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1绪论

1.1机械臂概述 1.1.1机械臂研究的意义

早在几千年前，人类就开始了机器人的制造，以解决人类繁重的劳动。例如，古希腊诗人荷马在其长篇叙事诗《伊利亚特》中，描述了“火和锻冶之神”赫菲斯托斯用黄金锻造出一个侍女[1]。一直以来，人们也一直致力于将这些美丽的神话变为现实。1958年世界上的第一台机器人被发明以来，与工业机器人相关的技术得到了迅猛的发展，并且己经愈来愈广泛的应用在机械、电子、汽车等行业[2]。如今，机器人技术已成为衡量一个国家科技水平的标志之一[3]。

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，它不仅具有人和机器各自的很多优点，而且特别具有人的智能性和适应性。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[4]。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[5]。 1.1.2国内外机械臂的研究现状及发展趋势

机器人的研究始于二战后的美国。1958年第一台数控工业机器人诞生后，机器人在工业上的应用不断增加，日本、德国等国家也相继开始机器人的研制。

中国对现代机器人的研制始于上世纪70年代后期，80年代进入到飞速发展时期。尤其在国家成立了863计划后，机器人技术得到特别的重视，由此中国在机器人领域取得了飞速发展，相继研制出示教再现型的搬运、焊接、喷漆、装配等各种工业机器人，以及水下作业、军事和特种机器人。

机械臂发展状况概括如下：

第一代机械臂，即示教再现方式的机械臂。目前这种机械臂仍广泛应用于各种场合。这种工作方式只能按照事先设置的位置进行重复的动作，但是不能感知周围环境，其应

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用范围因此受到一定的限制。这类机械臂主要工作于原料搬运、喷漆、焊接等工作场合。

第二代机械臂，即具有视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这类机械臂可以根据周围环境的变化进行自适应，故可以完成较为复杂的工作。

图1.1 一汽―红旗‖轿车机器人焊接生产线

第三代机械臂，这类机械臂不仅具有第二代机械臂的感觉功能，而且还具有规划和决策的功能。从而在环境发生变化时进行自主的工作。但是目前这类机械臂依然处于研究阶段，还需要一段时间才能得到实际应用[6]。

图1.2 演奏机器人

从机械臂几十年来的成长进程来看，高精度，多功能，集成化，系统化以及智能化是机械臂在以后多年中的发展方向。 1.1.3机械臂的分类

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机械臂一般从运动坐标形式分为直角坐标式机械臂、圆柱坐标式机械臂、极坐标式机械臂和多关节式机械臂。

直角坐标式机械臂：由三个线性关节来确定手爪的位置，通常还带有附加的旋转关节用来确定末端执行器的姿势。这类机械臂虽然控制位置精度高、简单，但结构繁杂，占地面积大。

圆柱坐标式机械臂：由两个滑动关节以及一个旋转关节来确定手爪的位置，也可以再附加一个旋转关节来确定部件的位置。其位置精度仅次于直角坐标式机械臂，控制简单，但结构庞大，移动轴的设计复杂。

极坐标式机械臂：它由一个滑动关节以及两个旋转关节来确定手爪的位置，也可以附加一个旋转关节来确定部件的姿势。这类机械臂占地面积小，结构紧凑，但有平衡问题，位置误差与臂长有关。

多关节式机械臂：其关节都是旋转的，类似于人的手臂，是工业机械臂中最常见的构型。该类机械臂结构紧凑，占地面积小，工作空间大，但是位置精度较差，控制存在耦合，比较复杂。

图1.3~1.6分别对应以上四种机械臂。

图1.3 直角坐标式机械臂 图1.4 圆柱坐标式机械臂

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图1.5 极坐标式机械臂 图1.6 多关节式机械臂

1.2机械臂控制的研究内容 1.2.1机械臂的驱动方式

作为驱动方式，通常采用液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。

液压式：液压驱动机械臂通常由液动机（各种油缸、油马达）伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械臂的执行机构进行工作[7]。

气压式：其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成。

电动式：电力驱动的机械臂是目前应用最广泛的一种类型。驱动电机一般采用步进电机、直流伺服电机或交流伺服电机，其中交流伺服电机为目前主要的驱动形式。由于电机速度高，通常还需要减速机构[8]。 1.2.2机械臂的机械结构

传统的机械臂系统由于占地面积较大，所以在小空间的环境下不适用。在一些特殊的环境下，我们需要一种占地面积小而且活动灵敏的机械臂。要实现机械手臂的控制，首先要分析机械手臂的机械结构，其中动力源以及动力传递方法应被予以重视。现在，电力传动的机械臂得到了广泛的应用，在动力传动方式上，有连杆式、齿轮式、绳索式等。以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机械臂约占总量的1/2[9]。鉴于汽车、建筑、桥梁等行业的需要，超大型机械臂应运而生。 1.2.3机械臂的控制器

选择一个性能较好的控制器对控制功能的实现来说是十分必要的。工业控制技术、软件和硬件技术的发展，为机械臂控制器的选择提供的充分的条件。

可编程控制器（PLC）由于抗干扰能力强，故障率较低，设备易于扩展、维护，开