機器人機構(gòu)學(xué)姓名：張楊學(xué)號：20503067專業(yè)：機械設(shè)計及理論

機器人機構(gòu)學(xué)千百年來，人類不斷地發(fā)明了各種機構(gòu)（機械），機構(gòu)早已同人類生活息息相關(guān)。隨著機器人、宇航工程、海洋工程等高新技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)，以及工業(yè)自動化、交通、郵電、醫(yī)療等事業(yè)的發(fā)展研制能夠滿足高精度、重負(fù)載、高效率要求的新機構(gòu)已迫在眉睫。。機構(gòu)的發(fā)展大致經(jīng)歷了從一桿到多桿、從平面到空間、從串聯(lián)到并聯(lián)的過程。1965年，英國高級工程師Stewart發(fā)表了《一個具有六個自由度的平臺》的文章，在工程界引起轟動，人們很快注意到了這種機構(gòu)具備很多優(yōu)點，如輸出精度高、結(jié)構(gòu)剛性好、承載能力強、便于控制、部件簡單等等。時到今日很多人把這種機構(gòu)稱為Stewart機構(gòu)。如圖1所示，Stewart機構(gòu)是最典型的并聯(lián)機器人機構(gòu)，簡稱并聯(lián)機構(gòu)，又稱多環(huán)路機構(gòu)。1并聯(lián)機構(gòu)只\并聯(lián)機構(gòu)由最初的Stewart平臺不斷發(fā)展，到今天已形成了一個龐大的體系。近年來，隨著應(yīng)用的深入和研究手段的加強，并聯(lián)機構(gòu)的分析研究已經(jīng)成為機構(gòu)學(xué)者的熱門課題。各國機構(gòu)學(xué)者爭相在各類刊物上發(fā)表文章。他們的研究從低成 級機構(gòu)到高級機構(gòu)，不斷深入研只\究。圖I 井聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機器人是一個知識密集型的機構(gòu)〃并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)問題屬于空間多自由度多環(huán)機構(gòu)學(xué)理論，是隨著對并聯(lián)機器人的研究而發(fā)展起來的〃所以研究并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論對掌握研制和控制并聯(lián)機器人有著特殊重要的意義〃此外并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)還覆蓋了多足步行機多關(guān)節(jié)多指手爪和多機器人協(xié)調(diào),它們也都屬于同一的機構(gòu)學(xué)范疇。1機器人機構(gòu)的優(yōu)化綜合運動精度是衡量工業(yè)機器人的主要性能指標(biāo)之一，一般包括絕對精度和重復(fù)精度兩種〃近年來，對上述兩種精度誤差的研究已較多，主要集中在位姿誤差分析和位姿誤差的識別與補償〃誤差分析主要是誤差建?！▽τ谝粋€特定的機器人機構(gòu)，絕對位姿誤差是系統(tǒng)誤差〃根據(jù)對機器人系統(tǒng)的測量，所獲取的數(shù)據(jù)信息，可通過重新調(diào)整關(guān)節(jié)變量來校準(zhǔn)這一誤差〃，對于機器人機構(gòu)的設(shè)計，重要的是如何根據(jù)其設(shè)計精度分配連桿參數(shù)公差和關(guān)節(jié)伺服定位精度公差〃在誤差概率分析的基礎(chǔ)上，建立了以連桿參數(shù)公差或關(guān)節(jié)伺服定位精度公差為設(shè)計變量!公差制造成本為目標(biāo)函數(shù)!絕對位姿誤差或重復(fù)位姿誤差滿足設(shè)計精度為約束條件的機器人機構(gòu)精度的概率優(yōu)化綜合的數(shù)學(xué)模型〃。優(yōu)化綜合的機器人機構(gòu)的連桿參數(shù)公差,可以最低成本將機器人的絕對位姿誤差控制在一定的精度范圍內(nèi)，并可能免除對機器人絕對誤差的校正或補償"按重復(fù)位姿精度分配的最優(yōu)關(guān)節(jié)伺服定位精度公差，為選擇恰當(dāng)精度的關(guān)節(jié)伺服定位裝置提供了依據(jù)"。2精度概率優(yōu)化綜合的數(shù)學(xué)模型機器人的精度綜合,就是選擇合理的連桿參數(shù)公差或關(guān)節(jié)伺服定位精度公差,使其所產(chǎn)生的手部絕對位姿誤差或重復(fù)位姿誤差滿足相應(yīng)的精度要求"以公差成本最小為目標(biāo)，確定最優(yōu)連桿參數(shù)公差及關(guān)節(jié)伺服定位精度公差"。