象鼻子（柔软）机器人说明书 - 图文 (2)

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1 绪论

1.1本课题的选题背景及意义

机器人已广泛应用于军事、工业、科学探测等诸多领域。传统机器人一般由刚性模块通过运动副连接构成，每个运动副提供一个(或多个)平动自由度或转动自由度。所有运动副的运动组合形成机器人末端执行器的工作空间，这种机器人具有运动精确的优点，但结构的刚性使其环境适应性较差，在狭窄空间内的运动受到限制，无法通过尺度小于机器人尺度或形状复杂的通道。这些缺点制约了刚性机器人在某些领域的应用，如军事侦查时出于隐蔽性考虑希望侦察机器人能钻过墙缝、门缝等尺寸小，形状复杂的通道；矿难、震灾救援中要求机器人能够深入废墟进行探测；科学探测时经常要求机器人进入开口狭窄的空间等。为提高机器人的柔性，研究者为其增加更多的自由度，形成超冗余度机器人，使其具有一定的连续变形能力，例如蛇形机器人、仿象鼻机械臂等。超冗余度机器人的环境适应能力大幅度提高，但其零部件仍是刚体，不能改变自身尺寸。软体机器人模仿自然界中的软体动物，由可承受大应变的柔软材料制成，具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸。软体机器人具有无限多自由度，所以它具有无限种构型使其末端执行器到达工作空间内的任意一点。由于对压力的低阻抗，软体机器人对环境具有更好的适应性，通过被动变形实现与障碍物的相容；通过主动变形使机器人处于不同的形态并实现运动；主动变形与被动变形相结合，机器人可以挤过比自身常态尺寸小的缝隙，进入传统机器人无法进入的空间。软体机器人可作为新型医疗检测机器人，例如内窥镜，它会随口腔、排泄腔的入口大小来变化，减少侵入性痛苦，而且，若采用能够生物分解的材料，当软体机器人完成任务后可被人体分解吸收。

本课题的研究意义在于通过设计像象鼻子一样能向任意空间弯曲的机器人喷漆装置，提高生产效率，减少工作人员劳动强度。通过设计，提高调研、文献检索及应用的独立工作能力，增强动手能力。

1.2象鼻子机器人的机构类型

象鼻子（软体）机器人的结构形式决定了机器人的可能的形变状态，而变形能力直接影响机器人的灵活性。同时，软体机器人一般采用新型材料，例如硅橡胶，SMA、电活性聚合物(Electroactive polymer, EAP)等，其加工制造工艺受到限制。所以结构设计必须考虑到机器人的变形能力、机动能力以及可制造能力。软体机器人结构大体可分为静水骨骼

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—————————————————————————————————————— 结构、肌肉性静水骨骼结构及其他结构类型。其中静水骨骼结构与肌肉性静水骨骼结构来源于仿生学。对于本机器人限于知识水平的限制，可以选用六自由度并联机器人作为象鼻子机器人的一个关节，通过多个关节的并联以实现规定要求。

1.3象鼻子（柔性）机器人协调

单机器人的操作十分有限, 协调操作可以弥补许多不足。柔性机器人协调操作系统是

一个含柔性机器人内部各杆之间、运动协调约束条件和动力协调约束条件之间、柔性机器人与负载之间, 以及柔性机器人之间高度耦合的复杂系统。

当多个机器人执行同一作业, 它们与被操作物体构成了一个或多个闭环。此时, 系统需要冗余驱动, 导致系统逆动力学问题的解有无穷多个, 只有通过力分配解决这个问题。力分配问题的解不仅间接影响驱动电机的载荷而且影响柔性机器人动力系统下一个时刻的状态。正动力学系统的关节输入驱动力矩和末端输出比率非并置, 由此产生非最小相位特性, 导致柔性机器人的逆动力学不稳定。1 998 年, Sun Q, Sharf I 和NahonM 三人研究了仅考虑连架杆柔性的3R 机器人协调操作系统力分布算法的稳定性。他们认为如果弹性坐标的描述方程在时域内的轨迹稳定, 驱动力矩的逆动力学解则肯定是稳定的。末端力偶( tip w rench) 是力分配规划的结果, 它影响了机械臂的内部动力学特性, 有效地选择末端力偶, 可以使输入力矩和输出比率达到一定程度的并置。恰当地选择力分布, 可以增强系统的稳定性, 适宜内部力控制, 可使内部动力学稳定。但这种方法在计算过程中忽略了很多小量, 且系统中仅考虑了连架杆的柔性, 具有局限性, 通用性较差。

