平面二自由度机械臂动力学分析 姓名：黄辉龙 专业年级：13级机电 单位：汕头大学
摘要：机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过分析，得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。
关键字：平面二自由度 动力学方程 拉格朗日方程
相关介绍
机器人动力学的研究有牛顿-欧拉（Newton-Euler ）法、拉格朗日(Langrange)法、高斯（Gauss ）法等，但一般在构建机器人动力学方程中，多采用牛顿-欧拉法及拉格朗日法。
欧拉方程又称牛顿-欧拉方程，应用欧拉方程建立机器人机构的动力学方程是指研究构件质心的运动使用牛顿方程，研究相对于构件质心的转动使用欧拉方程，欧拉方程表征了力、力矩、惯性张量和加速度之间的关系。
在机器人的动力学研究中，主要应用拉格朗日方程建立机器人的动力学方程，这类方程可直接表示为系统控制输入的函数，若采用齐次坐标，递推的拉格朗日方程也可以建立比较方便且有效的动力学方程。
在求解机器人动力学方程过程中，其问题有两类：
1)给出已知轨迹点上?
??θθθ、及、
，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩矢量τ。这对实现机器人动态控制是相当有用的。
2)已知关节驱动力矩，求机器人系统相应各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩矢量τ，求机器人所产生的运动?
??θθθ、及、
。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 平面二自由度机械臂动力学方程分析及推导过程
1、机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下：
1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量n r ,,2,1,r ???=θ。
2) 选定相应关节上的广义力r F ：当r θ是位移变量时，r F 为力；当r θ是角度变量时，r F 为力矩。
3)求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。
4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。
2、下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。
1）如图1，设21,θθ是广义坐标，21,Q Q 是广义力。
2）分别求出两杆的动能和势能 11112111111sin ,2121:1θθc c c T c gl m U I v v m E =+=?杆 （1-1）
]sin [,2
121:22112222122222）（）（杆θθθθ+=++=??l g m U I v v m E c c T c （1-2） 式中，1c v 是杆1质心),(111c c y x C 的速度向量，2c v 是杆2质心),(222c c y x C 的速度向量。它们可以根据质心21,C C 的位置方程导出。
3）分别求出两杆的速度 ??????????=??????????=)sin ()cos (1111111θθl dt
d l dt d dt dy dt dx v c c c （1-3） [][]??????????++++=??????????=)sin(sin )cos(cos 2121121211222θθθθθθc c c c c l l dt
d l l dt d dt dy dt dx v （1-4） 4）代入拉格朗日方程求得机械臂动力学方程
根据具有完整理想约束的有N 个广义坐标系统的拉格朗日方程 n r Q q U q E q E dt d r r r r ,2,1,???==??+??-????
? ????? （1-5） 式中，r q 是第r 个广义坐标，E 是系统动能，U 是系统势能，r Q 是对第r 个广义坐标的广义力。
该问题为二自由度的动力学研究，所以n=2，由于势能函数U 与广义速度无关，即???r q U
=0。
由（1-5）式可写成： r r r Q q L q L dt d =??-????
? ????? （1-6）
其中，是拉格朗日算子L U E L ,-=
可知在这里拉格朗日算子为：2121U U E E L --+=
代入式（1-6）可导出相应的式子，经过整理得：
Q g C M =++?
??)(),()(θθθθθ （1-7） 式中
式（1-7）为机械臂在关节空间的动力学方程的一般结构形式，它反映了
关节力矩和关节变量、速度、加速度之间的函数关系。对于n 个关节的机械臂，)(θM 是n n ?的正定对称矩阵，是θ的函数，称为机械臂的惯性矩阵；),(?
