【正文】 大型水下作業(yè)機(jī)械手放置在特制的移動(dòng)載體（船）上，平時(shí)由機(jī)動(dòng)船只拖動(dòng)。該船具備靈活轉(zhuǎn)向，直行和斜行等功能，此時(shí)運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)于普通打撈船只，很適合打撈水下物品的需要。在打撈船上放置有防爆筒，機(jī)械手抓取了爆炸物可直接放在防爆筒里。 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的表示 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)分析，首先確定機(jī)械臂的參考坐標(biāo)系以及各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，確定D H(oenavi一Hartenbers)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，關(guān)節(jié)變量及其變化范圍。在機(jī)器人存在多解的情況下，選擇其中符合實(shí)際要求的最滿(mǎn)意一組解。軌跡規(guī)劃就是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，計(jì)算出預(yù)期的軌跡。其輸入包括路徑的設(shè)定和約束，輸出的是機(jī)械臂末端的位姿序列，表示手部在各離散時(shí)刻的中間位形。雖然機(jī)械臂最終能夠從當(dāng)前位置移動(dòng)到期望位置，但是，機(jī)械臂在這兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)是不可預(yù)知的。其計(jì)算量遠(yuǎn)大于關(guān)節(jié)空間描述，然而，使用該方法能夠得到一條可控并且可預(yù)知的軌跡。由于笛卡爾空間的軌跡在常見(jiàn)的直角坐標(biāo)系中表示，因此非常直觀(guān)，人們很容易看到機(jī)械臂末端的軌跡。此外，笛卡爾空間的軌跡難以確保不存在奇異點(diǎn)。另外，兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，有可能使機(jī)械臂關(guān)節(jié)變量發(fā)生突變。. 軌跡規(guī)劃框圖 Block diagram of trajectory planning現(xiàn)有的分析機(jī)器人動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的方法有:拉格朗日法、牛頓歐拉法、凱恩法等，它們各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。而拉格朗日法中，拉格朗日方程各項(xiàng)系數(shù)的物理意義很明確，基本上包含了機(jī)器人的一切動(dòng)力學(xué)特性，可用來(lái)計(jì)算機(jī)器人各關(guān)節(jié)的等效慣量和設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制策略，便于對(duì)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和研究，因此采用較為廣泛。 五自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以把任何機(jī)器人的機(jī)械手臂看作是一系列由關(guān)節(jié)連接起來(lái)的連桿構(gòu)成的，為機(jī)械手的每一連桿建立一坐標(biāo)系，并用齊次變換來(lái)描述這些坐標(biāo)系間的相對(duì)位置和姿態(tài)。如果表示第一個(gè)連桿相對(duì)于基系的位置和姿態(tài)，表示第一個(gè)連桿相對(duì)于第二連桿的位置和姿態(tài)，那么第二連桿在基系中的位置和姿態(tài)可由下列矩陣的乘積給出: (33)同理，第三個(gè)連桿相對(duì)于基系中的位姿為: (34)本課題所研究的機(jī)械臂是六連桿，其具有五個(gè)自由度，對(duì)于六連桿機(jī)械臂在基系中的位姿為: (35)一個(gè)六連桿機(jī)械手可具有五個(gè)自由度，每個(gè)連桿含有一個(gè)自由度，并能在其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意定位和定向。圖31表示機(jī)器人的一個(gè)夾手。描述夾手方向的三個(gè)單位矢量的指向如下:Z向矢量處于夾手進(jìn)入物體的方向上，并稱(chēng)之為接近矢量a；y向矢量的方向從一個(gè)指尖指向另一個(gè)指尖，處于規(guī)定夾手方向上，稱(chēng)為方向矢量。. 末端執(zhí)行器的位姿坐標(biāo)系 The end of the actuator position and orientation of the coordinate system因此，變換T5為: (36) (37)這就是五自由度機(jī)器手臂的運(yùn)動(dòng)方程。機(jī)器人手臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，為了描述末端執(zhí)行器在空間的位置和姿態(tài)，一般在每個(gè)關(guān)節(jié)上建立一個(gè)坐標(biāo)系，利用坐標(biāo)系之間的關(guān)系來(lái)描述末端執(zhí)行器的位姿。本文研究的手臂結(jié)構(gòu)由底座、大臂、小臂、碗部、手指等組成，類(lèi)似人的腰部和手臂部分。根據(jù)圖一所建立的坐標(biāo)系，得到各連桿的DH參數(shù)和關(guān)節(jié)變量（表1）.各連桿之間的齊次變換矩陣為，一般表達(dá)式為：.表1中，、分別為連桿長(zhǎng)度、連桿轉(zhuǎn)角和兩連桿的距離。將表1列出的各參數(shù)值分別代入表達(dá)式中，得到各兩岸間的齊次變化矩陣為： 由此可知坐標(biāo)系{5}相對(duì)于基座標(biāo)系{0}的變換矩陣，即該機(jī)器人手臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為： 由以上各式解得：手臂末端的位置方程為：，在上述公式中： i=1,2,5；，這種等式關(guān)系適用于全文。在機(jī)械手能夠被驅(qū)動(dòng)到這個(gè)位姿之前，必須知道與這個(gè)位置有關(guān)的所有關(guān)節(jié)位置。