仿真機械手臂設(shè)計精選(九篇)

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第1篇：仿真機械手臂設(shè)計范文

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

1.引言

鉆井作業(yè)過程中，二層臺井架工的作業(yè)環(huán)境非常惡劣，高空露天作業(yè)，起下鉆井架工在26米高的猴臺上一站就是十多個小時，風吹日曬。為了改善井架工的作業(yè)環(huán)境，勝利油田鉆井三公司機動辦公室開始著手設(shè)計二層臺機械手臂井架工伺服操作系統(tǒng)，井架工在鉆臺偏房內(nèi)或是在司鉆房內(nèi)遙控操作二層臺機械手臂，實現(xiàn)鉆桿、鉆鋌擺正入指梁。該設(shè)計著重考慮四點：①適用于公司內(nèi)部40、50、70型陸地鉆機k型自起井架，方便安裝和井隊設(shè)備搬遷。②無需對二層臺的承重進行改裝，機械手臂小巧輕便，總重量控制在250kg以內(nèi)。③操作簡單、動作迅速靈敏準確，井架工在鉆臺面或司鉆房內(nèi)利用監(jiān)控視頻對機械手臂進行可視化遙控操作，鉆桿擺放速度不低于人工擺放速度。④機械手臂露天作業(yè)，皮實耐用，防水防爆。

2.現(xiàn)有二層臺機械手臂成型產(chǎn)品的介紹

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

3.二層臺機械手臂井架工伺服操作系統(tǒng)的設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計和NOV的設(shè)計大致相同，都包含導(dǎo)軌、滑臺、旋轉(zhuǎn)臺、伸縮手臂、機械手（圖5）。整個機械手臂可以在導(dǎo)軌上前后滑動，左右轉(zhuǎn)動，機械手臂向前伸出和向后縮回。 但是不同于NOV設(shè)計之處在于，我們的機械手臂安裝在舌臺的上部。這樣有兩個好處，第一，搬家無需將機械手臂拆掉，二層臺擋風墻上有自動固定位置，機械手臂滑到擋風墻邊上自動固定，二層臺下部就是裝車面，所以，機械手臂是一次安裝，無需拆卸。這對于陸地鉆機，平均一兩個月就搬遷一次的搬家頻率，大大節(jié)省拆卸安裝時間。第二，機械手臂安裝在舌臺上部，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)計一但出現(xiàn)任何問題，維修人員下去檢修都非常困難。

（2）近幾年伺服電機技術(shù)發(fā)展非常迅速，NOV的設(shè)計采用液壓缸、液壓馬達驅(qū)動機械手臂我們的設(shè)計在二層臺機械手臂上大膽采用機器人的設(shè)計理念，所有的驅(qū)動全部采用伺服電機加減速機的形式作為動力。導(dǎo)軌滑臺采用滾珠絲杠傳動，傳動平穩(wěn)、動作迅速、阻力小。旋轉(zhuǎn)臺和機械手臂部位全部采用渦輪蝸桿傳動。相比NOV的液壓系統(tǒng)，伺服電動機驅(qū)動，省去了液壓站，液壓管線，制造成本大大降低，伺服電機的維護保養(yǎng)和日常消耗成本也比液壓系統(tǒng)小很多。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的安裝、維護、操控相比液壓驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。

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

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

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

4.結(jié)束語

目前，數(shù)字樣機的研發(fā)過程已經(jīng)完成，全程通過delmia仿真軟件進行數(shù)字樣機的開發(fā)、有限元分析和仿真演示。模型樣機零部件的設(shè)計、相關(guān)產(chǎn)品的選型和采購已經(jīng)完成，下一步工作將圍繞地面試驗臺的搭建，系統(tǒng)模型樣機的組裝和地面試驗展開，計劃年底能將模型樣機安裝到公司新出50DB鉆機進行現(xiàn)場試驗。

參考文獻：

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作者簡介：

田成輝，男，（1966.4?―）鉆井三公司機動辦主任

徐元春，男，（1980.6―）鉆井三公司機動辦干事

第2篇：仿真機械手臂設(shè)計范文

關(guān)鍵字： 機械手臂； 農(nóng)用機械； 應(yīng)力分析； 主應(yīng)力測試

中圖分類號： TN06?34； TH114 文獻標識碼： A 文章編號： 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)機械化生產(chǎn)的不斷推進，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，碼跺垛碼機械手裝置得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在牧場草堆碼跺、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)，實際應(yīng)用時，機械手裝置的故障率較高，特別是疲勞性過載，機械手臂的應(yīng)力變形隨著使用的時間呈變形過大的情況，甚至影響機械手裝置的整體性能；而在垛碼機械手裝置中，機械手臂應(yīng)力損害是機械手裝置最難修復(fù)的應(yīng)力故障。垛碼機械手裝置一般為重載型作業(yè)，負載要求范圍在300～1 300 kg之間，并且機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)的機械手裝置中，機械手裝置工作范圍要求均超過3 000 mm。機械手裝置的工作范圍決定了機械手臂的作業(yè)半徑，作業(yè)半徑越長，機械手臂所承受的應(yīng)力變化越大。在目前的機械手的研究中，國內(nèi)主要集中在機械手臂的動力學(xué)研究上，對機械手臂的應(yīng)力分析也局限于靜態(tài)的受力分析，缺少實際應(yīng)用中的應(yīng)力數(shù)據(jù)，對實際應(yīng)用中的機械手臂主應(yīng)力的變化情況不明[1?4]。

針對目前重載型機械手臂的應(yīng)力損害情況和實際應(yīng)用中的應(yīng)力變化研究現(xiàn)狀，以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師農(nóng)場進行棉花桔桿碼跺的機械手裝置為研究對象，進行機械手臂的主應(yīng)力測試試驗，分析在不同工況條件下主應(yīng)力的變化情況，為機械手臂的設(shè)計與應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 主應(yīng)力測試試驗的方法與條件

1.1 測試試驗的對象

新疆建設(shè)兵團第一師農(nóng)場碼跺機械手采用的是上海易升設(shè)備公司生產(chǎn)的國產(chǎn)KR?70004?PAX抓取型機械手裝置，其最大碼跺負荷能力在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)機械手裝置的特性，以重復(fù)性順序控制為主。

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

圖1 機械手手臂結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 機械手手臂I?I截面結(jié)構(gòu)圖

1.2 應(yīng)力測試的系統(tǒng)設(shè)備

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

圖3 機械手臂應(yīng)力檢測系統(tǒng)框圖

根據(jù)機械手臂的工作特點以及負載能力，采用電阻應(yīng)變片式位移傳感器作為主應(yīng)力的測量傳感器，應(yīng)變片式位移傳感器通過信號采集放大后，傳送至機械手PLC系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的處理與分析[5]，根據(jù)應(yīng)力變化情況啟動機械手裝置的保護電路，同時，采集信號通過人機畫面進行實時的顯示。

1.3 機械手臂主應(yīng)力測試點的布置與計算

在機械手裝置進行碼跺作業(yè)時，物料對機械手臂的應(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，機械手臂構(gòu)件表面任意一點處于平面應(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。通過這一原理，在機械手手臂構(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]四個測試點布置直角形應(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°方向三個應(yīng)變片組成，當機械手臂構(gòu)件產(chǎn)生變形時，應(yīng)變片可反饋出三個方向的線應(yīng)變值，并通過變送器將應(yīng)變值傳送回PLC系統(tǒng)。