θθC 是nx1的离心力和科氏力矢量；)(θg 是nx1的重力矢量，与机械臂的形位θ有关。
本科毕业设计(论文) 题目：多自由度机械手设计 系别：机电信息系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生： 学号： 指导教师： 2013年4月
本科毕业设计(论文) 题目：多自由度机械手设计 系别：机电信息系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生： 学号： 指导教师： 2013年4月
多自由度机械手设计 摘要 随着现代科学技术的发展，机器人技术越来越受到广泛关注，在工业生产日益现代化的今天，机器人的使用变得越来越普及。因此，对于机器人技术的研究也变得越来越迫切，尤其是工业机器人方面。本论文作者针对这一领域，设计了一款液压机械机械手，该机器人拥有五个自由度。首先，作者针对该机器人的设计要求，对结构设计选择了一个最优方案，对关键零件设计并进行校核。 本课题是一个机械、液压紧密的实用性项目，文中对机械手机械结构的设计、液压系统的设计。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。 关键词：机械手；液压系统；五个自由度
Many degrees of freedom manipulator design Abstract With the development of modern science and technology, the robot technology has been paid more and more attention, in an increasingly modernized industrial production, the use of robots is becoming more and more popular. Therefore, the research of robot technology becomes more and more urgent, especially industrial robots. The author of this thesis in this field, design of a hydraulic mechanical manipulator, the robot has five degrees of freedom. First of all, the author according to the requirement of the design of this robot, an optimal scheme of the structure design of the selection, the design of key parts and checked. This topic is a mechanical, hydraulic close practical project, design of mechanical design, mechanical structure of the hydraulic system of the mobile phone in. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, manipulator application prospect and development direction. Keywords: manipulator; hydraulic system; five degrees of freedom
机械系统动力学作业---平面二自由度机械 臂运动学分析
平面二自由度机械臂动力学分析 ［摘要］机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。本文采用拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过研究得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 ［关键字］平面二自由度机械臂动力学拉格朗日方程 一、介绍 机器人是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，简化解的过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。 机器人动力学问题有两类： ■ ■■ (1)给出已知的轨迹点上的■J- ■■■■■■，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩向量Q。这对实现机器人动态控制是相当有用的。 (2)已知关节驱动力矩，求机器人系统相应的各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩 ■ ■■ 向量T求机器人所产生的运动風&及&。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 二、二自由度机器臂动力学方程的推导过程 机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： (1)选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量O r , r=l, 2,…,n。 (2)选定相应关节上的广义力F r :当O r是位移变量时，F r为力；当O r是角度变量时, F r为力矩。 (3)求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 (4)代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。 1平更二自由度机械臂
