機(jī)械臂

       機(jī)械臂是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，存在著參數(shù)攝動(dòng)、外界干擾及未建模動(dòng)態(tài)等不確定性。因而機(jī)械臂的建模模型也存在著不確定性，對于不同的任務(wù)，需要規(guī)劃機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而級聯(lián)構(gòu)成末端位姿。

簡介

       機(jī)器人系統(tǒng)是由視覺傳感器、機(jī)械臂系統(tǒng)及主控計(jì)算機(jī)組成，其中機(jī)械臂系統(tǒng)又包括模塊化機(jī)械臂和靈巧手兩部分。

發(fā)展

研究背景

       近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用高速度、高精度、高負(fù)載自重比的機(jī)器人結(jié)構(gòu)受到工業(yè)和航空航天領(lǐng)域的關(guān)注。由于運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)節(jié)和連桿的柔性效應(yīng)的增加，使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形從而使任務(wù)執(zhí)行的精度降低。所以，機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性特征必須予以考慮，實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂高精度有效控制也必須考慮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。柔性機(jī)械臂是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程具有非線性、強(qiáng)耦合、實(shí)變等特點(diǎn)。而進(jìn)行柔性臂動(dòng)力學(xué)問題的研究，其模型的建立是極其重要的。柔性機(jī)械臂不僅是一個(gè)剛?cè)狁詈系姆蔷€性系統(tǒng)，而且也是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性與控制特性相互耦合即機(jī)電耦合的非線性系統(tǒng)。動(dòng)力學(xué)建模的目的是為控制系統(tǒng)描述及控制器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。一般控制系統(tǒng)的描述（包括時(shí)域的狀態(tài)空間描述和頻域的傳遞函數(shù)描述）與傳感器/執(zhí)行器的定位，從執(zhí)行器到傳感器的信息傳遞以及機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。

建模理論

       柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程的建立主要是利用Lagrange方程和NeWton-Euler方程這兩個(gè)最具代表性的方程。另外比較常用的還有變分原理，虛位移原理以及Kane方程的方法。 而柔性體變形的描述是柔性機(jī)械臂系統(tǒng)建模與控制的基礎(chǔ)。因此因首先選擇一定的方式描述柔性體的變形，同時(shí)變形的描述與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的求解關(guān)系密切。 

       柔性體變形的描述主要有以下幾種：

       1）有限元法；

       2）有限段法；

       3）模態(tài)綜合法；

       4）集中質(zhì)量法。

動(dòng)力學(xué)方程

       無論是連續(xù)或離散的動(dòng)力學(xué)模型，其建模方法主要基于兩類基本方法：矢量力學(xué)法和分析力學(xué)法。應(yīng)用較廣泛同時(shí)也是比較成熟的是Newton-Euler公式、Lagrange方程、變分原理、虛位移原理和Kane方程。

控制策略

       對柔性機(jī)械臂的控制一般有如下方式：

       1）剛性化處理。完全忽略結(jié)構(gòu)的彈性變形對結(jié)構(gòu)剛體運(yùn)動(dòng)的影響。例如為了避免過大的彈性變形破壞柔性機(jī)械臂的穩(wěn)定性和末端定位精度，NASA的遙控太空手運(yùn)動(dòng)的最大角速度為0.5deg/s。

       2）前饋補(bǔ)償法。將機(jī)械臂柔性變形形成的機(jī)械振動(dòng)看成是對剛性運(yùn)動(dòng)的確定性干擾而采用前饋補(bǔ)償?shù)霓k法來抵消這種干擾。德國的Bernd Gebler研究了具有彈性桿和彈性關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人的前饋控制。張鐵民研究了基于利用增加零點(diǎn)來消除系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)和系統(tǒng)不穩(wěn)定的方法，設(shè)計(jì)了具有時(shí)間延時(shí)的前饋控制器，和PID控制器比較起來，可以更加明顯的消除系統(tǒng)的殘余振動(dòng)。Seering Warren P.等學(xué)者對前饋補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。

