仿真机械手臂设计范文第1篇

[关键词]搬运机械手 仿真设计 制作探讨

中图分类号：TP241.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0368-01

引言

机械手主要是代替人的手和胳膊去完成一些动作，根据固定工序进行抓取和搬运物品的一种机械电子装置。可以帮助人们有效生产，降低劳动强度。机械手在生产中运用越来越广。

1、U壳搬运机械手的结构设计

1.1 滑座部件结构设计

U壳搬运手设备也是自动化设备，它的主要作用就是将冰箱U壳搬运到传送带上[1]。它的滑座部分支撑着设备的水平移动。衡器缸和z轴承载着设备的主要重量，但是它们之间的固定需要依靠滑座部件的中间部分，同时滑座中间部分的右侧还可以控制水平交流伺服电机和行星齿轮减速器，减速器和齿条的连接需要借助齿轮来实现。滑座在水平移动的最大距离为1.5米，并且滚珠丝不易于加工，以及它在市场上的价格比较高，所以选择齿轮齿条来减速。

1.2 z轴结构设计

Z轴结构是用于竖直移动。Z轴结构的最左端是交流伺服电机，电机是维持设备的安全，因为它具有过载能力且带有抱闸系统，一旦发生故障时，抱闸系统就可以对电机进行抱死[2]。与z轴相连的是片联轴器，它是有金属制作而成的，拥有减震和无需和维护等特点。Z轴系部件的左边有2个角接触球轴承，角接触球轴承可以对竖直的载荷进行抵消。Z轴结构中间是丝杠螺母传动装置，特点就是损伤小和效率高。Z轴系部件的设计原理是一端固定一端移动，轴的移动方向是经过严格控制的，它是由固定制成装置完成的。轴的伸缩变化时随着温度变化的，游动轴控制着温度。Z轴两边运用直线的导轨，帮助z轴做竖直运动。Z轴上有两个行程开关和光电开关，它的主要功能就是确定对竖直方向限位和竖直零位。1.3开1.3合横梁结构设计

Z轴和手爪的连接需要依靠开合横梁装置，开合装置依靠六组螺栓就可以实现和z轴的连接，并且它前后有依次有开合气缸，气缸上安装了传感器的端锁，这样气缸的位置就是由传感器进行控制的，端锁是固定气缸，避免气缸在停止运行时还会继续运动。装置的大臂和小臂在直线导轨上的水平运动需要气缸的引领。

1.4 夹爪结构设计

夹爪结构包括大臂和小臂以及手爪挡板。大臂上端连接开合横梁装置，并且连接处需要加强加固处理，这样就可以保证装置安全性能。大臂下段与小臂相连，它们之间的连接需要连接轴来实现的，小臂的转动是需要连接臂和连接轴之间相互配合才能完成的。小臂上端是挡板装置，它的主要作用是当小臂停止转动，减少小臂和大臂阻尼撞击，达到减缓振动的作用。内支撑气缸和直线轴带动手爪挡板装置是用来帮助小臂进行夹持活动。开合气缸带动大、小臂对冰箱u壳进行夹持；小臂上的气缸保证u壳在夹持时，形状是完好的，所以它们的夹持都是由外而内进行的。

2、搬运机械手的仿真设计

2.1 小臂结构的仿真设计

为了满足生产需要通常将小臂的旋转过程时间控制在两秒以内，气缸的启动回路控制着进出口节流回路，所以通过控制调节节流阀的横截面积就能够对活塞运动速度进行控制，让小臂在两秒之内完成九十度的旋转，因为节流阀会影响活塞运动速度[3]。同时，小臂在旋转过程中，气缸力矩会大于或者等于重力矩，并且气缸力臂是在逐渐变小，重力力矩又不断变大，这就导致小臂的加速度数值越来越小。同时旋转时间越长缓冲力越小，并且负载厚度和负载质量也越大。在这里选取旋转时间为1.2秒时，计算出负载厚度压迫保持在0.66米 ，负载质量要控制在50千克，这时候的缓冲力就是10429牛顿，所以，通常设置小臂运动时间在1.2秒和2秒之间，负载厚度（U壳厚度）保持在0.49米和0.66米之间，这就要求负载质量（冰箱质量）控制在0和50千克之间。这就可以分析出小臂的应力是够满足生产需求。

对小臂结构的仿真设计不仅表现在对冲击力的校核，同时还要对小臂变形与强度进行校核。小臂的强度校核主要是运用相应的模型和ansys静力分析理论来完成的。并运用相应的数学计算可以得出，小臂不易发生变形，无论使用环境有多恶劣，它都可以正常工作。

2.2 连接臂结构的仿真设计

连接臂的结构设计也需要ansys进行分析，ansys分析程序包括：设计变量初始化，这就要求在进行分析前处理器应该根据设计变量的初始值进行输入；定义问题，前处理器的主要任务就制定出最优化的有限元模型；执行初始结构状态结构分析，应力和应变；力以及变形量就是来源于状态结构分析；获得计算结果，它的主要工作就是收集和存储目标函数和约束条件值；进行仿真设计分析，它的任务就是对相关文件以及变量和设计方法进行分析；结果输出，根据分析的数据绘制出相应的变化图表。根据相应的理论和运用ansys 系统分析，可以得出在对小臂进行设计时u，它的半径是九毫米，厚度保持在十三毫米之间。

