機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)

機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)姓名：張楊學(xué)號(hào)：20503067專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論

機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)千百年來，人類不斷地發(fā)明了各種機(jī)構(gòu)（機(jī)械），機(jī)構(gòu)早已同人類生活息息相關(guān)。隨著機(jī)器人、宇航工程、海洋工程等高新技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)，以及工業(yè)自動(dòng)化、交通、郵電、醫(yī)療等事業(yè)的發(fā)展研制能夠滿足高精度、重負(fù)載、高效率要求的新機(jī)構(gòu)已迫在眉睫。。機(jī)構(gòu)的發(fā)展大致經(jīng)歷了從一桿到多桿、從平面到空間、從串聯(lián)到并聯(lián)的過程。1965年，英國高級(jí)工程師Stewart發(fā)表了《一個(gè)具有六個(gè)自由度的平臺(tái)》的文章，在工程界引起轟動(dòng)，人們很快注意到了這種機(jī)構(gòu)具備很多優(yōu)點(diǎn)，如輸出精度高、結(jié)構(gòu)剛性好、承載能力強(qiáng)、便于控制、部件簡單等等。時(shí)到今日很多人把這種機(jī)構(gòu)稱為Stewart機(jī)構(gòu)。如圖1所示，Stewart機(jī)構(gòu)是最典型的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，簡稱并聯(lián)機(jī)構(gòu)，又稱多環(huán)路機(jī)構(gòu)。1并聯(lián)機(jī)構(gòu)只\并聯(lián)機(jī)構(gòu)由最初的Stewart平臺(tái)不斷發(fā)展，到今天已形成了一個(gè)龐大的體系。近年來，隨著應(yīng)用的深入和研究手段的加強(qiáng)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分析研究已經(jīng)成為機(jī)構(gòu)學(xué)者的熱門課題。各國機(jī)構(gòu)學(xué)者爭相在各類刊物上發(fā)表文章。他們的研究從低成 級(jí)機(jī)構(gòu)到高級(jí)機(jī)構(gòu)，不斷深入研只\究。圖I 井聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人是一個(gè)知識(shí)密集型的機(jī)構(gòu)〃并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)問題屬于空間多自由度多環(huán)機(jī)構(gòu)學(xué)理論，是隨著對并聯(lián)機(jī)器人的研究而發(fā)展起來的〃所以研究并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論對掌握研制和控制并聯(lián)機(jī)器人有著特殊重要的意義〃此外并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)還覆蓋了多足步行機(jī)多關(guān)節(jié)多指手爪和多機(jī)器人協(xié)調(diào),它們也都屬于同一的機(jī)構(gòu)學(xué)范疇。1機(jī)器人機(jī)構(gòu)的優(yōu)化綜合運(yùn)動(dòng)精度是衡量工業(yè)機(jī)器人的主要性能指標(biāo)之一，一般包括絕對精度和重復(fù)精度兩種〃近年來，對上述兩種精度誤差的研究已較多，主要集中在位姿誤差分析和位姿誤差的識(shí)別與補(bǔ)償〃誤差分析主要是誤差建?！▽τ谝粋€(gè)特定的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，絕對位姿誤差是系統(tǒng)誤差〃根據(jù)對機(jī)器人系統(tǒng)的測量，所獲取的數(shù)據(jù)信息，可通過重新調(diào)整關(guān)節(jié)變量來校準(zhǔn)這一誤差〃，對于機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，重要的是如何根據(jù)其設(shè)計(jì)精度分配連桿參數(shù)公差和關(guān)節(jié)伺服定位精度公差〃在誤差概率分析的基礎(chǔ)上，建立了以連桿參數(shù)公差或關(guān)節(jié)伺服定位精度公差為設(shè)計(jì)變量!公差制造成本為目標(biāo)函數(shù)!絕對位姿誤差或重復(fù)位姿誤差滿足設(shè)計(jì)精度為約束條件的機(jī)器人機(jī)構(gòu)精度的概率優(yōu)化綜合的數(shù)學(xué)模型〃。優(yōu)化綜合的機(jī)器人機(jī)構(gòu)的連桿參數(shù)公差,可以最低成本將機(jī)器人的絕對位姿誤差控制在一定的精度范圍內(nèi)，并可能免除對機(jī)器人絕對誤差的校正或補(bǔ)償"按重復(fù)位姿精度分配的最優(yōu)關(guān)節(jié)伺服定位精度公差，為選擇恰當(dāng)精度的關(guān)節(jié)伺服定位裝置提供了依據(jù)"。2精度概率優(yōu)化綜合的數(shù)學(xué)模型機(jī)器人的精度綜合,就是選擇合理的連桿參數(shù)公差或關(guān)節(jié)伺服定位精度公差,使其所產(chǎn)生的手部絕對位姿誤差或重復(fù)位姿誤差滿足相應(yīng)的精度要求"以公差成本最小為目標(biāo)，確定最優(yōu)連桿參數(shù)公差及關(guān)節(jié)伺服定位精度公差"。3步行機(jī)的驅(qū)動(dòng)仿生和機(jī)構(gòu)學(xué)仿生我們提出了驅(qū)動(dòng)仿生和結(jié)構(gòu)的參數(shù)仿生的新思想，在研究海中螃蟹和陸上昆蟲之后，將步行機(jī)的仿生研究從步態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生（以腿代輪，以鉸鏈代滑副等）推到新的高度〃建立陸上和水下步行機(jī)模型,特別是應(yīng)用多環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)的影響系數(shù)和超確定輸入的理論研究了有重要意義的低能耗高靈活性的機(jī)型及參數(shù)，為新一代的步行機(jī)的研制作了技術(shù)儲(chǔ)備〃。