关节型机械手（精选7篇）
关节型机械手 篇1
0引言
移栽可以补偿气候差异和提早作物生育期, 并且充分利用光热资源, 具有十分可观的经济效益和社会效益。但是, 因其作业环节多且技术要求高, 用工量为直播的5~8倍[1], 所以要发展机械化移栽机械。
在水稻育秧移栽种植技术中, 秧盘育秧是关键环节之一。随着工厂化秧盘育苗技术的推广, 国内从20世纪80年代起开始研制水稻育秧流水线, 近年来在消化吸收国外育秧播种设备以及参考蔬菜、花卉秧盘育苗方面研制出的较成熟设备基础上, 国内水稻秧盘育秧播种流水线的机械化及自动化水平也在逐步提高;但目前水稻育秧摆盘作业仍以人工为主, 在种植季节需要大量劳动力, 劳动强度大、作业效率低[2]。育秧机械自动化的目的是减少劳动力, 但更重要的是减少农业生产成本和降低技术难度, 保证作业质量。因此, 研制结构合理、性能稳定、高效先进的秧盘摆放机械手是实现秧盘育秧生产全程自动化和智能化的前提。为此, 探索了一种机械化秧盘摆放方法, 设计了适用于多规格秧盘的摆放机械手, 并分析机构运动学等内容。
1机械手的结构设计
1.1末端执行器的设计[3]
机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多, 以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。
依据搬运对象的外形、尺寸、质量等特性, 对末端执行器设计选型, 如结构形式、抓取方式、驱动装置控制等的选择。
分析现用秧盘市场情况可知, 硬塑秧盘价格为15.0~18.0元/个[5], 硬化软塑秧盘价格是3~4元/个, PVC软塑秧盘价格是0.3~0.8元/个。前两者费用高, 较少使用, PVC软塑秧盘是现今使用较多的一类。由于PVC软塑秧盘薄软易变形, 一般需要托盘支撑, 但使用托盘支撑PVC软塑秧盘增加摆盘自动化难度。根据PVC软塑秧盘的特点, 末端执行器设计为撮子式, 底部成梳齿状, 并在梳齿尾部安装推进装置, 把末端执行器的梳齿插入秧盘底部的缝隙当中, 通过机械手的手臂拾取秧盘, 并在到达指定位置后推进装置运作, 与机械手运动配合完成秧盘摆放, 以保持定位精度。
为了避免梳齿刮伤PVC软塑秧盘, 在每根梳齿尖端及内测用橡胶包裹, 如图1所示。
1.2机械手手腕设计
机械手的腕部起支撑作用, 直接连接末端执行器和手臂, 理论上腕部要实现对空间x轴、y轴、z轴的转动, 以达到末端执行器到达空间任意位置的目的。在实际设计中, 基于其功能设计, 在摆放秧盘时, 只要平放到地面上, 不需要与3个独立的回转运动进行姿态的调整, 所以手腕处只需要1个回转自由度, 如图2所示。
1.3机械手手臂机构选型
手臂是机械手的主要执行部件, 其作用是支撑手部和腕部, 并决定手部的空间位置。手臂通常由3个杆件 (即底座、大臂、小臂) 、移动关节或转动关节连接组成。关节通常分为三移动关节 (3P) 、一转动二移动 (RPP) 、二转动一移动 (RRP) 、三转动 (3R) 等4种型式, 分别称为直角坐标型、圆柱坐标型、球 (极) 坐标型和多关节型手臂。4种机械手手臂的活动范围和灵活性由小到大, 控制由易到难, 位置精度由高到低, 负载能力由大到小。
摆盘机械手的功能是将末端执行器移至地面并将秧盘摆放到地面, 因此需要满足以下条件:1为满足手部执行器抵达前后两个方向的目标, 机械手应设有1个腰部回转自由度;2机械手安装在移动车上, 要能使末端执行器接近地面;3为满足秧盘滑入地面以防止末端执行器破坏地面平整度, 需要1个腕部俯仰自由度。
根据作业要求进行机构选型, 使机械手的工作空间最优和可操作性最好等。经过初步选型, 选择的机械手机构形式为关节型机械手, 如图3所示。
1.4机械手总体设计[5]
摆盘机械手主要由移动车、底座、旋转平台、大臂、小臂、手腕和末端执行器组成。整个机械手的运动是靠电机驱动实现。取机械手臂、手腕和旋转平台组成4自由度机械手, 将旋转平台定为机座, 为0号杆件, 与其相连的大臂为1号杆件, 其后的小臂为3号杆件, 如图4所示。
2运动学分析[6-11]
根据实际各手臂关节之间的相对运动, 将每节机械手臂看作是二元连杆, 从而对整体机构进行简化。
采用D-H模型法建立运动学数学模型, 将关节坐标系建立在机械手上, 每连杆之间的关节坐标系通过齐次变换矩阵联系起来。
本摆盘机械手手臂的坐标系编号由机座 (旋转平台) 开始, 编号为0, 与其相连的大臂编号为1, 小臂编号为2, 手腕编号为3, 末端执行器编号为4。取机械手任意姿态建立坐标系如图5所示。
