gamma300型七自由度机械臂建模与仿真 (1)

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1、中北大学学位论文1.引言1.1研究背景和意义机器人这个名词所涵盖的领域非常广泛，不仅包括机械、电子、自动化等方面，同时还涉及计算机以及人工智能等多种学科，是目前科技发展中最活跃的领域之一。机械臂是通过对人类的手臂进行模仿，从而创造出的一种能够实现抓握、移动等目的的机械装置，具有能稳定性、持久性的工作特点，在实现高质量、高效率、高标准的工业化生产过程中扮演十分重要的角色。到二十世纪中叶，人们对机械臂的发明和使用产生了浓厚的兴趣，在计算机技术在飞速的发展的同时，对于生产的大批量化迫切的要求自动化技术的与时俱进，在此基础上机械臂领域悄然发展起来了。再者，对于核能的开发研究同样迫切需要机械手臂来代替人

2、类与放射性物质接触。在以上种种需求之下，一九四七年由美国首先开发了一款遥控机械臂，开创了机械臂技术发展的先河。经过不断研究和改进在第二年又研制出了主从机械臂。机械臂的研制始于美国，首台机器的结构是：机器上有一个回转臂，顶端是有磁性的抓放装置，拥有示教型的控制系统。在七零年关于机器人的首届国际会议召开伊始，机械臂被广泛应用到各个生产领域、大量劳动力被逐步取代，人类进入了机械化时代。伴随着计算机技术的不断发展和自动控制技术的不断应用，机械臂的主要控制程序被微型计算机所主宰，机械臂的可操作性被大幅度提高，设备的体积不断减小，减少了大量的制作原材料、降低了生产成本和生产空间[1]。九十年代至今工业生产

3、机械臂已走向市场化，代替人类劳动如焊接、搬运等。现如今机械臂已应用在医疗方面，主要是借鉴了机械手臂的多关节性和智能性。研究人员参照人类胳膊或腿仿生制造出多关节机械手臂，广泛应用于肢体残疾人士。而对于手术台上的机械手臂主要是依据机械臂的智能性，以此来完成精确度、精细度较高的手术，并保质保量。同时，由于人类从事劳动具有生理上的极限，并且有着主观客观的干扰因素，应用机械手臂可以很好的置换掉这一缺陷，并能长期重复的从事一类动作任务，使得工作效率大大提高。1万方数据中北大学学位论文美国C.M公司在九二年推出了手术机器人，此后医疗机械臂正式走进医院，走进临床。其间当属零零年由德国公司研发设计的专用于脑科神

4、经手术的机器人和零九年由日本研发的专为显微神经外科的手术机器人最为著名。一时之间医疗机械臂在世界上产生投资浪潮，影响力非常之大，但是在短时间内想要实现大范围大规模的医用机械臂仍然是待攻克的难题[1]。国内对机械臂研究的起步相对较晚，从二十世纪七十年代开始，我们分三个阶段进行论述。在八十年代末九十年代初，我国依据国外机械臂技术的发展状况分析自身技术水平首次规划了未来机械臂技术的发展蓝图。目标在十年内实现工业领域机械臂武装，还要求在其他领域，包括海洋、医疗等大力发展机械臂技术。在当时甚至专门设定机器人攻关计划以及将机器人方面技术的发展并入“八六三”计划当中。在八五年由哈工大研制的两足步行机器人见证

5、了那个历史的时刻。在二十世纪九十年代，机械臂的应用已经渗入到国民经济的各行各业。在改革开放以来，汽车制造业、机械加工、棉麻品纺织业等都融入了机械臂技术，极大的促进了我国的经济。这个时期的代表机器人分别为来自北京的高压水切割机器人和出自沈阳的遥控移动作业机器人。九十年代之后，我国针对机械臂领域的研究和应用已然接轨于世界水平。以机械臂全面武装工业制造业以及其他行业的目标已经实现。甚至在太空也研制了空间机械臂。对于医疗机械臂的研究已经开始并将持续发展下去。在军事方面，出品排雷、排爆的特种机械臂。总体来说，机械臂的快速发展以及技术应用的不断成熟，效果惊人。此阶段具有代表性的研发成果分别为华南理工大研制

6、的焊接机械臂和哈工大研制的蒸气发生器检修机械臂。人们在二十世纪八十年代后，为提高机器人在复杂作业中的操作性能，增强灵活性和柔顺性，以此来适应不同环境下不同的任务。此时出现了冗余度机械臂，通过增加机械臂的自由度也就是增添更多关节，来满足高效率、高安全性的需要[2]。冗余度机械臂指的是操作臂拥有自由度数大于要完成某个动作必需的最少自由度数的此种类型机械臂[3]。机械臂至少需要六个自由度来完成三维空间的任意方位动作，故本文所研究的GAMMA300机械臂具有七个自由度，属于冗余自由度机械臂。仿人机械臂有显著的优势，多自由度能够到达并穿越障碍，可以重新配置强度，伴随灵巧流畅2万方数据中北大学学位论文的手

7、臂动作。然而，对于机械臂自身的建模问题、测量精确度问题、负载问题以及外部干扰问题带来的各种不确定性，还有机械臂各个子系统之间的耦合问题，这些会给机械臂的控制增加难度和复杂度，不能使机械臂顺利按照理论值进行运动控制达到目标要求。鉴于以上原因，对于机械臂系统的建模与仿真进行进一步分析是非常必要的，并且具有非常重要的理论意义和实用价值[4]。本课题研究的GAMMA300型机械臂具有运动学冗余，像人类手臂