半岛体育机械机械臂设计论文范文

　　半岛体育机械导语：如何才能写好一篇机械臂设计论文，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

　　随着科技的飞速发展，机械手在大规模劳动密集型生产中得到了重要应用，成为自动化生产线上不可或缺的一员。机械手提高了生产自动化程度，降低了劳动强度和用工成本，提高了生产效率和产品合格率，提高了生产自动化程度。机械手在生产中仍有许多机械结构和控制系统问题存在，不断加大对机械手的研究，增强其智能性、适应性、准确性和稳定性，满足日益提高的F代化生产要求。

　　底座是整个机械手臂的支撑部分，是执行腰部360度回转的机构，也是安装动力源、控制系统和驱动系统的部位。

　　手臂是支撑和带动手腕和手部的重要部件，分为有关节臂和无关节臂，本文所设计的机械手臂试验装置为无关节臂，并采用直流电机驱动，锥齿轮或内啮合齿轮传动。

　　手腕是用于连接手臂和手部的部件，通过左右旋转平移和俯仰转动，可以调整机械手执行操作时的位置和姿态。

　　手部是直接于物体接触的部件。根据手部与物体接触形式的不同可分为夹持式和吸附式。夹持式通过模仿人手指的结构形式，可分为无关节、固定关节和自由关节三种类型。根据手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中二指应用最多。根据传力结构又可分为回转型和平移型，回转型结构简单，方便制造，因此常使用此类型；平移型可夹持范围大，但结构复杂，成本较高。本文采用二指回转型夹持式结构，手部有两个自由度，一个自由度用于夹持物体，一个自由度用于反转手腕，通过直流电机驱动。

　　设计所得机械臂采用的回转型机械手臂与人的手臂结构相似，前三个关节都是回转关节，底座与手臂形成类似人手臂的肩关节，手臂中大臂和小臂形成肘关节，大臂可以做回转运动，小臂可以做俯仰运动。此类机械臂工作范围大、运动灵活迅速、适应性强、通用性好。

　　驱动系统通过传动装置为整个机械手臂提供动力，关节型机械手的驱动系统主要由驱动装置和传动装置两部分组成。常见的驱动型式有液压传动、气动传动和电气传动，液压传动具有作用力大、结构紧凑、作用平稳、动作灵敏等优点，但其易产生漏油污染、结构复杂、成本较高；气动传动动作迅速、结构简单、无污染、维修方便，但由于空气易被压缩，工作不线性。工业机械手臂常使用液压传动和气动传动，但液压传动和气动传动结构复杂、成本较高，本文机械手臂作为实验装置，机械手臂不需要进行高强度、高负载的工作，故使用电气传动，具有运动速度快、可靠性好、运动精确、安装维修简单等优点，完全可以满足实验设备的需要。

　　机械手臂控制系统控制着机械手臂按所发出指令要求运动。目前，工业机械手多采用程序控制系统和电气定位系统进行控制。机械手臂实验装置的控制系统较为简单，用单片机输出六路PWM脉冲信号分别控制机械手臂的六个舵机，需要输出一个20ms的脉冲来控制舵机，即可实现机械臂的六个自由度。对机械手臂的控制即对各电机的控制，计算机为控制系统的核心，分别由计算机、伺服控制卡、4套步进电机驱动单元和4套步进电机组成。

　　机械手臂控制系统设计主要时对驱动系统的设计、上位机控制界面的设计和上、下位机之间串口通信的设计等。

　　在对上位机控制界面设计时，主要包括五路舵机控制区、一路电机控制区和机械手运行示意图等方面。五路舵机控制区采用滚轮条的形式，在右侧的编辑框中实时显示各舵机的转动角度；一路电机控制区采用速度控制的形式，显示电机的正转、反转和停止；用机械手运行示意图实时显示机械手的运行情况，当相应舵机或电机运行时，会在相应的舵机或电机位置上加亮以表示正处于运行状态。

　　随着生产中对机械手需求量的不断增大，对机械手智能性、适应性、准确性和稳定性提出了越来越高的要求。我国对于机械手的研究和应用起步相对较晚，不能适应生产中对机械手提出的要求。对六自由度机械手臂实验装置的设计，实现对机械手的实时精确控制，解决存在各种问题，可以为控制算法和控制理论的测试、检验提供更佳的实验平台，更好地对机械手进行精确而又复杂的控制研究。

　　[1] 范小兰，赵春锋.基于PLC的机械手控制在MCGS中的实现[J].制造业自动化，2012（18）.

　　本设计的开发环境是arduino。Arduino是一款完全开源的电子原型平台，包含了arduino板和arduino IDE。由欧洲开发团队开发，使用类似C语言的processing开发环境。Arduino可以自行设计或者购买已经焊接好的板子，程序代码写在arduino IDE上，实现对arduino板子的控制。

　　作为近几十年来发展起来的一种自动设备，机械臂可以通过编写软件程序来完成目标任务，它不仅大部分机械臂共同的机械有点，而且特别具有人的视觉以及判断能力。在作业过程中，机械臂控制的准确性和对环境的适应性，已经使其在各个领域有着广阔的发展前景。高级类型的机械臂，可以执行更复杂的操作。将机器臂运用于工业生产过程，除了可以提高生产率之外，还能够减弱工人的劳动强度，使生产过程实现自动控制。因此机械臂在近几年得到了愈来愈广泛的应用。

　　在国外，工业机器人的发展已经较为成熟，涵盖于各个行业，已经得到了非常广泛的运用，而相比国内，我国基础产业跟不上，机械设计的工艺也达不到一个极高的水平，而且部分设计不够系统科学，大多处于一个模仿的阶段。以上原因导致我国工业机器人在国际上并不能达到一个较高的水准。如今国内企业需要革新自己的技术，加强学习才能在国际市场上占有一席之地。

　　摄像头采集视频图像->

　　利用OpenCV获得图像的一帧->

　　对此帧图像进行滤波处理->

　　将图像序列帧由RGB模型转为HSV模型->

　　对得到的二值图像进行轮廓检测->

　　创建回调函数并对得到的三幅图像进行合并->

　　创建滑动条窗口->

　　将得到的图像分为H，S，V三幅单通道图像->

　　在目标体上绘制轮廓。

　　本文提到的OpenCV函数库是一个开源的跨平台的视觉图像处理库，利用此库中提供的开源算法并加以逻辑上的改进来提取摄像头中帧图像，再使用颜色阈值调节功能进行颜色识别，再对结果进行一系列的处理达到预期要求。

　　OpenCV是一个基于开源发型的跨平台计算机视觉库，可以运行在众多操作系统上，由一系列C函数和C++类构成，轻量且高效，其提供的视觉处理算法非常丰富，被大量使用于众多科学领域，卫星地图的图像整合拼凑；医学界病人器官图像的去噪处理；安全系统中的物体动态监测而预警；军事行动中代替人眼而进行众多无人操作与活动，不光如此，在图像处理能力外，还能对声谱图进行识别操作从而进行对声音的识别。

　　颜色识别的首当之事应是正确选取颜色空间，常用的颜色空间有RGB、CMY、HSV、HIS等。本文采用RGB和HSV。

　　RGB（红、绿、蓝）可以看成一个三维的坐标系，一个坐标点表示一种颜色。HSV是颜色空间模型。表示颜色的是Hue，与坐标点不同，他使用有角度的圆形来表示相应颜色，比坐标点更加灵活。表示饱和度的是Saturation，饱和度越低，则颜色填充就越少，例如圆心处取值为0，那么颜色会非常的淡，从底部往上，圆的半径r越来越大，那么颜色就会越来越深。表示颜色的亮度的是Value，同理，也是从圆锥底端到顶端的数值渐变，底部表示为黑色，而顶端表示为白色。在实际实验环境中，RGB颜色经测验非常容易受到强光、弱光、阴影等其他因素的干扰。相比之下，HSV空间能更加稳定的处理这些光照的变化从而能更好地反应颜色本质、传达正确信息。

　　利用体感周边外设中强大的Kinectz像头（VideoCapture（…））获取周围环境图像，读取一张图片或视频中的一帧图像，进行两次滤波后利用cvtColor（imgOriginal， imgHSV， COLOR_BGR2HSV）函数进行RGB与HSV的转换，再在HSV空间下对彩色图像做直方图均衡化。

