2023年度三自由度机械臂控制系统(五篇)

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三自由度机械臂控制系统篇一

机械手

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展, 出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序, 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低;后者因设计复杂, 需较多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器plc控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力, 保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

一、工业机械手的概述

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人交工伤费带来的挑战。

随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业自化，已愈来愈引起我们重视。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在现实生活中，你是否会发现这样一个问题。在机械工厂里，加工零件装料的时候是不是很烦的，劳动生产率不高，生产成本大，有时候还会发生一些人为

事故，导致加工者受伤。想想看用什么可以来代替呢，加工的时候只要有几个人巡视一下，且可以二十四个小时饱和运作，人行吗？回答是肯定的，但是机械手可以来代替它。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；
尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中能够代替人进行正常的工作。想到这里我就很想设计一个机械手，来用于生产实际中。

为什么选着设计机械手用气动来提供动力：气动机械手是指以压缩空气为动力源驱动的机械手。用气压驱动与其他能源驱动比较有以下优点：1.空气取之不竭，用过之后排入大气，不需要回收和处理，不污染环境。（环保的概念）2.空气的沾性很小，管路中压力损失也很小（一般气路阻力损失不到油路的千分之一），便于远距离输送。3.压缩空气的工作压力较低(一般为4～8公斤/每平方厘米)，因此对动元件的材质和制造精度要求可以降低。4.与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动突出的优点之一。5.空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。但是也有它美中不足的地方：1.由于空气的可压缩性，致使气动工作的稳定性差，因而造成执行机构运动速度和定为精度不易控制。2.由于使用气压较低，输出力不可能太大，为了增加输出力，必然使整个气动系统的结构尺寸加大。

用气压驱动与用其他能源驱动比较有以下优点：

空气取之不竭，用过之后排入大气，不需回收和处理，不污染环境。偶然的或少量的泄漏不致对生产发生严重的影响。

空气的粘性很小，管路中压力损失也就很小，便于远距离输送。

压缩空气的工作压力较低，因此对气动元件的材质和制造精度要求可以降低。一般说来，往复运动推力在1~2吨以下采用气动经济性较好。

与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动的突出优点之一。空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。

它可安全地应用在易燃、易爆和粉尘大的场合。又便于实现过载自动保护.二﹑机械手的组成

机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成

形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

1.执行机构

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。

2.传动系统

执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

3.控制系统

机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。三﹑ 机械手的分类和特点

机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“mechanical hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；
除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

主要特点：

(1)机械手（上下料机械手、装配机械手、搬运机械手、堆垛机械手、助力机械手、真空搬运机、真空吸吊机、省力吊具、气动平衡器等）。

(2)悬臂起重机（悬臂吊、电动环链葫芦吊、气动平衡吊等）

(3)导轨式搬运系统（悬挂轨道、轻型轨道、单梁起重机、双梁起重机）

(4)工业机械手的应用

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。

(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。

助力机械手:又称平衡器、平衡吊、省力吊具、手动移载机等，是一种无重力化手动承载系统，一种新颖的、用于物料搬运时省力化操作的助力设备,属于一种非标设计的系列化产品。针对客户应用需求，量身定制的个案创作。

一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取﹑搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调﹑重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同，常见的有夹持﹑托持和吸附等类型。运动机构一般由液压﹑气动﹑电气装置驱动。机械手可独立地实现伸缩﹑旋转和昇降等运动，一般有2～3个自由度。机械手广泛用于机械製造

﹑冶金﹑轻工和原子能等部门。

能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势......机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统fms和柔性制造单元fmc中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

附件2：外文原文

manipulator

robot developed in recent decades as high-tech automated production rial robot is an important branch of industrial features can be programmed to perform tasks in a variety of expectations, in both structure and performance advantages of their own people and machines, in particular, reflects the people"s intelligence and accuracy of robot operations and a variety of environments the ability to complete the work in the field of national economy and there are broad prospects for the development of industrial automation, there has been cnc machining center, it is in reducing labor intensity, while greatly improved labor r, the upper and lower common in cnc machining processes material, usually still use manual or traditional relay-controlled semi-automatic former time-consuming and labor intensive, inefficient;the latter due to design complexity, require more relays, wiring complexity, vulnerability to body vibration interference, while the existence of poor reliability, fault more maintenance problems and other mmable logic controller plc-controlled robot control system for materials up and down movement is simple, circuit design is reasonable, with a strong anti-jamming capability, ensuring the system"s reliability, reduced maintenance rate, and improve work technology related to mechanics, mechanics, electrical hydraulic technology, automatic control technology, sensor technology and computer technology and other fields of science, is a cross-disciplinary integrated , an overview of industrial manipulator robot is a kind of positioning control can be automated and can be re-programmed to change in multi-functional machine, which has multiple

