危险作业机器人机械臂设计及其运动学分析

第 ８期 ２１ ０ １年 ８月
文章编号 ：０ １ ３９ （ ｏ ）８ ０ ５— ３ １０ — ９ ７ ２ ｌ ０ — １５ ０ １
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆｃ ｕ ｅ ｌ５ ５
危 险作业机 器人机械臂 设计及其运动 学分析 米
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解估计法相结合的试探搜 索算法进行逆运动 学求解， 实例分析和编程验算表明该方法稳健 可靠， 计算
精度和处理速度能够满足机器人 实时在线控制的要求， 并且可以应用于机 器人轨迹规划和跟踪控制。 关键词： 机器人 ； 逆运动学； 试探搜索算法 ； 运动控制 【 ｂｔ ｃ】 ｏｓ ｅ ｎ ｅ ｏ ｉ ｂ ｓ ｆｒｈ Ａ ｓ ａｔ Ｃ ｎｉ ｒ ｇ ｈ ｆｒ ｄ ｌ ｔ ｋ ｏ ｔ ｒ ｄｉ ｔ ｍ ａ ｅａ ｅ ｏｅ ｔ ｎ ｏｏ， ｋ ｄｏｍ ｎ ｕ ｏ ｏ ｐ ｒ ｉ ｂｔ ｎ ａｉ ｌ ｒｆ ａｏ ｒ ａｉ ｆ ｐ ａ ｔ
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其中，
中进行仿真。 机械臂 的虚拟样机模型（ 图略 ）给定手爪中心为工 。
作轨迹测量点 ， 在关节运 动副上施加驱动力矩 ， 置以时间为变 设
根据机器人作业任务的要求 ， 所设计 的机械臂应能提供足 量的 ＳＥ 驱动函数 ， ＴＰ 机械手在 ｌ ｚ ， 平面 内的工作域 （ 一 机械手的
１６ ５
采用轮式或履带式车体加装机械臂 的结构 ， 可以在远端遥控机器
人实现半 自主或 自主作业ｆ ｚ ｌ 。机械臂是机器人 作业 的主要执行机
构， 一般是由一系列连杆通过转动或移动关节串联而成 的空间机 构： 其结构设计及关节的运动控制是机器人胜任作业任务的关键 ；
机械臂正、 逆运动学分析是笛卡儿路径轨迹规划、 关节空间轨迹规
方 向不少于 ２ ， ｍ 垂直方 向不少于 ｌ 。 ｍ）
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【 要】 摘 从危险作业机 器人的任务需求出发创新设计 了一种带有平移 自由 的六 自由度机械 度
臂， 建立了 机械臂的虚拟样机模型 ， 机械手工作域的仿真分析表明较好的满足 了 设计要求。 同时， 运用 Ｄ Ｈ法建立机 器人的连杆 坐标 系， — 进行 了正向运动学分析 ， 推导出机械臂的运动学方程 以及手爪坐标 系相对 于基坐标 系的位姿矩阵， 针对运动学方程的特点， 出了解析 法和基于正向运动学分析的可行 提
赵 亮亮 马振 书 穆 希辉 。 杜峰 坡 （军械工 程学院 ， 家庄 ００ ０ ）（总装备 部军械技 术研究所 ， 家庄 ００ ０ ） ’ 石 ５ ０３ 石 ５ ０３
Ｍａ ｉ ｕａ ｏ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｋｎ ｍａ ｉｓ ａ ａｙ ｉ ｆ ａ ａ ｄ ｕ ｐ ｒ ｔ ｎ ｒ ｂ ｔ ｎ ｐ ｌｔ ｒｄ ｓｇ ｎ ｉｅ ｔ ｎ ｌｓｓ ｏｒ ｚ ｒ ｏ ｓ ｏ ｅ ａ ｉ ｏ ｏ ｃ ｈ ｏ
划、 机械臂动力学分析及运动控制的基础。 前 ， ６ 目 对 Ｒ型的机械臂
研究 的较多 ， Ｐ ＭＡ５ ０机器人， ｎ 如 Ｕ ６ ｍＲ Ｔ型的机械臂则较少。 设计 了带有一个平移 自由度的六 自由度机械臂（Ｒ１ ５ Ｔ型结构 ）可 以抓 ， 取三维空间中工作范围内任意位置和姿态 的目标 ， 并给出了正 、 逆
图 １危险作业机器人机械臂结构简图
运动学分析 ， 为分析研究其它类型的机械臂提供 了 的思路。 新
２２机械臂工作域的仿真分析 －
在 Ｓｌ Ｗｏｋ 中 ｏｉ ｒｓ ｄ 晌 猎 的三绻 塑 并写 到 Ａ Ａ 型， Ｄ ＭＳ
２机械臂总体结构
２１机械臂结构与驱动方式 ＿
★来稿 日 ：０ ０ １— ２ 女 期 ２ １— ０ １ 基金项 目： 国家 ８ ３ 目（ ０ １ Ａ ２４ ０ ６项 ２０ Ａ ４ ２ ２ ）
ｓ ｌ ｉｎｒｓｌ ａｉｕａｏ’ｗ ｒｉｇｒｎｅｓｏ ａ ｔｅ如ｓ ｒｑｉ ｍ ｎ ａｉａｙｓ ｉ ｅ． ｉ ａ ｏ ｅｕｔ ｏ ｎｐ ｌ ｒＳ ｏｋｎ ｇ ｈｗｔｔ ｈ ｍｕ ｔ ｓｆｍ ｔ ａ ｈ 枷 ｅｕｒ ｅｔ ｂｓ ｌ ｓ ｄ ｎ ｅ ｓ ｉ ｃｌ ａｆ Ｉ ｔｉ
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３１建立 Ｄ— 。 Ｈ坐标 系
根据建立 Ｄ Ｈ坐标系的原则 ， — 建立危 险作业机器人的各连 杆坐标系， 图 ３ 如 所示。 — 参数， ＤＨ 如表 １ 所示 。
机械臂的运 动学方程为 ：
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图 ２机械手工作范围 源自０ Ｏ ０１ ３机械臂运动学分析
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赵亮亮等： 危险作业机器人机械臂设计及其运动学分析
ｃ ００ ｓＩ ｃ １ ０ ０ Ｏ ０ ０
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第８ 期
工作范围） ２ 如图 所示。 可以看出机械臂最大延伸半径为 ２７ｍ ， ４５ ｍ 一 ｇ目一 口 Ｉ ｛
最低下探深度 １５ ｍ 较好 的满足 了设计要求 （ ６ １ ｍ， 作业范围水平
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中图分 类号 ：Ｈ１ ，Ｐ ４． 文献标 识码 ： Ｔ ２Ｔ ２２３ Ａ
Ｉ 引言
危险作业机器 － 当前机器人领域研究的—个热点 。 是 它一般
够大的驱动力 、 较宽广 的作业 范围并且空 间利用率要高。 综合以
上因素 ， 机械臂采用 ６ 自由度 ， 图 １ 个 如 所示。
５ 腕部摆动 ４伸缩臂伸缩 ３ 小臂俯仰
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