2.3 支撑架结构的仿真设计

支撑架的仿真设计主要是通过对支撑架结构的瞬间动力学进行分析，得出它的振动幅度和的速度。在对支撑架结构进行仿真设计时，首先是通过运用软件ansys对支撑架建立相应的模型，并设计支撑架的参数。根据ansys软件分析的数据我们可以发现当u壳材料是Q235时，它的弹性木梁是210000mpa，泊松比为0.3，密度是7850千克每立方米。这就可以对支撑架进行瞬态动力学分析，并确定支撑架在不同冲击力喜爱振动幅度的变化以及支撑架的其他特点。

3、u壳搬运机械手的控制软件设计

3.1 机械手初始化

机械手初始化包括水平和竖直都归零，同时，所有的气缸恢复初始化。电机归零的方法可以通过对电机2坐标轴安装零位信号，并且在进行归零处理中选择先高速后低速的方式进行归零处理，归零处理一共要进过三次不同方向的瑰丽处理，才能达到让电机彻底的归零[4]。在首次归零处理时，就可以将正向高速归零；接着启动第二次归零程序，让反向的低速也归零，使用puls设置脉冲量，sped决定着是否执行操作；最后一次归零处理时让它向正向低速归零，sped是启动归零处理程序，ini则是让归零处理程序停止，这时候电机就彻底的归零 。同时，归零过程中脉冲值是在触摸屏中显示的，数值通过脉冲传送到寄存器中，寄存器就将数值显示在触摸屏中。它们之间相互配合才使得电机归零顺利完成。

3.2 触摸屏控制

搬运机械手的触摸屏控制是在气缸复位和机械手自动循环完成之后进行的，对触摸屏控制主要包括u型伴型号输入界面和主菜单界面以及手动运行和分布运行以及自动运行和坚实画面和系统设置[5]。其中，手动运行包括对伺服电机手动运行和气缸与吸盘手动运行，分布运行时针对自动循环单步运行，自动运行的主要包括：示教点参数设置1和示教点参数设置2以及自动运行调整界面，监视画面是对伺服电机坐标以及气缸与吸盘和系统故障报警实施监控，系统设置是对司机电机速度以及触摸屏系统的参数进行设置。

总结

U壳搬运机械手的设计运用先进的科学技术，并应用了ansys等系统软件来帮助u型搬运机械手的设计，对支撑架和连接臂以及小臂的仿真设计中分析它们相应的参数。冰箱u型搬运机械手的仿真设计和制作，让冰箱u壳的搬运实现自动化，为企业生产经营提供便利。

参考文献

仿真机械手臂设计范文第2篇

关键词： 非结构环境； 机械臂； 关节； 自动控制； 系统设计

中图分类号： TN02?34； TP241 文献标识码： A 文章编号： 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，人口老龄化时代来临，加剧了生产企业招工难、用工成本大的问题，机器的利用率随之提高。一些企业在工业生产中使用机械臂代替人类双手，其特点是加工精度高且速度快，适用于切割、零件安置等简单、任务量小、重复度高的生产活动[1]。目前，机械臂的载重偏低，主要应用于结构化环境中，虽然也有在非结构化环境下进行生产的案例，但往往受限于机械臂各关节的灵活性不足，无法精准完成生产任务。

非结构化环境的地形复杂，包括平地、斜坡、台阶、沟壑等，要求机械臂各关节能够对变化中的地形进行快速感应，并立即选定关节运动位移和角度，智能化是机械臂的控制重点，还要考虑到低成本、小质量和高安全性能等因素，更加大了设计难度[2]。过去设计出的一些非结构环境下机械臂各关节自动控制系统，如文献[3]和文献[4]设计的基于 7R的仿人机械臂逆运动学优化系统和基于随机激励的机械臂关节控制系统，都没能同时兼顾以上几点设计要求，关节轨迹优化能力也需要进一步提高。为了响应生产企业需求，在非结构环境下机械臂各关节自动控制系统的设计过程中充分衡量各项设计要求，通过分析非结构环境特点提出环境感知方法，增强系统对关节轨迹的优化能力。

1 非结构环境下机械臂各关节自动控制系统设计

1.1 系统整体设计

通过衡量智能化、低成本、小质量和高安全性能的设计要求，设计一种具有高度信息集成性能、高速感知和高速反应的非结构环境下机械臂各关节自动控制系统，所设计系统的质量小，可轻松安置在工业加工设备上，并可进行人与系统的有效沟通，表1为系统性能设计标准。

表1 系统性能设计标准

[性能类型 标准值 质量 小于5 kg 自由度 大于6DOF 整体长度 小于0.65 m 整体最大速度 大于3.0 m/s 最大负载 3 kg 定位误差绝对值 小于2 mm ]

一般6DOF的自由度便能够完成机械臂在非结构环境下的正常加工[5]，此时在机械臂各关节自动控制下的定位误差绝对值也满足表1制定的标准，图1为系统自由度划分区间示意图。机械臂肩膀处、手肘处以及手腕处都分别被划分了2DOF的自由度，肩膀负责进行上手臂（包括肩膀和手肘两个重要关节）的角度控制和直线升降控制，手肘负责进行手肘回环控制以及手臂前端的角度控制，手腕负责进行手腕的扇动控制和直线升降控制[6]。以机械臂的肩膀为圆心，以手臂长为半径作圆，得到非结构环境下机械臂各关节自动控制系统控制机械臂运动的范围。