根據(jù)被測點三個方向應(yīng)變值[ε45°，ε0°，ε-45°，]計算主應(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]為機械手臂材料的彈性模量和泊松比。

則計算主應(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，用實驗手段方法就可測得構(gòu)件表面主應(yīng)力大小及方向。

圖4 I?I截面應(yīng)力布置展開圖與應(yīng)力受力情況圖

1.4 機械手臂主應(yīng)力測試的步驟

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

（1） 作業(yè)半徑根據(jù)車間的常用作業(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進行作業(yè)半徑單因素影響測試。

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

（3） 在進行主應(yīng)力的實際測量時，根據(jù)車間生產(chǎn)時的實際工況對機械手臂的運動時間段進行劃分，分別記錄抓取工件物料時、起動瞬間，穩(wěn)定時、移動過程及下放過程各時間段的應(yīng)力變化情況。

2 應(yīng)力測試的結(jié)果與討論

根據(jù)測試實驗得出的各應(yīng)力數(shù)據(jù)，進行主應(yīng)力的計算與統(tǒng)計，可得到作業(yè)半徑、抓取重量兩種因素影響下的應(yīng)力變化情況。

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

圖5 工作半徑2 000 mm時的主應(yīng)力變化情況

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

圖6 工作半徑2 500 mm時的主應(yīng)力變化情況

與圖5相比，當不同抓取重量時，機械手臂各運動時間段內(nèi)的曲線變化情況基本一致，均在機械手裝置抓取工件的起動瞬間主應(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，當作業(yè)半徑為3 000 mm時，主應(yīng)力在起動瞬間急劇增加，最高時達到6 000 N/mm。

圖7 工作半徑3 000 mm時的主應(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、機械手臂作業(yè)半徑密切相關(guān)。當作業(yè)半徑較少時，主應(yīng)力的變化值區(qū)間明顯減小；而當作業(yè)半徑達到最大時，機械手臂的整個運動時間段的應(yīng)力變化明顯增大，并且在起動瞬間達到最大值。

3 結(jié) 論

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

（1） 機械手臂的主應(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，機械手臂承受的應(yīng)力值越大，當作業(yè)半徑為3 000 mm時，主應(yīng)力在起動瞬間急劇增加，最高時達到6 000 N/mm。

（2） 機械手臂的主應(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，不同的抓取重量對主應(yīng)力的影響明顯，在正常的作業(yè)半徑2 000 mm時，當工件重量為350 kg時，主應(yīng)力能達到5 300 N/mm。

（3） 在機械手臂的一個運動時間段周期應(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瞬間主應(yīng)力值達到最大值。因此，起動瞬間的主應(yīng)力變化值可作為機械手設(shè)計的參考依據(jù)。

注：本文通訊作者為弋曉康。

參考文獻

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第3篇：仿真機械手臂設(shè)計范文

關(guān)鍵詞 數(shù)控機床；機械手；設(shè)計

中圖分類號TG659 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）68-0071-02

在數(shù)控機床的各項性能指標和整體布局上，輸送技術(shù)對其有著直接性的影響。在缸體加工過程中，發(fā)動機缸體的三軸孔加工是一項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程中的精確度；在缸體的縱向上，應(yīng)當配置若干個固定的導(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，同時存在防護難度大、輸送速度較慢等諸多問題，在很大程度上給數(shù)控機床的生產(chǎn)節(jié)拍造成了影響。為了解決上述困難，大連機床企業(yè)首次研究并設(shè)計了空中布局的數(shù)控機床上下料機械手，這不僅強化了數(shù)控機床的剛性，同時也解決了數(shù)控機床在排屑過程中所面臨的一系列難題，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)機缸體在輸送過程中所表現(xiàn)出的柔性；通過對伺服驅(qū)動技術(shù)，在很大程度上減少了輸送機床在輸送過程中的時間，同時實現(xiàn)了工序的分解，致使數(shù)控機床的節(jié)拍從原來的6min下降到現(xiàn)在的3.2min；在一定意義上達到了用戶在節(jié)拍方面的一些要求，與此同時，在很大程度上也提高了數(shù)控機床的自動化。

1 機械手的發(fā)展情形與動態(tài)

從國內(nèi)外所有機械手的發(fā)展現(xiàn)狀來看，在現(xiàn)階段，對機械手的研究和開發(fā)已趨于，機械手的發(fā)展現(xiàn)狀與動態(tài)，可以總結(jié)為：第一，模塊化與可重構(gòu)化是現(xiàn)階段機械架構(gòu)發(fā)展的主要動向；其二，PC機的開放型控制器是機械手體系發(fā)展的一個主要方向，其目的就是為了完善機械手，使其逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化和標準化；器件集成度得以強化，架構(gòu)設(shè)計玲瓏，同時運用過了模塊化架構(gòu)；在很大程度上強化了機械手體系的安全性和可靠性，同時也滿足機械手在維修和防護方面的一些便捷性；第三，傳感器在機械手中發(fā)揮了十分重要的作用，不僅運用了傳統(tǒng)的速度傳感器、位置傳感器等，同時也引進了先進的視覺傳感器、觸覺傳感器和聽覺傳感器，促使機械手逐漸向智能化方向發(fā)展和推進；第四，裝配、焊接等機械產(chǎn)品逐漸向模塊化、標準化及系列化方向推進和發(fā)展，及系統(tǒng)動態(tài)的仿真等。

2 機械手手爪架構(gòu)的設(shè)計分析

機械手手爪的類型較多，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，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓??；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機械手附加設(shè)備，其主要用于對作業(yè)的加工；所謂測量式手爪，即為附有傳感器的一種附加設(shè)備，其主要用于對作業(yè)的檢驗和測量。在機械手手爪的設(shè)計過程中，應(yīng)當遵循以下幾個方面的要求：其一，根據(jù)機械手作業(yè)的具體要求對機械手手爪進行相應(yīng)的設(shè)計和開發(fā)；其二，機械手手爪的專用性和萬能型之間存在一定的矛盾。萬能手的架構(gòu)設(shè)計比較繁瑣，有時還會出現(xiàn)無法實現(xiàn)的現(xiàn)象，以工業(yè)的實際應(yīng)用為出發(fā)點，將重點應(yīng)放在對各類專用的、工作效率較高的機械手的研究和設(shè)計上，確保工業(yè)機械手的所有工作性能的實現(xiàn)和健全，在這里，我們不贊成通過一個萬能手來完成所有工作，應(yīng)當考慮機械手在設(shè)計過程中所發(fā)揮的一些經(jīng)濟效益；其三，確保手爪的通用性。所謂機械手爪的通用性，即為通過數(shù)量有限的手爪來適應(yīng)不同要求的機械手，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標準的機械接口，保證末端執(zhí)行器能夠標準化運用。

3 機械手設(shè)計方案的運行

因為機械手手臂在運作過程中表現(xiàn)為直線式，并且考慮到機械手在剛度、運動過程中所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性和安全性、動態(tài)性能等方面的一些要求，所以應(yīng)當選取液壓驅(qū)動方式，基于液壓缸所表現(xiàn)出的直接性驅(qū)動，液壓缸不僅是執(zhí)行件，同時也是驅(qū)動件，所以，在設(shè)計過程中可以取消對執(zhí)行件的設(shè)計，又由于液壓缸在運動過程中表現(xiàn)為直線式，所以，在其控制上的難度較低，便于計算機管理和控制。

