【文章內容簡介】 工具、鎖緊缸端蓋之間產生磨擦力，液壓動力的鎖緊銷縮回力很大，能夠滿足。 大臂、小臂和腕的機構分析具有位置控制功能的水下作業(yè)機械手,一般常用液壓伺服系統(tǒng)來進行驅動,主要原因是因為它具有體積小、重量輕、慣性小以及出力大等突出的優(yōu)點。液壓執(zhí)行元件選用液壓缸比選用液壓馬達設計出的機械手結構緊湊、受力條件好,因此目前大多數(shù)水下作業(yè)機械手采用伺服閥控液壓缸所構成的液壓伺服系統(tǒng)。 肘關節(jié)與腕關節(jié)之間為小臂，肘關節(jié)與肩關節(jié)之間為大臂。如圖25所示：. 大臂、小臂 The great arm, forearm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。本文機械手的動力機構采用對稱閥控單出桿液壓缸的形式,由于單出桿液壓缸兩腔活塞面積不同,這使得它在兩個相反運動方向上的控制性能不一致,另外這樣的動力機構在零位附近表現(xiàn)出的平穩(wěn)性較差。需要反饋控制的4個關節(jié)的動力機構均為閥控單出桿液壓缸，其結構示意圖如圖26所示。動力機構是零開口四通閥控的單出桿液壓缸，零開口四通閥為4個節(jié)流窗口面積梯度相等的對稱閥，國內外廠家生產的伺服閥大都是這種結構。用對稱閥來控制不對稱的液壓缸，就導致液壓缸活塞向兩個方向運動的性能不一致性。由下式給出伺服閥兩個不同方向開口時的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。. 閥控單出桿油缸原理圖 The valve under the fuel tank of a single schematic當x0時 （21）式中，有（無）桿腔橫截面積油缸負載質盤外干擾力增量液體的體積彈性模數(shù)阻尼系數(shù)彈贊負載的剛度泄漏系數(shù)無桿腔初始容積滑閥的流量增益系數(shù)流量壓力系數(shù)。對于位置伺服系統(tǒng)來說，通常沒有彈贊負載，即。同時液壓缸阻尼很小，即由此可將（1）式簡化為: （22）式中令則（2）式可寫為： (23)同理x0時: (24)式中：簡化為： （25） 驅動器的選用驅動器相當于機器人的肌肉。對于任何機構而言，要實現(xiàn)設計的運動規(guī)律，選擇合適的動力源是必不可少的步驟。而對于機器人尤其是旋轉副為主要關節(jié)的機械臂的驅動組件的選型，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)直接驅動各關節(jié)自由度。電動驅動器從80年代開始被應用于機器人上，它由電能產生動能，驅動機器人各關節(jié)動作。電動機器人能完成高速運動，具有傳動機構少，成本低等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)生產中已基本普及。2）借助液壓缸、液壓馬達等流體動力組件，通過液壓系統(tǒng)驅動各關節(jié)自由度。液壓機器人具有精度高，反應速度快的優(yōu)點，但液壓機構維護復雜，成本高，現(xiàn)已基本被電動機器人取代。3）借助氣缸、氣閥和相應驅動結構構成氣動控制系統(tǒng)來驅動各關節(jié)自由度。上述幾種驅動方案各有自己的優(yōu)點，同樣也有相應的不足之處氣動機器人由氣動機構產生動力驅動關節(jié)運動。氣動方式受空氣可壓縮性影響，穩(wěn)定性差，定位精度低，目前應用較少。第一種電機驅動的方案，其優(yōu)點在于：利用電機驅動，相應的各種控制系統(tǒng)在工業(yè)應用中為主流，相應技術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。同時驅動系統(tǒng)的體積會比較緊湊。