英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
移动式机械臂的轨迹规划和控制
Bowen Luo1，a *，Ying Sun1，2，b和Mingchao Yu2，c
1 中国武汉，武汉科技大学教育部冶金设备与控制技术重点实验室，邮编：430081
2 中国武汉，武汉科技大学湖北省机械传动与制造工程重点实验室，邮编：340081
a378401869@qq.com，bsunying65@wust.edu.cn，c503616860@qq.com.
关键词：机械臂；模块化；运动规划；多连杆移动式机械臂
摘要
机械臂是一种可以模仿人手和手臂某些动作的自动操作装置，可以用来抓取和搬运物体，或操作固定过程中所用的工具。本文主要对机械臂的概念、国内外机械臂的发展历史和研究趋势进行了论述，主要从机械臂的运动规划、多连杆移动式机械臂的协调与控制三个方面对近年来的发展进行了综述，还介绍了有关问题及相应的处理方法。最后，本文探讨了机械臂研究领域的发展方向和需要解决的问题。
简介
机械臂是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它不仅可以代替繁重的劳动实现生产的机械化和自动化，还可以保护人们免受有害环境的影响，广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工、原子能等行业[1,2]。随着中国经济的飞速发展，中国对工业增长的需求也在上升，机械臂作为工业生产中的重要工具，其技术的不断突破变得越来越重要。目前，机械臂按驱动分类可分为：液压、气动、电动和机械型机械臂；按应用范围可分为特种机械手和一般机械臂两种；根据运动轨迹控制可分为点控制机械臂和连续轨迹控制机械臂。移动式机械臂由一个或多个机械臂和一个可移动平台组成，机械臂安装在可移动平台上可以实现无限的工作空间以及更多的冗余度[3,4]。此外，移动式机械臂还具有移动和操作功能，这使其性能要优于传统机器人和传统机械手。移动式机械臂的控制问题是近年来控制研究的热点和难点。我们在这方面的研究工作仍处于初始阶段。
国内外机械臂的发展
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械臂。中国第一台机械臂在上海研制成功，随后各省也纷纷开始研制和应用机械臂[5,6]。从第七个五年计划(1986年至1990年)实施以来，中国政府投入了大量资金，极大地提升了工业机械臂的重要性，随着大量学者和研究人员的参与，中国已经研制生产出了一系列工业机械手，包括北京机械自动化研究所设计制造的喷雾机械臂，广州机床研究所和北京机床研究所设计制造的点焊机械臂，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机械臂，沈阳理工大学设计制造的装卸机械臂等等。值得注意的是，这些机械臂所用的控制器是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机械手研究所共同研制的[7]。与此同时，机械臂的一系列关键部件，如机械臂轴承、减震器、直流伺服电机、编码器等也得到了开发。
移动式机械臂的定义
移动式机械臂由一个或多个机械臂和一个可移动平台组成，机械臂安装在可移动平台上可以实现无限的工作空间以及更多的冗余度[8,9]。此外，移动式机械臂还具有移动和操作功能，这使其性能要优于传统机器人和传统机械臂。因此，对机械臂系统控制问题的研究具有重要的理论和现实意义[10]。移动式机械臂控制的研究主要分为两大类：一类是移动平台与机械手的运动规划问题；另一类是移动平台与机械臂的协调控制问题。对于一项给定任务的完成，机械臂和平台运动的确定是非常重要的，完成运动规划后便可以使用适当的算法来控制机械手。由于移动式机械臂的工作涉及到平台和机械手两个子系统，因此实现其协调控制是至关重要的。此外，多连杆移动式机械臂在任务完成方面已经有许多实际应用[11]。
移动式机械臂运动规划
