关键词：机械臂示教；Kinect传感器；骨骼跟踪；逆运动学；增强现实
中图分类号：TP391 文献标志码：A
Abstract：Manipulators are widely used in industrial production and people's daily life， while， manipulator teaching， as an important method for manipulator motion planning， is one of the key issues for the research area of Manipulators. This paper presents a virtual manipulator teaching system using augmented reality based on a Kinect sensor， where， the end-effector of the virtual manipulator follows the movement of the human hand based on a Kinect sensor through an inverse kinematics model， and then the resulting virtual manipulator is added into the real working environment by using augmented reality. The experimental results show that， in our system， the virtual manipulator can be accurately registered into the real working environment and follow the movement of the human hand in real-time.
Key words：manipulator teaching； Kinect sensor； skeleton tracking； inverse kinematics； augmented reality
1 引 言
C械臂在工业制造、军事、娱乐、医疗等领域都具有广泛的应用。早期的机械臂只从事一些简单的自动化生产任务，在线示教编程就可以满足生产需要。随着社会发展，机械臂的工作任务日趋复杂，而且在线示教编程过程必须依赖实体机械臂，示教过程变得烦琐。随着计算机仿真技术的出现，机械臂虚拟示教方式也得到了发展。机械臂虚拟示教是利用计算机仿真技术进行机械臂模型以及工作环境的模拟，基于机器人运动学算法，对机械臂模型进行相应的控制和操作，完成机械臂模型示教的过程[1]。机械臂虚拟示教过程不需要机械臂实体，从而把机械臂从在线编程中解放出来，提高了机械臂示教过程的直观性和安全性[2]。
机械臂虚拟示教方式，虽然具有很多优势，但是与实际工作场景脱离，缺乏真实性。一些研究者将增强现实技术引入机械臂示教学习过程，将虚拟机械臂与真实场景融合。Fang等[3.4]采用增强现实技术对机械臂进行运动路径规划及末端执行器方向规划。Chong等[5]基于增强现实技术为机械臂规划与物理实体无碰撞的运动路径。而Kinect传感器的出现为机械臂示教学习和增强现实应用提供了新的交互方式。林海波等[6]设计了基于Kinect的无标定人机交互控制系统，该系统利用Kinect获取的人手骨骼数据控制机械臂运动。王t等[7]利用Kinect深度图像，基于增强现实技术，进行了虚拟物体与真实场景的碰撞交互实验。
鉴于此，提出了一种应用Kinect进行虚拟机械臂增强现实示教的方法。系统通过Kinect实时地获取人手的运动轨迹，将运动轨迹传递给计算机中的机械臂模型，基于机械臂逆运动学算法，实现机械臂末端执行器对人手运动的实时跟踪，同时采用增强现实技术，实现机械臂模型在真实环境的示教运动。该系统不仅具有虚拟示教的优势，又能实现虚拟机械臂与真实场景的融合，使示教过程显得更自然、更真实。
2 系统框架
构建的虚拟机械臂增强现实示教系统可分为三个部分：人手部位置数据提取、机械臂逆运动学求解、增强现实注册。系统整体框架如图1所示。
系统硬件部分主要由Kinect传感器和计算机组成。Kinect传感器能提供深度数据流、彩流、骨骼数据流等数据信息[8]。系统利用Kinect传感器进行彩色工作场景的采集和人右手骨骼位置数据的提取，利用计算机进行机械臂三维模型的构建、机械臂逆运动学方程的计算和增强现实注册。本系统的具体工作流程如下：首先，利用Kinect获得人右手骨骼数据和彩色场景数据；然后，将获取的人手骨骼数据传递给计算机中已构建的虚拟机械臂系统，基于逆运动学算法，实现机械臂末端执行器对人手运动的跟踪；最后，进行增强现实注册，将Kinect获取的真实工作场景数据与计算机中构建的虚拟机械臂融合，令机械臂直观地显示在工作场景中，实现虚拟机械臂的增强现实示教过程。
3 手部位置信息获取
3.1 Kinect骨骼数据提取
Kinect传感器设备由一个红外光源、一个深度摄像头和一个RGB彩色摄像头构成，如图2所示。Kinect通过红外线光源和深度摄像头可以获取场景的深度信息，通过Kinect的内置人体运动姿态识别程序又可以从获取的深度信息识别出场景中人体的骨骼数据。骨骼点位置数据用三维坐标（单位为m）进行表示，其坐标系以Kinect的深度摄像头为原点，其Z轴垂直于相机平面，X轴沿水平方向，Y轴沿竖直方向，如图3所示。
Kinect可以实现人体20个骨骼关节点的跟踪，图4所示为这20个骨骼关节点的具体分布，分别为：头部（head）关节、双肩中央（shoulder center）关节、脊柱中段（spine）关节、臀部中央（hip center）关节、左臀部（hip 1eft）关节、右臀部（hip right）关节、左手（hand left）关节、右手（hand right）关节、左腕 （wrist left） 关节、右腕 （wrist right）关节、左肘（elbow left）关节、右肘（elbow right）关节、左肩（shoulder left）关节、右肩（shoulder right）关节、左膝盖（knee left）关节、右膝盖（knee right）关节、左踝（ankle left）关节、右踝（ankle right）关节、左脚（foot left）关节和右脚（foot right）关节。
3.2 Kinect SDK骨骼对象模型
Kinect SDK中定x的人体骨骼对象模型包括Skeleton Stream，SkeletonFrame，Skeleton和
Joint四部分[9]。SkeletonStream为骨骼数据流对象，SkeletonFrame则为骨骼数据帧对象，用于存储一帧的骨骼数据，其数据提取自SkeletonStream对象。Skeleton类定义了一系列字段对骨骼信息进行具体描述，包括骨骼的位置信息以及骨骼中关节的位置信息。Joint类则用于描述骨骼跟踪引擎跟踪和获取的骨骼数据中单个关节点的信息。
4 三自由度机械臂逆运动学求解
4.1 机械臂D-H模型
系统选用的是三自由度串联机械臂，使用Denavit-Hartenberg（D-H）方法来描述相邻两杆的位置关系。用i表示连杆序号，i=1，…，n，则D-H方法涉及四个连杆参数：绕 轴旋转，使 轴转到与 同一平面内的关节角 （两连杆夹角）；沿 轴平移，把 移到与 同一直线上的距离 （两连杆距离）；沿 轴平移，把 移到与 同一直线上的距离 （连杆长度）；绕 轴旋转，使 轴转到与 同一平面内的偏角 （连杆扭角）[10]。本文采用D-H模型建立的机械臂坐标系如图5所示。表1所示为机械臂D-H模型的连杆参数。
4.2 机械臂逆运动学
机械臂的运动学主要包括正运动学和逆运动学，机械臂运动学一直是机械臂设计人员研究的重点，尤其是机械臂逆运动学[11]。机械臂逆运动学是指给定了末端执行器的位置，求解相邻连杆的夹角的过程。在本文中，已知机械臂末端位置即人手位置 ，求解 ， ， 。
在D-H模型下，连杆i对连杆i-1相对位置关系 可用四个齐次变换矩阵来描述：
5 增强现实注册