當然這種方案的缺點也是十分明顯：即通過電機驅動，如果將電機直接布置在各種轉動關節(jié)上的話，電機和傳動系統(tǒng)的自重、慣量等往往也會成為負載，傳動環(huán)節(jié)本身由于機械效率的影響也會使有效功率降低，特別是在多自由度機械臂中，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。而如果通過一些機械設計將電機負載的影響減小的話，往往又會加大機構自生的復雜性，對可靠性和維護帶來一定不利影響。第二種液壓驅動的方案，其優(yōu)點在于：液壓元器件的輸出功率較大，如利用液壓缸、液壓推桿等驅動組件，通常可以在保持輸入功率不變的情況下大幅提高機械臂驅動負載的能力。同時在需要保持一定空間位置或者姿態(tài)時，液壓系統(tǒng)由于其剛度較大，也可以在一定程度上克服干擾的影響。這種方案的缺點在于：首先，所有的液壓驅動系統(tǒng)都不可避免的需要配置液壓油箱，而通常油箱都具有一定體積，這對于一些需要在狹小空間內作業(yè)的機械系統(tǒng)來說會減少其它有效負載的可用空間。其次，液壓系統(tǒng)需要除了需要相應的控制管線外還需布置能夠承受工作壓強的液壓管路和閥門，這些也對于小體積的機械系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。最后，相比電機驅動，液壓系統(tǒng)的響應頻率較低，同時液壓缸或推桿驅動的旋轉關節(jié)的可運動范圍也會有一定限制。第三種氣壓驅動的方案，其優(yōu)點在于：相比電機系統(tǒng)，由于氣動系統(tǒng)較少借助中間傳動環(huán)節(jié)，而是直接通過氣缸驅動，所以輸出功率較高。（當然液壓系統(tǒng)的輸出功率是三種方案里最高的）。而氣動系統(tǒng)由于工作介質為空氣，所以管路的要求沒有液壓系統(tǒng)那么高，提供壓縮空氣的氣源（氣泵）的體積也小于液壓油箱占用的空間體積。這種方案的缺點在于：氣動系統(tǒng)由于氣體性質的原因，往往較難達到較高的定位精度，而且氣體本身受溫度影響較大，系統(tǒng)剛度較低。而且氣動系統(tǒng)對于空氣質量（濕度、溫度）等有一定要求，對于在水下作業(yè)機械臂系統(tǒng)來說，會減少可用場合。對本課題而言，具有位置控制功能的水下作業(yè)機械手,一般常用液壓伺服系統(tǒng)來進行驅動,主要原因是因為它具有體積小、重量輕、慣性小以及出力大等突出的優(yōu)點。液壓執(zhí)行元件選用液壓缸比選用液壓馬達設計出的機械手結構緊湊、受力條件好,因此目前大多數(shù)水下作業(yè)機械手采用伺服閥控液壓缸所構成的液壓伺服系統(tǒng)。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。本文機械手的動力機構采用對稱閥控單出桿液壓缸的形式,由于單出桿液壓缸兩腔活塞面積不同,這使得它在兩個相反運動方向上的控制性能不一致,另外這樣的動力機構在零位附近表現(xiàn)出的平穩(wěn)性較差。目前較成熟的有關液壓伺服系統(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計機械手時預料到的,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。 本章小結機械臂是作業(yè)系統(tǒng)中最常用最重要的模塊之一，承載能力和靈活程度是主要的衡量指標。機械手的設計基本能來實現(xiàn)人的動作，通過手爪、自動對接腕、大臂小臂和基座之間的互相作用和液壓驅動能很好的完成所需動作。3 五自由度機械臂機構及運動學模型簡介為了研究機械臂的動態(tài)特性，求解機械臂各關節(jié)驅動器所需驅動力矩，選擇驅動電機的型號，同時對機械臂的各關節(jié)驅動器進行控制，就必須首先建立機械臂的運動學、動力學模型。因此，運動學和動力學分析成為機械臂控制系統(tǒng)設計必不可少的一部分。機械臂運動學研究的是末端執(zhí)行器的位移、速度和加速度與機械臂各關節(jié)的位移、速度和加速度的關系。機械臂運動學通常存在兩類問題:正運動學問題和逆運動學問題。