使的符號(hào)表達(dá)式各元素等于的一般形式，并據(jù)此確定0，其他五個(gè)關(guān)節(jié)參數(shù)一般不可能從求得，可以從以下幾個(gè)方程中求得: (38)求運(yùn)動(dòng)方程逆解，即求得機(jī)械手各關(guān)節(jié)坐標(biāo)，這對(duì)機(jī)械手的控制至關(guān)重要。 機(jī)器人手臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析.在已知末端手抓的位姿，即給出n, o ,a ,p ,求得每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)變量的值。關(guān)節(jié)角 用逆變換左乘式的兩邊則有：令得到的矩陣方程兩端的元素（2，4）對(duì)應(yīng)相等得：所以，關(guān)節(jié)角用逆變換關(guān)節(jié)角 將（1）中的移動(dòng)到等式的左邊，由于已知。 本章小結(jié)本章簡(jiǎn)述了本課題所研究的五自由度水下作業(yè)械臂機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的技術(shù)要求，并從總體上介紹了五自由度水下作業(yè)械臂各驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)和手爪等特殊機(jī)構(gòu)的機(jī)械原理和性能指標(biāo)。工業(yè)機(jī)械臂一直以來(lái)主要采用PD控制方法，原因主要有以下幾點(diǎn):l)無(wú)需對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的加速度進(jìn)行測(cè)量，且能增強(qiáng)速度信號(hào)的抗干擾能力。3)已有成熟的硬件控制器。4 機(jī)械臂的建模Solidworks軟件是世界第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢(shì)，Solidworks公司于兩年間成為CAD\CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。Solidworks功能強(qiáng)大，易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是該軟件的三大特點(diǎn)，使得該軟件成為領(lǐng)先的，主流的三維CAD解決方案。該軟件不僅提供如此強(qiáng)大的功能。對(duì)于熟悉微軟的windows系統(tǒng)的用戶(hù)，基上就可以用該軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)了。本論文基于我國(guó)國(guó)情，在簡(jiǎn)單的反求工程基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配及運(yùn)動(dòng)仿真，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段能夠以較高的置信度預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的最終性能和可制造性。 虛擬設(shè)計(jì)的概念、意義及特點(diǎn) 虛擬設(shè)計(jì)的意義中國(guó)自從80年代開(kāi)始，確立改革開(kāi)放的路線(xiàn)，由于龐大內(nèi)需市場(chǎng)（近14億人口）與相對(duì)廉價(jià)的人工、土地、廠(chǎng)房等有利因素的吸引，使得先進(jìn)國(guó)家紛紛將各種成熟產(chǎn)品，轉(zhuǎn)移至中國(guó)生產(chǎn)。充其量，只是將中國(guó)視為一個(gè)“組裝工廠(chǎng)”，將半成品自國(guó)外進(jìn)口，在中國(guó)組裝完成后，再行銷(xiāo)售。在我國(guó),雖然很久以前就提出“甩圖板”的口號(hào),但至今計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的普及程度仍然很低,發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)械企業(yè)CAD技術(shù)的普及率接近100％,而我國(guó)還不到30％。因此,國(guó)內(nèi)CAD的應(yīng)用還處于低水平,這相對(duì)于硬件投資、人力投入來(lái)講無(wú)疑是一個(gè)巨大的浪費(fèi)。因此從技術(shù)層面上來(lái)講，加速推進(jìn)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)將是解決制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)強(qiáng)調(diào)在實(shí)際投入原材料之前，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程，以CAE進(jìn)行全面分析，以保證產(chǎn)品的使用性能和制造的可行性。就“設(shè)計(jì)”而言，所有的設(shè)計(jì)工作都是圍繞虛擬原型而開(kāi)展的，只要虛擬原型能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則實(shí)際產(chǎn)品必定能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。虛擬設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：虛擬設(shè)計(jì)繼承了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的所有特點(diǎn)。具備仿真技術(shù)的可視化特點(diǎn)，便于改進(jìn)和修正原有設(shè)計(jì)。便于利用和補(bǔ)充各種先進(jìn)技術(shù)，保持技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。雖然某些模塊技術(shù)已經(jīng)有了較為深入的研究，但是虛擬設(shè)計(jì)對(duì)許多工業(yè)部門(mén)來(lái)說(shuō)，仍處于醞釀階段，對(duì)于大多數(shù)企業(yè)還僅僅是局部模塊技術(shù)。