機器人機構學姓名：張楊學號：20503067專業：機械設計及理論

機器人機構學千百年來，人類不斷地發明了各種機構（機械），機構早已同人類生活息息相關。隨著機器人、宇航工程、海洋工程等高新技術領域的開發，以及工業自動化、交通、郵電、醫療等事業的發展研制能夠滿足高精度、重負載、高效率要求的新機構已迫在眉睫。。機構的發展大致經歷了從一桿到多桿、從平面到空間、從串聯到并聯的過程。1965年，英國高級工程師Stewart發表了《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具備很多優點，如輸出精度高、結構剛性好、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稱為Stewart機構。如圖1所示，Stewart機構是最典型的并聯機器人機構，簡稱并聯機構，又稱多環路機構。1并聯機構只\并聯機構由最初的Stewart平臺不斷發展，到今天已形成了一個龐大的體系。近年來，隨著應用的深入和研究手段的加強，并聯機構的分析研究已經成為機構學者的熱門課題。各國機構學者爭相在各類刊物上發表文章。他們的研究從低成 級機構到高級機構，不斷深入研只\究。圖I 井聯機構并聯機器人是一個知識密集型的機構〃并聯機器人機構學問題屬于空間多自由度多環機構學理論，是隨著對并聯機器人的研究而發展起來的〃所以研究并聯機器人機構學理論對掌握研制和控制并聯機器人有著特殊重要的意義〃此外并聯機器人機構學還覆蓋了多足步行機多關節多指手爪和多機器人協調,它們也都屬于同一的機構學范疇。1機器人機構的優化綜合運動精度是衡量工業機器人的主要性能指標之一，一般包括絕對精度和重復精度兩種〃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模〃對于一個特定的機器人機構，絕對位姿誤差是系統誤差〃根據對機器人系統的測量，所獲取的數據信息，可通過重新調整關節變量來校準這一誤差〃，對于機器人機構的設計，重要的是如何根據其設計精度分配連桿參數公差和關節伺服定位精度公差〃在誤差概率分析的基礎上，建立了以連桿參數公差或關節伺服定位精度公差為設計變量!公差制造成本為目標函數!絕對位姿誤差或重復位姿誤差滿足設計精度為約束條件的機器人機構精度的概率優化綜合的數學模型〃。優化綜合的機器人機構的連桿參數公差,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，并可能免除對機器人絕對誤差的校正或補償"按重復位姿精度分配的最優關節伺服定位精度公差，為選擇恰當精度的關節伺服定位裝置提供了依據"。2精度概率優化綜合的數學模型機器人的精度綜合,就是選擇合理的連桿參數公差或關節伺服定位精度公差,使其所產生的手部絕對位姿誤差或重復位姿誤差滿足相應的精度要求"以公差成本最小為目標，確定最優連桿參數公差及關節伺服定位精度公差"。3步行機的驅動仿生和機構學仿生我們提出了驅動仿生和結構的參數仿生的新思想，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仿生、結構仿生（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,特別是應用多環并聯機構學的影響系數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，為新一代的步行機的研制作了技術儲備〃。4在多機器人協同操作上的新思路我們以超確定輸入下的協調方程和最優解析方程的理論實現多機器人協同下的，從操作空間向和關節空間的直接映射〃建立了最基本的多機器人協同操作的動力學模型，并發展了非常有意義的有我們特點的無內力控制方案〃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學問題：1動力學部分以及校核工作:機器人在行走的過程中，每條腿都是抬起和著地兩種狀態交替變化，包括串聯和并聯兩種機構，即抬起腿為串聯機構，著地腿、軀體、地面形成并聯機構，并且這種多環并聯機構得環數也將隨著著地腿的數目不同而不同。在此基礎上，對機構進行動力學的分析，并在動力學求解的基礎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和技術支持；二是對超確定輸入的系統力矩進行能量的優化分配。2動力的有效傳遞問題在動力的傳遞方面，行走系統往復運動的足比連續轉動系統的輪子要復雜的多，這是由于大量獨立運動的自由度的存在而變得更加嚴重。單自由度驅動的大多數輪式車輛動力傳遞較好，盡管三十多年以來有相當多的步行機器人問世，但是機械效率相當得低，因此，如何從機械優化設計得角度，尤其是從本課題出發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重狀態下推進機體向前運動，因此腿機構必須具備與整機重量相適應地剛性和承載能力，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的優化設計中，還需對機器人進行剛度的分析，然而機器人系統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、傳動系統、伺服系統的剛度。機器人關節的撓曲剛度和傳遞力矩之間的關系為Mi=k?qii=1,2,.????.,n、為i關節的力矩；k為i關節的剛度；M為i關節的減速系統、傳動系統、伺服系統變形引起的位移。3精簡計算從機械優化設計的角度，忽略了哥氏力和向心力也可以精簡動力學方程的計算，因為在實時控制機器人的過程中，動力學的計算是在所控制的力學系統的運動過程中進行的，在此時刻要求實時計算，在桿件低速運行時忽略兩者節省機器運算時間。4實時動力學問題偵察機器人主要運用于現代戰爭中對敵方實施偵測，不僅要求機器人可以到達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測甚至在必要時可搭載監聽干擾設備對其進行干擾的可能性，因此，要求其對地形有較強的的適應能力能夠在各種不同的地面環境下靈活穩步的移動。通過對機器人體內各個不同電機的協調控制實現偵察機器人在小擾動作業條件下的各種規定行進動作（前進、轉向、加速、停止、攀爬、越障等運動）及相應的控制，因此計算量是相當大的。