本科毕业论文（设计） ( 2014 届) 6自由度机械臂控制系统设计（软件）院系电子信息工程学院专业电子信息工程 姓名许克伟 指导教师范程华讲师 2014年4月
摘要 本文设计了一种以STC89C52单片机为主控元件的六自由度机械臂抓取系统。文中给出了系统的硬件设计方案以及各个功能原理图，同时给出了软件系统设计方法。系统实现了自动寻找目标并自动实施抓取目标且可通过PC上位机实时显示和控制机械手臂的功能，并能实现自动探测手臂与目标之间距离。在设计时，由于需要测量的距离范围从几厘米到几十厘米，针对超声波在传播时振幅呈指数衰减的特性，为了最大限度地提高驱动能力，采用对回波进行多级放大，以达到了设计要求，由于各个模块供电要求不同，电源电路模块通过稳压芯片输出7.2V、5V和3.3V电压。软件主要分为超声波距离测量模块和无线通信模块、数据处理模块这三大模块。软件的这种“自顶向下”的模块化软件编程方法，能使软件的结构更清晰，并有利于软件的调试和修改。经过调试，达到能够实现自动抓取目标和手动控制抓取目标功能。 关键词：超声波；VB上位机；六自由度机械手臂；STC89C52
This paper designs a mechanical arm whose main control component is STC89C52 single-chip microcomputer and based on the six degrees of freedom to control scraping system. Hardware design scheme of the system and each functional machine schematic diagram are also given in this paper , software program design method is given at the same time, the system realizes the automatic searching target and the implementation of automatic grab and real-time display by PC ,and realizes the function of controlling mechanical arm, and can realize to automatically detect the distance between the arm and target, then implement real-time display on the upper machine. .When designing, due to the distance need to measure ranges from several centimeters to tens of centimeters, aiming at the characteristics of ultrasonic wave amplitude decay exponentially in transmission, in order to develop the drive ability maximally, the echo multistage amplifier is be adopted. Due to the different requirements for each module power supply, in order to achieve the design requirements, power supply circuit module output voltage 7.2V, 5V and 3.3V through the voltage regulator chip. The software is mainly divided into three modules : the ultrasonic distance measuring module and wireless communication module, data processing module. The "top-down" modular software programming method of software can make the software structure more clearly, and benefit in the debugging and modification of software. After debugging, it can realize the function of grabbing the target though automatically add manually control. Key words: Ultrasonic wave;VB;Six degrees of freedom robotic arm;STC89C52
优秀设计 引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。 1、简史 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。
二自由度机械臂动力 学分析