　　高斯滤波函数：cvSmooth（…CV―GAUSSIAN…）。真实图像的邻近点像素如果变化，不会十分明显，因为真实图像的像素点是缓慢迁移变化的，但是如果两个像素点倏忽变化的话，便会有很大的像素差，就是我们说的噪点，这时候便要用到广泛用于图像处理的减噪的高斯滤波，他对整幅图进行加权平均，从而能够减少噪声却又不失真（保留信号）。

　　中值滤波函数：cvSmooth（…CV―MEDIAN…）。有时候图像中会有孤立的噪声点从而会形成较大差异，这样会影响平均值也会产生较大噪音，所以便使用非线性平滑的中值滤波，他把图像中的孤立的噪声点用其领域中各个点值的中值代替从而有效的去噪并且能够保护信号边缘使之不模糊，其算法也十分简单。

　　之后得到返回的参数阙值，便用于检查图像像素灰度是否在设置的范围内并且可以得到目标颜色的色度、饱和度和亮度单通道图像。

　　将得到的三个单通道图像进行按位与运算，这样便能检测其二值图像，由于此时会出现噪声，所以采用膨胀腐蚀的方法进行图像形态学处理，使得到的目标体进行最大的连通。

　　图像生成：查找轮廓和绘制轮廓，轮廓正确勾勒，图像便能正确显示。利用OpenCV中对灰度图像处理的Canny边缘检测法（cvCanny（…）），将试图独立的候选像素拼装成轮廓，轮廓的形成是对这些像素运用滞后性阙值，Canny边缘检测算法是高斯函数的一阶导数，是对信噪比与定位精度之乘积的最优化逼近算子。

　　Canny函凳淙胧涑龅亩嘉灰度图，在边缘检测完成后，利用“cvFindContours（…）”函数得到输出的图像的轮廓函数（在二值图像中），检测轮廓个数，然后再用“cvDrawContours（…）”函数绘制检测的轮廓。

　　本机械手臂采用4个电机实现4自由度，进行手臂的升降，转动，抓取，移动等功能。

　　基座是机械手臂的支撑，起到稳固的作用，为了使机械手臂更加的稳定，增大其与表面的接触面积，降低重心，提升其稳定性能。同时，基座的剩余部分，可用于防止控制的单片机及其扩展版，使空间充分利用。

　　机械手是机械行业中必不可少的一个部分，主要起到操作，转移等功能。根据工件的不同，机械手的精度，重量，形状，光滑程度等都会不一样，以至于达到节省成本或准确夹取工件等实际要求。一般机械手包括：1）灵巧手；2）吸附手；3）夹取手；4）专用操作器。本设计因实现的主要功能是夹取物体并转移，工件物体不确定，因此采用夹取手作为机械手臂的机械手进行操作。

　　调用Servo实现对舵机的控制，定义多个舵机，控制多个舵机，具体内容根据实际情况进行调试。采用for语句，当红外或者视觉采集到数据，给予反馈，实现舵机的停止或执行下一步。舵机的转动的角度通过脉冲宽度占空比实现。由于舵机牌子不同，舵机转动的角度也会不同。

　　本机械手臂通过电机的扭矩进行传动。手臂的升降，转动，抓取都是由能够承受很大力的电机进行完成。在机械手臂抓取物体时，尽量的平稳，并且力不能够过大或者过轻，移动时活动空间大。

　　机械行业一般常用的驱动方式有液压驱动，电机驱动和气压驱动三种方式，每种驱动方式各有优劣。本设计机械手臂中，要求驱动时满足一下条件：1）输出功率适中，效率高；2）精准度尽可能的高；3）便于维护，调试；4）安全性高；5）成本低。

　　综上所述，本设计采用电机驱动的方式对机械手臂进行驱动。电机参数如表所示：

　　本机械手臂采用控制角度的方式控制手臂。在初始位确定的情况下，通过控制角度，实现电机的转动，其优点是，能够精确控制位置，但是因为需要进行初始位置，导致运行时间过长。本文设计方案传动方式为舵机直接传动，故不多作介绍。

　　机械臂控制系统是当今社会的一项非常重要的研究课题，尽管其发展已经有了一段很长的历史，但是其发展并不完全成熟。无论是学术界、工业还是在教育教学方面都一直在进行着这方面的研究，距离成熟阶段还要有一段时间。

　　本设计是基于OpenCV六自由度机械臂驱动系统的设计，以六自由度机械臂为控制对象，以arduino为开发环境，辅以有着丰富视觉处理算法的OpenCV软件，并在此基础上，采用先进的控制理论，以正确的控制方法为指导，进行了系统的硬件设计。

　　在整个系统的设计中，硬件的设计是本论文研究的重点，芯片的选型是系统硬件设计的保证，并且辅以可靠性分析为指导，保证了系统运行的可靠性和稳定性。

　　从实验结果中看出，我们设计制作的基于OpenCV的四自由度机械臂能够和一些中小型机器人控制器的性能要求类似，在操作灵活度、控制精度、易操作性等方面都表现出优秀的性能。然而，仍有一些不足之处需要进一步的改进。

　　1）机械臂的传感器提升。作为机械臂的控制对象，其结构、性能的优劣成为了机械臂的重中之重、中流砥柱，为了实际运行效果的完美，我们机械臂的手爪部分应加入压力等传感器，为控制的精准提供、保证更为完整的信息。

　　2）完善机械臂自动控制算法。算法的优良决定了机械臂是否能自动协调运行，特别在输入参数和机械臂抓取后的运输，需要更加优化、灵活的算法，从而将计算出的控制参数变得更加精确和一体。

　　3）视觉的广泛性运用。视觉不单单只作用与颜色的阈值识别，还包括如骨骼识别，轮廓识别等等，再后续的研究中，添入以上功能，可以使机械臂的作用范围变得更加的广泛。

　　鉴于上述情况，在以后的工作中，我们应该不断改进、完善，以提高该机械臂系统的稳定性以及可靠性。

　　[1] 方龙，陈丹，肖献保.基于单片机的机械手臂控制系统设计[J].计算机与信息技术，2012，8（8）：89-90.

　　[2] 任美玲.机械臂的研究与进展[J].出国与就业，2012（2）：84-85.

　　[5] 程晨.自律型机器人制作入门[M].基于Arduino.北京航空航天大学出版社，2013.

　　[7] 孙骏荣，吴明展，卢聪勇.Arduino一试就上手[M].科学出版社，2013.

　　[8] （德）乌尔里希・菲舍尔.简明机械手册[M].2版.杨放琼，编.湖南科学技术出版社，2012.

　　柔性臂是一种十分复杂的动力学系统，高度的非线性，不断变化性等等都是这种柔性臂系统的特点。因为柔性臂这种系统的复杂性，那就意味着要想很好的处理这种系统，就需要有效的建立她的模型。柔性臂的各项特点，好友他简单明了的物理性质和容易建立模型的特点都使得柔性臂成为动力系统研究和控制理论设计研究最为主要的研究对象了。选用柔性臂而不选用刚性臂是因为刚性臂没有柔性臂那么高的操作性，那么高的载重度，而且刚性臂的耗能比柔性臂高，生产的成本高能够加工利用的空间小。所以在设计的时候使用柔性臂而不是刚性臂。就是因为刚性臂不如柔性臂那样好，柔性臂的优势远远的领先于刚性臂。柔性臂的优势就是人们选择她的条件。

　　控制系统是一种管理系统，由这种系统控制主要的部分，非主要的部分，控制一些媒介部分来完成所要完成的目的和所要完成的功能。换一句话说控制系统就是按照设定量来将一些机械设备按照这个设定量来完成，来实施工作。控制系统有许多的分类，譬如开环控制系统，闭环控制系统，随动控制系统，程序控制系统等等。这些都是控制系统的几个要素。现在，跟着科技的成长，社会的前进，控制系统的对象也已经随着需求变得稳固了起来。