图1 系统自由度划分区间示意图

图1中的表示各关节的运动情况，表2为机械臂在D?H矩阵中的参数统计表，D?H矩阵是一种使用4×4的齐次变换矩阵来表示机械臂相邻关节位置关系的矩阵[7]，从表2中可以准确看出机械臂各关节在所设计系统控制下的运动角范围和极限运动距离。

非结构环境下机械臂各关节自动控制系统为分布式结构，控制算法的容纳元件是现场可编程门阵列（Field?Programmable Gate Array，FPGA），此外，FPGA还负责进行机械臂各关节传感器中数据的采集、处理和系统电流控制[8]。机械臂的上手臂和手腕关节因运动形态有所不同，需要安装不同的电流传感器来感应非结构环境，因此安装于上手臂和手腕关节的FPGA类型也不同，便于准确分辨关节感应信息。FPGA所用的控制线为PCI总线，PCI总线的另一端与主控芯片相连。主控芯片的作用是分析关节感应信息，通过融合不同FPGA中的控制算法，确定出机械臂的运动方案并下达控制指令。

表2 机械臂D?H参数统计表

[运动情况 运动角范围 /（°） 极限运动距离 /m [-80，140] 0 [-140，20] 0 [-50，105] 0.3 [-95，125] 0 [-90，90] 0.35 [-65，65] 0 ]

为提供给各关节足够大的输出力矩，系统使用无刷电机以及谐波减速器共同输出力矩。手腕处的负载虽小，但需要支撑机械臂的整体长度，因而使用差动机构合成力矩。为缩减设计成本，系统只在肩膀和手肘处安置力传感器。

1.2 主控芯片设计

在主控芯片中设计机械臂运动方案时，使用标准地址结构能够减少设计成本。FPGA的32位嵌入式处理器提供C语言编程，提高控制算法的兼容性与智能化。嵌入式处理器与标准地址结构在可编程片上系统中进行集成，构造底层地址文件与主控芯片的连接程序[9]，连接线使用RS 644总线。主控芯片与外部功能设备的连接也使用RS 644总线，便于FPGA采集机械臂各关节的运行状态。

图2为系统控制框图，虽然主控芯片与FPGA已通过PCI总线实现了连接，但考虑到定位误差限制，系统只利用PCI总线进行控制算法的传输，对于数据精度要求高的各类传感器信息仍需通过标准地址结构进行集成后再进行主控芯片与FPGA的交互。按照功能结构来分，图2中左侧为控制板，右侧为驱动板，为减轻系统质量，控制板和功能板需要分开设计。由于机械臂各关节传感器与控制板的距离存在差异，在设计过程中应依据实际需要选择控制线以减轻系统质量、降低成本。

1.3 机械臂各关节电机设计

为保证非结构环境下机械臂各关节自动控制系统有效、安全的进行控制，考虑到机械臂的最大负载为3 kg，机械臂各关节的电机质量应尽可能缩减。肩膀处的电机选择了质量为0.885 kg的50 A电机，手肘处的电机采用50电机，质量为0.735 kg。50 A电机与50电机都是由哈尔滨工业大学提供的，两者的相同点是质量轻、力矩大、安全性好，最大输出力矩分别为26 Nm和18 Nm。50 A电机的体积偏大一些，因此安置在结构相对简单的肩膀处。

图2 系统控制框图

机械臂手腕处的活动强度最大，设计要求相对高一些，如表3所示。为了实现表3中规定的设计要求，手腕处的控制方案采取差动机构合成手腕运动。

表3 机械臂手腕关节控制指标

[类型 值 质量 小于0.45 kg 最大角速度 小于0.65 m 最大输出力矩 大于7 Nm 定位误差绝对值 小于0.8° ]

差动机构的输出力矩由无刷电机和谐波减速器汇合而成，如果用和表示手腕关节在系统控制下的回环角度和直线运动偏移角度，主控芯片在机械臂两个齿轮上的输出控制角度为和则有：

（1）

（2）

2 非结构环境感知设计

若想让所设计的机械臂各关节自动控制系统能够在非结构环境下进行高速、高精度的控制，必然要预先提取出非结构环境信息。系统将视觉传感器安置在工业企业的生产车间，对非结构环境进行采集，视觉传感器安置得越多，采集结果就越精准[10]，但为了缩减成本，考虑使用3D旋转视觉传感器，在节省传感器开支的基础上避免传感器视觉死角。

将3D旋转视觉传感器采集到的非结构环境信息构造成环境地图，由于非结构环境存在的视觉过渡差异颇高，而直接构造3D仿真地图的时间过长，因此构造规格为6 mm×6 mm的正方形2.5D环境地图，既保留了3D仿真地图的显示效果，又减少了地图容量和运算量，保证了系统的实时控制效果。图3为2.5D环境地图构造流程，非Y构环境信息先以视差图的形式进行显示，再对应写入6 mm×6 mm的正方形栅格中，同时定位到机械臂各关节的管控区域中，以实现对非结构环境中障碍高度和弯曲度的实时显示。