机械手手臂杆件共有4个杆件i=4, 编号由机座 (旋转平台) 开始, 编号为1, 与其相连的大臂编号为2, 小臂编号为3, 手腕及末端执行器编号为4, 杆件的参数和关节变量如表1所示。
表中4个变量为:θi—沿zi-1轴从坐标轴xi-1到xi的夹角, 按右手法则判断正负;αi—绕xi从坐标轴zi-1到zi的转角, 按右手法则判断正负;ai—沿xi从坐标轴zi-1到zi的距离, 规定与xi轴方向一致为正;di—沿zi-1从坐标轴xi-1到xi的距离, 规定与zi-1轴方向一致为正。
2.1正运动学求解
正运动学分析过程即求解在确定机械手尺寸下, 不同的关节变量θi输入是机械手末端坐标系对固定坐标系的位置和姿态。先根据各连杆坐标系的关系写出齐次变换矩阵Ai, 则
因此, 可以写出第i个连杆坐标系相对与固定坐标系的位姿Ti为
其中, s1为sin (θ) 1, s234为sin (θ2+θ3+θ4) , 其他以此类推, nx, ny, nz表示末端x4分别在x0, y0, z0方向的投影, ox, oy, oz表示末端y4分别在x0, y0, z0方向的投影, ax, ay, az表示末端z4分别在x0, y0, z0方向的投影。
2.2反向运动学求解
在机械手控制中, 往往在已知机械手手部要到达的目标位姿的情况下求出各关节变量, 以驱动各关节的电机, 使手部的位姿得到满足, 这就是反向运动学问题, 也称求运动学逆解。
运动学逆解在机械手运动分析、运动仿真、离线编程和轨迹规划中占有重要地位。在机械手控制中, 只有各关节变量是运动学逆解中的值, 末端执行器才可能达到工作要求的位姿, 所以运动学逆解是机器人控制的关键环节之一。
2.2.1转角θ1的求解
由式 (3) 可知, 坐标系4对主坐标系O的关系用连杆间相互关系的传递关系, 在式 (3) 两边左乘A1-1, 可以得到
再在式 (4) 两边左乘A2-1, 得
分析式 (6) 两端矩阵, 由第3行第4列的对应元素相等, 得到含有θ1的三角函数方程
求得θ1的解为θ1=arctan (py/px) 。
2.2.2转角θ2的求解
同上, 由第2行第3列的对应元素相等, 得到含有θ2的三角函数方程为
2.2.3转角θ3和θ4的求解
从式 (6) 矩阵中取第2行第1列和第2行第4列联立方程组进行求解, 得出θ3、θ4的三角方程为
3结语
采用机械手夹持秧盘完成秧盘摆放在国内还没有相关报道, 本文对其进行了设计。虽然机械手处于实验室阶段, 但采用的技术先进、操作方便。利用MATLAB强大的符号预算功能对机械手的运动学求解, 得出正逆运动学方程, 为下一步机械手的智能控制提供设计参数。
参考文献
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两关节机械手的MATLAB仿真 篇2
机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件的部件, 根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和要求有多种结构形式, 如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构使手部完成各种转动 (摆动) 、移动或复合运动来实现规定的动作, 改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多, 机械手的灵活性越大, 通用性越广, 其结构也越复杂。一般专用机械手有2~3个自由度。
1 仿真流程
本文主要用S函数编写程序来实现一个非线性系统的控制仿真, 本文选择两关节机械手模型进行试验, 两关节机械手是简单的一类关节型机器人, 通过对两关节机械手的控制, 了解关节的输出位置, 估计通常难于准确测量的不确定摩擦力和外部扰动的影响, 这样才能保证全局的渐进稳定。因此本文针对两关节机械手的轨迹跟踪问题, 通过已建立的数学仿真模型, 用MATLAB语言中的S函数编制仿真程序进行位置和速度跟踪来验证该模型是否稳定。
在仿真开始时, Simulink首先对模型进行初始化, 此阶段不属于仿真循环。在所有模块都初始化后, 模块进入仿真循环, 在仿真循环的每个阶段, Simulink都要调用模块或者S函数。
2两关节机械手的设计分析
