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三自由度機械臂工作原理篇一
機械手
機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展, 出現了數控加工中心,它在減輕工人的勞動強度的同時, 大大提高了勞動生產率。但數控加工中常見的上下料工序, 通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工、效率低;后者因設計復雜, 需較多繼電器,接線繁雜, 易受車體振動干擾,而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題。可編程序控制器plc控制的上下料機械手控制系統(tǒng)動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力, 保證了系統(tǒng)運行的可靠性,降低了維修率, 提高了工作效率。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。
一、工業(yè)機械手的概述
機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。在工資水平較低的中國，塑料制品行業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機械手的使用已經越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設在中國的工廠中引進了自動化生產。但現在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)的中國本土塑料加工廠也開始對機械手表現出越來越濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及為工人交工傷費帶來的挑戰(zhàn)。
隨著我國工業(yè)生產的飛躍發(fā)展，特別是改革開發(fā)以后，自動化程度的迅速提高，實現工件的裝卸、轉向、輸送或操作釬焊、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)自化，已愈來愈引起我們重視。
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定的程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。
在現實生活中，你是否會發(fā)現這樣一個問題。在機械工廠里，加工零件裝料的時候是不是很煩的，勞動生產率不高，生產成本大，有時候還會發(fā)生一些人為
事故，導致加工者受傷。想想看用什么可以來代替呢，加工的時候只要有幾個人巡視一下，且可以二十四個小時飽和運作，人行嗎？回答是肯定的，但是機械手可以來代替它。
生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率;可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產；尤其是在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中能夠代替人進行正常的工作。想到這里我就很想設計一個機械手，來用于生產實際中。
為什么選著設計機械手用氣動來提供動力：氣動機械手是指以壓縮空氣為動力源驅動的機械手。用氣壓驅動與其他能源驅動比較有以下優(yōu)點：1.空氣取之不竭，用過之后排入大氣，不需要回收和處理，不污染環(huán)境。（環(huán)保的概念）2.空氣的沾性很小，管路中壓力損失也很小（一般氣路阻力損失不到油路的千分之一），便于遠距離輸送。3.壓縮空氣的工作壓力較低(一般為4～8公斤/每平方厘米)，因此對動元件的材質和制造精度要求可以降低。4.與液壓傳動相比，它的動作和反應都快，這是氣動突出的優(yōu)點之一。5.空氣介質清潔，亦不會變質，管路不易堵塞。但是也有它美中不足的地方：1.由于空氣的可壓縮性，致使氣動工作的穩(wěn)定性差，因而造成執(zhí)行機構運動速度和定為精度不易控制。2.由于使用氣壓較低，輸出力不可能太大，為了增加輸出力，必然使整個氣動系統(tǒng)的結構尺寸加大。
用氣壓驅動與用其他能源驅動比較有以下優(yōu)點：
空氣取之不竭，用過之后排入大氣，不需回收和處理，不污染環(huán)境。偶然的或少量的泄漏不致對生產發(fā)生嚴重的影響。
空氣的粘性很小，管路中壓力損失也就很小，便于遠距離輸送。
壓縮空氣的工作壓力較低，因此對氣動元件的材質和制造精度要求可以降低。一般說來，往復運動推力在1~2噸以下采用氣動經濟性較好。
與液壓傳動相比，它的動作和反應都快，這是氣動的突出優(yōu)點之一?？諝饨橘|清潔，亦不會變質，管路不易堵塞。
它可安全地應用在易燃、易爆和粉塵大的場合。又便于實現過載自動保護.二﹑機械手的組成
機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但基本的組成
形式是相同的，一般由執(zhí)行機構、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。
1.執(zhí)行機構
機械手的執(zhí)行機構，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機構，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉動作。簡單的機械手可以沒有手腕。支柱用來支撐手臂，也可以根據需要做成移動。
2.傳動系統(tǒng)
執(zhí)行機構的動作要由傳動系統(tǒng)來實現。常用機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。
3.控制系統(tǒng)
機械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進行動作，簡單的機械手一般不設置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關、繼電器、控制閥及電路便可實現動傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構按要求進行動作．動作復雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。三﹑ 機械手的分類和特點
機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“mechanical hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
主要特點：
(1)機械手（上下料機械手、裝配機械手、搬運機械手、堆垛機械手、助力機械手、真空搬運機、真空吸吊機、省力吊具、氣動平衡器等）。
(2)懸臂起重機（懸臂吊、電動環(huán)鏈葫蘆吊、氣動平衡吊等）
(3)導軌式搬運系統(tǒng)（懸掛軌道、輕型軌道、單梁起重機、雙梁起重機）
(4)工業(yè)機械手的應用
機械手是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。
機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：
(1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。(2)在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。
(3)可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。(4)可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。(5)宇宙及海洋的開發(fā)。
(6)軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。
助力機械手:又稱平衡器、平衡吊、省力吊具、手動移載機等，是一種無重力化手動承載系統(tǒng)，一種新穎的、用于物料搬運時省力化操作的助力設備,屬于一種非標設計的系列化產品。針對客戶應用需求，量身定制的個案創(chuàng)作。
一種模擬人手操作的自動機械，它可按固定程序抓取﹑搬運物件或操持工具完成某些特定操作。應用機械手可以代替人從事單調﹑重復或繁重的體力勞動，實現生產的機械化和自動化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全。20世紀40年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用機械手搬運放射性材料，人在安全室操縱機械手進行各種操作和實驗。50年代以后，機械手逐步推廣到工業(yè)生產部門，用于在高溫﹑污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置在自動機床﹑自動生產線和加工中心中應用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。機械手主要由手部機構和運動機構組成。手部機構隨使用場合和操作對象而不同，常見的有夾持﹑托持和吸附等類型。運動機構一般由液壓﹑氣動﹑電氣裝置驅動。機械手可獨立地實現伸縮﹑旋轉和昇降等運動，一般有2～3個自由度。機械手廣泛用于機械製造
﹑冶金﹑輕工和原子能等部門。
能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。
機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢......機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms和柔性制造單元fmc中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。
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.