图3 非结构环境的2.5D环境地图构造流程

图4是系统对2.5D环境地图中非结构环境的感知流程，非结构环境的特征点主要包括坡度、障碍物边长与体积、沟壑边长与表面积以及平地距离等。系统使用量化分析方法对从2.5D环境地图中提取出来的特征点进行感知，量化分析的感知技术靠支持向量机支撑。支持向量机将非结构环境特征点训练成范围在[-1，1]之内的感知系数，感知系数的作用是在非结构环境地形中选择一个能够规避障碍的机械臂角度，并提供给系统主控芯片，从而完善控制指令。

3 实验结果分析

点对点运动是机械臂在生产任务中使用最为普遍的方式，本文采用点对点的运动方式对设计的非结构环境下机械臂各关节自动控制系统的关节轨迹优化能力进行分析。设机械臂各关节所处的最初角度分别为-30°，-90°，90°，90°，60°，30°，在不安装自动控制系统的情况下进行一次生产任务，机械臂各关节的归一化运动角度如图5所示。

在机械臂上安装本文系统进行生产任务，所得结果如图6所示。为了增强实验结果的说服力，本文还对基于7R的仿人机械臂逆运动学优化系统和基于随机激励的机械臂关节控制系统进行了同条件下的实验分析，实验结果如图7，图8所示。

通过对比图5～图8可得：基于随机激励的机械臂关节控制系统的实验结果曲线与实验前的归一化运动角度无明显差别，表明系统对机械臂各关节的控制几乎无效，关节轨迹优化能力非常差；基于 7R的仿人机械臂逆运动学优化系统将原始关节轨迹优化成了各个细小分支，这对机械臂提高生产任务的效率和准确率具有推动作用，表明系统的关节轨迹优化能力比较强；本文系统的实验结果曲线比图7曲线更加平滑，而且曲线位置更贴近于图5曲线，拥有更强的关节轨迹优化能力。

4 结 论

本文设计了分布式结构的非结构环境下机械臂各关节自动控制系统，系统的主要配件包括PFGA、PCI总线、主控芯片、电流传感器、力传感器、无刷电机、谐波减速器、RS 644总线和3D旋转视觉传感器等，组成了一个更加适用于工业生产、拥有超强关节轨迹优化能力的系统。

参考文献

[1] 陈志华，刘晓勇.云计算下大数据非结构的稳定性检索方法[J].现代电子技术，2016，39（6）：58?61.

[2] 潘齐欣，唐型基.基于步进电机控制的仿人机械手臂抓取移动系统设计[J].科技通报，2016，32（3）：118?121.

[3] 霍希建，刘伊威，姜力，等.具有关节限位的7R仿人机械臂逆运动学优化[J].吉林大学学报（工学版），2016，46（1）：213?220.

[4] 刘振国，武玉强.随机激励下单杆柔性关节机械臂的建模与控制[J].控制理论与应用，2014，31（8）：1105?1110.

[5] 何龙.基于S7?300 PLC不规则空间曲线自动焊接系统设计[J].现代电子技术，2015，38（17）：160?162.

[6] 赵博，李元春.基于信号重构的可重构机械臂主动分散容错控制[J].自动化学报，2014，40（9）：1942?1950.

[7] 周霏，陈富林，沈金龙，等.基于MATLAB的四自由度机械臂运动学仿真研究[J].机械制造与自动化，2016，45（1）：115?119.

[8] 于潇雁，陈力.漂浮基柔性两杆空间机械臂的关节运动鲁棒控制与柔性振动最优控制[J].计算力学学报，2016，33（2）：144?149.

仿真机械手臂设计范文第3篇

关键词：爬坡能力 自动转向性 柔性夹持系统

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-049-02

1 高压输电线上的障碍

高压输电线上的障碍总结起来有三种，单悬垂金具、双悬垂金具、防振捶。因此机器人就必须能跨越这几种障碍，如图1所示。

2 国内外研究成果

2.1 双臂回转机器人

此种结构的机器人，正常行走巡线时，以双臂悬挂于线路之上。跨越障碍时以单臂悬挂作为支撑，两个手臂交替越障。其特点是重量轻结构简单，但越障时重心不稳。若添加重心调整装置，势必结构复杂，成本增加。

2.2 三臂及多臂结构机器人

此种结构的机器人，正常行走巡线时，所有手臂悬挂在线路之上。跨越障碍时，仅当前机械臂越障，其它臂悬挂以稳定重心。其特点是越障时重心稳定，但结构复杂，转向性极差。

2.3 多节链式机器人

此种结构的机器人，稳定性高，但总体结构复杂，设计难度大。目前比较少见。

3 机构的设计

3.1 稳定性设计

本文设计采用三悬臂式机器人，首先可以提高稳定性，其次又不至于因为悬臂过多而使得机械结构过于复杂。夹紧后有上闩装置，保证在线路行进过程中不会出现因偏离产生的脱线问题。

