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機械臂范文1
Step 1 工具和材料
工具：由于不少金屬和塑料材料都需要我們進行加工，因此以下工具是必備的：用于切割的旋轉銼刀，一個好用的電鉆，以及30W的電烙鐵。
材料：
螺絲螺帽若干；NES手柄連接器；塑料扎帶；NES手柄(其他同類型的手柄也行)；一個鉛塊用于配重(或者其他合適的重物)；一些塑料齒輪，留著備用。
Step 2 拆解打印機
剩下所需的大部分零件都是從一臺壞掉的惠普打印機上拆下來的，所謂物盡其用嘛。類似的打印機也可以拿來拆解，當然前提是這臺打印機確實已經報廢了。咱們先把打印機的外殼部分拆下來，后面很多部件可以直接從這上面取材加工。比如這一大一小兩個步進電動機就是來自打印機的尸體。后面我們要把這兩個電動機用在機械臂的關節等部位上，以提供動力。
Step 3 金屬部件加工
找來一些金屬板之類的東西相信對各位來說也不是難事。不過咱們還是繼續發揮廢物利用的精神，只需要一個變壓器的鐵芯基本就能搞定這些金屬小件。在加工之前，咱們先得畫好圖紙樣板，接著就按照樣板用旋轉銼刀以及電鉆進行切割和鉆孔工作吧。手上活一定得細，不光是講究造型，合適的大小才能保證后面能順利進行裝配。造型做好以后，最好再上點涂料防腐蝕。最后我們一共得到這5個金屬小件，可千萬別小瞧它們的作用。除了這幾個小件，還得做機械臂的支架部分。還好我們一樣可以從打印機上面取得兩個長鐵塊，然后咱們把它們焊接成一個U型，如果你怕自己焊不好，可以交給街邊的修理鋪什么的幫忙焊一下。焊接好以后，咱們再按照前面做金屬小件的方法補上幾個件，原則還是一樣，盡量精細一點。最后把所有的金屬件匯總―下，看看有沒有什么遺漏的。同樣地，咱們還是上點漆保護―下。
step 4 塑料部件加工
處理完金屬部件，咱們再來處理塑料的部分。先在打印機的側面找到這個之前安裝齒輪的部位，然后以凹孔為中心裁剪出一個菱形，留著后面裝配齒輪和步進電動機。
接著在一塊平板上裁剪出這樣幾個小件，先畫出模板，再依次切割加工。鉆好孔安裝螺絲，后面再用來固定底座。
step 5 制造底座底座的材料咱們還是以木材為主，這樣方便固定。當然了，得盡量選擇結實平整的木料。首先我們準備好以下幾件木材：一塊54X16厘米的長木板，一塊11x11厘米的方木板，四個2x3厘米的小木塊。接下來按照圖中的樣子把四個小木塊放在長木板上調整好合適的距離，總之要和我們之前從打印機上拆下的鋼管長度相適宜。然后再用之前做好的凸型部件結合螺絲，把鋼管固定在小木塊上。僅僅這樣當然是不夠的。我們還得用11X11厘米的方木板做一個平臺，好讓機械臂能在上面橫向移動。平臺和鋼管的連接處則利用之前準備好的套環和塑料扎帶來固定，調整好位置后把平臺取下來，等安裝好支架再放上去。做活做全套，最后還是給所有的木料上下漆吧。
Step 6 組裝機械手
控制機械手的關鍵元件是一個伺服電動機，這玩意兒可以從網上搞到。至于其他的部件大家同樣可以看看身邊有沒有合適的材料可以物盡其用。這里我們還是從塑料板上裁剪出了幾個部件，然后再用螺絲和齒輪裝配成機械手的骨架，記住兩個齒輪一定要能夠順暢地咬合。然后就得讓伺服電動機上場了，這玩意兒的功能是將電信號轉換成轉軸的角位移或角速度，是自動控制設備中常見的元件。咱們先把它用螺絲固定在機械手的上方，再找來一根8厘米左右長度的鋁管來做機械手的前臂。
step 7 組裝肘部
要組裝好肘部，咱們得先把之前準備的幾個金屬部件組裝成圖中的形狀。然后把小號的步進電動機組裝在上面，只要前面的活夠細的話，組裝起來應該沒太大問題。
Step 8 組裝前后臂
組裝前后臂的關鍵是做好連接桿。拿出之前準備的Y型部件，再利用兩個凸型部件把齒輪固定在Y型部件的中間，接著再組裝到肘部上。最后在Y型部件的后面固定好一根20厘米左右長度的鋁管作為后臂。
Step 9 完成支架
支架部分一定要夠牢固，而且得多試驗下機械臂合適的高度，千萬別因為配重不平衡而東倒西歪。
把之前焊好的U型部件固定在平臺的一邊，并安裝上一根連桿，在連桿一端安裝好一個較大的傳動齒輪，
接著按照圖中的樣子組裝好另一個U型部件，并把它固定在相鄰的平臺另一邊。這個U型部件是用來安裝另一個步進電動機的。