三自由度機械臂工作原理篇二
編號：
哈爾濱工業(yè)大學
大學生創(chuàng)新訓練項目申請書
項目名稱： 三自由度機械臂 申請級別：校級
執(zhí)行時間：2014 年 4 月至 2014 年 7 月 負責人： 張猛 聯系電話： *** 學號： 電子郵箱： 院系及專業(yè)：機電工程學院指導教師： 王曉溪 聯系電話： *** 院系及專業(yè)：計時儀表
哈爾濱工業(yè)大學本科生院
填表日期： 2014年4 月9日
職稱： 高級工程師 電子郵箱：
項目名稱：三自由度機械臂申請經費：3000元
一、課題組成員：（包括項目負責人、按順序）
二、指導教師意見：
三、院（系）專家組意見：
四、學校專家組意見：
五、立項報告
（一）項目簡介
在現代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現代化的進一步發(fā)展,自動化已經成為現代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產流水線等等，已經隨處可見。同時，現代生產中，存在著各種各樣的生產環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產環(huán)境不利于人工進行操作。
機械臂是當今在機械人學領域中得以最為廣泛應用的先進自動化機器，在醫(yī)學治療、工業(yè)制造、娛樂服務、半導體制造、軍事以及太空研究等領域中都發(fā)揮著重要的作用，得到相當的發(fā)展。雖然它們的形態(tài)不盡相同，但有著一個共同之處，那就是都可以接受指令，從而精準地定位到二維空間乃至三維空間的某一確定點進行工作。
工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新的技術，是現代控制理論與工業(yè)生產自動化實踐相結合的產物，并以成為現代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產過程自動化、改善勞動條件、提高產品質量和生產效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在工業(yè)應用領域里，有的時候并不需要機械臂一定具有完完全全的三個自由度，而僅僅需其中的某一個或某幾個自由度。直角坐標系機械臂能夠通過單軸機械臂有機組合而成。單軸的機械臂作為一個單一的組件，其在工業(yè)中的應用廣比較廣泛。單軸的機械臂的組件化，這樣一來就大大減少了工業(yè)設計的原有成本，因為一些專業(yè)制造廠商擁有較好的質量保證技術和批量生產等優(yōu)勢，這使得用組件設計機械臂比自行設計機械臂更為具有優(yōu)勢。
（二）申請理由
小組成員們學習了電工技術、c語言程序設計、機械原理等相關課程，具備設計三自由度機械臂的最初步的知識。并且從圖書館借了一些單片機使用以及機械原理的相關書籍。通過各種實驗和金工實習大家有了一定的動手能力。
（三）立項背景 1.研究現狀
（1）結構形式多種多樣。
機械臂之所以稱之為機械臂，其取名的由來是因為機械臂是為了模擬人的手臂來作業(yè)的，并且，從外形來看，其極似人的手，只是靈活性比人的手要差些。在機械臂所使用的各個領域之中，機械臂的外形并沒有嚴格的標準，沒有國標化，也不需要國標化。其外形的設計完全有適用環(huán)境而異，也因此機械臂的機構各不相同，種類繁多。在各領域中，機械臂發(fā)揮著你獨有的特性與優(yōu)越性，服務人類。
（2）機械臂的使用范圍、領域十分廣。
人們按照自己的需求，為了實現自己預設的構想，進而設計出了機械手，它被廣泛應用與各個領域，小到家庭用具，大到國防科技，這些領域都是他的天堂，他都可以大展身手。它可以實現的動作也不僅僅只是簡單的運動，還是蠻多的，比如說物體的搬移，位置的精準定位，模擬系統(tǒng)等。
（3）智能化
對于機械臂來說，其中一個比較麻煩的事就是如何確定目標在哪里，也就是定位目標，經過一段時間的研究，隨著傳感器技術的發(fā)展，這一類難題也慢慢得到解決。傳感器能夠反映機械臂的動態(tài)，及時形成有效信息并將其反饋到處理中心，中央處理中心并做出及時的分析計算，作出相應的動作，控制目標。對于機械臂作業(yè)對象來說，其外形各不相同，隨時都會遇到不同情況，但機械臂能夠通過傳感器，準確的判斷目標的位置，并準確的確定加持部位，將目標物送往下一道程序流程，在車間中，可以采用機械臂操作，實現無人車間，目前也取得了喜人的成果。2.研究趨勢
（1）一手多用，多功能機械臂。
抑制手臂可以實現對多重目標的操作，實現多種動作，適用于各種用途，實現創(chuàng)新功能。（2）具有高度模擬人的動作。
例如研發(fā)雙臂機械臂，使它想人一樣，能夠靈活作業(yè)，實現各種功能。人機完美結合，通信完備準確，適用于不同工況。
（3）高精度的定位。
