nèi)容大體仍然在按照教材章節(jié)的基礎(chǔ)內(nèi)容來(lái)設(shè)計(jì)，這樣使得學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人坐標(biāo)空間和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型這些理論基礎(chǔ)的時(shí)候表現(xiàn)的興趣缺乏。

2.教學(xué)中對(duì)學(xué)生啟發(fā)和實(shí)踐的內(nèi)容較少。

機(jī)器人通常作為大學(xué)生的專(zhuān)業(yè)課程，專(zhuān)業(yè)課承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力培養(yǎng)這一目標(biāo)的重要任務(wù)，通過(guò)機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠結(jié)合所學(xué)的知識(shí)分析問(wèn)題并解決問(wèn)題，因而單純的講授并不適用于這門(mén)課。

為了學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力培養(yǎng)，提高機(jī)器人教學(xué)質(zhì)量，需要針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)機(jī)器人學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革，探討新的教學(xué)方案。

三、改進(jìn)措施

針對(duì)前面分析的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，針對(duì)南京郵電大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃中學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩個(gè)方面探討三位一體的教學(xué)模式，即課堂講授、仿真模擬、實(shí)驗(yàn)操作為一體，具體內(nèi)容如下：

1.將當(dāng)今最典型的和最先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)與教材中的內(nèi)容相結(jié)合安排授課內(nèi)容。

首先，在緒論中充分展示機(jī)器人發(fā)展的歷程，以及國(guó)內(nèi)國(guó)外目前機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，廣泛收集美國(guó)DARPA、CMU、MIT日本Honda以及國(guó)內(nèi)的中科院、清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等知名研究機(jī)構(gòu)的最新機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展并通過(guò)視頻展示給學(xué)生，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)以及機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和重要性。

其次，在機(jī)器人學(xué)課程內(nèi)容的機(jī)器人坐標(biāo)變換、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)以及機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型部分，適當(dāng)?shù)臏p少理論公式推導(dǎo)，而是將抽象的模型具體化，增加機(jī)械手臂仿真軟件在課堂的演示內(nèi)容，通過(guò)仿真軟件在投影儀中展示機(jī)械手臂機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，將抽象的坐標(biāo)變換中的矩陣運(yùn)算轉(zhuǎn)化為機(jī)械手臂關(guān)節(jié)的具置參數(shù)的運(yùn)算，而且將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型具化為機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)具體的演示過(guò)程講解和分析機(jī)械手臂各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系和運(yùn)算。

再次，在機(jī)器人傳感器部分的課堂教學(xué)中增加具體的機(jī)器人傳感器工作過(guò)程仿真內(nèi)容，如基于被動(dòng)視覺(jué)傳感器、主動(dòng)雷達(dá)傳感器等的障礙物檢測(cè)，并進(jìn)行了仿真結(jié)果的對(duì)照，通過(guò)分析這兩種信號(hào)從信號(hào)源的產(chǎn)生差異導(dǎo)致傳感器獲得的信號(hào)分別是二維平面數(shù)據(jù)和三維深度數(shù)據(jù)，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)的分析方法的差異，以及檢測(cè)結(jié)果和干擾因素的差異，并在實(shí)驗(yàn)中增加了基于視覺(jué)的機(jī)器人避障的環(huán)節(jié)以及基于激光雷達(dá)的機(jī)器人避障環(huán)節(jié)，進(jìn)一步的討論傳感器的信息融合。使學(xué)生對(duì)于傳感器的工作過(guò)程包括信息獲取、信息處理等過(guò)程有了深入的認(rèn)識(shí)。

最后，在實(shí)驗(yàn)部分，安排了移動(dòng)機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，要求學(xué)生參考飛思卡爾智能車(chē)設(shè)計(jì)跟蹤光源的移動(dòng)機(jī)器人，提供基本的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)，以及傳感器接口，編程環(huán)境，需要學(xué)生根據(jù)自身設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程選擇傳感器，且在編程環(huán)境中編寫(xiě)程序以獲得傳感器數(shù)據(jù)，并能最終檢測(cè)到光源位置進(jìn)行跟蹤。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的機(jī)器人模型以及傳感器、軟件編程、自動(dòng)控制等知識(shí)綜合運(yùn)用，提高其動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，并且實(shí)驗(yàn)采取小組合作的模式，能夠鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

2.教學(xué)方法的改革

（1）案例具化法

在每一個(gè)主題的講授內(nèi)容中都安排了具體的案例進(jìn)行分析。安排國(guó)內(nèi)外典型的機(jī)器人如火星車(chē)、google無(wú)人駕駛汽車(chē)、ASIMO等來(lái)分析機(jī)器人系統(tǒng)配置、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器融合、控制方法等內(nèi)容。另外通過(guò)具體的仿真模擬如可以將機(jī)器人系統(tǒng)的坐標(biāo)變換、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的融合到機(jī)械手的仿真過(guò)程中，通過(guò)具體的機(jī)械手控制實(shí)例講解和分析抽象的機(jī)器人模型。進(jìn)一步的，通過(guò)作者本人開(kāi)發(fā)的機(jī)器人避障軟件在投影儀上展示程序中信息的獲取、信息的處理、對(duì)獲得的有效信息進(jìn)行判斷、識(shí)別最終作出決策過(guò)程；通過(guò)仿真軟件驗(yàn)證經(jīng)典的路徑規(guī)劃方法，A*算法是經(jīng)典的路徑規(guī)劃算法，但是僅僅通過(guò)教材中的幾幅圖片往往不能讓學(xué)生深入地理解這一算法的精髓，所以設(shè)計(jì)了A*算法軟件演示內(nèi)容，通過(guò)投影儀講軟件的掩飾過(guò)程投影到白板上，并將程序一步一步地執(zhí)行，這樣學(xué)生很容易理解這一算法的搜索計(jì)算過(guò)程。在機(jī)器人學(xué)課程中還有很多軟件可以用來(lái)分析和講解在機(jī)器人中傳感器信息的獲取以及機(jī)器人系統(tǒng)的決策等問(wèn)題，這里不再一一贅述。

（2）啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)

在一次課程結(jié)束時(shí)，針對(duì)下一次課程的內(nèi)容如典型的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式、移動(dòng)機(jī)器人定位、移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航等設(shè)計(jì)問(wèn)題，督促學(xué)生搜索這一問(wèn)題相關(guān)的機(jī)器人資料，且其收集的材料可以通過(guò)投影儀展示給老師和全班同學(xué)。學(xué)生對(duì)于新興的機(jī)器人技術(shù)常常表現(xiàn)出濃厚的興趣，往往能積極的參與到老師設(shè)計(jì)的問(wèn)題當(dāng)中并能針對(duì)同學(xué)收集的材料進(jìn)行討論和分析。

這種學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)的方法不僅能促進(jìn)學(xué)生資料收集的能力，而且也使得學(xué)生化被動(dòng)的接受為主動(dòng)的思考。另一方面對(duì)于同學(xué)收集的案例和提出的觀點(diǎn)，其他學(xué)生更樂(lè)于進(jìn)行交流和提出疑問(wèn)。在這一探討過(guò)程中學(xué)生的創(chuàng)新思維得到了拓展，提高了其思考問(wèn)題分析問(wèn)題能力。