接下來拿出之前準備好的菱形部件，把齒輪安裝在上面，最后再安裝上另一個步進電動機，確保它能順暢地帶動這個齒輪。
然后把用于配重的鉛塊固定在后臂上，調整好合適的位置后，再把連桿通過幾個小部件固定好。這樣一來，機械臂的支架就算基本完成了。
Step 10 安裝履帶
最后咱們再來做一個小型的傳動履帶，用來帶動機械臂在底座上橫向移動。當然，還得在履帶中間用些小技巧來卡住平臺。
現在我們還得另外找一個電動機，安裝在履帶的一端以提供動力。記得要讓履帶保持一定的張力，讓齒輪能順暢地帶動履帶。
履帶和電機都裝好以后，把平臺安裝上去好好調試―下，看看會不會發生卡殼等問題。
Step 11 組裝電路板
電路板也是從別的玩意兒上拆下來再依次安裝元件的，對于經常玩電路的同學來說也沒有太大的難度，只需在焊接的時候細致一點。電路板包括一個小板和一個大板，咱們先來看小板，小板是用來驅動電動機的，包括一個pic 16f628a單片機芯片，一個uln2003電路，搞定后連接在大板上。接著是大板，咱們得把NES手柄連接器裝在上面，順帶再安裝一個LED做指示燈。
Step 12 編程
至于給單片機編程的工作，就要靠各位自己去研究了，同樣地，我們會把編程代碼和設計圖紙放在《Geek》論壇上，提供給有興趣的同學?？傊@里用的主要是JDM編程器和WinPic 800編程軟件，分別給大板和小板編好控制程序。
Step 13 最后組裝
激動人心的時候到了。所有的步驟搞定后，咱們可以來進行最后的組裝?？傊摻拥慕由希撜{試的調試。最后咱們只需接上NES手柄，就可以好好地調教一下這個個頭雖小卻靈活十足的“怪手”了!
機械臂范文2
關鍵詞：六自由度；機械臂；控制系統設計
中圖分類號：TP241.3 文獻標識碼：A
1.六自由度機械臂控制系統設計要求
六自由度機械臂的運動控制硬件分別是機械手的運動控制、驅動電路的底層控制、遠程通信以及遠程控制、視覺傳感和輔助傳感系統和上層控制的人機交互。
在整個自由度機械臂控制系統中，上位機控制系統的主要功能是給操作者提供良好的人機交互界面，而且機械臂的操作能夠通過配套的便攜手柄而實現，所以上位機要對手柄所發射的信號進行有機的掌握和控制，對下位機系統的控制還需要上位機系統給出，同時還要將下位機及機械臂運動狀態信息能夠及時反饋給操作者。操作手柄和下位機作為移動設備而言，上位機控制系統除了能夠提供有線的控制，還要提供相應的無線通信系統，其控制的有效距離在100米左右實現控制的指令和運動反饋的信號達成。在移動載體的設計上，除了放置機械手實現對抓取的射線圖像檢測儀，機械臂和車身上還裝置了兩臺CCD攝像機和兩個自由度的云臺，并相應地配備錄像機以對排爆過程進行全程的記錄。這些信息的反饋就是通過無線圖像模塊實現的。
在機械臂手部的設計過程中，因為機器人的抓手在整個機械臂系統中作為最末端的執行器，在抓取和實現操作工作的時候，其可以根據需要分為鉗式和吸附式。在這個層面上我們主要考慮的是機械臂在進行工具抓取的時候，需要采用鉗式的爪手，在爪手上的電機，我們選擇的是MICRO-STd伺服電機，在電機的尺寸設計上，要保證電力能夠在最小的空間占比和最輕的質量占比，從而滿足于機械臂的靈活性。在機器人的機械臂設計中，機械臂是由四到五個伺服的電機組成的，對伺服電機的控制能夠保障機械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由變化。機械臂的手臂電機在設計過程中為了滿足其靈活性，選擇的是金屬齒輪的伺服電機。在六自由度機械臂的手腕處，我們采用與爪手處相同的伺服電機，為了能夠更好地保證對工具的夾持和手腕部的回轉設計，六自由度機械臂在其底座的設計上，我們選擇合金壓鑄技藝，從而使得底座能夠支撐起整個手臂的重量，保障其在運行過程中的穩定性。對于標準的伺服機而言，其主要有三條引線，分別為電源線VCC、接地線以及控制信號的傳播線。
2.控制器的設計
在對六自由度機械臂的控制器的設計上，主要采用單片機作為主控制器，通過雙電源為控制機和伺服電機進行供電，從而保障機械臂的正常使用。在串口與電腦以及其他單片機的通信上、在單片機的電源設計上、在電路板的正面部分設計了三個電源的輸入口，其中中間部分的輸入口作為單片機的電源輸入。在伺服電機的電源設計上，其輸入的電壓我們要控制在4.8V～6V之間，伺服電機上下兩側的電源分別為1～6路伺服電機供電和17～32路的電機供電。在六自由度機械臂的設計中，由于需要使用六路，從而在改設計中僅一側的電源就能夠保障滿足供電的需求。