通過采用各種傳感器，綜合而準確的反映目標精確位置，對目標操作物精準的操作，提高機械臂的定位精度。
（4）實現人工智能
研究的系統(tǒng)能夠對目標進行定性和定量的分析，并做出及時的反應。例如研發(fā)的系統(tǒng)設備具有類似于人的聽覺、觸覺、嗅覺、視覺和味覺等功能，能夠自行分析、判斷和處理，實現低成本，高要求，高水準，高效率的系統(tǒng)設計。3.研究意義
在最近幾十年的發(fā)展中，工業(yè)發(fā)展中出現了一位佼佼者——機器人。機器人的出現解決了很多人類難以解決的難題，為造福人類，解放發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻。而機器人的運動作業(yè)有很大一部分任務是有機械臂參與的，很大一部分工作由機械臂來承擔，可以說機械臂是機器人的主要執(zhí)行元件，直接參與作業(yè)。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是現代工業(yè)，機械手越來越受到各廠家的親萊，它對提高生產效率和產品質量，改善作業(yè)環(huán)境和促進產品的更新換代起著舉足輕重的作用。
（四）項目實施方案
機械臂的任務是將目標物從a點移到b點。根據實際情況，機械臂要實現的動作有：機械臂下降，機械臂夾取工件，機械臂上升，機械臂向右移動，機械臂下降，機械臂松開工件，機械臂上升，機械臂向左移動。機械臂到達各個位置的時候，相應的控制器檢測相應行程開關的通斷，進而作出相應的動作，進行控制。同時數碼管顯示搬運的狀態(tài)。
大致流程圖如下
起始位置→ 向下運動 → 夾持工件 → 向上運動 → 向右運動↑↓ 向左運動←向上運動←松開工件←向下運動
小組成員分工
（1）手臂承載能力大、剛性好、自重輕。手臂一般都采用剛性較好的導向桿來加大手臂的剛度，各支承、連接件的剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅動力。
（2）動作靈活。手臂的結構緊湊小巧，運動輕快、靈活。
（3）位置精度高。采用先進的控制方法，機械手的剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果盡可能恰當，加設定位裝置和行程檢測機構以及選擇合理的機械手的坐標形式。
（六）進度安排
4月份，完成機械臂的設計圖紙及其動畫設計，用軟件進行簡單的動畫模擬，同時，開始嘗試了解機械臂控制方面的理論知識及軟件；
5月份，根據初步掌握的機械臂控制方面的理論知識，進一步學習相關軟件，做到能進行簡單的程序編程，同時，通過各種方式加工出機械臂的相關零件；
6月份，根據機械臂設計圖紙，完成相關零件的制作，并根據設計圖紙進行組裝，并嘗試為機械臂設置簡單的動作，并為這些動作進行編程；
7月份，將所編程序應用到機械臂上，模擬實驗機械臂能否按照預先設計的動作運行，并對與預期不符的地方進行改進和改造，爭取達到預期目標，并邀請指導老師進行評價及指導。
（七）中期及結題預期目標（即中檢和結題時考核的依據，比如論文級別、專利、設計、產品、服務等）
用作圖軟件做出機械臂的圖紙，并對機械臂工作原理進行動畫模擬，初步掌握學習機械臂控制原理及控制技術，要求能夠運用軟件編程控制最終機械臂成品；預期目標：制作出三自由度機械臂成品并能控制其做簡單的行動。
（八）經費使用計劃單位：元
三自由度機械臂工作原理篇三
機械手
機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展, 出現了數控加工中心,它在減輕工人的勞動強度的同時, 大大提高了勞動生產率。但數控加工中常見的上下料工序, 通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工、效率低;后者因設計復雜, 需較多繼電器,接線繁雜, 易受車體振動干擾,而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題?？删幊绦蚩刂破鱬lc控制的上下料機械手控制系統(tǒng)動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力, 保證了系統(tǒng)運行的可靠性,降低了維修率, 提高了工作效率。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。1．工業(yè)機械手的概述
機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。在工資水平較低的中國，塑料制品行業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機械手的使用已經越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設在中國的工廠中引進了自動化生產。但現在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)的中國本土塑料加工廠也開始對機械手表現出越來越濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及為工人交工傷費帶來的挑戰(zhàn)。
