對機械臂的相關參數(shù)的探討3頁

1、龍源期刊網(wǎng) 對機械臂的相關參數(shù)的探討作者：冀向陽 文慶斌來源：科學與財富2018年第24期        摘 要：從一定程度上來說，串聯(lián)機器人的自身的靈活程度可以通過空間的體積得到反映，對串聯(lián)機器人工作空間提出了研究，首先來說，機械臂的運動分析包括：提出基本結(jié)構(gòu)、進行簡化、最后得到運動模型；與此同時，分析出機械臂的運動學參數(shù)；然后，利用蒙特卡洛來對機械臂的相關工作空間進行分析，從而得出機械臂的工作空間的點云圖，提出了自適應式的來劃分網(wǎng)格的方法，并利用該方法推算出該空間體積，最后，分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)將會對空間體積產(chǎn)生何種

2、影響，并為其提供理論依據(jù)。        關鍵詞：機器人 機械臂 空間 結(jié)構(gòu) 參數(shù)        引言：隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，越來越高的消費和服務業(yè)蓬勃興起，人們更加注重生活的質(zhì)量和細節(jié)，很重視自身的休息和放松，因此機器人便隨著時代和經(jīng)濟的發(fā)展應運而生，而串聯(lián)的機器人是所有類型的機器人中，使用最為常見的一種機器人，在農(nóng)業(yè)方面，機器人可以使用編程來完成一些人類的工作或是任務，例如采摘水果和蔬菜，從某些方面來說，機器人

3、的這一特性可以降低工人工作的勞動強度，同時還可以減少采摘成本，減少由于農(nóng)業(yè)化肥的施用和農(nóng)藥的噴灑對人體的危害，以上提高了采摘的蔬菜和水果的質(zhì)量，保證了蔬菜水果采摘的及時性，具有較大的使用價值。機械臂作為機器人的主要構(gòu)成部件和執(zhí)行部件，其自身的靈活度，對機器人的整個工作和活動過程中，都扮演著相當重要的作用。        一：機械臂的有關工作空間的研究背景        對于機器人來說，獨有的機械臂的空間，作為一項測量其靈活程度的重要指標

4、，具有不可替代的作用，它主要是指機械臂末端參考點所達到的空間的所有的點的集合。就當前來說，許多制造機構(gòu)和單位使用的，用來求解機器人的工作空間的方法是：圖解法，數(shù)值法以及解析法等，圖解法能夠比較直觀的得到其工作空間方面的剖解線或剖截面，但是也會受到自身自由度的限制，相對于一些三維的機器人來說，圖解法無法進行準確的描述。相對于圖解法來說，剖析法主要是用來確定工作空間的邊界，所使用的方法是多次包絡，盡管剖析法能夠把工作空間邊界一方程的形式表示出來，但是它的直觀性對比圖解法較差，而且過程比較繁瑣，因此，一般來說，剖析法只是在關節(jié)數(shù)為三個，或者是少于三個的機器人時候較為實用，使用數(shù)值法主要是用來計算出機

5、器人的工作的空間，其實質(zhì)是，選去除盡可能多的，相互獨立的，不同的各種關節(jié)變量的組合，同時，再利用有關的正向的運動學的方程，來計算出其末端桿件端點一系列的坐標值，于是所形成的坐標值就會最終形成了標的物的工作空間，坐標值數(shù)目越多，越能反映出其實際的工作的空間范圍，數(shù)值法的應用比較簡單，但是它可以分析出，具有任意形式的機器人結(jié)構(gòu)的特點，于是伴隨著計算機的硬件和軟件技術的同步發(fā)展，數(shù)值法得到了越來越普遍和受歡迎的使用。        工作的空間范圍表明活動空間范圍大小，機械臂活動范圍的大小主要用兩種方法來衡量，一種是利用投