增强现实是指在同一环境中实现虚拟物体与真实环境的融合，并实现真实世界与虚拟物体的交互。增强现实的关键技术是三维注册技术[12]。三维注册是指虚拟物体和真实场景在三维空间中位置的一致性，即在空间上的整合。三维跟踪注册方法很多，基于标识物的注册技术无需复杂的硬件设备，标识物的获取较为容易，且此类方法精度较高，所以本文采用基于标识物的注册技术进行跟踪注册。本文系统的注册过程为：首先，Kinect设备采集彩图像，增强现实系统对每帧图像进行检测，识别到标识物后，计算摄像机坐标系相对于标识物坐标系的坐标转换矩阵；然后，根据此转换矩阵，将虚拟机械臂注册到标识物坐标系的原点上；最后，通过摄像机坐标系与屏幕坐标系的坐标转换，将虚拟机械臂渲染到真实场景中，实现虚拟机械臂与真实场景的融合显示[13]。图6显示了基于标识物的三维注册过程，涉及到摄像机坐标系、屏幕坐标系、标识物坐标系这3个坐标系之间的变换。
6 实验结果与分析
系统硬件部分由一台Kinect传感器、一张增强现实标识卡和一台普通计算机组成，如图7所示。以三自由度虚拟机械臂为被控对象，采用Kinect传感器采集彩色场景并获取三维人手骨骼位置数据，利用计算机进行机械臂三维模型的构建、机械臂逆运动学方程的计算和增强现实注册。所采用的软件开发环境为：VS2010 C++，Kinect SDK-v1.8，ARToolKit-2.71.2。系统流程如图8所示。
为了验证本系统的可行性，分别用人手指引虚拟机械臂末端执行器进行上、下、左、右四个方向的运动，观察机械臂的运动情况。
图9和图10分别显示的是虚拟机械臂跟踪人手左右运动和上下运动的实验结果。由图9和图10可以看出虚拟机械臂不仅可以准确地显示在真实场景中，还可以实时准确地跟踪人手运动。实验表明本文所提出的基于kinect的虚拟机械臂增强现实示教系统具有良好的直观性和交互性。
6 结束语
系统以三自由度虚拟机械臂为被控对象，利用Kinect获取彩色场景图和人右手位置数据，将这些数据作为输入传递给计算机，通过对机械臂进行逆运动学求解实现机械臂末端跟踪人手运动，通过采用增强现实注册技术将虚拟机械臂直观地显示在真实工作场景中。实验证明系统具有良好的实时性和交互性。在今后的研究工作中，将进一步针对不同的机械臂应用场合，以Kinect骨骼跟踪技术作为人机交互方式，研究基于增强现实的具体的机械臂无碰撞路径规划方式。
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1掘锚联合机工作稳定性模型
1．1边界条件设置(1)建模环境设置，设置重力加速度为9806．65mm•s－2，背景网格长度、宽度为100，Icon/markersize为100。(2)定义各零件的质量属性根据各零件的材料定义各零件的密度，在RecurDyn系统中会自动计算零件的质量和转动惯量。(3)定义运动副鉴于掘锚联合机的虚拟模型非常复杂，故将掘进机的履带、铲板、主机架、一运、后支撑等固化为一个整体(掘进机本体)，掘锚联合机的运动副约束见图1。(4)施加驱动以煤矿井下巷道高度为4m，宽4．5m时，打巷道顶部边锚杆孔的工况为例，回转台的驱动为STEP(TIME，0，0，10，26．3d);截割头升降液压缸(0);伸缩液压缸STEP(TIME，10，0，50，800);翻转液压缸STEP(TIME，50，0，70，－620);支座旋转(0d);支护液压缸STEP(TIME，70，0，79，1200);钻杆马达STEP(TIME，80，0，100，384000d);双倍程推进缸STEP(TIME，80，0，100，－1400)。(5)施加作用力钻孔机械手在钻进过程中，受到的力有钻削推进阻力和阻力扭矩，在RecurDyn中载荷的施加如下:支护载荷STEP(time，70，0，80，6000);钻头扭矩负载STEP(time，81，0，100，160000);钻头阻力AKISPL(TIME，0，Sp1，0)，其中Sp1表示钻头工作阻力随时间的变化关系，钻头阻力数据由钻头动力学仿真获得，如图2所示。
1．2模型建立机载钻孔机械手的虚拟实验模型如图3。整个振动系统模型如图3所示，仿真激振测试系统由激振器、输入通道、输出通道、掘锚联合机振动模型四部分组成，其中激振器作为激振测试的信号源，输入通道用来定义振动输入点和方向，输出通道则用来测量振动响应。采用RecurDyn建立掘锚联合机虚拟模型进行振动仿真实验，在模型中各关节处添加表1、2所示的刚度和阻尼，激振器的信号采用钻头阻力载荷，模型建立完成后，利用RecurDyn中的Eigenvalue求解器对系统的振动频率和相应点的时域信息等进行求解。
2钻孔机械手工作稳定性仿真分析
锚杆钻头在随机载荷作用下，使掘进机发生振动，为了分析掘进机机身的振动响应，测量了整机重心在X，Y，Z三个方向上的位移，沿着掘进机前进方向为X轴方向，垂直于地面竖直向上方向为Y方向，掘进机左右摆动方向为Z方向。图4所示:在X方向上，0～10s内重心位移急速下降了4．8mm，10～80s时间段内，重心位移缓慢变化，变化量在0．5mm左右，10～100s时间段内，重心位移随着激振信号幅值的变化而变化，但变化量较小，在0．5mm左右;在Y方向上，重心变化范围主要在0～20s时间段内，其余时间内重心处于缓慢变化状态，变化量在0．5mm左右;在Z方向上，重心位置变化情况与X、Y方向基本相同;由3个方向的重心位置变化曲线可知:掘锚机在启动阶段，即钻孔机械手随截割臂调整位置阶段(0～10s)，由于截割臂启动惯性的影响，重心会发生较大的位移，当机械手进入工作状态后，重心位移变化很小，在0．5mm左右，说明钻孔机械手打顶部巷道时，对整机稳定性几乎没有影响。
3机械手对掘进机工作稳定性的影响
3．1模型建立为了分析钻孔机械手对掘进机截割工作稳定性的影响，分别建立掘进机和掘锚机的振动虚拟实验模型，为了模拟截割臂工作情况，施加在截割臂上的竖直方向驱动为STEP掘进机截割头上下摆动截割时，整机的振动虚拟模型如图5。
3．2虚拟实验结果分析时域振动如图6所示，X轴方向上，0～5s时间内，截割臂在启动工作过程中，重心振动位移发生不规则的抖动，振动量在2mm以内，并且掘进机重心的抖动量要比掘锚机大一些，说明掘锚机在截割臂启动工作过程中的稳定性要优于掘进机;随着截割臂进入正常工作状态，重心位移也随之发生变化，其变化周期与截割头激励信号输入周期相同，从10～100s可以明显的看出掘锚机的重心曲线位于掘进机的下端，这说明在相同载荷情况下，掘锚机向后端偏移量大，此现象从理论上分析是不利于截割工作的，但其值在2mm左右，所以在实际工作中，该偏差是可以忽略的。Y轴方向上，两种模型中的重心变化趋势与X轴相类似，不同之处在于掘进机的重心位移曲线位于掘锚机的下面，说明钻孔机械手安装到截割臂后，增加了截割臂的重量，从而提高了整机在Y方向上的稳定性。Z轴方向上，截割臂在启动的过程中(0～5s)，重心发生了较大偏移，分析原因:截割头在刚开始的旋转工作时，产生了侧向切削阻力，加之掘进机履带与地面之间的切向刚度相对小一些，所以产生此种现象。由图6可以看出，两种模型中重心的位移误差均控制在2mm之内，分析三个方向重心的位移曲线可以得出:截割臂竖直截割工作时，钻孔机械手的安装提高了整机在竖直方向的稳定性，降低了其余两个方向上的稳定性，但两种模型中重心的差值均控制在2mm以内，由此可以说明掘锚机与掘进机两者的稳定性几乎是相同的。
4整机振动稳定性试验
关键词：混凝土泵车 臂架 运动仿真 Matlab/Simulink
中图分类号：TU646 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（c）-0038-02
混凝土泵车臂架系统是混凝土泵车输送混凝土的关键部件，也是混凝土泵车研究的热点。现在，混凝土泵车臂架系统正朝着更长、更轻、更灵活、更智能的方向发展。然而由于目前技术的限制，臂架系统研发，尤其是超长臂架系统的研发，周期长，费用高，效果差。对臂架系统三维数字设计模型进行仿真和分析，可以大大减少在实际工况下进行试验的代价，实现高效的系统设计，缩短研发周期。
1 系统设计
1.1 系统结构
仿真系统结构如图1所示。
（1）系统通过泵车遥控器发送臂架动作指令，遥控接收器收到指令，发送到CAN总线。
（2）运动控制器通过CAN总线，收到各臂架动作手柄信号，将其转化为臂架动作指令（转台旋转和各臂架油缸长度变化速度值），发送到CAN总线。
（3）工控机CAN接收卡通过CAN总线，收到臂架选择和各臂架油缸长度变化速度值，经过CAN数据接口，传递给Matlab仿真系统。
（4）Matlab系统采用Simulink仿真工具包，对臂架系统三维模型进行仿真和分析，模拟真实环境中臂架系统的工作状况，显示臂架运动三维仿真动画，和转台旋转角度、各臂架夹角、臂架末端点位置变化曲线，并将这些数值输出到CAN数据接口程序。
（5）运动控制器通过CAN总线，接收仿真值，并利用其进行其它程序的运算处理。
1.2 臂架系统建模