　　柔性臂结构和控制系统的设计并非现在才有的，在之前就有对柔性臂结构和控制系统的设计，但是在以前的设计过程中呢，设计者所采取的设计法子便是将两者分开来设计，先设计柔性臂结构，将柔性臂结构设计好饿以后再设计控制系统，或者是在一个系统上面设计另外一个系统。这种设计能够有效的将整个总的系统的设计难度降低，降低整个系统中的复杂性，但是这种设计也同样的存在着一种缺陷，设计者在设计过程中呢，将设计的重心放在了两个分开的系统上面，这样的设计在一定的程度上面讲两个系统，两个领域的融合度降低了，两个不能很好的相结合，减少了两个系统之间的联系和对彼此的作用。这种设计不能从本质上面解决柔性臂结构和控制系统之间本来就存在着的矛盾反而将两者之间的矛盾更加明显化。因此，要想将整个系统的工作能力提高，就要重新对柔性臂结构和控制系统进行新的设计，建立一种新的模型并且将这两者之间本身固有的矛盾进行改进，进而最好能逐渐消除这两者之间的矛盾。

　　在建设模型中呢，要尽可能的将力学理论和力学的使用方法得到应用。在一定意义上面，柔性臂结构是一种力学的系统，所以在设计柔性臂结构和控制系统上，力学理论的有效利用是必不可少的。

　　对于柔性臂结构和控制系统的建立模型的方法有很多，比如说有配置结构的特征法，控制模型动态法……等等一些方法。此刻，来介绍一下配置结构的特征法，控制模型动态法。

　　配置结构的特征法：配置结构的特征法是根据周围的工作环境，周围环境的变化来将系统进行不间断的改变，进而将系统的动态性这个特点得到优化。设计这个模型的时候，这个模型将能够用最直接的方式来满足不断变化着的工作环境和一些设定量。始终系统的动态是由系统的根本所要求的。这种方法能够有效的解决柔性臂结构和控制系统设计中的问题，将系统的稳定性得以提高。

　　控制模型动态法：根据动态理论，不管是系统还是一般的普通的结构的动态，在一定量的空间里面来看，能够在这一定量的空间里面没有限制的不断的变动，这就是动态理论。这样没有限制的在一定量的空间里面变动就是将模型动态加以转变，使得只有几个模型动态在那个一定量空间里面改变。这便是控制模型动态法。这类法子可以将这些空间模型进行分割，将这些进行分割以后，在不改变这些控制模式状态的条件下面，能够有效的优化柔性臂结构和控制系统设计，有效的解决柔性臂结构和控制系统设计中的问题。

　　最适合，次要适合控制法：最适合控制法是指在相同前提条件下，这种方法能够同时的照顾到系统设计的不同方面。因此这种模型建立法一般都是被使用在已经有一定的模型基础上面，从而将设计模型达到最优的标准。次适合控制法是指在设计模型的时候没有办法照顾到各个方面，但是在一定程度上面将系统的性能加以优化。即使没有办法将柔性臂结构和控制系统设计达到最佳状态但是也是能将柔性臂结构和控制系统设计达到很好的状态。因此，现在在柔性臂结构和控制系统设计中最适合，次要适合控制法是较常使用的方法。

　　在柔性臂结构和控制系统设计中，设计这两个系统是一个相当困难的研究，因为柔性臂结构和控制系统设计中牵涉了很多的方面，有之前就讲到的动力学，还有统计学里面的系统的最优目标法，系统的控制观念，计算机等一系列的高科技学科的运用。要想在柔性臂结构和控制系统设计中达到最优的控制，就要创立更加合适，更加有利于这柔性臂结构和控制系统设计的模型。有效模型的设计有利于柔性臂结构和控制系统设计。因此在设计之前，设计者要以最优目标位前提来设计柔性臂结构和控制系统设计的模型。

　　[1] 崔玲丽，张建宇，高立新，肖志权.柔性机械臂系统动力学建模的研究[J].系统仿线] 朱灯林，王安麟，王石刚，庄翰.基于Pareto GA的机械手结构/控制多目标优化设计[J].上海交通大学学报.2005（07）.

　　空间机械臂在人类太空探索活动中所发挥的作用不言而喻，其研究热度颇高［14］。近年来，随着对空间操控精度要求的不断提高，空间机械臂在作业过程中所呈现出来的各类柔性效应已逐渐被人们所察觉。对于这些具有浮动载体基座、柔性部件的空间机械臂而言，动力学的非完整性及系统刚、柔性运动间的强耦合性将大大增加其动力学分析的难度，并给后续控制方案的设计带来障碍。目前有关柔性空间机器人的研究文献多数谈及的是臂杆柔性［57］，部分涉及关节柔性［89］，但很少计及载体基座的柔性［10］，而同时兼顾基座柔性、关节柔性的研究文献更是鲜有报导。显然，较之以往仅带有柔性关节或柔性基的空间机械臂而言，柔性基、柔性关节空间机械臂具有更强的非线性及强耦合性，其动力学分析将更显复杂性，且难以直接选用先前各类常规的控制策略来进行控制。因此，有必要继续开展在系统非完整约束、基座与关节柔性并存下漂浮基空间机械臂的动力学建模与控制问题研究。奇异摄动法被视为是解决现有各类柔性多体系统控制器设计的一种重要方法，但传统意义上的奇异摄动法往往会对被控系统提出一些现实要求，比如要求系统各柔性部件刚度应充分大［11］，控制器所需各状态变量应精确可测等［12］；显然，这就大大限制了其在具有较大关节柔性或系统高阶快变状态难以测量的柔性基、柔性关节空间机械臂系统上的应用。为此，本文着重研究基座姿态受控下漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学建模及末端运动改进奇异摄动控制问题。在对基座柔性、关节柔性分别进行线性伸缩弹簧及线性扭转弹簧模型等效的基础上，利用线动量守恒原理、拉格朗日第二类建模方法分析了姿态受控漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学建模过程。将柔性补偿思想与奇异摄动理论相融合，在慢、快变两个时间尺度上对柔性基、柔性关节空间机械臂原动力学模型进行分解，导出可分别用于系统刚性运动、柔性运动控制器设计的慢变及快变子系统。将关节空间形式下的慢变系统方程转化为工作空间形式，并在此基础上设计了载体基座姿态与载荷协调运动的慢变子控制方案；与此同时，为避免对系统高阶快变状态进行实时测量与反馈，采用了基于高阶状态观测器的二次型最优控制方案对快变子系统加以主动控制，以确保在快变子系统保持稳定的前提下实现对基座、关节两种柔性振动的双重抑制。仿真结果对比，证实了所提改进奇异摄动控制方案在系统轨迹精确跟踪控制及两种柔性振动抑制上的有效性。

　　漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂的结构模型如图1所示。图1柔性基、柔性关节空间机械臂该系统主要由姿态受控的柔性载体基座B0、前刚性杆B1、后刚性杆B2及末端刚性载荷Bp组成，系统基座及各关节联结处均设定存在有柔性此处将采用无惯性质量的线性伸缩弹簧、线性扭转弹簧来等效描述基座和关节的柔性［1314］。建立空间机械臂的惯性坐标系Oxy及其各部件Bi（i＝0，1，2）的连体坐标系Oixiyi，并假设系统在oxy面上执行平面操作任务；xb表示线性伸缩弹簧的弹性位移，θ0表示载体基座B0的姿态转角，θi（i＝1，2）表示刚性杆Bi的实际转角，θim（i＝1，2）为第i个关节电机的实际转角；此外，动力学分析过程中涉及到的其他符号可约定如下：图1中，O0位于基座B0的质心处，Oi（i＝1，2）位于关节铰i的几何中心，Oc1、Oc2分别为刚性杆B1、刚性杆B2与载荷Bp联合体的质心，oc为机械臂系统的总质心；ei（i＝0，1，2）为xi轴的正向单位矢量，ρ0、ρ1、ρ2、ρp和ρc分别为O0、Oc1、Oc2、末端载荷质心及Oc在惯性参考系Oxy中所对应的位置矢径；O0距离O1长度为l0＋xb，oi（i＝1，2）距离Oic长度为ai；基座B0、载荷Bp的质量及转动惯量分别为m0、mp和J0、Jp，前杆B1的质量、转动惯量及长度分别为m1、J1和l1，后杆B2的质量、转动惯量及长度分别为m2、J2和l2；第i（i＝1，2）个关节电机的转动惯量为Jim，线性扭转弹簧的刚度系数为kim（i＝1，2），线性伸缩弹簧的刚度系数为k0；ωi（i＝0，1，2）为各分体Bi的转动角速度，ωim（i＝1，2）为第i个关节电机的自转角速度。基于ρ0、ρ1、ρ2、ρp在图1中的几何关系及空间机械臂总质心位置不变定理，得ρi＝ρc＋αi0（l0＋xb）e0＋αi1e1＋αi2eV2（1）式中αi0、αi1、αi2（i＝0，1，2，p）均可描述成系统各惯性参数的组合。既然空间机械臂并未受到外部力作用，则该系统在整个操作过程中将遵循线动量守恒原理；若空间机械臂在操作之前相对于惯性参考系处于静止状态，则其初始动量为零。