在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中也充分考慮學(xué)生自主實(shí)踐，按照工程實(shí)踐中的任務(wù)制，將學(xué)生分成4人一組。在實(shí)驗(yàn)中只規(guī)定實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)不規(guī)定實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，這樣學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，通過(guò)自己的理解設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，不同的組織間可能采用不同的傳感器，或者不同的算法來(lái)搭建自己的平臺(tái)，最終我們會(huì)對(duì)各組的成果進(jìn)行驗(yàn)收打分。另外，各個(gè)組所采用的硬件、軟件的差異性導(dǎo)致其成果有好有壞，這為我們?cè)O(shè)置了一個(gè)很好的討論題目――這些差異是什么原因?qū)е碌?？通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生自主解決問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)合作的精神。

經(jīng)過(guò)三年的時(shí)間，這種三位一體的教學(xué)模式取得了不錯(cuò)的成績(jī)，得到了學(xué)生的廣泛認(rèn)可。為南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院培養(yǎng)了一批又一批大學(xué)畢業(yè)生，并且南京郵電大學(xué)的大學(xué)生機(jī)器人隊(duì)在國(guó)內(nèi)甚至世界的大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽中都取得了不錯(cuò)的成績(jī)，尤其是在2013Robocup機(jī)器人足球世界杯比賽中獲得3D仿真足球機(jī)器人項(xiàng)目冠軍。

四、結(jié)論

機(jī)器人學(xué)課程是南京郵電大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程，機(jī)器人學(xué)教學(xué)效果將直接影響著學(xué)生能力的培養(yǎng)，據(jù)卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃安排，在學(xué)生能力培養(yǎng)的要求下，機(jī)器人學(xué)教學(xué)以學(xué)生為主題，以切實(shí)提高學(xué)生的整體專(zhuān)業(yè)水平、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以為社會(huì)培養(yǎng)全面優(yōu)秀的自動(dòng)化領(lǐng)域人才為方向，從理論基礎(chǔ)、工程實(shí)踐、創(chuàng)新思維等方面提高學(xué)生的素質(zhì)。

本文主要研究了提高學(xué)生能力為目標(biāo)的機(jī)器人學(xué)教學(xué)的新思路，提出并實(shí)踐了課堂講授、仿真模擬、實(shí)驗(yàn)操作為一體的三位一體的教學(xué)模式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，使得學(xué)生能主動(dòng)的參與到教學(xué)活動(dòng)中來(lái)，并取得了一定的成果。在今后的教學(xué)過(guò)程中，一方面，我將爭(zhēng)取與周邊的機(jī)器人研究所合作為學(xué)生提供更多的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐機(jī)會(huì)，另一方面將更加深入研究教學(xué)方法，逐步提高自身的教學(xué)水平和能力，從而進(jìn)一步提高教學(xué)效果與質(zhì)量。

基金項(xiàng)目：江蘇省研究生教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐課題（JGZZ12_038）資助

[參考文獻(xiàn)]

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[2]胡發(fā)煥，劉祚時(shí)，朱花.以機(jī)器人大賽為契機(jī)探索大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式[J].中國(guó)電力教育，2013，28：59-60+62.

[3]戰(zhàn)強(qiáng)，王東月.《機(jī)器人學(xué)》課程教學(xué)改革探討[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2010，23（2）：117-121.

第5篇：仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科；創(chuàng)新能力；機(jī)械制造基礎(chǔ)；教學(xué)改革

1 Solidworks軟件簡(jiǎn)介

SolidWorks是法國(guó)達(dá)索公司最先在Windows系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)的一款三維設(shè)計(jì)軟件。其CAD功能方面涵蓋了所有的設(shè)計(jì)類(lèi)型，實(shí)體建模、曲面設(shè)計(jì)、二維工程圖、裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、結(jié)構(gòu)分析等功能一應(yīng)俱全。創(chuàng)新的自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程使得設(shè)計(jì)工作一目了然，實(shí)時(shí)的更新功能使得工程師可以隨時(shí)對(duì)產(chǎn)品特征參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改。除此之外，SolidWorks還為不同的設(shè)計(jì)人群提供不同的功能模塊，包括鈑金、管道布線、電氣設(shè)計(jì)等，使得設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)潔而豐富。

2 碼垛機(jī)器人的發(fā)展

國(guó)外，最早將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運(yùn)是日本和瑞典。1968年，日本第一次將機(jī)器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)。1974年，瑞典ABB公司研發(fā)了全球第一臺(tái)全電控式工業(yè)機(jī)器人IRB6，主要應(yīng)用于物品的取放和物料的搬運(yùn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)以及人工智能控制等技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，日本、意大利、德國(guó)、美國(guó)、瑞典、韓國(guó)等國(guó)家在碼垛機(jī)器人的研究上做了大量工作，相應(yīng)推出了自己的碼垛機(jī)器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德國(guó)的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，使得碼垛機(jī)器人在各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。

3 碼垛機(jī)器人的工作對(duì)象

本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人的工作對(duì)象及其參數(shù)如下：

（1）碼垛物品：箱類(lèi)物品（如一箱紙巾）和袋類(lèi)物品（如一袋洗衣粉）等。

（2）物品尺寸：長(zhǎng)為200至500mm，寬為200至400mm，高為100至300mm。

（3）物品質(zhì)量：每件物品為5至15kg。

（4）物品運(yùn)動(dòng)范圍：以機(jī)器人為中心的，半徑為3m，角度為90至180度。

4 碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人為關(guān)節(jié)型機(jī)器人，這類(lèi)機(jī)器人占地面積小、機(jī)構(gòu)緊湊，工作空間大，還能穿過(guò)障礙物進(jìn)行抓取，是機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)型式。碼垛機(jī)器人的本體（即機(jī)械手）包括基座、腰部、大臂、小臂、末端執(zhí)行器（俗稱(chēng)爪子），它的運(yùn)動(dòng)主要由碼垛機(jī)械手手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)和腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。

4.1 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂末端抓取器大致可分為：夾鉗式、專(zhuān)用操作式、吸附式、仿生多指式四類(lèi)。由于工作對(duì)象為箱式或袋式物品，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取物品的夾鉗式即可。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以抓取不同大小多個(gè)種類(lèi)的箱式或袋式貨物。

4.2 臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手臂部件（簡(jiǎn)稱(chēng)臂部）是機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部（關(guān)節(jié)）和手部（包括工件和工具），并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)，臂部還安裝一些傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從臂部的受力情況來(lái)看，它在工作中直接承受腕，手和工件的靜動(dòng)載荷，自身運(yùn)動(dòng) 又較多，所以受力情況復(fù)雜。

臂部主要是進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，這里采用鉸接活塞缸實(shí)現(xiàn)臂部的俯仰運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是，工作范圍大、靈活性好。

4.2.1 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大臂是臂部的組成部分，它兩端分別與小臂和立柱相連，它都是通過(guò)鉸鏈連接。大臂的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)與立柱相連的鉸鏈活塞缸來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳遞的，它的運(yùn)動(dòng)軌跡就是一個(gè)圓弧形，通過(guò)活塞缸來(lái)進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。它較之小臂粗大，因?yàn)樗谴a垛機(jī)器人主要的受力部分之一。其三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2.2 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小臂兩端是與大臂和末端執(zhí)行器連接，這里采用鉸鏈連接，大臂與小臂之間的運(yùn)動(dòng)傳遞，采用鉸接活塞缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)性能好。小臂比之大臂在設(shè)計(jì)時(shí)材料消耗要比大臂少，體積也小，重量輕。其三維結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。