本文着重研究了Matlab/Simulink环境中如何使用S-function模块建立符合要求的机械手模型, 正确实现理论轨迹跟踪, 继而进行了机械手的动力学模型仿真, 将模型仿真中得到的运动轨迹图进行分析验证理论计算的结果;模块仿真, 使仿真从单纯的抽象的数字化仿真中走出来, 更加直观形象;仿真轨迹的优化, 提高了机械手的工作效率;为串联机械手的进一步研究奠定了基础。S函数模块可以描述任意复杂的系统。本文选择了两关节机械手模型, 根据其数学模型搭建出仿真模型, 并利用MATLAB语言中的S函数模块来描述该系统, 以实现位置和速度的跟踪控制。然后利用MATLAB软件对这个非线性系统进行仿真。为了验证该模型的稳定性, 根据两关节机械手仿真模型及选取的控制参数, 采用S函数编写程序, 并在Simulink中搭建仿真模型进行仿真。搭建该机械手仿真模型的选取以下模块:⑴标有“S-function”的模块;⑵标有“Sine Wave”模块;⑶标有“To Workspace”的模块;⑷标有“Mux”的模块;⑸标有“Demux”的模块。
搭建好仿真模型后, 根据两关节机械手的数学模型及编写好的S函数程序进行封装。之后整个系统就可以由S函数模块来完成整个机械手的的操作。仿真结果如图2、图3所示。
从图3中我们可以很明显的看出, 在仿真开始时刻, 轨迹跟踪曲线误差比较大, 随后关节1和关节2实际输出轨迹与期望输出轨迹几乎完全重合。说明设计的系统具有良好的跟踪性。从图4中可以看出关节1和关节2控制输入曲线变化规则扰动较小, 说明控制器的输出比较稳定。
4 结论
本文针对两关节机械手的轨迹跟踪问题, 通过已有的数学仿真模型, 用matlab语言中的S函数编制仿真程序进行位置和速度跟踪试验。试验结果验证了, 该模型能有效的克服机器人系统中的不确定因素的影响, 提高系统对各种扰动、非线性因素的适应能力。该模型具有良好的稳定性, 能实现机械手的位置和速度精确的控制。通过仿真结果可以看出这种方法的可行性。
摘要：机械手的研究一直很受人们关注, 通过对两关节机械手控制原理的研究, 依据模型两关节机械手的力学模型和动态模型, 使用MATLAB对其进行了控制仿真。结果验证了, 该模型能有效的克服机器人系统中的不确定因素的影响, 提高系统对各种扰动、非线性因素的适应能力。该模型具有良好的稳定性, 能实现机械手的位置和速度精确的控制。
关键词：机械手,MATLAB仿真,控制
参考文献
[1]薛定宇, 主编.控制系统仿真与计算机富足设计[M].北京:机械工业出版社, 2008年.
关节型机械手 篇3
欠驱动机构的夹持抓取稳定性一直以来是众多学者研究的重点与难点,其抓取稳定可靠性直接决定欠驱动机构设计的成败。由于欠驱动关节的驱动是非独立的,其几何参数对抓取稳定性能的影响是未知的,因此不能用传统的理论方法来分析。目前关于大多数欠驱动机构设计研究的成果不能直接推广到设计阶段。本文针对二个关节的欠驱动机构[1,2,3],分析其关节在各接触点的接触力及力矩,探索影响夹持稳定性的因素。并用ADAMS软件仿真分析以验证理论探讨的正确性和可行性,为欠驱动机构的抓取稳定性研究和分析提供一种方法。
1 夹持稳定性探索
欠驱动连杆机械手的抓取稳定性直接决定其应用范围,因此对其抓取稳定性的分析和探索显得尤为重要。图1为已给定设计参数的欠驱动连杆机构在仿真[4]过程中出现的关节脱离甚至脱落的情况[5]。
造成这种现象的原因主要是在抓取过程中物体的受力及力矩不平衡。当末端关节与被抓取物体接触时,在接触点处有3种不同的情形,如图2所示。
当只有末端关节与接触物体时,末端关节受到3个作用力,即连杆O1O2、P1P2分别对末端关节的作用力,以及物体对末端关节的接触力。连杆O1O2和连杆P1P2均为二力杆,其作用力方向均沿连杆方向,并指向末端。忽略弹簧以及各转动副摩擦力的影响,当末端关节所受的3个力的延长线共点时达到平衡。3个作用力交点处空心圆圈代表关节受力平衡,顺时针和逆时针的箭头表示关节运动方向。在图2 中,e为过O1O2与P1P2交点并与末端关节垂直的垂足至关节O2的距离。当欠驱动手末端关节与物体单点接触时k2=e为稳定状态;k2>e、k2<e均为不稳定状态。
对于两个关节的欠驱动机械手,两接触点也有3种不同情况,如图3所示。
为了进一步探讨接触力对抓取稳定性的影响,对欠驱动机械手进行力学分析[6,7]。抓取物体整体受力图如图4所示。图4中连杆欠驱动机械手两个关节长度分别为l1、l2。连杆长度分别为a、d。f1为首端关节在接触点的接触力,f2为末端关节在接触点处的接触力,k1为首端关节接触点与旋转点O1的距离,k2为末端关节接触点与旋转点O2的距离,θ1和θ2分别为关节1和关节2的转角,h为OO2的距离,β为O1O2与P1P2的夹角,Ta为关节在旋转点O1的转矩,T2为关节在旋转点O2的转矩。由平衡条件得:
其中