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

4 機械手的優(yōu)勢和應(yīng)用

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

機械手在DK050機床上的成功運用，是數(shù)控機床柔性輸送方面的一大創(chuàng)新。在今后的數(shù)控機床的生產(chǎn)過程中，機械手的開發(fā)和運用將會得到前所未有的發(fā)揮，同時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)濟效益。

5 結(jié)論

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

參考文獻

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[2]周正干，李然，負超.點焊機器人動態(tài)性能有限元分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2002，28(5)：266-269．

第4篇：仿真機械手臂設(shè)計范文

[關(guān)鍵詞]機器人學(xué) 三位一體 創(chuàng)新精神 工程實踐

自從1920年捷克劇作家卡雷爾?凱培克在《羅薩姆的萬能機器人》中第一次提出 “機器人”（Robota，Robot）這個名詞就開啟了人類的“機器人之夢”。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，機器人技術(shù)已經(jīng)不僅僅是重復(fù)勞動的機器而是具有了一定的智能性甚至能自主的完成人類賦予的特定任務(wù)的智能機器。

機器人技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為高科技發(fā)展的代表，很多國家尤其是歐美等發(fā)達國家在高校設(shè)立專門機器人研究機構(gòu)，提供大量的資金支持機器人技術(shù)的研發(fā)并開設(shè)機器人相關(guān)的課程。我國在這方面也取得了很大的進展，如嫦娥三號攜帶的玉兔號月球車的成功充分證明了我國機器人技術(shù)的成果。

一、機器人學(xué)課程的重要性

深空探測等重大工程的開展，將進一步推動機器人技術(shù)的發(fā)展。從另外一個角度來看，機器人技術(shù)的發(fā)展對于其他行業(yè)的發(fā)展也起著非常重要的促進作用，如自主移動機器人技術(shù)可以為汽車輔助駕駛提供解決方案。在高校已經(jīng)有相當多的理工科專業(yè)開設(shè)機器人課程，而且機器人是多領(lǐng)域高度交叉、多學(xué)科高度融合的系統(tǒng)，它涵蓋了電子、機械、計算機、自動控制、及人工智能等多學(xué)科，因而要求學(xué)生能夠綜合運用機械、電子、計算機等方面知識才能更好地進行系統(tǒng)操作和設(shè)計，因而機器人課程也是培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力的良好平臺[1，2]。另外，通過機器人課程可以用較少的教育投入（包括人力、物力以及時間等）獲得較大的教育成果（主要包括學(xué)生獲得的知識、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)計劃的大學(xué)生能力培養(yǎng)目標，從機器人課程的教學(xué)模式出發(fā)，探索了一種結(jié)合了課堂講授、仿真模擬、實驗操作為一體的從理論基礎(chǔ)到理論理解和驗證再到理論指導(dǎo)實踐的三位一體的教學(xué)模式，并在南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院的“機器人學(xué)”課程中進行了實踐，取得了較好的成效。

二、機器人學(xué)教學(xué)中存在的問題

機器人這門課程具有高度知識交叉性和綜合性以及工程實踐性的特點[3]。因而在以往的教學(xué)中所采取的課堂講授法的教學(xué)方式因為講授方式的局限性而無法充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習的積極性、無法將抽象的數(shù)學(xué)模型具體化形象化，學(xué)生對于教學(xué)內(nèi)容理解不深入不能融會貫通，因而對于學(xué)生能力的培養(yǎng)效果不明顯[4]。存在的問題具體闡述如下：

1.教學(xué)內(nèi)容不能緊跟時展。

由于機器人技術(shù)更新快速，課程選用的教材出版周期較長，導(dǎo)致了教學(xué)內(nèi)容遠遠落后于當前機器人領(lǐng)域的新的發(fā)展趨勢。且授課內(nèi)容大體仍然在按照教材章節(jié)的基礎(chǔ)內(nèi)容來設(shè)計，這樣使得學(xué)生在學(xué)習機器人坐標空間和運動學(xué)、動力學(xué)模型這些理論基礎(chǔ)的時候表現(xiàn)的興趣缺乏。

2.教學(xué)中對學(xué)生啟發(fā)和實踐的內(nèi)容較少。

機器人通常作為大學(xué)生的專業(yè)課程，專業(yè)課承擔著實現(xiàn)學(xué)生能力培養(yǎng)這一目標的重要任務(wù)，通過機器人課程的學(xué)習，要求學(xué)生能夠結(jié)合所學(xué)的知識分析問題并解決問題，因而單純的講授并不適用于這門課。

為了學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，真正實現(xiàn)學(xué)生能力培養(yǎng)，提高機器人教學(xué)質(zhì)量，需要針對上述問題對機器人學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行改革，探討新的教學(xué)方案。

三、改進措施

針對前面分析的機器人學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，針對南京郵電大學(xué)自動化專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計劃中學(xué)生的培養(yǎng)目標從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩個方面探討三位一體的教學(xué)模式，即課堂講授、仿真模擬、實驗操作為一體，具體內(nèi)容如下：

1.將當今最典型的和最先進的機器人系統(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器人發(fā)展的歷程，以及國內(nèi)國外目前機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，廣泛收集美國DARPA、CMU、MIT日本Honda以及國內(nèi)的中科院、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等知名研究機構(gòu)的最新機器人技術(shù)研究進展并通過視頻展示給學(xué)生，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性，以使學(xué)生認識到機器人技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)以及機器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和重要性。

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

再次，在機器人傳感器部分的課堂教學(xué)中增加具體的機器人傳感器工作過程仿真內(nèi)容，如基于被動視覺傳感器、主動雷達傳感器等的障礙物檢測，并進行了仿真結(jié)果的對照，通過分析這兩種信號從信號源的產(chǎn)生差異導(dǎo)致傳感器獲得的信號分別是二維平面數(shù)據(jù)和三維深度數(shù)據(jù)，進而導(dǎo)致后續(xù)的分析方法的差異，以及檢測結(jié)果和干擾因素的差異，并在實驗中增加了基于視覺的機器人避障的環(huán)節(jié)以及基于激光雷達的機器人避障環(huán)節(jié)，進一步的討論傳感器的信息融合。使學(xué)生對于傳感器的工作過程包括信息獲取、信息處理等過程有了深入的認識。

最后，在實驗部分，安排了移動機器人創(chuàng)意實驗設(shè)計，要求學(xué)生參考飛思卡爾智能車設(shè)計跟蹤光源的移動機器人，提供基本的機器人移動平臺，以及傳感器接口，編程環(huán)境，需要學(xué)生根據(jù)自身設(shè)計的實驗過程選擇傳感器，且在編程環(huán)境中編寫程序以獲得傳感器數(shù)據(jù)，并能最終檢測到光源位置進行跟蹤。通過這一實驗內(nèi)容學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的機器人模型以及傳感器、軟件編程、自動控制等知識綜合運用，提高其動手能力和創(chuàng)新意識，并且實驗采取小組合作的模式，能夠鍛煉學(xué)生的團隊合作精神。

