机械臂范文

机械臂范文第1篇

1复杂曲面磨削机器人机械臂设计方案

水轮机叶片属于典型的复杂曲面，下面以水轮机叶片为例分析复杂曲面磨削机器人机械臂的设计方案。水轮机叶片的80%属于马鞍面，15%属于碗面，其余部分属于复杂曲面。机器人要实现在叶片不同部位对焊缝的磨削工作，能够适应复杂曲面的形状要求，并且磨削作业面积要达到叶片的70%，这就要求机械臂应具有多个可动关节，但关节数目过多，会使机械臂结构的刚度降低［2］。基于以上分析，设计出一种应用于复杂曲面的焊缝磨削机器人。机器人本体由移动平台、机械臂和磨削加工单元组成。移动平台的前后移动以及磨削加工单元的上下移动和左右摆动可以完成在复杂曲面上的加工作业。本文针对机械臂关节作出结构优化设计。

1.1机械臂关节设计及自由度分析

被修磨叶片表面形状复杂，为了保证机械臂可以修复叶片表面大部分位置的焊缝，在设计上要求机械臂具有很高的灵活性，能够加工复杂曲面70%以上位置的焊缝，同时要提高机械臂的刚度要求。水轮机叶片构形复杂，在水轮机叶片上650mm×200mm区域范围内，水轮机叶片近似为水平面，将该区域称为单位修复作业区域。要求移动平台吸附于某一单位修复作业区域后，机械臂大臂能够实现相对于移动平台左右摆动、上下俯仰、前后伸缩三个动作，这三个动作保证了机械臂能够到达水轮机叶片单位修复作业区域内的焊缝处。由于叶片在该区域的焊缝分布的不均匀性、焊缝余高的存在以及该区域实际存在的曲率，要求机械臂小臂能够相对机械臂大臂左右摆动、上下升降和曲面自适应三个动作，这三个动作保证机械臂能和被磨削的焊缝处在有利的加工位置。基于复杂曲面的特点对机械臂结构的要求设计了如图1所示的机械臂结构。所设计的机械臂具有5个主动关节和1个被动关节。主动关节包括大臂左右摆动关节、大臂上下摆动关节、大臂前后伸缩关节、小臂上下进给关节和小臂左右摆动关节。每个主动关节均具有一个自由度。其中前三个主动关节用于末端工具的位置和大的姿态调整，使作业工具和叶片表面达到合适的相对加工位置，在作业过程中这三个关节锁紧，使得轴、大臂、小臂变为刚度好的桁架结构。后两个主动关节用于控制磨削作业过程中的进给运动。被动关节是机械臂为了适应曲面的不同曲率的要求而设计的。它由弹簧自适应装置构成，随叶片曲率变化来及时调整小臂的位姿，使末端磨削加工单元更好的完成对焊缝的打磨工作。

1.2关节运动的传动机构设计

结合水轮机叶片复杂的曲面特点的要求，设计了叶片磨削用机器人应具有的关节以及分析了各关节具有的自由度。以上5个主动关节和1个被动关节保证了作业工具对水轮机叶片绝大多数位置的焊缝进行较准确地修复作业。每个关节都有独自的传动机构，结合复杂曲面的特点，分别对每个关节的传动机构予以设计。大臂左右摆动关节通过蜗轮蜗杆机构传动，电机带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，涡轮带动蜗轮轴转动，从而实现联接在轴上的大臂机构的左右摆动。大臂的上下摆动关节通过四连杆机构传动，如图1所示，电机通过丝杠带动BD杆上下滑动，BD杆带动AD杆和CD杆上下摆动，从而实现大臂关节的上下摆动。大臂前后伸缩关节通过滚珠丝杠平台传动，电机带动滚珠丝杠旋转，丝杠旋转带动滑块左右运动，从而实现大臂前后伸缩关节的伸缩运动。小臂上下进给关节也是通过滚珠丝杠平台传动，电机带动丝杠旋转，丝杠带动联接在它上面的小臂机构上下运动，从而实现小臂上下进给关节的升降运动。小臂左右摆动关节通过电机带动回转机构实现传动。小臂的自适应关节是通过弹簧机构来实现关节运动的。