泵车臂架系统是由臂架、连杆、臂架油缸和连杆件等铰接而成的可折叠和展开的平面连杆机构，其结构见图2。
该系统采用Pro/Engineer建立臂架系统的三维模型，然后转化到Matlab系统中进行仿真，其过程见图3。
为了提高仿真速度和方便添加约束条件，仿真系统忽略了臂架和油缸的质量、形变和惯性，将其简化成刚体模型。
1.3 CAN数据接口
CAN数据接口功能就是通过Can数据接收卡和CAN总线，实现运动控制器和Matlab仿真系统之间的数据交换，其结构图见图4。
该CAN数据接口程序采用VC++编写，与Matlab之间的数据交换采用DDE方式。接口程序将转台转速和各臂架油缸长度变化速度值发送给Matlab仿真系统，又将仿真结果：转台转角、各臂架夹角、臂架末端点坐标，返回给运动控制器。
2 Matlab仿真
该系统采用Matlab软件仿真，因为Matlab仿真软件具有强大的矩阵运算功能、可靠的容错能力和广泛的符号运算能力。Simulink是Matlab软件的扩展，用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统。
其中，“SimMechanics Model”模块是从Pro/E中建立的臂架系统机械模型，可以通过Simulink直接调用。“jiaodu1”模块为S函数，实现Matlab与CAN数据接口之间数据交换：即获取转台旋转速度和各臂架油缸长度变化速度，并通过DDE客户端返回仿真结果。另外，该S函数也可以添加臂架动作约束条件，比如转台旋转角度-359°～359°，1臂最大角度90°，一臂和二臂最大夹角180°。
Matlab作为DDE客户机的工作过程如下：
（1）调用ddeinit函数与服务器建立对话，建立成功后返回一个通道号。以后的操作就是基于这个通道进行。
（2）调用ddadv函数请求建立热链。
（3）调用ddereq函数向服务器请求发送数据，返回值存为数矩阵；或者调用ddepoke函数向服务器发送数据。
（4）传输结束后，调用ddeterm函数请求撤销与服务器建立的热链接。
3 仿真效果
在计算机上运行CAN数据接口程序和Matlab仿真程序后，就可以看到臂架的三维模型，臂架旋转角度、曲线窗口。当拨动泵车遥控器手柄时，臂架的三维模型开始按照指令开始动作，各曲线窗口开始显示数值变化曲线。
臂架三维动画窗口如图5所示，通过窗口工具栏按钮，可以选择不同视角。
4 结语
（1）利用Matlab/Simulink动态仿真技术，根据混凝土泵车臂架系统的物理参数、形状特征、运动特点等真实地模拟了其三维运动过程，避免了大量的编程和计算工作，无须制造物理样机，用实体实验的方法来观察。它为混凝土泵车臂架系统提供了一个高效的研发途径，可以大大缩短研发周期，降低研发成本，具有推广应用价值。
（2）该仿真技术较传统设计方法更快捷、更高效，为臂架系统结构优化、应力分析、油缸受力分析、智能臂架、臂架防干涉、防倾翻等研究提供了一种有效的新思路，对混凝土泵车虚拟化样机研发也有重要参考价值。
（3）该仿真系统把臂架系统作为一个刚体，没有考虑到臂架和油缸的质量、形变、惯性和振动等因素的影响，因而和实际臂架运动还有一定差距，还有待于进一步研究和完善。
参考文献
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【关键词】虚拟样机；掘进机；设计；应用
近几年来，在各个大型的采矿工程以及土木工程中，掘进机的应用已经越来越广泛，甚至已经成为了这些大型工程在作业过程中必不可少的一种大型机械设备了，在全世界范围内，掘进机也属于煤矿生产过程中不可缺少的一种极其重要的生产机械设备之一，各国的各大煤矿所采用的掘进机通常都焊丝悬臂式的断面掘进机为主要型号。掘进机的作业环境一般来说都极为恶劣，特别在是掘进机切割一些非煤矿以及其他一些较硬的矿物质的时候，会加大掘进机自身运作的功率，并且使得掘进机的振动幅度超过正常的振动幅度，影响了掘进机在接下来的工作过程中的可靠性以及安全性，在掘进机上一些极为关键的零部件也可能会在这个过程中发生较大的耗损甚至直接损坏的情况，例如机械臂上的液压传动部件、机械传动部件、电子元件、机械截割钻头等等，都极有可能因为钻探的过程中受到的振动荷载过大而出现故障，从而影响整个掘进机的正常运行。
特别是在一些极为复杂的作业环境之下，过硬的岩石会使得掘进机的截面钻头难以做出有效的功用，并且岩石反馈的振动还会使得掘进机机械设备上一些较为薄弱的环节荷载过高能损毁，直接缩短了掘进机正常使用的寿命，严重情况会导致掘进机直接失去了再次使用的能力[1]。
1、虚拟样机技术
虚拟样机设计技术是指在实际的设备产品开发的过程中，将该产品的各个零部件按照能够在实际中运用的方式组合在一起，并进行一系列的高仿真模拟分析，从而较为真实的预测改机械设备在实际运用过程中的各项数据，通过这些测试的数据，来对机械设备进行相应的改进，从而提高产品自身的性能。近几年来，这种虚拟样机的技术已经不仅仅局限应用在机械设备的运动模拟之上，还充分的应用在了建筑行业、机电行业、技术优化行业的模拟运行之上。在实际的运用过程中，虚拟样机的模拟技术最主要是对产品的生命周期、系统运作等进行全面详细的分析以及评测。在虚拟样机的运作过程中，工程设计工作人员可以将CAD建模系统之上所建立成型的各项数据以及物理信息直接提供给计算机上的虚拟样机系统进行深度的模拟装配。在完全基于各项设备的基础设备之上进行集成的实验测试，对该机械设备在实际运行中运作模式以及各种实际工况进行仿真分析，从而在产品的早期就直接能够发现机械设备的中出现的不足，并将这些及时发现的缺陷进行深度的优化，或者直接改造其部分结构，使得该设备的各项性能够有一定的提升。越为复杂的机械设备，在通过虚拟样机方式进行深度的仿真放系，越能够起到更好的作用。
2、应用虚拟样机技术的优势
在以往的传统机械设计以及制造的过程中，都是先进行设计方案的理论，然后再对设计方案的图纸进行设计。在设计图纸完成之后，为了测试其设计的所有环节是否都能够全部实现，则需要先按照设计的图纸来建造一个物理的样机进行实际的侧四，只要在使用的过程中发现了任何问题，就对初稿设计的图纸进行一定的修改，再对最初制造的物理样机根据修改后的物理样机进行改进。在以往较为落后的科技手段制造行业中，只有通过这种一次又一次，周而复始的设计、返工过程中才能够使得所建造的产品能够达到理论上所使用的性能要求。这整个研发的过程是极为漫长的，所建造的机械设备还必须要完全符合煤矿产业对于机械设备的认证要求以及煤矿井下的工业实验。从而使得所建造的设备能够完全使用市场的需求、工业作业的需求。
应用虚拟样机技术研究掘进机系统的可靠性，可以实现投入传统设计方式10%的费用，达到90%的目标，且可缩短产品开发周期的40%～70%，达到提高设计人员的研发能力，节省设计时间与费用，大幅度地提高产品的可靠性及生产的安全性的目的[2]。
3、掘进机刚柔耦合虚拟样机模型的建立
以多领域建模与协同仿真技术为核心，采用基于接口的多领域建模方法，把柔性多体系统动力学仿真应用于掘进机系统的研究中。
3.1 模态中性文件的建立
基于ADAMS刚柔耦合模型的一个主要环节就是模态中性文件（MNF）的建立，可由ADAMS/AutoFlex模块创建。对于复杂的柔性体，还需利用有限元分析软件ANSYS等生成，最后通过其与动力学仿真软件ADAMS之间的数据交换接口，直接生成ADAMS中的柔性体。根据使用情况，可对掘进机截割部中的一二级减速行星架、行星轴、截割臂外筒和回转台等进行柔性体的生成。ANSYS程序在生成柔性体零件的有限元模型之后，选择外部节点，利用adams，mac宏命令可以很方便地输出ADAMS软件所需要的模态中性文件jobname.mnf，此文件包含了ADAMS中柔性体的所有信息，在ADAMS软件中直接读入此文件即可看到柔性体零件的模型。运行宏ADAMS，_NMODES生成ADAMS程序所需要的模态中性文件file.mnf中包含了柔性体的质量，质心，转动惯量，频率，振型以及对载荷的参与因子等信息，使用ADAMS/Flex Toolkit菜单栏MNF-MNF optimizer，对所建的中性文件进行优化。可以删除一些多余的节点，减小文件的大小，加快了仿真计算速度。
3.2 掘进机虚拟样机技术
系统基于Pro/E、MATLAB、ANSYS 和ADAMS联合构造的协同仿真环境，建立涵盖机械、液压等多领域的掘进机刚-柔耦合多体系统虚拟样机模型，实现了基于ADAMS的机电液复杂系统的联合仿真，为掘进机工作的可靠性研究创造条件。
4、掘进机仿形截割技术