3.VB控制軟件的設計
在設計端口的連接和設置上，主要通過使用串口，使電腦與設置好的端口和控制器達成良好的通信。在設計界面上，我們可以對奇偶校驗、停止位、數據位、比特率這幾個方面進行選擇設置。
對于通道控制，通過對多路伺服電機控制器的有效設置，對機器手臂實現從上到下的伺服電機順序編號，將編號分別對應到爪手到底盤處的六個伺服電機，通過拖動任意的數值拖動條，實現爪手控制。
在速度的調節問題上，因為調節的速度能夠對伺服電機的轉動速度進行控制，在系統設置中，過大的數值調度會影響到機械臂的使用，系統默認的最佳值為300。
在六自由度機械手的控制O計過程中，為了能夠與保障機械手完成復雜和煩瑣的工作，因此在控制系統的設計過程中，要對系統進行嚴格的設計，本文就對VB控制軟件下的六自由度機械臂進行分析。
參考文獻：
機械臂范文3
關鍵詞：柔性機械臂；動力學；逆動力學；振動；大范圍運動
theanalysisandsolutionforinversedynamicproblemsofflexiblearms
abstracet：thepaperconcentratesontheanalysisandsolutionforinverseproblemsofflexiblearms.thesecantcoordinatesystemisintroducedtodescribethelocationofthetwo-linkarm.thefast(vibration)partandtheslowpartareanalyzedfortheinverseproblems.thesolutionsforthefastpartarefoundemanativethroughtheanalysis.so,thesolutionfortheflexiblearmsshouldbecarriedoutwhileonlytheslowpartisincluded.asamplemethodisgiventogetridofthefastpartandgetthesolutionsfortheinverseproblems.numericalresultsshowthatthismethodiscorrect.
keywords：flexiblearm；dynamic；inversedynamic；vibration；movementwithlargerange
雙連桿柔性機械臂是柔性系統中最為典型的例子之一，在實踐中，對其端點的運動實現精確的控制的最重要因素是控制算法的計算速度，復雜的控制算法難以實現。而逆動力學建模和控制是緊密相關的，通過逆動力學方法，得到一個比較精確的驅動力矩作為前饋，再施以適當的控制算法，以實現對機械臂的高速、高精度控制，則是一種具有實效的方法。
關于柔性臂控制的逆動力學方法的研究報道尚不多見，其中文獻[1-5]對動力學方程解耦，即把動力學方程近似分解成一些相對簡單的系統，從而得到逆動力學的表達式。matsuno[6]通過對采用切線坐標系的動力學模型進行簡化，得到了一種實時的逆動力學方法。gofron等應用了驅動約束法[7]，把期望運動處理成非定常約束。bayo在頻域內進行了逆動力學求解[8],[9]。asada等提出了一種迭代求解的方法[10]。
在逆動力求解中常常會遇到求得的力矩不準，力矩振蕩很大，求解煩瑣等問題。因此，討論逆動力學求解的特點和性質是非常重要的，并有助于采用合理的方式得到比較好的前饋力矩。
1動力學和逆動力學模型
一般情況下，柔性機械臂的兩根連桿橫向彈性變形(彎曲)較小，則忽略機械臂的徑向變形；假定關節及臂端負載均為集中質量，則忽略其大小。同時，暫不考慮電機轉子的轉動慣量和電機的阻尼。
連桿變形很小，對每根連桿建立一個運動坐標系，使得連桿在其中的相對運動很小。機械臂的整體運動則可由這兩個動坐標系的方位角來描述。于是，在動力學模型中將有兩類變量，一類是幅值很小但變化迅速的彈性坐標，另一類是變化范圍較大的方位角。本文采用端點連線坐標系，即將連桿兩端點的連線作為動坐標系的x軸（見圖1）。描述整體運動的是兩個角度和，而連桿相對于動坐標系的運動則可視為簡支梁的振動。這樣，動力學模型剛度陣的彈性坐標互相不耦合，臂端的位置可由和確定，其期望運動形式（或數值解）：
