【正文】 多自由度機(jī)械臂中，通過各環(huán)節(jié)負(fù)載的傳遞，為了克服由于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)而附加的負(fù)載往往需要選用更大額定功率的電機(jī)。（當(dāng)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(xiàn)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(duì)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(gè)運(yùn)動(dòng)方向上的性能不一致是我們?cè)谠O(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)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(shí),由于液壓伺服系統(tǒng)主要工作在零點(diǎn)附近,所以對(duì)零位特性進(jìn)行分析就顯得更加重要。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題是指:在給定機(jī)械臂末端執(zhí)行器要到達(dá)的空間位姿p和n、o、a時(shí)，找出得到該位姿的各個(gè)關(guān)節(jié)變量氏(i=1，…，n)。隨著反恐形勢(shì)發(fā)展，反恐部隊(duì)設(shè)備的零星采購和反復(fù)申請(qǐng)以及各種設(shè)備的優(yōu)化配置和運(yùn)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(jī)械手，負(fù)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(jìn)行檢測(cè)。軌跡規(guī)劃器可以形象地看成一個(gè)黑箱。然而它的計(jì)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(jì)算精度。基于拉格朗日方法推導(dǎo)出的機(jī)械臂的動(dòng)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(duì)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(gè)矢量叫做法線矢量n ,它與矢量噢o和a一起構(gòu)成一個(gè)右手矢量集合，并由矢量的交積所規(guī)定: n=oxa 。、分別為五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)度。 機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的逆解大多數(shù)機(jī)器人是用某個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系來指定機(jī)械手末端位姿，這一指定可用于求解機(jī)械手的最后一個(gè)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(duì)應(yīng)相等得： （1） （2）將式（1）中的項(xiàng)移動(dòng)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(fù)號(hào)表示分別對(duì)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(jiǎn)單。同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡(jiǎn)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(chǎng)，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(biāo)。 虛擬設(shè)計(jì)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)，并允許用交互手段對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)建立的模型進(jìn)行修改。 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 虛擬設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jiǎn)單介紹一個(gè)有代表性的實(shí)體的建模過程，其中軟件環(huán)境為soildworks普通版。某個(gè)產(chǎn)品也可以是另外一個(gè)產(chǎn)品的成員，某個(gè)部件也可以是另外一個(gè)部件的成員。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用以液壓馬達(dá)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(jī)械手爪，可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細(xì)長(zhǎng)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(gè)月來，老師那嚴(yán)謹(jǐn)?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(duì)我的關(guān)愛，無一不讓我感動(dòng)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(xiàn)[1] 蔡自興 ，2000.[2] 《機(jī)器人技術(shù)導(dǎo)論》 [法] 匡興華 ，1991,5.[3] 期刊：《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》，1999.[4] 《水下作業(yè)機(jī)械手遙控操作實(shí)驗(yàn)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(dá)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(jī)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(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》 1999年.[24] 《水下作業(yè)機(jī)械手遙控操作實(shí)驗(yàn)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. Trends of control for mobile robotsand vehicles. 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(jì)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(gè)自由度，除腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的液壓馬達(dá)外，其余動(dòng)力部件為伺服液壓缸。避免了在加工非標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)所耗費(fèi)的額外時(shí)間，縮短了加工周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)方式,驅(qū)動(dòng)力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。產(chǎn)品和部件是相對(duì)的。虛擬化的設(shè)計(jì)方式在某種程度上使設(shè)計(jì)者從繁重的“藍(lán)領(lǐng)工作”解脫出來，真正體驗(yàn)到“創(chuàng)作”經(jīng)歷的“快感”。支持協(xié)同工作和異地設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。 虛擬設(shè)計(jì)的概念目前，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)還沒有統(tǒng)一的定義，不同的學(xué)者對(duì)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的概念理解不同，比較普遍的理解是：虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是以信息技術(shù)為載體，通過強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，以特定行業(yè)的軟件為依托，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jìn)中國。