福特汽車(chē)公司在新型汽車(chē)的開(kāi)發(fā)中已經(jīng)用了虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，大大縮短了發(fā)布時(shí)間；波音公司的777型大型客機(jī)是世界上首架虛擬產(chǎn)品，其整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測(cè)試、整機(jī)裝配及試飛等均采用了CAD技術(shù)，使該機(jī)型的開(kāi)發(fā)周期由8年縮短為5年。從小到牙刷、茶杯、手機(jī)的設(shè)計(jì)，大到空中客車(chē)380的設(shè)計(jì)，“虛擬”給設(shè)計(jì)者帶來(lái)的不僅是高效、精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，而且它也給設(shè)計(jì)者帶來(lái)一種前所未有的、神奇的、身臨其境的愉悅經(jīng)歷。近年來(lái)人們又提出快速響應(yīng)制造技術(shù)，即將虛擬設(shè)計(jì)、快速原型成形、信息技術(shù)、快速設(shè)計(jì)技術(shù)、管理科學(xué)等技術(shù)集成，充分利用信息高速公路及制造業(yè)的資源，采用新的設(shè)計(jì)理論和方法、制造工藝、新的管理思想、新的企業(yè)組織結(jié)構(gòu)，將市場(chǎng)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)制造有機(jī)結(jié)合，快速、經(jīng)濟(jì)地響應(yīng)市場(chǎng)個(gè)性化需求。創(chuàng)建方法如下：（1）運(yùn)行Solidworks程序。..然后開(kāi)始作圖，畫(huà)出草圖的輪廓線(xiàn)，再退出草圖編輯，進(jìn)入到實(shí)體部件的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)特征選項(xiàng)，進(jìn)行拉伸切除的一系列的操作，最終完成各部件的建模。部件也稱(chēng)做組件，它是由至少一個(gè)零件（Part）組成的。例如，相對(duì)于汽車(chē)，變速箱是一個(gè)部件；相對(duì)于齒輪或軸，變速箱就是一個(gè)產(chǎn)品。在構(gòu)成產(chǎn)品的特征樹(shù)上不難看到，樹(shù)根一定是某個(gè)產(chǎn)品，零件一定是樹(shù)葉。包括創(chuàng)建裝配體、添加指定的部件或零件到裝配體、創(chuàng)建部件之間的裝配關(guān)系、移動(dòng)和布置裝配成員、生成產(chǎn)品的爆炸圖、裝配干涉和間隙分析等主要功能。下圖為裝配之后的機(jī)械手臂裝配圖 機(jī)械手臂仿真建立了機(jī)械手的三維模型,對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了仿真研究,分析了運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)關(guān)系,完成了機(jī)械手抓取不同目標(biāo)物時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真。5 經(jīng)濟(jì)性分析本設(shè)計(jì)是針對(duì)水下作業(yè)的機(jī)械手臂而設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的傳遞比較平穩(wěn)，沖擊較小，可靠性較高，稍微對(duì)工作環(huán)境有些影響。在裝配的過(guò)程中簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)也可以減少裝配的時(shí)間和裝配費(fèi)用。例如軸承，螺釘，螺母，墊片的選擇。同時(shí)在非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)中工藝比較簡(jiǎn)單，多軸孔類(lèi)加工，這樣就為此類(lèi)非標(biāo)準(zhǔn)件的加工提供便利條件，縮短了加工工時(shí)。6 結(jié)論本課題對(duì)五自由度水下作業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了深入研究，建立了基于Proe系統(tǒng)的零件模型。機(jī)械手臂由5自由度機(jī)械臂與夾鉗式手爪構(gòu)成。該機(jī)為液壓驅(qū)動(dòng)的主從隨動(dòng)及示教再現(xiàn)式操作機(jī)械手。本文所完成的內(nèi)容如下：1） 五自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)2） 機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3） 機(jī)械臂的建模本課題所論述的機(jī)械手臂具有以下優(yōu)點(diǎn)：行動(dòng)能力強(qiáng)、體積小、及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)課題的要求，具備在特殊壞境中代替人進(jìn)行工作的能力。同時(shí)其也存在著不足之處：由于是根據(jù)課題任務(wù)而研制出的是最實(shí)用、最經(jīng)濟(jì)的五自由度機(jī)械手臂，所以在機(jī)械手臂的自主化和智能化方面有所欠缺。2）下位機(jī)控制系統(tǒng)與上位機(jī)控制系統(tǒng)之間的通訊可靠性與實(shí)時(shí)性需要加以驗(yàn)證改進(jìn)。4）機(jī)械臂操作方式除手柄控制外，期望進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出具有力反饋的主機(jī)械臂控制從機(jī)械臂的操作設(shè)備。每每遇到一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題指導(dǎo)老師都給予了詳細(xì)的解答。在此以對(duì)指導(dǎo)老師和在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中給予我?guī)椭乃欣蠋熀屯瑢W(xué)致謝！在這里感謝學(xué)校四年年以來(lái)的教育，感謝所有老師對(duì)我學(xué)習(xí)和生活中給予的幫助。衷心感謝我的父母對(duì)我多年的養(yǎng)育之恩和辛勤培養(yǎng)之情，是他們的無(wú)私支持才使我順利完成學(xué)業(yè)。大學(xué)時(shí)光就要離我們而去了，感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)為我們的付出，讓我度過(guò)如此美好和充實(shí)的大學(xué)生活