(1)
如采用其他形式的動坐標系，兩桿的彈性坐標將耦合在一起，而且在逆動力學求解時，將不得不處理微分方程與代數方程組合的方程組。
對每個機械臂取兩階模態坐標來描述，應用拉格朗日方法得到動力學方程：
(2)
式中。為6×6質量陣；為速度的二次項；為6×6剛度陣；為重力的廣義力向量；為驅動力矩的廣義力向量；，其中和、和分別是兩個機械臂的一階和二階彈性坐標。
柔性臂系統的逆動力學問題，是指在已知期望末端操作器運動軌跡的情況下，結合逆運動學與動力學方程對關節力矩進行求解。如果直接進行逆動力學求解，即把式(1)代入動力學方程式(2)中，對方程中的彈性坐標和力矩進行求解，一般情況下，其數值解將很快發散。
表達系統運動狀態的坐標可以看成有兩部分組成：大范圍的相對緩慢的運動（慢變）部分和小范圍的振動（快變）部分。本文試圖將這兩部分分離，分別討論它們的逆動力學特性，并以此來分析整體系統的逆動力學問題。
2快變部分的逆動力學問題
首先，尋求兩個關節力矩使端點保持不動，先不考慮大范圍的運動。此時，重力只起了一個改變平衡點的作用，在方程中把與它相關的部分略去，在動力學方程(2)中令，得：
(3)
式中
在方程(3)中消去和得：
(4)
式中：
，,
,,,
,,,
,,,
,
對式(4)降階：
(5)
式中
其中，
i是四階單位陣。方程(5)可化為下列形式：
(6)
式中。求出的特征值分別為
式中。
因的特征值存在正實部，則方程(3)所表示的系統不穩定，其解發散，即雙連桿柔性臂在這種情況下，其振動問題的精確逆動力學解是發散的。
的各特征值在復空間分布關于虛軸對稱，必然會出現正實部，如選取更多階模態函數離散時，會出現同樣的情況。因此，選取更多階模態函數離散時，其振動問題的逆動力學解是發散的。
如應用應用文獻[10]中給出的迭代法進行逆動力學求解，當積分步長很小時，其解是發散的；當積分步長較大時，便可得到較好的結果。其原因是因為快變部分的逆動力學解發散，當步長較大時相當濾掉了快變部分，便可得到較好的結果。
3慢變意義上的逆動力學
在進行慢變意義上的逆動力學求解時，應試圖將彈性坐標中的振動部分濾掉，彈性坐標中不應含有振動部分，再結合期望的、求得力矩。
如圖1所示，機械臂的各參數：l1=0.87m,l2=0.77m,m1=1.9kg,m2=0.8kg,m1=12.75kg,m2=2.4kg,=602.5,=218。期望運動軌跡：機械臂端點繞以(0.8,0)為圓心，做半徑為0.5m,以每周1s作勻速圓周運動。
由機械臂的動力學仿真結果可以看到，彈性坐標的一階、二階時間導數項振動幅值很大，但它們都在零值附近振動，即其慢變部分很小。因此，在式(2)中去掉彈性坐標的一階、二階時間導數項，相當于濾掉了彈性坐標中的振動部分，經過整理得到如下形式：
(7)
式中，、、中含、及其一階時間導數項。
將式(1)代入式(7)中，再對方程求解，可以得到彈性坐標和力矩，彈性坐標見圖2（圖中不含振動的曲線）。為了考察得到的力矩，將力矩代入動力學方程式(2)中，得到的各彈性坐標見圖2（圖中含振動的曲線），軌跡跟蹤曲線、端點坐標與期望運動相比較的誤差曲線分別見圖3和圖4。
含振動部分的彈性坐標
彈性坐標的慢變部分
4結束語
由圖2可以看到，機械臂在運動過程中，其彈性坐標由兩方面組成，一方面是振動部分（快變部分），另一方面是與載荷、慣性力有關的慢變部分。而彈性坐標速度、加速度的慢變部分很小，在逆動力學求解中將其略去是合理的，由式(7)得到了比較準確的彈性坐標慢變部分并非偶然。
由以上分析可以看出，對于柔性機械臂系統，振動部分的精確逆動力學解是發散的，進行逆動力學求解時，應濾掉振動部分，在慢變的意義上進行，才能得到比較好的前饋力矩。
參考文獻
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機械臂范文4
【關鍵詞】移動平臺；機械臂；結構分析；機器人
本文在確認基于移動平臺的機械臂結構設計指標的前提下，闡述了基于移動平臺的機械臂構型選擇，在此基礎上研究從機械臂關節數目確定、機械臂關節結構選型以及機械臂驅動器選型等方面闡述了基于移動平臺的機械臂結構設計方案。
一、基于移動平臺的機械臂結構設計