degrees of freedom can be used to carry an object in order to complete the work in different wages in china, plastic products industry, although still a labor-intensive, mechanical hand use has become increasingly onics and automotive industries that europe and the united states multinational companies very early in their factories in china, the introduction of automated now the changes are those found in industrial-intensive south china, east china"s coastal areas, local plastic processing plants have also emerged in mechanical watches began to become increasingly interested in, because they have to face a high turnover rate of workers, as well as for the workers to pay work-related injuries fee the rapid development of china"s industrial production, especially the reform and opening up after the rapid increase in the degree of automation to achieve the workpiece handling, steering, transmission or operation of brazing, spray gun, wrenches and other tools for processing and assembly operations since, which has more and more attracted our is to imitate the manual part of the action, according to a given program, track and requirements for automatic capture, handling or operation of the automatic mechanical real life, you will find this a the machine shop, the processing of parts loading time is not annoying, and labor productivity is not high, the cost of production major, and sometimes man-made incidents will occur, resulting in processing were about what could replace it with the processing time of a tour as long as there are a few people, and can operate 24 hours saturated human right? the answer is yes, but the robot can come to replace tion of mechanical hand can increase the automation level of production and labor productivity;can reduce labor intensity, ensuring

product quality, to achieve safe production;particularly in the high-temperature, high pressure, low temperature, low pressure, dust, explosive, toxic and radioactive gases such as poor environment can replace the normal working i would like to think of designing a robot to be used in actual would a robot designed to provide a pneumatic power: pneumatic robot refers to the compressed air as power source-driven pressure-driven and other energy-driven comparison have the following advantages: inexhaustible, used later discharged into the atmosphere, does not require recycling and disposal, do not pollute the environment.(concept of environmental protection) stick is small, the pipeline pressure loss is small(typically less than asphalt gas path pressure drop of one-thousandth), to facilitate long-distance ssed air of the working pressure is low(usually 4 to 8 kg / per square centimeter), and therefore moving the material components and manufacturing accuracy requirements can be the hydraulic transmission, compared to its faster action and reaction, which is one of the advantages pneumatic air cleaner media, it will not degenerate, not easy to plug the there are also places where it fly in the ointment: the compressibility of air, resulting in poor aerodynamic stability of the work, resulting in the implementing agencies as the precision of the velocity and not easily the use of low atmospheric pressure, the output power can not be too large;in order to increase the output power is bound to the structure of the entire pneumatic system size pneumatic drive and compare with other energy sources drive has the following advantages: air inexhaustible, used later discharged into the atmosphere, without recycling and disposal, do not pollute the ntal or a

small amount of leakage would not be a serious impact on ity of air is small, the pipeline pressure loss also is very small, easy long-distance lower working pressure of compressed air, pneumatic components and therefore the material and manufacturing accuracy requirements can be general, reciprocating thrust in 1 to 2 tons pneumatic economy is ed with the hydraulic transmission, and its faster action and reaction, which is one of the outstanding merits of air medium, it will not degenerate, not easy to plug the can be safely used in flammable, explosive and the dust big easy to realize automatic overload , the composition, mechanical hand

robot in the form of a variety of forms, some relatively simple, some more complicated, but the basic form is the same as the composition of the , usually by the implementing agencies, transmission systems, control systems and auxiliary devices enting agencies manipulator executing agency by the hands, wrists, arms, are crawling institutions, is used to clamp and release the workpiece, and similar to human fingers, to complete the staffing of similar and fingers and the arm connecting the components can be up and down, left, and rotary movement.a simple mechanical hand can not s used to support the arm can also be made mobile as ission the actuator to be achieved by the transmission -transmission system commonly used manipulator mechanical transmission, hydraulic transmission, pneumatic and electric power transmission and other drive several l system manipulator control system"s main role is to control the robot according to certain procedures, direction, position, speed of action, a simple mechanical hand is generally not set up a dedicated control system, using only trip switches, relays, control valves and circuits can be achieved dynamic drive system control, so that implementing agencies according to the requirements of will have to use complex programmable robot controller, the micro-computer , mechanical hand classification and characteristics