联立式(1)~式(3)得:
l1、Ta为设计时给定已知量,l1=15 mm,Ta=0.3N·m,T2分别取值0.1N·m、0.2N·m;f1、f2是关于h、θ2的函数。k2=e时,f1、f2分别随h和θ2变化的规律如图5 所示。当k2=e时,会出现f1>f2、f1=f2、f1<f2三种情况,因此需要对其具体的稳定性进行进一步探讨和研究。
当k2>e时:
其中:E为交点O到接触力f1延长线上的距离。
联立式(1)、式(2)和式(4)可得:
图6为k2>e时f1、f2分别随h和θ2的变化图。图中Ta=0.3 N·m;T2分别取值0.1 N·m、0.2N·m;E=10mm。当k2>e,出现f1>f2,即首端关节的接触力大于末端关节接触力,因此首端关节一直保持与物体接触,不会出现关节与物体脱落情况,抓取物体较为稳定可靠。因此在抓取过程中应尽可能保持在k2>e状态下。
当k2<e时:
联立式(1)、式(2)和式(5)可得:
图7为k2<e时f1、f2分别随h和θ2变化图。图中给定Ta=0.3N·m;T2分别取值0.1N·m、0.2N·m;E=10mm。当k2<e时出现排出脱落现象,在此状态下抓取物体不稳定,在抓取过程中应尽可能避免。
2 仿真分析
前面对连杆欠驱动机械手的稳定性进行了理论推导和计算研究,探索了影响抓取稳定性的因素。为了验证理论分析与计算的可靠性与正确性,采用AD-AMS[8]对连杆欠驱动机械手进行仿真分析。仿真分析得到关节在不同接触点位置的接触力随时间的变化规律。图8、图9、图10分别为k2=e、k2>e、k2<e时,f1、f2在接触点处的变化规律。
图8中末端关节与物体接触产生极大的冲击,形成很大的接触力,随后到达平稳状态时,最终趋于一个恒定值。此时f1<f2,在此状态下可能发生脱离现象。由图9可知,f1、f2到达平稳状态时,最终趋于一个恒定值,此时f1>f2,这表明首端关节一直与物体接触,不会出现关节脱离排出现象,因此k2>e为稳定抓取状态。由图10可知,f1、f2到达平稳状态时,最终趋于一个恒定值,此时f1<f2且f1=0,这表明首端关节未与物体接触或者接触但没产生接触力,这种状态是极不稳定的,导致排出脱离现象,应该设法避免。由以上分析可知,k2<e和k2=e为不稳定状态。通过ADAMS仿真分析,验证了影响稳定性因素理论的准确性和可靠性,为欠驱动机构的稳定性抓取提供了一种研究和分析方法。
3 结论
本文使用力及力矩平衡的方法,探讨了影响二关节连杆欠驱动机械手抓取稳定性的因素。单接触点,k2=e为抓取的稳定状态;对于两点接触,达到稳定的条件为k2>e。本文的研究结果对设计和优化欠驱动机构具有一定的指导意义和参考价值。
参考文献
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关节型机械手 篇4
关键词：机械手,路径规划,避障,果实采摘
0 引言
果实采摘机器人在非结构环境下工作,需要通过视觉系统提供的信息计算出果实和障碍物的相对位置与姿态来引导机械手采摘果实。整个过程要求在复杂的障碍物环境下,机械手能够在避碰的前提下将末端执行器移动到果实位置实施抓取。国外对果实采摘机器人的研究起步较早,如日本学者研制的茄子采摘机器人[1]和用于果园棚架栽培模式的葡萄收获机器人[2] 。目前,国内已有一些学者对果实采摘机械手的避障路径规划进行了研究。例如,蔡建荣、赵杰文等[3]采用基于概率地图的路径规划方法,运用启发式搜索算法对水果收获机器人机械臂运动路径进行实时规划。赵德安、赵庆波等[4]也提出采用C-空间法实施机械臂空间避障。但是由于规划过程中,路径搜索大多局限于2个关节角,对于3个以上关节角,由于计算量巨大,使得实施起来变得困难,因此使机械臂具有实际避障能力,解决多个关节角的避障问题变得关键。
本文以MOTOMAN SV3X采摘果实为研究对象,研究了在果实位置和竖直障碍物相对位姿已知的情况下机械手多关节角度计算和路径规划问题, 并在Matlab环境下进行仿真验证。
1 机械手终点关节角度计算
1.1 Motoman SV3X机械手模型
在MOTOMAN SV3X机械手底座轴心处建立世界坐标系XYZ,如图1所示。
该机械手有6个自由度,用传统的D-H方法描述机械手运动学模型,则机械手末端位姿的T矩阵可表示为
T=A1·A2·A3·A4·A5·A6 (1)
其中,Ai (i=1,2,…,6)为各连杆变换矩阵。
MOTOMAN SV3X机械手的D-H参数,如表1所示。其中,αi是绕xi轴按右手规则由zi-1轴转向zi轴的偏角;θi是绕zi-1轴按右手规则由xi-1轴转向xi轴的关节角。