　　漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂在操作过程中所激发的基座、关节两种柔性振动往往会对系统的实时定位精度带来负面影响，甚至会导致整个系统出现控制失效现象。为方便后续漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂控制方案设计，本节拟采用柔性补偿奇异摄动法先行对此类系统进行慢、快变子系统分解［15］。

　　为确保漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂能够完成预期的空间协调操作任务，其控制系统需同时具备确保系统刚性运动轨迹精确跟踪及基座、关节双重柔性振动主动抑制的能力。为此，拟在慢、快变子系统式（14）～式（15）的基础上，探讨漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂奇异摄动控制方案的改进设计问题。

　　4模拟仿线给出的柔性基、柔性关节空间机械臂系统为仿真对象，验证本文所提改进控制方案的控制效果。

　　随着我国航天事业的不断发展，空间机械臂在空间站建造、设备维护和科学实验中起到了积极的作用，是空间站实现在轨组装和维护的关键设备。由于太空殊环境和我国科技水平的制约，对空间机械臂的设计与控制问题的研究一直是该领域的热点问题。其中机电一体化关键作为机械臂的关键组成部分，对空间机械臂的控制精度有着重要的影响。根据空间站的建设要求，基于机电一体化技术对为机械臂的关节进行设计，对满足机械臂的可靠性、集成性和智能性特点具有积极的意义。

　　空间机械臂主要包括地面控制台、在轨控制系统、末端作业工具系统、移动基座系统、视觉系统、末端效应器系统、结构与机构系统、关节及其驱动控制系统八个部分。其中，关节、臂杆等结果与末端的效应器连接，然后通过关节旋转来实现机械臂的空间运动。

　　根据空间站的设计要求，机械臂需要完成如下功能：（1）协助空间站的维护、建设和维修，保证空间站的正常运转；（2）为航天员提供援助以增强其行动能力和安全性，减少其出舱次数；（3）最大限度降低航天员作业风险，进行环境的安全检查。

　　关节是机械臂的重要组成部分，通过关节的速度、位置和力闭环控制，进而实现机械臂的旋转运动和多自由度运动，关节的功能要求包括：（1）为机械臂提供操作负载与驱动能力；（2）为机械臂提供紧急制动功能，以及结构保护和运动角度限制等功能；（3）实现机械臂的高精度测量和控制；（4）实现机械臂与中央控制系统间的信息交互功能；（5）关节局部损坏或功能失效时，提供方便的在轨拆卸安装接口。

　　因为机电一体化关节需要实现传动、制动、驱动、驱动控制、温度信号采集、位置和速度信号采集和通讯等多种功能，同时关节的重要和体积也受到严格的限制，因此在设计过程中要克服在满足功能要求的前提下尽可能的小型化、轻量化特点，并要求关节具备足够的环境适应性和可靠性。为了克服这些难点，机电一体化关节的集成设计步骤主要包括如下几步：（1）以调研为基础，确定机电一体化关节的整体设计方案，主要包括零部件和传感器的选型、中心孔走线以及冗余设计方案等；（2）首先根据实际的功能要求和性能参数分配零件的性能指标，要仔细核对关节内所有位置零部件的尺寸和接口；（3）进行关节内部结构和电气控制硬件的设计；（4）设计关节的控制算法，并编写相应的控制软件；（5）完成关节结构和相应软件的生产后，要对关节的性能和功能进行测试。

　　进行位置控制时，关节控制系统会从中央控制器位接收位置指令，然后使用速度、电流和位置三闭环结构，对速度、电流和位置控制器进行环路设置，最后再通过传感器得到关节转速、电机等效电流和末端位置等信息，以此作为控制环路的闭环反馈。

　　进行速度控制时，关节控制系统会从中央控制器接收速度指令，然后使用电流、速度双闭环结构，对速度和电流控制器进行环路设置，然后再通过传感器对关节转速与电机等效电流进行采集和计算，以此作为控制环路的闭环反馈。

　　力矩控制是系统柔顺控制的一种备份模式，关节控制系统会从中央控制器接收力矩指令，然后使用电流和力矩双闭环结构，对力矩和电流控制器进行环路设置，最后通过传感器对关节的输出力矩和电机等效电流进行采集和计算，以此作为控制环路的闭环反馈。

　　机电一体化关节包括伺服电动机与谐波减速器两部分，其中半岛体育机械，减速器柔轮与具有一定刚度的扭转弹簧等效。由于系统控制会受到摩擦和外界干扰的影响，因此首先建立关节系统的力学模型。根据该模型，可以对后续矢量控制等参数进行计算设置。

　　其中，表示关节的输出轴位置，表示电机轴的位置，表示负载惯量，表示扭转弹簧的刚度系数，表示减速比，表示非线性摩擦力矩，表示电机惯量，电机的阻尼系数；表示驱动力矩。

　　关节控制系统包括速度环、电流环和位置环三部分，是一个三闭环的调节系统。关节运动的控制过程要保证运动在不同负载和变负载扰动下都保持平稳性，鉴于关节运动较低的速度和对关节位置动态响应能力的较低要求，其控制算法要重点解决关节的柔性影响，以实现振动的抑制控制，即降低振动的幅值和次数。

　　柔性关节扭转振动抑制涉及到级联动力特性、高精度定位控制设计和低速非线性摩擦补偿等问题。另外，机械臂的位型和负载变化也会造成机械臂关节空间的转动惯量出现时变的特性。运动控制算法主要包括状态空间反馈、计算力矩前馈和PID控制加柔性补偿等。其中，PID技术能够根据经验对参数进行设置，灵活性较高，因此控制性能良好，目前很多成型产品都采用了经典的线性PID增量控制算法。如果对动态响应的要求不高，则可以使用PI控制方式对转速、电流和位置闭环进行控制，摩擦模型一般使用动态模型进行模拟，并在控制器上进行补偿。除此之外，考虑到谐波减速器的刚度要求，需要进行柔性扭转控制补偿，并使用变参数PI设计，尤其是在负载面对大范围变动的情况下，控制系统要先根据实际情况对多个控制参数进行设定，然后在线切换调整，以保证机械臂的运动平稳性要求。

　　本文从设计和控制两个方面对机电一体化的空间机械臂关节进行了介绍。关节是机械臂的重要组成部分之一，随着我国空间技术的发展，基于机电一体化技术的空间机械臂关节设计和控制技术必将得到进一步的完善和拓展。

　　[1]张慧芳.空间机械臂锁紧装置设计与分析[D].哈尔滨工业大学.2006.

　　 一种新型林地采育作业臂的设计与优化 一种多关节智能机械手臂控制系统设计 一种新型高速数显表的设计与实现 一种电力巡检系统的设计与实现 一种企业服务总线的设计与实现 一种属性权威系统的设计与实现 一种口令加密工具的设计与实现 一种用于农业果实采摘的机械臂的改良及应用检验 一种仿生机械臂空间位置反馈方法的研究 一种用于化工厂排爆的组合机械臂 一种电梯曳引机制动器制动臂与基座连接方式的设计缺陷浅析 一种钩臂车后支撑架的焊接工装设计 一种RFID中间件设计与实现 一种用户注册登录系统设计与实现 一种时延设计方法与DSP实现 一种简单实用的检错与纠错算法设计与实现 一种靶场测速系统校准方法与装置的设计与实现 一种人脸检测与识别方法的设计与实现 一种简易汉字加密与解密算法的设计与实现 一种设计新颖的教学论坛的实现 常见问题解答 当前所在位置：l，2015-02-27/2016-12-16.梁嘉琪.把3D打印机改成书写机器人替人手写信件[DB/OL].