2.教學(xué)方法的改革

（1）案例具化法

在每一個主題的講授內(nèi)容中都安排了具體的案例進行分析。安排國內(nèi)外典型的機器人如火星車、google無人駕駛汽車、ASIMO等來分析機器人系統(tǒng)配置、運動機構(gòu)、傳感器融合、控制方法等內(nèi)容。另外通過具體的仿真模擬如可以將機器人系統(tǒng)的坐標變換、運動學(xué)模型的融合到機械手的仿真過程中，通過具體的機械手控制實例講解和分析抽象的機器人模型。進一步的，通過作者本人開發(fā)的機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、對獲得的有效信息進行判斷、識別最終作出決策過程；通過仿真軟件驗證經(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)計了A*算法軟件演示內(nèi)容，通過投影儀講軟件的掩飾過程投影到白板上，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算過程。在機器人學(xué)課程中還有很多軟件可以用來分析和講解在機器人中傳感器信息的獲取以及機器人系統(tǒng)的決策等問題，這里不再一一贅述。

（2）啟發(fā)學(xué)生主動參與教學(xué)

在一次課程結(jié)束時，針對下一次課程的內(nèi)容如典型的機器人運動方式、移動機器人定位、移動機器人導(dǎo)航等設(shè)計問題，督促學(xué)生搜索這一問題相關(guān)的機器人資料，且其收集的材料可以通過投影儀展示給老師和全班同學(xué)。學(xué)生對于新興的機器人技術(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)計的問題當中并能針對同學(xué)收集的材料進行討論和分析。

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

在實驗的設(shè)計中也充分考慮學(xué)生自主實踐，按照工程實踐中的任務(wù)制，將學(xué)生分成4人一組。在實驗中只規(guī)定實驗的目標不規(guī)定實驗的過程，這樣學(xué)生可以根據(jù)實驗?zāi)繕?，通過自己的理解設(shè)計實驗的過程，不同的組織間可能采用不同的傳感器，或者不同的算法來搭建自己的平臺，最終我們會對各組的成果進行驗收打分。另外，各個組所采用的硬件、軟件的差異性導(dǎo)致其成果有好有壞，這為我們設(shè)置了一個很好的討論題目――這些差異是什么原因?qū)е碌?？通過這一實驗?zāi)Ｊ侥軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力和團隊合作的精神。

經(jīng)過三年的時間，這種三位一體的教學(xué)模式取得了不錯的成績，得到了學(xué)生的廣泛認可。為南京郵電大學(xué)自動化學(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)生機器人隊在國內(nèi)甚至世界的大學(xué)生機器人競賽中都取得了不錯的成績，尤其是在2013Robocup機器人足球世界杯比賽中獲得3D仿真足球機器人項目冠軍。

四、結(jié)論

機器人學(xué)課程是南京郵電大學(xué)自動化專業(yè)的專業(yè)課程，機器人學(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)計劃安排，在學(xué)生能力培養(yǎng)的要求下，機器人學(xué)教學(xué)以學(xué)生為主題，以切實提高學(xué)生的整體專業(yè)水平、工程實踐能力和創(chuàng)新能力為目標，以為社會培養(yǎng)全面優(yōu)秀的自動化領(lǐng)域人才為方向，從理論基礎(chǔ)、工程實踐、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)生能力為目標的機器人學(xué)教學(xué)的新思路，提出并實踐了課堂講授、仿真模擬、實驗操作為一體的三位一體的教學(xué)模式，提高了學(xué)生學(xué)習的主動性，使得學(xué)生能主動的參與到教學(xué)活動中來，并取得了一定的成果。在今后的教學(xué)過程中，一方面，我將爭取與周邊的機器人研究所合作為學(xué)生提供更多的實驗實踐機會，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，從而進一步提高教學(xué)效果與質(zhì)量。

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

[參考文獻]

[1]戰(zhàn)強，閆彩霞，蔡堯.機器人教學(xué)改革的探索與實踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20（03）：144-146.

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

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

第5篇：仿真機械手臂設(shè)計范文

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

1 Solidworks軟件簡介

SolidWorks是法國達索公司最先在Windows系統(tǒng)上開發(fā)的一款三維設(shè)計軟件。其CAD功能方面涵蓋了所有的設(shè)計類型，實體建模、曲面設(shè)計、二維工程圖、裝配、運動仿真、結(jié)構(gòu)分析等功能一應(yīng)俱全。創(chuàng)新的自頂向下設(shè)計過程使得設(shè)計工作一目了然，實時的更新功能使得工程師可以隨時對產(chǎn)品特征參數(shù)進行動態(tài)修改。除此之外，SolidWorks還為不同的設(shè)計人群提供不同的功能模塊，包括鈑金、管道布線、電氣設(shè)計等，使得設(shè)計過程簡潔而豐富。

2 碼垛機器人的發(fā)展

國外，最早將工業(yè)機器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運是日本和瑞典。1968年，日本第一次將機器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)。1974年，瑞典ABB公司研發(fā)了全球第一臺全電控式工業(yè)機器人IRB6，主要應(yīng)用于物品的取放和物料的搬運。隨著計算機技術(shù)、工業(yè)機器人技術(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、美國、瑞典、韓國等國家在碼垛機器人的研究上做了大量工作，相應(yīng)推出了自己的碼垛機器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德國的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。工業(yè)機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，使得碼垛機器人在各個行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。

3 碼垛機器人的工作對象

本文設(shè)計的碼垛機器人的工作對象及其參數(shù)如下：

（1）碼垛物品：箱類物品（如一箱紙巾）和袋類物品（如一袋洗衣粉）等。

（2）物品尺寸：長為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）物品運動范圍：以機器人為中心的，半徑為3m，角度為90至180度。

4 碼垛機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的碼垛機器人為關(guān)節(jié)型機器人，這類機器人占地面積小、機構(gòu)緊湊，工作空間大，還能穿過障礙物進行抓取，是機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)型式。碼垛機器人的本體（即機械手）包括基座、腰部、大臂、小臂、末端執(zhí)行器（俗稱爪子），它的運動主要由碼垛機械手手臂的俯仰運動和腰部的旋轉(zhuǎn)運動組成。

4.1 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械手臂末端抓取器大致可分為：夾鉗式、專用操作式、吸附式、仿生多指式四類。由于工作對象為箱式或袋式物品，只需要設(shè)計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種類的箱式或袋式貨物。

4.2 臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計

手臂部件（簡稱臂部）是機器人的重要執(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），并帶動它們在空間運動，臂部還安裝一些傳動驅(qū)動機構(gòu)，從臂部的受力情況來看，它在工作中直接承受腕，手和工件的靜動載荷，自身運動 又較多，所以受力情況復(fù)雜。

臂部主要是進行俯仰運動，這里采用鉸接活塞缸實現(xiàn)臂部的俯仰運動。該機構(gòu)的特點是，工作范圍大、靈活性好。

4.2.1 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

大臂是臂部的組成部分，它兩端分別與小臂和立柱相連，它都是通過鉸鏈連接。大臂的運動是通過與立柱相連的鉸鏈活塞缸來進行運動傳遞的，它的運動軌跡就是一個圓弧形，通過活塞缸來進行俯仰運動，運動單一，結(jié)構(gòu)簡單。它較之小臂粗大，因為它是碼垛機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

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動傳遞，采用鉸接活塞缸來實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡單，運動性能好。小臂比之大臂在設(shè)計時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

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動范圍。結(jié)合要求與設(shè)計過程，腰部的結(jié)構(gòu)材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，無經(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

本次設(shè)計，我采用最多的動力傳動方式就是活塞缸，因為它工作形式單一，只能進行伸縮運動，且結(jié)構(gòu)簡單，由缸體和活塞缸組成，并且它在機器人的設(shè)計中運用很廣泛。其三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.5 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計

