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移动机器人机械臂的结构设计

第1章 绪论

1.1 课题背景及选题意义

机器人是最典型的机电一体化数字化装备。最前沿的机器人研发和制造技术集机械工程、电子工程、材料科学、计算机工程、传感器及控制工程、生物工程等多学科技术为一体，代表了机电一体化的最高成就，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志。从科学技术开发的角度来看，机器人的机构是实现智能化的硬件平台。为了与环境更好地进行交互、灵活地操纵物体、完成目标任务、跟上智能化的步伐、让机械臂具有极高的灵活性与可靠性机，械臂研究致力于模仿人类的手臂，并出现了冗余度拟人双臂机器人，这种机器人具有可克服奇异性高容错性等特点[1]。 就目前实际在工业制造、国防安全、警务防爆等各领域的实用性而言，采用更为普遍的是具有固定机座的工业机器人和带机械臂的移动机器人。

随着机器人的不断发展，机器人的种类也在不断增加，但是无论何种形状的机器人，都至少具有移动和操作能力这两个最基本的功能之一。因此根据功能特性可以把机器人大体分为三大类[2]:(1)只能移动的移动机器人。(2)仅具有操作能力的机械臂。(3)具有移动和操作能力的移动机械臂系统。自上世纪60 年代以来，机械臂开始广泛的应用到加工装配、焊接、涂装等行业，机械臂不但减轻了人们的工作强度，并且极大的提升了加工生产效率。但这些机械臂绝大部分是固定于固定基座上的，这种用于重复性工作的机械臂相对位置精度要求较高，而绝对位置精度要求一般。随着机器人应用领域的不断扩展，使得机器人所面对的环境越来越多样化，所执行的任务也具有多种不确定性因素，这就要求机器人需要同时具有移动和操作的能力。搭载在移动底盘上的机械臂系统恰好能够满足这种需求，这类机械臂因为具有移动能力，故又被称为移动机械臂。它既具有移动平台的运动性能又具有机械臂的执行功能。最初的移动机械臂主要应用于太空探索

方向，现在它的应用己遍及多个领域，并在工业、医疗、军事、家庭服务等方面具有广泛的应用前景。基于移动平台的机械臂系统具有灵活度高、适应性广、功耗低等特性，已成为二十一世纪机器人发展的重点方向。

本课题来源于南京市科技局的科技计划项目。通过进行机器人机械臂的结构设计和计算等，使得移动机械臂具有结构紧凑、轻巧，高运动性能等特点。

1.2 理论的渊源及演进过程

移动机器人的研究始于20世纪60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen 和Charles Rosen 等人，在1966年至1972年中研发出了取名Shakey的自主移动机器人[3]，目的是研究应用人工智能技术在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。自此以来，机械臂开始广泛应用于加工装配行业。从工业机器人的发展历程，可以看出机器人的发展状况：

（1）第一代机器人，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。它也可以简称为示教／再现方式的机器人或是T/P 方式(Teaching/Playback)的机 器人。目前国际上实用的机器人大多仍是这种工作方式。由于这种工作方式 只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对周围环境无感觉的功 能，其应用范围受到一定的限制，主要用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作。 （2）第二代机器人，即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机器人。这种机器人由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。例如，机械装配、打磨、工件检查等工作。

（3）第三代机器人，这类机器人除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工作。第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人也占有一定比重（占日本1998 年安装台数的10%，销售额的36%）。

随着机械臂的发展，安装于固定基座的机械臂的工作空间极其有限，不能满足实际任务需要。针对这种情况，自上世纪80 年代末期开始，许多机构分别开展了移动机器人（MobileRobot）技术的研究[5] 。如美国Hughes人工智能中心在1987 年开始的移动机器人越野实验。国内科研院所也在同一时期开展了移动机

器人的研究[6]，如清华大学自1988年开始设计的一系列移动机器人THMR（Tsinghua MobileRobot）。将机械臂应用于移动平台的案例也越来越多，如在军事行动和反恐行动中使用的侦查排爆机器人，灾害救援时使用的搜索机器人，农业中使用的采摘机器人，为行动不便的人设计的智能轮椅[7]，水下机器人[8]，地外行星样品采集机器人等。

在移动机器人技术快速发展的今天，为移动平台安装机械臂或者说为机械臂提供移动基座是当今移动机器人发展的重要方向，而研究这种两者结合的移动机械臂相关技术也是机械臂研究领域的必然发展趋势。

1.3 移动机械臂研究的综述

在焊接、喷涂和搬运等工业自动化生产线上，工业机械臂已经占据主导地位

[9]

，然而，机械臂的应用领域远不只是在工业领域，对于宇宙空间、反恐战场、

家庭生活以及众多特殊领域的工作要求，机械臂的发展也有其大显身手的余地， 多领域的发展使得机械臂必须具有：轻型化、低能耗、模块化、高稳定性等特点。本节将以机械臂在非工业生产领域中的应用来说明其当前国内外研究现状。 1.3.1 国外有关研究的综述

在移动机器人的应用于军事领域中，较为成功的案例有美军上个世纪末期投入使用的“魔爪”（TALON）系列军用机器人[10-11] ，见图1-1 。通过装载不同的模块，TALON 机器人被用来执行一系列危险任务，比如侦查危险环境，拆除路边的简易爆炸装置，甚至被用于执行攻击性任务。其中最主要的应用模块就是移动机械臂，在最初的设计方案中机械臂具有3 个自由度，分别是肩部俯仰、肘部俯仰和腕部旋转。行动中由机器人小车本体和肩部、肘部俯仰关节实现机械臂的空间位置确定，为末端执行器提供准确的坐标位置。在这种设计方案中的机械臂关节数量较少，机械臂的整体重量较轻。但是这种采用平面二连杆机构的轻型机械臂，由于其结构限制只能对车体正前方的目标进行操作，严重制约了其使用范围。为扩大机械臂的使用范围，2005 年，Foster-Miller 公司委托美国东北大学，对用于TALON 的机械臂进行了重新设计。新设计的机械臂最主要的特点是增加了一个肩部旋转自由度，使机械臂的工作空间扩展到车体两侧，提高了TALON 的适