機械臂

       機械臂是一個復(fù)雜系統(tǒng)，存在著參數(shù)攝動、外界干擾及未建模動態(tài)等不確定性。因而機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)劃機械臂關(guān)節(jié)空間的運動軌跡，從而級聯(lián)構(gòu)成末端位姿。

簡介

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

發(fā)展

研究背景

       近年來，隨著機器人技術(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。由于運動過程中關(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，機器人機械臂結(jié)構(gòu)柔性特征必須予以考慮，實現(xiàn)柔性機械臂高精度有效控制也必須考慮系統(tǒng)動力學(xué)特性。柔性機械臂是一個非常復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)，其動力學(xué)方程具有非線性、強耦合、實變等特點。而進行柔性臂動力學(xué)問題的研究，其模型的建立是極其重要的。柔性機械臂不僅是一個剛?cè)狁詈系姆蔷€性系統(tǒng)，而且也是系統(tǒng)動力學(xué)特性與控制特性相互耦合即機電耦合的非線性系統(tǒng)。動力學(xué)建模的目的是為控制系統(tǒng)描述及控制器設(shè)計提供依據(jù)。一般控制系統(tǒng)的描述（包括時域的狀態(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械臂的動力學(xué)特性密切相關(guān)。

建模理論

       柔性機械臂動力學(xué)方程的建立主要是利用Lagrange方程和NeWton-Euler方程這兩個最具代表性的方程。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，同時變形的描述與系統(tǒng)動力學(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。

動力學(xué)方程

       無論是連續(xù)或離散的動力學(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)剛體運動的影響。例如為了避免過大的彈性變形破壞柔性機械臂的穩(wěn)定性和末端定位精度，NASA的遙控太空手運動的最大角速度為0.5deg/s。

       2）前饋補償法。將機械臂柔性變形形成的機械振動看成是對剛性運動的確定性干擾而采用前饋補償?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)機器人的前饋控制。張鐵民研究了基于利用增加零點來消除系統(tǒng)的主導(dǎo)極點和系統(tǒng)不穩(wěn)定的方法，設(shè)計了具有時間延時的前饋控制器，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。Seering Warren P.等學(xué)者對前饋補償技術(shù)進行了深入的研究。

       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械臂的末端軌跡控制問題。

       4）被動阻尼控制。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)計臂的結(jié)構(gòu)以控制振動?；蛘咴谌嵝粤荷喜捎米枘釡p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)均屬于被動阻尼控制。近年來，粘彈性大阻尼材料用于柔性機械臂的振動控制已引起高度重視。Rossi Mauro和Wang David研究了柔性機器人的被動控制問題。

       5）力反饋控制法。柔性機械臂振動的力反饋控制實際上是基于逆動力學(xué)分析的控制方法，即根據(jù)逆動力學(xué)分析，通過臂末端的給定運動求得施加于驅(qū)動端的力矩，并通過運動或力檢測對驅(qū)動力矩進行反饋補償。

       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)計自適應(yīng)控制規(guī)則來辨識柔性機械臂的不確定性參數(shù)。對具有非線性和參數(shù)不確定性的柔性機械臂進行了跟蹤控制器的設(shè)計。控制器的設(shè)計是依據(jù)Lyapunov方法的魯棒和自適應(yīng)控制設(shè)計。通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換將系統(tǒng)分成兩個子系統(tǒng)。用自適應(yīng)控制和魯棒控制分別對兩個子系統(tǒng)進行控制。

       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、實用，被普遍地用于剛性機械臂控制，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)，其中滑模控制是最普遍的變結(jié)構(gòu)控制。其特點：在切換面上，具有所謂的滑動方式，在滑動方式中系統(tǒng)對參數(shù)變化和擾動保持不敏感，同時，它的軌跡位于切換面上，滑動現(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，不需要機械臂精確的動態(tài)模型，模型參數(shù)的邊界就足以構(gòu)造一個控制器。

       9）模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。是一種語言控制器，可反映人在進行控制活動時的思維特點。其主要特點之一是控制系統(tǒng)設(shè)計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)驗知識、操作數(shù)據(jù)等。