4.3 立柱（腰部）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立柱主要是支撐大臂小臂的重量，連接大臂和底座，并且固定了活塞缸的運(yùn)動(dòng)范圍。結(jié)合要求與設(shè)計(jì)過(guò)程，腰部的結(jié)構(gòu)材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，無(wú)經(jīng)淬火與回火處理。其三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.4 活塞缸的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)，我采用最多的動(dòng)力傳動(dòng)方式就是活塞缸，因?yàn)樗ぷ餍问絾我?，只能進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由缸體和活塞缸組成，并且它在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中運(yùn)用很廣泛。其三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.5 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座是承受碼垛機(jī)器人整體重量的主要部件，且由于碼垛機(jī)器人的手臂長(zhǎng)，導(dǎo)致機(jī)器人整體重心并不在底座中線上，所以底座較為寬大。其三維結(jié)構(gòu)如圖6所示?；诘鬃诒敬卧O(shè)計(jì)中的作用，選取底座的材料為鑄鐵，且設(shè)計(jì)底座尺寸為：長(zhǎng)×寬×高= 280 mm×120 mm× 20 mm。

5 結(jié)論

碼垛機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，其運(yùn)動(dòng)是由腰部的旋轉(zhuǎn)、手臂的俯仰、末端執(zhí)行器的夾緊和放松組成。碼垛機(jī)器人工作的全部流程：第一步，大臂處的活塞桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)小臂進(jìn)行下伏運(yùn)動(dòng)，從而末端執(zhí)行器接近物品，并通過(guò)夾緊缸將物品抓?。坏诙?，大臂進(jìn)行上仰運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)物品上升；第三步，腰部回轉(zhuǎn)缸進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將物品移到堆放指定區(qū)域上空；第四步，大臂又下伏，將物品放在堆放臺(tái)上，并且?jiàn)A緊缸放松物品，最后大臂上仰，腰部旋轉(zhuǎn)回到原位。

參考文獻(xiàn)：

第6篇：仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文

用意念控制智能家居設(shè)備

使用智能手機(jī)或平板電腦來(lái)控制智能家居設(shè)備是消費(fèi)者剛剛開(kāi)始熟悉的技術(shù)。哪天我們可以實(shí)現(xiàn)用思想來(lái)控制這些設(shè)備呢？密歇根州立大學(xué)的電氣和計(jì)算機(jī)工程教授阿斯拉姆院長(zhǎng)在這一技術(shù)的研發(fā)上取得了一定進(jìn)展。

阿斯拉姆的開(kāi)發(fā)原理如下：當(dāng)人的思想集中在某件物品上時(shí)，戴在頭部的傳感器能夠測(cè)量出他的腦電波。與傳感器相連接的微型電腦就能夠向咖啡機(jī)等設(shè)備發(fā)出信號(hào)使之啟動(dòng)。為了控制各種智能家居設(shè)備，這個(gè)以腦電圖為基礎(chǔ)的微型系統(tǒng)還需要對(duì)眨眼、注意力集中的不同程度作出回應(yīng)。

阿斯拉姆表示，“最大的挑戰(zhàn)是，怎么能舒適地佩戴這個(gè)系統(tǒng)而不會(huì)引發(fā)周邊人們的注意呢？一旦解決了這一問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用的空間就變得很廣闊。”

“想”換臺(tái)就換臺(tái)

BBC聲稱(chēng)，人們佩戴一款名為BBC iPlayer的新耳機(jī)時(shí)，集中注意力就可以換臺(tái)。不過(guò)目前耳機(jī)正在接受測(cè)試中，而用戶需要保持專(zhuān)注10秒鐘。

BBC業(yè)務(wù)發(fā)展部主管賽勒斯賽罕說(shuō)：“可以想象，人們不必從沙發(fā)上起來(lái)或者找遙控器，只要想著看某一頻道，電視就會(huì)為你換臺(tái)。”

“意念控制電視”的第一批實(shí)驗(yàn)對(duì)象是10名BBC的工作人員。這款耳機(jī)究竟能否成功，還需時(shí)間的考驗(yàn)。

思維玩轉(zhuǎn)假肢

新一代假肢變得更智能，擁有更多關(guān)節(jié)，可承受更大的重量，還能實(shí)現(xiàn)意念控制，甚至讓使用者感覺(jué)到假肢所接觸的物品。

約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的工程師們研制的機(jī)械手臂擁有26個(gè)關(guān)節(jié)，能夠拿起大約20.4公斤的物品，而這可通過(guò)人的意念進(jìn)行控制。

這款機(jī)械手臂名為模塊化假肢(MPL)，能夠識(shí)別大腦信號(hào)，使用者只需在腦中想著要做什么動(dòng)作，這款假肢就能做出相應(yīng)動(dòng)作。不過(guò)，這款假肢還未得到食品和藥物管理局的批準(zhǔn)，而且還需把當(dāng)前50萬(wàn)美元的售價(jià)降至普通民眾能接受的水平。

首席工程師邁克麥克洛克林表示“我們希望這款假肢盡可能地復(fù)雜，從而提升設(shè)計(jì)工藝，讓使用者享受到更實(shí)用的功能。但最終若要商業(yè)化，則需降低成本?！?/p>

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)也開(kāi)發(fā)了擁有“近自然觸覺(jué)”的智能假肢，其中應(yīng)用的先進(jìn)的神經(jīng)技術(shù)不僅能讓人們使用大腦信號(hào)來(lái)移動(dòng)假肢，而且能感受到假肢正在接觸或拿起的物品?！?/p>

DARPA項(xiàng)目負(fù)責(zé)人賈斯汀桑切斯說(shuō)，“用意念控制的假肢具有巨大的發(fā)展前景。但對(duì)(假肢)發(fā)出的信號(hào)缺乏返回大腦的反饋，就很難實(shí)現(xiàn)執(zhí)行精確動(dòng)作所需的控制力度。讓機(jī)械手融入可讓大腦直接感受到的觸感，這展示了無(wú)疤痕生物技術(shù)修復(fù)的潛力?！?/p>

無(wú)人機(jī)隨心飛翔

如今無(wú)人機(jī)大熱，原因之一在于它用途廣泛，如拍攝視頻、軍事應(yīng)用等。

今年早些時(shí)候，葡萄牙公司Tekever展示了一款可用意念控制的無(wú)人機(jī)。經(jīng)過(guò)大量的訓(xùn)練，佩戴了一頂特殊帽子的飛行員單單依靠思想就能操縱無(wú)人機(jī)。

Tekever首席運(yùn)營(yíng)官里卡多門(mén)德斯指出，“該項(xiàng)目已成功地展示了，在鉆石DA42飛機(jī)的模擬器上使用腦機(jī)接口(BMI)技術(shù)后，飛行員可通過(guò)Brainflight系統(tǒng)控制模擬器。我們還在無(wú)人機(jī)地面系統(tǒng)中集成了BMI，并在無(wú)人機(jī)模擬器中對(duì)BMI技術(shù)的測(cè)試中取得了成功。我們希望再向前邁一步，使用無(wú)人機(jī)展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)飛行測(cè)試?！?/p>