平面二自由度机械臂动力学分析 姓名：黄辉龙 专业年级：13级机电 单位：汕头大学 摘要：机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过分析，得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 关键字：平面二自由度 动力学方程 拉格朗日方程 相关介绍 机器人动力学的研究有牛顿-欧拉（Newton-Euler ）法、拉格朗日 (Langrange)法、高斯（Gauss ）法等，但一般在构建机器人动力学方程中，多采用牛顿-欧拉法及拉格朗日法。 欧拉方程又称牛顿-欧拉方程，应用欧拉方程建立机器人机构的动力学方程是指研究构件质心的运动使用牛顿方程，研究相对于构件质心的转动使用欧拉方程，欧拉方程表征了力、力矩、惯性张量和加速度之间的关系。 在机器人的动力学研究中，主要应用拉格朗日方程建立机器人的动力学方程，这类方程可直接表示为系统控制输入的函数，若采用齐次坐标，递推的拉格朗日方程也可以建立比较方便且有效的动力学方程。 在求解机器人动力学方程过程中，其问题有两类： 1)给出已知轨迹点上? ??θθθ、及、 ，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩矢量τ。这对实现机器人动态控制是相当有用的。 2)已知关节驱动力矩，求机器人系统相应各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩矢量τ，求机器人所产生的运动? ??θθθ、及、 。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 平面二自由度机械臂动力学方程分析及推导过程 1、机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： 1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量n r ,,2,1,r ???=θ。 2) 选定相应关节上的广义力r F ：当r θ是位移变量时，r F 为力；当r θ是角度变量时，r F 为力矩。 3)求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 2、下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。
注：1）2008年春季讲课用；2）带下划线的黑体字为板书内容；3）公式及带波浪线的部分为必讲内容第3章工业机器人静力学及动力学分析 3.1 引言 在第2章中，我们只讨论了工业机器人的位移关系，还未涉及到力、速度、加速度。由理论力学的知识我们知道，动力学研究的是物体的运动和受力之间的关系。要对工业机器人进行合理的设计与性能分析，在使用中实现动态性能良好的实时控制，就需要对工业机器人的动力学进行分析。在本章中，我们将介绍工业机器人在实际作业中遇到的静力学和动力学问题，为以后“工业机器人控制”等章的学习打下一个基础。 在后面的叙述中，我们所说的力或力矩都是“广义的”，包括力和力矩。 工业机器人作业时，在工业机器人与环境之间存在着相互作用力。外界对手部（或末端操作器）的作用力将导致各关节产生相应的作用力。假定工业机器人各关节“锁住”，关节的“锁定用”力与外界环境施加给手部的作用力取得静力学平衡。工业机器人静力学就是分析手部上的作用力与各关节“锁定用”力之间的平衡关系，从而根据外界环境在手部上的作用力求出各关节的“锁定用”力，或者根据已知的关节驱动力求解出手部的输出力。 关节的驱动力与手部施加的力之间的关系是工业机器人操作臂力控制的基础，也是利用达朗贝尔原理解决工业机器人动力学问题的基础。 工业机器人动力学问题有两类：(1)动力学正问题——已知关节的驱动力，求工业机器人系统相应的运动参数，包括关节位移、速度和加速度。(2)动力学逆问题——已知运动轨迹点上的关节位移、速度和加速度，求出相应的关节力矩。 研究工业机器人动力学的目的是多方面的。动力学正问题对工业机器人运动仿真是非常有用的。动力学逆问题对实现工业机器人实时控制是相当有用的。利用动力学模型，实现最优控制，以期达到良好的动态性能和最优指标。 工业机器人动力学模型主要用于工业机器人的设计和离线编程。在设计中需根据连杆质量、运动学和动力学参数，传动机构特征和负载大小进行动态仿真，对其性能进行分析，从而决定工业机器人的结构参数和传动方案，验算设计方案的合理性和可行性。在离线编程时，为了估计工业机器人高速运动引起的动载荷和路径偏差，要进行路径控制仿真和动态模型的仿真。这些都必须以工业机器人动力学模型为基础。 工业机器人是一个非线性的复杂的动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间。因此，简化求解过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。 在这一章里，我们将首先讨论与工业机器人速度和静力学有关的雅可比矩阵，然后介绍工业机器人的静力学问题和动力学问题。
摘要 机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。而机械臂作为机器人最主要的执行机构，是一个十分复杂的多输入多输出非线性系统,它具有时变、强耦合和非线性的动力学特征，因其控制的复杂性引起了相关从业人员的广泛关注。随着时代的进步，像军事制造、工业生产、日常生活及教育娱乐等各个领域对机器臂控制技术应用需求逐渐加大，从而使得设计一套工作空间大，运动灵活的多自由度机器臂尤为重要。 机械手臂运行轨迹追踪控制技术有包括：adaptive control(自适应控制)、smvsc(滑模变结构控制)、Robust adaptive control(鲁棒自适应控制)、Fuzzy adaptive(模糊自适应）等四大类。本文主要运用模糊PID控制设计二自由度机械臂控制算法，该控制方法具有模糊控制灵活和适应性强的优点，也具有经典PID控制精度高的特点。 本文围绕二自由度机械臂控制算法设计，首先建立二自由度关节型机械臂的数学模型，即二自由度机械臂输入驱动力矢量和输出转动角度矢量之间的函数关系。然后运用模糊PID控制设计一套机械臂轨迹规划算法，能够根据使用者的作业任务要求，求出二自由度机械臂终端执行器的轨迹。并研究如何对于给定的系统设计出PID控制器，实现控制系统的输出对参考输入跟踪，以及对扰动输入响应具有较小的振幅，且能够衰减到零即无稳态误差。最后给出了基于MATLAB/SIMULINK软件的案例分析,阐释模糊PID控制算法行之有效性。 关键词:多自由度，机械臂，PID算法控制，数学模型