3.2 自动转向性设计

为提高机器人的转向性，本文设计吸取了链式结构的转向灵活的优点，将三个悬臂分开，各个悬臂都有自己的机身，各个机身用上下对称铰链连接。

为简化转向结构，本文机械臂采用抓持结构，在抓紧部分有导向轮，在加紧过程中实现自动转向。其次驱动轮采用锥形结构，保证在行走过程中实现自动转向功能。

3.3 爬坡能力设计

目前的机器人多采用单纯悬挂设计，而且样机试验都在标准倒“T”型线路上行走，其爬坡能力差，无法应用于实际的倒“丫”型线路。其一是电线光滑，机器人较重。单纯悬挂没有加紧装置。其二是在倾斜的线路行走时，重心偏移，造成三个手臂无法同时悬挂在电线上而发生掉线。

为提高其爬坡能力，设计时采用夹紧装置。然而如果采用刚性加紧结构，在过倒“丫”障碍时必然存在三手臂不共线的结果。设计时夹紧装置采用弹簧加紧方式既可增强爬坡能力，又可克服机械臂共线问题。同时夹紧轮设计成可转动结构，既可减小行进阻力，又可消除电线对机械臂的扭力。

3.4 越障能力设计

正常行走巡线时，所有手臂悬挂在线路之上。跨越障碍时，仅当前机械臂越障，其它臂悬挂以稳定重心。其柔性夹持装置可使得在越过有坡度单悬垂金具时重心稳定，夹持可靠。其节式设计、导向轮、以及锥形轮可以使其具有越过弯曲障碍。其越障能力针对实际输电线状态设计。越障能力较强，越障可靠。

3.5 夹持装置的仿生设计

由于季节温度变化，线路的弯曲程度也会发生变化，对夹持装置的可靠性要求更加苛刻，本文基于仿生学的基本理论，通过对人体手臂骨架的研究，抽象出机械结构（如图3），并运用于抓线过程。抽象出的夹持装置不仅具有“抓取、放手”动作，而且可以“举手、放下”。这样配合传感器，就可以实现对各种松弛或弯曲线路的夹持。并且夹持过程非常可靠。

图3 仿生机械臂

4 控制系统设计

自动控制原理在机械控制中使用十分广泛，也比较容易实现。电气自动控制主要分为三个部分，分别为电机模块、传感器模块、摄像模块。

综合考虑越障时机器人需要急停和快速稳定启动等问题，本方案选择二相步进电机BS42HB38-01作为动力装置。BS42HB38-01为二相混合步进电机，步距角1.8I用高霖接线方式；MSP430定时器产生脉冲，经细分器细分和衰减后，稳定的信号再由放大器放大驱动步进电机正传和反转。

红外对管传感器能够短距离测距，vs1318型红外对管只要5V电压供电，测量距离最大可达20M，为满足精度和测量距离的要求，采用电位器将三个不同的红外对管分别调节到不同的阀值。

摄像模块电路比较简单，现代许多摄像头内部集成驱动电路，无需外加，因此只需把接口引线接至CPU的I/O口，实现相互间的通信。

5 性能分析

机器人在整体结构上吸取了链式结构和三臂结构的优点，克服了它们的不足。使得机器人的重心更加稳定，且具备了转向的能力，越障能力得到提高。在针对爬坡的问题上，采用柔性夹持装置，不仅提高了爬坡的能力增强了稳定性，而且克服了在爬坡过程中上下坡面无法同时夹持的难题，进一步提高越障能力。

爪臂的可上下移动，设计使得在夹持线的可靠性上大幅提高。加之传感检测单元对夹持过程的检测保护，使得机器人的越障更加可靠。

6 创新点及应用

（1）适用线路上出现的各种障碍能可靠越障。

（2）柔性夹持系统增强爬坡能力强及对线路季节变化适应性强。

（3）链式结构加导向轮、锥形轮能实现自动转向并调整。

（4）悬臂结构及动作模仿人的手臂，使得抓线动作更加可靠。

（5）机身结构吸取链式结构和三悬臂的优点，弥补其各自不足。

（6）内部检测自我保护。

（7）沿线拍摄记录拍摄地点，节省人力物力，应用于极端环境。

随着国内经济的发展人们生活水平和科技水平的提高，用电量急剧增加，对高压线路的扩建和维护工作显得更加的紧迫和重要，高压线路巡视机器人的应用不仅能对线路的维护工作起到关键的作用，而且还能保障线路工人和高压线路的安全，同时还能对地质灾害进行预警、对野外生态环境进行监控。所以应用前景很广。

参考文献：

[1]吴宗泽，郭可谦.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2011：12-24.

