具有冗余自由度的机械手臂的构型优化
面向ORU更换的冗余机械臂及其柔顺控制的研究
面向ORU更换的冗余机械臂及其柔顺控制的研究1. 引言1.1 背景介绍冗余机械臂是指具有超过六个自由度的机械臂，可以在操作空间内实现多种姿态和路径的运动。
随着机械臂应用领域的不断扩展，对机械臂的柔顺性和精准性要求也越来越高。
ORU（Orbital Replacement Unit）更换是航天器维修中的重要任务之一，需要机械臂能够在狭小空间内完成复杂的动作。
传统的机械臂在ORU更换任务中存在柔顺性不足、运动轨迹不够灵活等问题，因此有必要对冗余机械臂进行研究和优化。
冗余机械臂具有多余的自由度，在设计和控制上具有一定困难，但也带来了更大的灵活性和工作空间。
柔顺控制技术可以使机械臂在完成任务时具有更好的精准度和柔顺性，可以通过优化控制算法实现对机械臂的精准控制。
冗余机械臂的设计与优化以及柔顺控制算法的实现和优化是本研究的重点内容。
本研究旨在通过对冗余机械臂及其柔顺控制的研究，提高机械臂在ORU更换任务中的可靠性和效率，为航天器维修提供更好的支持。
通过实验结果分析和总结，进一步探讨未来冗余机械臂和柔顺控制技术的发展方向，为相关领域的研究和应用提供借鉴和参考。
1.2 研究意义冗余机械臂是当前机器人领域的研究热点之一，其具有较高的灵活性和适应性，可以完成更加复杂和多样化的任务。
ORU更换技术则是指机器人在执行任务时可以通过更换末端执行器来适应不同的任务需求，提高机器人作业效率和灵活性。
柔顺控制技术为机器人提供更加平滑和精准的运动控制，能够有效降低机械臂运动过程中的震动和振动，提高机械臂的运动精度和稳定性。
本研究的意义在于推动机器人领域的技术创新与发展，提高机器人在工业生产和服务领域的应用水平，促进机器人技术的普及和推广。
本研究也有望为冗余机械臂和柔顺控制技术的研究提供新的思路和方法，为相关领域的研究人员提供参考和借鉴。
1.3 研究目的研究目的是为了探究如何利用冗余机械臂和柔顺控制技术来实现ORU更换任务的高效完成。
多自由度机器人机械手臂结构设计方法研究
机器人自由度是机器人机构能够独立运动的关节数目。
多自由度机器人机械手臂结合了人工智能、机构与机器运动学等技术，能够稳定而精确地进行位置控制，是较为复杂的综合系统。
基于此，本文设计了一种结构简单且灵活程度较高的机器人机械手臂，该多自由度机器人机械手臂有较好的鲁棒性，符合技术要求。
1 机械手臂操作结构设计机械手臂的整体结构如图1所示。
图中数字1～7代表的模块依次是底座；肩部关节；肘部关节；大臂；小臂；手腕关节；手部结构。
该结构设计具有开发周期短、机械结构紧凑、安装程序简单以及兼容性良好等优点。
1.底座；2.肩部关节；3.肘部关节；4.大臂；5.小臂；6.手腕关节；7.手部结构图1 机械手臂整体结构示意图1.1 底座结构设计底座是支撑整个机器人部分上端与机器人本体基座相连结，下端固定到地面或机架上，使机器人工作空间与被搬运、加工的工件之间具有合适相对位置，为机器人安全工作提供保障。
在对比了圆环形横截面与方形横截面抗弯截面模量大小，指出了机器人支撑座在各向力矩相同工况下，以结构强度为主影响因素，忽略其它影响因素前提下，采用圆管1.2.1 肩部、肘部关节设计肩部关节、肘部关节都是回转关节，肩关节底座与大臂形成的类似人手臂形式，可以使用涡轮蜗杆的方式确保回转关节内部轴承防护，让大臂可以做回转运动。
肘关节是手臂中大臂和小臂连接的关节，通过密封圈密封方式，保护回转运动大臂、小臂等杆件间部分，确保小臂可以做俯仰运动。
机械臂关节主要分为电机螺栓、包裹外壳和负责关节中输入和输出的轴承等配置。
1.2.2 手腕结构设计手腕是用于连接手臂和手部的部件，设计过程选用的是可重复触发的方式；重复触发指的是同一动作反复进行若干次，机械手臂可以抵达同一地点精度。
通过左右工作空间平移和俯仰旋转，可以调整机械框架执行操作时的位置和姿态，满足用户实际要求。
1.3 手臂结构设计手臂是支撑和带动手腕和手部的重要部件，分有关节臂和无关节臂。
本文所设计的机械手臂装置为有关节臂，并且是中空的，利于电线、电管在里面通过；采用直流电机提供动力，加速齿轮或加速机传动1.4 手部结构设计手部是直接与物体发生触碰的部分。
冗余机械手臂的形状变化可操作性分析
精品合同，仅供参考，需要可下载使用！电子科技大学毕业设计（论文）冗余机械手臂的形状变化可操作性分析学院名称学院名称专业名称自动化专业学生学号学生学号学生姓名学生姓名指导教师教授姓名助理指导老师老师姓名202X年X月1 绪论1.1前言上个世纪六七十年代工业机器人开始出现在人们的视野中，并在上世纪末得到快速发展，是最早的商业技术。
具有多个连杆关节的机械臂或者含有冗余度的关节都可以视为工业机器人但有不同于普通的机器人。
通过人们预先设定一些有效的计算机语言可以独立的完成工作，计算机语言就是一些编程代码，每个工业机器人设计都必须严格按照相应的原则。
它代表人类高超的智慧结晶，因为它本身集合了各种知识，像控制学，编程语言，力学等等。
它在当代是个非常热门的研究课题，越来越多的被人们讨论。
随着工厂生产日益规模化，枯燥，重复简单的人工劳动满足不了现代生产的效率要求，工业机器人是社会的必然产物。
代替人们去完成那些简单重复的工作自然成为了市场的需求。
就像是某种产品如电脑，汽车等越来越普及，人们同样开始离不开机器人带来的空前改变。
1.2冗余机械手的产生和发展工业成产的不断发展，追求产品的质量和产能效率的同时也对机器的自动化要求越来越高，人们根据仿生学设计了机械手。