4在多機(jī)器人協(xié)同操作上的新思路我們以超確定輸入下的協(xié)調(diào)方程和最優(yōu)解析方程的理論實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同下的，從操作空間向和關(guān)節(jié)空間的直接映射〃建立了最基本的多機(jī)器人協(xié)同操作的動(dòng)力學(xué)模型，并發(fā)展了非常有意義的有我們特點(diǎn)的無內(nèi)力控制方案〃國際上所采用間接映射方案，實(shí)際上常常并不是必要的〃。二針對于本課題的機(jī)構(gòu)學(xué)問題：1動(dòng)力學(xué)部分以及校核工作:機(jī)器人在行走的過程中，每條腿都是抬起和著地兩種狀態(tài)交替變化，包括串聯(lián)和并聯(lián)兩種機(jī)構(gòu)，即抬起腿為串聯(lián)機(jī)構(gòu)，著地腿、軀體、地面形成并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并且這種多環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)得環(huán)數(shù)也將隨著著地腿的數(shù)目不同而不同。在此基礎(chǔ)上，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的分析，并在動(dòng)力學(xué)求解的基礎(chǔ)上解決兩方面的問題，一是求解運(yùn)動(dòng)副的計(jì)算反力，作為下一步校核工作的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持；二是對超確定輸入的系統(tǒng)力矩進(jìn)行能量的優(yōu)化分配。2動(dòng)力的有效傳遞問題在動(dòng)力的傳遞方面，行走系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的足比連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的輪子要復(fù)雜的多，這是由于大量獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的自由度的存在而變得更加嚴(yán)重。單自由度驅(qū)動(dòng)的大多數(shù)輪式車輛動(dòng)力傳遞較好，盡管三十多年以來有相當(dāng)多的步行機(jī)器人問世，但是機(jī)械效率相當(dāng)?shù)玫?，因此，如何從機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)得角度，尤其是從本課題出發(fā)大幅度的提高它的機(jī)械傳動(dòng)效率也是難點(diǎn)。3剛度問題機(jī)器人的腿在行走的過程中交替地支撐機(jī)體地重量并在負(fù)重狀態(tài)下推進(jìn)機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)，因此腿機(jī)構(gòu)必須具備與整機(jī)重量相適應(yīng)地剛性和承載能力，只有這樣，才不至于患“軟腿病”，這是一個(gè)需要引起普遍重視地問題，在步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，還需對機(jī)器人進(jìn)行剛度的分析，然而機(jī)器人系統(tǒng)的剛度涉及到很多因素，除考慮到桿件剛度外，還要考慮到減速系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)的剛度。機(jī)器人關(guān)節(jié)的撓曲剛度和傳遞力矩之間的關(guān)系為Mi=k?qii=1,2,.????.,n、為i關(guān)節(jié)的力矩；k為i關(guān)節(jié)的剛度；M為i關(guān)節(jié)的減速系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)變形引起的位移。3精簡計(jì)算從機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度，忽略了哥氏力和向心力也可以精簡動(dòng)力學(xué)方程的計(jì)算，因?yàn)樵趯?shí)時(shí)控制機(jī)器人的過程中，動(dòng)力學(xué)的計(jì)算是在所控制的力學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行的，在此時(shí)刻要求實(shí)時(shí)計(jì)算，在桿件低速運(yùn)行時(shí)忽略兩者節(jié)省機(jī)器運(yùn)算時(shí)間。4實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)問題偵察機(jī)器人主要運(yùn)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭中對敵方實(shí)施偵測，不僅要求機(jī)器人可以到達(dá)敵方前沿陣地偵察敵軍部署情況，而且還要考慮到深入敵后對敵軍實(shí)施電子監(jiān)測甚至在必要時(shí)可搭載監(jiān)聽干擾設(shè)備對其進(jìn)行干擾的可能性，因此，要求其對地形有較強(qiáng)的的適應(yīng)能力能夠在各種不同的地面環(huán)境下靈活穩(wěn)步的移動(dòng)。通過對機(jī)器人體內(nèi)各個(gè)不同電機(jī)的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)偵察機(jī)器人在小擾動(dòng)作業(yè)條件下的各種規(guī)定行進(jìn)動(dòng)作（前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、加速、停止、攀爬、越障等運(yùn)動(dòng)）及相應(yīng)的控制，因此計(jì)算量是相當(dāng)大的。