robots are generally spanided into three categories: the first is the general machinery does not require manual is an independent not affiliated with a particular host can be programmed according to the needs of the task to complete the operation of the is characterized with ordinary mechanical performance, also has general machinery, memory, intelligence ternary second category is the need to manually do it, called the operation of originated in the atom, military industry, first through the operation of machines to complete a particular job, and later developed to operate using radio signals to carry out detecting machines such as the in industrial manipulator also fall into this third category is dedicated manipulator, the main subsidiary of the automatic machines or automatic lines, to solve the machine up and down the workpiece material and mechanical hand in foreign countries known as the “mechanical hand”, which is the host of services, from the host-driven;exception of a few outside the working procedures are generally fixed, and therefore features: first, mechanical hand(the upper and lower material robot, assembly robot, handling robot, stacking robot, help robot, vacuum handling machines, vacuum suction crane, labor-saving spreader, pneumatic balancer, etc.).second, cantilever cranes(cantilever crane, electric chain hoist crane, air balance the hanging, etc.)third, rail-type transport system(hanging rail, light rail, single girder cranes, double-beam crane)four, industrial machinery, application of hand manipulator in the mechanization and automation of the production process developed a new type of recent years, as electronic technology, especially computer extensive use of robot development and production of high-tech fields has become a rapidly developed a new technology, which further promoted the development of robot, allowing robot to better achieved with the combination of mechanization and gh the robot is not as flexible as staff, but it has to the continuous duplication of work and labor, i do not know fatigue, not afraid of danger, the power snatch weight characteristics when compared with manual large, therefore, mechanical hand has been of great importance to many sectors, and increasingly has been applied widely, for example:(1)machining the workpiece loading and unloading, especially in the automatic lathe, combination machine tool use is more common.(2)in the assembly operations are widely used in the electronics industry, it can be used to assemble printed circuit boards, in the machinery industry it can be used to assemble parts and components.(3)the working conditions may be poor, monotonous, repetitive easy to sub-fatigue working environment to replace human labor.(4)may be in dangerous situations, such as military goods handling，dangerous goods and hazardous materials removal and so on.(5)universe and ocean development.(6), military engineering and biomedical research and mechanical hands: also known as the balancer, balance suspended, labor-saving spreader, manual transfer machine is a kind of weightlessness of manual load system, a novel, time-saving technology for material handling operations booster equipment, belonging to kinds of non-standard design of series er application needs, creating customized operation of a simulation of the automatic machinery, it can be a fixed program draws ﹑ handling objects or perform household tools to accomplish certain specific ation of robot can replace the people engaged in monotonous ﹑ repetitive or heavy manual labor, the mechanization and automation of production, instead of people in hazardous environments manual operation, improving working conditions and ensure personal late 20th century, 40, the united states atomic energy experiments, the first use of radioactive material handling robot, human robot in a safe room to manipulate various operations and experimentation.50 years later, manipulator and gradually extended to industrial production sector, for the temperatures, polluted areas, and loading and unloading to take place the work piece material, but also as an auxiliary device in automatic machine tools, machine tools, automatic production lines and processing center applications, the completion of the upper and lower material, or from the library take place knife knife and so on according to fixed procedures for the replacement body mainly by the hand and sports es with the use of hands and operation of objects of different occasions, often there are clamping ﹑ support and adsorption type of nt organs are generally hydraulic pneumatic ﹑ ﹑ electrical device lator can be achieved independently retractable ﹑ rotation and lifting movements, generally 2 to 3 degrees of are widely used in metallurgical industry, machinery manufacture, light industry and atomic energy mimic some of the staff and arm motor function, a fixed procedure for the capture, handling objects or operating tools, automatic operation can replace human labor in order to achieve the production of heavy mechanization and automation that can operate in hazardous environments to protect the personal safety, which is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and nuclear power ical hand tools or other equipment commonly used for additional devices, such as the automatic machines or automatic production line handling and transmission of the workpiece, the replacement of cutting tools in machining centers, lly do not have a separate control operating devices require direct manipulation by humans;such as the atomic energy sector performs household hazardous materials used in the master-slave manipulator is also often referred to as mechanical lator mainly by hand and sports of hand is holding the workpiece(or tool)components, according to grasping objects by shape, size, weight, material and operational requirements of a variety of structural forms, such as clamp type, type and adsorption-based care such as organizations, so that the completion of a variety of hand rotation(swing), mobile or compound movements to achieve the required action, to change the location of objects by grasping and is the automated production of a kind used in the process of crawling and moving piece features automatic device, which is mechanized and automated production process developed a new type of recent

years, as electronic technology, especially computer extensive use of robot development and production of high-tech fields has become a rapidly developed a new technology, which further promoted the development of robot, allowing robot to better achieved with the combination of mechanization and can replace humans completed the risk of duplication of boring work, to reduce human labor intensity and improve labor lator has been applied more and more widely, in the machinery industry, it can be used for parts assembly, work piece handling, loading and unloading, particularly in the automation of cnc machine tools, modular machine tools more commonly present, the robot has developed into a fms flexible manufacturing systems and flexible manufacturing cell in an important component of the machine tool equipment and machinery in hand together constitute a flexible manufacturing system or a flexible manufacturing cell, it was adapted to small and medium volume production, you can save a huge amount of the work piece conveyor device, compact, and the work piece changes, flexible production system is very easy to change will help enterprises to continuously update the marketable variety, improve product quality, and better adapt to market present, china"s industrial robot technology and its engineering application level and comparable to foreign countries there is a certain distance, application and industrialization of the size of the low level of robot research and development of a direct impact on raising the level of automation in china, from the economy, technical considerations are very ore, the study of mechanical hand design is very meaningful.

三自由度机械臂控制系统篇二

编号：

哈尔滨工业大学

大学生创新训练项目申请书

项目名称：
三自由度机械臂 申请级别：校级

执行时间：2014 年 4 月至 2014 年 7 月 负责人：
张猛 联系电话：
*** 学号：
电子邮箱：
院系及专业：机电工程学院指导教师：
王晓溪 联系电话：
*** 院系及专业：计时仪表