掘进机通过截割头的旋转和悬臂的上下、左右自由摆动，带动截割头截割出所需形状的断面。掘进断面的大小取决于悬臂长度及其摆角大小。按照设计的巷道尺寸，掘进机仿形截割可获得规整的断面形状和要求尺寸，减少无用的掘进量和充填量，提高掘进效率，极大地降低巷道掘进成本，经济效益显著。基于掘进机电液一体化刚柔耦合虚拟样机，根据断面的成形过程、原理和相关参数的关系，实现掘进机断面成形的自动控制，获得实际工况下掘进机截割头的作业轨迹的包络线，直观地反映出巷道断面的成形过程及成形质量，对下一步掘进机油缸行程控制提供理论依据。
关键词：上肢康复训练机器人 青岛大学硕士开题报告范文 青岛论文 开题报告
一、 选题的目的和意义
据统计,我国60 岁以上的老年人已有1.12 亿。伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，与之相对的是通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高，因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。
目前世界上手功能康复机器人的研究出于刚起步状态，各种机器人产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器人的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。
目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题：康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。本课题针对以上问题，采用气动人工肌肉驱动的手指康复训练机器人实现手指康复训练的多自由度运动，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性，且具有体积小，运动的强度和速度易调整等特点。
课题的研究思想符合实际国情和康复机器人对系统柔顺性、安全性、轻巧性的高要求 。它将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研究一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健。
综上所述，气动人工肌肉驱动手指康复训练机器人的设计是气压驱动与机器人技术相结合在康复医学领域内的新应用，具有重要的科学意义。
二、 国内外研究动态
2.1 国外研究动态
美国是研究气动肌肉机构最多的国家，主要集中在大学。
华盛顿大学的生物机器人实验室从生物学角度对气动肌肉的特性作了深入研究，从等效做功角度建模，并进行失效机理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射运动控制研究。
vanderbilt 大学认知机器人实验室(cognitive robotics lab, crl)研制了首个采用气动肌肉驱动的爬墙机器人，并应用于驱动智能机器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。
伊利诺伊大学香槟分校的贝克曼研究所对图像定位的5自由度soft arm 机械手采用神经网络进行高精度位置控制和轨迹规划。亚利桑那州立大学设计了并联弹簧的新结构气动肌肉驱动器，可以同时得到收缩力和推力，并与工业界合作开发了多种用于不同部位肌肉康复训练的小型医疗设备。
英国salford 大学高级机器人研究中心对气动肌肉的应用作了长期的系统研究，开发了用于核工业的操作手、灵巧手、仿人手臂以及便携式气源和集成化气动肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的远程控制。
法国国立应用科学学院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了气动肌肉的动静态性能和多种控制策略，目前正在研制新型驱动源的人工肌肉以及在远程医疗上的应用。
比利时布鲁塞尔自由大学制作了新型的折叠式气动肌肉用于驱动两足步行机器人，实现了运动控制。
日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又发明了多种不同结构的气动肌肉。德国festoon 公司发明了适合工业应用的气动肌腱fluidic muscle，寿命可达1000万次以上，同时还对气动肌肉的应用作了许多令人耳目一新的工作。英国shadow 公司研制了目前世界上最先进的仿人手。美国的kinetic muscles 公司与亚利桑那州立大学合作开发了多种用于肌肉康复训练的小型医疗设备。
lilly采用基于滑动模的参数自适应控制策略，实现了单气动肌肉驱动的关节位置控制。
2.2 国内研究动态
自20 世纪90 年代以来，我国陆续开始了气动肌肉的研究。
北京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研究，分析了其非线性特性、橡胶管弹性及其自身摩擦对驱动模型的影响，并应用于五连杆并联机构，通过刚度调节实现柔顺控制。
上海交通大学的田社平等运用零极点配置自适应预测控制、非线性逆系统控制以及基于神经网络方法，实现单自由度关节的快速、高精度位置控制。
哈尔滨工业大学的王祖温等分析了气动肌肉结构参数对性能的影响、气动肌肉的静动态刚度特性以及与生物肌肉的比较，提出将气动肌肉等效为变刚度弹簧，设计了气动肌肉驱动的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反馈数据手套和6 足机器人，采用输入整形法解决关节阶跃响应残余震荡问题。
北京理工大学的彭光正等先后进行了单根人工肌肉、单个运动关节以及3 自由度球面并联机器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神经网络等多种智能控制算法，并设计了6 足爬行机器人和17 自由度仿人五指灵巧手。
哈尔滨工业大学气动中心的隋立明博士也通过实验得到了气动人工肌肉的一个更简洁的修正模型和经验公式并对两根气动人工肌肉组成的一个简单关节系统进行实验建模和采用位置闭环的控制方法进一步验证气动人工肌肉的模型。
上海交通大学的林良明也对气动人工肌肉的轨迹学习控制进行了仿真研究给出了学习的收敛性的初步结论为下一步的学习控制奠定了基础。其中田社平通过对气动人工肌肉收缩在频率域上的数学模型并对它的结构及其静动态特性进行了理论分析建立了相应的静态力学方程。
2003年付大鹏等，以机械手抓取物体为分析对象，采用矩阵法来描述机械手的运动学和动力学问题，以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础，将运动、变换和映射与矩阵计算联系起来建立了机械手的运动数学模型，并提出了机械手运动系统优化设计的新方法，这种方法对机械手的精密设计和计算具有普遍适用意义。
2005年车仁炜，吕广明，陆念力对5自由度的康复机械手进行了动力学分析，将等效有限元的方法应用到开式的5自由度的康复机械手的动力分析中，这种方法比传统的分析方法建模效率高、简单快捷，极其适合现代计算机的发展，的除了机械臂的动力响应曲线，为机械手的优化设计及控制提供理论依据。
2008年北京联合大学张丽霞，杨成志根据拿取非规则物品的任务要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手，手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式,对实用型仿人机器手的机构设计有参考意义。
2009年杨玉维等人对轮式悬架移动2连杆柔性机械手进行了动力学研究与仿真，。采用经典瑞利.里兹法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题， 综合利用拉格朗日原理和牛顿.欧拉方程并在笛卡尔坐标系下，以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型并进行仿真。
2009年罗志增，顾培民研究设计了一种单电机驱动多指多关节机械手，能够很好的实现灵巧、稳妥的抓取物体，这个机械手共有4指12个关节。每个手指有3个指节，由两个平行四边形的指节结构确保手指末端做平移运动，这种设计方案很好的实现了控制简单、抓握可靠的目的。