Abstract Robot is a kind of programming and perform certain operations and mobile task mechanism in automatic control. And robot arm as the main executive body, is a very complex multi input and multi output nonlinear system, it has a time-varying, strong coupling and nonlinear dynamic characteristics, due to the complexity of the control caused wide attention of practitioners. With the progress of the times, like military manufacturing, industrial production, daily life and entertainment, education and other fields of a robot arm control technology application requirements gradually increase, from the design a large working space, the flexible movement of the multi degree of freedom robot arm is particularly important. Mechanical arm trajectory tracking control technology including: adaptive control, SMVSC, robust adaptive control, fuzzy adaptive etc.. In this paper, the use of fuzzy PID control design for two degree of freedom manipulator control algorithm, the control method with fuzzy control of a flexible and adaptable advantages, also has the classic PID control the characteristics of high precision. This paper focuses on the design of control algorithm of two degrees of freedom manipulator, a mathematical model of two-DOF Manipulator, namely two-DOF Manipulator driving force and rotation angle between the output function. Then use the control to design a manipulator trajectory planning arithmetic of fuzzy PID method, according to the user's task requirements and for two degrees of freedom manipulator end effector trajectory. And study how to design a system for PID controller is given, to achieve the output of the control system of the reference input tracking, and disturbance input response amplitude is smaller, and can decay to zero no steady state error. Finally, a case analysis based on MATLAB/SIMULINK software is presented to illustrate the effective of PID fuzzy control algorithm. Key Words: Multi degree of freedom, manipulator, control, PID algorithm, mathematical mode
两自由度机械手动力学问题 1题目 图示为两杆机械手，由上臂AB、下臂BC和手部C组成。在A处和B处安装 有伺服电动机，分别产生控制力矩M 1和M 2 。M 1 带动整个机械手运动，M 2 带动下臂 相对上臂转动。假设此两杆机械手只能在铅垂平面内运动，两臂长为l 1和l 2 ， 自重忽略不计，B处的伺服电动机及减速装置的质量为m 1 ，手部C握持重物质量 为m 2 ，试建立此两自由度机械手的动力学方程。 图1 图2
2数值法求解 拉格朗日方程 此两杆机械手可以简化为一个双摆系统，改双摆系统在B 、C 出具有质量m 1,m 2,在A 、B 处有控制力矩M 1和M 2作用。考虑到控制力矩M 2的作用与杆2相对杆1的相对转角θ2有关，故取广义力矩坐标为 2211,θθ==q q 系统的动能为二质点m 1、m 2的动能之和，即 由图2所示的速度矢量关系图可知 以A 处为零势能位置，则系统的势能为 由拉格朗日函数，动势为： 广义力2211,M Q M Q == 求出拉格朗日方程中的偏导数，即