2磨削机械臂结构尺寸设计和受力计算

2.1机械臂结构尺寸设计

机械臂结构简如图1所示，图中EH为大臂的长，MN为小臂的长。根据叶片空间构型进行机械臂作业空间的分析。机械臂配合移动平台的加工范围要达到约叶片表面的70%，则每次移动平台固定后机械臂的作业空间如图2所示。在叶片表面上的加工区间为面积为1500cm2的环形区域，如图2a中的区域D。机械臂加工范围应满足表1所示。所设计的四连杆中，连杆AB、BC、CD、AD、CE的尺寸分别为为:AB=100mm、BC=100mm、CD=150mm、AD=120mm、CE=50mm。最短杆BC的邻边AD杆作为固定杆，故所设计的四连杆机构为曲柄摇杆机构［3］。其中BD是大臂驱动杆，可通过以下计算求出其伸缩量。综上，所设计的机械臂各关节运动范围是:大臂伸缩关节行程为100mm，小臂摆幅0°～27°，大臂上下摆幅0°～18°，大臂伸缩行程为100mm，满足表1所示的范围要求。

2.2机械臂主要关节受力计算

由于机器人对叶片进行修复的各类作业中，磨削作业会产生最大的反作用力，对机械臂的强度和刚度要求最高，因此以磨削作业为主考虑机械臂受力［4］。使用测力机构测出磨削时机械臂受到的磨削力为200N，压深力为400N。根据机械臂结构图1，可求解出个各关节的受力情况。对机械臂小臂关节受力情况详细分析如下(图3)。其中FG、FH为G、H两点的处置纸面的力，F磨为吸附磁体和叶轮表面的摩擦力(因为钢钢摩擦系数为0.15左右，所以F磨=0.15×800=120N)。因为G点处为弹簧结构，不能承受较大的垂直纸面的力，所以令FG约为0，同时FG为弹簧提供的弹力，而且图中为弹簧最大压缩处，同时为FH力臂最小处。为保证安全，这里也可以令FG为0计算出FH的最大值，以保证机械臂的作业安全。从以上考虑可以得出:FH=750N、FH=158N。

3磨削机械臂三维模型仿真

根据以上机械臂结构计算尺寸，利用CATIA软件绘制机械臂三维模型如图4所示。

4结论

机械臂范文第2篇

【关键词】机械臂；研究；发展

1.引言

随着机器人技术的不断发展，为了能更好地与环境进行交互、操纵物体、完成任务，跟上智能化的步伐，机器人的操作终端，如机械臂、手爪的作用越来越重要。这对机械臂的结构设计也提出了更高的指标，要求高的负载自重比，操作更加灵活，强稳定性和安全性等[1]。

2.机械臂的发展

机械臂（Manipulator）是模拟人的上臂而构成的。为了保证机器人手部有6个空间自由度，其主动关节数目一般为6。一般情况下，全部关节皆为转动型关节，而且其前3个关节一般都集中在手腕部。关节型机械臂的特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍物，是机械臂中使用最多的一种结构形式，比较典型的如PUMA[2]、SCARA[3]等。多关节机械臂[4]的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作，目前广泛应用于工业自动化生产线上。机械臂发展状况如下：

（1）第一代机械臂，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。它也可以简称为示教／再现方式的机械臂或是T/P方式(Teaching/Playback)的机械臂。目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方式。由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对周围环境无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制，主要用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作。

1996年樊炳辉等申请的专利，一种用于煤矿巷道、隧道、室内墙壁及一般机械行业喷涂工艺的四连杆机械臂机构。该机构主要包含行走组件、大臂组件、平衡拉杆组件、小臂组件四大部分，其中又包含四组按一定比例关系构成的四连杆机构，它能使喷枪在喷涂过程中，容易实现垂直起落，并始终保持对受喷面垂直、等距的关系[5]。

1997年乌克尔，戈道斯等申请的专利，一种用缝合针将病人的第二血管缝合到冠状动脉上的最小侵入性手术方法。该系统采用机械臂连接的手术器械。这些器械具有能够作来抓取和缝合组织的末端操作装置。该机械臂通过一个控制器与一对主操作手柄联结。手柄可以由外科医生移动来产生末端操作装置的一个相应移动[6]。

（2）第二代机械臂，即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种机械臂由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。如：