隨著我國工業(yè)生產的飛躍發(fā)展，特別是改革開發(fā)以后，自動化程度的迅速提高，實現工件的裝卸、轉向、輸送或操作釬焊、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)自化，已愈來愈引起我們重視。
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定的程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。
生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率;可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產；尤其是在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中能夠代替人進行正常的工作。2．機械手的組成
機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但基本的組成形式是相同的，一般由執(zhí)行機構、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。1.執(zhí)行機構
機械手的執(zhí)行機構，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機構，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉動作。簡單的機械手可以沒有手腕。支柱用來支撐手臂，也可以根據需要做成移動。2.傳動系統(tǒng)
執(zhí)行機構的動作要由傳動系統(tǒng)來實現。常用機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。3.控制系統(tǒng)
機械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進行動作，簡單的機械手一般不設置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關、繼電器、控制閥及電路便可實現動傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構按要求進行動作．動作復雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。3．機械手的分類和特點
機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“mechanical hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。主要特點：
(1)機械手（上下料機械手、裝配機械手、搬運機械手、堆垛機械手、助力機械手、真空搬運機、真空吸吊機、省力吊具、氣動平衡器等）。
(2)懸臂起重機（懸臂吊、電動環(huán)鏈葫蘆吊、氣動平衡吊等）
(3)導軌式搬運系統(tǒng)（懸掛軌道、輕型軌道、單梁起重機、雙梁起重機）4．工業(yè)機械手的應用
機械手是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。
機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：
(1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。(2)在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。
(3)可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。(4)可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。(5)宇宙及海洋的開發(fā)。
(6)軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。