       3）加速度反饋控制。Khorrami FarShad和Jain Sandeep研究了利用末端加速度反饋控制柔性機(jī)械臂的末端軌跡控制問題。

       4）被動(dòng)阻尼控制。為降低柔性體相對彈性變形的影響 選用各種耗能或儲能材料設(shè)計(jì)臂的結(jié)構(gòu)以控制振動(dòng)。或者在柔性梁上采用阻尼減振器、阻尼材料、復(fù)合型阻尼金屬板、阻尼合金或用粘彈性大阻尼材料形成附加阻尼結(jié)構(gòu)均屬于被動(dòng)阻尼控制。近年來，粘彈性大阻尼材料用于柔性機(jī)械臂的振動(dòng)控制已引起高度重視。Rossi Mauro和Wang David研究了柔性機(jī)器人的被動(dòng)控制問題。

       5）力反饋控制法。柔性機(jī)械臂振動(dòng)的力反饋控制實(shí)際上是基于逆動(dòng)力學(xué)分析的控制方法，即根據(jù)逆動(dòng)力學(xué)分析，通過臂末端的給定運(yùn)動(dòng)求得施加于驅(qū)動(dòng)端的力矩，并通過運(yùn)動(dòng)或力檢測對驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行反饋補(bǔ)償。

       6）自適應(yīng)控制。采用組合自適應(yīng)控制，將系統(tǒng)劃分成關(guān)節(jié)子系統(tǒng)和柔性子系統(tǒng)。利用參數(shù)線性化的方法設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制規(guī)則來辨識柔性機(jī)械臂的不確定性參數(shù)。對具有非線性和參數(shù)不確定性的柔性機(jī)械臂進(jìn)行了跟蹤控制器的設(shè)計(jì)。控制器的設(shè)計(jì)是依據(jù)Lyapunov方法的魯棒和自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)。通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換將系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)。用自適應(yīng)控制和魯棒控制分別對兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制。

       7）PID控制。PID控制器作為最受歡迎和最廣泛應(yīng)用的控制器，由于其簡單、有效、實(shí)用，被普遍地用于剛性機(jī)械臂控制，常通過調(diào)整控制器增益構(gòu)成自校正PID控制器或與其它控制方法結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)以改善PID控制器性能。

       8）變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是一種不連續(xù)的反饋控制系統(tǒng)，其中滑?？刂剖亲钇毡榈淖兘Y(jié)構(gòu)控制。其特點(diǎn)：在切換面上，具有所謂的滑動(dòng)方式，在滑動(dòng)方式中系統(tǒng)對參數(shù)變化和擾動(dòng)保持不敏感，同時(shí)，它的軌跡位于切換面上，滑動(dòng)現(xiàn)象并不依賴于系統(tǒng)參數(shù)，具有穩(wěn)定的性質(zhì)。變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)，不需要機(jī)械臂精確的動(dòng)態(tài)模型，模型參數(shù)的邊界就足以構(gòu)造一個(gè)控制器。

       9）模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。是一種語言控制器，可反映人在進(jìn)行控制活動(dòng)時(shí)的思維特點(diǎn)。其主要特點(diǎn)之一是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不需要通常意義上的被控對象的數(shù)學(xué)模型，而是需要操作者或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識、操作數(shù)據(jù)等。

研究意義

       與剛性機(jī)械臂相比較，柔性機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)輕、載重/自重比高等特性，因而具有較低的能耗、較大的操作空間和很高的效率，其響應(yīng)快速而準(zhǔn)確，有著很多潛在的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、國防等應(yīng)用領(lǐng)域中占有十分重要的地位。隨著宇航業(yè)及機(jī)器人業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多地采用由若干個(gè)柔性構(gòu)件組成的多柔體系統(tǒng)。傳統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)的分析方法及控制方法已不能滿足多柔體系統(tǒng)的動(dòng)力分析及控制的要求。柔性機(jī)械臂作為最簡單的非平凡多柔體系統(tǒng)，被廣泛地用作多柔體系統(tǒng)的研究模型。

