串联机器人机械臂工作空间与结构参数研究_田海波

毕业设计

2013年4月

doi：10．6041/j．issn．1000-1298．2013．04．034

农业机械学报

第44卷第4期

串联机器人机械臂工作空间与结构参数研究!

田海波

马宏伟

魏

娟

（西安科技大学机械工程学院，西安710054）

摘要：工作空间的体积可以反映串联机器人运动灵活程度。研究了一种串联机器人机械臂的工作空间问题。首先，提出机械臂的基本结构，进行简化，得到其运动模型；在此基础上对机械臂进行了运动学分析；然后，采用蒙特卡洛法分析该机械臂的工作空间，得出了机械臂末端的工作空间点云图；提出了自适应划分网格方法，并用该方法计算了该工作空间的体积；最后，分析了机械臂结构参数对工作空间体积的影响，为机械臂的参数优化提供了理论依据。

关键词：串联机器人

机械臂

工作空间

结构优化

蒙特卡洛法

自适应划分网格

中图分类号：TP242；TH112

文献标识码：A

1298（2013）04-0196-06文章编号：1000-

WorkspaceandStructuralParametersAnalysisfor

ManipulatorofSerialRobot

TianHaibo

MaHongwei

WeiJuan

（SchoolofMechanicalEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi'an710054，China）

Abstract：Thevolumeofworkspaceshowedtheflexibilityofaserialrobot．Theworkspaceofthemanipulatorofaserialrobotwasresearched．Firstly，themainstructureofthemanipulatorwasgivenanditskinematicalmodelwasproposed．Then，itskinematicsanalysiswastaken．Themanipulator'sworkspacewasanalyzedbyMonteCarlomethodandthecloudpicturewascompleted．Theadaptive-pidedmeshmethodwasbrought．Thevolumeofworkspacewascalculated．Atlast，theeffectofthemanipulator’sstructuralparametersontheworkspacevolumewasanalyzed，whichprovidedtheoreticalbasisforthemanipulator’sstructuralparameteroptimization．Keywords：Serialrobot

Manipulator

Workspace

Structuraloptimization

MonteCarlomethod

Adaptive-pidedmesh

机械臂的工作空间是机器人机械臂运动灵活程

度的重要指标之一，它是指其末端参考点所能达到的空间点集合

［2］

引言

串联机器人是一类应用非常广泛的机器人。在

农业上，它可以通过编程来完成采摘水果和蔬菜等相关作业任务，从而解决劳动力不足的问题，能降低工人劳动强度和采摘成本、减轻农业化肥和农药对人体的危害、提高采摘果蔬的质量、保证果蔬的适时

［1］

采收，具有很大应用价值。机械臂是这种串联机器人的主要执行部件，其灵活程度对机器人的工作能力起着至关重要的作用。

04-19修回日期：2012-05-08收稿日期：2012-*陕西省教育厅专项科学研究资助项目（11JK0874）

。目前，机器人工作空间的求解方

法主要有图解法、解析法以及数值法。图解法直观

性强，可以得到的工作空间的剖截面或剖截线，但也受到自由度数的限制，对于有些三维机器人无法准

［3］

确描述。解析法是通过多次包络来确定工作空间边界，虽然可以把工作空间的边界用方程表示出来，但其直观性不强，十分繁琐，一般只适用于关节数少于3个的机器人

［4］

。用数值法计算机器人的工

E-mail：ttttian_74@163．com作者简介：田海波，讲师，博士，主要从事机器人结构研究及其运动控制研究，

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作空间，实质上就是选取尽可能多的独立的不同各关节变量组合，再利用机器人的正向运动学方程计算出机器人末端杆件端点的坐标值，这些坐标值就

［5］

形成了机器人的工作空间。坐标值的数目越多，就越能反映机器人的实际工作空间。数值法应用简单，可以分析任意形式的机器人结构，随着计算机软硬件的发展，得到了越来越广泛的应用。

工作空间表明了机械臂活动空间的范围，其大小可用投影面积或体积来衡量。用体积最大化作为对于机械臂的设计具有重要指导参数优化的目标，

意义。目前国内外对工作空间体积的计算一般都采取先求边界，再用数值积分法求体积的做法。边界的提取主要有双向链表法等

［7］

［6］

准目标物。接下来肘关节和2个腕关节同时运动，机械手从瞄准位置运动至目标物被抓部位进行抓

取，这样机械臂就具有良好的空间姿态调节功能。由此可见，机械臂末端的工作空间是由腰关节、肩关节、肘关节和腕俯仰关节来决定的，下面将对这4个关节进行分析。

2机械臂运动学分析

机械臂末端工作空间代表了机器人机械手的活动范围，是机器人运动灵活性的重要指标。理论上讲，前述机械臂末端的运动范围可以覆盖机器人所

在关节结在位置前后的一个球状区域。但实际上，构和机构运动奇异性等因素的影响下，机械臂末端

的运动空间受到了限制。因此，如何在保证机械臂运动便利的情况下，使其各部分尺寸实现最优化，以扩展机械手的工作空间，增加运动灵活性，是机器人总体设计和运动规划过程中的一个重要课题。运动学分析的是末端执行器（即机械手）的位置和姿态与各关节变量之间的关系，是机械手工作空间研究的基础。2.1

运动模型简化

该机械臂具有5个自由度，末端工作空间是其

与前4个自由度有关，因此只需机械手的工作范围，

和数值解析结合法

。这几种方法都是在数值方法的基础上，结合

微分几何中曲线包络的理论求出工作空间的包络曲

线和包络曲面。这一类方法的优点是各步骤意义明确，但也存在曲线和曲面拟合过程繁琐、精度不易控制的缺点。

本文对串联机器人的机械臂进行运动学分析，并求解其工作空间，在图像图形学自适应网格建模基础上，提出自适应划分网格方法并采用该方法求出工作空间的体积，分析机械臂结构参数方法

对工作空间体积的影响。

［8～9］

1串联机器人机械臂结构

研究前4个关节。根据机械臂的结构特点和运动特

性，各关节参数存在如下约束条件：（1）驱动副转角范围。每个关节都是一个转动副。由于受到运动单元零件的限制，除腰关节外，各关节的转角均难实现全周转动，有其转动范围。通过分析计算，确定各关节的转角范围如表1所示。

表1

Tab．1

关节转角腰关节ψ肩关节φ1肘关节φ2腕俯仰关节θ

一个具有5个转动关节的串联机器人欠自由度机械臂结构如图1所示。5个关节分别为：腰关节、肩关节、肘关节、腕俯仰关节和腕回转关节。腰关节、肩关节和肘关节用于确定机械手的空间位置，2个腕关节可以确定机械手的姿态。

机器人用机械手抓取目标物的过程是：机器人先运动到目标位置，然后让腰关节和肩关节转动对

机械臂各关节的转角范围

转动范围/（°）［－180，180］［－80，75］［－160，0］［0，90］

Actuatedjointsanglerangeofmanipulator

（2）杆件长度范围。按照运动空间原理，杆件

越长，机器人的活动空间越大。但是，要使机器人保持一定环境适应能力，外形必须加以限制，因此杆件长度不能无限增大。2.2

运动学分析

运动学分析就是在已知各关节运动参数的条件求解末端执行器的位置和姿态信息。为了描述下，

图1Fig．1

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