底座是承受碼垛機器人整體重量的主要部件，且由于碼垛機器人的手臂長，導(dǎo)致機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)計中的作用，選取底座的材料為鑄鐵，且設(shè)計底座尺寸為：長×寬×高= 280 mm×120 mm× 20 mm。

5 結(jié)論

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

參考文獻：

第6篇：仿真機械手臂設(shè)計范文

用意念控制智能家居設(shè)備

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

阿斯拉姆的開發(fā)原理如下：當人的思想集中在某件物品上時，戴在頭部的傳感器能夠測量出他的腦電波。與傳感器相連接的微型電腦就能夠向咖啡機等設(shè)備發(fā)出信號使之啟動。為了控制各種智能家居設(shè)備，這個以腦電圖為基礎(chǔ)的微型系統(tǒng)還需要對眨眼、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系統(tǒng)而不會引發(fā)周邊人們的注意呢？一旦解決了這一問題，實際應(yīng)用的空間就變得很廣闊。”

“想”換臺就換臺

BBC聲稱，人們佩戴一款名為BBC iPlayer的新耳機時，集中注意力就可以換臺。不過目前耳機正在接受測試中，而用戶需要保持專注10秒鐘。

BBC業(yè)務(wù)發(fā)展部主管賽勒斯賽罕說：“可以想象，人們不必從沙發(fā)上起來或者找遙控器，只要想著看某一頻道，電視就會為你換臺?！?/p>

“意念控制電視”的第一批實驗對象是10名BBC的工作人員。這款耳機究竟能否成功，還需時間的考驗。

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，還能實現(xiàn)意念控制，甚至讓使用者感覺到假肢所接觸的物品。

約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的工程師們研制的機械手臂擁有26個關(guān)節(jié)，能夠拿起大約20.4公斤的物品，而這可通過人的意念進行控制。

這款機械手臂名為模塊化假肢(MPL)，能夠識別大腦信號，使用者只需在腦中想著要做什么動作，這款假肢就能做出相應(yīng)動作。不過，這款假肢還未得到食品和藥物管理局的批準，而且還需把當前50萬美元的售價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)計工藝，讓使用者享受到更實用的功能。但最終若要商業(yè)化，則需降低成本?！?/p>

美國國防高級研究計劃局(DARPA)也開發(fā)了擁有“近自然觸覺”的智能假肢，其中應(yīng)用的先進的神經(jīng)技術(shù)不僅能讓人們使用大腦信號來移動假肢，而且能感受到假肢正在接觸或拿起的物品。”

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

無人機隨心飛翔

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

今年早些時候，葡萄牙公司Tekever展示了一款可用意念控制的無人機。經(jīng)過大量的訓(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人機。

Tekever首席運營官里卡多門德斯指出，“該項目已成功地展示了，在鉆石DA42飛機的模擬器上使用腦機接口(BMI)技術(shù)后，飛行員可通過Brainflight系統(tǒng)控制模擬器。我們還在無人機地面系統(tǒng)中集成了BMI，并在無人機模擬器中對BMI技術(shù)的測試中取得了成功。我們希望再向前邁一步，使用無人機展開現(xiàn)場飛行測試?！?/p>

第7篇：仿真機械手臂設(shè)計范文

關(guān)鍵詞： 非結(jié)構(gòu)環(huán)境； 機械臂； 關(guān)節(jié)； 自動控制； 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN02?34； TP241 文獻標識碼： A 文章編號： 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，人口老齡化時代來臨，加劇了生產(chǎn)企業(yè)招工難、用工成本大的問題，機器的利用率隨之提高。一些企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)中使用機械臂代替人類雙手，其特點是加工精度高且速度快，適用于切割、零件安置等簡單、任務(wù)量小、重復(fù)度高的生產(chǎn)活動[1]。目前，機械臂的載重偏低，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)境下進行生產(chǎn)的案例，但往往受限于機械臂各關(guān)節(jié)的靈活性不足，無法精準完成生產(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、臺階、溝壑等，要求機械臂各關(guān)節(jié)能夠?qū)ψ兓械牡匦芜M行快速感應(yīng)，并立即選定關(guān)節(jié)運動位移和角度，智能化是機械臂的控制重點，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)計難度[2]。過去設(shè)計出的一些非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機械臂各關(guān)節(jié)自動控制系統(tǒng)，如文獻[3]和文獻[4]設(shè)計的基于 7R的仿人機械臂逆運動學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)和基于隨機激勵的機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，都沒能同時兼顧以上幾點設(shè)計要求，關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力也需要進一步提高。為了響應(yīng)生產(chǎn)企業(yè)需求，在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機械臂各關(guān)節(jié)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中充分衡量各項設(shè)計要求，通過分析非結(jié)構(gòu)環(huán)境特點提出環(huán)境感知方法，增強系統(tǒng)對關(guān)節(jié)軌跡的優(yōu)化能力。

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

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

通過衡量智能化、低成本、小質(zhì)量和高安全性能的設(shè)計要求，設(shè)計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)境下機械臂各關(guān)節(jié)自動控制系統(tǒng)，所設(shè)計系統(tǒng)的質(zhì)量小，可輕松安置在工業(yè)加工設(shè)備上，并可進行人與系統(tǒng)的有效溝通，表1為系統(tǒng)性能設(shè)計標準。

表1 系統(tǒng)性能設(shè)計標準

[性能類型 標準值 質(zhì)量 小于5 kg 自由度 大于6DOF 整體長度 小于0.65 m 整體最大速度 大于3.0 m/s 最大負載 3 kg 定位誤差絕對值 小于2 mm ]

一般6DOF的自由度便能夠完成機械臂在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的正常加工[5]，此時在機械臂各關(guān)節(jié)自動控制下的定位誤差絕對值也滿足表1制定的標準，圖1為系統(tǒng)自由度劃分區(qū)間示意圖。機械臂肩膀處、手肘處以及手腕處都分別被劃分了2DOF的自由度，肩膀負責進行上手臂（包括肩膀和手肘兩個重要關(guān)節(jié)）的角度控制和直線升降控制，手肘負責進行手肘回環(huán)控制以及手臂前端的角度控制，手腕負責進行手腕的扇動控制和直線升降控制[6]。以機械臂的肩膀為圓心，以手臂長為半徑作圓，得到非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機械臂各關(guān)節(jié)自動控制系統(tǒng)控制機械臂運動的范圍。

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)的運動情況，表2為機械臂在D?H矩陣中的參數(shù)統(tǒng)計表，D?H矩陣是一種使用4×4的齊次變換矩陣來表示機械臂相鄰關(guān)節(jié)位置關(guān)系的矩陣[7]，從表2中可以準確看出機械臂各關(guān)節(jié)在所設(shè)計系統(tǒng)控制下的運動角范圍和極限運動距離。

非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機械臂各關(guān)節(jié)自動控制系統(tǒng)為分布式結(jié)構(gòu)，控制算法的容納元件是現(xiàn)場可編程門陣列（Field?Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），此外，F(xiàn)PGA還負責進行機械臂各關(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]。機械臂的上手臂和手腕關(guān)節(jié)因運動形態(tài)有所不同，需要安裝不同的電流傳感器來感應(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類型也不同，便于準確分辨關(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，通過融合不同F(xiàn)PGA中的控制算法，確定出機械臂的運動方案并下達控制指令。