應用機械手可以代替人從事單調﹑重復或繁重的體力勞動，實現生產的機械化和自動化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全。20世紀40年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用機械手搬運放射性材料，人在安全室操縱機械手進行各種操作和實驗。50年代以后，機械手逐步推廣到工業(yè)生產部門，用于在高溫﹑污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置在自動機床﹑自動生產線和加工中心中應用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。機械手主要由手部機構和運動機構組成。手部機構隨使用場合和操作對象而不同，常見的有夾持﹑托持和吸附等類型。運動機構一般由液壓﹑氣動﹑電氣裝置驅動。機械手可獨立地實現伸縮﹑旋轉和昇降等運動，一般有2～3個自由度。機械手廣泛用于機械製造﹑冶金﹑輕工和原子能等部門。
機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更普遍。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。
三自由度機械臂工作原理篇四
1機械臂設備的工作原理
研究所使用的機械臂設備是固高科技(深圳)有限公司自行研究、開發(fā)的一款高性能二自由度串聯機械臂系統(tǒng)(gp．8．200．sv)，它可進行簡單的二維圖形的繪制，機械臂實體圖如圖1所示。該機械臂采用交流伺服電機作為驅動源，通過行星齒輪減速器直接驅動兩個運動關節(jié)，與電機耦合的增量式光電編碼器對機械臂的兩個控制軸進行位置定位。該機械臂使用基于dsp的運動控制器作為底層實時控制設備，pc機作為上層的控制系統(tǒng)，整個機械臂系統(tǒng)的控制結構框圖如圖2所示。
始于原點的控制軸為關節(jié)1，與其相連接的為關節(jié)2。機械臂通過控制這2個關節(jié)的協(xié)調運動帶動安裝在關節(jié)2末端的繪筆完成繪圖任務。機械臂接收到繪制曲線的指令后，以當前位置的直角坐標為繪圖的起始點，根據所要繪制曲線的參數方程及繪制精度均勻取曲線上的h個點，獲得完成繪圖任務所需的h個目標位置，然后利用運動學反解公式，將這些目標點轉化為2個關節(jié)相對應的關節(jié)坐標，再將關節(jié)坐標系下的目標位置、最大速度、加速度等參數轉換成伺服驅動器能夠識別的脈沖量，輸入到運動控制器中驅動伺服電機運動。機械臂關節(jié)位置的反饋信息由增 量式光電編碼器獲得，先將所得到的脈沖量轉換為關節(jié)坐標值，再進行運動學正解，就可以得到當前機械臂繪筆位置的直角坐標。圖3二自由度機械臂在平面直角坐標系中的投影圖 根據圖3，直接應用平面幾何的知識，即可得到 關節(jié)2末端坐標的運動學正解與反解的公式㈣。
當機械臂的繪筆在畫紙上進行實際繪圖時，觀察到以下問題。首先，機械臂實際繪出的圖形與光電編碼器反饋數據還原后的圖形有較大差異，表明反饋信息并不能真實反映實際輸出，而這個偏差是由于電機與機械臂關節(jié)之間存在傳動部件的耦合松動。其次，機械臂的繪筆在不同的位置、沿不同的方向繪出的圖形也有比較明顯的差別，而這往往是因為關節(jié)轉動所固有的機械特性。此外，繪出的圖線有小鋸齒狀，不平滑，仔細觀察后發(fā)現，繪圖過程中機械臂有輕微的 抖動，這可能是由于關節(jié)運動速度過快等原因造成的。圖5就是機械臂在畫紙上繪制四葉玫瑰線的實際圖形。因為無法改變機械臂關節(jié)轉動過程中的機械特性，于是僅針對在一個確定的起始位置、沿一個確定的方向的繪圖過程進行補償，如果起始點更換到其他
位置，補償思想不變。當機械臂的關節(jié)l處于60。同時關節(jié)2處于80‘的位置時，關節(jié)2末端的繪筆剛好
位于繪圖板的中部，因此以下的研究均以這個位置作 為繪圖的起始位置。
圖5機械臂實際繪制的四葉玫瑰線
fig．5 four-leafrose practically drawn by robot ann 由于光電編碼器反饋回的數據與實際輸出有較
大差距，為獲得較好的實際結果，所以根據實測的間 隙值設定其補償量，對運動控制器的參考輸入進行修 正。以改進圖5為例，進行簡單的常數補償。四葉玫 瑰線的中心點坐標為‰，yo)，可以看到x
在圖5的基礎上進行補償后，機械臂已經能夠繪
制出比較準確的曲線，但其平滑度還不夠理想。下面 針對關節(jié)的運動速度進行分析，期望通過降低速度來 消除曲線上的抖動，以獲得更好的繪圖效果。機械臂 的控制軸按照梯形速度曲線模式運動，即運動關節(jié)從 當前位置點運動到下一個目標點的過程中經歷3個階 段，第l階段速度根據設定的加速度值從零加速到最 大速度，第2階段加速度為零，速度保持已達到的最 大速度運行，第3階段速度再按設定的負向加速度減 速到零．并且此時到達要求的目標位置。寫入運動控 制器的每一條指令都含有目標位置、最大速度和加速 度這3個參數。加速度在系統(tǒng)初始化時已設定。而最