哈尔滨工业大学本科生院

填表日期：
2014年4 月9日

职称：
高级工程师 电子邮箱：

项目名称：三自由度机械臂申请经费：3000元

一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序）

二、指导教师意见：

三、院（系）专家组意见：

四、学校专家组意见：

五、立项报告

（一）项目简介

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。

机械臂是当今在机械人学领域中得以最为广泛应用的先进自动化机器，在医学治疗、工业制造、娱乐服务、半导体制造、军事以及太空研究等领域中都发挥着重要的作用，得到相当的发展。虽然它们的形态不尽相同，但有着一个共同之处，那就是都可以接受指令，从而精准地定位到二维空间乃至三维空间的某一确定点进行工作。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在工业应用领域里，有的时候并不需要机械臂一定具有完完全全的三个自由度，而仅仅需其中的某一个或某几个自由度。直角坐标系机械臂能够通过单轴机械臂有机组合而成。单轴的机械臂作为一个单一的组件，其在工业中的应用广比较广泛。单轴的机械臂的组件化，这样一来就大大减少了工业设计的原有成本，因为一些专业制造厂商拥有较好的质量保证技术和批量生产等优势，这使得用组件设计机械臂比自行设计机械臂更为具有优势。

（二）申请理由

小组成员们学习了电工技术、c语言程序设计、机械原理等相关课程，具备设计三自由度机械臂的最初步的知识。并且从图书馆借了一些单片机使用以及机械原理的相关书籍。通过各种实验和金工实习大家有了一定的动手能力。

（三）立项背景 1.研究现状

（1）结构形式多种多样。

机械臂之所以称之为机械臂，其取名的由来是因为机械臂是为了模拟人的手臂来作业的，并且，从外形来看，其极似人的手，只是灵活性比人的手要差些。在机械臂所使用的各个领域之中，机械臂的外形并没有严格的标准，没有国标化，也不需要国标化。其外形的设计完全有适用环境而异，也因此机械臂的机构各不相同，种类繁多。在各领域中，机械臂发挥着你独有的特性与优越性，服务人类。

（2）机械臂的使用范围、领域十分广。

人们按照自己的需求，为了实现自己预设的构想，进而设计出了机械手，它被广泛应用与各个领域，小到家庭用具，大到国防科技，这些领域都是他的天堂，他都可以大展身手。它可以实现的动作也不仅仅只是简单的运动，还是蛮多的，比如说物体的搬移，位置的精准定位，模拟系统等。

（3）智能化

对于机械臂来说，其中一个比较麻烦的事就是如何确定目标在哪里，也就是定位目标，经过一段时间的研究，随着传感器技术的发展，这一类难题也慢慢得到解决。传感器能够反映机械臂的动态，及时形成有效信息并将其反馈到处理中心，中央处理中心并做出及时的分析计算，作出相应的动作，控制目标。对于机械臂作业对象来说，其外形各不相同，随时都会遇到不同情况，但机械臂能够通过传感器，准确的判断目标的位置，并准确的确定加持部位，将目标物送往下一道程序流程，在车间中，可以采用机械臂操作，实现无人车间，目前也取得了喜人的成果。2.研究趋势

（1）一手多用，多功能机械臂。

抑制手臂可以实现对多重目标的操作，实现多种动作，适用于各种用途，实现创新功能。（2）具有高度模拟人的动作。

例如研发双臂机械臂，使它想人一样，能够灵活作业，实现各种功能。人机完美结合，通信完备准确，适用于不同工况。

（3）高精度的定位。

通过采用各种传感器，综合而准确的反映目标精确位置，对目标操作物精准的操作，提高机械臂的定位精度。

（4）实现人工智能

研究的系统能够对目标进行定性和定量的分析，并做出及时的反应。例如研发的系统设备具有类似于人的听觉、触觉、嗅觉、视觉和味觉等功能，能够自行分析、判断和处理，实现低成本，高要求，高水准，高效率的系统设计。3.研究意义

在最近几十年的发展中，工业发展中出现了一位佼佼者——机器人。机器人的出现解决了很多人类难以解决的难题，为造福人类，解放发展做出了不可磨灭的贡献。而机器人的运动作业有很大一部分任务是有机械臂参与的，很大一部分工作由机械臂来承担，可以说机械臂是机器人的主要执行元件，直接参与作业。随着工业的不断发展，尤其是现代工业，机械手越来越受到各厂家的亲莱，它对提高生产效率和产品质量，改善作业环境和促进产品的更新换代起着举足轻重的作用。

（四）项目实施方案

机械臂的任务是将目标物从a点移到b点。根据实际情况，机械臂要实现的动作有：机械臂下降，机械臂夹取工件，机械臂上升，机械臂向右移动，机械臂下降，机械臂松开工件，机械臂上升，机械臂向左移动。机械臂到达各个位置的时候，相应的控制器检测相应行程开关的通断，进而作出相应的动作，进行控制。同时数码管显示搬运的状态。

大致流程图如下

起始位置→ 向下运动 → 夹持工件 → 向上运动 → 向右运动↑↓ 向左运动←向上运动←松开工件←向下运动

小组成员分工

（1）手臂承载能力大、刚性好、自重轻。手臂一般都采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚度，各支承、连接件的刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力。