李彦涛等研制一种将Simulink控制程序和助餐机器人目标机无缝链接、下载的方法，实现机器人的实时控制，实时满足不同伤残患者的助餐要求。在Matlab/xPC实时目标环境的基础上，开发了助餐机器人的硬件接口模块和上位机软件模块，设计了助餐机器人模块化控制平台及基于脚踏开关、语音识别和图像识别的三种人机交互方式。实现了机械手3个关节控制器、运动学计算、路径规划控制算法[7]。

人脸肖像绘制机械臂是一种可以自动绘制人脸肖像轮廓图的智能机械系统，它由图像采集模块、图像处理模块、机械控制绘图模块组成，能够自动拍摄人脸照片，提取肖像轮廓，然后控制机械臂在画板上画出人脸线条画。人脸肖像绘制机器人是机器视觉的研究方向之一，广泛用于科普展览，其中提出的基于机器视觉的研究技术在生产和生活等各个方面都有着广泛的应用。研究绘图机械控制系统的硬件选型和控制算法，在Visual C++6.0中实现了外部对机械臂绘图动作的自动控制，设计机械臂绘画动作流程，完成人脸轮廓图的自动绘制[8]。

（3）第三代机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工作。第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。如：邹建奇[9]等人以柔性机械臂为例，进行简单的逆运动学分析.并采用小脑模型神经网络方法对机械臂的逆运动学进行了数值仿真分析，小脑模型神经网络可在较短的学习次数中有效地控制机械臂的振动。

在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人也占有一定比重。

3.机械臂技术的要素

（1）机械结构：以关节型为主流，80年明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的1/2。应汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。CAD、CAM等技术已普遍用于设计、仿真和制造中。

（2）控制技术：大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于PC开放结构的控制系统已成为一股潮流。

（3）驱动技术。新一代伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中分布式智能驱动新技术[10]。

（4）应用智能化的传感器。装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。

（5）通用机器人编程语言。在ABB公司的20多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。

（6）网络通讯。大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3%，其他采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。

4.前景展望

从三代机械臂的发展来看，随着技术的发展，机械臂越来越高精度，多功能，且向着集成化，系统化，智能化的方向发展。

（1）高速、高精度、多功能化。目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m/s。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。

（2）集成化与系统化。当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联结在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在FMS、CIMS系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，满足多样化、个性化的需求。

参考文献

[1]谢涛.单马达驱动机械臂的研究与实现[D].华中科技大学,2009.

[2]戴齐,姚先启.一种求解PUMA机械手运动学逆问题的分解解法[J].西安大学学报,1989年04期.

[3]郑东鑫.SCARA机械手系统设计与规划控制研究[D].浙江大学,2011.

[4]郭炬.串联多关节机械臂设计与分析[D].华中科技大学,2008

[5]樊炳辉,逄振旭,李贻斌,苏学成,杨明.多重四连杆机械臂机构[P].中国专利:CN96248553.5,1998-02-08.

[6]Y・王;D・R・乌克尔;K・P・拉拜;J・维尔森;S・乔丹;J・赖特;M・戈道斯.施行最小侵入性心脏手术的方法和装置[P].中国专利:CN97193955.1,1997-02-19.

[7]张立勋,李彦涛,何锋,李成福,高峻,王婷.助餐机器人[P].中国专利:CN200610010497.0,2006-09-06.

[8]孟盼盼.肖像绘制机器人技术研究[D].中国科学技术大学,2011-08-15.

[9]邹建奇,郎英彤，张宪滨.采用神经网络方法研究柔性机械臂逆运动学问题[J].吉林建筑工程学院学报,2011-04.