（1）設計指標的確定。移動平臺機械臂必須滿足足夠的工作和操作空間，并且控制自身的質量和載荷，從而使其滿足對于輕型結構的要求。而移動平臺的特點，同時也決定了機械臂的設計必須應該保證持續工作，能耗足夠小。結合以上的設計需求，并考慮到具體的使用場合，本設計為其擬定的設計指標為：移動平臺機械臂的自由度選擇為5；其伸展長度為3m，對于具體的負重量，要求末端能夠負荷超過0.5千克的質量，機械臂本身的質量控制在一千克之內。機械臂的功率要求低于15瓦。（2）機械臂結構選型。移動機械臂屬于機電一體化設計，由于設計指標確定了機械臂的自由度選擇為5，因此必須具備5個關節。各個關節均通過連桿機構相連接。本研究選擇了轉動關節型機械臂，分為腰部關節、肩部關節、肘部關節。以及輔助關節和腕關節。其結構選型的簡圖如下所示：
（3）關節數目確定。關節數目的選擇需要考慮到具體使用場合的需要。具體的要求包括：能夠做到對目標進行水平拾取，如圖2所示：
機械臂還應能夠做到取出自身所攜帶的目標，如圖3所示：
機械臂應能做到將目標遞給對方，如圖4所示：
由于使用場合的要求是多樣化的，因此本設計為其添加一個輔助關節，置于肘部和腕部之間（如圖1所示）。（4）關節結構選型?？紤]到渦輪蝸桿傳動原理的弱點是對載荷的限制，本文將關節結構設計為輸入端與輸出端軸線平行，從而達到了結構不復雜，傳遞路徑最優的目標。本文所涉及的機械臂屬于串聯連桿類型，為了達到較大的減速比傳動指標，傳動模塊使用諧波減速器，配置以齒輪系、同步帶等輔助部件，實現多級齒輪的傳動方式。（5）機械臂驅動器的設計。基于移動平臺的機械臂驅動器對于機械臂的各種性能影響非常明顯，直接關系到所涉及的成品所具備的性能指標和使用范圍。機械臂驅動器在進行選型的階段，最應該注重的便是合理評估在各類可能發生的使用場合中處于機械臂之上的每一個關節所承受的負載極值。本研究所涉及的機械臂對于負載的要求并不高。通過當前本領域的一些研究成果可知，如果機械臂對于負載沒有太多要求，則可以將電動驅動器作為各個關節的驅動器。業界的研究文獻表明，最常使用的電動驅動器包括如下幾類：永磁直流，永磁同步流以及無刷直流。本研究選擇無刷直流電機，理由是與以上的其他幾種電機相比，其故障率小、維護工作量低、噪音少，可選速率范圍大，散熱方便。電機驅動模式以及電機選型確定之后，接下來便可以確定各個關節動作的具體傳遞模式：無刷電機—齒輪減速器—各個關節。對于齒輪傳動裝置采用三軸線雙級斜齒圓柱齒輪減速器，并于齒輪減速器輸出部分部署靈活的可調電位器，其作用是以反饋的模式控制關節輸出角度。
二、結語
本研究從整體上闡述了基于移動平臺的機械臂結構分析與設計方案，移動機械臂的設計目前仍然有很大的發展空間，一方面需要深入研究機械臂的精準控制，另一方面還應結合具體的使用場合考慮移動平臺的控制，這也是本研究下一步進行的方向。
參考文獻
機械臂范文5
關鍵詞：空間機械臂；輻射熱流；隔熱組件；仿真技術
航天事業的發展推動著工程持續進步，傳統的空間站已經無法滿足時代的變遷需求，無論是在應用還是研究上都存在著或多或少的弊端?？臻g機械臂擁有可靠安全性，對在軌支持和服務上都能更好的適應時展需要，因此逐漸進入到太空領域，并且受到了眾多科研人員的關注。經過具體的實踐，空間機械臂能夠更好的適用于艙外活動，并且擁有廣闊的發展前景，對于未來的空間科學發展起到了巨大的推動作用。
一、空間機械臂關節的基本概述
空間機械臂主要是通過關節、末端作用器及臂桿、控制器共同構成。在這些構成部分中，最為關鍵的關節是轉動軸、減速器及箱體等組件產生共同作用的部分。空間機械臂關節的內部存在著十分復雜的減速器結構，這種減速器的結構主要是活齒減速器，為了更好的方便輸入、輸出軸都呈現出多級階梯軸的樣式。為了有效的減輕重載，輸入軸通常是實心結構，而輸出軸則多為空心軸結構。此次研究的過程中，涉及到的空間機械臂關節在軌溫度場數值，主要是由于機械臂關節內部的活齒減速器呈現出強大的承載能力，并且擁有極高的準確度，可以連續長時間的工作，這種活齒減速器還可以在小型設備上實現大傳動比，所以結合限制的空間機械臂的空間運動范圍，加之輸出力矩較大，必須保證擁有較高的控制精度，同時還需要準確的溫度精度，從而對關節的在軌溫度場數值提出了更高的要求。
二、空間機械臂關節在軌溫度場數值熱分析計算