（2）动作灵活。手臂的结构紧凑小巧，运动轻快、灵活。

（3）位置精度高。采用先进的控制方法，机械手的刚度、偏重力矩、惯性力及缓冲效果尽可能恰当，加设定位装置和行程检测机构以及选择合理的机械手的坐标形式。

（六）进度安排

4月份，完成机械臂的设计图纸及其动画设计，用软件进行简单的动画模拟，同时，开始尝试了解机械臂控制方面的理论知识及软件；

5月份，根据初步掌握的机械臂控制方面的理论知识，进一步学习相关软件，做到能进行简单的程序编程，同时，通过各种方式加工出机械臂的相关零件；

6月份，根据机械臂设计图纸，完成相关零件的制作，并根据设计图纸进行组装，并尝试为机械臂设置简单的动作，并为这些动作进行编程；

7月份，将所编程序应用到机械臂上，模拟实验机械臂能否按照预先设计的动作运行，并对与预期不符的地方进行改进和改造，争取达到预期目标，并邀请指导老师进行评价及指导。

（七）中期及结题预期目标（即中检和结题时考核的依据，比如论文级别、专利、设计、产品、服务等）

用作图软件做出机械臂的图纸，并对机械臂工作原理进行动画模拟，初步掌握学习机械臂控制原理及控制技术，要求能够运用软件编程控制最终机械臂成品；
预期目标：制作出三自由度机械臂成品并能控制其做简单的行动。

（八）经费使用计划单位：元

三自由度机械臂控制系统篇三

机械手

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展, 出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序, 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低;后者因设计复杂, 需较多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器plc控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力, 保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。1．工业机械手的概述

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人交工伤费带来的挑战。

随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业自化，已愈来愈引起我们重视。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；
尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中能够代替人进行正常的工作。2．机械手的组成

机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。1.执行机构

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。2.传动系统

执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。3.控制系统

机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。3．机械手的分类和特点

机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“mechanical hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；
除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。主要特点：

(1)机械手（上下料机械手、装配机械手、搬运机械手、堆垛机械手、助力机械手、真空搬运机、真空吸吊机、省力吊具、气动平衡器等）。

(2)悬臂起重机（悬臂吊、电动环链葫芦吊、气动平衡吊等）

(3)导轨式搬运系统（悬挂轨道、轻型轨道、单梁起重机、双梁起重机）4．工业机械手的应用

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。

(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。

应用机械手可以代替人从事单调﹑重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同，常见的有夹持﹑托持和吸附等类型。运动机构一般由液压﹑气动﹑电气装置驱动。机械手可独立地实现伸缩﹑旋转和昇降等运动，一般有2～3个自由度。机械手广泛用于机械製造﹑冶金﹑轻工和原子能等部门。

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

三自由度机械臂控制系统篇四

基于阅读机械臂研究的简单总结 机械臂研究的目的

现今社会中要求的是生产规模扩大、自动化程度提高。而机械臂作为物料搬运的重要设备在现代化建设、生产过程中发挥着越来越重要的作用。并且在全球化的市场中，激烈的国际、国内市场也越来越依赖于科学技术的竞争，这些都是促使工程机械臂设计开发技术向大型化、高可靠性、高速化、自动化和智能化方向发展的原因。工程机械臂的机械设计者面临着新的、更严格的挑战。其主要问题即为随着机械臂机构速度的提高，构件柔度的加大，精度要求的增加，工程机械臂生产运行时产生较大的惯性力，会导致弹性部件的变形。当臂架机构运动进入高速区域时，只有将运动部件作柔性体的假设，形成所谓的柔性机构。此时，由于机构部件间的刚体运动与其弹性变形賴合等问题，动力学模型将变得很复杂，给实际问题的解决带来很大的困难。事实上关于柔性体运动与其自身变形的复合动力学问题已经是目前的普遍性的难题。机械臂系统的研究现状

在通过三遍文章的阅读中，多体系统动力学是国内外研究工程机械臂架系统最普遍的多体系统。多体动力学是力学一个新的并迅速发展的分支，它是相互连接的机体系统运动的非线性动力学。首先介绍多体系统动力学的国内外研究现状。多体系统的物理模型定义为由物体铰力元和外力等要素组成且具有一定拓扑结构的系统，多体系统动力学是研究多体系统运动规律的科学。多体系统动力学: 包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。多体系统动力学研究内容主要包括刚、柔体动力学建模理论及其计算方法、微分方程的数值求解、计算效率、机构综合分析、柔性效应、控制理论、优化方法、实时仿真虚拟样机技术、并行计算和可靠性等。现在多体动力学已经形成了比较系统的分析和建模方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方法、以牛顿-欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。工程机械臂主要研究方向

工程机械臂架系统是工程机械设计的关键，机械臂系统的合理与否将直接关系到整个工程机械的性能以及作用。经过三篇相关文献的阅读，了解到目前对于工程机械臂的研究大致分为以下几个部分: 3.1工程机械臂系统的动力学微分方程的研究。工程机械臂架系统属于典型的多体系统，釆用多体动力学的方法建模。多体动力学的常规建模方法主要有罗伯森-维滕伯格方法、牛顿-欧拉方法、拉格朗曰法、凯恩方法以及休斯敦法代表文献: 邓子龙等基于kane方程的huston方法建立了液压挖掘机机械臂多体动力学微分方程;于国飞等采用拉格朗日功能平衡法建立了液压挖掘机机械臂多体动力学微分方程刘杰等釆用拉格朗曰方程和虚功原理建立混凝土系车臂架系统的柔性多体动力学方程。任会礼等建立了描泊起重船吊臂的动力学微分成并进行动力学特性求解。上述文献釆用拉格朗曰方法在广义坐标系中建立液压挖掘机工作装置机构运动模型简图和锅泊起重船机构动力学模型简图的刚体动力学方程，并采用数值求解的方法进行求解，为分析工作装置及回转装置力与运动之间关系、控制作业规划和仿真提供了理论基础。3.2工程机械臂的动力学仿真研究。主要采用动力学分析软件或数值求解的方法对机械臂进行仿真。张思奇等运用matlab软件与adams软件对混凝土泵车臂架进行联合仿真；
周淑文采用adams软件ansys软件相结合对泵车臂架的瞬态动力学特性进行了研究;王欣等利用adams软件对履带起重机臂架后倾动力学进行仿真。各文献的大致内容