机械臂范文第3篇

滑模变结构控制方法比较适合于机械臂的控制。这主要是因为滑模变结构控制对一类有外界干扰和参数变化具备某种不变性，或称完全鲁棒性，这对于机械臂的控制非常有利，它可以削弱由于负载变化或随机干扰对系统控制性能的影响。但是，滑模控制作为一种不连续的控制方法，不可避免地会引起系统的“抖振”问题。抖振及其削弱问题是研究变结构控制的主要内容之一，因为一方面它将引起稳态误差，从而大大影响变结构系统的品质;另一方面它不停地消耗系统的能量，并可能激发系统的振荡［1］。趋近律方法是消除抖振最为有效的方法。采用趋近律设计方法能够有效地减弱滑模控制中的抖振问题［2］。本文在对机械臂的动力学特性和常用的指数趋近律的优点及缺点进行深入分析的基础上，利用饱和函数连续变化的特点，设计了一种新型改进趋近律，并给出了基于改进趋近律的机械臂滑模控制策略，以克服指数趋近律造成的系统在由切换带向原点运动时，不能趋近于原点而是趋近于原点附近抖振的缺点，同时保证了机械臂控制的快速跟踪性能。通过仿真比较表明:新的趋近律具备更好的趋近特性和收敛特性。

2机械臂的数学模型

建立机械臂的动态数学模型，通常采用以下两种方法［3］:①牛顿一欧拉方程，对于多关节的机械臂来讲，利用这种方法建立数学模型的关键是处理好各关节驱动力和各关节连杆位移之间的相互耦合关系，但是关节较多时，处理这种关系非常不容易。②拉格朗日动力学方程，该方程为能量的平衡方程，其更适合于分析相互约束下的多个连杆运动。基于拉格朗日运动学建立的n关节机械臂的动态方程为［4］:M(q)¨q+C(q，q)q+G(q)=u(t)+f(t)(1)式中q，q，¨q∈Rn分别为位置矢量、速度矢量和加速度矢量;M(q)∈Rn×n为正定惯性矩阵;C(q，q)∈Rn×n为离心力和哥氏力矩阵;G(q)∈Rn为作用在关节上的重力项矢量;u∈Rn为关节控制力矩;f∈Rn是外部扰动信号，具体包括建模误差，参数变化以及其他不确定因素。上述机械臂动力学方程具有以下两个特性:1)M(q)为对称正定矩阵;2)M－2V为斜对称矩阵;此两个特性保证了机械臂系统的可控性和渐近稳定性。

3趋近律设计

在滑模控制系统中，系统的运动可分为两个阶段，分别为趋近运动阶段和滑模运动阶段。系统从任意初始状态趋向切换面，直到到达切换面的运动称为趋近运动，即趋近运动为s0的过程［5］。根据滑模控制原理，滑模可达性条件仅保证由状态空间任意位置运动点在有限时间内到达切换面的要求，而对于趋近运动的具体轨迹未作任何限制，采用趋近律的方法可以改善趋近运动的动态品质。指数趋近律是一种常用的趋近律，表示如下［6］:s=－εsgn(s)－ksε＞0，k＞0(2)采用指数趋近律一方面可以缩短趋近时间，另一方面可使运动点到达切换面时的速度很小，改善系统正常运动阶段的动态品质，但是指数趋近律的切换带为带状，系统在切换带中向原点运动时，不能趋近于原点，而是趋近于原点附近的一个抖振，此高频抖振增加了控制器的负担，为此本文考虑对指数趋近律进行如下改进:s=－εs2sgn(s)－ks(3)引入s2的原因具体分析如下，当在开始阶段，由于误差比较大，所以s2也比较大，此时的趋近速度较快，随着控制器对系统误差的调节，系统的误差将会逐渐变小，此时系统逐渐趋于平衡，则s2变小，在平衡位置系统的抖动也将变小。但是式(3)对系统抖振的改善有限，只要控制器中含有符号函数sgn(s)，控制输出就不可避免地会产生抖振现象。饱和函数可有效抑制抖振，使输出平滑有界。因此本文考虑采用饱和函数中的双曲正切函数来代替符号函数进行趋近律的设计，双曲正切函数具体表达式如下:饱和函数法实质上是用饱和特性取代原有的继电特性［7］，目的是缓解切换的不连续性。图1是符号函数和双曲正切函数的比较曲线，从图中可以看出，双曲正切函数使得切换过程变得连续而又平滑，这对于抑制趋近运动过程的抖振具有重要作用。在趋近律的设计中引入双曲正切函数，具体表示为:s=－εs2tanh(s)－ksε＞0，k＞0ss=－εss2tanh(s)－ks2＜0(5)式(5)满足滑模到达条件。双曲正切函数的引入在抑制抖震的同时，会降低系统的跟踪性能，为了尽可能地保证系统的快速跟踪性，可以在系统满足一定条件的前提下，增大式(5)趋近律中的k并相应地减小ε。该趋近律既克服了指数趋近律方法中滑模运动切换带为带状的缺点，又保证了趋近过程的快速性，并且当接近滑模面时，该趋近律速度接近为零，有效地减小了进入滑模面的初始系统抖振。此时趋近律让状态变量不断趋向原点，穿越滑模面的幅度不断变化，抖振幅值不断减小，系统进入稳态后，稳定于原点，抖振现象消失，解决了滑模控制固有的抖振问题。