第7篇：仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞： 非結(jié)構(gòu)環(huán)境； 機(jī)械臂； 關(guān)節(jié)； 自動(dòng)控制； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN02?34； TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）11?0172?04

Design of mechanical arm′s each joint automatic control

system under unstructured environment

ZHANG Yuannong， ZHANG Xiaofeng

（Beijing Institute of Technology （Zhuhai）， Zhuhai 519088， China）

Abstract： In order to make the mechanical arm bring more benefits to industrial enterprises， a mechanical arm′s each joint automatic control system under unstructured environment was designed to realize the intelligent， low?cost， high?quality and high?safety purpose. According to the design criterion of system performance， the two degree of freedom （2DOF） is allocated for the shoulder， elbow and wrist of the mechanical arm respectively， the D?H parameters of the mechanical arm are given， and the appropriate motor is designed for each joint to realize the mechanical arm movements. The control algorithms are written in FPGA of the system. The master control chip is used to integrate the different joints′ control algorithms in FPGA to determine the movement scheme of mechanical arm and give the control instructions. The 2.5D environment map is constructed to perceive the unstructured environment， and perfect the control instructions. The experimental results show that the system has strong optimization ability of joint trajectory.

Keywords： unstructured environment； mechanical arm； joint； automatic control； system design

20世o50年代，人口老齡化時(shí)代來(lái)臨，加劇了生產(chǎn)企業(yè)招工難、用工成本大的問(wèn)題，機(jī)器的利用率隨之提高。一些企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)中使用機(jī)械臂代替人類(lèi)雙手，其特點(diǎn)是加工精度高且速度快，適用于切割、零件安置等簡(jiǎn)單、任務(wù)量小、重復(fù)度高的生產(chǎn)活動(dòng)[1]。目前，機(jī)械臂的載重偏低，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，雖然也有在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)的案例，但往往受限于機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的靈活性不足，無(wú)法精準(zhǔn)完成生產(chǎn)任務(wù)。

非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的地形復(fù)雜，包括平地、斜坡、臺(tái)階、溝壑等，要求機(jī)械臂各關(guān)節(jié)能夠?qū)ψ兓械牡匦芜M(jìn)行快速感應(yīng)，并立即選定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位移和角度，智能化是機(jī)械臂的控制重點(diǎn)，還要考慮到低成本、小質(zhì)量和高安全性能等因素，更加大了設(shè)計(jì)難度[2]。過(guò)去設(shè)計(jì)出的一些非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的基于 7R的仿人機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)和基于隨機(jī)激勵(lì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，都沒(méi)能同時(shí)兼顧以上幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力也需要進(jìn)一步提高。為了響應(yīng)生產(chǎn)企業(yè)需求，在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中充分衡量各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)分析非結(jié)構(gòu)環(huán)境特點(diǎn)提出環(huán)境感知方法，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)關(guān)節(jié)軌跡的優(yōu)化能力。

1 非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通過(guò)衡量智能化、低成本、小質(zhì)量和高安全性能的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一種具有高度信息集成性能、高速感知和高速反應(yīng)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的質(zhì)量小，可輕松安置在工業(yè)加工設(shè)備上，并可進(jìn)行人與系統(tǒng)的有效溝通，表1為系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

[性能類(lèi)型 標(biāo)準(zhǔn)值 質(zhì)量 小于5 kg 自由度 大于6DOF 整體長(zhǎng)度 小于0.65 m 整體最大速度 大于3.0 m/s 最大負(fù)載 3 kg 定位誤差絕對(duì)值 小于2 mm ]

一般6DOF的自由度便能夠完成機(jī)械臂在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的正常加工[5]，此時(shí)在機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制下的定位誤差絕對(duì)值也滿足表1制定的標(biāo)準(zhǔn)，圖1為系統(tǒng)自由度劃分區(qū)間示意圖。機(jī)械臂肩膀處、手肘處以及手腕處都分別被劃分了2DOF的自由度，肩膀負(fù)責(zé)進(jìn)行上手臂（包括肩膀和手肘兩個(gè)重要關(guān)節(jié)）的角度控制和直線升降控制，手肘負(fù)責(zé)進(jìn)行手肘回環(huán)控制以及手臂前端的角度控制，手腕負(fù)責(zé)進(jìn)行手腕的扇動(dòng)控制和直線升降控制[6]。以機(jī)械臂的肩膀?yàn)閳A心，以手臂長(zhǎng)為半徑作圓，得到非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的范圍。

圖1 系統(tǒng)自由度劃分區(qū)間示意圖

圖1中的表示各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，表2為機(jī)械臂在D?H矩陣中的參數(shù)統(tǒng)計(jì)表，D?H矩陣是一種使用4×4的齊次變換矩陣來(lái)表示機(jī)械臂相鄰關(guān)節(jié)位置關(guān)系的矩陣[7]，從表2中可以準(zhǔn)確看出機(jī)械臂各關(guān)節(jié)在所設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制下的運(yùn)動(dòng)角范圍和極限運(yùn)動(dòng)距離。

非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)為分布式結(jié)構(gòu)，控制算法的容納元件是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field?Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），此外，F(xiàn)PGA還負(fù)責(zé)進(jìn)行機(jī)械臂各關(guān)節(jié)傳感器中數(shù)據(jù)的采集、處理和系統(tǒng)電流控制[8]。機(jī)械臂的上手臂和手腕關(guān)節(jié)因運(yùn)動(dòng)形態(tài)有所不同，需要安裝不同的電流傳感器來(lái)感應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境，因此安裝于上手臂和手腕關(guān)節(jié)的FPGA類(lèi)型也不同，便于準(zhǔn)確分辨關(guān)節(jié)感應(yīng)信息。FPGA所用的控制線為PCI總線，PCI總線的另一端與主控芯片相連。主控芯片的作用是分析關(guān)節(jié)感應(yīng)信息，通過(guò)融合不同F(xiàn)PGA中的控制算法，確定出機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方案并下達(dá)控制指令。

表2 機(jī)械臂D?H參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

[運(yùn)動(dòng)情況 運(yùn)動(dòng)角范圍 /（°） 極限運(yùn)動(dòng)距離 /m [-80，140] 0 [-140，20] 0 [-50，105] 0.3 [-95，125] 0 [-90，90] 0.35 [-65，65] 0 ]

為提供給各關(guān)節(jié)足夠大的輸出力矩，系統(tǒng)使用無(wú)刷電機(jī)以及諧波減速器共同輸出力矩。手腕處的負(fù)載雖小，但需要支撐機(jī)械臂的整體長(zhǎng)度，因而使用差動(dòng)機(jī)構(gòu)合成力矩。為縮減設(shè)計(jì)成本，系統(tǒng)只在肩膀和手肘處安置力傳感器。

1.2 主控芯片設(shè)計(jì)