代入拉格朗日方程式,整理得: 给定条件 （1）角位移运动规律 ()231*52335.0*1163.0t t t +-=θ，()232*52335.0*1163.0t t t +-=θ 21θθ和都是从0到90°，角位移曲线为三次函数曲线。 （2）质量 m 1=4㎏ m 2=5kg （3）杆长 l 1= l 2= MATLAB 程序 t=0::3; theta1=*t.^3+*t.^2; w1=*t.^2+*t; a1=*t+; theta2=*t.^3+*t.^2; w2=*t.^2+*t; a2=*t+; m1=4; m2=5; l1=; l2=;
工程机械臂系统结构动力学分析 发表时间：2019-06-18T10:03:50.107Z 来源：《科技新时代》2019年4期作者：张雷[导读] 工程机械臂架系统是工程机械设计的核心，优秀的设计对整个工作、生产都有极大的帮助。 安徽省矿业机电装备有限责任公司 235000 摘要 “十三五”以来，我国的机械制造业迅猛发展，自主创新能力不断提升，对国民经济的发展有这深远的意义。工程机械的作业环境恶劣，结构复杂，吨位大，技术是发展的关键。工程机械臂架是大型机械设计的关键，其合理性直接影响到机械的作业精准性。目前的技术下，各种工程机械臂灵活、高效，但复杂的工作环境很大程度上制约了其工作性能。因此，本研究对提升工程机械臂系统有着重大的意义。 关键词：工程机械臂，多体动力学，等效单元，动态优化一、理论概述 （一）多体动力学 多体动力学包括刚体系统动力学和柔体系统动力学。 图1 多刚体系统与多柔体系统关系（二）工程机械臂 工程机械臂架系统是工程机械设计的核心，优秀的设计对整个工作、生产都有极大的帮助。根据本人查阅的相关资料，目前的研究主要有以下几个方面： （1）工作机械臂系统的动力学微分方程建模该系统采用多体动力学的方法加墨，常用的方法有牛顿-欧拉方法、拉格朗日法等。（2）动力学仿真 采用动力学分析软件进行仿真，求解数值。常用软件有：MATLAB、Adams、ANSYS。（3）模态分析 机械结构的动态特征是通过振动模态参数判断的，包含了各阶频率、阻尼等。通过模态分析，得出各阶固有频率，对系统振型分析，得出优化结构设计。 （三）本研究对经济建设的意义“十三五”以来，我国的机械制造业迅猛发展，自主创新能力不断提升，对国民经济的发展有这深远的意义。工程机械的作业环境恶劣，结构复杂，吨位大，技术是发展的关键。工程机械臂架是大型机械设计的关键，其合理性直接影响到机械的作业精准性。目前的技术下，各种工程机械臂灵活、高效，但复杂的工作环境很大程度上制约了其工作性能。因此，本研究对提升工程机械臂系统有着重大的意义。其次，我国经济飞速反正，大型机械设备的租赁业务迅速萌芽，市场对工程机械的的需求急剧上升。市场大环境也为工程机械产品的革新提供了肥沃的土壤。 二、工程机械臂系统结构动力学分析多体动力系统对大型机械设备的意义重大，多体系统中包含了多刚体系统和柔性多体系统。机械臂的建模方法主要有牛顿-欧拉方法、凯恩方法等。工程机械臂动力学建模的等效有限元方法，是指用等效单元替代系统部件，从而代替真实运动系统。它可以大大减少人力分析工作。 （一）等效单元 将机构划分为多个单元，用集中质量和惯量表示。在任意外力作用下，有相同的运动状态。如果满足以上条件，广义惯量阵与原义无差别，则可以保证等效集中质量。构造单元的质量阵，其实并未真实分布，称为伪质量阵。（二）伪质量矩阵 对系统分析时，采用齐次坐标描述。
机电一体化系统设计课程设计 设计题目： 内装： 1. 设计说明书 2. 装配图 3. 控制电路原理图 4. ……. 专业： 姓名： 学号： 指导教师： 完成日期： 成绩： 福建农林大学机电工程学院
机电一体化系统设计课程设计说明书 设计题目： 学院： 专业年级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日
一、机械手的概述 (1) 1.1 机械手的组成和分类 (1) 1.2 应用机械手的意义 (1) 二、总体方案设计 (3) 2.1 设计任务 (3) 2.2 总体方案确定 (3) 2.2.1机械手基本形式的选择 (3) 2.2.2机械手的主要部件及运动 (3) 2.2.3驱动机构的选择 (4) 三、机械系统设计 (5) 3.1机械手手部的设计计算 (5) 3.1.1手部设计基本要求 (5) 3.1.3机械手手抓的设计计算 (5) 3.1.4.机械手手抓夹持精度的分析计算 (8) 3.1.5弹簧的设计计算 (9) 3.2腕部的设计计算 (11) 3.2.1 腕部设计的基本要求 (11) 3.2.3 腕部结构和驱动机构的选择 (12) 3.2.4 腕部的设计计算 (12) 3.3臂部的设计及有关计算 (15) 3.3.1 臂部设计的基本要求 (15) 3.3.2 手臂的典型机构以及结构的选择 (16) 3.3.3 液压缸工作压力和结构的确定 (18) 3.4机身的设计计算 (19) 3.4.1 机身的整体设计 (19) 3.4.2 机身回转机构的设计计算 (20) 3.4.3 机身升降机构的计算 (22) 3.4.4 轴承的选择分析 (25) 四、控制系统硬件电路设计 (26) 4.1可编程序控器的简介 (26) 4.2 PLC的结构，种类和分类 (26) 4.3 FX2n系列三菱PLC特点 (30) 4.4 接近开关传感器 (28) 4.5 I/O接口简介 (29) 4.6 行程开关的介绍 (30) 4.6.1 行程开关的概念 (30) 4.6.2 行程开关的作用及原理 (30) 4.7电路的总体设计 (30) 4.7.1回路的设计 (30) 4.7.2 系统输入/输出分布表 (31) 4.7.3机械手的程序设计 (33) 4.7.4 步进电机的运行控制 (33) 五、参考文献 (34)
唐山学院 毕业设计 设计题目：基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计 系别：信息工程系 班级：11电气工程及其自动化3班 姓名：刘亮 指导教师：田红霞 2015年6月1日