基于准静态方程且仅考虑夹持杆的柔性, Matsun 和Hatayama 研究了两2R 柔性机器人的协调控制。对柔性杆采用Euler- Bernoulli 梁模型, 两柔性杆的振动方程利用Hamilton原理得到, 所确定的系统动力学模型十分复杂, 不易于进行控制。考虑到即使柔性杆的弹性变形非常小, 由之引起的作用于被操作物体上和关节上的力仍然很大这种情况, 假设: ( 1) 每单位长度的质量密度非常小, 在偏微分方程中可以忽略( 这样做相当于忽略了弹性变形部分的动能, 而只考虑偏微分振动方程中的轴向力和应力的势能) ; ( 2) 柔性杆振动速度很小, 变形量对位置矢量的导数与各杆的转角之和及机器人末端的抓持角相比很小。这样, 振动方程中的非线性项就可以被忽略。基于以上假设, 以及约束力、弹性变形和刚体动力学方程之间的关系, 得到只依于机器人关节变量的驱动电机转动的准静态方程。利用Koivo 和Unseren 在1991 年提出的多刚性机器人协调控制的H ] 理论,

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—————————————————————————————————————— 同时考虑连杆参数的不确定性、准静态近似和测量误差等因素引起的模型误差设计控制器。实验结果验证了假设的充分性。但他们仅考虑了夹持杆的柔性, 忽略了转动惯量和剪切变形的影响, 只考虑振动方程中的线性项, 在求解计算惯性力时, 假定所有构件都是刚性的, 虽然简单, 却和实际有出入。所设计的协调控制器也不能保证原始系统的全面稳定性。

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2 象鼻子机器人总体方案设计

2.1主体结构分析

工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。最广泛使用的工业机器人坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式（极坐标式）、关节坐标式（包括平面关节式）、冗余坐标式。

2.1.1直角坐标式机器人

直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可以用于高精度的装配和检测作业，

大约占工业机器人的14%左右。一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动（Z方向运动），并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动（X，Y方向移动）。直角坐标式机器人主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。

直角坐标式机器人具有如下优点。 （1）机构简单。 （2）编程简单。

（3）采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高。

（4）在X，Y和Z三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些。

但是，由于直角坐标式机器人必须采用导轨，带来许多问题，其主要缺点如下。 （1）导轨面的防护比较困难，不能像转动关节的轴承那样密封得好。 （2）导轨的支撑结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围。 （3）为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高。 （4）结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。

（5）移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。

直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬挂式、龙门式、天车式三种结构。

2.1.2圆柱坐标式机器人

圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。手腕通常采用两个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴线转动。手腕若采用三个自由度，则使机器人自由度总数达到六个，但是手腕上的某个自由度将与主体上的回转自由度有部

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—————————————————————————————————————— 分重复。此类工业机器人大约占工业机器人总数的47%左右。

圆柱坐标式机器人的优点如下。

（1）除了简单的“抓--放”作业外还可以用在许多其他生产领域，与直角坐标式机器人相比增加了通用性。

（2）结构紧凑。

（3）在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量，改善动力学载荷。

圆柱坐标式机器人的缺点是由于机身结构的缘故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围。其工作空间是一个圆柱状的空间。

2.1.3球面坐标式机器人

球面坐标式机器人也叫做极坐标式机器人，它具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂，大约占工业机器人总数的13%。在这类机器人中最出名的一种产品是美国Unimation公司的Unimation2000型和4000型机器人。机器人主体结构有三个自由度，绕垂直轴线（机身）和水平轴线（回转关节）的转动均采用了液压伺服驱动，转角范围分别为200度左右和50度左右，手臂伸缩采用液压驱动的移动关节，其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作的形状是个不完全的球缺。手腕具有三个自由度，当机器人主体运动时，装在手腕上的末端操作器才能维持应有的姿态。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。

2.1.4关节坐标式机器人

关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动的关节，手腕的三个自由度上的转动关节（俯仰、偏转和翻转）用来最后确定末端操作器的姿态，它是一种广泛使用的拟人化的机器人，大约占工业机器人总数的25%左右。平面关节式机器人的主体结构有三个转动关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

关节坐标式机器人的优点如下。

（1）结构紧凑，工作范围大而安装面积小。

（2）具有很高的可达性。关节坐标式机器人可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标式机器人不能进行此类操作。

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