3步行機的驅(qū)動仿生和機構(gòu)學(xué)仿生我們提出了驅(qū)動仿生和結(jié)構(gòu)的參數(shù)仿生的新思想，在研究海中螃蟹和陸上昆蟲之后，將步行機的仿生研究從步態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生（以腿代輪，以鉸鏈代滑副等）推到新的高度〃建立陸上和水下步行機模型,特別是應(yīng)用多環(huán)并聯(lián)機構(gòu)學(xué)的影響系數(shù)和超確定輸入的理論研究了有重要意義的低能耗高靈活性的機型及參數(shù)，為新一代的步行機的研制作了技術(shù)儲備〃。4在多機器人協(xié)同操作上的新思路我們以超確定輸入下的協(xié)調(diào)方程和最優(yōu)解析方程的理論實現(xiàn)多機器人協(xié)同下的，從操作空間向和關(guān)節(jié)空間的直接映射〃建立了最基本的多機器人協(xié)同操作的動力學(xué)模型，并發(fā)展了非常有意義的有我們特點的無內(nèi)力控制方案〃國際上所采用間接映射方案，實際上常常并不是必要的〃。二針對于本課題的機構(gòu)學(xué)問題：1動力學(xué)部分以及校核工作:機器人在行走的過程中，每條腿都是抬起和著地兩種狀態(tài)交替變化，包括串聯(lián)和并聯(lián)兩種機構(gòu)，即抬起腿為串聯(lián)機構(gòu)，著地腿、軀體、地面形成并聯(lián)機構(gòu)，并且這種多環(huán)并聯(lián)機構(gòu)得環(huán)數(shù)也將隨著著地腿的數(shù)目不同而不同。在此基礎(chǔ)上，對機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)的分析，并在動力學(xué)求解的基礎(chǔ)上解決兩方面的問題，一是求解運動副的計算反力，作為下一步校核工作的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持；二是對超確定輸入的系統(tǒng)力矩進(jìn)行能量的優(yōu)化分配。2動力的有效傳遞問題在動力的傳遞方面，行走系統(tǒng)往復(fù)運動的足比連續(xù)轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的輪子要復(fù)雜的多，這是由于大量獨立運動的自由度的存在而變得更加嚴(yán)重。單自由度驅(qū)動的大多數(shù)輪式車輛動力傳遞較好，盡管三十多年以來有相當(dāng)多的步行機器人問世，但是機械效率相當(dāng)?shù)玫停虼?，如何從機械優(yōu)化設(shè)計得角度，尤其是從本課題出發(fā)大幅度的提高它的機械傳動效率也是難點。3剛度問題機器人的腿在行走的過程中交替地支撐機體地重量并在負(fù)重狀態(tài)下推進(jìn)機體向前運動，因此腿機構(gòu)必須具備與整機重量相適應(yīng)地剛性和承載能力，只有這樣，才不至于患“軟腿病”，這是一個需要引起普遍重視地問題，在步行機器人腿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，還需對機器人進(jìn)行剛度的分析，然而機器人系統(tǒng)的剛度涉及到很多因素，除考慮到桿件剛度外，還要考慮到減速系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)的剛度。機器人關(guān)節(jié)的撓曲剛度和傳遞力矩之間的關(guān)系為Mi=k?qii=1,2,.????.,n、為i關(guān)節(jié)的力矩；k為i關(guān)節(jié)的剛度；M為i關(guān)節(jié)的減速系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)變形引起的位移。3精簡計算從機械優(yōu)化設(shè)計的角度，忽略了哥氏力和向心力也可以精簡動力學(xué)方程的計算，因為在實時控制機器人的過程中，動力學(xué)的計算是在所控制的力學(xué)系統(tǒng)的運動過程中進(jìn)行的，在此時刻要求實時計算，在桿件低速運行時忽略兩者節(jié)省機器運算時間。4實時動力學(xué)問題偵察機器人主要運用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭中對敵方實施偵測，不僅要求機器人可以到達(dá)敵方前沿陣地偵察敵軍部署情況，而且還要考慮到深入敵后對敵軍實施電子監(jiān)測甚至在必要時可搭載監(jiān)聽干擾設(shè)備對其進(jìn)行干擾的可能性，因此，要求其對地形有較強的的適應(yīng)能力能夠在各種不同的地面環(huán)境下靈活穩(wěn)步的移動。通過對機器人體內(nèi)各個不同電機的協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)偵察機器人在小擾動作業(yè)條件下的各種規(guī)定行進(jìn)動作（前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、加速、停止、攀爬、越障等運動）及相應(yīng)的控制，因此計算量是相當(dāng)大的。