1一一i 大速度被定義為v=—iv-—1"01step time，其中內和p分別j。i 表示當前點位置和下一目標點位置，step time是時 間參數。很顯然，當圖形軌跡的離散點完全確定以后． step time就決定著最大速度的取值，其系統(tǒng)默認值 為0 000 8。增大step time．則2個關節(jié)的運動速 度會相應減小。圖6顯示了補償之后取step time= 0．001 1時的實際繪圖結果，可以看出．曲線形狀已經 比較標準，且抖動被消除。
第二章機械臂控制系統(tǒng)概述
2．1二自由度機械臂運動學分析
2．1．1機械臂工作空間分析
機械臂的工作空間定義為：機械臂正常運行時，機械臂末端連桿上的工具原點在空
間的最大范圍。工作空間一般是一塊或多塊空間體積，它們具有一定的邊界曲面，邊界 曲面上的點對應的操作機的位置和姿態(tài)稱為機械臂的奇異位形，與這些奇異位形對應的
機械臂的速度雅可比矩陣是奇異的。由于硬件設計上的限制，該二自由度機械臂的工作 空間被限制在如圖2—1所示的空問內，空間段近似為(弧ab+弧bcd+弧de+直線ef+弧fpg +直線ga)所圍成的封閉平面，驗證實驗也必須限制在這個空間內完成。
篇15頁
第二章機械臂控制系統(tǒng)概述
2．1．2機械臂運動學解
機械臂通常具有兩種運動方式：關節(jié)空間運動和直角坐標運動。關節(jié)空間運動模式
是指機械臂的運動直接由各個關節(jié)的運動坐標來確定，所有關節(jié)變量構成一個關節(jié)矢量。所有關節(jié)矢量構成的空間稱為關節(jié)空間。所謂關節(jié)空間運動模式，就是直接操作各個關 節(jié)的運動來完成機器人的運動。直角坐標運動模式是指機械臂術端工具的位置和方位通 常是在直角坐標空間中描述。直角坐標空間運動模式通過指定機械臂術端工具在直角坐 標空間中的運動來完成機械臂操作任務。
機械臂的實際運行是通過對關節(jié)運動軸的伺服控制來實現的，也就是最終的機械臂 的控制是在關節(jié)坐標空間進行的，但是對操作者來說，直角坐標空間更容易讓人理解和 接受，操作者對機械臂的操作一般是在直角坐標空間中進行的，這樣就需要建立一種關 節(jié)坐標空間和直角坐標空間的對應關系。也就是說，如果已知機械臂各個關節(jié)的坐標參 數，就需要求解機械臂木端在直角坐標空間中的坐標；反過來如果已知機械臂末端在直 角坐標空間的坐標就需要求解各個運動關節(jié)的坐標參數。前一個問題稱為機械臂的運動 學正解，后一個問題稱機械臂的運動學反解。
設機械臂的關節(jié)坐標空問中的變量記為q；【ql，q2?，吼】，機械臂木端工具在直角坐標 空間中的坐標記為x—k，y，z，0?】，關節(jié)變量和直角坐標空間坐標存在如下運動學約束：，@，口)一0(2．1)這是一個隱式方程。如果能夠從式(2．1)求解出： x一，(g)(2．2)即由關節(jié)坐標變量表示的直角坐標變量，這就是機械臂的運動學j下解。一般地，可以得 到機械臂運動學的惟一正解。如果能夠從式(2．1)求解出： q=g(x)(2．3)也就是已知機械臂末端工具的直角坐標參數，求解出對應關節(jié)坐標空間中的各個關節(jié)變 量，這就是運動學的反解。通常，難以得到解析的運動學反解，而且運動學反解一般不 是唯一的，實際應用中通常采用幾何機械臂的運動學解。1．二自由度機械臂運動學正解
已知：關節(jié)1連桿長度‘，關節(jié)變量為ql(關節(jié)控制軸l角度位置)；關節(jié)2連桿長 度l，關節(jié)變量為q，(關節(jié)控制軸2角度位置)。
第16頁
第二章機械臂控制系統(tǒng)概述
求解：關節(jié)連桿末端工具安裝點在直角坐標空間的坐標x=b，y】。
運動學所研究的主要問題包括兩個方面：正向運動 學，即給定機器人各關節(jié)角度，計算機器人末端的 位置與姿態(tài)；逆向運動學，已知機器人末端的位置 與姿態(tài)，來計算機器人對應這個位置與姿態(tài)的全部 關節(jié)角，運動學方程是實現機器人運動控制的數學 基礎。
利用d．h方法對每一個連桿建立
坐標系如圖l所示，根據圖l所建立的坐標系，得到 各連桿的d—h參數和關節(jié)變量(表1)。各連桿之 間的齊次變換矩陣為，一般表達式為：
三自由度機械臂工作原理篇五
基于閱讀機械臂研究的簡單總結 機械臂研究的目的