該軟件能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案，減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。并在后續(xù)內(nèi)容中針對(duì)該五自由度水下作業(yè)械臂建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，給出了相應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式的推導(dǎo)與說明。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解是機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)，求解逆運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，本文利用代數(shù)法求機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。機(jī)器人手臂的底座水平旋轉(zhuǎn)()實(shí)現(xiàn)機(jī)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(yùn)動(dòng)（），機(jī)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(dòng)（），共有5個(gè)關(guān)節(jié)的自由度。把所描述的坐標(biāo)系的原點(diǎn)置于夾手指尖的中心，此原點(diǎn)用矢量表示。牛頓歐拉法盡管計(jì)算量較小，但是難以用它們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)器人控制器或計(jì)算機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的等效慣量，這就使得機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模的根本目的沒有達(dá)到。這兩種算法各有其長(zhǎng)處與不足。為了控制機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)，還需要討論機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。該船采用專門設(shè)計(jì)，平時(shí)不需動(dòng)力，作為普通船只用，可以高速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)打撈目標(biāo)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(jī)器人只是其中一種設(shè)備。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)通常存在兩類問題:正運(yùn)動(dòng)學(xué)問題和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。液壓缸分單出桿液壓缸(即不對(duì)稱缸)和雙出桿液壓缸(即對(duì)稱缸)兩種,由于目前商品化的伺服閥大都是四個(gè)節(jié)流窗口面積梯度相等的零開口對(duì)稱閥,這樣就出現(xiàn)兩種不同形式的液壓伺服系統(tǒng),即對(duì)稱閥控單出桿液壓缸和對(duì)稱閥控雙出桿液壓缸。最后，相比電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)的響應(yīng)頻率較低，同時(shí)液壓缸或推桿驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的可運(yùn)動(dòng)范圍也會(huì)有一定限制。第一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案，其優(yōu)點(diǎn)在于：利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(shí)利用電氣組件控制的話往往更容易達(dá)到較高的頻率響應(yīng)。而對(duì)于機(jī)器人尤其是旋轉(zhuǎn)副為主要關(guān)節(jié)的機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)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(jī)，通過傳動(dòng)環(huán)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)自由度。需要反饋控制的4個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)力機(jī)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(duì)接實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn), 手腕和工具對(duì)接到還差3mm至4mm時(shí)就不能繼續(xù)對(duì)接了,此時(shí), 由于工具上與鎖緊銷對(duì)應(yīng)的孔有一定的錐度，當(dāng)伸出三個(gè)縮緊銷，鎖緊銷很大的力會(huì)使鎖緊銷沿著工具上孔的錐面進(jìn)入孔內(nèi)，從而使手腕和工具完全對(duì)接上。2）油路對(duì)接功能，即使機(jī)械手上的油源通過對(duì)接腕與工具上的油缸接通，為工具提供動(dòng)力，這一功能靠安在對(duì)接腕上的油路自封接頭（凸對(duì)接頭）。由于水下環(huán)境的限制,水下機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)都較為簡(jiǎn)單,通常只有一個(gè)自由度。 3）肘的上下動(dòng)作。作者系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機(jī)器人技術(shù)的知識(shí)，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)國內(nèi)外機(jī)器人，主要是工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)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(dāng)前世界上比較關(guān)注的話題——機(jī)器人來展開的，并針對(duì)機(jī)器人的執(zhí)行裝置，更深一步的研究，設(shè)計(jì)一種適用于水下作業(yè)的五自由度的機(jī)械手臂。它們被用于搬運(yùn)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(jī)械手握住焊槍，可進(jìn)行焊接；握住噴槍，可進(jìn)行噴漆。機(jī)械手由手臂和手爪組成。機(jī)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(jī)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(jī)器人機(jī)器人能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工中。機(jī)器人學(xué)時(shí)綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、人工智能等多學(xué)科知識(shí)，對(duì)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、控制、智能、傳感、編程語言以及機(jī)器人應(yīng)用等進(jìn)行研究的一門綜合新興交叉學(xué)科。機(jī)器人技術(shù)涉及生物學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自控技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科的綜合技術(shù)。與全球機(jī)器人市場(chǎng)一樣，中國機(jī)器人市場(chǎng)也逐漸活躍，1997年上半年，我國從事機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的單位已達(dá)200家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機(jī)器人約有410臺(tái)，其中已用于生產(chǎn)的約占3/4。該機(jī)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(bào)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(dú)立進(jìn)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：