从目前来看，国内对气动人工肌肉的研究仍处于刚起步的阶段。有关气动人工肌肉的研究与国外还有相当的差距对气动人工肌肉中的许多问题，还没有进行深入的研究。此外，采用气动人工肌肉作为机器人驱动器的研究还不成熟。
三、 主要研究内容和解决的主要问题
目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题:康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。为此，课题主要研究内容：设计一种结构简单，易于穿戴，并且安全、柔顺、低成本，使用方便的气动手功能康复设备。对气动手指康复系统进行机构运动学分析、用mat lab软件对康复训练机器人的康复治疗过程的力位信息进行仿真分析。
要实现上述的目标，系统中需要着重解决的关键技术有：
(1)基于已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分的设计，对手指康复训练方法分析和提炼。 主要包括：人手部的手指弯曲抓握动作分析，气压驱动关节机构自由度的优化配置。使机械手能够实现手指的弯曲、物体的抓握等手部瘫痪患者不能实现的动作。
(2)对机器人机械机构的运动学分析。主要包括：气压驱动的手指关节外骨骼机械机构的运动学分析。
(3)机器人机构的力位信息仿真。主要包括：用mat lab软件进行机器人气压驱动终端的力位信息 仿真。
根据总体方案设计以及工作量的要求，外附骨骼机械手系统是上肢康复训练机器人的一部分，本文主要是研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。
四、论文工作计划与方案
论文工作计划安排：
2010年9月——2011年6月准备课题阶段：
主要工作：学习当今最先进的机器人设计技术;学习用matlab软件进行计算仿真及优化，查阅国内外的资料，对康复机械手作初步了解。
2011年7月——2011年9月课题前期阶段
主要工作：课题方案设计，拟写开题报告，开题。
2011年10月——2012年7月课题中期阶段
主要工作：开始具体课题研究工作，根据已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分设计，对手指康复训练方法分析和提炼。研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。
2012年8月——2012年12月课题后期阶段
主要工作：对手指康复机器人进行模拟仿真，对设计进行优化，并在此基础上进一步完善课题。
2013年1月——2013年4月结束课题阶段
主要工作：整理相关资料，撰写论文，准备进行毕业论文答辩。
2013年5月——2013年6月论文答辩阶段
主要工作方案：
1. 完成学位课与非学位课学习的同时，进行市场调研，对手指康复机械手作初步了解。
2. 查阅资料，了解气动手指康复机器人的国内外发展现状。
3. 分析已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构的部分设计。
4. 对现有手指康复训练方法设计进行分析和提炼，分析其优缺点。
5. 开始具体设计工作。
关键词： 汽车起重机； 3ds MAX； 三维仿真； 协同吊装
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0121?04
3ds MAX?based simulation for road bridge lifting with two cranes
LI Liuqun， MA Xing， MA Pengfei
（Institute of Information and Communication Technology， Beifang University of Nationalities， Yinchuan 750021， China）
Abstract： In order to reduce insecurity problems caused by the unreasonable load distribution， improper synergy strategy of dual cranes and other factors in the lifting process of double truck cranes， the load force at crane lifting points is analyzed according to the specific scene and requirements of the hoisting operation. Aiming at a lifting problem of a specific road bridge， the influence relationship between the rated load lifting capacity and lifting range in the lifting process is analyzed， and the relational model is established. Combined with the analysis of needs in lifting process， then use 3D animation production and rendering software 3ds MAX is adopted to conduct 3D modeling and simulation of hoisting process， crane load parameters are inquired according to the analysis of the crane hoisting to complete the mode selection of collaborative operation of two cranes. Experimental results show that， with 3ds MAX， the double cranes′ model selection， position calibration and space correction can be quickly and efficiently completed
Keywords： automobile crane； 3ds MAX； 3D simulation； collaborative lifting
0 引 言
汽起重机具有机动性能好、转移迅速等优点得到了广泛应用[1]。机械、材料等领域相关技术的不断完善加快了起重机的大型化发展，起重机的起重能力不断创下新高，千吨级的起重机市场占有量不断上升；但是由于吊装物体不断地向重型化及大跨度方面发展，对于部分超大型的重物吊装问题，单台起重机已经很难满足吊装要求。因此双台起重机的协作成为大型吊装的正确选择[1]。随着起重机机械安全性能的不断提升和完善，起重机安全事故的发生率逐渐降低，但由于吊装中抬吊吊车载荷的骤增，使潜在的危险伤害程度增高，因此起重事故伤害依然不可轻视。据资料统计，我国每年起重伤害事故的死亡人数，占全部工业企业死亡总数的15%左右，每年起重机事故的死亡人数在所有机械事故死亡人数中居首位[2]。双机协同吊装作业具有过程更多样，作业环境更复杂等特点，与单台起重机作业相比，危险性大大增加。目前，双机吊装往往采取人工编制吊装作业方案，依靠人工经验协调完成吊装这样不仅吊装效率低，而且存在很大的安全隐患。在这种情况下，有必要分析双机协同吊装作业过程中的动态载额，并建立双机协同吊装的三维仿真，辅助完成吊装作业方案的制定，并可以有效降低双机协同作业的风险。
3ds MAX是一款三维的仿真软件。其前身是基于DOS操作系统的3D Studio系列软件。它具有上手容易、操作简便等特点，被广泛应用于影视、广告、工业设计、建筑设计、三维动画、游戏、多媒体制作、辅助教学以及工程可视化等领域。用3ds MAX对起重机吊装进行三维仿真不仅比较容易实现而且成本比较低。同时3ds MAX中创建的三维模型有很好的可移植性，如通过VRML语言把3ds MAX创建的三维模型导入到Webots中实现其有效对接，从而满足了吊装的算法控制要求[3]。
1 双台汽车起重机协同吊装作业分析
对于双台汽车起重机的协同作业，要求每台起重机的实际负荷应不超过其额定负荷的80%。对于如图1所示的吊装场景，针对一个具体的吊装问题，吊装的环境是确定的、静止不动的，因而在仿真过程中不需要进行碰撞检测。