4.1 王相兵博士的论文中完成的研究工作以及主要成果有如下几个方面：研究了工程机械臂的多刚体动力学方程及柔性多体动力学方程的建模方法，讨论了等效有限元方法和拉格朗日定理，对柔性梁的多体动力学理论基础进行了研究。根据柔性多体动力学理论，用模态函数描述臂架的弹性变形，用lagrange 定理和虚功原理建立液压挖掘机臂架系统刚柔耦合的非线性动力学方程，并通过数值求解、动力学仿真的方法对建立的动力学方程进行分析。

对已建立的动力学方程利用matlab进行求解，运用仿真软件adams建立液压挖掘机机械臂刚柔耦合模型并分析，对比了二者结果。

考虑大型船用挖掘机机械臂的轴向变形，采用拉格朗日定理建立其柔性机械臂动力学方程，采用数值求解的方法，利用复模态分析中的状态矢量法对机构动力学控制方程进行了解耦，得到机械臂在标称运动附近振动固有频率和大范围刚性转动角速度的关系。柔性机械臂的固有频率不是一个固定的值，其值随柔性机械臂大范围刚性转动角速度的变化而改变，转动角速度越高，固有频率越大。当大范围刚性运动的转动角速度低，低于弹性振动的基频时，刚柔耦合影响可以忽略不计，此时固有频率可视为一个常数。

应用ug、nastran、adams等软件建立了柔性臂架、柔性变幅绳、柔性抓 斗提升钢丝绳、刚性支架、刚性回转平台的船用挖掘机虚拟样机模型。根据船用挖掘机机械臂系统结构及工况特点，施加载荷并进行动力学分析，通过后处理模块，得到系统位移、速度、加速度等动态性能，以及连接点的铰接力和动臂的动态应力等特性。

研究液压挖掘机机械臂的轨迹规划及运动控制。分析了工程机械臂控制策略理论基础，根据控制原理及机械臂铲斗运动轨迹跟踪控制表达式，建立工作装置机械臂pid控制模型及基于rbf神经网络的pid控制模型，运用matlab及相关软件对控制模型进行仿真计算，分析了系统的动态响应和稳态误差，并得出基于rbf神经网络的pid控制优于常规控制的结论，能够实现挖掘机工装轨迹的智能控制。

利用模态分析、谐响应分析确定对系统动态性能影响最大的模态频率，以此为基础构建动态优化的目标函数，再利用灵敏度分析缩减设计变量以提高动态优化的效率。利用有限元分析软件中的优化模块对液压挖掘机工作装置机械臂结构系统进行了动态优化设计。

采用拉格朗日乘子法将液压挖掘机工作装置机械臂结构约束动态优化问题转化为无约束的动态优化问题，得到此拉格朗日函数的极小值点并且此拉格朗日函数极值点将逐步逼近原目标函数的约束最优点，由收敛准则可得近似最优解。以有限元分析为基础，将正交试验法与bp神经网络结合，建立了工作装置机械臂结构设计变量与动态特性之间的非线性映射关系的神经网络模型，用遗传算法优化神经网络模型得到最优解。

4.2陈辛研究生的文献中以建立机械臂动力学模型为重点，采用动力学方法建立各类机械臂的动力学模型，并对所得模型进行了动力学仿真和分析：
首先，研究了机械臂的运动学模型，通过运动学特性的研究我们得出了机械臂的运动量随时间变化的关系。运动学控制是传统机械臂的控制方法，但是随着高速、柔性机械臂的出现显示了运动控制的很多不足。

其次，应用分析力学的第二类拉格朗日方程建立了普通机械臂的动力学模型。在建立动力学模型的过程中，采用了符号运算的方法，大大地减少了人工运算时间，并且对所得模型进行了动力学仿真。

第三，应用带有虚拟质量、耗散函数形式的第二类拉格朗日方程建立了水下受流体阻力作用的机械臂的动力学模型。通过对机械臂运动过程的仿真，我们可以定性的看出机械臂的动力学特性，即粘性阻力在一定范围内是可以忽略的，但是流体阻力和虚拟质量是不能忽略的。另外，操纵力矩可能出现操纵反效的可能，这对控制来说是非常重要的问题。

第四，应用凯恩方法、模态展开方法建立了柔性机械臂的动力学模型。并且对所得模型进行动力学仿真，发现当柔性机械臂在运动的时候会存在小幅振动，机械臂停止转动后由于机械臂之间空间几何关系上的耦合，会导致小幅振动激发机械臂绕轴的整体转动，绕轴的整体转动又会引起机械的弹性小幅振动，这对机械臂的空间定位和控制系统的设计是十分不利的。