它的特点是可通过计算机语言实现计划的工作，在某些方面兼备了人和机械的一些优点，具有了人的智能和适应环境能力。
越来越多的人正在享受着现代机械手带来的好处，对机械手的研究从未止步。
当前的技术水平虽然做不到像人手那样的灵活性，但它在不出故障情况下可以不间断，高效的，不怕危险等特点去工作，因此，机械手越来越受到人们的重视。
六十年代，美国制造出第一台机器人,并在社会上投入使用，由此揭开了工业机器人的序幕。
次年，命名为“斯坦福操作手问世”[1]。
由我国国情决定，与国外发达国家相比还是有一定的差距。
研制的一些工业机器人渐渐投入社会生产。
目前的机械手主要有三代。
现在依然很多还是初代，还离不开人的管理，制造的目的是为了节约成本和提高效率。
机器人航天员冗余机械臂自运动优化
第23卷第2期2017年4月载人航天Manned SpaceflightVol.23 No.2Apr.2017•工程技术•机器人航天员冗余机械臂自运动优化刘世平\赫向阳U2,韩亮亮2,李世其\付艳1(1.华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074; 2.上海宇航系统工程研究所，上海201108)摘要：为增强机器人航天员的工作能力，机器人航天员的手臂采用七自由度仿人机械臂。
根据S-R-S构型七自由度冗余手臂的结构特性，采用臂型角参数化的方法求解运动学。
该方法将 冗余机械臂的自运动用臂型角来描述，通过对臂型角的二次优化来限制机械臂的自运动。
为了使仿人臂处于一种自然的构型和姿态，定义了“偏离中心度”的指标来表示关节偏离中心位 置的程度，通过这个评价指标来描述仿人臂的最优位形，从而建立自运动优化函数。
采用具有 线性减小惯性权重的粒子群优化算法来寻找自运动优化函数的最优解。
最后在机器人航天员 平台进行验证，可以快速有效地完成冗余手臂自运动优化。
关键词：冗余机械臂；运动学；自运动优化；粒子群算法中图分类号:TP242.6 文献标识码:A文章编号=1674-5825(2017)02-0143-07Self-motion Optimization for RedundantManipulator of RobonautLIU Shiping1 ,HE Xiangyang1，2,HAN Liangliang2,LI Shiqi1 ,FU Yan1(1. School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China；2. Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai 201108 , China) Abstract：The robonaut arm adopts the7-DOF humanoid manipulator t o expand i t s working capabili t y.According t o the structural characteristics o f the7-DOF S-R-S humanoid manipulator,the m anipulator kinematics can be solved with the arm angle parameter method.This method describes the self-motion o f the redundant manipulator with the arm angle,thus the self-motion can be controlled through the quadratic optimization o f the arm angle.In order t o make the humanoid manipulator in a natural configuration,the indicator named "Off-center Level"was defined t o indicate the degree o f deviation from the center o f the joint position and the optimal configuration could be described through t h i s indicator,thus a self-motion optimization function was established.The particle swarm optimization algorithm with linear inertia was used t o find the optimal solution o f the self-motion optimization function.The method was tested on the robonaut platform and i t could complete the s e l fmotion optimization o f redundant manipulator quickly and effectively.Key words：redundant manipulator；kinematics；self-motion optimization；particle swarm optimization algorithm1引言随着机器人技术的发展，机器人在空间的应用彰显了巨大的潜力[|]，尤其是具有高灵活性和 运动协调性的类人机器人，可以辅助人类宇航员 完成空间站内外的设备维护和科学实验，降低出收稿日期:2016-08-25;修回日期:2017-02-24基金项目：载人航天预先研究项目（030401);上海航天科技创新基金资助项目（SAST201409)第一作者:刘世平，男，副教授，研究方向为智能机械设计与仿真、虚拟样机技术。