航天器的熱分析計算可以從三個方面進行，例如軌道計算、外熱流計算及溫度場計算。航天器的熱計算最重要的目的就是在驗證相關的設計規定輸入條件下，保證所有的設備具體的溫度都能在實際的溫控指標范圍之內。輸入的條件涵蓋了計算的具體依據，同時還有相關的熱環境約束條件，其中涉及到的布局、外形構造、軌道參數及姿態等內容。
航天器中典型的熱分析計算流程框圖，是經過具體的三個過程才建立起來的。首先是根據物理模型和相關的假設條件，以此構造出實際的熱網絡模型，另外，就是根據具體的運行軌道條件，和相關的姿態穩定情況、熱控狀態及航天器適用的熱物理性質等多種參數，完成空間熱流的計算和具體的熱分析計算，以此獲取到相應的熱網絡數學模型。最后一個階段就是利用飛行遙感數據對相關的數學模型加以修正，確保更好的彰顯在軌溫度產生的變化。
航天器軌道計算的具體理論基礎主要是依靠著軌道力學，這是一門非常新穎的應用理論學科，在天體力學最原始的基礎上通過航天科學技術和相關的技術發展需要由此產生，因此涉及到的內容十分廣泛，涵蓋了多方面的學科內涵。在航天器熱控制領域，無需全方位、全面系統的進行闡述有關軌道設計計算方面的知識內容。
三、空間機械臂關節在軌溫度場數值仿真分析
空間機械臂由于工作環境的特殊性，需要充分考慮多種因素，準確分析在軌溫度場數值?？臻g機械臂的工作環境就是空間軌道，所以需要加強對軌道環境的數值分析，并且采用仿真技術進行數值仿真，還應該對不同的工作狀況進行適當的在軌溫度場仿真，全面了解機械臂關節瞬間的狀態溫度變化。結合相應的情況，對低溫工況和高溫工況進行溫度場的仿真，由此來提供關節的安全保障。
（一）關節結構組成及相應的溫控指標
此次研究的過程中，涉及到幾種幾何模型，主要包括活齒減速器、箱體及隔熱層。減速器的材料主要是45號鋼，因此最大的直徑達到了224毫米，長度為375毫米，相關的輸入軸直徑是45毫米，輸出軸的直徑則是80毫米，箱體的實際厚度為50毫米。結合目前的計算機技術分析，真實活齒減速器屬于一種外形比較復雜，同時運動過程也十分復雜的幾何體，在進行相應的數值模擬時計算比較困難。為此，需要對減速器和箱體的結構加以適當簡化，避免因為過程不當對計算結果產生影響，從而導致計算機無法求解。
（二）熱控材料的確定
多層隔熱材料是在軌設備最需要的原始材料，因此在表征多層隔熱組件的方式多種多樣，當量導熱系數、涂層發射率、吸收率等都是其中最關鍵的參數。為了更加細致的選擇多層隔熱組件和相應的隔熱材料，需要對相關的參數影響進行適當分析，由此總結出隔熱組件的當量導熱系數對空間熱流產生了重要影響。在對熱控材料進行確定的過程中，還應該明確隔熱層厚度的影響，為了保證空間機械臂關節隔熱層的必要性和相應的厚度選擇更加合適，應該先計算出無隔熱層厚度之下的關節溫度場狀況，之后計算出在不同厚度之下的溫度場結果。
（三）在軌瞬態分析
空間機械臂關節在軌瞬態分析是熱設計中的重點內容，瞬態分析的過程和相關的軌道參數能夠呈現出具體的狀況。在軌運行的過程包含著低溫工況及高溫工況兩方面。低溫工況主要是機械臂整體不參與工作，所以關節只受到了空間外流的影響。高溫工況則具體是指機械臂全負荷工作，從而關節除了要接受空間外熱流的影響下，還會受到內部的全負荷熱流影響，并且整個過程，低溫工況下的太陽及軌道之間的夾角呈現出的日期是全年最小，在高溫工況下的太陽和軌道夾角所呈現的日期則是全年最大。
機械臂范文6
關鍵詞： 非結構環境； 機械臂； 關節； 自動控制； 系統設計
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，加劇了生產企業招工難、用工成本大的問題，機器的利用率隨之提高。一些企業在工業生產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、任務量小、重復度高的生產活動[1]。目前，機械臂的載重偏低，主要應用于結構化環境中，雖然也有在非結構化環境下進行生產的案例，但往往受限于機械臂各關節的靈活性不足，無法精準完成生產任務。