在主控芯片中設(shè)計(jì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方案時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)地址結(jié)構(gòu)能夠減少設(shè)計(jì)成本。FPGA的32位嵌入式處理器提供C語(yǔ)言編程，提高控制算法的兼容性與智能化。嵌入式處理器與標(biāo)準(zhǔn)地址結(jié)構(gòu)在可編程片上系統(tǒng)中進(jìn)行集成，構(gòu)造底層地址文件與主控芯片的連接程序[9]，連接線使用RS 644總線。主控芯片與外部功能設(shè)備的連接也使用RS 644總線，便于FPGA采集機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2為系統(tǒng)控制框圖，雖然主控芯片與FPGA已通過(guò)PCI總線實(shí)現(xiàn)了連接，但考慮到定位誤差限制，系統(tǒng)只利用PCI總線進(jìn)行控制算法的傳輸，對(duì)于數(shù)據(jù)精度要求高的各類(lèi)傳感器信息仍需通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)地址結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成后再進(jìn)行主控芯片與FPGA的交互。按照功能結(jié)構(gòu)來(lái)分，圖2中左側(cè)為控制板，右側(cè)為驅(qū)動(dòng)板，為減輕系統(tǒng)質(zhì)量，控制板和功能板需要分開(kāi)設(shè)計(jì)。由于機(jī)械臂各關(guān)節(jié)傳感器與控制板的距離存在差異，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)依據(jù)實(shí)際需要選擇控制線以減輕系統(tǒng)質(zhì)量、降低成本。

1.3 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)電機(jī)設(shè)計(jì)

為保證非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)有效、安全的進(jìn)行控制，考慮到機(jī)械臂的最大負(fù)載為3 kg，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的電機(jī)質(zhì)量應(yīng)盡可能縮減。肩膀處的電機(jī)選擇了質(zhì)量為0.885 kg的50 A電機(jī)，手肘處的電機(jī)采用50電機(jī)，質(zhì)量為0.735 kg。50 A電機(jī)與50電機(jī)都是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)提供的，兩者的相同點(diǎn)是質(zhì)量輕、力矩大、安全性好，最大輸出力矩分別為26 Nm和18 Nm。50 A電機(jī)的體積偏大一些，因此安置在結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的肩膀處。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

機(jī)械臂手腕處的活動(dòng)強(qiáng)度最大，設(shè)計(jì)要求相對(duì)高一些，如表3所示。為了實(shí)現(xiàn)表3中規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，手腕處的控制方案采取差動(dòng)機(jī)構(gòu)合成手腕運(yùn)動(dòng)。

表3 機(jī)械臂手腕關(guān)節(jié)控制指標(biāo)

[類(lèi)型 值 質(zhì)量 小于0.45 kg 最大角速度 小于0.65 m 最大輸出力矩 大于7 Nm 定位誤差絕對(duì)值 小于0.8° ]

差動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出力矩由無(wú)刷電機(jī)和諧波減速器匯合而成，如果用和表示手腕關(guān)節(jié)在系統(tǒng)控制下的回環(huán)角度和直線運(yùn)動(dòng)偏移角度，主控芯片在機(jī)械臂兩個(gè)齒輪上的輸出控制角度為和則有：

（1）

（2）

2 非結(jié)構(gòu)環(huán)境感知設(shè)計(jì)

若想讓所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下進(jìn)行高速、高精度的控制，必然要預(yù)先提取出非結(jié)構(gòu)環(huán)境信息。系統(tǒng)將視覺(jué)傳感器安置在工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)車(chē)間，對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境進(jìn)行采集，視覺(jué)傳感器安置得越多，采集結(jié)果就越精準(zhǔn)[10]，但為了縮減成本，考慮使用3D旋轉(zhuǎn)視覺(jué)傳感器，在節(jié)省傳感器開(kāi)支的基礎(chǔ)上避免傳感器視覺(jué)死角。

將3D旋轉(zhuǎn)視覺(jué)傳感器采集到的非結(jié)構(gòu)環(huán)境信息構(gòu)造成環(huán)境地圖，由于非結(jié)構(gòu)環(huán)境存在的視覺(jué)過(guò)渡差異頗高，而直接構(gòu)造3D仿真地圖的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此構(gòu)造規(guī)格為6 mm×6 mm的正方形2.5D環(huán)境地圖，既保留了3D仿真地圖的顯示效果，又減少了地圖容量和運(yùn)算量，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制效果。圖3為2.5D環(huán)境地圖構(gòu)造流程，非Y構(gòu)環(huán)境信息先以視差圖的形式進(jìn)行顯示，再對(duì)應(yīng)寫(xiě)入6 mm×6 mm的正方形柵格中，同時(shí)定位到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的管控區(qū)域中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境中障礙高度和彎曲度的實(shí)時(shí)顯示。

圖3 非結(jié)構(gòu)環(huán)境的2.5D環(huán)境地圖構(gòu)造流程

圖4是系統(tǒng)對(duì)2.5D環(huán)境地圖中非結(jié)構(gòu)環(huán)境的感知流程，非結(jié)構(gòu)環(huán)境的特征點(diǎn)主要包括坡度、障礙物邊長(zhǎng)與體積、溝壑邊長(zhǎng)與表面積以及平地距離等。系統(tǒng)使用量化分析方法對(duì)從2.5D環(huán)境地圖中提取出來(lái)的特征點(diǎn)進(jìn)行感知，量化分析的感知技術(shù)靠支持向量機(jī)支撐。支持向量機(jī)將非結(jié)構(gòu)環(huán)境特征點(diǎn)訓(xùn)練成范圍在[-1，1]之內(nèi)的感知系數(shù)，感知系數(shù)的作用是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境地形中選擇一個(gè)能夠規(guī)避障礙的機(jī)械臂角度，并提供給系統(tǒng)主控芯片，從而完善控制指令。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是機(jī)械臂在生產(chǎn)任務(wù)中使用最為普遍的方式，本文采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)設(shè)計(jì)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力進(jìn)行分析。設(shè)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)所處的最初角度分別為-30°，-90°，90°，90°，60°，30°，在不安裝自動(dòng)控制系統(tǒng)的情況下進(jìn)行一次生產(chǎn)任務(wù)，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的歸一化運(yùn)動(dòng)角度如圖5所示。

在機(jī)械臂上安裝本文系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)，所得結(jié)果如圖6所示。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說(shuō)服力，本文還對(duì)基于7R的仿人機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)和基于隨機(jī)激勵(lì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行了同條件下的實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7，圖8所示。

通過(guò)對(duì)比圖5～圖8可得：基于隨機(jī)激勵(lì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線與實(shí)驗(yàn)前的歸一化運(yùn)動(dòng)角度無(wú)明顯差別，表明系統(tǒng)對(duì)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的控制幾乎無(wú)效，關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力非常差；基于 7R的仿人機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)將原始關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化成了各個(gè)細(xì)小分支，這對(duì)機(jī)械臂提高生產(chǎn)任務(wù)的效率和準(zhǔn)確率具有推動(dòng)作用，表明系統(tǒng)的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力比較強(qiáng)；本文系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線比圖7曲線更加平滑，而且曲線位置更貼近于圖5曲線，擁有更強(qiáng)的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了分布式結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要配件包括PFGA、PCI總線、主控芯片、電流傳感器、力傳感器、無(wú)刷電機(jī)、諧波減速器、RS 644總線和3D旋轉(zhuǎn)視覺(jué)傳感器等，組成了一個(gè)更加適用于工業(yè)生產(chǎn)、擁有超強(qiáng)關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力的系統(tǒng)。

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第8篇：仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；NURBS插補(bǔ)算法；實(shí)現(xiàn)路徑