　　[10]杨亮，李慧蓝，辉龙.董明珠：格力机器人，要做成极品[N].南方都市报，2015-12-16.

　　[11]蔡汉明，钱永恒. Dobot型机器人运动学分析与仿线]牛立刚，张月莹，胡志勇，等.基于Arduino的USARTHMI智能串口触摸屏的应用[J].机电信息，2016（15）：122-123.

　　[13]谭秀腾，郭小定，李小龙，等.基于ARM的桌面型3D打印机控制系统设计[J].应用科技，2014，41（5）：57-66.

　　关键词：坐标变换；摇臂机构；方向余弦；数学建模；汽车起重机 文献标识码：A

　　随着国民经济的飞速发展，商用车在汽车市场中所占的比重也越来越大，尤其是重型特种车辆，例如起重机这种特种工程车辆，是国家在大力发展经济中必不可少的一部分。随着起重机作业环境的多样化，随之而来的是吨位的增加，车身变得更长、更宽，甚至越来越多轴化。在这种时代背景下，如何提高车辆在过弯时候的稳定性并减少轮胎的磨损量已经成为起重机在设计时不得不考虑的部分。起重机的转向系统中，使用的是梯形转向系统，这种情况下，如果转向杆设计不合理会造成轮胎的非正常磨损，使得整个转向杆系的受力变大，损害车辆的转向性能和车辆行驶的安全性。而影响整个转向系统的关键是摇臂机构，以往很多文献皆采用分块方法对其独立分析来研究它的性能，使得精度较低，通用性不强。参考文献[1]中使用空间几何方法进行数学建模，使用MATLAB工具箱中设立约束进行优化，文中数学模型不精确，结果具有一定的参考意义。本文主要采用空间坐标变换的方法，对空间坐标使用方向余弦和矢量进行运算并对摇臂机构进行分析半岛体育机械，很好地解决了转向摇臂的数学建模和优化分析，具有一定的通用性。

　　图1所示的是一种典型的双摇臂机构模型，由两个空间四杆机构，和一个平面四杆机构组成，其中是前摇臂，是后摇臂，是前摆杆，是后摆杆，CD是摇臂间拉杆，AB是前拉杆，EF是后拉杆，BO3是前转向节臂，FO4是后转向节臂，、点为垂臂旋转中心点，、为轮胎旋转中心点。它们的运动关系为：前转向节臂BO3前拉杆AB前摇臂、前摆杆后摆杆、后摇臂后拉杆EF后转向节臂FO4。为了建立双转向轴系统摇臂结构的数学模型，使用空间坐标变换和刚体运动学理论进行分析。

　　车轮转向角度是由多个转动效应叠加而成的，其中包括转向轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角以及主销转角。由于前三个角度的叠加角度相对较小，为了降低建模分析复杂程度，因此文中认为主销转角就是车轮转角。

　　首先，建立坐标系。如图2所示，以为坐标原点建立总体坐标系，轴为水平向后为正，轴为垂直向内为正，轴为垂直向上为正。同时以一轴的转向节球头销中心B到主销轴线的垂足为原点，建立连体坐标系，轴以的方向为正，轴以主销的方向为正，轴的方向符合右手坐标系定义，则B点的连体坐标值为（）。

　　表1给出了A、B、C、D的X和Z坐标位置点优化前后的坐标值及目标函数值，表中结果对比结果显示优化后的摇臂机构的目标函数值为3.58只相当于优化前的目标函数值12.49的28.7%。图4为优化前后转向误差平方值的示意图，由图可知优化后转向误差大为减小。图5为优化前后的转角误差仿真示意图，表明转向角的误差优化后相较于优化前大为降低。通过仿真与车辆实际验证表明：本文所建立的分析及优化方法正确，所得结果线 结语

　　为了对两轴转向系统中双摇臂进行优化设计，对双摇臂机构建立了空间数学模型，通过采用空间坐标变换理论对相关参数进行余弦变换和矢量计算，将设计目标选定为总转向角度误差最小化，对相应坐标的X和Z坐标进行约束限制，通过仿真计算找到摇臂机构相关参数的最优解。

　　结果表明：基于空间坐标变换分析方法具有一定的普适性，该方法既可以在二轴转向系统中进行使用，也可以在三轴或者多轴转向系统中的摇臂进行优化设计。

　　人工码垛存在效率较低，浪费大量人力资源，机械地重复性劳动损害身体健康等缺点。码垛机器人技术集许多学科于一体，包括机械、信息、电子、计算机科学、智能技术等[1]，它在提高劳动生产效率、解决劳动力不足、降低工人劳动强度、改善生产环境、降低生产成本等方面具有重要意义。

　　本文主要研究了关节型四轴码垛机械臂，利用MFC应用程序平台设计了一款四轴码垛机械臂的控制软件，通过OpenGL三维函数库绘制码垛机械臂的三维图形。软件有友好的交互界面，操作者通过输入码垛的基本信息，如码垛层数、每层的码垛方式、码垛数量、物块大小信息、码盘放置位置等数据，软件就会设计好机械臂的运动路径和操作方式，并以三维动画的形式对码垛过程进行演示，让操作者方便地了解机械臂的运行情况，并做出判断是否需要修改数据。同时软件还可以把每个关节转动的角度以串口传输的方式传递给机械臂的控制器DSP，控制码垛机械臂上的5个舵机旋转，完成码垛过程。5个舵机分别控制了机械臂底座、下臂、上臂、腕部的旋转以及末端夹持器的开合。

　　为了用户能够方便地操作软件，仿真控制软件在设计时采用了多个界面输入的操作方式。软件模拟了一个四轴码垛机械臂码垛的过程，通过设定码垛的参数和码放的方式，软件规划出码垛路径，把货物从流水线上按码垛路径码放到托盘上。 软件共分为五个部分：定义工作区域、定义工作台、设定码垛方式、设定运动路径和动画演示。

　　功能选择界面是基于对线个按钮控件。四轴码垛机械臂仿线个对话框资源，通过这些对话框资源使得软件变得友好、易操作。对话框是重要的用户界面元素之一，是用户交互的重要手段。对话框在创建后可以通过控件编辑器添加各种控件，包括编辑框、滑动条、静态文本、按钮等，这些控件在程序运行过程中可用于捕捉用户的输入信息或数据，每个控件都可以添加消息响应函数，便于优化用户体验。这些控件的使用使得仿真控制软件界面更加方便操作，不再需要程序设计人员进行操作，或对操作人员进行复杂的培训，经过简单的说明介绍，普通用户也可以方便的使用。

　　在设定工作台界面中实现了物块拖拽的功能。为了确定物块在码盘上的起始位置，可以将流水线上的物块模型用鼠标左键拖拽到码盘上，再利用码垛设置对话框对码盘起始点进行微调。 物块拖拽功能实际上就是物块随着鼠标的移动而重画的过程。主要在函数OnMouseMove（UINT nFlags， CPoint point）中实现，当鼠标移动时程序就会调用这个函数 。函数有两个参数值，nFlags代表各种虚拟按键是否按下 ，此参数可以是任何下列值：

　　另一个参数point，是鼠标的坐标，point.x代表[x]方向坐标，point.y代表[y]方向坐标，这个坐标是鼠标距离截获该消息的窗口左上角的位置，是一个相对位置而不是在屏幕像素上的绝对位置，因此在使用时要注意将坐标位置和像素进行转换。在程序中获得鼠标的坐标信息以后，在画图函数OnPaint（）中对物块图形进行重绘，就会显示出物块被鼠标拖拽的效果。