非結構化環境的地形復雜，包括平地、斜坡、臺階、溝壑等，要求機械臂各關節能夠對變化中的地形進行快速感應，并立即選定關節運動位移和角度，智能化是機械臂的控制重點，還要考慮到低成本、小質量和高安全性能等因素，更加大了設計難度[2]。過去設計出的一些非結構環境下機械臂各關節自動控制系統，如文獻[3]和文獻[4]設計的基于 7R的仿人機械臂逆運動學優化系統和基于隨機激勵的機械臂關節控制系統，都沒能同時兼顧以上幾點設計要求，關節軌跡優化能力也需要進一步提高。為了響應生產企業需求，在非結構環境下機械臂各關節自動控制系統的設計過程中充分衡量各項設計要求，通過分析非結構環境特點提出環境感知方法，增強系統對關節軌跡的優化能力。
1 非結構環境下機械臂各關節自動控制系統設計
1.1 系統整體設計
通過衡量智能化、低成本、小質量和高安全性能的設計要求，設計一種具有高度信息集成性能、高速感知和高速反應的非結構環境下機械臂各關節自動控制系統，所設計系統的質量小，可輕松安置在工業加工設備上，并可進行人與系統的有效溝通，表1為系統性能設計標準。
表1 系統性能設計標準
[性能類型 標準值 質量 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構環境下的正常加工[5]，此時在機械臂各關節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為系統自由度劃分區間示意圖。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節）的角度控制和直線升降控制，手肘負責進行手肘回環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，得到非結構環境下機械臂各關節自動控制系統控制機械臂運動的范圍。
圖1 系統自由度劃分區間示意圖
圖1中的表示各關節的運動情況，表2為機械臂在D?H矩陣中的參數統計表，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節位置關系的矩陣[7]，從表2中可以準確看出機械臂各關節在所設計系統控制下的運動角范圍和極限運動距離。
非結構環境下機械臂各關節自動控制系統為分布式結構，控制算法的容納元件是現場可編程門陣列（Field?Programmable Gate Array，FPGA），此外，FPGA還負責進行機械臂各關節傳感器中數據的采集、處理和系統電流控制[8]。機械臂的上手臂和手腕關節因運動形態有所不同，需要安裝不同的電流傳感器來感應非結構環境，因此安裝于上手臂和手腕關節的FPGA類型也不同，便于準確分辨關節感應信息。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節感應信息，通過融合不同FPGA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參數統計表
[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 ]
為提供給各關節足夠大的輸出力矩，系統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，因而使用差動機構合成力矩。為縮減設計成本，系統只在肩膀和手肘處安置力傳感器。
1.2 主控芯片設計
在主控芯片中設計機械臂運動方案時，使用標準地址結構能夠減少設計成本。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構在可編程片上系統中進行集成，構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備的連接也使用RS 644總線，便于FPGA采集機械臂各關節的運行狀態。
圖2為系統控制框圖，雖然主控芯片與FPGA已通過PCI總線實現了連接，但考慮到定位誤差限制，系統只利用PCI總線進行控制算法的傳輸，對于數據精度要求高的各類傳感器信息仍需通過標準地址結構進行集成后再進行主控芯片與FPGA的交互。按照功能結構來分，圖2中左側為控制板，右側為驅動板，為減輕系統質量，控制板和功能板需要分開設計。由于機械臂各關節傳感器與控制板的距離存在差異，在設計過程中應依據實際需要選擇控制線以減輕系統質量、降低成本。
1.3 機械臂各關節電機設計