基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计 摘要 机械臂控制器作为机械臂的大脑，对于它的研究有着十分重要的意义。随着微电子技术和控制方法的不断进步，以单片机作为控制器的控制系统越来越成熟。本课题正是基于单片机的机械臂控制系统的研究。 本文首先介绍了国内外机械臂发展状况以及控制系统的发展状况。其次，阐述了四自由度机械手臂控制系统的硬件电路设计及软件实现。详细阐述了机械臂控制系统中单片机及其外围电路设计、电源电路设计和舵机驱动电路设计。在程序设计中，着重介绍了利用微分插补法进行PWM调速的程序设计。并给出了控制器软件设计及流程图。最后，给出了系统调试中出现的软硬件问题，进行了详细的分析并给出了相应的解决办法。 关键词：机械臂单片机自由度舵机PWM
Design of Multi DOF Manipulator Controller Based on MCU Abstract As the brain of robot arm, manipulator controller is very important for its research.With the development of microelectronics technology and control method, the control system of MCU is becoming more and more mature.This thesis is based on the research of the manipulator control system of MCU. Firstly,it is introduced the development of the manipulator and the control system at home and abroad. Secondly,it is given the circuit and software design for the four DOF manipulator in this disertation.it is expatiated the Single Chip Microcomputer(SCM),the relative circuit design ,Power circuit design,and driver circuit design of manipulator control system.In the design of the program, the design of PWM speed regulation by differential interpolation is introduced emphatically. The software design and flow chart of the controller are given.Finally,it is presented the problems of hardware and software in practive given resolves. Key word: Manipulator;MCU;DOF;Steering engine;PWM
平面二自由度机械臂动力学分析 [摘要] 机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。本文采用拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过研究得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 [关键字] 平面二自由度 一、介绍 机器人是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，简化解的过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。 机器人动力学问题有两类： (1) 给出已知的轨迹点上的，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩向量Q r。这对实现机器人动态控制是相当有用的。 (2) 已知关节驱动力矩，求机器人系统相应的各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩向量τ，求机器人所产生的运动。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 二、二自由度机器臂动力学方程的推导过程 机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： (1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量θr ，r=1, 2,…, n。 (2) 选定相应关节上的广义力F r：当θr是位移变量时，F r为力；当θr是角度变量时， F r为力矩。 (3) 求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 (4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。 1、分别求出两杆的动能和势能
SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 课程设计说明书 三自由度机械手臂设计 学院：农业工程与食品科学学院 专业：农业机械化及其自动化 学生姓名：赵国0911034036 学生姓名：李继飞0911034030 学生姓名：程小岩0912034039 指导教师：程卫东 2013 年1 月
摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。
目录 第1章绪论 (5) 1.1 机器人概述 (5) 第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计 (6) 2.1自由度及关节 (6) 2.2 基座及连杆 (6) 2.2.1 基座 (6) 2.2.2 机械臂 (6) 2.3 机械手的设计 (6) 2.4 驱动方式 (8) 2.5 传动方式 (9) 2.6 制动器 (10) 第3章控制系统硬件 (11) 3.1 控制系统模式的选择 (11) 3.2 控制系统的搭建 (11) 3.2.1 工控机 (12) 3.2.2 数据采集卡 (12) 3.2.3 伺服放大器 (13) 3.2.4 端子板 (14) 3.2.5电位器及其标定 (15) 3.2.6电源 (16) 第4章控制系统软件 (16) 4.1预期的功能 (16) 4.2 实现方法 (16) 4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 (16) 4.2.2直流电机的伺服控制 (16) 4.2.3电机的自锁 (16) 4.2.4示教编程及在线修改程序 (17) 第5章总结 (18)
平面二自由度机械臂动力学分析 姓名：黄辉龙 专业年级：13级机电 单位：汕头大学 摘要：机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过分析，得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 关键字：平面二自由度 动力学方程 拉格朗日方程 相关介绍 机器人动力学的研究有牛顿-欧拉（Newton-Euler ）法、拉格朗日(Langrange)法、高斯（Gauss ）法等，但一般在构建机器人动力学方程中，多采用牛顿-欧拉法及拉格朗日法。 欧拉方程又称牛顿-欧拉方程，应用欧拉方程建立机器人机构的动力学方程是指研究构件质心的运动使用牛顿方程，研究相对于构件质心的转动使用欧拉方程，欧拉方程表征了力、力矩、惯性张量和加速度之间的关系。 在机器人的动力学研究中，主要应用拉格朗日方程建立机器人的动力学方程，这类方程可直接表示为系统控制输入的函数，若采用齐次坐标，递推的拉格朗日方程也可以建立比较方便且有效的动力学方程。 在求解机器人动力学方程过程中，其问题有两类： 1)给出已知轨迹点上? ??θθθ、及、 ，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩矢量τ。这对实现机器人动态控制是相当有用的。 2)已知关节驱动力矩，求机器人系统相应各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩矢量τ，求机器人所产生的运动? ??θθθ、及、 。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 平面二自由度机械臂动力学方程分析及推导过程 1、机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： 1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量n r ,,2,1,r ???=θ。 2) 选定相应关节上的广义力r F ：当r θ是位移变量时，r F 为力；当r θ是角度变量时，r F 为力矩。 3)求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 2、下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。
设计说明书 课题：凸轮轴加工自动线机械手 班级：数控69902 设计：沈晓春 审核： 二00五年九月
目录 一、目录 (2) 二、前言 (3) （一）机械手的用途说明 (3) （二）设计机械手的目的、意义 (3) （三）设计指导思想应达到的技术性能要求 (4) 三、设计方案论证 (5) （一）机械手的原始依据 (5) （二）机械手的运动方案论证 (6) 四、机械手各组成部件设计计算 (8) （一）抓取机械设计 (8) （二）手腕机构 (12) （三）手臂设计 (14) （四）缓冲装置设计 (22) （五）定位机构设计 (25) （六）机械手驱动系统设计 (25) 五、机械手控制系统设计 (25) 六、设计总结 (26) 七、参考文献 (27)
二、前言 （一）机械手的用途说明 机械手是模仿人手工作的机械设备。实验用机械手的设计，是指机械手臂在一定范围内的摆动，手臂的垂直方向的上下移动及手爪的伸缩运动组成。由启动系统实现各运动的驱动。它的主要作用是将工件按预定的程序自动地搬运到需要的位置，或者保持工具进行工作。机械手是利用PLC控制整个系统实现各种运动的自动化控制，且能用于教学演示。 （二）机械手的目的、意义 机械手是模仿人手的动作，生产中应用机械手可以提高自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，尤其在恶劣的劳动条件下，它代替人作业的意义更加重大。因此，在机械加工中得到越来越广泛的应用。 目的是，我们对机械手的设计步骤有一定的平衡了解；也能基本掌握机械设计的方法；综合运用学过的理论知识；全面复习绘图技巧，并较好的运用于毕业设计绘图上。通过这次设计，使我了解到，自动控制的对象主要是单机或某个生产过程，智能控制则包括控制对象及整个工作环境或整个生产过程；自动控制的目标是使在系统控制的某个状态下，尽量消除环境对系统的影响，智能控制关心的使最终状态或现行状态是否合乎要求。因此，要充分考虑环境的影响；自动控制的学习来源重要是对象的状态的反馈，所以智能控制需要一个庞大的数据库；自动控制理论着重描述对象的数学模型，然后，通过各