　　码垛方式界面设计图如图2所示，分为左右两部分。左侧界面的下方是托盘的俯视图，上方是层数、旋转角度编辑框，以及预览添加按钮。右侧界面是托盘的前视图。在左侧页面上的层数编辑框单击下拉菜单，从第一层到最高层，选择需要码垛的层数，这里的码垛层数信息是由定义工作区界面设定的，每设置完一层的码垛信息后就顺序选择下一层。然后双击界面左侧托盘上方的示例物块，第一个物块就会自动出现在“设置工作区域”界面在托盘上设置好的初始位置上，在托盘上单击鼠标右键，在出现的对话框里选择需要码放物块的个数，即长×宽的个数，并可以选择正向码放还是旋转90°后纵向码放，选择好后单击确定键，相应个数的物块就会出现在托盘里。想要在这一层继续码放物块的话，就一直按住鼠标左键把示例物块拖拽到托盘上任何想要摆放的位置，然后放开鼠标左键并单击右键，在出现的对话框里选择要码放物块的个数。重复操作上面的信息直至确定好一层要码放的物块，最后单击添加按钮，该层码放的所有物块会以前视图的方式添加到右侧页面的托盘里。选择下一个码垛的层数，重复之前的操作，直至完成所有层数的物块设置。单击预览按钮，右侧界面的托盘上会出现码放整齐的每一层的物块的摆放方式，操作者可以直观地观测到产品码放后的方式，方便操作者进行修改或下一步操作。

　　图2为两层码垛的操作，第一层放置了6个物块，其中2[×]2个物块正向码放，2[×]1个物块旋转90°纵向码放，第二层放置了4个物块，以2[×]2的方式正向码放。在单击预览按钮后，右侧屏幕显示了两层码垛的示意图。

　　设定码垛方式界面对对话框窗口进行分割。当用户需要同时对窗口的不同部分进行编辑时常常会用到切分窗口。切分窗口分为动态切分窗口和静态切分窗口，本文选择的是静态切分窗口的方式。 窗口分割的程序写在窗口创建函数OnCreate（）中，调用CreateStatic（）函数产生静态切分。调用 CreateView（）函数产生每个视图窗口。

　　在前面的设计中，流水线的位置和高度、码盘的位置和高度以及物块摆放的位置、物块码放的方式和顺序已经确定，但码垛机械臂的运动路径还没有确定。设定运动路径界面就是为了确定四轴码垛机械臂码放产品的运动过程。设定运动路径界面设置图如图3所示。机械臂码垛过程共有六个运动步骤，如下所示：

　　（1） 四轴码垛机械臂运动到流水线上物块的位置，打开末端夹持器，然后闭合夹持器从流水线） 四轴码垛机械臂用末端夹持器抬起物块，运动到流水线） 四轴码垛机械臂用末端夹持器抓住物块，从流水线上方移动到物块要码放在码盘位置的正上方，停顿1 s。

　　（4） 四轴码垛机械臂移动到托盘要码放物块的位置，打开末端夹持器把物块放到托盘上。

　　（6） 四轴码垛机械臂空载移动到流水线正上方。完成一次码垛流程，然后重复这六个运动步骤。

　　设定运动路径界面的左侧有一个路径示意图，示意的就是四轴码垛机械臂码垛过程所经历的6个位置，按照1?2?3?4?5?6?1的顺序循环反复。位置1是流水线是流水线是舵盘上物块要摆放的位置。根据前三个功能界面的设置，位置1和位置4的坐标已经确定，通过设定运动路径界面可以确定其他四个位置的[y]方向坐标，[x]方向坐标和[z]方向坐标，默认和位置1或位置4相同，即位置3，5在位置1的正上方，位置2，6在位置4的正上方，但距离可以设定。设定方式在界面的左侧，有四个编辑框分别对应着位置2，3，5，6的[y]方向坐标，仿真控制软件默认设置距离为1个单位，通过编辑框右侧的+，-按钮可以对几个位置的[y]坐标进行增加或降低的修改。修改完成后退出界面，确定了四轴码垛机械臂的完整码垛路径。

　　DSP控制程序主要涉及定时器中断和串口通信两部分。舵机的控制信号是周期为20 ms，频率为50 Hz的PWM波，占空比在2.5%～12.5%之间。飞思卡尔mc56f8013型DSP拥有6路PWM通道，但可以输出PWM波的最小频率值高于50 Hz，因此选择定时器中断的方式产生PWM波。 首先设定一个10 μs的定时器，定时器中断2 000次就是10 μs×2 000=20 ms，也就是舵机控制信号的一个周期。当定时器中断的前1 000次，控制输出端口输出高电平，定时器中断的后1 000次，输出端口输出低电平时，就产生了一个占空比为50%的PWM波，当改变输出高电平和输出低电平的中断次数时，PWM波的占空比也随之改变，舵机就会输出不同的角度，从而带动四轴码垛机械臂转动。当高电平的中断次数为50次时半岛体育机械，此时的占空比为[502 000=]2.5%，舵机转动0°；当高电平的中断次数为250次时，占空比为[2502 000=]12.5%，舵机转动180°。

　　在CodeWarrior平台的专家处理模块添加定时器的嵌入豆，定义定时器的时间为10 μs。添加5个I/O接口的嵌入豆，用于输出5路PWM波控制舵机。添加一个串口通信的嵌入豆，接收四轴码垛机械臂控制软件发送的串口数据，这些串口数据已经在软件编程中转化成高电平的定时器中断次数，方便了DSP的编程操作。

　　控制器采用ms56f8013最小系统，系统包含了程序传输、串口通信、电流驱动等基本模块。

　　其中舵机电路原理图如图5所示。图中所示的是一个舵机与DSP的连接图，舵机的控制信号线与DSP的输出端口相连结，端口输出PWM控制信号。为了保证为舵机提供足够大的功率，舵机和DSP分开供电。

　　实验时采用双路稳压稳流电源为舵机和DSP分别供电。DSP最小系统上有电压转换功能，把5 V电压转成3.3 V为DSP芯片供电。舵机的供电电压可选择在4.8～6 V之间，系统选择5.5 V为舵机供电。

　　在实际运行四轴码垛机械臂时，首先通过下载器把在CodeWarrior IDE中编译的DSP程序下载到DSP中，程序下载成功后，把计算机和DSP通过RS 232串口连接线连接起来，实现上位机和下位机的串口通信。舵机的三条线分别是电源线、地线分别输出五个舵机的控制信号PWM波形，把舵机的控制信号线和DSP相应的端口连接起来，实现DSP对执行器舵机的控制。DSP和舵机分别供电，把地线相连接。上位机和下位机连接好后，开始对系统运行情况进行测试。测试内容是四轴码垛机械臂把一个物块从流水线的位置码放到托盘位置，即软件测试中第一个物块的码放情况。由1.4小节可知，四轴码垛机械臂码放一次物块要经过6个位置，仿真控制软件计算出的底座、下臂、上臂舵机在6个位置所旋转的角度如表1所示。折线所示。

　　由舵机原理可知，高电平的时长为0.5 ms时输出角度为0°，高电平时长为1 ms时输出角度为45°，高电平时长为2.5 ms时输出角度为180°。图7是机械臂底座舵机运行在位置3，4，5时的控制信号图，此时舵机的旋转角度大约为90°，信号频率为50 Hz，符合舵机的控制要求。

　　由测试可得，四轴码垛机械臂的DSP可以通过RS 232串口通信模块接收控制软件传递的舵机角度数据，同时DSP可以对舵机进行控制，使舵机能够按照仿真控制软件计算的角度旋转，实现关节型四轴码垛机械臂的码垛功能。

　　工业机器人码垛技术越来越受到人们的重视，它在提高生产效率、降低事故发生概率、改善生产环境等方面都有重要作用，本文完成了四轴码垛机械臂仿真控制软件的设计。软件可以根据用户输入的产品信息、位置信息、码垛方式信息等规划好机械臂的运动路线，利用三维动画的方式显示机械臂码垛的实时过程。软件通过串口通信模块把机械臂码垛过程中各个关节的角度值传递给DSP。机械臂系统采用DSP作为控制器，舵机作为机械臂的执行机构，用DSP控制舵机运动，实现四轴码垛机械臂实物的码垛过程。

　　四轴码垛机械臂控制系统基本实现了预期功能，可以通过软件对机械臂系统进行控制和三维动画仿真，并且实现了机械臂实物的码垛过程。可以在仿真控制软件中实现多种机械臂的整合。后期改进可以把对其他类型机械臂的控制和仿真添加到软件中，实现一款软件对多种工业机器人的控制，使得软件的利用率更高，使用更方便，同时也降低开发成本。

　　[1] 刘扬，高志慧，O超，等.混联码垛机器人运动学分析与仿线] 张岳.基于实时以太网的码垛机械手控制平台研究[D].济南：山东大学，2013.