現今社會中要求的是生產規(guī)模擴大、自動化程度提高。而機械臂作為物料搬運的重要設備在現代化建設、生產過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。并且在全球化的市場中，激烈的國際、國內市場也越來越依賴于科學技術的競爭，這些都是促使工程機械臂設計開發(fā)技術向大型化、高可靠性、高速化、自動化和智能化方向發(fā)展的原因。工程機械臂的機械設計者面臨著新的、更嚴格的挑戰(zhàn)。其主要問題即為隨著機械臂機構速度的提高，構件柔度的加大，精度要求的增加，工程機械臂生產運行時產生較大的慣性力，會導致彈性部件的變形。當臂架機構運動進入高速區(qū)域時，只有將運動部件作柔性體的假設，形成所謂的柔性機構。此時，由于機構部件間的剛體運動與其彈性變形賴合等問題，動力學模型將變得很復雜，給實際問題的解決帶來很大的困難。事實上關于柔性體運動與其自身變形的復合動力學問題已經是目前的普遍性的難題。機械臂系統(tǒng)的研究現狀
在通過三遍文章的閱讀中，多體系統(tǒng)動力學是國內外研究工程機械臂架系統(tǒng)最普遍的多體系統(tǒng)。多體動力學是力學一個新的并迅速發(fā)展的分支，它是相互連接的機體系統(tǒng)運動的非線性動力學。首先介紹多體系統(tǒng)動力學的國內外研究現狀。多體系統(tǒng)的物理模型定義為由物體鉸力元和外力等要素組成且具有一定拓撲結構的系統(tǒng)，多體系統(tǒng)動力學是研究多體系統(tǒng)運動規(guī)律的科學。多體系統(tǒng)動力學: 包括多剛體系統(tǒng)動力學和多柔體系統(tǒng)動力學。多體系統(tǒng)動力學研究內容主要包括剛、柔體動力學建模理論及其計算方法、微分方程的數值求解、計算效率、機構綜合分析、柔性效應、控制理論、優(yōu)化方法、實時仿真虛擬樣機技術、并行計算和可靠性等?，F在多體動力學已經形成了比較系統(tǒng)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為代表的分析力學的方法、以牛頓-歐拉方程為代表的矢量學方法、圖論方法、凱恩方法和變分方法等。工程機械臂主要研究方向
工程機械臂架系統(tǒng)是工程機械設計的關鍵，機械臂系統(tǒng)的合理與否將直接關系到整個工程機械的性能以及作用。經過三篇相關文獻的閱讀，了解到目前對于工程機械臂的研究大致分為以下幾個部分: 3.1工程機械臂系統(tǒng)的動力學微分方程的研究。工程機械臂架系統(tǒng)屬于典型的多體系統(tǒng)，釆用多體動力學的方法建模。多體動力學的常規(guī)建模方法主要有羅伯森-維滕伯格方法、牛頓-歐拉方法、拉格朗曰法、凱恩方法以及休斯敦法代表文獻: 鄧子龍等基于kane方程的huston方法建立了液壓挖掘機機械臂多體動力學微分方程;于國飛等采用拉格朗日功能平衡法建立了液壓挖掘機機械臂多體動力學微分方程劉杰等釆用拉格朗曰方程和虛功原理建立混凝土系車臂架系統(tǒng)的柔性多體動力學方程。任會禮等建立了描泊起重船吊臂的動力學微分成并進行動力學特性求解。上述文獻釆用拉格朗曰方法在廣義坐標系中建立液壓挖掘機工作裝置機構運動模型簡圖和鍋泊起重船機構動力學模型簡圖的剛體動力學方程，并采用數值求解的方法進行求解，為分析工作裝置及回轉裝置力與運動之間關系、控制作業(yè)規(guī)劃和仿真提供了理論基礎。3.2工程機械臂的動力學仿真研究。主要采用動力學分析軟件或數值求解的方法對機械臂進行仿真。張思奇等運用matlab軟件與adams軟件對混凝土泵車臂架進行聯合仿真；周淑文采用adams軟件ansys軟件相結合對泵車臂架的瞬態(tài)動力學特性進行了研究;王欣等利用adams軟件對履帶起重機臂架后傾動力學進行仿真。各文獻的大致內容
4.1 王相兵博士的論文中完成的研究工作以及主要成果有如下幾個方面：研究了工程機械臂的多剛體動力學方程及柔性多體動力學方程的建模方法，討論了等效有限元方法和拉格朗日定理，對柔性梁的多體動力學理論基礎進行了研究。根據柔性多體動力學理論，用模態(tài)函數描述臂架的彈性變形，用lagrange 定理和虛功原理建立液壓挖掘機臂架系統(tǒng)剛柔耦合的非線性動力學方程，并通過數值求解、動力學仿真的方法對建立的動力學方程進行分析。
對已建立的動力學方程利用matlab進行求解，運用仿真軟件adams建立液壓挖掘機機械臂剛柔耦合模型并分析，對比了二者結果。
考慮大型船用挖掘機機械臂的軸向變形，采用拉格朗日定理建立其柔性機械臂動力學方程，采用數值求解的方法，利用復模態(tài)分析中的狀態(tài)矢量法對機構動力學控制方程進行了解耦，得到機械臂在標稱運動附近振動固有頻率和大范圍剛性轉動角速度的關系。柔性機械臂的固有頻率不是一個固定的值，其值隨柔性機械臂大范圍剛性轉動角速度的變化而改變，轉動角速度越高，固有頻率越大。當大范圍剛性運動的轉動角速度低，低于彈性振動的基頻時，剛柔耦合影響可以忽略不計，此時固有頻率可視為一個常數。
應用ug、nastran、adams等軟件建立了柔性臂架、柔性變幅繩、柔性抓 斗提升鋼絲繩、剛性支架、剛性回轉平臺的船用挖掘機虛擬樣機模型。根據船用挖掘機機械臂系統(tǒng)結構及工況特點，施加載荷并進行動力學分析，通過后處理模塊，得到系統(tǒng)位移、速度、加速度等動態(tài)性能，以及連接點的鉸接力和動臂的動態(tài)應力等特性。