4.3常明华同志的文章对工程机械臂系统结构特性的研究现状进行了分析，文章中对目前的结构特性的研究的深度以及方向进行了详细的说明，以此，我在总结中多次引用。并且文章对于机械臂的结构特性的缺点表达了自己的想法。

4.4各文献的联系

其中两边文章对工程机械臂结构系统进行了详细的研究，尤其以王相兵博士的文献，以机械臂的用处分类对机械臂进行了很专业的研究，以至于我很多看不懂。而常明花同志则以总结为主。三遍文章都对机械臂的结构特性在不同的角度进行了不同阐述。

4结论

综上所述，国内外针对各种工程机械臂动力学及其动态性能，釆用各种现代设计方法在运动学及动力学建模、数值求解及仿真分析、结构模态分析技术、动力学智能控制、结构动态优化技术等方面开展了许多研究并取得了卓越成效的成果，一定程度上提髙了工程机械臂架结构的动态性能，但仍存在如下不足。4.1结构动力学研究基本采用瞬时结构假设，单独考虑刚体运动，忽略弹性变形及刚柔祸合产生的非线性动力学效应，对于液压机械臂亦没有同时考虑液压叙的运动规律，因此不能精确描述机械臂运动学和动力学方程，相应地，结构的模态计算和动力学响应分析无法通过数值求解的方法实现。

4.2数值求解及仿真分析没有充分、综合运用数字化设计手段对其进行全面分析，在数值求解方法及精度、刚柔耦合机构联合仿真、动态响应分析等方面分析还很不完善，在软件接口、数据传递、模型简化、约束处理等还、需改进。

参考文献

王相兵.工程机械臂系统结构动力学及特性研究.浙江大学.2014.7 常明华.工程机械臂系统结构特性研究现状与展望.江西建材.2014.9 陈辛.机械臂的动力学研究.哈尔滨工程大学.2008.6

1机械臂设备的工作原理

研究所使用的机械臂设备是固高科技(深圳)有限公司自行研究、开发的一款高性能二自由度串联机械臂系统(gp．8．200．sv)，它可进行简单的二维图形的绘制，机械臂实体图如图1所示。该机械臂采用交流伺服电机作为驱动源，通过行星齿轮减速器直接驱动两个运动关节，与电机耦合的增量式光电编码器对机械臂的两个控制轴进行位置定位。该机械臂使用基于dsp的运动控制器作为底层实时控制设备，pc机作为上层的控制系统，整个机械臂系统的控制结构框图如图2所示。

始于原点的控制轴为关节1，与其相连接的为关节2。机械臂通过控制这2个关节的协调运动带动安装在关节2末端的绘笔完成绘图任务。机械臂接收到绘制曲线的指令后，以当前位置的直角坐标为绘图的起始点，根据所要绘制曲线的参数方程及绘制精度均匀取曲线上的h个点，获得完成绘图任务所需的h个目标位置，然后利用运动学反解公式，将这些目标点转化为2个关节相对应的关节坐标，再将关节坐标系下的目标位置、最大速度、加速度等参数转换成伺服驱动器能够识别的脉冲量，输入到运动控制器中驱动伺服电机运动。机械臂关节位置的反馈信息由增 量式光电编码器获得，先将所得到的脉冲量转换为关节坐标值，再进行运动学正解，就可以得到当前机械臂绘笔位置的直角坐标。图3二自由度机械臂在平面直角坐标系中的投影图 根据图3，直接应用平面几何的知识，即可得到 关节2末端坐标的运动学正解与反解的公式㈣。

当机械臂的绘笔在画纸上进行实际绘图时，观察到以下问题。首先，机械臂实际绘出的图形与光电编码器反馈数据还原后的图形有较大差异，表明反馈信息并不能真实反映实际输出，而这个偏差是由于电机与机械臂关节之间存在传动部件的耦合松动。其次，机械臂的绘笔在不同的位置、沿不同的方向绘出的图形也有比较明显的差别，而这往往是因为关节转动所固有的机械特性。此外，绘出的图线有小锯齿状，不平滑，仔细观察后发现，绘图过程中机械臂有轻微的 抖动，这可能是由于关节运动速度过快等原因造成的。图5就是机械臂在画纸上绘制四叶玫瑰线的实际图形。因为无法改变机械臂关节转动过程中的机械特性，于是仅针对在一个确定的起始位置、沿一个确定的方向的绘图过程进行补偿，如果起始点更换到其他

位置，补偿思想不变。当机械臂的关节l处于60。同时关节2处于80‘的位置时，关节2末端的绘笔刚好

位于绘图板的中部，因此以下的研究均以这个位置作 为绘图的起始位置。

图5机械臂实际绘制的四叶玫瑰线

fig．5 four-leafrose practically drawn by robot ann 由于光电编码器反馈回的数据与实际输出有较

大差距，为获得较好的实际结果，所以根据实测的间 隙值设定其补偿量，对运动控制器的参考输入进行修 正。以改进图5为例，进行简单的常数补偿。四叶玫 瑰线的中心点坐标为‰，yo)，可以看到x同样，可测出y