1.2 T矩阵参数的确定
T矩阵是一个4×4的矩阵,可写为
(2)
其中,(px,py,pz)是末端位置的世界坐标,(ox,oy,oz)是末端滑动矢量,(nx,ny,nz)是末端法向矢量,(ax,ay,az)是末端接近矢量。
由于计算机械手第1到第5个关节角度主要与末端位姿接近矢量有关,θ6的选择对于机械手空间姿态无影响。所以,必须先确定末端接近矢量a,在此采用投影法,将a在世界坐标系中分解,如图2所示。
由于a为单位向量,可得
ax=sinθ·cosα (3)
ay=sinθ·sinα (4)
az=cosθ (5)
其中,
1.3 逆解T矩阵
对于T矩阵的逆解问题,由于各种机械手的构型不同,因此T矩阵的结构特点也不同,因此没有通用的解法,需要根据实际情况确定逆矩阵的方法[5,6]。对于MOTOMAN SV3X型机械手,各个关节角度求解过程如下:
1)θ1的求解。
w1=px-axd6;w2=ayd6-py
则 θ1=atan2(s1,c1),且有两种情况。
其中,ci=cosθi,si=sinθi,以下类同。
2)θ2的求解。
或
则θ2=atan2(s2,c2),且有两种情况。
3)θ3的求解。
则θ23=atan2(s23,c23);从而,θ3=θ23-θ2。
4)θ5的求解。
则θ5=atan2(s5,c5),且有两种情况。
5)θ4的求解。
则θ4=atan2(s4,c4)。
由于θ1,θ2,θ5有两种情况,所以可以算出8组解。
1.4 验证逆解的正确性
由于实际上机械手的构型限制,并考虑机械手与障碍物的干涉问题,对于每个末端位姿,机械手可到达的关节角可能会少于8组解,因此必须对求的解进行取舍。取舍的原则是①机械手在按所求的关节角是否可达目标位置:将所求的关节角度代入式(1),比较T矩阵中的px,py,pz值,如在可接受的误差范围内即保留该解。②机械手是否和障碍物干涉:将机械手与障碍物抽象成空间线段,并求出线段间的距离,如大于障碍物与机械手半径和则机械手与障碍物不干涉,反之认为干涉[7]。
2 机械手避障路径规划
对于机械手空间避障路径规划问题[8,9],为了避免规划过程中的空间搜索带来巨大计算量的问题,可以采用映射的方法,即将机械手和障碍物映射到水平和垂直平面内,再在平面内进行路径规划。具体步骤如下:
1)令终点的期望关节角度为[θ1F, θ2F, θ3F, θ4F, θ5F, θ6F],将障碍物与机械手映射XOY平面内,据障碍物的位置,调节θ4为90o,增大θ2,并减小θ3,使关节5到关节1的距离小于障碍物到关节1的距离。
2)将机械手映射到水平面内,计算出机械手的C-空间[10],用A*算法在θ1,θ5的C空间内寻求一条最优路径[11],使θ1,θ5的角度分别为θ1F和0 o。
3)在无障碍平面内,调整θ4,θ5,θ2,θ3分别为0 o,θ5F,θ2F,θ3F,因此在调整过程中机械手不会和障碍物发生干涉。
4)调整θ6为θ6F,θ4为θ4F,则机械手可以到达最终位置。
在整个规划过程中,由于每一步都是在平面内调整机械手角度,因此计算量相对较小,且除第2步外,其它步都是在无障碍平面内调整机械手角度,大大降低了规划难度。
3 Matlab环境下的仿真
在Matlab环境下,利用Robot工具箱可以对机械手多关节角度进行逆解计算,并仿真验证以上的路径规划步骤。
3.1 计算末端执行器到达目标的终点角度
目标位置为(600,50,600),障碍物垂直于XOY平面,坐标为(500,0),误差为X,Y,Z轴各为±5mm,计算结果如表2所示。
由表2的末端位置(X,Y,Z)结果可以看出,求解的机械手角度能够使末端执行器的位置与实际位置误差很小,在预设的误差范围内。
3.2 规划初始角度到中点角度的路径
从计算出的机械手角度中选择一组作为机械手终点角度,这里选择第3组角度[0.696 5 1.597 8 0.017 5 -1.492 3 -1.310 1 1.492 3]。利用上述的路径规划方法,规划过程中各步骤的仿真结果如下:
1)初始角度为[-pi/6 pi/2 0 0 0 0],首先调节θ4,θ2,θ3,使θ4为90o,使关节5到关节1的距离小于障碍物到关节1的距离,仿真结果如图3所示。
2)在XOY平面内经行避障路径规划,在其它角度不变的情况下,利用A*算法规划出的路径使θ1从初始角度-pi/6运动到0.696 5rad,θ5配合θ1避障但初始角度和中间角度都为0o,关节1和关节5规划路径结果如图4所示,仿真结果如图5所示。
图4中两实线之间的空间为与障碍物干涉时关节1,5角度的集合。虚线为规划出的关节1,5从开始点到终点的路径。