建模模型

       不確定性主要分為兩種主要類型：結(jié)構(gòu)（structured）不確定性和非結(jié)構(gòu)（unstructured）不確定性，非結(jié)構(gòu)不確定性主要是由于測量噪聲、外界干擾及計(jì)算中的采樣時(shí)滯和舍入誤差等非被控對象自身因素所引起的不確定性。

       結(jié)構(gòu)不確定性和建模模型本身有關(guān)，可分為

       ①參數(shù)不確定性　如負(fù)載質(zhì)量、連桿質(zhì)量、長度及連桿質(zhì)心等參數(shù)未知或部分已知。

       ②未建模動(dòng)態(tài)　高頻未建模動(dòng)態(tài)，如執(zhí)行器動(dòng)態(tài)或結(jié)構(gòu)振動(dòng)等；低頻未建模動(dòng)態(tài)，如動(dòng)/靜摩擦力等。

       模型不確定性給機(jī)械臂軌跡跟蹤的實(shí)現(xiàn)帶來影響，同時(shí)部分控制算法受限于一定的不確定性。應(yīng)用于機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要包括PID控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制等，然而由于它們自身所存在的缺陷，促使其與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等算法相結(jié)合，一些新的控制方法也在涌現(xiàn)，很多算法是彼此結(jié)合在一起的。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

       機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜且綜合的過程，涉及多個(gè)方面。以下是一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

一、基本結(jié)構(gòu)與組成

       1、基座：機(jī)械臂的底座，通常由堅(jiān)固的材料（如鋼或鋁）制成，以提供穩(wěn)定性和支撐力。

       2、臂桿與關(guān)節(jié)：臂桿連接在基座上，通過關(guān)節(jié)形成機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)鏈。關(guān)節(jié)類型包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、滑動(dòng)關(guān)節(jié)等，允許機(jī)械臂在一定范圍內(nèi)進(jìn)行靈活運(yùn)動(dòng)。

       3、執(zhí)行器：即機(jī)械臂的“手”，負(fù)責(zé)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。它可以夾持工具、工件等物體，并根據(jù)指令進(jìn)行操作。執(zhí)行器的類型和功能根據(jù)具體應(yīng)用場景而變化，如抓握器、螺絲刀、焊槍等。

二、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)原理

       1、運(yùn)動(dòng)學(xué)原理：研究機(jī)械臂位置和姿態(tài)變化的學(xué)科。通過求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可以確定機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的角度，從而實(shí)現(xiàn)期望的位置和姿態(tài)。

       2、動(dòng)力學(xué)原理：研究機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中力學(xué)性質(zhì)的學(xué)科。通過求解動(dòng)力學(xué)方程，可以計(jì)算機(jī)械臂在不同工況下的力和力矩需求，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

      1、材料選擇：需考慮強(qiáng)度、剛度和耐疲勞等特性，以滿足機(jī)械臂在工作過程中的受力要求。

       2、連接方式：可以采用螺栓連接、焊接或插接等方式，以確保連接牢固可靠。

       3、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括關(guān)節(jié)類型選擇、關(guān)節(jié)間的傳動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)方式等。例如，關(guān)節(jié)間的傳動(dòng)可以通過齒輪傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)或皮帶傳動(dòng)等實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動(dòng)方式則可以采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)或氣壓驅(qū)動(dòng)等。

四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       1、傳感器：用于獲取機(jī)械臂位置、姿態(tài)和力矩等信息。

       2、控制算法：通過對傳感器信息的處理，生成控制信號驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮響應(yīng)速度、精度和魯棒性等方面。

       綜上所述，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的復(fù)雜過程，需要綜合考慮機(jī)械、電子、控制等多個(gè)方面的知識和技術(shù)。

工業(yè)機(jī)器人

       機(jī)械臂工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的重要組成部分，它們在提高生產(chǎn)效率、降低人力成本、保障生產(chǎn)安全等方面發(fā)揮著重要作用。以下是對機(jī)械臂工業(yè)機(jī)器人的詳細(xì)解析：