平面冗余自由度机器人自寻优运动优化方法
平面冗余自由度机器人自寻优运动优化方法霍希建;刘伊威;姜力;刘宏【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2015(000)004【摘要】为了解决平面冗余自由度机器人的运动优化问题，提出一种自寻优方法。
引入“臂角”参数，建立了平面4自由度机器人逆运动学的封闭解形式；针对机器人运动过程中远离关节极限的优化任务，提出一种自寻优方法，将4自由度机器人等效为四连杆机构，将优化目标转化为虚拟转矩作用于关节上，机器人将在虚拟力作用下向着平衡状态运动，最终实现机器人的运动优化。
采用自寻优方法对机器人单点位姿及轨迹跟踪进行了运动仿真，结果表明：自寻优方法可以快速、有效地实现机器人的运动优化。
【总页数】6页(P528-533)【作者】霍希建;刘伊威;姜力;刘宏【作者单位】哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TP242【相关文献】1.一种基于冗余自由度的机器人姿态优化方法 [J], 焦嘉琛;田威;石章虎;邱燕平;孟华林;廖文和;张霖2.基于运动可优化度的冗余自由度机器人运动学实时控制研究 [J], 李鲁亚;张启先;杨宗煦3.平面两自由度驱动冗余并联机器人的运动及灵巧性分析 [J], 张立杰4.冗余自由度机器人性能指标的二次特性及其优化方法 [J], 唐世明;张启先5.一种新型平面三自由度冗余度并联机器人的运动学分析 [J], 张广立;付莹;杨汝清因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
冗余双臂机器人协作空间分析与参数优化
冗余双臂机器人协作空间分析与参数优化作者：胡平林雪华陈庆豪来源：《电脑知识与技术》2021年第11期摘要：以冗余双臂机器人为研究对象分析其协作空间，针对蒙特卡洛法算法不适用于冗余多自由度机器人，且存在计算速度较慢，求解的点云分布不理想等问题，对点云进行筛选后引入k近邻方法提取点云边缘，得出协作空间。
仿真实验结果表明，工作空间边界点的提取效果较好，曲线拟合误差较小。
为拟人机械臂的后续轨迹规划和运动控制奠定了基础。
此外，也讨论了协作空间参数优化。
关键词：冗余双臂机器人;协作空间;蒙特卡洛方法;k近邻中图分类号：TP183 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2021）11-0176-02Collaboration Space Analysis and Parameter Optimization of Redundant Dual-arm RobotHU Ping， LIN Xue-hua， CHEN Qing-hao（Information and Engineering College， Jinhua Polytechnic， Jinhua 321007， China）Abstract：Taking redundant dual-arm robots as the research object to analyze its collaboration space，then aiming at the problem that Monte Carlo method is not suitable for redundant multi-DOF robot， and the calculation speed is slow， and the point cloud distribution is not ideal， the k nearest neighbor method is introduced to extract the point cloud edge after the point cloud is filtered，and the cooperative space is obtained. The simulation results show that the extraction effect of boundary points in the workspace is better， and the curve fitting error is small. It lays the foundation for the follow-up trajectory planning and motion control of humanoid manipulator. In addition，collaborative space parameter optimization is also discussed.Key words：redundant dual-arm robot;collaborative space;monte carlo method;KNN雙臂机器人是目前智能机器人领域的研究热点，它结构与人类接近，在智能控制系统指挥下，可以通过双臂协作完成加工装配、生活服务甚至排除爆炸物品等灵巧复杂的任务，与单臂机器人相比具有更高的灵活性、操作性和负载能力。