研究意義

       與剛性機械臂相比較，柔性機械臂具有結(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，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)及機器人業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多地采用由若干個柔性構(gòu)件組成的多柔體系統(tǒng)。傳統(tǒng)的多剛體動力學(xué)的分析方法及控制方法已不能滿足多柔體系統(tǒng)的動力分析及控制的要求。柔性機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、外界干擾及計算中的采樣時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未建模動態(tài)　高頻未建模動態(tài)，如執(zhí)行器動態(tài)或結(jié)構(gòu)振動等；低頻未建模動態(tài)，如動/靜摩擦力等。

       模型不確定性給機械臂軌跡跟蹤的實現(xiàn)帶來影響，同時部分控制算法受限于一定的不確定性。應(yīng)用于機械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計方法主要包括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

       機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個復(fù)雜且綜合的過程，涉及多個方面。以下是一些關(guān)鍵的設(shè)計考慮因素和結(jié)構(gòu)特點：

一、基本結(jié)構(gòu)與組成

       1、基座：機械臂的底座，通常由堅固的材料（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)形成機械臂的運動鏈。關(guān)節(jié)類型包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、滑動關(guān)節(jié)等，允許機械臂在一定范圍內(nèi)進行靈活運動。

       3、執(zhí)行器：即機械臂的“手”，負(fù)責(zé)控制機械臂的運動。它可以夾持工具、工件等物體，并根據(jù)指令進行操作。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、運動學(xué)與動力學(xué)原理

       1、運動學(xué)原理：研究機械臂位置和姿態(tài)變化的學(xué)科。通過求解運動學(xué)方程，可以確定機械臂各關(guān)節(jié)的角度，從而實現(xiàn)期望的位置和姿態(tài)。

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

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)節(jié)

      1、材料選擇：需考慮強度、剛度和耐疲勞等特性，以滿足機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、機構(gòu)設(shè)計：包括關(guān)節(jié)類型選擇、關(guān)節(jié)間的傳動方式和驅(qū)動方式等。例如，關(guān)節(jié)間的傳動可以通過齒輪傳動、鏈條傳動或皮帶傳動等實現(xiàn)；驅(qū)動方式則可以采用電動驅(qū)動、液壓驅(qū)動或氣壓驅(qū)動等。

四、控制系統(tǒng)設(shè)計

       1、傳感器：用于獲取機械臂位置、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)動執(zhí)行器。控制系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮響應(yīng)速度、精度和魯棒性等方面。

       綜上所述，機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個涉及多個學(xué)科和領(lǐng)域的復(fù)雜過程，需要綜合考慮機械、電子、控制等多個方面的知識和技術(shù)。

工業(yè)機器人

       機械臂工業(yè)機器人是工業(yè)自動化領(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。以下是對機械臂工業(yè)機器人的詳細(xì)解析：

一、定義與區(qū)別

       工業(yè)機器人：是一種自動化設(shè)備，能夠自動執(zhí)行工作，靠自身的動力和控制能力實現(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)先編排的程序運行，甚至可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則行動。

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

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

二、機械結(jié)構(gòu)分類

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

       多關(guān)節(jié)機器人：機械結(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)量從兩個到十個不等，常用的有六自由度關(guān)節(jié)機器人，具有高靈活性和小占地面積的優(yōu)勢。

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

       并聯(lián)機器人：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)機器人：具有矩形結(jié)構(gòu)，通過在其三個垂直軸上滑動來提供線性運動，適用于需要高精度定位的應(yīng)用。

       圓柱坐標(biāo)機器人：在底座處具有至少一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和至少一個棱柱形關(guān)節(jié)，提供垂直和水平線性運動以及繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)運動。

       協(xié)作機器人：旨在在共享空間中與人類互動或在附近安全工作，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

       機械臂工業(yè)機器人在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，包括但不限于：

       機械制造：在機械加工和制造過程中，自主定位并精確抓取物料進行生產(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：實現(xiàn)人機一體化的操作模式，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)自動化水平的提升和智能制造的推動，機械臂工業(yè)機器人的市場需求持續(xù)增加。根據(jù)市場預(yù)測，全球及中國的機械臂市場規(guī)模在未來幾年內(nèi)將持續(xù)增長。同時，技術(shù)進步和成本下降將進一步推動機械臂在工業(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，機械臂工業(yè)機器人作為工業(yè)自動化領(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。