3) 在关节1确定的竖直平面内规划,首先θ4调整到0o,θ5,θ2,θ3分别调整到-1.3101,1.5978,0.0175。仿真结果如图6所示。
4)将θ6调整到1.492 3,θ4调整到-1.492 3,则机械手末端执行器到达目标位置,仿真结果如图7所示。
4 结论
本文提出了一种关节型机械手多关节角度计算和路径规划方法,利用该方法能在果实空间位置坐标和竖直类障碍物空间位姿已知的情况下,求解机械手避障关节角度,规划可行的机械手路径,但并非最优路径。其降低了求解的计算量,解决了避障规划中的多关节角度求解问题,规划方法对于竖直类障碍物的避碰路径规划具有一般性。Matlab仿真试验表明,求解的机械手关节角度能避开竖直类障碍物,而且使末端执行器的位置在预设的误差范围内。
参考文献
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脓疱型关节型银屑病1例疗效观察 篇5
患者, 男, 49岁。全身鳞屑性红斑伴瘙痒十余年, 泛发脓疱伴双手指关节痛3年于2008年6月就诊。十余年前, 患者无明显诱因背部出现散在性大小不等鳞屑性红斑, 伴瘙痒。当时未引起重视, 以后类似皮损逐渐向头面、胸、腹、四肢扩展, 反复发作, 冬重夏轻, 指 (趾) 甲不同程度变形、浑浊。曾多次在当地医院及我院就诊, 诊断为银屑病, 予抗炎抗银屑病治疗, 疗效尚可。2005年, 患者双手指关节红肿疼痛, 于是到外院就诊, 予口服泼尼松5 mg 3次/d, 疼痛明显减轻, 自行停泼尼松后, 2006年, 患者全身出现大小不等脓疱, 部分融合成脓湖。到外院就诊, 拟诊为脓疱型银屑病, 予口服阿维A胶囊30 mgqd, 地塞米松5 mg静滴及对症处理, 疗效可, 以后激素逐渐减量至停用。皮损复发时, 患者均自行口服激素。20 d前, 患者再次出现上述症状, 自行口服“阿维A胶囊30 mgqd, 泼尼松片10 mg Tid”, 效果不佳。于是到我院就诊, 门诊拟 (1) 脓疱型银屑病; (2) 关节型银屑病入院。本次发病以来, 患者精神可, 饮食可, 二便正常, 无发热, 无恶寒。既往史:类风湿性关节炎37年。
体检:脉搏123次/min, 一般情况尚好, 抬入病房, 浅表淋巴结不肿大, 心肺、腹未见异常, 双膝关节、双踝关节畸形, 双手指关节红肿、疼痛、畸形。专科情况:头、面、躯干、四肢弥散性潮红, 其上分布针头至绿豆大小脓疱, 部分融合成脓湖, 干涸、脱黄色痂。双手指关节症状的轻重与皮损严重程度平行, 指 (趾) 甲不同程度变形、浑浊, 无束状发、沟状舌。
实验室检查:白细胞6.4×109/L, 中性粒细胞百分比80.9%;肝、肾功能、血糖、血脂等测定均在正常范围内。心电图报告单提示: (1) 窦性心动过速; (2) 不完全性右束支传导阻滞; (3) 部分ST段改变。B超检查:肝、胆、脾、胰、双肾均无异常。
治疗:静滴复方甘草酸铵、阿奇霉素, 口服昆明山海棠2片, 每日2次, 阿维A胶囊20 mg中餐后、10 mg晚餐后, 外用红霉素软膏等。10 d后脓疱完全消退, 随访3个月, 皮损未见复发。
2 讨论
银屑病是一种常见的原因不明的慢性炎症性皮肤病, 临床上主要有四种类型, 即寻常型、脓疱型、关节型和红皮病型。4种银屑病中以寻常型最为常见[1], 脓疱型、关节型银屑病属于特殊类型银屑病[2]。遗传、创伤、感染、情绪等因素可诱发或加重银屑病的发生, 近年来研究发现, 溶血性链球菌能引起和加重银屑病[3,4,5], 加深对银屑病病因学的理解和认识, 有助于提高银屑病的防治效果。寻常型银屑病外用药物宜用温和剂, 不能系统使用糖皮质激素, 否则易促进转变为脓疱型或红皮病型银屑病。本例患者因双手指关节红肿疼痛, 曾系统性不规则使用激素, 促使寻常型银屑病转变为脓疱型银屑病。笔者治疗方案使用复方甘草酸铵, 甘草酸铵是中药甘草中的有效成分, 生物学及药理学实验证明, 这种单体对巨噬细胞引起的超氧基因的释放有明显抑制作用, 并能抑制花生四烯酸的级联反应, 抑制肥大细胞释放组胺等化学递质及稳定细胞膜的作用, 也有免疫调节和协同皮质激素的作用。既往药理研究证明, 昆明山海棠具有免疫抑制作用, 与皮质类固醇激素相似, 但无激素副作用;有报道, 昆明山海棠对炎症早期血管通透性增高、渗出水肿有明显抑制作用, 其强度与氢化可的松相似[6], 因此对本病疗效好。故我们以复方甘草酸铵、阿奇霉素静滴, 口服昆明山海棠, 阿维A胶囊四药合用, 以加强疗效, 取得较满意的治疗效果。对此类患者的治疗, 有待于今后进一步积累资料, 总结经验。