机器人航天员冗余机械臂自运动优化
机器人航天员冗余机械臂自运动优化刘世平;赫向阳;韩亮亮;李世其;付艳【期刊名称】《载人航天》【年(卷),期】2017(023)002【摘要】为增强机器人航天员的工作能力,机器人航天员的手臂采用七自由度仿人机械臂.根据S?R?S构型七自由度冗余手臂的结构特性,采用臂型角参数化的方法求解运动学.该方法将冗余机械臂的自运动用臂型角来描述,通过对臂型角的二次优化来限制机械臂的自运动.为了使仿人臂处于一种自然的构型和姿态,定义了"偏离中心度"的指标来表示关节偏离中心位置的程度,通过这个评价指标来描述仿人臂的最优位形,从而建立自运动优化函数.采用具有线性减小惯性权重的粒子群优化算法来寻找自运动优化函数的最优解.最后在机器人航天员平台进行验证,可以快速有效地完成冗余手臂自运动优化.【总页数】7页(P143-149)【作者】刘世平;赫向阳;韩亮亮;李世其;付艳【作者单位】华中科技大学机械科学与工程学院,武汉,430074;华中科技大学机械科学与工程学院,武汉,430074;上海宇航系统工程研究所,上海,201108;上海宇航系统工程研究所,上海,201108;华中科技大学机械科学与工程学院,武汉,430074;华中科技大学机械科学与工程学院,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TP242.6【相关文献】1.冗余机械臂运动学优化设计 [J], 焦建民;周军;李欢2.基于粒子群优化算法的冗余机械臂运动学逆解 [J], 石建平3.基于混合学习果蝇优化算法的冗余机械臂逆运动学求解 [J], 石建平;李培生;刘国平;朱林4.基于改进粒子群优化算法的冗余机械臂逆运动学求解 [J], 石建平;刘鹏;陈冬云5.基于自运动控制的冗余度机器人运动学优化 [J], 叶平;孙汉旭;张秋豪因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
冗余自由度机器人原理及应用
冗余自由度机器人原理及应用
冗余自由度机器人原理及应用
冗余自由度机器人是一种具有超过所需自由度数量的机器人，它可以在执行任务时使用多余的自由度来优化其性能。
这种机器人的应用非常广泛，包括工业制造、医疗手术、空间探索等领域。
冗余自由度机器人的原理是基于其多余的自由度，可以通过优化其运动轨迹来提高其性能。
例如，在执行一个需要机器人手臂移动到一个特定位置的任务时，冗余自由度机器人可以通过调整其手臂的姿态来优化其运动轨迹，从而减少运动时间和能量消耗。
在工业制造领域，冗余自由度机器人可以用于生产线上的装配和加工任务。
由于其灵活性和高效性，它可以在狭小的空间内完成复杂的任务，从而提高生产效率和质量。
在医疗手术领域，冗余自由度机器人可以用于进行微创手术。
由于其高精度和灵活性，它可以在手术过程中减少对患者的伤害，同时提高手术的成功率和效果。
在空间探索领域，冗余自由度机器人可以用于进行太空任务。
由于其能够在零重力环境下进行操作，它可以完成一些传统机器人无法完成的任务，例如在太空站上进行维修和装配。
冗余自由度机器人是一种非常有用的机器人，它可以在各种领域中发挥重要作用。
随着技术的不断发展，我们相信冗余自由度机器人将会在未来的各个领域中发挥更加重要的作用。
机械手臂的运动规划与优化研究
机械手臂的运动规划与优化研究机械手臂是一种能够模拟人类手臂动作的工具，广泛应用于工业生产中，具有高效精准的特点。
而机械手臂的运动规划和优化则是保证其工作效果的关键。
本文将围绕机械手臂运动规划和优化的研究展开探讨。
一、机械手臂的基本结构和工作原理机械手臂由臂架、关节、末端执行器等部件组成。
臂架是机械手臂的骨架，关节可以使臂架在其摆动范围内进行运动，末端执行器则用于完成具体任务。
机械手臂的动作主要由其关节的运动来实现。
机械手臂的工作原理是通过控制各个关节对应的电机运动，从而实现整体的运动。
电机通过接收到的指令，将其转化为具体的运动轨迹，并通过驱动系统使机械手臂按照既定的路径进行运动。
二、机械手臂运动规划的挑战机械手臂的运动规划是指通过算法和技术确定机械手臂在空间中的运动轨迹，以便实现特定的任务。
然而，由于机械手臂具有多个关节，且关节之间的运动耦合性强，运动规划面临着以下几个挑战：1. 多关节之间的冲突：机械手臂的多个关节在进行运动时可能会相互冲突，导致工作效率低下或者无法完成任务。
2. 运动路径的优化：机械手臂在完成任务时，需要找到一条最优路径，使得其能够快速准确地到达目标位置。
然而，由于运动轨迹受到多个因素的制约，这一过程并不容易。
3. 避障和碰撞检测：机械手臂在运动过程中需要避免与其他物体发生碰撞，因此需要进行避障和碰撞检测。
三、机械手臂运动规划与优化的研究方法机械手臂的运动规划与优化是一个涉及到多个学科和领域的综合性问题，研究人员采用了许多方法来解决这些挑战。
下面介绍几种研究方法：1. 路径规划算法：路径规划算法是指根据机械手臂的运动学模型和任务要求，通过数学方法找到一条合适的运动路径。
常用的算法包括Dijkstra算法、A*算法等。
2. 碰撞检测和避障算法：为了避免机械手臂与其他物体发生碰撞，研究人员通过视觉传感器、激光雷达等设备进行碰撞检测，并采用避障算法根据检测结果找到合适的运动轨迹。
3. 优化算法：为了实现机械手臂的高效运动，研究人员还使用了优化算法。
冗余机械臂优化控制新方法
Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用2013，49（14）1引言随着科技的发展，冗余机械臂已受到人们的广泛关注[1-4]，其应用也已扩展到许多工程场合（如焊接组装、宇宙探索和医疗手术等多种行业）。
许多研究者都致力于冗余机械臂的研究[2-3，5-10]。
其中，逆运动学求解是研究的核心内容之一[6-11]：给定机械臂末端的位置、速度或加速度变量，求解相应的机械臂关节角度、关节速度或关节加速度。
逆运动学求解问题又称冗余度解析问题[2，12]。
通过合适地求解冗余度解析问题，就能完成对冗余机械臂的运动控制。
对于冗余度解析问题的求解，通常是采用基于伪逆的方法[2，9，11]，即将问题的解写为一个最小范数解加上一个同类解。
考虑到伪逆方法具有结构简单和易于实现等特点，许多工程应用者和研究者开发和探讨了多种不同的基于伪逆的优化方法来控制冗余机械臂的运动[2，11-14]。
通常，冗余度解析问题可在速度层上[2，11-13]和加速度层[2，12，14]分别进行求解。
在速度层上使用较为广泛的冗余度解析方法是最小化速度范数（Minimum Velocity Norm ，MVN ）方法[2，12-13]。
这种方法通过对关节速度的平方和作最小化来控制冗余机械臂，具有简单、易处理以及末态速度为零等优点。
但是，要特别指出的是，MVN 方法（因其属于速度控制的方法）只适用于由速度控制的机械臂，难以直接应用于由加速度控制的机械臂（也即，控制对象的属性为加速度控制），这也就限制了此方法的适用范围。
因而许多研究者探讨加速度层上的冗余度解析方法来实现对机械臂的运动控制[2，12，14-15]。
在这些方法中，研究较为广泛的方法就是最小化加速度范数（Minimum Acceleration Norm ，MAN ）方法[2，12，14]：对关节加速度的平方和作最小化。
MAN 方法不仅适用于由加速度控制的机械臂，也可应用于由速度控制的机械臂（利用其解析得到的速度）。
工业机器人机械臂的结构优化和轻量化探索
工业机器人机械臂的结构优化和轻量化探索摘要：伴随工业领域持续的进步发展，对工业机器人总体结构刚度、强度及轻量化方面均提出更高要求，这就需对机械臂积极开展结构优化及其轻量化方面的深入研究，便于能够满足当前工业领域实际的生产运行需求。
故本文主要探讨工业机器人当中机械臂总体结构优化与其轻量化，旨在为业内相关人士提供有价值的参考。
关键词：机械臂；机器人；工业；轻量化；结构优化前言：伴随工业机器人日益广泛化的应用，人们对其机械臂总体结构质量方面提出了轻量化方面的要求，为能够充分满足实际需求，则对工业机器人当中机械臂总体结构优化与其轻量化开展综合分析较为必要。
1、工业机器人当中机械臂总体结构优化1.1在正交试验方面针对正交试验方面，对某工业机器人当中机械臂总体结构性能三个主要的影响因素开展试验，每次选定5个不同水平，即壁厚（30、25、20、15、8mm）、末端孔深（44、39、34、29、22mm）、保留体积（70%、60%、50%、40%、30%），不断将试验范围缩小，最终确定机械臂最优化的结构参数，即壁厚为13mm、末端孔深为30mm、设计空间总体保留体积为72%时候，拓扑优化可获取最优结构。
1.2在拓扑优化方面依托SolidThinking Inspire，对于机械臂实施拓扑优化,系统软件当中拓扑优化实施算法选定变密度法，主要是把模型假设成密度可变的一类材料，密度值范围是0~1，处于特定约束条件，依托有限元法，舍弃为0密度值的材料，保留为1密度值材料。
约束的结构体积之下，以结构总体最大化的刚度作为最终优化目标，获取拓扑优化基础数学模型，即Minimize:C=F T U、{X1，X2，……X n}T、约束条件为f=（V-V1）V0、0≤V min≤V e≤V max、F=KU。
上述列式当中，F、U分别代表载荷矢量及位移矢量；C代表结构的变形能；X i，{i=1，2，……n}代表设计变量；f代表剩余材料的百分比；V1代表单元密度＜V min材料总体体积；V、V0分别代表结构当中充满材料实际体积及结构整个设计域实际体积；V max、V min分别代表单元的相对密度上限及下限；K代表刚度矩阵；V e代表所求单元实际相对密度。
一种冗余机械臂多目标轨迹优化方法
一种冗余机械臂多目标轨迹优化方法，主要包括以下步骤：
1.建立多目标优化模型：首先需要建立冗余机械臂的多目标优化模型，该模
型的目标函数包括多个优化目标，例如轨迹时间、能量消耗、轨迹平滑性等。
2.确定优化变量：在冗余机械臂的多目标优化模型中，需要确定优化变量，
包括关节角度、关节速度、关节加速度等。
3.约束条件设定：根据实际应用场景和机械臂动力学特性，设定轨迹优化的
约束条件，例如关节角度范围、最大速度、最大加速度等。
4.求解最优解：使用合适的优化算法，例如遗传算法、粒子群优化算法等，
对多目标优化模型进行求解，得到最优解。
5.轨迹生成与调整：根据最优解，生成冗余机械臂的轨迹，并通过对轨迹的
调整，实现对冗余机械臂的精确控制。
6.实验验证：最后需要进行实验验证，验证该方法的可行性和有效性。
通过以上步骤，可以实现对冗余机械臂的多目标轨迹优化，提高机械臂的运动性能和轨迹精度，同时满足实际应用的需求。
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多自由度机械手智能优化设计与制作
指导教师：万书亭 设 计：吴鹏 王浩 廖能超 陈周飞 彭顺峰