6、影面積，另一種則是使用體積來衡量，參數(shù)的目標一般使用體積最大化作為指標，對于機器人的機械臂的結(jié)構(gòu)的設計具有長遠的指導意義。當前，國內(nèi)外的學者或者教授對空間體積計算的方法都采用的是較為常用和普遍的做法，即首先求出其邊界，然后在使用數(shù)值的積分來求出其體積。邊界提取的主要的方法有兩種，一是雙向鏈表的方法，第二種是利用數(shù)字和解析相互結(jié)合的方法，這幾種方法有一個共同的特點，即都是建立在數(shù)值結(jié)合的基礎上的，與此同時，再結(jié)合高等數(shù)學中的微分幾何曲線包絡理論，來求出其工作空間中兩個重要的指標，包絡曲線和包絡曲面，這些類似的方法的優(yōu)點在于，各個步驟的意義明確，同時，此類方法也存在著曲面和曲線的擬合過程比較繁瑣，

7、精確的程度不容易被控制。        二：串聯(lián)使用的機器的機械臂的結(jié)構(gòu)介紹        機器人的機械臂一般由五個部分組成，分別是：腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕俯仰關節(jié)和腕回轉(zhuǎn)關節(jié)。其中，用來確定機械手空間位置的主要是肘關節(jié)、腰關節(jié)和肩關節(jié)，因此，剩余的腕俯仰關節(jié)和俯仰關節(jié)主要用于機械手姿態(tài)的確定。        二：使用運動模型的分析  

8、;      自由度是機械臂的必備條件，機械手工作的范圍是其末端的工作空間，這與另外四個自由度相關，所以，前四個關節(jié)的研究較為關鍵。從機械臂的運動特性和結(jié)構(gòu)特點來看，以下條件將會對關節(jié)參數(shù)進行約束。（1）副轉(zhuǎn)角范圍，一個轉(zhuǎn)動副代表一個關節(jié)，除了腰關節(jié)，各個關節(jié)轉(zhuǎn)動由于受到單元零件限制，均難實現(xiàn)完全轉(zhuǎn)動，只能在自己的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動；（2）關于桿件的長度，運動空間學說表明，桿件長度與機器人活動空間成正比，但是，若要保持機器人適應一定環(huán)境的能力，必須對其外形加以限制，這也就決定著桿件長度會有所限制。   

9、60;    三：對機械臂工作空間的分析        常用的分析機械臂的工作空間的一種方法是蒙特卡洛，它是一種最普遍最常用的，通常借助于簡單的，數(shù)學抽樣方法，來解決具體的數(shù)學問題，能夠很容易的實現(xiàn)，計算機的圖形顯示的功能，這種方法的主要優(yōu)點是計算的速度快，適合任何種類關節(jié)類型的關于機械臂的工作空間的求解，而相對于關節(jié)變量變化的范圍，則沒有任何的限制，其誤差也基本與計算機的維數(shù)無關。        

10、;一般情況下，其計算步驟如下，（1）依據(jù)機器人運動學的正解，來求出有關機器人的末端的執(zhí)行器于所參考的坐標系的位置向量；（2）利用一些簡單的隨機函數(shù)，來隨機的產(chǎn)生出無限個0到1之間的隨機數(shù)字，并由此產(chǎn)生出來一個隨機的步長，經(jīng)過以上的演變，最終可以得到關于機械臂的關節(jié)變量所產(chǎn)生的一系列偽隨機值；（3）將無限個關節(jié)的偽隨機變量值的組合導入到相關的，運動學方程中，得到其機械臂運動末端的坐標值，并把其相對應的x和y以及z坐標各個分別對應到X和Y以及Z的矩陣中去，坐標值的數(shù)目產(chǎn)生的越多，就越能夠反映出，機器人實際的工作空間；（4）將所得到的位置向量數(shù)值，以描點的方式，顯示于圖形的設備上，將會得到工作云圖的

11、空房間的點集。        四：小結(jié)        使用D2H這一坐標系，通過齊次轉(zhuǎn)換的方法，來求解出串聯(lián)的機器人的機械臂運動學的方程，最終獲得位置向量和姿態(tài)向量，使用蒙卡特羅來分析該機械臂工作空間，使用自動適應來劃分網(wǎng)格以求取機械臂工作空間體積，最后，通過上述方法的使用，來對機器人結(jié)構(gòu)的參數(shù)，所產(chǎn)生的影響工作空間的程度進行分析，從而為機器人參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，        參考文獻：        （1）張潔，李艷文 果蔬采摘機器人的研究現(xiàn)狀、問題及對策        （2）曹毅，王樹新，邱燕 面向靈活工作空間的顯微外科手術機器人設計