一、定義與區(qū)別

       工業(yè)機(jī)器人：是一種自動(dòng)化設(shè)備，能夠自動(dòng)執(zhí)行工作，靠自身的動(dòng)力和控制能力實(shí)現(xiàn)各種功能。它面向工業(yè)領(lǐng)域，具有多關(guān)節(jié)或多自由度，可以接收人類指令或按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，甚至可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則行動(dòng)。

       機(jī)械臂：是工業(yè)機(jī)器人的一種形式，也是一種機(jī)械裝置，可以手動(dòng)控制，也可以自動(dòng)控制。它高精度、高非線性、多輸入多輸出、強(qiáng)耦合，具有獨(dú)特的操作靈活性，被廣泛應(yīng)用于安全防爆、工業(yè)裝配等領(lǐng)域。

       雖然機(jī)械臂和工業(yè)機(jī)器人在定義上有所區(qū)別，但兩者在實(shí)際應(yīng)用中往往有所重疊，且機(jī)械臂是工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最廣泛的一種形式。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)分類

       工業(yè)機(jī)器人按照機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為多種類型，主要包括：

       多關(guān)節(jié)機(jī)器人：機(jī)械結(jié)構(gòu)類似于人的手臂，通過扭轉(zhuǎn)接頭連接到底座，關(guān)節(jié)數(shù)量從兩個(gè)到十個(gè)不等，常用的有六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，具有高靈活性和小占地面積的優(yōu)勢。

       平面多關(guān)節(jié)(SCARA)機(jī)器人：具有圓形工作范圍，由兩個(gè)平行關(guān)節(jié)組成，主要用于裝配應(yīng)用。

       并聯(lián)機(jī)器人：由和公共底座相連的平行關(guān)節(jié)連桿組成，末端執(zhí)行器的定位精準(zhǔn)且高速，常用于快速取放或產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。

       直角坐標(biāo)機(jī)器人：具有矩形結(jié)構(gòu)，通過在其三個(gè)垂直軸上滑動(dòng)來提供線性運(yùn)動(dòng)，適用于需要高精度定位的應(yīng)用。

       圓柱坐標(biāo)機(jī)器人：在底座處具有至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和至少一個(gè)棱柱形關(guān)節(jié)，提供垂直和水平線性運(yùn)動(dòng)以及繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

       協(xié)作機(jī)器人：旨在在共享空間中與人類互動(dòng)或在附近安全工作，具有傳感器和軟件來確保良好的協(xié)作行為。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

       機(jī)械臂工業(yè)機(jī)器人在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，包括但不限于：

       機(jī)械制造：在機(jī)械加工和制造過程中，自主定位并精確抓取物料進(jìn)行生產(chǎn)加工，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

       汽車制造：完成焊接、噴涂、裝配等復(fù)雜操作，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品穩(wěn)定性。

       電子電氣：用于維修、組裝和檢測各種電子設(shè)備，提高生產(chǎn)細(xì)節(jié)的處理能力。

       食品制造：實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化的操作模式，完成切割、包裝、分揀等復(fù)雜操作，保證食品安全和衛(wèi)生。

       航空航天：參與鉆孔、鉚接、裝配等工作，滿足高精度和高可靠性的要求。

       化工制造：完成攪拌、混合、灌裝等復(fù)雜操作，提高生產(chǎn)效率和安全性。

四、市場前景

       隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提升和智能制造的推動(dòng)，機(jī)械臂工業(yè)機(jī)器人的市場需求持續(xù)增加。根據(jù)市場預(yù)測，全球及中國的機(jī)械臂市場規(guī)模在未來幾年內(nèi)將持續(xù)增長。同時(shí)，技術(shù)進(jìn)步和成本下降將進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)械臂在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，尤其是在中小型企業(yè)和新興市場。

       綜上所述，機(jī)械臂工業(yè)機(jī)器人作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的核心設(shè)備之一，將在未來繼續(xù)發(fā)揮重要作用并迎來更廣闊的發(fā)展前景。