一：设计背景
目前，在工业、制造类行业中存在着这 样一些问题：很多操作需要人直接用手去完 成，但是这些操作又会对人造成一定的伤害， 以至于不能高效的完成实际的任务。鉴于此 我们研制能够模拟人手功能的多自由度机器 手。在一定程度上解决了人手难以作为的问 题。
▪ 采用多自由度机械手+行进车体，通用性强，能适 应不能环境下的工作要求。
▪ 机械手的控制采用多种传感器采集信号，可以采集 压力、温度等多种信号。
▪ 机械手动作简单，很容易实现基本的工业操作，可 以作为工业机器人使用。
总结
结合工业、制造类行业中的背景要求， 我们设计这款多自由度机器手，他能够满足 多方面的需求，如工业生产，装配；军事上 如排爆，侦察；科研上如易爆，强腐蚀等危 险实验中；
以机械手代替人手来工作，将大大减少 人员事故的发生，同时，机械手运动定位准 确，精度上优于人手控制，机械手的研发将 有很大的应用前景。
二、功能简介
一 .代替人手做一些较为复杂的工作 二 .可配合一些简单工具并行使用 三 .自带多种传感器，可随时检测温度,湿度,
压力等检测量 四 .采用多自由度，可一定程度模拟人手动作
三现行进扩展
预期目标
多自由度、带指关节，更灵活的机械手
四、创新点与特色
工业机器人机械臂的结构优化探讨
工业机器人机械臂的结构优化探讨摘要：工业机器人结构中机械臂部件是实现其功能的主要结构，针对机械臂进行结构优化研究能够对于提升工业机器人的工作效率起到重要作用。
工业机器人运行过程中存在的问题主要集中于机械臂负载能力较差、整体运行的成本较高等方面，针对结构进行优化的目标主要也集中这些方面。
本文通过对于工业机器人机械臂结构进行优化，希望能够为工业生产贡献更大力量。
关键词：工业机器人；机械臂；结构优化1.针对工业机器人机械臂存在问题进行分析（一）工业机器人机械臂承载能力存在不足随着工业科技水平的不断提升，工业上产活动中工业机器人的种类以及应用场景不断增加，对于工业机器人的标准要求也越来越高，高精度和高速度是工业机器人发展的必然趋势，这也对于机器人机械结构的强度、刚性等结构素质提出更高要求[1]。
工业机器人机械臂在设计过程中就已经明确了基本的性能参数，小臂抓取的工业生产品质量规格等必须符合机器人小臂的设计要求，一旦生产过程中小臂抓取的物品质量超过性能指标范围，就会导致工业机器人小臂结构出现损伤，影响生产活动的开展。
影响工业机器人机械臂的承载能力的因素主要有两个方面，一方面是小臂的材料强度，另一方面是承担机械臂运动的伺服电机。
生产实践过程发现，影响机械臂承载能力的原因大都是机械臂材料强度不足，而并不是驱动电机产生的驱动力不足。
因此需要通过对于机械臂材料强度进行优化加强，提升工业机器人机械臂的承载效果。
1.使用环境对于机械臂结构安全造成影响工业机器人主要承担环境要求较高的操作任务，因此使用环境对于工业机器人机械臂结构安全会造成严重的影响。
很多工业机器人工作环境状况较差，高温、高湿、化学材料等会对工业机器人机械臂的正常运行造成严重的影响，例如对于工业机器人机械臂材质、驱动单元以及供电线路等造成腐蚀或者其他损伤，影响工业机器人机械臂的正常运行。
工业机器人设计环节会对于使用环境进行考量，然后在机器人外部材料选择、部件构成设计的过程中进行一些强化，但是在使用环境的长时间侵蚀下，机械臂表面的保护涂层防护效果逐渐降低，使得机器人机械臂结构安全受到影响。
具有冗余自由度的机械手臂的构型优化
具有冗余自由度的机械手臂的构型优化作者贾腾赵宪良崔金超安少杰李朝阳赵士欣摘要: 利用 Pro /E软件成立了机械手臂的三维模型, 并通过插件 MECHAN IS M /Pro对模型进行刚体概念, 把模型导入ADAMS进行后续的约束和驱动添加, 从而取得机械手臂的虚拟样机。
然后对机械手臂的虚拟样机的工作域进行求解分析,并通过运动仿真模拟了机械手臂关节在实际作业进程中的驱动情形, 得出其运动曲线, 并分析和验证了所成立的机械手臂的运动方程的正确性。
关键词：Pro/E; 运动学分析；机械手；ADAMS;优化；0 引言冗余自由度机械臂具有灵活性高、避障能力强、和抗故障风险等优势，能够在保证结尾操作器位姿不变的前提下实现避奇异、避障、避关节极限、关节力矩优化及抑制振动等运动学和动力学层面的优化。
随着运算机技术和加工制造业的飞速进展, 机械人技术的进展速度愈来愈快, 其智能化程度愈来愈高, 已经应用并扩展到经济进展的诸多领域, 成为现代生产和高科技研究中的一个不可或缺的组成部份。
目前, 随着机械人技术研究领域的不断进展, 机械人运算机仿真系统作为机械人设计和研究的灵活方便的工具, 发挥着重要的作用。
机械人运算机仿真系统在机械人技术研究的许多方面都有应用。
ADAMS软件具有十分壮大的运动学和动力学分析功能, 但由于ADAMS的建模能力相对薄弱, 前处置模块中的几何建模功能不强, 无法完成复杂模型的建模, 因此降低了结构分析结果的可信度。
作者利用基于特点的参数化设计软件 Pro/E成立五自由度的机械手臂结构并给予与实际相应的各类属性, 然后利用M echanism /Pro模块将虚拟样机模型导入到 ADAMS环境下, 进行运动学仿真分析, 并依照 D-H 方式对其进行数学模型的成立, 进行正向运动学和逆向运动学分析, 利用仿真结果来验证所成立的机械手臂的运动方程。
一机械手臂的仿真建模1.1 机械手臂的三维模型成立机械手采纳 Pro/E来进行建模, 其 Pro/E模型如图 1所示。