图1中，道路桥台构件的长为35 m，宽为1.5 m，高为2.5 m，重为45 t。开始时桥台平放于地面上，由于构件的长度比较长，抬吊时要求吊车的杆长和回转半径都大于其最大起重量时的限定值，同时对于双台汽车起重机的吊装，双吊车尽量选择型号相同的吊车，若型号不相同，必须依据吊车的技术参数，选择相近的速率以保证吊装的可靠性。为了保证道路吊装的稳定及可靠性本次吊装选用两台型号相同徐工QAY160的全地面起重机来完成，其中一台起重机作为主起重机，另外一台为辅助起重机。铜锁起重机的起升、变幅和旋转等操作完成本次吊装。
1.1 吊装三维模型的建立
根据实际的吊装要求，起重机已经平稳的固定在吊装现场，并且它们的站位满足吊装的要求。由于采用的是两台相同型号的全地面起重机QAY160，因而起重机的额定起重量相等，同时对于吊装的桥台构件来说是一个有规则的物体，所以选择吊点时应选择物体的两端处，即吊点对称布置，两点的距离可根据物体的长度、重量而定。起重机的主要性能参数如表1所示。
1.2 道路桥台吊装的简化三维模型的建立
由于人类获取的信息的来源有80%依靠人的视觉，因此利用3ds MAX进行起重机三维吊装模型的仿真设计，将一个真实的场景投射到一个相对直观的仿真软件中，利用虚拟的汽车起重机工作场景来完成对汽车起重机吊装的一个虚拟实现[4]。而对于许多人来说也更渴望得到与自然更相符的仿真环境，所以利用3ds MAX可以从四个不同的视图来观察吊装的仿真过程的优点，将一个复杂的吊装过程直观地投射到虚拟的三维仿真软件当中[5]。并将汽车起重机的主体模型按运动关系分结构建立模型库[6]。
表1 起重机的主要性能参数表
1.2.1 几何建模
几何建模是用来描述对象内部固有的几何性质的一种抽象模型，所表达的内容包括虚拟对象的形状和外观。对象的几何形状可以用点、直线、面、多边形图形、曲线或曲面方程，甚至图像等表示。抽象地表示对象中基元的轮廓和形状能够有利于存储，但使用时需要重新计算；具w的表示可以节省生成时的计算时间，但存储和访问存储所需要的时间和空间开销比较大。对象的外观描述的内容包括表面纹理、表面光强度和表面颜色[7]等。利用3ds MAX绘制标示虚拟对象的三维表面，经过平滑和高光等处理后使之更接近于真实物体，不仅如此，所绘制的虚拟对象还可以通过网格相识利于多物体轮廓的观察[8]。
1.2.2 运动建模
在完成了对象的形状及外观建模后，接下来就要实现的是吊装的运动建模，对于运动建模主要是用来确定三维对象在坐标系中的位置，以及它们在虚拟世界中的运动过程。首先对起始吊装位置的机械运动进行分析[9]。起重机初始吊装坐标系和工作空间参考坐标系如图2所示。在图2中的虚线部分是起重臂的旋转路径，两台起重机的坐标系分别为P（x1，y1，z1，α1，β1，hi）和Q（x2，y2，z2，α2，β2，hj）。主起重机的起重臂与吊装平面的夹角为α2，与吊装高度的夹角为β2；辅起重机的起重臂与吊装平面的夹角为α1，与吊装高度的夹角为β1；θ1和θ2是起重臂与平面的夹角（即工作半径）。 则起重机的角度限制范围如下：
利用3ds MAX三维仿真建立好起重机模型后，由确定好了起重机的站位，也可以确定其幅度。因而可以根据被吊装构件的就位高度、尺寸、吊索的高度和幅度，由起重机的特性曲线，确定起重机的臂长L及吊装的受力F等参数。起重机的吊装过程中随着吊臂的起升吊臂的主起重机主臂仰角不断增大。起重机的臂架结构图如图3所示。
图3中起重机的吊臂的长为L，主臂到回转中心线的距离为d，起重机的幅度为R，臂架顶端的滑轮到起升绳的距离为D，利用图3几何关系可以求得：
（1）
通过几何关系将主起重机主臂仰角计算出来，一般取70°～77°。而对于吊装，物体的载荷也是一个关键的因素，首先根据被吊物体的重量计算被吊物体的计算载荷Gj：
（2）
式中：Gi为被吊物体的重量、吊耳及索具的重量之和；k1为动载系数，k1=1.1；k2为两吊车抬吊不均衡系数，k2=1.2。由表1所给参数，选择Gj≤Q（Q为额定起重量），因而根据起重机的最大载荷参数可知Gj≤≈242 t，即吊装最大只允许吊242 t，并根据被吊物高度H和场地情况，初选扒杆长度和工作回转半径r，起重机的起升高度必须满足所吊装构件的起升高度要求，其计算公式为：
（3）
式中：H为起重机的起升高度，从停机地面算起到吊钩中心（m）；h1为安装支座的表面高度，从停机地面算起（m）；h2为安装间隙，视具体情况而定，一般不小于0.3 m，h3为吊装物体的高度（m）；h4为索具高度，自捆绑到吊钩中心的距离。
同时，起重臂的臂长计算：，其中，h0为起重臂顶至吊钩底面的距离，h为起重臂底铰至停机面距离，本工程取1 m，由此估算出L。同时根据本次吊装的特点，两台同样性能的起重机要吊装起大约重为45 t的桥台构件，每台起重机的额定起吊的重量Q≥30 t，结合起重机的主臂性能参数可知，当回转半径为14 m时，将起重机的臂长L伸长到30.68 m，每台起重机的额定起重量为32 t，满足本次吊装的要求。以此类推起重机的幅度与起重量的关系如表2所示。
表2 臂长为30.7 m的起重性能
当定义了N个工作幅度，利用最小二乘法的拟合算法原理得到一个关于a，b的二元一次方程如下：
（4）
利用多元函数极值原理，需要其偏导数为零，利用公式y=axb可以拟合出系统的强度，取同工作幅度下起重量的最小值，得到的结果如图4所示。
2 起重机吊点的载荷分析
前面分析了主起重机的部分参数，为了合理地分析吊点的载荷分配信息，利用吊装的简图，得到双机协同吊装的示意图如图5所示。
开始进行吊装时起重机同步起升，此时双机系统的变化如下：
（5）
式中：为增加的高度；，为初始的高度。为了表达吊装关键点的信息，建立空间直角坐标系，吊装物体旋转的角度为，同时设主、辅起重机两吊点的轴线距离为，主起重机的状态为，辅起重机的状态为，则双机系统整体的状态变化如下：
（6）
吊绳到吊装物体的最小高度，则可知吊绳与吊装物的最小夹角β的大小为。
通过实际吊装作业中吊装构件的就位位置，建模、加材质、灯光和渲染等操作在3ds MAX中得到的最后的效果图如图6所示。
3 结 论
本文通过对一个双机协同吊装的实例利用3ds MAX进行吊装过程的三维仿真，并给出了基于3ds MAX 的面向吊装方案演示的汽车起重机系统的三维实体。通过仿真进行协同吊装的载荷参数特点进行了相关分析，根汽车起重机的起重特性，对主臂仰角进行了计算，并利用吊装特点提出了一种基于起重机吊点的载荷分析，从而对吊装进行了优化。 实现了吊装方案的生成并把吊装方案直观、生动地显示在一个三维空间中，能够辅助吊装方案的制定[10]。通过探讨和仿真使双机吊装成为可能，改善了单台起重机吊装的局限性，同时促进了双机以及多台起重机吊装的发展。
参考文献
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我们设计的输电线路除冰机器人采用除冰杆敲击式除冰,不伤导线,安全有效,采用三手臂通过旋转伸缩动作进行越障,操作简单可行,结合辅助设备上下线装置进行上、下线安装,操作方便。除冰机器人主要分为机械系统和控制系统两部分。机械系统包括行走装置、除冰装置和越障装置3部分;控制系统包括主控模块、驱动模块、无线操作模块和状态信息反馈模块4部分。机器人通过前、后臂上的滚轮可沿导线行走;在越障时,中间手臂可夹紧导线保证机器人的稳定性和可靠性;前、后臂之间可相对移动调整间距;前、后臂各有1个移动和旋转自由度,结合中间手臂通过动作规划可以实现越障;除冰装置采用3个除冰杆从上方交替敲击的方式,以较小的能量消耗达到除冰的效果。控制系统的主控模块负责接收无线操作模块发出的指令,并将新指令传送给驱动模块;驱动模块接收到指令实时控制各电机的转动;无线操作模块负责将工作人员的控制信息直接发送给主控模块;状态信息反馈模块负责将机器人各部件的位置状态实时反馈给主控模块,为下一步动作提供状态信息。在实际操作中,除冰机器人通过地面遥控和程序自动控制相结合的方式实现作业。
2机械系统
2.1行走装置行走装置作为机器人前进的动力装置,需要保证机器人能够在导线上平稳快速前进。由于高压输电导线结构特殊,机器人采用滚动原理进行移动。行走装置主要包括电机、支撑轴承、行走轮、丝杆、导向杆、夹紧块、圆锥滚轮、支撑板等。行走装置与手臂外筒固定连接,行走电机驱动滚轮旋转带动整个机器前进,夹紧电机驱动夹紧块夹紧导线。设计结构图如图3所示。机器人前臂在进行越障时,重心会出现向前偏移,后臂可能向上抬升脱离导线,使机器人前臂出现一定程度的向下倾斜,可能无法顺利越障。后臂越障时,也会出现同样的现象。为了避免上述问题的发生,在行走装置上增加夹紧机构辅助越障。该机构的夹紧滚轮设计为上小下大的圆锥形,可以保证在夹紧导线时手臂不会向上抬升脱离导线。
