【正文】 多自由度機械臂中，通過各環(huán)節(jié)負載的傳遞，為了克服由于電機傳動系統(tǒng)而附加的負載往往需要選用更大額定功率的電機。（當然液壓系統(tǒng)的輸出功率是三種方案里最高的）。目前較成熟的有關(guān)液壓伺服系統(tǒng)的文獻中給出的大都是閥控雙出桿液壓缸的數(shù)學(xué)模型,因而有必要對閥控單出桿液壓缸的特性分析,另外,如果說閥控單出桿液壓缸系統(tǒng)在兩個運動方向上的性能不一致是我們在設(shè)計機械手時預(yù)料到的,那么,在零位附近平穩(wěn)性較差卻是不愿意接受的事實,由于液壓伺服系統(tǒng)主要工作在零點附近,所以對零位特性進行分析就顯得更加重要。逆運動學(xué)問題是指:在給定機械臂末端執(zhí)行器要到達的空間位姿p和n、o、a時，找出得到該位姿的各個關(guān)節(jié)變量氏(i=1，…，n)。隨著反恐形勢發(fā)展，反恐部隊設(shè)備的零星采購和反復(fù)申請以及各種設(shè)備的優(yōu)化配置和運輸方式都分散了他們大量的精力。打撈船只上裝有一多自由度大型打撈機械手，負重在20－30公斤，可適應(yīng)絕大多數(shù)爆炸物，并可將較重的X光檢查儀從船上取下，放置到爆炸物處進行檢測。軌跡規(guī)劃器可以形象地看成一個黑箱。然而它的計算量很大，需要較快的處理速度才能得到類似于關(guān)節(jié)空間軌跡的計算精度。基于拉格朗日方法推導(dǎo)出的機械臂的動力學(xué)模型如下: (32)式中，q∈Rn為關(guān)節(jié)變量，∈Rn為控制力矩，M（q）∈Rnn為對稱正定慣量陣， ∈Rn為哥氏力、離心力，g（q）∈Rn為重力矩。最后一個矢量叫做法線矢量n ,它與矢量噢o和a一起構(gòu)成一個右手矢量集合，并由矢量的交積所規(guī)定: n=oxa 。、分別為五個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動量或者是兩連桿之間的夾角，、分別為回轉(zhuǎn)底座的高度和大小臂的長度。 機械手臂運動學(xué)方程的逆解大多數(shù)機器人是用某個笛卡爾坐標系來指定機械手末端位姿，這一指定可用于求解機械手的最后一個連桿的姿態(tài)。左乘的兩邊則有：令矩陣方程兩端的元素（1，4）和（2，4）分別對應(yīng)相等得： （1） （2）將式（1）中的項移動到等式左邊并令，式（1）、式（2）的平方和，得：再令：利用三角代換，令： 其中： 則： 故： 其中正負號表示分別對應(yīng)的兩種可能解。2)采用局部線性化，控制器參數(shù)容易選擇，調(diào)試簡單。同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便，易學(xué)易用。其主要目的，是要占有龐大的中國國內(nèi)市場，以尋求企業(yè)的最大利益為宗旨，而非以建立中國自主的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)為目標。 虛擬設(shè)計的特點設(shè)計者在虛擬環(huán)境中進行設(shè)計，并允許用交互手段對計算機內(nèi)建立的模型進行修改。 虛擬設(shè)計技術(shù)的發(fā)展狀況 虛擬設(shè)計技術(shù)是最近幾年國際上提出，完整的理論體系還沒有形成，其研究處于探索階段。由此可見虛擬設(shè)計技術(shù)與快速成型技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)的主導(dǎo)技術(shù) Solidworks零件的創(chuàng)建方法 由于篇幅原因與設(shè)計中的零件繁多，在本文中不能一一復(fù)述所有零件的建模過程，在下文中簡單介紹一個有代表性的實體的建模過程，其中軟件環(huán)境為soildworks普通版。某個產(chǎn)品也可以是另外一個產(chǎn)品的成員，某個部件也可以是另外一個部件的成員。在機構(gòu)設(shè)計時采用以液壓馬達控制手腕關(guān)節(jié)，其余關(guān)節(jié)均采用伺服液壓缸控制。另外，在選擇零、部件材料的過程中，所選的材料都為較的普通材料，例如結(jié)構(gòu)的主要部分多選用45鋼，降低了用料方面的成本。機械手爪，可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細長物體,也可用于抓取其它形狀的物體,具有一定的通用性。幾個月來，老師那嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，開拓創(chuàng)新的科研作風(fēng)，忘我的工作精神和對我的關(guān)愛，無一不讓我感動和欽佩，這將使我在今后的工作和學(xué)習(xí)中受益終身。參考文獻[1] 蔡自興 ，2000.[2] 《機器人技術(shù)導(dǎo)論》 [法] 匡興華 ，1991,5.