隨著信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在控制質(zhì)量、工作效率、成本等方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、速度可調(diào)節(jié)、抗疲 勞的工業(yè)機(jī)器人能夠替代人工完成相應(yīng)的操作（包括完成一些具備高危險(xiǎn)系數(shù)的工作），將機(jī)器人應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中能夠在使生產(chǎn)效率、 產(chǎn)品質(zhì)量得以有效提高的同時(shí)顯著降低人工工作量及生產(chǎn)成本，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要支撐工具，在各行業(yè)中得以廣 泛使用，作為一項(xiàng)重要的機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。運(yùn)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能的基礎(chǔ)和重點(diǎn) ，對(duì)機(jī)器人的性能起到直接決定作用，工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)使用過(guò)程中易被多種因素干擾（如電、磁等），對(duì)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案尤 其是各項(xiàng)產(chǎn)品參數(shù)提出了更高的要求，需確保運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具備高效運(yùn)動(dòng)控制功能及穩(wěn)定的性能，因此本研究主要對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 需求分析

隨著工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)器人的控制及操作要求不斷提升，工業(yè)機(jī)器人主要由本體、驅(qū)動(dòng)裝置及控制系統(tǒng)構(gòu)成， 在軌跡空間中工業(yè)機(jī)器人需完成除基本運(yùn)動(dòng)（包括直線、圓弧等）外較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，具備擬人功能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（一種機(jī)械電子裝置 ）作為工業(yè)機(jī)器人的核心構(gòu)成部分集合了多種現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)（包括網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、人工智能、電子機(jī)械、傳感器等），通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)機(jī)器人復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何造型上NURBS方法因具備較大的優(yōu)勢(shì)而得以在CAD中廣泛應(yīng)用，因此充分運(yùn)用NURB S插補(bǔ)算法實(shí)時(shí)可靠的優(yōu)勢(shì)，在研究了NURBS軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi) 已有工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)大多存在擴(kuò)展性和通用性方面的不足，導(dǎo)致使用方面的局限性，大多只適用于特定的機(jī)器人［1］。本研究 針對(duì)UPR100本體工業(yè)機(jī)器人（6自由度）在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上完成了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，通 過(guò)使用DMC運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)主要控制功能，結(jié)合運(yùn)用了抗干擾能力強(qiáng)（防潮、防塵、防振）、穩(wěn)定可擴(kuò)展的工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 過(guò)程的精準(zhǔn)控制。

2 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，基于人工智能裝置的完整機(jī)器人主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置（由驅(qū)動(dòng)器、減速器、檢測(cè)元件構(gòu)成）、 控制系統(tǒng)（主要由傳感器和電子計(jì)算機(jī)構(gòu)成，）等構(gòu)成，模仿人類(lèi)手臂動(dòng)作的操作機(jī)主要負(fù)責(zé)完成各類(lèi)實(shí)操作業(yè)（主要由機(jī)座、末端執(zhí)行 器、機(jī)械臂構(gòu)成），驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)責(zé)完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換從而將動(dòng)力提供給操作機(jī)（可采取電力、液壓、氣壓幾種驅(qū)動(dòng)方式）；控制系 統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對(duì)機(jī)器人的檢測(cè)和操作控制過(guò)程以完成規(guī)定的動(dòng)作，包括對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)控制及反饋控制；人工智能系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完 成邏輯判斷、模式識(shí)別及操作等功能（主要由實(shí)現(xiàn)感知功能的傳感系統(tǒng)以及決策、規(guī)劃、專(zhuān)家系統(tǒng)構(gòu)成）。本研究構(gòu)建的移動(dòng)控制系統(tǒng)基 于現(xiàn)有6自由度工業(yè)機(jī)器人完成，硬件部分負(fù)責(zé)執(zhí)行軟件部分規(guī)劃的操作，軟件部分主要功能在于完成機(jī)器人程序的解譯、插補(bǔ)運(yùn)算、軌 跡規(guī)劃（包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解），驅(qū)動(dòng)機(jī)器人不同關(guān)節(jié)及末端裝置的運(yùn)動(dòng)。2．1設(shè)計(jì)思路機(jī)器人操作的順利完成離不開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷主要包括集中控制（所有控制功能均通過(guò)一個(gè)CPU實(shí)現(xiàn)）、主從控制（由主、從CPU構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)變換坐標(biāo) 并生成軌跡、控制機(jī)械手動(dòng)作）、分級(jí)控制（由上級(jí)主控計(jì)算機(jī)和下級(jí)多個(gè)微處理器構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)完成包括坐標(biāo)變換、生成軌跡在內(nèi)的 系統(tǒng)管理以及對(duì)機(jī)械手關(guān)節(jié)坐標(biāo)及伺服控制的分管與處理）。應(yīng)用廣泛的機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)過(guò)程提出更高的要求，為適 用不同種類(lèi)機(jī)器人需采用開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)方式（即將系統(tǒng)劃分成實(shí)現(xiàn)不同子任務(wù)的多個(gè)功能模塊）提高系統(tǒng)的實(shí)用 性和可靠性，多個(gè)機(jī)器人的協(xié)同控制需通過(guò)具備網(wǎng)絡(luò)通訊功能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（包括資源共享）；通過(guò)直觀形象的人機(jī)接口及操作界 面提升系統(tǒng)的人機(jī)交互性［2］。工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行控制器構(gòu)成，由上位機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)器人管理和實(shí)時(shí) 監(jiān)控，將位姿指令傳遞至區(qū)域控制器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)計(jì)算，由區(qū)域控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)及軌跡的變換和生成，再由執(zhí)行控制器在 完成機(jī)器人位姿及工作狀態(tài)的檢測(cè)和實(shí)時(shí)采集的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)各關(guān)節(jié)伺服運(yùn)動(dòng)的有效控制過(guò)程。2．2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本研究所設(shè)計(jì)的 運(yùn)動(dòng)控制方案分別采用嵌入式ARM工控機(jī)（FreescaleIMX6）和DMC控制卡（Galil公司）作為系統(tǒng)的上位機(jī)和下 位機(jī)，控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)，如圖1所示。圖1系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖針對(duì)6自由度工業(yè)機(jī)器人通過(guò)由DMC運(yùn)動(dòng)控制器提供的API實(shí)現(xiàn)了 在工控機(jī)上根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的功能。ARM工控機(jī)以Cortex核心處理器作為CPU，具備豐富的硬件資源，有效的滿足 了控制系統(tǒng)的需求，工控機(jī)同DMC間采用以太網(wǎng)完成控制命令的接收與發(fā)送，DMC接收到程序命令后會(huì)據(jù)此發(fā)出相應(yīng)的電機(jī)控制指令 信號(hào)，在經(jīng)伺服放大器放大后完成對(duì)機(jī)器人各電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的按要求運(yùn)動(dòng)；工控機(jī)同樣通過(guò)以太網(wǎng)收到各關(guān)節(jié)經(jīng)D MC反饋的位置信號(hào)（通過(guò)相應(yīng)的電機(jī)編碼器），從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控管理，并且使數(shù)控設(shè)備有效滿足精度與性能的要 求［3］。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3．1 NURBS插補(bǔ)功能的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)NURBS曲線軌跡，假設(shè)，控制頂點(diǎn)由Pi表示其中i∈［0，n］，同控制頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的權(quán)因子由wi表示，t表示參數(shù)，k 次B樣條基函數(shù)由Bi，k（t）表示，取n＋k＋1個(gè)節(jié)點(diǎn)值（分別由u0，u1，…，un＋k表示）組成節(jié)點(diǎn)向量通常u0、u1 ，…，uk的取值為0，un、un＋1，…，un＋k的取值為1，定義其在空間中的有理分式如式（1）［3］。（1）NURBS 插補(bǔ)算法通過(guò)插補(bǔ)前的預(yù)處理操作（即確定NURBS的軌跡表達(dá)式）可使插補(bǔ)計(jì)算量顯著降低，進(jìn)而確保了曲線的插補(bǔ)速度及實(shí)時(shí)性， 以給定的Pi、wi及節(jié)點(diǎn)矢量為依據(jù)即可實(shí)現(xiàn)NURBS曲線的唯一確定，NURBS曲線插補(bǔ)的實(shí)質(zhì)為將到NURBS曲線本身的近 似逼近過(guò)程通過(guò)步長(zhǎng)折線段（屬于一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)）的使用完成，實(shí)現(xiàn)NURBS插補(bǔ)功能需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題為：密化參數(shù)，ΔL和Δ u分別表示進(jìn)給步長(zhǎng)和相應(yīng)的參數(shù)增量，即在完成ΔL由軌跡空間到參數(shù)空間映射的基礎(chǔ)上，完成Δu及新點(diǎn)的參數(shù)坐標(biāo)（表示為ui＋ 1＝ui＋Δu）的求解［4］。計(jì)算軌跡，完成計(jì)算所獲取的坐標(biāo)值到軌跡空間的反向映射及插補(bǔ)軌跡的新坐標(biāo)點(diǎn)（表示為pi＋1＝ p（ui＋1））的獲取。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用3次由分段參數(shù)構(gòu)成的NURBS曲線，各段曲線的分子／母的系數(shù)會(huì)參數(shù)u的變化而 改變，對(duì)應(yīng)各段如式（3）［5］。使用Matlab平臺(tái)對(duì)本研究設(shè)計(jì)的插補(bǔ)算法進(jìn)行仿真，控制節(jié)點(diǎn)在（0，1）間，控制頂點(diǎn)共有 50個(gè)，權(quán)值取1，據(jù)此完成3階NURBS曲線的確定，插補(bǔ)參數(shù)設(shè)置為：插補(bǔ)周期為1ms，最大進(jìn)給速度及初始進(jìn)給速度（由fm ax、fs表示）分別為18mm／min和0，加速度上限為2500mm／s2，弓高誤差上限及步長(zhǎng)誤差上限分別為1μm和0． 001，最大法向進(jìn)給加速度及最大加速度分別為0．8g和50000mm／s3，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示，生成的插補(bǔ)點(diǎn)同 規(guī)劃軌跡相吻合［6］。