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具有冗余自由度的机械手臂的构型优化作者贾腾赵宪良崔金超安少杰李朝阳赵士欣摘要: 利用 Pro /E软件建立了机械手臂的三维模型, 并通过插件 MECHAN IS M /Pro对模型进行刚体定义, 把模型导入ADAMS进行后续的约束和驱动添加, 从而获得机械手臂的虚拟样机。
然后对机械手臂的虚拟样机的工作域进行求解分析,并通过运动仿真模拟了机械手臂关节在实际作业过程中的驱动情况, 得出其运动曲线, 并分析和验证了所建立的机械手臂的运动方程的正确性。
关键词：Pro/E; 运动学分析；机械手；ADAMS;优化；0引言冗余自由度机械臂具有灵活性高、避障能力强、以及抗故障风险等优点，可以在保证末端操作器位姿不变的前提下实现避奇异、避障、避关节极限、关节力矩优化及抑制振动等运动学和动力学层面的优化。
随着计算机技术和加工制造业的飞速发展, 机器人技术的发展速度越来越快, 其智能化程度越来越高, 已经应用并扩展到经济发展的诸多领域, 成为现代生产和高科技研究中的一个不可或缺的组成部分。
目前, 随着机器人技术研究领域的不断发展, 机器人计算机仿真系统作为机器人设计和研究的灵活方便的工具, 发挥着重要的作用。
机器人计算机仿真系统在机器人技术研究的许多方面都有应用。
ADAMS软件具有十分强大的运动学和动力学分析功能, 但由于ADAMS的建模能力相对薄弱, 前处理模块中的几何建模功能不强, 无法完成复杂模型的建模, 因此降低了结构分析结果的可信度。
作者利用基于特征的参数化设计软件 Pro/E建立五自由度的机械手臂结构并赋予与实际相应的各种属性, 然后利用M echanism /Pro模块将虚拟样机模型导入到 ADAMS环境下, 进行运动学仿真分析, 并根据 D-H 方法对其进行数学模型的建立, 进行正向运动学和逆向运动学分析, 利用仿真结果来验证所建立的机械手臂的运动方程。
一机械手臂的仿真建模1.1 机械手臂的三维模型建立机械手采用 Pro/E来进行建模, 其 Pro/E模型如图 1所示。
该机械手臂参照人体手臂的结构, 采用开链连杆式的关节型结构, 分为前臂、上臂、手腕和手爪等结构, 以及能够旋转的腰关节、肩关节、肘关节、腕关节和手爪关节。
机械手臂拥有 5个自由度,但由于机械手臂可以安装在移动的车体上而增加额外的自由度, 故总体自由度为 6以上, 使手臂末端执行器能实现空间中的任何位姿。
图1 机械手臂的三维模型1．2 机械手的驱动方式机械手的驱动方式很多, 常用液压、气动、机械传动、电机驱动等。
本机械手模型采用电机 ( 舵机) 驱动, 舵机属于微型伺服马达 (Servo) , 含义为“掌舵人操纵的机器” , 在航模及自动控制中, 舵机担当着重要的作用, 与普通电机不同的是, 舵机能够提供相当精确的位置控制以及比较大的扭矩输出。
本机械手由六个舵机驱动, 选用的舵机属于数码舵机, 与模拟舵机相比, 两者最大的不同是数码舵机的微处理器, 在控制舵机的动作上, 比模拟舵机快 6 倍, 即数码舵机可以提供更高的精度和更好的固定力。
另外,该类舵机由无核心马达、合金钢减速齿轮、铜输出轴等组成, 它可以依据接收到的脉冲指令, 转动至指定点的位置, 它是各个运动关节的动力来源。
选择舵机时主要应考虑安装尺寸、扭力大小和速度等因素。
本机械手实物如图 2 所示, 由于该机械手以铝合金为主体材料, 模拟抓取的试样重量不大, 故其总体设计尺寸为: 下臂支架高度为52mm, 下臂长度为152mm,上臂高度为85mm, 钳爪伸出长度为40mm, 钳爪开合范围 8～38mm, 故选用的舵机规格为: 扭力为 3.5 公斤力/cm, 速度为 60°/s。
采用舵机驱动机械手模型动作,可以简化结构, 降低成本, 便于控制和进行运动分析。
图 2 机械手实物模型1．3 机械手臂虚拟样机的建模在 Pro/E 中利用M echanism /Pro 对零件进行合并和刚体定义后, 就可以传递到AD-AMS环境中进行约束的定义。
为了更好地对零件进行后续操作, 可以把零件改成相应的名字, 然后添加运动副约束、基本约束或运动约束, 施加相应的载荷。
在添加约束的时候, 需要把基座和地(Ground) 用锁定约束进行连接, 这样模型才能进行正确的仿真。
二连杆坐标系与运动学分析图 3 机械手臂的连杆坐标系统D-H法由 Denauuit和 Hartenbery于 1956年提出, 它严格定义了每个坐标系的坐标轴, 并对连杆和关节定义了 4个参数, 是对机器人连杆和关节建模的一种非常简单的方法, 可用于很多机器人的构型。
利用 D-H方法对设计的五自由度的机械手臂建立各连杆的坐标系, 如图 3所示。
由连杆坐标系统确定了连杆的 D-H 参数和各个关节的变量如表 1所示。
表 1 机器人手臂的 D- H 参数连杆变量根据表 1所示的参数和 D-H 法, 可得机械手臂的运动方程为式中:其中 X、Y、Z为连杆坐标系 3个方向的坐标轴;PX、PY、PZ为手腕端面坐标系原点在基坐标系中的位置; d2为连杆 2与连杆 1的距离;Hi为机械手臂第i关节的旋转角度;li为连杆 i的长度; 而 n、 o、a矢量则表示了手腕端面坐标系各坐标轴的方向余弦向量。
在实际应用中, 通常还要求根据末端的位姿求出各个关节的角度, 即求机械手臂的运动学逆解。
对于关节型机器人手臂来说, 其灵巧点一般具有多解性。
造成机器人手臂运动学逆解具有多解的原因是由于解反三角函数方程时产生的。