2.2越障装置据前述可知,国内的除冰机器人很多都无法越障,大大影响机器人的实用性。机器人能否自主越障已成为除冰机器人结构设计的关键之一。本文中我们设计的机器人具有越障装置,能顺利越过绝缘子、线夹、防震锤和直线塔等一般物。越障装置包括行走箱、前后旋转伸缩手臂和中间夹紧手臂4个主要部件,各部件设计结构图如图4~图6所示。具体越障动作规划(前臂越绝缘子为例)为:(1)机器人中间手臂前进至极限位置。(2)前后臂同时收缩,中间臂抬升夹紧导线。(3)前臂升高,行走轮脱离导线。(4)前臂旋转180°,行走轮等偏离导线。(5)行走箱错动,前臂前进至障碍物另一侧。(6)前臂旋转180°,行走轮位于导线上方。(7)前臂收缩,行走轮等回落至导线上。此时前臂成功越障。后臂越障动作规划与前臂基本一致。
2.3除冰装置目前,国内可采用的机械除冰方式有敲击、冲击、铣削、切削、铲刮、振动等[1]33-34。本团队在实验室进行了敲击、铣削和切削3种方式的除冰实验,通过分析比较发现敲击除冰相对更安全有效。该除冰装置结构简单,原理是电机通过凸轮机构带动除冰杆上下运动,通过3个除冰杆从上方交替敲击覆冰的方式,以较小的能量消耗实现较好的除冰效果。设置的限位导轮,可以避免除冰杆损伤高压输电线。除冰装置通过滑块导轨机构与机器人手臂活动连接,设置的吸振弹簧和滑块配合,可始终使限位导轮压紧在高压输电线上,并可以吸收除冰杆敲击除冰时产生的振动能量,减小振动对机器人其他部件的影响,遇到带坡度的导线时,还能实时调整除冰装置相对手臂的高度,保证除冰效果。相对目前广泛使用的直流热力融冰技术,具有除冰效果明显、成本低、易操作的优点。除冰装置如图7所示。
2.4机器人仿真分析我们通过仿真分析以验证机器人能越障的可行性。用Pro/E进行三维建模,在ADAMS中按照预定的行走越障动作规划进行运动学仿真分析。这里以前臂跨越FR3型防震锤为例，机器人能否成功跨越防震锤有两个指标,一是越障时前臂横向(X轴)是否与防震锤发生碰撞;二是前臂纵向(Z轴)能否完全跨过防震锤。防震锤中心点坐标为(-309,190,-669),由图8可知越障时前臂中心距防震锤中心125mm,由于前臂最宽边130mm,防震锤直径57mm,故极限位置有31.5mm间隙,指标一满足;由图9可知前臂跨越距离为440mm,完全可以跨越防震锤,指标二满足。综上可知,除冰机器人能跨越障碍物。故机器人机构设计合理,越障动作规划可行。
2.5机器人上下线装置机器人顺利上线安装是进行除冰作业的前提。机器人约45kg,检修人员无法徒手携带机器人安全上下线安装,同时考虑到机器人出现故障时能够方便及时下线维修等要求,我们设计了该上下线装置,以解决除冰机器人的上下线安装问题。上下线装置包括固联滑轮、吊篮、提升绳、防晃绳、配重块等。固联滑轮是用“Z”形钢筋将两个滑轮固接,防止相对移动。在吊篮正下方添加配重块,上下线安装时可降低重心,更加平稳。该装置结构简单,功效明显。机器人上线动作规划如下:(1)将固联滑轮在导线上安装好,放下提升绳并系在吊篮上,同时在吊篮上系上防晃绳,将机器人前后手臂外转180°并放入吊篮。(2)缓慢提升吊篮至行走轮高于导线,机器人手臂内旋180°,使行走轮位于导线正上方。(3)缓慢放松提升绳让行走轮自动挂上导线,放下吊篮,线上人员适当调整,保证机器人初始状态,卸下滑轮,完成除冰机器人的上线工作。机器人下线原理与上线一样。采用上下线装置安装机器人,既方便快捷,又安全有效,是一种可行的除冰机器人上下线安装方式。野外现场除冰机器人上下线安装试验如图12所示。
3控制系统
高压输电线路除冰机器人主要采用人机结合、局部智能的控制方式[10]。机器人在高压输电线路上除冰时可以在3种状态下工作,即全手动、单流程自动以及多流程自动。操作人员根据实际需要可通过遥控键盘进行无间隙切换。控制系统的结构框图如图13所示,主要包括主控模块(MCU2)、无线操作模块(MCU1)、驱动模块、状态信息反馈模块等。机器人电源系统采用12V锂电池供电,具有体积小、容量大、质量轻、寿命长等优点。
3.1主控模块主控模块即主控制器模块,本系统采用AVR系列单片机Mega128,原理图如图14所示,包括程序下载接口、复位电路、以及时钟电路等。机器人主控模块主要负责接收无线操作模块发出的控制指令,根据除冰机器人动作规划,将处理后的新指令传送给驱动模块来控制电动机转动,以实现机器人各种动作。在主控制器得到发送过来的控制指令时,首先对该指令进行一次有效性判断,如果得到的指令存在误码或乱码,则舍弃该指令,以防止机器人发生错误动作。主控制器程序可以实现单流程自动、多流程自动以及所有流程全手动等工作模态无隙切换。其软件设计流程如图15所示。
3.2无线操作模块操作人员与机器人之间的通信全部由无线键盘发出,主要包括机器人工作方式选择、电机正反转状态控制、故障急停等。为方便控制电机的正、反转和停止3种状态,本系统选用单刀三掷开关,开关的每一个状态分别与电机的状态相对应。由于每个按键有3个挡位,需要单片机的两个I/O端口作为键值信息通道,系统共设计了16个按键,另外加上无线发射的引脚,因此至少需要单片机有34个独立引脚。系统选用AVR系列的单片机Mega128作为主控芯片,该芯片内部含有丰富的硬件资源,能够十分方便的与无线收发模块APC220进行通信。APC220模块是高度集成的半双工微功率无线数据传输模块,其嵌入了高速单片机和高性能射频芯片。采用高效的循环交织纠检错编码,抗干扰和灵敏度都大大提高,最大可以纠正24bits连续突发错误。与单片机的连接原理图如图16所示。为使无线键盘发射的性能更加稳定,系统在键盘信息之前加上了一个字节校验密码,只有当接受端得到了以该密码开头的信息才视为有效,否则机器人不接受该信息。实验表明,这种方法能让机器人安全可靠的工作,有效地降低了控制出错率。其软件设计流程如图17所示。
3.3电机驱动模块电机驱动模块采用Freescale公司的MC3386,该驱动可以同时驱动两个电机,最大驱动峰值电流可达6A,为得到更好的驱动性能,本系统将每个芯片上的两个通道并联在一起去驱动一个电机。使用该芯片可以方便地进行正、反转和刹车等控制,同时也可以使用脉冲宽度调制(PWM)对电机进行调速,机器人前后臂的升降旋转就运用了PWM进行调速。每个芯片使用单片机的两个I/O端口进行操作,实验表明使用MC33886作为除冰机器人的动力电机的驱动能够完成机器人的各种动作,性能良好。
3.4状态信息反馈模块当机器人在高空的高压输电线路上作业时,人眼无法看清楚,而机器人的每个动作必须在掌控中,因此机器人的每个动作是否完成必须有明确的反馈信息。本系统采用金属接近开关作为机器人行程信息反馈的传感器,当有金属靠近接近开关约2~3mm时,在电路作用下(图19),接近开关便向单片机发出一个高电平信号,当在其接触头2~3mm范围内没有金属时,接近开关向单片机发出一个低电平信号。TLP521是一个光耦合器件,使用该芯片的作用有两个:一是将12V的高电平转换为单片机能够读取的3~5V;二是起到光电隔离的作用,防止电机工作时对单片机的正常工作产生影响。实验效果表明,使用接近开关作为机器人状态反馈传感器能够准确的监控机器人的动作流程,为实现机器人自动除冰和越障提供了准确的反馈信息。
4结论
【关键词】机器人；手臂关节；机械设计
1.引言
从机械手臂投入商用起，已经有了几十年的应用和发展历史。将模块化的设计思路与理念引入机械手臂的设计中，能够充分发挥其灵活、可拆分、可组合的特点，并将其应用于更多的场合，包括服务机器人，工业生产制造领域、医疗领域等等。本文结合机械臂设计的模块化理念，着重对其进行系统分析和设计，包括旋转关节、传动系统、减速系统进行实现，具有比较好的理论价值与实践意义。
2.机器人手臂关节机械设计
2.1手臂关节模块
手臂关节模块包含了许多零部件，主要有旋转电机、减速器和反馈单元等。在手臂关节的内部固定了控制单元和传动系统，以二级减速传动作为传动模式，即齿轮减速传动与谐波减速传动，这种传动模式可以支持手臂关节自由度之内的回转运动。下面具体阐述其设计方案：
(l)模块外壳方案
手臂关节的外壳能够为电机、制动器、滚动轴承提供必要的机械支撑，并起到必要的保护作用。在手臂关节运动的过程中，模块的外壳也承受了期间多产生的种种应力，因此模块的外壳必须满足一定的刚度。模块外壳的主要构成部分包括：底盖、电机、齿轮盖、主壳体、轴承、制动器等。其中，底盖位于结构的底端，其作用是为整个旋转模块的各个部件提供支撑与连接；主壳体构成此部件单元的外壳，对单元当中的电机、制动器等子单元起到连接和支撑作用；齿轮盖覆盖于模块的齿轮传动单元之上，起到保护和连接作用，而且能够支持谐波齿轮减速器的安装。为保证机械臂有足够的强度，模块外壳选取的制作材料为铝合金，并将壁体设计为圆桶状的抗压结构，为防止氧化与腐蚀，表面结果特殊处理。