表2 機械臂D?H參數(shù)統(tǒng)計表

[運動情況 運動角范圍 /（°） 極限運動距離 /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)使用無刷電機以及諧波減速器共同輸出力矩。手腕處的負載雖小，但需要支撐機械臂的整體長度，因而使用差動機構(gòu)合成力矩。為縮減設(shè)計成本，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

在主控芯片中設(shè)計機械臂運動方案時，使用標準地址結(jié)構(gòu)能夠減少設(shè)計成本。FPGA的32位嵌入式處理器提供C語言編程，提高控制算法的兼容性與智能化。嵌入式處理器與標準地址結(jié)構(gòu)在可編程片上系統(tǒng)中進行集成，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采集機械臂各關(guān)節(jié)的運行狀態(tài)。

圖2為系統(tǒng)控制框圖，雖然主控芯片與FPGA已通過PCI總線實現(xiàn)了連接，但考慮到定位誤差限制，系統(tǒng)只利用PCI總線進行控制算法的傳輸，對于數(shù)據(jù)精度要求高的各類傳感器信息仍需通過標準地址結(jié)構(gòu)進行集成后再進行主控芯片與FPGA的交互。按照功能結(jié)構(gòu)來分，圖2中左側(cè)為控制板，右側(cè)為驅(qū)動板，為減輕系統(tǒng)質(zhì)量，控制板和功能板需要分開設(shè)計。由于機械臂各關(guān)節(jié)傳感器與控制板的距離存在差異，在設(shè)計過程中應(yīng)依據(jù)實際需要選擇控制線以減輕系統(tǒng)質(zhì)量、降低成本。

1.3 機械臂各關(guān)節(jié)電機設(shè)計

為保證非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機械臂各關(guān)節(jié)自動控制系統(tǒng)有效、安全的進行控制，考慮到機械臂的最大負載為3 kg，機械臂各關(guān)節(jié)的電機質(zhì)量應(yīng)盡可能縮減。肩膀處的電機選擇了質(zhì)量為0.885 kg的50 A電機，手肘處的電機采用50電機，質(zhì)量為0.735 kg。50 A電機與50電機都是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)提供的，兩者的相同點是質(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電機的體積偏大一些，因此安置在結(jié)構(gòu)相對簡單的肩膀處。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

機械臂手腕處的活動強度最大，設(shè)計要求相對高一些，如表3所示。為了實現(xiàn)表3中規(guī)定的設(shè)計要求，手腕處的控制方案采取差動機構(gòu)合成手腕運動。

表3 機械臂手腕關(guān)節(jié)控制指標

[類型 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 定位誤差絕對值 小于0.8° ]

差動機構(gòu)的輸出力矩由無刷電機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)角度和直線運動偏移角度，主控芯片在機械臂兩個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

若想讓所設(shè)計的機械臂各關(guān)節(jié)自動控制系統(tǒng)能夠在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下進行高速、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)將視覺傳感器安置在工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)車間，對非結(jié)構(gòu)環(huán)境進行采集，視覺傳感器安置得越多，采集結(jié)果就越精準[10]，但為了縮減成本，考慮使用3D旋轉(zhuǎn)視覺傳感器，在節(jié)省傳感器開支的基礎(chǔ)上避免傳感器視覺死角。

將3D旋轉(zhuǎn)視覺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)境存在的視覺過渡差異頗高，而直接構(gòu)造3D仿真地圖的時間過長，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算量，保證了系統(tǒng)的實時控制效果。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行顯示，再對應(yīng)寫入6 mm×6 mm的正方形柵格中，同時定位到機械臂各關(guān)節(jié)的管控區(qū)域中，以實現(xiàn)對非結(jié)構(gòu)環(huán)境中障礙高度和彎曲度的實時顯示。

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)境的特征點主要包括坡度、障礙物邊長與體積、溝壑邊長與表面積以及平地距離等。系統(tǒng)使用量化分析方法對從2.5D環(huán)境地圖中提取出來的特征點進行感知，量化分析的感知技術(shù)靠支持向量機支撐。支持向量機將非結(jié)構(gòu)環(huán)境特征點訓(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)境地形中選擇一個能夠規(guī)避障礙的機械臂角度，并提供給系統(tǒng)主控芯片，從而完善控制指令。

3 實驗結(jié)果分析

點對點運動是機械臂在生產(chǎn)任務(wù)中使用最為普遍的方式，本文采用點對點的運動方式對設(shè)計的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機械臂各關(guān)節(jié)自動控制系統(tǒng)的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力進行分析。設(shè)機械臂各關(guān)節(jié)所處的最初角度分別為-30°，-90°，90°，90°，60°，30°，在不安裝自動控制系統(tǒng)的情況下進行一次生產(chǎn)任務(wù)，機械臂各關(guān)節(jié)的歸一化運動角度如圖5所示。

在機械臂上安裝本文系統(tǒng)進行生產(chǎn)任務(wù)，所得結(jié)果如圖6所示。為了增強實驗結(jié)果的說服力，本文還對基于7R的仿人機械臂逆運動學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)和基于隨機激勵的機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)進行了同條件下的實驗分析，實驗結(jié)果如圖7，圖8所示。

通過對比圖5～圖8可得：基于隨機激勵的機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的實驗結(jié)果曲線與實驗前的歸一化運動角度無明顯差別，表明系統(tǒng)對機械臂各關(guān)節(jié)的控制幾乎無效，關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力非常差；基于 7R的仿人機械臂逆運動學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)將原始關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化成了各個細小分支，這對機械臂提高生產(chǎn)任務(wù)的效率和準確率具有推動作用，表明系統(tǒng)的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力比較強；本文系統(tǒng)的實驗結(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，擁有更強的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了分布式結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機械臂各關(guān)節(jié)自動控制系統(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、無刷電機、諧波減速器、RS 644總線和3D旋轉(zhuǎn)視覺傳感器等，組成了一個更加適用于工業(yè)生產(chǎn)、擁有超強關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力的系統(tǒng)。

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第8篇：仿真機械手臂設(shè)計范文

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；運動控制系統(tǒng)；NURBS插補算法；實現(xiàn)路徑

隨著信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人在控制質(zhì)量、工作效率、成本等方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢，運動穩(wěn)定、速度可調(diào)節(jié)、抗疲 勞的工業(yè)機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系數(shù)的工作），將機器人應(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顯著降低人工工作量及生產(chǎn)成本，工業(yè)機器人已經(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，作為一項重要的機電一體化技術(shù)機器人運動控制已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重點研究方向。運動控制是實現(xiàn)機器人功能的基礎(chǔ)和重點 ，對機器人的性能起到直接決定作用，工業(yè)機器人在實際生產(chǎn)使用過程中易被多種因素干擾（如電、磁等），對工業(yè)機器人的設(shè)計方案尤 其是各項產(chǎn)品參數(shù)提出了更高的要求，需確保運動控制系統(tǒng)具備高效運動控制功能及穩(wěn)定的性能，因此本研究主要對機器人運動控制系統(tǒng) 進行了設(shè)計。