　　[3] 张聪.基于Internet的六自由度机械臂远程控制系统[D].北京：北京邮电大学，2011.

　　[4] 冀亮，钱正洪，白茹.基于四元数的四轴无人机姿态的估计和控制[J].现代电子技术，2015，38（11）：112?116.

　　WZ330型挖装机是一种将挖掘、扒碴、装碴、转运碴及破除危岩等功能集于一身的机械装备，服务于隧道、煤矿巷道、地铁和地下金属矿等碴石挖装与运输环节，主要由动力装置、底盘、工作装置等组成。挖装机的工作装置通过液压系统实现挖掘、扒碴、装碴、输碴的所有生产动作，因此工作装置性能的优劣对挖装机的使用效能起着决定性作用[12]。

　　WZ330型挖装机工作装置的工作过程是：先操作大臂油缸或转动油缸，使工作装置运动至挖掘或扒碴位置；然后转动小臂及铲斗油缸，用铲斗将碴石扒到铲板上或铲板附近，由刮板输送机运出；最后回转至工作位置并进行下一次作业循环。WZ330型挖装机的工作装置主要由大臂、小臂、铲斗等部分组成[34]，其主体结构如图1所示。

　　（1）工作装置进行挖装和一定范围的角度回转时，既能单独动作，又能复合运行。

　　（4）各种作业油缸应该具有防止动臂因自重而快速下降的过载保护，满足安全可靠的要求。

　　WZ330型挖装机的挖装与行走功能均由液压系统实现，为全液压挖装机，其液压整体回路如图2所示。整个液压系统由变量泵、合流阀、挖掘机构控制阀组（M4多路阀组）、出碴机构控制阀组（M7多路阀）、电磁控制先导压力阀、液控单向平衡阀和液压油缸等组成，能够让大臂进行水平左右摆动，以及铲斗、斗杆及动臂的挖掘动作，从而使挖装机完成复杂机械动作。

　　从挖装机液压整体回路中提取出工作装置液压系统回路，如图3所示。其工作原理为：压力油从变量泵流出，经过合流阀后分为2路，一路经过减压阀为电磁控制先导压力阀提供压力油，另一路进入挖掘机构控制阀组（M4多路阀组）主阀进油口。M4主阀的工作位置由电磁控制先导压力阀控制，主阀的动作决定了油缸的伸缩。当先导阀3a、4a、5a、6a工作时，油缸均作伸出动作；当先导阀3b、4b、5b、6b工作时，油缸均作收缩动作。基于LUDV控制系统，每个阀根据工作需要不仅可以单独操作，还可以同时进行复合运动。为了使油缸的动作平稳并克服自重失压，在油缸的进出管路接有平衡阀[5]。

　　在负载确定时，系统压力越高，液压元件的几何尺寸就越小，从而可以获得比较紧凑的结构。考虑到挖装机的工作条件局限性较强，应尽可能选取较高的工作压力。本次设计初选系统工作压力为32 MPa[6]。

　　根据土壤切削理论，当液压反铲以转斗进行挖掘时，铲斗挖掘阻力是铲斗转角的函数，且最大值发生在铲斗总转角一半的位置。忽略转斗挖掘阻力的法向分力和装土阻力等影响因素，得出最大铲斗挖掘阻力[7]

　　式中：C为土壤硬度系数，C=50；R为铲斗切削半径，R=128.7 cm；φmax为挖掘过程中铲斗总转角的一半，φmax=69.29°；φ为铲斗瞬时转角，φ=0；B为切削刃宽度影响系数，B=1+2.6b=3 444 mm，b是铲斗平均宽度；A为切削角变化影响系数，A=1.3；Z为斗齿影响系数，Z=0.75；X为斗侧壁厚度影响系数，X=1+0.03s=1.12 cm，s为侧壁厚度；D为切削刃挤压土壤的力，D=10 000 N。

　　（2）小臂挖掘阻力。采用小臂挖掘时，由于切削行程较长，将切土厚度看成常数，小臂在挖掘过程中的总转角为90°，小臂转角对应的弧长[8]

　　式中：RS为小臂挖掘时的切削半径，如图4所示，RS=3.3 m；φS为小臂转角，φS=90°。

　　当铲斗在接近铲板附近扒碴时，其最大工作力为铲斗油缸设计的依据。忽略铲斗和土的质量、各构件质量以及连杆机构效率等因素，铲斗油缸作用力

　　式中：lC为铲斗油缸作用力对摇杆与小臂铰点的力臂，lC=1 300 mm；l1为Fmax对铲斗与小臂铰点的力臂，l1=450 mm。

　　当挖装机用小臂挖掘时，最大挖掘力由小臂油缸来保证。小臂油缸最大作用力计算位置为大臂下放到最低的位置，此时小臂油缸作用力对小臂与大臂铰点的力臂最大，即对小臂产生的作用力矩达到最大值[9]。忽略各构件及铲斗中土壤质量和连杆机构效率影响因素，小臂油缸作用力

　　式中：lB为Fmax对小臂与大臂铰点的力臂，lB=2 398 mm；l2为小臂油缸闭锁力对小臂和大臂铰点的力臂，l2=565 mm。

　　（3）大臂油缸作用力的确定。大臂油缸的作用力即最大提升力，以使工作装置至最前端的距离来确定，如图5所示。大臂油缸作用力

　　式中：l3为大臂油缸闭锁力对大臂与机架的铰点的力臂，l3=621 mm；Gdt为铲斗的重力，Gdt=5 206 N；Gg为小臂的重力，Gg=11 000 N；Gb为大臂的重力，Gb=8 032 N；ldA为铲斗质心到大臂下铰点的水平距离，ldA=3 800 mm；lgA为小臂质心到大臂下铰点的水平距离，lgA=2 192 mm；lbA为大臂质心到大臂下铰点的水平距离，lbA=685 mm。

　　（4）回转油缸作用力的确定。根据机械设计可知，回转缸的力臂l4=409 mm，所以油缸的载荷力

　　液压缸的主要尺寸数据是缸径、杆径和行程。通过计算可以确定液压缸的相关参数，液压缸规格的选取要留有一定的裕度[10]。

　　式中：p0为油缸回油腔的背压（kPa）；ηj为油缸的机械效率，取值范围在0.9～0.95。

　　（1）动臂缸计算。假定液压泵到液压缸的压力损失p1=1 MPa，液压缸回油背压p0=0.5 MPa，液压缸大、小腔作用面积比例关系为A1=2A0，动臂缸载荷力F1=390 kN，系统压力pp=32 MPa。根据式（1）可以初步求得动臂缸的缸径

　　根据《液压气动缸缸径标准》（GB 2384―80），动臂液压缸的缸径D1取值为130 mm，工作要求行程为800 mm。当活塞杆的伸出长度l与活塞杆直径d的比值不超过10时，能够满足活塞杆的稳定性要求，因此动臂缸活塞杆直径d1=80 mm。

　　动臂缸在最大负荷力工作时要求伸出速度v1不低于2 cm・s-1，所需流量

　　（2）斗杆缸计算。斗杆缸载荷力F2=354.8 kN，压力损失p2=1 MPa，同样可得斗杆缸的缸径

　　（3）铲斗缸计算。铲斗缸载荷力F3=241.5 kN，压力损失p3=1 MPa，则铲斗缸的缸径

　　回转油油缸的载荷力F4=1117 kN，设压力损失p4=1 MPa，则回转缸的缸径

　　根据载荷力计算出的缸径比较小，考虑到回转缸的加速作用，且回转缸工作时的压力不会达到32 MPa，因此选择较大的缸径。比较前面的3个油缸缸径，取回转缸缸径D4=125 mm，活塞杆直径d4=60 mm。

　　回转油缸瞬时伸出瞬时速度v4应不低于5 cm・s-1，回转缸所需瞬时流量

　　本文设计了WZ330型挖装机工作装置的液压系统，计算了挖装机工作装置在小臂油缸和铲斗油缸分别扒碴时的工作阻力，并确定出铲斗扒碴时的阻力为工作装置的外载荷，进而确定了工作装置液压元件的主要参数。按本文方法设计生产制造的WZ330型挖装机通过了运行检验，结果表明：工作装置的液压系统性能稳定、技术可靠，具备了使挖装机长期稳定的工作性能。

　　[1]刘进志，乔丰立，贾粮棉.WZ330型挖装机液压系统的设计与分析[J].煤矿机械，2013（5）：3840.