3．2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在ARM工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)軟件部分，控制軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，如圖4所示。將Linux系統(tǒng)安裝于FreescaleIMX6上（ 版本為ubun－tu）后完成嵌入式Qt的移植，并在ubuntu中移植DMC控制卡的對(duì)應(yīng)庫(kù)，軟件圖形用戶界面的主框架通過(guò)Q MainWin－dow類(lèi)的使用完成構(gòu)建，各模塊功能則通過(guò)QWidget／Dialog類(lèi)的使用實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Qt實(shí)現(xiàn)各模塊間的 信交流。將各編碼器的值通過(guò)ComandOM（）函數(shù)進(jìn)行讀取后實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的獲取，以供運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和軌跡規(guī)劃；運(yùn)動(dòng)控 制指令通過(guò)DownloadFile（）函數(shù)完成到DMC的下載。文檔中的二字符指令集用于代碼級(jí)別的測(cè)試與簡(jiǎn)單控制。運(yùn)動(dòng)學(xué)分 析模塊通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度同空間中位置和姿態(tài)的相互對(duì)應(yīng)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的正確運(yùn)行及其目標(biāo) 點(diǎn)情況的檢測(cè)［7］。機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)通過(guò)軌跡規(guī)劃模塊確定所需使用的基本運(yùn)動(dòng)形式（包括直線、圓弧運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)及NURBS軌跡插 補(bǔ)），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自由曲線運(yùn)動(dòng)過(guò)程。（1）機(jī)器人參數(shù)設(shè)置，據(jù)此完成對(duì)決定工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)D－H參數(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)相關(guān)的 決定對(duì)應(yīng)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的分頻比／倍頻比的設(shè)置。（2）機(jī)器人軌跡規(guī)劃，DMC運(yùn)動(dòng)控制器可有效解決復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，其所包 含的輪廓模式提供位置－時(shí)間曲線（在1～6軸內(nèi)）的自定義功能，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)對(duì)通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生軌跡的有效追蹤。在控制系統(tǒng)中，通過(guò) 工控機(jī)提供的算法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解和空間運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，并通過(guò)DMC協(xié)調(diào)控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，具體流程為：先建立空間軌跡參 數(shù)方程，運(yùn)動(dòng)軌跡空間坐標(biāo)向量（x，y，z）每32ms（運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)周期）計(jì)算獲取，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解末端空間坐標(biāo)即可獲取對(duì) 應(yīng)關(guān)節(jié)變量，據(jù)此計(jì)算得到電機(jī)軸的脈沖量（即各軸的脈沖增量），并記錄到相應(yīng)的軌跡規(guī)劃文本中，軌跡規(guī)劃流程，如圖5所示。接下 來(lái)通過(guò)DMC中的DownloadFile（）函數(shù)的調(diào)用完成軌跡規(guī)劃文本到DMC的下載，在此基礎(chǔ)上調(diào)用Command（）執(zhí) 行命令完成自定義軌跡動(dòng)作。（3）機(jī)器人示教作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了包括MOVJ、NURBS、延時(shí)、數(shù)字運(yùn)算等在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)指令集，將機(jī)器 人末端通過(guò)軸控制按鈕根據(jù)所選擇的合適坐標(biāo)系（以運(yùn)動(dòng)指令及指令參數(shù)為依據(jù)）完成到目標(biāo)位置點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的控制［8］。

第9篇：仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)范文

阿圖VS尤尼梅特

在機(jī)器人電影大片中，具有代表性的工業(yè)機(jī)器人是《星球大戰(zhàn)》中的阿圖（r2d2），這是一個(gè)圓柱型的機(jī)器人，外形像一個(gè)垃圾桶。在影片中，他不僅能為X型戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行維修保養(yǎng)，有時(shí)還能對(duì)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行解密、解鎖、翻譯外星語(yǔ)言，是一個(gè)勤懇工作、超級(jí)萌萌達(dá)的“垃圾桶”。

世界上第一臺(tái)真正實(shí)用的工業(yè)機(jī)器人，是1959年英格伯格和德沃爾設(shè)計(jì)的“尤尼梅特”（意為“萬(wàn)能自動(dòng)”），這臺(tái)機(jī)器人外貌并不像人，而是像坦克炮塔，它有一個(gè)巨大的機(jī)械手臂，大臂前端還有一支像人類(lèi)手的小臂，所有復(fù)雜的操作都是通過(guò)前端小臂完成。小臂相對(duì)大臂可以伸出或縮回，小臂頂有一個(gè)腕子，可繞小臂轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行俯仰和側(cè)搖。腕子前頭是手，即操作器。這個(gè)機(jī)器人的功能和人手臂功能相似，其精確率達(dá)1/10000英寸。