研究液壓挖掘機機械臂的軌跡規(guī)劃及運動控制。分析了工程機械臂控制策略理論基礎，根據控制原理及機械臂鏟斗運動軌跡跟蹤控制表達式，建立工作裝置機械臂pid控制模型及基于rbf神經網絡的pid控制模型，運用matlab及相關軟件對控制模型進行仿真計算，分析了系統(tǒng)的動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)誤差，并得出基于rbf神經網絡的pid控制優(yōu)于常規(guī)控制的結論，能夠實現挖掘機工裝軌跡的智能控制。
利用模態(tài)分析、諧響應分析確定對系統(tǒng)動態(tài)性能影響最大的模態(tài)頻率，以此為基礎構建動態(tài)優(yōu)化的目標函數，再利用靈敏度分析縮減設計變量以提高動態(tài)優(yōu)化的效率。利用有限元分析軟件中的優(yōu)化模塊對液壓挖掘機工作裝置機械臂結構系統(tǒng)進行了動態(tài)優(yōu)化設計。
采用拉格朗日乘子法將液壓挖掘機工作裝置機械臂結構約束動態(tài)優(yōu)化問題轉化為無約束的動態(tài)優(yōu)化問題，得到此拉格朗日函數的極小值點并且此拉格朗日函數極值點將逐步逼近原目標函數的約束最優(yōu)點，由收斂準則可得近似最優(yōu)解。以有限元分析為基礎，將正交試驗法與bp神經網絡結合，建立了工作裝置機械臂結構設計變量與動態(tài)特性之間的非線性映射關系的神經網絡模型，用遺傳算法優(yōu)化神經網絡模型得到最優(yōu)解。
4.2陳辛研究生的文獻中以建立機械臂動力學模型為重點，采用動力學方法建立各類機械臂的動力學模型，并對所得模型進行了動力學仿真和分析： 首先，研究了機械臂的運動學模型，通過運動學特性的研究我們得出了機械臂的運動量隨時間變化的關系。運動學控制是傳統(tǒng)機械臂的控制方法，但是隨著高速、柔性機械臂的出現顯示了運動控制的很多不足。
其次，應用分析力學的第二類拉格朗日方程建立了普通機械臂的動力學模型。在建立動力學模型的過程中，采用了符號運算的方法，大大地減少了人工運算時間，并且對所得模型進行了動力學仿真。
第三，應用帶有虛擬質量、耗散函數形式的第二類拉格朗日方程建立了水下受流體阻力作用的機械臂的動力學模型。通過對機械臂運動過程的仿真，我們可以定性的看出機械臂的動力學特性，即粘性阻力在一定范圍內是可以忽略的，但是流體阻力和虛擬質量是不能忽略的。另外，操縱力矩可能出現操縱反效的可能，這對控制來說是非常重要的問題。
第四，應用凱恩方法、模態(tài)展開方法建立了柔性機械臂的動力學模型。并且對所得模型進行動力學仿真，發(fā)現當柔性機械臂在運動的時候會存在小幅振動，機械臂停止轉動后由于機械臂之間空間幾何關系上的耦合，會導致小幅振動激發(fā)機械臂繞軸的整體轉動，繞軸的整體轉動又會引起機械的彈性小幅振動，這對機械臂的空間定位和控制系統(tǒng)的設計是十分不利的。
4.3常明華同志的文章對工程機械臂系統(tǒng)結構特性的研究現狀進行了分析，文章中對目前的結構特性的研究的深度以及方向進行了詳細的說明，以此，我在總結中多次引用。并且文章對于機械臂的結構特性的缺點表達了自己的想法。
4.4各文獻的聯系
其中兩邊文章對工程機械臂結構系統(tǒng)進行了詳細的研究，尤其以王相兵博士的文獻，以機械臂的用處分類對機械臂進行了很專業(yè)的研究，以至于我很多看不懂。而常明花同志則以總結為主。三遍文章都對機械臂的結構特性在不同的角度進行了不同闡述。
4結論
綜上所述，國內外針對各種工程機械臂動力學及其動態(tài)性能，釆用各種現代設計方法在運動學及動力學建模、數值求解及仿真分析、結構模態(tài)分析技術、動力學智能控制、結構動態(tài)優(yōu)化技術等方面開展了許多研究并取得了卓越成效的成果，一定程度上提髙了工程機械臂架結構的動態(tài)性能，但仍存在如下不足。4.1結構動力學研究基本采用瞬時結構假設，單獨考慮剛體運動，忽略彈性變形及剛柔禍合產生的非線性動力學效應，對于液壓機械臂亦沒有同時考慮液壓敘的運動規(guī)律，因此不能精確描述機械臂運動學和動力學方程，相應地，結構的模態(tài)計算和動力學響應分析無法通過數值求解的方法實現。
4.2數值求解及仿真分析沒有充分、綜合運用數字化設計手段對其進行全面分析，在數值求解方法及精度、剛柔耦合機構聯合仿真、動態(tài)響應分析等方面分析還很不完善，在軟件接口、數據傳遞、模型簡化、約束處理等還、需改進。
參考文獻
王相兵.工程機械臂系統(tǒng)結構動力學及特性研究.浙江大學.2014.7 常明華.工程機械臂系統(tǒng)結構特性研究現狀與展望.江西建材.2014.9 陳辛.機械臂的動力學研究.哈爾濱工程大學.2008.6
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