1 需求分析

隨著工業(yè)機器人在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對機器人的控制及操作要求不斷提升，工業(yè)機器人主要由本體、驅(qū)動裝置及控制系統(tǒng)構(gòu)成， 在軌跡空間中工業(yè)機器人需完成除基本運動（包括直線、圓弧等）外較為復(fù)雜的運動，具備擬人功能的運動控制系統(tǒng)（一種機械電子裝置 ）作為工業(yè)機器人的核心構(gòu)成部分集合了多種現(xiàn)代先進技術(shù)（包括網(wǎng)絡(luò)計算機、人工智能、電子機械、傳感器等），通過運動控制系統(tǒng)實 現(xiàn)機器人復(fù)雜的軌跡運動，在實現(xiàn)復(fù)雜幾何造型上NURBS方法因具備較大的優(yōu)勢而得以在CAD中廣泛應(yīng)用，因此充分運用NURB S插補算法實時可靠的優(yōu)勢，在研究了NURBS軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上對機器人運動控制系統(tǒng)進行設(shè)計具有較高的實際應(yīng)用價值。目前國內(nèi) 已有工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)大多存在擴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器人［1］。本研究 針對UPR100本體工業(yè)機器人（6自由度）在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上完成了運動控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程，采用模塊化的設(shè)計原則，通 過使用DMC運動控制卡實現(xiàn)主要控制功能，結(jié)合運用了抗干擾能力強（防潮、防塵、防振）、穩(wěn)定可擴展的工控機，實現(xiàn)對機器人運動 過程的精準控制。

2 工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計

作為一項較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，基于人工智能裝置的完整機器人主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置（由驅(qū)動器、減速器、檢測元件構(gòu)成）、 控制系統(tǒng)（主要由傳感器和電子計算機構(gòu)成，）等構(gòu)成，模仿人類手臂動作的操作機主要負責完成各類實操作業(yè)（主要由機座、末端執(zhí)行 器、機械臂構(gòu)成），驅(qū)動裝置負責完成電能到機械能的轉(zhuǎn)換從而將動力提供給操作機（可采取電力、液壓、氣壓幾種驅(qū)動方式）；控制系 統(tǒng)負責完成對機器人的檢測和操作控制過程以完成規(guī)定的動作，包括對機器人運動參數(shù)的檢測控制及反饋控制；人工智能系統(tǒng)主要負責完 成邏輯判斷、模式識別及操作等功能（主要由實現(xiàn)感知功能的傳感系統(tǒng)以及決策、規(guī)劃、專家系統(tǒng)構(gòu)成）。本研究構(gòu)建的移動控制系統(tǒng)基 于現(xiàn)有6自由度工業(yè)機器人完成，硬件部分負責執(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器人程序的解譯、插補運算、軌 跡規(guī)劃（包括運動學(xué)正逆解），驅(qū)動機器人不同關(guān)節(jié)及末端裝置的運動。2．1設(shè)計思路機器人操作的順利完成離不開運動控制系統(tǒng)，運 動控制系統(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一個CPU實現(xiàn)）、主從控制（由主、從CPU構(gòu)成，分別負責變換坐標 并生成軌跡、控制機械手動作）、分級控制（由上級主控計算機和下級多個微處理器構(gòu)成，分別負責完成包括坐標變換、生成軌跡在內(nèi)的 系統(tǒng)管理以及對機械手關(guān)節(jié)坐標及伺服控制的分管與處理）。應(yīng)用廣泛的機器人對運動控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計過程提出更高的要求，為適 用不同種類機器人需采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時采用模塊化設(shè)計方式（即將系統(tǒng)劃分成實現(xiàn)不同子任務(wù)的多個功能模塊）提高系統(tǒng)的實用 性和可靠性，多個機器人的協(xié)同控制需通過具備網(wǎng)絡(luò)通訊功能的運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)（包括資源共享）；通過直觀形象的人機接口及操作界 面提升系統(tǒng)的人機交互性［2］。工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)主要由上位機、驅(qū)動裝置、執(zhí)行控制器構(gòu)成，由上位機負責機器人管理和實時 監(jiān)控，將位姿指令傳遞至區(qū)域控制器進行運動協(xié)調(diào)計算，由區(qū)域控制器實現(xiàn)對機器人各關(guān)節(jié)坐標及軌跡的變換和生成，再由執(zhí)行控制器在 完成機器人位姿及工作狀態(tài)的檢測和實時采集的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對各關(guān)節(jié)伺服運動的有效控制過程。2．2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計本研究所設(shè)計的 運動控制方案分別采用嵌入式ARM工控機（FreescaleIMX6）和DMC控制卡（Galil公司）作為系統(tǒng)的上位機和下 位機，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6自由度工業(yè)機器人通過由DMC運動控制器提供的API實現(xiàn)了 在工控機上根據(jù)實際需要進行二次開發(fā)的功能。ARM工控機以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據(jù)此發(fā)出相應(yīng)的電機控制指令 信號，在經(jīng)伺服放大器放大后完成對機器人各電機轉(zhuǎn)動過程的驅(qū)動進而實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的按要求運動；工控機同樣通過以太網(wǎng)收到各關(guān)節(jié)經(jīng)D MC反饋的位置信號（通過相應(yīng)的電機編碼器），從而實現(xiàn)機器人狀態(tài)的實時顯示與監(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)的實現(xiàn)

3．1 NURBS插補功能的實現(xiàn)

針對NURBS曲線軌跡，假設(shè)，控制頂點由Pi表示其中i∈［0，n］，同控制頂點對應(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個節(jié)點值（分別由u0，u1，…，un＋k表示）組成節(jié)點向量通常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 插補算法通過插補前的預(yù)處理操作（即確定NURBS的軌跡表達式）可使插補計算量顯著降低，進而確保了曲線的插補速度及實時性， 以給定的Pi、wi及節(jié)點矢量為依據(jù)即可實現(xiàn)NURBS曲線的唯一確定，NURBS曲線插補的實質(zhì)為將到NURBS曲線本身的近 似逼近過程通過步長折線段（屬于一個插補周期內(nèi)）的使用完成，實現(xiàn)NURBS插補功能需要重點解決的問題為：密化參數(shù)，ΔL和Δ u分別表示進給步長和相應(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及新點的參數(shù)坐標（表示為ui＋ 1＝ui＋Δu）的求解［4］。計算軌跡，完成計算所獲取的坐標值到軌跡空間的反向映射及插補軌跡的新坐標點（表示為pi＋1＝ p（ui＋1））的獲取。在實際應(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)會參數(shù)u的變化而 改變，對應(yīng)各段如式（3）［5］。使用Matlab平臺對本研究設(shè)計的插補算法進行仿真，控制節(jié)點在（0，1）間，控制頂點共有 50個，權(quán)值取1，據(jù)此完成3階NURBS曲線的確定，插補參數(shù)設(shè)置為：插補周期為1ms，最大進給速度及初始進給速度（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誤差上限分別為1μm和0． 001，最大法向進給加速度及最大加速度分別為0．8g和50000mm／s3，仿真實驗結(jié)果如圖2、圖3所示，生成的插補點同 規(guī)劃軌跡相吻合［6］。