仿真机械手臂设计范文第4篇

1机器人结构设计

1.1总体结构设计

履带式机器人由于其良好的越障能力，能够适应室外的复杂环境，因此得到了广泛的应用。轮式机器人可以在平整的路面上快速移动，能够在短时间内进入目标地点。轮履组合式环保机器人主要工作在室外，可以到河岸边打捞漂浮在水面上的垃圾，可以用在垃圾场里面的垃圾的平整，充分发挥履带的作用，亦可以将手抓伸到垃圾池收集垃圾，此时可以换用不同的手抓。当机器人收集完垃圾之后，可以根据所处的环境变换自己的行走机构，将垃圾及时的运送到目的地。轮履组合式环保机器人主要由履带式底盘、垃圾收集箱、机械手、轮履组合变换机构、轮式行走机构5部分组成运用大型三维软件UGNX建立了轮履组合式环保机器人的模型［2］，如图1所示。当机器人遇到障碍物(斜坡、阶梯、壕沟)时，履带式行走机构可以实现越障功能，如图1a)所示。机器人行走在平整的路面上时，使用轮式行走机构，如图1b)所，从而将垃圾运到目的地。图1轮履组合式环保机器人模型

1.2轮履组合变换机构以及保护装置

1.2.1轮履组合变换机构

图2轮履变换装置、保护装置及轮式行走受力轮履组合变换机构主要功能是实现履带式行走与轮式行走的变换，从而使机器人适应不同的环境。使用丝杠螺母［3］，来实现竖直方向上的运动，丝杠固定，螺母移动，丝杠的一端经过联轴器与蜗杆蜗轮减速器轴相连接，减速器安装在车架上，电机的输出经减速器减速之后到达丝杠。在螺母的另一端安装有车轮架，车轮经过轮轴与车轮架相连接。当机器人运行在平坦的路面上时，在丝杠螺母的运动带动下将车轮降下，从而将整个机器人的底盘抬高，履带离开地面。当机器人运行在复杂的环境(沟壕、斜坡、台阶)，在丝杠螺母带动下，车轮升离地面，履带接触路面。轮履组合变换机构(如图2a)所示)。

1.2.2轮履组合变换保护装置

如图2所示，轮履组合变换保护装置主要由导轨滑块结构组成。导轨滑块结构由导轨、滑块、导轨固定T形铁以及与滑块相连接的F形铁。其中，导轨滑块的运动过程为:当机器人行走在不同的环境中时，需要变换行走形式，丝杠在电机带动下转动，这种运动经过螺旋副传递到螺母上，从而螺母在竖直方向上运动，带动F形铁运动，F形铁与滑块连接，此时滑块沿着导轨在竖直方向上运动。机器人处于轮式行走时，丝杠螺母的受力如图2b)所示，其中N为地面的支反力，f为车轮所受的摩擦力。丝杠螺母主要承受的是沿丝杠轴线方向的轴向力，然而轮式行走靠的是车轮与地面之间的摩擦力，地面给车轮的摩擦力沿轮子的前进方向，丝杠螺母将发生弯曲，磨损严重，且运动方向有可能偏离竖直方向。由于丝杠螺母是不能承受径向载荷的，加上导轨之后可以来承受这种径向载荷，同时在丝杠上端靠近联轴器处安装推力球轴承，来承受轴向力，使丝杠螺母只承受较小的轴向载荷，从而提高了丝杠螺母的使用寿命，同时提高了丝杠螺母在竖直方向上的运动精度，保证了轮式行走与履带式行走的平稳变换。

1.3垃圾收集装置以及机械手部分

垃圾收集装置主要用来收集垃圾，如图3a)所示，主要由丝杠、推板、电机组成;机械手部分是环保机器人执行任务的重要装置，该环保机器人的机械手部分主要由大臂1、大臂2、小臂、末端执行器组成，如图3b)、图3c)所示，为两种不同末端执行器的机械手形式，根据抓取的对象的不同可以使用不同的手抓，一种为三爪式，另一种为铲形结构，三爪形结构主要用来抓取圆柱形、块状的垃圾，铲形结构主要用在抓取的对象为较大的、散的，如在垃圾场处理垃圾，也可将铲形手抓深入垃圾池内作业。

2机器人的运动学分析

2.1机器人杆件坐标系的建立

轮履组合式环保机器人的机械手共有5个自由度，由图3b)可以看出。大臂1、大臂2、小臂、末端执行器绕两构件之间的转动副转动，基座在车架上可以绕竖直方向360°旋转。机械手的初始位置设定为大臂1为竖直位置，大臂2、小臂以及末端执行器为水平位置。即θ1=0，θ2=－90°，θ3=0，θ4=0，θ5=0。采用D-H法求解正逆运动学问题［4］，为简化计算，基座坐标系o0-x0y0z0固结在车架上，各关节的参考坐标系建立情况如图4所示，表1为杆件参数。

2.2运动学正解

机器人的正运动学问题是已知机器人各个关节的参数，求末端执行器在基座坐标系下的位姿，由D-H法建立环保机器人末端执行器的坐标系相对于基座坐标系的齐次变换矩阵可用05T表示，即05T=01T12T23T34T45T=nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0000(1)式中:i－1iT表示i坐标系对于i－1坐标系的其次变化矩阵;p表示末端点的位置矢量，n，o，a为描述其姿态的3个相互垂直的单位向量。由此，可得nx=cosθ1cos(θ2+θ3+θ4+θ5);ny=sinθ1cos(θ2+θ3+θ4+θ5);nz=－sin(θ2+θ3+θ4+θ5);ox=sinθ1;oy=－cosθ1;oz=0;ax=－cosθ1sin(θ2+θ3+θ4+θ5);ay=－sinθ1sin(θ2+θ3+θ4+θ5);az=－cos(θ2+θ3+θ4+θ5);px=－sinθ1(d3+d4+d5)+a2cosθ1cosθ2;py=cosθ1(d3+d4+d5)+a2sinθ1cosθ2;pz=－a2sinθ22.3运动学反解运动学反解问题即是已知各个杆件的结构参数和矩阵05T中的各个元素，求解相应的关节变量θ1、θ2、θ3、θ4、θ5，因此，可用相应的逆矩阵左乘式(1)两边，以将指定的关节变量θi分离出来，从而得到所要求的解［5～7］，步骤如下:1)求θ1。用01T－1左乘式(1)两边，得01T－105T=12T23T34T45T(2)将01T－1求出，并代入式(2)可得c1s10000－10－s1c1000001nxoxaxpxnyoyaypynz0zazpz0000=c23450－s2345a2c2s23450c2345a2s20－10d3+d4+d50001(3)式中:ci=cosθi，si=sinθi，cijk=cos(θi+θj+θk)，sijk=sin(θi+θj+θk)。