　　[2]刘进志，汪西应，张增强.WZ330型多功能挖装机简介[J].矿山机械，2011（2）：4850.

　　[3]汪西应，刘进志，马冰玉.WZ330挖掘装碴机工作机构的运动分析与仿线]黄宗益，李兴华，陈明.挖掘机力士乐液压系统分析[J].建筑机械化，2004，25（12）：4954.

　　[5]汪西应，许宏伟，刘进志.WZ330型挖掘装渣机工作机构的设计[J].煤矿机械，2010（8）：7375.

　　[6]蒋道成.小型挖掘机液压控制系统分析与仿真[D].成都：西南交通大学，2008.

　　[7]刘斌，张弘梅，温晓宣，等.小型挖掘机液压系统故障排查两例[J].工程机械与维修，2015（6）：6870.

　　[8]陈桂芳，郭勇，刘锋.挖掘机液压系统建模仿真及能耗分析[J].机械设计与研究，2011，27（5）：99103.

　　欠驱动机械系统按照其控制方程中有没有漂移项分为带漂移项的欠驱动机械系统和不带漂移项的欠驱动机械系统。欠驱动机械臂系统可根据是否受势能(如重力、弹力等)影响分为两类：受势能影响的欠驱动机械臂系统和不受势能影响的欠驱动机械臂系统。受势能影响的欠驱动机械臂系统包括acrobot机器人、pendubot机器人、倒立摆系统等。不受重力影响的欠驱动机械臂系统包括平面欠驱动机械臂系统，欠驱动h－drive系统等。这些欠驱动机械臂系统的被动关节都是在水平面内运行，进而使重力对其运动过程影响最小。

　　欠驱动机械臂系统是一种高度非线性系统，并且在控制过程中不可避免的带有漂移项。与一阶非完整系统相比，对欠驱动机械臂控制的困难之一便是对控制方程中的漂移项进行控制。

　　目前有关此方面的研究 文献 已有一些，但有价值的一般性结果还很少见。此类系统的控制仍是一个尚未得到解决的问题，成为机器人研究领域的新热点。欠驱动机械系统涉及对象较多，范围很广，接下来就具有代表性的工作分国外和国内研究进行简单介绍。

　　近些年来，在欠驱动机器人的控制方面已取得一些进展。国外对这方面的研究比较多。

　　g-oriolo等推导了欠驱动机器系统的加速度约束条件在一定条件下能分别转变为二阶非完整约束、一阶非完整和完整约束条件，并研究了欠驱动系统的可控性，提出了将系统稳定于平衡流彤的方法deluca指出欠驱动系统一般具有以下三类控制问题：(1)路径规划一给定初始位姿和期望位姿， 计算 一条动态可行的路径；(2)路径跟踪一给定动态可行路径，计算反馈控制律使跟踪误差渐近趋于零；(3)设定点调节一给定期望位姿(平衡状态)，计算反馈控制 规律 使其渐近稳定。如果没有可行的路径，研究路径跟踪和设定点调节就失去意义。同时，虽然路径存在但不一定能够计算得到，但可以通过设定点调节控制得到一条渐近稳定的路径。

　　mw·spong用驱动自由度和欠驱动自由度的相关动态方程进行部分反馈线性化，提出了基于被动和能量的控制方法以及混合开关控制方法，并研究了欠驱动系统的非完整性问题；m.reyhanoglu研究了欠驱动机械系统的动态和控制问题，给出了一些判断欠驱动机械系统的可控性及可镇定的条件；a.deluca给出了欠驱动机械系统小时间局部可控的条件。

　　上面的相关研究都是欠驱动机械系统分析和控制的一般性方法，以理论分析为主，主要分析欠驱动机械系统的可控性和可镇定性，工具有几何控制理论、代数控制理论以及反馈控制理论等。具体控制方法都是针对某一种具体控制对象提出的。针对运动控制受重力影响的欠驱动机械臂系统有以下成果：

　　mw·spong用部分反馈线性化方法和基于能量的模糊控制研究了acrobot的摆起控制，用线性二次型调节器进行平衡控制；s·cbrown提出了分别用lqr、模糊和自适应模糊控制方法进行acrohot的平衡控制，而且采用部分反馈线性化pd控制、经典的状态反馈控制以及基于部分反馈线性化的模糊控制进行摆起控制，并使用了遗传算法调节各个控制器的参数。m.j.zhang用部分反馈线性化方法进行pendubot的摆起控制，用复合控制方法进行平衡控制，并给出了欠驱动机械系统为非完整系统的楔积判断方法；lfantoni针对pendubot提出了基于能量的控制方法，并将其稳定于其不稳定平衡点。

　　对于两杆平面机器人，当只有第一个杆有驱动时，su—zuki等通过主动关节的周期运动来控制被动关节渐近稳定到平衡点，并且利用平均法将系统模型简化，使用李亚普诺夫稳定性方法设计了非线性反馈控制器；de luca等基于幂零近似理论给出了该系统局部可达性和小范围局部可控性的证明并提出了一种重复开环控制方法，将系统稳定到了平衡位置。

　　对于第三个关节为被动关节，前两个关节为主动关节的水平三连杆欠驱动机械臂，arai通过构造状态空间中的任意两点之间的运动轨迹证明了该类机械手的全局可控性，同时也提出了一个反馈控制方法以实现轨迹跟踪。murry证明了该系统在平衡点处的小范围局部可控性。

　　对于具有一个欠驱动关节的机器人系统，rathinam和murray给出了系统为构形平滑的条件以及构造平坦输出的算法，arai利用time－sealling方法给出了一种双向路径规划算法。针对手端驱动的多杆冗余机器人系统，de luca等人分析了系统的可控条件，并对ppr机器人系统给出了开环控制算法；aneke在2003年的博士 论文 里面对欠驱动机械臂进行了详细的研究，并对实物成功的进行了控制。3国内关于欠驱动机械系统的研究综述

　　国内对欠驱动机械系统控制的研究还比较少，并且到目前为止还没有有关整类欠驱动系统理论研究和控制器设计方面的 文献 ，都是针对某一具体控制对象提出的，如：赖旭芝针对体操机器人(acrobot)和多自由度欠驱动手臂机器人提出了一种模糊与变结构控制相结合的方法，将控制分为摆起控制和平衡控制两个阶段；李德毅提出了云模型的概念并将之用于三级倒立摆的控制中，使三级倒立摆处于动态平衡模式状态；李洪兴哪]用变论域模糊控制方法将直线四级倒立摆的实物成功的进行了控制，还用同一方法对平面三级倒立摆成功的进行了实物控制；李祖枢对倒立摆的起摆作出了突破性的进展，并成功的实现了二级倒立摆的起摆；傅冬雪将基于能量的非线性控制应用到pendubot机器人的摆起控制中，并用lqr进行平衡控制。北方 工业 大学的何广平教授对平面欠驱动机械臂的两连杆和三连杆欠驱动机械臂的可控性和轨迹跟踪镇定有比较全面的研究，并取得一些非常有价值的结论。

　　大部分实际的一阶无漂移非完整系统都可通过状态和输入反馈变换转换为一阶链式标准型，从而使得控制器的设计得到简化，但对二阶非完整系统，目前尚无公认的标准型。对于含有一个欠驱动关节的三杆机器人系统和手端驱动的ppr机器人系统，马保离等通过状态和输人变换将其转化为二阶链式形式，然而对于一般的欠驱动机器人系统目前还没有得到将其化为二阶链式标准型的条件和算法。