為保證非結構環境下機械臂各關節自動控制系統有效、安全的進行控制，考慮到機械臂的最大負載為3 kg，機械臂各關節的電機質量應盡可能縮減。肩膀處的電機選擇了質量為0.885 kg的50 A電機，手肘處的電機采用50電機，質量為0.735 kg。50 A電機與50電機都是由哈爾濱工業大學提供的，兩者的相同點是質量輕、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，因此安置在結構相對簡單的肩膀處。
圖2 系統控制框圖
機械臂手腕處的活動強度最大，設計要求相對高一些，如表3所示。為了實現表3中規定的設計要求，手腕處的控制方案采取差動機構合成手腕運動。
表3 機械臂手腕關節控制指標
[類型 值 質量 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節在系統控制下的回環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 非結構環境感知設計
若想讓所設計的機械臂各關節自動控制系統能夠在非結構環境下進行高速、高精度的控制，必然要預先提取出非結構環境信息。系統將視覺傳感器安置在工業企業的生產車間，對非結構環境進行采集，視覺傳感器安置得越多，采集結果就越精準[10]，但為了縮減成本，考慮使用3D旋轉視覺傳感器，在節省傳感器開支的基礎上避免傳感器視覺死角。
將3D旋轉視覺傳感器采集到的非結構環境信息構造成環境地圖，由于非結構環境存在的視覺過渡差異頗高，而直接構造3D仿真地圖的時間過長，因此構造規格為6 mm×6 mm的正方形2.5D環境地圖，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，保證了系統的實時控制效果。圖3為2.5D環境地圖構造流程，非Y構環境信息先以視差圖的形式進行顯示，再對應寫入6 mm×6 mm的正方形柵格中，同時定位到機械臂各關節的管控區域中，以實現對非結構環境中障礙高度和彎曲度的實時顯示。
圖3 非結構環境的2.5D環境地圖構造流程
圖4是系統對2.5D環境地圖中非結構環境的感知流程，非結構環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。系統使用量化分析方法對從2.5D環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靠支持向量機支撐。支持向量機將非結構環境特征點訓練成范圍在[-1，1]之內的感知系數，感知系數的作用是在非結構環境地形中選擇一個能夠規避障礙的機械臂角度，并提供給系統主控芯片，從而完善控制指令。
3 實驗結果分析
點對點運動是機械臂在生產任務中使用最為普遍的方式，本文采用點對點的運動方式對設計的非結構環境下機械臂各關節自動控制系統的關節軌跡優化能力進行分析。設機械臂各關節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的情況下進行一次生產任務，機械臂各關節的歸一化運動角度如圖5所示。
在機械臂上安裝本文系統進行生產任務，所得結果如圖6所示。為了增強實驗結果的說服力，本文還對基于7R的仿人機械臂逆運動學優化系統和基于隨機激勵的機械臂關節控制系統進行了同條件下的實驗分析，實驗結果如圖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節控制系統的實驗結果曲線與實驗前的歸一化運動角度無明顯差別，表明系統對機械臂各關節的控制幾乎無效，關節軌跡優化能力非常差；基于 7R的仿人機械臂逆運動學優化系統將原始關節軌跡優化成了各個細小分支，這對機械臂提高生產任務的效率和準確率具有推動作用，表明系統的關節軌跡優化能力比較強；本文系統的實驗結果曲線比圖7曲線更加平滑，而且曲線位置更貼近于圖5曲線，擁有更強的關節軌跡優化能力。
4 結 論
本文設計了分布式結構的非結構環境下機械臂各關節自動控制系統，系統的主要配件包括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旋轉視覺傳感器等，組成了一個更加適用于工業生產、擁有超強關節軌跡優化能力的系統。
參考文獻
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