[3] 期刊：《機器人技術(shù)與應(yīng)用》，1999.[4] 《水下作業(yè)機械手遙控操作實驗系統(tǒng)的研究》 哈爾濱工程大學(xué)，2001.[5] 李元宗, ，1991.[6] 淮良貴，1996.[7] 余達太，馬香峰 ，2001.[8] 蔡自興，1987,3:5862.[9] ，1995.[10] .[11] .[12] 振邦，汪勤澎，:.[13] .[14] .[15] ,9(1):310.[16] 李真，,1(1):167171.[17] 馬宏緒,.[18] .[19] 彭慧，封錫盛.“探索者”.[20] 張鐘俊，,6:23.[21] .[22] 《機器人技術(shù)導(dǎo)論》 [法] 匡興華 陳元興譯國防科技大學(xué)出版社 1991,5月.[23] 期刊：《機器人技術(shù)與應(yīng)用》 1999年.[24] 《水下作業(yè)機械手遙控操作實驗系統(tǒng)的研究》 哈爾濱工程大學(xué) 2001.[25] 《Fuzzy PID Control of a Five DOF Robot Arm》，Journal of Intelligent and Robotic Systems ，Springer Netherlands：2004. 7[26] DewitC. 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Procof Control Problemsin Roboticsnad ,12:151175[27] Hamilton J and Analysis of Robot Manipulators, ME597T,Purdue . 致 謝在畢業(yè)設(shè)計過程中遇到到了很多以前在教學(xué)中沒有遇到過的問題，可以說是困難重重。有5個自由度，除腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的液壓馬達外，其余動力部件為伺服液壓缸。避免了在加工非標準件時所耗費的額外時間，縮短了加工周期，提高了經(jīng)濟效益。機械手采用液壓驅(qū)動方式,驅(qū)動力大、結(jié)構(gòu)簡單。產(chǎn)品和部件是相對的。虛擬化的設(shè)計方式在某種程度上使設(shè)計者從繁重的“藍領(lǐng)工作”解脫出來，真正體驗到“創(chuàng)作”經(jīng)歷的“快感”。支持協(xié)同工作和異地設(shè)計，實現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。 虛擬設(shè)計的概念目前，虛擬設(shè)計技術(shù)還沒有統(tǒng)一的定義，不同的學(xué)者對虛擬設(shè)計技術(shù)的概念理解不同，比較普遍的理解是：虛擬設(shè)計技術(shù)是以信息技術(shù)為載體，通過強大的計算機平臺，以特定行業(yè)的軟件為依托，在計算機上實現(xiàn)的設(shè)計技術(shù)。而在中國成為“世界工廠”的初期，雖然許多世界五百強的企業(yè)均已在中國設(shè)廠制造產(chǎn)品，可是不容諱言，這些企業(yè)并未將所謂的“核心技術(shù)”引進中國。該軟件能夠提供不同的設(shè)計方案，減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。并在后續(xù)內(nèi)容中針對該五自由度水下作業(yè)械臂建立了運動學(xué)模型，給出了相應(yīng)運動學(xué)公式的推導(dǎo)與說明。運動學(xué)逆解是機器人手臂運動規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)，求解逆運動學(xué)方程一般有代數(shù)法和幾何法，由于代數(shù)法有求解速度快的優(yōu)點，本文利用代數(shù)法求機器人手臂運動學(xué)反解。機器人手臂的底座水平旋轉(zhuǎn)()實現(xiàn)機器人手臂的整體回轉(zhuǎn)，大臂的上端關(guān)節(jié)用于支撐小臂，大小臂可以做上下俯仰運動（），機器人的腕部位于小臂的前端，具有手腕的回轉(zhuǎn)（）和俯仰轉(zhuǎn)動（），共有5個關(guān)節(jié)的自由度。把所描述的坐標系的原點置于夾手指尖的中心，此原點用矢量表示。牛頓歐拉法盡管計算量較小，但是難以用它們設(shè)計機器人控制器或計算機器人各個關(guān)節(jié)的等效慣量，這就使得機器人動力學(xué)建模的根本目的沒有達到。這兩種算法各有其長處與不足。為了控制機械臂末端的運動，還需要討論機械臂運動的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。該船采用專門設(shè)計，平時不需動力，作為普通船只用，可以高速運動；當發(fā)現(xiàn)打撈目標后，該船具有自行能力，由操作員遙控接近打撈物。