3．2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

在ARM工控機上實現(xiàn)軟件部分，控制軟件系統(tǒng)功能設(shè)計，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控制卡的對應(yīng)庫，軟件圖形用戶界面的主框架通過Q MainWin－dow類的使用完成構(gòu)建，各模塊功能則通過QWidget／Dialog類的使用實現(xiàn)，通過Qt實現(xiàn)各模塊間的 信交流。將各編碼器的值通過ComandOM（）函數(shù)進行讀取后實現(xiàn)機器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的獲取，以供運動學(xué)計算和軌跡規(guī)劃；運動控 制指令通過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別的測試與簡單控制。運動學(xué)分 析模塊通過運動學(xué)正解和運動學(xué)逆解實現(xiàn)機器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度同空間中位置和姿態(tài)的相互對應(yīng)，據(jù)此實現(xiàn)機器人的正確運行及其目標 點情況的檢測［7］。機器人的作業(yè)任務(wù)通過軌跡規(guī)劃模塊確定所需使用的基本運動形式（包括直線、圓弧運動插補及NURBS軌跡插 補），進而實現(xiàn)自由曲線運動過程。（1）機器人參數(shù)設(shè)置，據(jù)此完成對決定工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)的運動學(xué)D－H參數(shù)、伺服驅(qū)動相關(guān)的 決定對應(yīng)機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的分頻比／倍頻比的設(shè)置。（2）機器人軌跡規(guī)劃，DMC運動控制器可有效解決復(fù)雜的運動問題，其所包 含的輪廓模式提供位置－時間曲線（在1～6軸內(nèi)）的自定義功能，據(jù)此可實現(xiàn)對通過計算機產(chǎn)生軌跡的有效追蹤。在控制系統(tǒng)中，通過 工控機提供的算法實現(xiàn)運動學(xué)正逆解和空間運動軌跡的規(guī)劃，并通過DMC協(xié)調(diào)控制各關(guān)節(jié)的運動情況，具體流程為：先建立空間軌跡參 數(shù)方程，運動軌跡空間坐標向量（x，y，z）每32ms（運動軌跡的插補周期）計算獲取，通過運動學(xué)反解末端空間坐標即可獲取對 應(yīng)關(guān)節(jié)變量，據(jù)此計算得到電機軸的脈沖量（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 來通過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作。（3）機器人示教作業(yè)，實現(xiàn)了包括MOVJ、NURBS、延時、數(shù)字運算等在內(nèi)的運動指令集，將機器 人末端通過軸控制按鈕根據(jù)所選擇的合適坐標系（以運動指令及指令參數(shù)為依據(jù)）完成到目標位置點運動的控制［8］。

第9篇：仿真機械手臂設(shè)計范文

阿圖VS尤尼梅特

在機器人電影大片中，具有代表性的工業(yè)機器人是《星球大戰(zhàn)》中的阿圖（r2d2），這是一個圓柱型的機器人，外形像一個垃圾桶。在影片中，他不僅能為X型戰(zhàn)斗機進行維修保養(yǎng)，有時還能對機器設(shè)備進行解密、解鎖、翻譯外星語言，是一個勤懇工作、超級萌萌達的“垃圾桶”。

世界上第一臺真正實用的工業(yè)機器人，是1959年英格伯格和德沃爾設(shè)計的“尤尼梅特”（意為“萬能自動”），這臺機器人外貌并不像人，而是像坦克炮塔，它有一個巨大的機械手臂，大臂前端還有一支像人類手的小臂，所有復(fù)雜的操作都是通過前端小臂完成。小臂相對大臂可以伸出或縮回，小臂頂有一個腕子，可繞小臂轉(zhuǎn)動，進行俯仰和側(cè)搖。腕子前頭是手，即操作器。這個機器人的功能和人手臂功能相似，其精確率達1/10000英寸。

“尤尼梅特”問世后，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器人制造工廠，他倆也因此被稱為“機器人之父”。

“尤尼梅特”開啟了機器人時代的元年，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)計好的指令重復(fù)進行同一個生產(chǎn)動作，是比較初級的機器人。

魔鬼終結(jié)者VS阿特拉斯

電影中的軍用機器人，以《魔鬼終結(jié)者》中的T-800、T-1000為代表。T-800型機器人以金屬為人體骨架，人造皮膚做外表，基本與人類相同。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、機械和任何人的口音。

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

目前，世界最先進的軍用人形機器人是美國的阿特拉斯。這種機器人目前尚在研制完善過程中，最新升級版的阿特拉斯高1.75米，重82公斤，使用獨立電源和液壓驅(qū)動系統(tǒng)。它不僅會自己開門關(guān)門，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。

美國研發(fā)這一機器人的目標，是做最好的救援機器人。在對人類過于危險的地域，它可以挽救很多生命，并在最大限度上降低風險。它可以勝任的任務(wù)包括開車、清理殘骸、穿墻鑿洞、關(guān)閉閥門、連接消防水管等。盡管在人類看來，阿特拉斯的動作還有點笨拙，行動緩慢，但實際上它的操縱系統(tǒng)比戰(zhàn)斗機還要復(fù)雜。

自動手術(shù)機VS達芬奇機器人

在《普羅米修斯》、《異形》等科幻大片中，醫(yī)用機器人可以根據(jù)人類的指令完成各類手術(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安置了自助手術(shù)機的艙體，在體型龐大的手術(shù)機器人的操縱面板上一陣猛按，為自己人工自定義了一臺剖腹手術(shù)。隨后，她躺進手術(shù)機，在幾乎無麻醉的情形下，由手術(shù)機自助實施剖腹手術(shù)，生下了一個異形嬰兒。

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

現(xiàn)實生活中，與《普羅米修斯》中的機器人最為接近的，是美國“達芬奇”手術(shù)機器人系統(tǒng)。達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)是一種高級機器人平臺，其設(shè)計的理念是通過使用微創(chuàng)的方法，實施復(fù)雜的外科手術(shù)。它由外科醫(yī)生控制臺、床旁機械臂系統(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VS仿人機器人

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

仿人機器人是電影與現(xiàn)實中人們談?wù)撟疃嗟?，科學(xué)家一直在研究那些外形特征與人類相同，擁有相同的皮膚、體形，有類似人類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)境的仿人機器人。

世界上最早的仿人機器人誕生于日本，1973年，日本早稻田大學(xué)教授、“世界仿人機器人之父”加藤一郎成功試制出世界首臺兩足步行機器人WOBAT-1。本田公司1996年11月研制出日本第一臺仿人步行機器人樣機P2，2000年11月推出新一代仿人機器人ASIMO。中國國防科技大學(xué)也在2001年12月獨立研制出我國第一臺仿人機器人。

日本ASIMO是目前最先進的仿人行走機器人之一，它身高1.2米，體重52公斤，最高行走時速可達1.6公里。行走時，它可實時預(yù)測下一個動作并提前改變重心，因此能非常自如地完成下臺階、彎腰、“8”字形行走等較為復(fù)雜的動作。此外，它還可以握手、揮手甚至隨著音樂翩翩起舞。

如果說日本在仿人機器人領(lǐng)域的研究主要側(cè)重于外形仿真，那么美國的研究則側(cè)重用計算機模擬人腦。以科戈機器人為例，這種機器人是美國麻省理工學(xué)院人工智能實驗室教授羅德尼?布魯克斯研制的?？聘隀C器人的大腦由16個摩托羅拉68332芯片構(gòu)成，和人類的大腦一樣，它能同時處理多項任務(wù)。

為了研制出更像人的機器人，目前，無數(shù)科學(xué)家和科技公司正致力于讓機器像人一樣進行自我學(xué)習和思考。以谷歌為例，2012年夏天，谷歌X實驗室創(chuàng)建了一個由16000多個處理器、10億個內(nèi)部節(jié)點組成的“虛擬大腦”。“虛擬大腦”用眾多的電腦模擬人腦中的“神經(jīng)元”，形成一個“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，并為算法提供海量數(shù)據(jù)，從而使其具備自動學(xué)習、識別數(shù)據(jù)的能力。