摘要：目的观察口服阿维A胶囊、昆明山海棠, 静滴复方甘草酸铵、阿奇霉素治疗脓疱型、关节型银屑病的疗效。方法描述患者的症状、体征、皮损表现及对治疗的反应。结果10d后脓疱完全消退, 随访3个月, 皮损未复发。结论口服阿维A胶囊、昆明山海棠, 静滴复方甘草酸铵、阿奇霉素治疗脓疱型、关节型银屑病, 具有疗效好、见效快、用药方便、安全性好的优点。
关键词：银屑病,脓疱型,关节型,疗效观察
参考文献
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关节型机械手 篇6
关键词：多关节机械手,振动,动态特性
0 引言
随着智能装备的不断发展, 越来越多的企业机械手臂的使用, 机械手臂不仅效率高, 而且国产化的不断发展也使其成本在逐步降低。但是机械手臂的振动问题一直以来没有很好的解决, 当机械手臂在某时刻的固有频率和激励源频率相同或相近时, 手臂的振动不断放大, 严重影响机械手的定位。
1 机械手臂模型分析
如图1 所示为机械手臂简化图, 机械手由三条手臂构成, 分别为臂1、臂2、臂3, 每个手臂之间通过电机转动连接, 臂1为最末端关节, 上面安装手爪来抓取物品。
通常对多关节机械手臂的抑制方法有以下几种:结构优化设计、反馈控制、输入指令等。 哈尔滨工业大学的刘延杰在《硅片传输机器人手臂结构优化设计方法》 (机械工程学报) 对机构优化设计有较深入的研究。本文着重从反馈控制研究对机械手臂振动的方法。
分析图1, 定义系统刚度矩阵, 质量矩阵,
离心力矩阵, 根据拉格朗日方程在机械手臂耦合动力学建模, 得如下方程,
J为转动惯量矩阵, τ 为广义力矩矢量。
2 动态特性分析
将整个机械手臂作为一个整体系统研究, 固有频率为系统的固有属性, 对多关节机械手臂的动力学模型分析并根据公式1, 得出固有频率公式:
ω 为系统的固有频率, A为模态振动矢量。 由于机械手臂在运动中的位置始终变化, 其质量矩阵为时变矩阵, 所以系统的固有频率随机械手臂的位置变化而变化, 其值非定值。
3 机械手臂振动检测
(1) 检测硬件原理图
使用msp430 系列单片机相应速度快, 处理能力强, 性价比高, 故选择型号2553 作为核心处理芯片, 以压力传感器作为振幅检测元件, 构建硬件检测电路, 系统原理图如图2 所示, 传感器的检测数据通过AD574 转换为数字量传输给单片机处理, 单片机对数据滤波及分析后将结果传输给上位机。
(2) 检测结果
振幅传感器安装在关节处的电机上, 构成半闭环控制方式。通过实验得到振动数据, 通过数据绘制其时域振动波形图。通过检测振幅的变化来调整机械手的运动规律, 使其振动避开固有频率, 保证机械手安全运行。
4 结语
以多关节机械手臂为模型, 建立动力学公式, 进一步求出系统固有频率表达式。 利用MSP430 单片机及振幅传感器为核心元件构建硬件检测电路, 测得关节处电极的振动规律并将振动数据传输给上位机控制中心, 为下一步的抑制振动奠定基础。
参考文献
[1]赵童.结构振动的时滞鲁棒控制及其实验研究[D].上海, 2014.
关节机器人机械臂自重的电机补偿 篇7
在大型关节型机器人中,大小臂杆的自重不容忽视。有些机器人会出现一旦机械抱闸松开,手臂会因自重而下落的现象,这在实际应用中是绝不允许的。因此,必须对臂杆进行重力平衡。常用的平衡方法有两类:外加重力平衡装置和采用平衡电机。前者需要自行设计平衡机构,常用的有弹簧平衡装置和气动或液压平衡装置。后者只需编写相关的软件。针对六自由度关节型机器人(见图1)的特点,采用平衡电机进行臂杆的重力补偿。
2 直流电机的工作原理
当给线圈通电时,根据安培定则,线圈会产生一个与电流大小成正比的电磁力矩:Te=CTId(1)Te-电磁转矩;CT-电磁常数;Id-电枢电流。
在电磁力矩的驱动下,线圈旋转切割磁力线,由电磁感应定律知,线圈会产生感应电动势:E=Cen(2)E-感应电动势;Ce-电磁感应常数;n-电动机转速。
其等效电路图见图2。RR-电枢电阻。
根据图2,可以写出直流电动机电压与电流的关系:
将式(1)和式(2)代入式(3)得到直流电动机的转速特性:
当U不同时,便可得到一系列转速特性曲线,见图3。
3 电机平衡法的动静态特性
3.1 静态特性
静态特性是指臂杆静止不动时,电机的电枢电压U和电磁转矩Te与负载转矩Tm和转速n的关系。由于臂杆处于平衡状态,因此Te=Tm。
臂杆自重是不会变化的,但是它对转轴的转矩却随着臂杆位置的变化而变化。因此在不同位置给臂杆的补偿量是不同的。以小臂为例,设小臂的重力为G,长度为l,臂杆与水平线的夹角为!,则任意位置处小臂的重力矩:
要得到相应的电枢电压的补偿量只需令式(4)中的n=0即可。并将式(5)代入:
即在α位置处,当电机的电枢电压时,臂杆处于静止状态。此时,给电机的电能全部转换为电枢电阻的热能。从宏观上看,电机处于停转状态,但电枢电压却不为零。但这与通常意义上的堵转是不同的。堵转是给电机正常上电时由于负载很重而未能转动起来的一种现象。此时,感应电动势E为零,由式(3)知,电枢电流:
U是电机正常旋转时所需的电压,RR是电枢电阻,一般很小,因而Id往往会超过额定电流,如果持续的时间比较长,就有烧坏电机的可能。而在作为平衡电机使用时,虽然E也为零,但是加在电机两端的U比较小,因此Id在额定电流的范围之内。从另一个角度来讲,在!位置处,小臂因自重产生的转矩Tm是不变的,只要臂杆处于平衡状态——静止或匀速运行,电磁转矩Te是不变的,我们知道电枢电流Id与Te是成正比关系的,不管是静止还是匀速运行,Id是一样的,既然在匀速运行时电机正常运转,那么在静止时也就没有被烧坏的可能。做一个类比,用手举一个重物,既可以让它匀速上升,也可以让它匀速下降,还可以静止不动,虽然运动状态不同,但所需推力却是一样的。总而言之,只要臂杆的重力矩未超过电机的额定负载,电机可以运行在任何一个平衡状态,若超过了,在任何一个平衡态都不允许运行。
为了分析简单,可将臂杆的重力矩等效为电机电压。等效原则:臂杆处于静止平衡状态时,电机两端电压U与相应的重力矩等效。将小臂处于水平位置时等效电枢电压记为Um,则任意位置处的等效电压为Umcosα,其中于是电动机的转速特性可以表示为:
可得电机在任意转速、任意位置处的补偿电压:
3.2 动态特性
动态特性是指机器人在空载时臂杆从一个位置移动到另一个位置的过程中电机补偿量的变化特点。
考虑臂杆末端从A位置上升到F再回到A这一过程,速度要求见图4,对应的电机转速特性曲线见图5。
(1)ABC段(A、B在空间为同一位置,只不过电磁转矩不同),小臂从静止加速运动到C点。在A点,臂杆处于静止平衡状态,要使臂杆上升,必须增大电枢电压U,使电磁力矩Te>Tm。除此之外,Te还应满足臂杆在加速运行到C点时,与C点的重力矩Tm相等:
将式(8)代入式(4),得到电机的补偿量:
nCD为臂杆在CD段匀速运行时电机的转速,为正值。
(2)CD段,小臂匀速运行到D点。在臂杆匀速上升过程中,重力矩是不断增加的,为使臂杆保持平衡状态,电磁力矩也必须实时增加,保持Te=Tm。相应的电机补偿量:
!CD为CD段任意位置处,小臂与水平线的夹角。
(3)DEF段,小臂减速运行并停在F点。小臂运行到D点,即将到达F点,需要减速运行。为此必须减小电枢电压U,使电磁转矩Te
将式(13)代入式(4),可得电机补偿量:
FGH段(F,G在空间为同一位置,只不过电磁转矩不同),小臂向下加速运行到H点。在F点,小臂处于静止平衡状态,突然减小电枢电压U,则Id减小,Te减小,使得Te
nHJ为臂杆在HJ端匀速运行时电机的转速,为负值。
(4)HJ段,小臂向下匀速运行到J点。相应的电机补偿量:
αHJ为HJ段任意位置处,小臂与水平线的夹角。推导可参考(2)。
(5)JKA段,小臂减速运行回到A点。相应的电机补偿量:
在整个上升和下降的过程中,补偿电压随时间的变化见图6。
上升过程中,电能转换为电枢电阻的热能和小臂的机械能;下降过程中,电能和小臂的机械能转换为电枢电阻的热能。
在下降过程中,若臂重较大,则会出现这样的情况:加在电机两端的电压为正值,而电机的转速却为负值,即电机反向旋转,这种情况是允许的。此时由给定电压和感应电动势共同为电枢提供电流,其中给定电压要远小于上升过程中的给定电压,这从图7可以看出来。总之,对于直流电机,它可以工作在电动机状态也可以工作在发电机状态,还可以工作在介于电动机和发电机之间的状态,这取决于加在电机两端的电压和负载的关系。
4 结论
本文介绍了用直流电机平衡重力的方法,并对其在六自由度关节型机器人的应用中作了详细的分析。可以看出这种方法实现起来极为简单,无需外加补偿装置,只需根据机械臂的位置改变电机的电枢电压即可。在实际应应用中,既可以将臂的自重与负载单独计算,也可以将臂重本身看成一种负载。
摘要：在大型关节型工业机器人中,为了增加运动的平稳性,必须对大小臂杆进行重力补偿。文中针对六自由度关节型机器人,介绍了一种在不外加装置的情况下,利用机器人本身的驱动电机进行补偿的方法,并对其动静态特性作了详细的分析。
关键词：重力补偿,直流电机,静态特性,动态特性
参考文献
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