(2)减速齿轮方案
减速齿轮方案的主要构成部分包括：电机连接齿轮、中心齿轮、中心轴以及制动连接齿轮等。其实现方式简述如下：通过小齿轮来连接直流电机的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接；同理，通过另一个小齿轮来连接断电制动器的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接。在这种啮合模式下，当减速齿轮单元加电后，便由系统的电机来作为动力源输出，而当减速齿轮单元端电后，便由系统的制动器来作为阻力源输出。考虑到机械臂的关节在不同运动时，会使减速齿轮持续维持高速转动状态，因此必须有足量的剂。又因为该减速齿轮不是封闭结构，因此本文以滑脂来起到齿轮的作用。
(3)中轴传动方案
中轴的传动方案是整个机械臂设计中非常关键的一个组成部分。中轴传动的作用是，首先支持来自中心齿轮的动力，其次还要为波发射器高效传递动力。考虑到中轴会承接一定比例的来自轴向的受力和很大比例的径向应力，因此为支持中轴，引入了角接触轴承。中轴传动单元主要由旋转模块、断电制动器、卡簧、角接触轴承、中心齿轮、主轴、连接法兰以及波发射器组成。
因为中轴传动单元在设计上要求同轴度与圆柱度都在较高的水准，因此尤其应注重其材料选择和参数控制。本研究所设计的中轴用以45号钢才作为原料，并在成型后淬火，从而保证单元在表面具备一定的硬度。
在中轴传动方案中，最关键的是旋转模块的结构设计。旋转模块的设计思路是：将其转轴与中心轴线重合，并以电机驱动。在模块上部署有电磁编码器，用于周期性地检测角位移和角速度。将之与直流伺服电机相联。结合具体的应用环境与需求，直流伺服电机也可以加装起到减速增力作用的行星减速箱，共同起到动力输出的作用。而后通过小齿轮与中心齿轮的咬合，以正齿轮传动方式来实现系统的减速增力功能。
断电制动器的结构设计也是中轴传动方案中的关键，断电制动器有两方面的作用，首先在旋转模块进行位置搜索时能够起到保持作用，其次，在旋转模块因故失去电源之后也能发挥保护的功能。在中轴中，当旋转单元加电，并处于转动状态的时候，断电制动单元便会随着系统的小齿轮单元传递过来的中心齿轮作用而转动，而在断电制动器运动的时候，其输出轴的动力也来自小齿轮单元。在本文所涉及的机械臂中，电机与制动器全部布置于电机底座，并且将电机底也作为旋转单元外壳的一部分，其好处在于保护内部零部件。
2.2连接件模块
连接件的主要功能是在机械臂中连接旋转关节不同的单元，因此是机械臂的重要组合部分，对机械臂的组合与功能的发挥均有着不容忽视的作用。由于机械臂的各个模块单元是相对独立的关系，因此只要将不同的模块单元互相组合，起可以发挥机器人的机械臂基本功能。因此本文结合具体的需求，设计开发了数种类型不同的连接结构。
机器人的机械臂在实际操作中，连接件实现了不同部件单元之间的力矩传递，而其质量的大小也关系到机械臂整体重量和轻便程度，因此在实际设计中，一方面应保证改模块单元具有足够的机械强度，另一方面也应考虑到减轻其质量。本文在设计中，考虑到铝合金属于高强度低密度的材料，同时具有比较好的可塑性，因此以铝合金作为连接件的制作材料。
2.3模块手抓单元
考虑到机械臂必须部署在一个可以移动的平台上，来在现场抓取物体，因此模块手抓单元的末端执行器是其中最重要的组件。为了满足这个系统的模块化的设计，末端执行器必须具备一定的应用和扩展功能。假若模块手抓单元附加多指灵巧手，其实能够抓取更多类型的对象，本课题的研究只需模块手抓单元能够抓取简单对象，因此使用了图中的简单的夹钳手抓，其优点是结构简单、容易控制。
3.结束语
机器人的机械臂设计与开发属于机电一体化领域的高精尖课题。考虑到机械臂的结构具有比较高的复杂性，本文阐述的设计方案充分顾及了模块设计的标准化与产品的通用性，从而能够良好的满足模块之间的替代性特征需求，因而也能够保障机器人的机械臂在实际应用中能够满足用户的要求。
参考文献
[1]郭立新，赵明扬，张国忠.空间冗余度机器人最小关节力矩的轨迹规划.东北大学学报(自然科学版 ).2010:512-515
[2]马江.六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真.北京工业大学硕士学位论文,2009:3-10
关键词：六自由度机械臂 遗传算法 避碰问题 机械臂设计
1.模型分析
首先对模型进行假设，假设已知机器人初始的位姿和目标点，反解机器人在由初始位姿到达目标点的过程中的各个动作？机器人在初始位姿时的各个连杆的相对空间关系是确定的，那么就可以求出连杆坐标系 和连杆坐标系 之间的奇次变换矩阵，本文在这些奇次变换矩阵，设计了另外得求解方法，即利用非线性规划模型求出指尖最接近目标点时的旋转角度，从而可以求出目标点的旋转角度与初始姿态的旋转角度之差 。
假设在初始位置与目标位置之间的区域中有若干个已知大小、形状、方向和位置的障碍物，为了不损坏机器，要求机械臂在运动中始终不能与障碍物相碰（机械臂连杆的粗细自己设定）？由于各个障碍物的大小、形状、方向和位置是已知的，那么就可以确定障碍物的空间范围，只要保证机器人各个连杆滑过的空间范围不与障碍物的空间范围不相交，那么机械臂就不会与障碍物相碰。
2. 模型建立、求解与结果分析
2.1模型建立与求解方法
针对本模型中的六自由度机械臂，可以首先对六个关节点建立了D-H 四点参数坐标系。
图6-1 机械臂初始状态及各个关节点的D-H 四点参数坐标系
然后利用6自由度机械臂的连杆D-H参数，写出各连杆齐次变换矩阵，将各连杆变换矩阵相乘，可得6自由度机器人的总的变换矩阵，由机械臂运动学正解方程可以得出 ，其中 为机械臂指尖坐标
则有：
…………（1-1）
可以看出机械臂指尖坐标 的3个维度上的坐标均是 的方程，若已知机械臂指尖坐标
，根据机械臂运动学逆解方程，就可以反解出旋转角度 。
为了达到精准的目的只能尽可能的接近，为求出最接近的终点处的旋转角度，本文以实际到达点与目标点指尖的距离最小为目标函数，以各个旋转角度的范围作为约束条件，建立模型如下：
…………（1-2）
在Matlab软件下，利用遗传算法就可以求得最接近目标点的终点的旋转角度 ，由于模型（6-2）中目标函数相对较复杂，包含有六个变量的，故本文设计了“转角遗传算法”来求解这个模型。
2.2具体编码过程
1）编码解码
采用等长的十进制进行编码：对可选的关节旋转角的集合进行编码作为一个基因，六个基因组成一个个体。
2）适应度函数
用适应度函数来评价遗传算法时，适应度越大，解的质量越好，本题中以机械臂最终到达点与目标点距离最短的方式最优？
3）遗传算子
a）选择算子
采用比例选择方式：
第一步：先计算出群体中所有个体的适应度的总和；
第二步：其次计算出每个个体的相对适应度的大小，它即为各个个体被遗传到下一代群体中的概率。
b）交叉算子
采用单点交叉算子：
第一步：对每一对相互配对的个体，随机设置某一基因座之后的位置为交叉点。
第二步：对每一对相互配对的个体，依设定的交叉概率pc在其交叉点处相互交换两个个体的部分染色体，从而产生出两个新的个体。
5）运行参数
运用转角遗传算法求出机械臂旋转角度 ，进而可以求出机械臂从初始点到目标点旋转角度的变化量
，机械臂指尖从一个点移动到另一个点可以由不同的动作组合完成，那么本文就可以建立一个数学模型？为了达到快捷目的，本文在建立模型过程中以机械臂动作个数最少为目标函数，约束条件是机械臂经过动作序列控制后，各个关节旋转角度之和为旋转角度的变化量 ，模型如下：
…………（1-3）
以动作幅度 最大为准则求解模型（6-3），得出结果。
3. 结论
（1）在使用四点参数法（D-H法）建立了齐次坐标系的基础上，确定了连杆参数，得到了六自由度机械臂的正运动学方程，并导出其运动学逆解；并设计了具有良好的适应性、较高准确率和障碍处理功能的“转角遗传算法”和“指令系列遗传算法”。
（2）采用“转角遗传算法”解决了机器臂取用工具问题；采用“转角遗传算法”和样条插值解决了沿轨迹焊接问题；采用“指令系列遗传算法”解决了容器内部焊接可能遇到障碍物问题。
参考文献：
[1]机器人控制研究 丁学恭 浙江大学出版社 2006 P19
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