式(3)左、右两端的第3行第4列元素相等，得－sinθ1px+cosθ1py=d3+d4+d5(4)利用三角代换，令ρ=p2x+p2槡y，以及=arctanpxp[]y，得px=ρcospy=ρsin{(5)将式(5)代入式(4)整理可得θ1=arctanpxp[]y－arctand3+d4+d5±p2x+p2y－(d3+d4+d5)槡()2由θ1右边的表达式可知，θ1有两个解。2)求θ2。由式(3)第1行第4列与第2行第4列元素对应相等可得a2cosθ2=cosθ1px+sinθ1pya2sinθ2=－p{z即θ2=arctan(－pzcosθ1px+sinθ1py)3)求θ3。利用23T－112T－101T－1左乘05T可得c23c1c23s1s23－a2c3－s23c1－s23s1－c23a2s3－s1c10－d30001nxoxaxpxnyoyaypynz0zazpz0000=c450－s450s450c4500－10d4+d50001(6)式中:cij=cos(θi+θj)，sij=sin(θi+θj)。

根据式(6)第1行第4列元素对应相等可得c23c1px+c23s1py+s23pz－a2c3=0(7)解方程(7)，可以得到θ3=arctan(c2(pxc1+pys1)+s2pz－a2s2(pxc1+pys1)－c2pz)由于θ1，θ2的解已知，所以θ3的值较易获得。4)求θ4。利用34T－123T－112T－101T－1左乘05T可得(c34c2－s34s2)c1(c34c2－s34s2)s1c34s2－s34c2－c34a2(－s34c2－c34s2－c34s2)s1(－s34c2－c34s2)s1－s34s2－c34c2s34a2－s1c10－d3－d40001nxoxaxpxnyoyaypynz0zazpz0000=c50－s50s50c500－10d50001(8)由上式中第1行第4列为0可以得到(c34c2－s34s2)c1px+(c34c2－s34s2)s1py+(c34s2－s34c2)pz－c34a2=0解之得θ4=arctan(c2c1px+c2s1py+s1c2pz－a2s2c1px+s2s1py+c2)－θ35)求θ5。由上式第1行第3列以及第2行第3列元素对应相等可以得到θ5=arctan((c34c2－s34s2)(c1px+s1py)+(c34s2－s34c2)pz－c34a2(s34c2+s34s2)(c1px+s1py)+(s34s2+c34c2)－s34a2)至此，已求出了全部的关节变量。

3机械手运动学仿真分析

3.1建立虚拟样机

将机械手单独从整个机器人装配体中分离出来，进入UG的运动仿真模块［8］进行添加约束，并在机械手末端执行器建立标记点:A001，并以此点来观察5自由度机械手末端执行器的运动情况。利用STEP函数设置各个关节的位移驱动，仿真时间为10s，步数为100步，各关节位移驱动函数如表2。

3.2仿真结果分析

1)图5所示为机械手末端点位移曲线。图6所示为机械手末端点线速度曲线。图5～图6来看，机械手的各个关节在STEP阶跃函数动下，机械手末端点位移以及速度在机械手的运动过程中较为平稳。图7所示为机械手末端点角速度和角加速度曲线。图8所示为机械手各个关节驱动曲线。从图7和图8可以看出该机械手末端角速度和角加速发生了明显的跳跃性变化。这与机械手各个关节设置的开始驱动时间点有较大的关系(图8)。为减轻末端执行器在运动过程中的这种不平稳度，应考虑将各关节进行同时驱动，从而减少关节依次驱动带来的突变加速度，提高机械手的整体操作速度。

2)从图8来看，机械手能够很好的按照所施加的STEP函数驱动来运动，从而能够将手抓抓取的垃圾放到垃圾收集箱中。由图8可以得到，机械手的作业过程可以分为两个:一个是抓取垃圾的过程。另一个是放垃圾的过程。

(1)抓取垃圾，0～1s，大臂1顺时针转过60°，1s～1.5s大臂2顺时针转过30°，1.5s～3s小臂顺时针转过20°，3s～5s，末端执行器顺时针转过10°此时末端执行器已经到达目标物上方，此时抓取垃圾。