“尤尼梅特”問(wèn)世后，英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠，他倆也因此被稱(chēng)為“機(jī)器人之父”。

“尤尼梅特”開(kāi)啟了機(jī)器人時(shí)代的元年，至今它仍被使用在工業(yè)生產(chǎn)中，但它只能按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的指令重復(fù)進(jìn)行同一個(gè)生產(chǎn)動(dòng)作，是比較初級(jí)的機(jī)器人。

魔鬼終結(jié)者VS阿特拉斯

電影中的軍用機(jī)器人，以《魔鬼終結(jié)者》中的T-800、T-1000為代表。T-800型機(jī)器人以金屬為人體骨架，人造皮膚做外表，基本與人類(lèi)相同。T-1000可以在液態(tài)與固態(tài)間任意變型，并能完美地模仿任何人、物品、機(jī)械和任何人的口音。

現(xiàn)實(shí)中的軍用機(jī)器人現(xiàn)在已經(jīng)非常多了，從分類(lèi)上說(shuō)有地面軍用機(jī)器人UGV，空中機(jī)器人UAV，水下機(jī)器人UUV，太空機(jī)器人；從重量上看，有從只有22公斤重的水下機(jī)器人ARUS到有幾十噸重的機(jī)器人戰(zhàn)車(chē)等。

目前，世界最先進(jìn)的軍用人形機(jī)器人是美國(guó)的阿特拉斯。這種機(jī)器人目前尚在研制完善過(guò)程中，最新升級(jí)版的阿特拉斯高1.75米，重82公斤，使用獨(dú)立電源和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它不僅會(huì)自己開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)，在崎嶇的雪地里行走，將雜貨搬到不同的位置，甚至跌倒了還能自己爬起來(lái)。

美國(guó)研發(fā)這一機(jī)器人的目標(biāo)，是做最好的救援機(jī)器人。在對(duì)人類(lèi)過(guò)于危險(xiǎn)的地域，它可以挽救很多生命，并在最大限度上降低風(fēng)險(xiǎn)。它可以勝任的任務(wù)包括開(kāi)車(chē)、清理殘骸、穿墻鑿洞、關(guān)閉閥門(mén)、連接消防水管等。盡管在人類(lèi)看來(lái)，阿特拉斯的動(dòng)作還有點(diǎn)笨拙，行動(dòng)緩慢，但實(shí)際上它的操縱系統(tǒng)比戰(zhàn)斗機(jī)還要復(fù)雜。

自動(dòng)手術(shù)機(jī)VS達(dá)芬奇機(jī)器人

在《普羅米修斯》、《異形》等科幻大片中，醫(yī)用機(jī)器人可以根據(jù)人類(lèi)的指令完成各類(lèi)手術(shù)?！镀樟_米修斯》中，懷上異形的女主角伊麗莎白跌跌撞撞地闖進(jìn)安置了自助手術(shù)機(jī)的艙體，在體型龐大的手術(shù)機(jī)器人的操縱面板上一陣猛按，為自己人工自定義了一臺(tái)剖腹手術(shù)。隨后，她躺進(jìn)手術(shù)機(jī)，在幾乎無(wú)麻醉的情形下，由手術(shù)機(jī)自助實(shí)施剖腹手術(shù)，生下了一個(gè)異形嬰兒。

實(shí)際上，研發(fā)醫(yī)用人工智能一直是科學(xué)家的夢(mèng)想。早在2001年，我國(guó)醫(yī)學(xué)家就首次利用機(jī)器人完成了遠(yuǎn)程腦外科手術(shù)，手術(shù)由千米之外的專(zhuān)家遠(yuǎn)程指揮，由機(jī)器人操作完成。

現(xiàn)實(shí)生活中，與《普羅米修斯》中的機(jī)器人最為接近的，是美國(guó)“達(dá)芬奇”手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)是一種高級(jí)機(jī)器人平臺(tái)，其設(shè)計(jì)的理念是通過(guò)使用微創(chuàng)的方法，實(shí)施復(fù)雜的外科手術(shù)。它由外科醫(yī)生控制臺(tái)、床旁機(jī)械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)三部分組成，目前，已獲批使用于成人和兒童的普通外科、胸外科、泌尿外科、婦產(chǎn)科、頭頸外科以及心臟手術(shù)。

亞當(dāng)VS仿人機(jī)器人

《鐵甲鋼拳》中的機(jī)器人“亞當(dāng)”（Atom），是一個(gè)模仿型機(jī)器人。影片中，它在主角麥克斯及其父親的幫助下，通過(guò)語(yǔ)言指揮、人類(lèi)肢體模仿等，贏得了機(jī)器擊比賽。

仿人機(jī)器人是電影與現(xiàn)實(shí)中人們談?wù)撟疃嗟?，科學(xué)家一直在研究那些外形特征與人類(lèi)相同，擁有相同的皮膚、體形，有類(lèi)似人類(lèi)的智慧和靈活的反應(yīng)，能與人自由交流，并不斷適應(yīng)外部環(huán)境的仿人機(jī)器人。

世界上最早的仿人機(jī)器人誕生于日本，1973年，日本早稻田大學(xué)教授、“世界仿人機(jī)器人之父”加藤一郎成功試制出世界首臺(tái)兩足步行機(jī)器人WOBAT-1。本田公司1996年11月研制出日本第一臺(tái)仿人步行機(jī)器人樣機(jī)P2，2000年11月推出新一代仿人機(jī)器人ASIMO。中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)也在2001年12月獨(dú)立研制出我國(guó)第一臺(tái)仿人機(jī)器人。

日本ASIMO是目前最先進(jìn)的仿人行走機(jī)器人之一，它身高1.2米，體重52公斤，最高行走時(shí)速可達(dá)1.6公里。行走時(shí)，它可實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)下一個(gè)動(dòng)作并提前改變重心，因此能非常自如地完成下臺(tái)階、彎腰、“8”字形行走等較為復(fù)雜的動(dòng)作。此外，它還可以握手、揮手甚至隨著音樂(lè)翩翩起舞。

如果說(shuō)日本在仿人機(jī)器人領(lǐng)域的研究主要側(cè)重于外形仿真，那么美國(guó)的研究則側(cè)重用計(jì)算機(jī)模擬人腦。以科戈機(jī)器人為例，這種機(jī)器人是美國(guó)麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室教授羅德尼?布魯克斯研制的。科戈機(jī)器人的大腦由16個(gè)摩托羅拉68332芯片構(gòu)成，和人類(lèi)的大腦一樣，它能同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)。

為了研制出更像人的機(jī)器人，目前，無(wú)數(shù)科學(xué)家和科技公司正致力于讓機(jī)器像人一樣進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和思考。以谷歌為例，2012年夏天，谷歌X實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建了一個(gè)由16000多個(gè)處理器、10億個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)組成的“虛擬大腦”?！疤摂M大腦”用眾多的電腦模擬人腦中的“神經(jīng)元”，形成一個(gè)“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，并為算法提供海量數(shù)據(jù)，從而使其具備自動(dòng)學(xué)習(xí)、識(shí)別數(shù)據(jù)的能力。