在图5的基础上进行补偿后，机械臂已经能够绘

制出比较准确的曲线，但其平滑度还不够理想。下面 针对关节的运动速度进行分析，期望通过降低速度来 消除曲线上的抖动，以获得更好的绘图效果。机械臂 的控制轴按照梯形速度曲线模式运动，即运动关节从 当前位置点运动到下一个目标点的过程中经历3个阶 段，第l阶段速度根据设定的加速度值从零加速到最 大速度，第2阶段加速度为零，速度保持已达到的最 大速度运行，第3阶段速度再按设定的负向加速度减 速到零．并且此时到达要求的目标位置。写入运动控 制器的每一条指令都含有目标位置、最大速度和加速 度这3个参数。加速度在系统初始化时已设定。而最

1一一i 大速度被定义为v=—iv-—1"01step time，其中内和p分别j。i 表示当前点位置和下一目标点位置，step time是时 间参数。很显然，当图形轨迹的离散点完全确定以后． step time就决定着最大速度的取值，其系统默认值 为0 000 8。增大step time．则2个关节的运动速 度会相应减小。图6显示了补偿之后取step time= 0．001 1时的实际绘图结果，可以看出．曲线形状已经 比较标准，且抖动被消除。

第二章机械臂控制系统概述

2．1二自由度机械臂运动学分析

2．1．1机械臂工作空间分析

机械臂的工作空间定义为：机械臂正常运行时，机械臂末端连杆上的工具原点在空

间的最大范围。工作空间一般是一块或多块空间体积，它们具有一定的边界曲面，边界 曲面上的点对应的操作机的位置和姿态称为机械臂的奇异位形，与这些奇异位形对应的

机械臂的速度雅可比矩阵是奇异的。由于硬件设计上的限制，该二自由度机械臂的工作 空间被限制在如图2—1所示的空问内，空间段近似为(弧ab+弧bcd+弧de+直线ef+弧fpg +直线ga)所围成的封闭平面，验证实验也必须限制在这个空间内完成。

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第二章机械臂控制系统概述

2．1．2机械臂运动学解

机械臂通常具有两种运动方式：关节空间运动和直角坐标运动。关节空间运动模式

是指机械臂的运动直接由各个关节的运动坐标来确定，所有关节变量构成一个关节矢量。所有关节矢量构成的空间称为关节空间。所谓关节空间运动模式，就是直接操作各个关 节的运动来完成机器人的运动。直角坐标运动模式是指机械臂术端工具的位置和方位通 常是在直角坐标空间中描述。直角坐标空间运动模式通过指定机械臂术端工具在直角坐 标空间中的运动来完成机械臂操作任务。

机械臂的实际运行是通过对关节运动轴的伺服控制来实现的，也就是最终的机械臂 的控制是在关节坐标空间进行的，但是对操作者来说，直角坐标空间更容易让人理解和 接受，操作者对机械臂的操作一般是在直角坐标空间中进行的，这样就需要建立一种关 节坐标空间和直角坐标空间的对应关系。也就是说，如果已知机械臂各个关节的坐标参 数，就需要求解机械臂木端在直角坐标空间中的坐标；
反过来如果已知机械臂末端在直 角坐标空间的坐标就需要求解各个运动关节的坐标参数。前一个问题称为机械臂的运动 学正解，后一个问题称机械臂的运动学反解。

设机械臂的关节坐标空问中的变量记为q；
【ql，q2⋯，吼】，机械臂木端工具在直角坐标 空间中的坐标记为x—k，y，z，0⋯】，关节变量和直角坐标空间坐标存在如下运动学约束：，@，口)一0(2．1)这是一个隐式方程。如果能够从式(2．1)求解出：
x一，(g)(2．2)即由关节坐标变量表示的直角坐标变量，这就是机械臂的运动学j下解。一般地，可以得 到机械臂运动学的惟一正解。如果能够从式(2．1)求解出：
q=g(x)(2．3)也就是已知机械臂末端工具的直角坐标参数，求解出对应关节坐标空间中的各个关节变 量，这就是运动学的反解。通常，难以得到解析的运动学反解，而且运动学反解一般不 是唯一的，实际应用中通常采用几何机械臂的运动学解。1．二自由度机械臂运动学正解

已知：关节1连杆长度‘，关节变量为ql(关节控制轴l角度位置)；
关节2连杆长 度l，关节变量为q，(关节控制轴2角度位置)。

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第二章机械臂控制系统概述

求解：关节连杆末端工具安装点在直角坐标空间的坐标x=b，y】。

运动学所研究的主要问题包括两个方面：正向运动 学，即给定机器人各关节角度，计算机器人末端的 位置与姿态；
逆向运动学，已知机器人末端的位置 与姿态，来计算机器人对应这个位置与姿态的全部 关节角，运动学方程是实现机器人运动控制的数学 基础。

利用d．h方法对每一个连杆建立

坐标系如图l所示，根据图l所建立的坐标系，得到 各连杆的d—h参数和关节变量(表1)。各连杆之 间的齐次变换矩阵为，一般表达式为：