(2)放垃圾，5s～6s，大臂1逆时针转60°，6s～6.5s大臂2逆时针转过30°，6.5s～8s小臂逆时针转过20°，接着8s～9s机械手基座转过180°，此时末端执行器到达垃圾收集箱上方，9s～10s小臂顺时针转过30°，此时将垃圾放到箱中，到此完成整个运动过程。3)从图5中可知，在8s～9s，末端执行器的X、Y坐标值有较大变化，而由图8中8s～9s以后，只有基座转动，即只有θ1变化，这表明机械手的末端坐标跟θ1的转动角度相关。又由图5中0～1s末端执行器的Y、Z坐标有较大变化，对应图8中只有θ2在变化，表明机械手的末端坐标跟θ2的转动角度相关。从而可知机械手的末端坐标与后3个关节的转动角度无关。符合正运动学解中的末端坐标，从而进一步验证解的正确性［9］。

仿真机械手臂设计范文第5篇

关键词：机械臂；DARM；对比分析

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.249

0 引言

工业机器人的快速发展实现了生产自动化，提高了生产效率。在工程机械、车间厂房、高危作业、产品生产线、汽车零部件等行业机器人都得到了应用，并且经济效益、发展前景都十分可观。伴随着工业机器人的飞速发展，研究的不断深入，机器人产品向高精度、高智能、可控性强和高性能方向发展。人们希望这种机器人也能走进我们的日常生活中来，于是服务型的机器人逐渐走进了我们的视野，因此也便有了低成本的、小型的、所谓的“桌面版”机械臂的产品。桌面版的机械臂虽不如工业版的具有力量大、精度高、速度快的特点，但在日常生活中，具有写字、画画、拾物等功能，简单方便，增加了趣味性的同时，又可学习到知识。以所研究的书画手臂为例，进行介绍分析，明确其优点与不足，为以后的发展与应用奠定基础。

1 桌面机械臂的发展情况

1.1 uArm

uArm是一个连杆式的机械臂，它的控制部分采用了便于编程控制的开源硬件Arduino，。其最大的特点是底部转盘，所有动力装置都装在这个地方以减少机械臂部分的重量，从而减少惯性动作对稳定性的影响，同时也能增加机械臂的负载能力以提高效力。

在功能上也与Leapmotion合作，玩家可以通过手莶僮骰械臂，比如操控吸盘吸附非规则物体或者用机械手操控规则物体。在Processing后台，玩家也可以对Leapmotion所开放的接口编程，把uArm变成你定制化的机械臂。

1.2 7bot

7bot机械臂其主要原型为ABB工业机械臂IRB2400，硬件结构方面，7BotArm采用了6轴、全金属设计，不仅更加牢固耐用，而且还可以在3维空间做更多操控。其另外一个特点是采用了定制舵机方案，可以设定舵机的输出力矩大小和运行速度，确保精度，还可以采用数字I2C总线接口，仅用四根线就可以串联127个舵机。

7BotArm提供了多种控制方式，包括手势、网页控制、结合计算机视觉等实现智能控制，可以覆盖不同人群的不同需求。具体来说：

（1）增加了机器人视觉功能，可以完成打地鼠游戏、陪人下棋等诸多智能应用。

（2）增加了软件仿真环境，模型可以和现实机器人一一对应，也可以在软件环境中规划好路径然后下载到实际环境中去复现。

（3）增加了示教功能，用户可以直接拖动机械臂进行轨迹规划，然后记录回放，在不需要任何编程的情况下就可以控制机械臂运动。

1.3 Dobot

DOBOT机械臂，号称是全球首款高精度消费级桌面机械臂，在能够完成多种机械臂动作的基础上，具有价格低廉的特点，同样是基于开源硬件Arduino控制的机构，其精度为0.2mm。

DOBOT机械臂可以3d打印、写字、画画，他的另一个强大功能就是脑电波读取。使用者将传感器戴在头上，集中注意力，例如给出一个向左的信号，并记录为向左的动作，下次再遇到这个脑电波信号，它就会给出向左的动作等。

2 书画手臂的模型设计

2.1 结构简介

书画手臂由一个基座、一个末端执行器、六根金属连杆和电动轴枢，以及同步轮和同步带组成，这样的机械臂可以在其活动范围内实现任意的三维位置和位姿。每一个活动的关节称为一个自由度，共有3个关节，即为3自由度机械臂。机构运行时，由Melzi控制板控制三个电动机的工作，从而控制执行端在X、Y、Z三个方向的移动来进行写字画画

2.2 DARM函数详解

控制机械臂运转的函数，主要有两个，即正解函数和反解函数，下面详细说明

2.2.1 正解函数

3 结语

uArm、7bot、Dobot三种机械臂控制精度高、功能强大、更加智能化，但其昂贵的价格也使很多人望尘莫及，书画手臂虽不及这三种机械臂，但其具有价格低廉、操作简单、结构简易、实用性较高等特点。能够根据使用者的需要，方便的完成写字画画等基础功能，另外，书画手臂还可以运用在激光雕刻、3D打印等方面，在保证娱乐性的同时，还可让广大的使用者学习到很多的知识。在控制精度方面，书画手臂仍有不足，但也有改进的空间，相信在以后书画手臂将会有很大的进步。

参考文献：

[1]蔡汉明，钱永恒.Dobot型机器人运动学分析与仿真[J].机电工程，2016，33（10）：1217―1220.

[2]蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3]刘极峰，丁继斌.机器人技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.