由于反恐、排爆任務(wù)復(fù)雜多樣，目前的水下作業(yè)機器人只是其中一種設(shè)備。機械臂運動學(xué)通常存在兩類問題:正運動學(xué)問題和逆運動學(xué)問題。液壓缸分單出桿液壓缸(即不對稱缸)和雙出桿液壓缸(即對稱缸)兩種,由于目前商品化的伺服閥大都是四個節(jié)流窗口面積梯度相等的零開口對稱閥,這樣就出現(xiàn)兩種不同形式的液壓伺服系統(tǒng),即對稱閥控單出桿液壓缸和對稱閥控雙出桿液壓缸。最后，相比電機驅(qū)動，液壓系統(tǒng)的響應(yīng)頻率較低，同時液壓缸或推桿驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的可運動范圍也會有一定限制。第一種電機驅(qū)動的方案，其優(yōu)點在于：利用電機驅(qū)動，相應(yīng)的各種控制系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中為主流，相應(yīng)技術(shù)使用廣泛也較為成熟，同時利用電氣組件控制的話往往更容易達到較高的頻率響應(yīng)。而對于機器人尤其是旋轉(zhuǎn)副為主要關(guān)節(jié)的機械臂的驅(qū)動組件的選型，目前主流的方式有以下的方式：1）借助一定功率的直流或者交流電機，通過傳動環(huán)節(jié)直接驅(qū)動各關(guān)節(jié)自由度。需要反饋控制的4個關(guān)節(jié)的動力機構(gòu)均為閥控單出桿液壓缸，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖26所示。對接實驗中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn), 手腕和工具對接到還差3mm至4mm時就不能繼續(xù)對接了,此時, 由于工具上與鎖緊銷對應(yīng)的孔有一定的錐度，當伸出三個縮緊銷，鎖緊銷很大的力會使鎖緊銷沿著工具上孔的錐面進入孔內(nèi)，從而使手腕和工具完全對接上。2）油路對接功能，即使機械手上的油源通過對接腕與工具上的油缸接通，為工具提供動力，這一功能靠安在對接腕上的油路自封接頭（凸對接頭）。由于水下環(huán)境的限制,水下機械手的手爪結(jié)構(gòu)都較為簡單,通常只有一個自由度。 3）肘的上下動作。作者系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機器人技術(shù)的知識，查閱了大量的文獻資料，對國內(nèi)外機器人，主要是工業(yè)機器人的現(xiàn)狀有了比較詳細的了解。 本課題的研究方向與內(nèi)容本課題主要是圍繞著當前世界上比較關(guān)注的話題——機器人來展開的，并針對機器人的執(zhí)行裝置，更深一步的研究，設(shè)計一種適用于水下作業(yè)的五自由度的機械手臂。它們被用于搬運物品、裝卸材料、組裝零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如：讓機械手握住焊槍，可進行焊接；握住噴槍，可進行噴漆。機械手由手臂和手爪組成。機器人的固有特性，由這些自然特性及其環(huán)境間的互相作用所決定。機械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務(wù)。7) 學(xué)習(xí)控制型機器人機器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工中。機器人學(xué)時綜合運用數(shù)學(xué)、力學(xué)、機械、電子、計算機、自動控制、人工智能等多學(xué)科知識，對機器人的體系結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、控制、智能、傳感、編程語言以及機器人應(yīng)用等進行研究的一門綜合新興交叉學(xué)科。機器人技術(shù)涉及生物學(xué)、力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自控技術(shù)、傳感技術(shù)和計算機等學(xué)科領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科的綜合技術(shù)。與全球機器人市場一樣，中國機器人市場也逐漸活躍，1997年上半年，我國從事機器人及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的單位已達200家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機器人約有410臺，其中已用于生產(chǎn)的約占3/4。該機械手臂主要由說手爪、腕、小臂、大臂和基座組成。：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：