对处于实际工作环境的机械手臂来说, 例如文中的机械手臂由于作业避障要求, 存在可能只有一组解与实际对应的情况,因此必须做出正确的判断, 选择合适的解。
所有具有转动和移动关节的机器人系统, 在一个单一的串联链中, 自由度小于或等于 6时是可解的,因此文中的五自由度机械手臂的逆运动学可以进行求解。
由于运动方程 T5有很多角度的耦合, 对运动学方程进行求解时不能通过方程式联立求解, 而是用一系列变换矩阵的逆左乘, 使得方程右边不再包含这个角度, 然后找出右端为常数的元素, 并令这些元素与左端元素相等, 从而得到相应角度的解如下:由末端执行器位姿坐标轴 a (Z)轴与手腕的指向γ的几何关系有在逆运动学方程中, 末端执行器的位姿为已知量, 取其中两个元素相等, 即从而求得三运动仿真结果与分析3．1 机械手臂的工作域仿真工作域是指机械手臂上的一个特定标记点能在空间的最大活动范围。
工作空间的形状和大小反映了机器人手臂工作能力的大小, 它不随环境的变化而变化, 故机器人手臂的标记点常选手腕的端部或手爪的端部。
根据机械手臂的参数和基本设计指标, 对其虚拟样机进行运动仿真, 可以得出理论工作区域和其特殊的工作尺寸, 同时机械手臂上任意点的轨迹也可以得到。
在进行仿真之前要先在机械手臂虚拟样机上添加驱动和测量。
在肩关节的齿轮、肘关节、腕关节的转动副上分别添加电机驱动 (Rotation jointmotion), 运动方式选择转动, 然后在 Function ( tm i e) 项中输入运动函数, 分别控制各关节的伸展状态和摆动角度如下:在对机器人手臂进行运动仿真的时候, 需要把手臂的自由度调整到 0。
而在仿真过程中, 忽略了腰关节和手爪的自转运动对运动轨迹的影响, 但仍然需要对其转动副添加电机驱动 ( Rotation jointmotion), 选择转动的运动方式,Function ( tm i e) 项中输入 0, 使得关节在整个仿真过程中处于锁紧状态, 手臂样机的模型总自由度为 0。
在机械手臂的运动过程中, 对手爪的 M arker 点 (标记点 ) 进行轨迹描绘即可完成手爪运动轨迹的跟踪和测绘, 即可获得机械手臂在垂直平面内如图 4所示的理论工作域。
图 4 机械手臂样机的工作轨迹图手爪上的标记点设置了 X 和 Y 方向位移的跟踪测量, 仿真完成后进入ADAM S/Postprocessor , 把仿真中的测量值调出, 即可得到位移曲线图, 如图5所示。
图 5 机械手臂中手爪上标记点的X 和 Y方向的位移曲线图3．2 机械手臂的动态仿真在 ADAMS /V ie w 中通过运动学的仿真可以对前面建立的方程进行研究和分析。
ADAMS /V iew可以进行机电一体化的系统仿真分析, 联合运动控制程序对机器人手臂进行贴近实际的理论仿真。
在设计阶段先对各个关节赋予变化的驱动, 模拟实际的运动控制情况, 分析手臂的运动情况。
对机械手臂的上臂摆动关节、上臂摆动关节和手腕摆动关节施加相应的驱动来模拟实际复杂的运动。
而腰关节的回转运动和手爪的自转运动较少与其他关节联合作业, 均把驱动函数设置为 0。
在手爪上的标记点建立 X 和 Y方向的位移测量, 输出位移变化曲线; 相应地对参与运动仿真的关节变量 H2、 H3和 H4建立角度 ( Angle) 测量, 输出角度变化曲线。
运动仿真后获得的曲线如图 6所示。
图六图 6上的横坐标为仿真的时间 ( s), 左纵坐标表示角度, 右坐标表示位移。
Angle_Second、Angle_Three 、Angle_Four分别表示的 H2、 H3和 H4角度变量值; X 和 Y表示标记点相对基座系的 X 坐标值和 Y坐标值。
图 7把仿真测量的角度变量曲线和位移曲线合并在一起, 容易对角度与位移的关系进行研究。
在图 7中, 选择仿真过程中的任意时刻, 对各关节主变量进行取值, 即可代入上面的运动方程 ( 1) 中计算出标记点的位移。
将仿真结果与计算所得手爪标记点的位移进行比较即可验证上面所建立的运动方程;同样, 通过手爪标记点的位移取值, 即可通过式 ( 2) )( 6)计算出各关节变量值。
将仿真结果与计算所得各关节变量值进行比较即可验证所建立的运动方程。
此外, 通过 ADAMS /V iew 的仿真, 能实现对机械手臂的控制系统进行编程指导, 而且可以对运动控制系统的正确性和误差进行验证和调试, 降低控制系统的设计难度和缩短开发周期。
四结束语利用 Pro/E软件强大的三维建模能力对机械手臂进行了模型的建立, 并通过插件 M echan ism /Pro对模型进行刚体定义, 把模型导入 ADAM S进行后续的约束和驱动添加, 从而获得机械手臂的虚拟样机。
同时还建立了机械手臂的连杆坐标系和运动方程, 并对虚拟样机进行工作域的仿真, 对关节进行模拟实际作业情况的驱动, 观察其运动曲线, 对理论运动方程进行校验, 为机械手臂运动控制的正确性和误差的验证与调试提供了依据。
参考文献:<1> 矢野敏之, 李剑波, 张玉梅. 瑞萨 M16C/62P单片机原理和应用 . 北京: 清华大学出版社, 2006 .4.<2> 侯维岩, 费敏锐. PROFI BUS协议分析和系统应用 .北京: 清华大学出版社, 2006. 9.<3> 郑小倩, 黄明琪. PROFIBUS -DP主站和从站通讯的设计与实现 . 微计算机信息, 2007 , 2.<4> 田静. 高速开关阀 P WM 控制电路的开发 . 中国民航学院学报, 2003 , 2.<5> 孙如军. 数控液压伺服系统组成及工作原理 . 机床与液压, 2007, 8.。