前者是指:在已知機械臂各關節(jié)變量氏(i=1，…，n)的基礎上，求解出機械臂末端執(zhí)行器的位置矢量p和姿態(tài)矢量n、o、a的過程。逆運動學問題是指: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節(jié)變量氏(i=1，…，n)。機器人逆運動學問題在機器人學中占有重要的地位，也是機器人運動規(guī)劃和軌跡控制的基礎，通過運動學逆解把空間位姿轉換為關節(jié)變量，才能實現(xiàn)對機器人手爪的控制。求解機器人的運動學逆解問題實質上是求解超越函數(shù)的非線性方程，由于機器人本身的復雜性，要用一種通用的算法是很困難的。目前求解運動學逆解的方法主要有:Paul等人提出的代數(shù)法，Lee和Ziegler提出的幾何法以及PiePer方法等。 五自由度機械臂機構簡介機械臂是作業(yè)系統(tǒng)中最常用最重要的模塊之一，承載能力和靈活程度是主要的衡量指標。在目前的水下作業(yè)的機器人上，由于能源、重量限制，機械手往往負重能力不能做的太大，國內普遍小于10公斤，國外也大多小于20公斤，因此很難配置安裝體積、重量較大的X光檢查儀，也無法處理較大的爆炸物；同時，一般自由度往往也在4－5個左右，操作范圍有限。由于反恐、排爆任務復雜多樣，目前的水下作業(yè)機器人只是其中一種設備。反恐部隊還需裝備其它許多必要的設備，如，防爆筒、無線干擾儀、爆炸物檢查儀（X光檢查儀），爆炸物銷毀器、防爆服、防彈服、遙控阻車器、特種武器以及通訊、指揮系統(tǒng)等等。隨著反恐形勢發(fā)展，反恐部隊設備的零星采購和反復申請以及各種設備的優(yōu)化配置和運輸方式都分散了他們大量的精力。為了適應長期反恐需要，近來，美國正在發(fā)推出一種反恐、防爆設備專用集成平臺。它主要由專用卡車和一只功能齊全的大型多自由度機械手組成，卡車上合理配置了多種反恐、防爆設備，用戶可以根據自己需要增減和挑選設備。這種設計概念得到了政府和用戶的贊賞和支持，將要成為反恐、防爆設備發(fā)展的新趨向。根據國際有關發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀，我們進行了比較長期深入的分析和研究，針對目前美國方案對司機等不夠安全的問題，提出了一種具有自行能力的掛車式反恐機器人集成平臺設計方案。其主要內容如下：大型水下作業(yè)機械手放置在特制的移動載體（船）上，平時由機動船只拖動。該船采用專門設計，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。該船具備靈活轉向，直行和斜行等功能，此時運動性能優(yōu)于普通打撈船只，很適合打撈水下物品的需要。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。在打撈船上放置有防爆筒，機械手抓取了爆炸物可直接放在防爆筒里。同時在船上也可放置防爆服、小型反恐機器人以及無線干擾儀等裝備，形成打撈、排爆機器人集成平臺。 機器人運動學方程的表示 機械臂的運動分析，首先確定機械臂的參考坐標系以及各關節(jié)坐標系，確定D H(oenavi一Hartenbers)運動學參數(shù)，關節(jié)變量及其變化范圍。. 機械臂的運動分析 Kinematical analysis of the manipulator其次，根據這些參數(shù)求出相鄰關節(jié)坐標系的齊次變換矩陣A，(i=1,…，6)，進而求得運動方程: (31) 機械臂的綜合運動軌跡研究根據上述運動方程，末端執(zhí)行器的位姿給定，即已知p和n、o、a時，找出得到該位姿的各個關節(jié)變量氏(i=1，…，6)的表達式。在機器人存在多解的情況下，選擇其中符合實際要求的最滿意一組解。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。軌跡規(guī)劃就是根據作業(yè)任務的要求，計算出預期的軌跡。軌跡