所谓的规划就是按照一定的评价标准，在障碍环境中，找出一条从起始状态到目标状态的无接触路径。对于移动式机械臂，规划问题包括机械臂规划和平台规划两部分[12,13]。平台与机械臂的结合使系统具有冗余性，同样的任务可以通过单个移动式机械臂或平台来实现，也可以通过移动式机械臂和平台同时作用来实现。此外，移动式机械臂系统具有复杂的动力学模型、较强的动态耦合性以及移动平台可能带来的不完全约束性，这些因素构成了移动机械臂的规划问题，本文对现有的规划方法进行了介绍[14,15]。早期的移动式机械臂规划方法没有充分利用移动式机械臂的性能，也没有将移动机械臂的完全动力学因素考虑在内。有些规划方法受到移动实现或功能操作方面的限制，还有一些忽略了机械臂的动力学特征。为了使机械臂处于首选操作区域，Yamamoto建议通过对平台运动的规划将机械臂区域的可操作性保持在最大化。Seraji移动平台引入了自由度概念，并且在多关节处引入了相同的自由度，整个机械臂系统实现了非常大的冗余度，并且可以在线对其进行运动规划[16]。
机械臂障碍回避的自由度及其驱动模型
根据机械臂关节运动轴的数量，可以将其分为三类：单轴关节-在一个平面绕轴运动的关节；双轴关节-能够围绕两个轴运动的关节，除了围绕水平轴运动外，其进行屈伸运动时还可以沿垂直轴做摇摆运动；多轴关节-有三个垂直的运动轴，这种关节多为球形或巢形，可做多方向运动，包括内收、外展以及旋转运动[17]。根据机械臂运动的特点，关节的自由度配置如下：手腕部位采用多轴关节配以俯仰自由度，手臂部位配以俯仰自由度，底座部分配以旋转自由度，如图1所示。
图1. 6 DOF机械臂模型
图2. D-H参数定义
机械臂由多个关节连接而成，这些关节多为刚性体。因此，在解决机械臂运动模型问题之前，首先要对刚性体有一个简单了解。要描述刚性体的状态，需要对刚性体的位置和姿态进行描述。串联型机器人在本质上是由运动副连接成的单个连杆组成的空间运动链。串联型机器人通常会采用D-H参数法来描述各连杆的相对位置，即引入连杆坐标系，如图2所示[18]。
移动式机械臂的协调控制
移动平台与机械臂的结合首先需要实现运动与操作的有效协调。对于某些平台而言，平台的运动方向会受到轮子和地面之间的纯滚动所带来不完全约束的影响。多连杆机械臂和平台的结合使整个机械臂系统产生了冗余度。冗余度问题的解决是实现协调控制需要解决的首要问题[19]。同时，移动平台和机械臂都具有复杂的动力学模型，且两者之间存在很强的耦合，此外，移动平台的质量一般较重，动态响应速度较慢；而机械臂质量轻，动态响应速度较快快。当人们对每一种控制问题进行研究时，通常会将最简单的问题作为切入点，对于移动式机械臂的控制问题而言也是如此[20]。Wiens从旋转关节和非移动平台入手，研究了平台运动对机械手性能的影响。他采用被动控制来减小平台运动对机械臂控制的影响，但没有考虑对平台的控制。Wiens的研究以这样一种假设为基础，机械臂已经经过很好的学习，并且位于首选操作区域，通过控制平台将机械手保持在最佳位置。
结论
移动式机械臂虽然在控制理论和应用研究方面取得了很多成果，但在某些方面的研究还不尽如人意，因此现存问题仍然是相关领域的研究方向。从控制器设计的角度来看，移动式机械臂具有非常复杂的动力学模型，因此，控制器的设计必须将完整的动力学模型考虑在内。此外，控制器设计还必须考虑环境变化、未知外部干扰、避障等不确定性，否则控制器将无法达到期望的性能指标。从处理方法的角度来看，如果采用成本函数法来解决规划问题，则需要根据不同的任务选择不同的成本函数，并通过不同的优化方法实现期望的解决方案。从控制目标出发考虑，控制器的设计应充分发挥移动机械臂的运动与操作相结合的优势，使机械臂和平台能够进行同时运动来完成任务。此外，现有的许多规划和控制方法只能通过计算机模拟来验证其可行性，而无法在实际的移动式机械臂系统中进行测试，因此关于移动式机械手的控制问题方面还有很多工作要做，尤其要解决国内目前还没有真正的移动式机器人系统的问题。
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[238501]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