4控制律设计

机械臂滑模控制系统的结构设计如下图2所示。

4．1滑模面设计

取机械臂关节角位置的期望值qd为指令，e=qd－q为误差信号，设计滑模面为［8］:s=e+Ce，C=diag(c1，…，cn)，ci＞0(6)对于式(6)，当系统到达滑模面后，对给定的任意初始状态e(0)，系统将稳定并在有限时间内到达平衡点。此外，通过设计常数矩阵C，可使控制系统具有较好的动态品质［9］。

4．2控制律设计

以n关节机械臂为控制对象，不考虑建模误差和外部扰动，则系统的名义模型为［10］:

5系统仿真

为了验证控制算法的正确性和性能，本文选取了某二关节机械臂作为控制对象，进行了相关仿真研究。仿真利用Matlab7．1中的Simulink进行。由于机械臂的数学模型及控制律较为复杂，因此在仿真中使用了S－函数，分别对其动力学模型模块和控制律模块进行设计。其仿真流程如图3所示。本文提出的滑模变结构控制方法的控制效果又与滑模面的设计及趋近律的参数选择密切相关。为解决这个问题，可以考虑引入模糊规则、神经网络学习等算法等工具来进行参数寻优，以进一步提高滑模控制的效果。

6结束语

机械臂范文第4篇

在以往的仿真与控制项目中,人们主要通过两种方式进行设计,一种是采用传统的编程语言进行设计,如VB、VC++等;另一种是通过在三维建模软件上进行二次开发来实现,如Auto－CAD、UG等。前者在驱动控制方面的实现较为容易,但在仿真设计上过于繁琐,后者则与之相反。LabVIEW不仅具有优秀的软件开发环境,也是功能强大的自动化测试工具。基于LabVIEW的机械臂控制与仿真系统利用三维图形显示控件构建机械臂的仿真显示平台,使用NIUSB_6211数据采集卡和74HC138N为机械臂提供控制信号,可快速实现对机械臂的仿真与控制,缩短开发周期。此外,本系统还通过软件编程解决了仿真模型与实际机械臂的同步问题,实现了舵机的平滑转动功能。同时,拓展了NIUSB_6211数据采集卡的用途。

2系统体系结构

本系统包括仿真程序、控制模块和执行终端三个部分。其中仿真程序先从电子表格文件(.xls)中读取模型数据完成静态模型的建立,再根据用户的操作信息对机械臂的运动学方程进行求解,最终实现对机械臂的动态仿真;控制模块主要负责将用户的操作信息转换成控制所需的电信号,并通过控制电路将控制信号传给系统的执行终端(五自由度的机械臂)。如图1所示:

3系统简介

3.1仿真程序

本项目利用LabVIEW提供的三维参数曲面图形显示控件构建机械臂的三维仿真显示平台。静态建模时,先在X-Z平面内绘制出机械臂各杆件的平面图形,构建一个包含各杆件平面坐标的数组(xi,0,zi),根据各杆件的尺寸比例将其沿Y方向平移yi后可得到一新的数组(xi,yi,zi)(此时,若将这两个数组传给三维参数曲面函数可绘制出一个没有端面的空腔模型);再利用“翻转数组函数”对上述两个数组进行翻转操作后即可得到各杆件的封闭立体模型。本项目中作者通过设计“二维转三维.vi”(程序框图如图2)实现了上述功能,并将转换得到的立体模型数据存入电子表格。最后,根据机械臂各部分的位置关系,将各杆件的立体模型坐标数据在坐标系中进行适当平移后传给三维参数曲面函数完成对机械臂的静态模型建立(参见图4)。实现动态仿真时,需要先对机械臂各杆件的运动学方程进行求解,得到各杆件的齐次变换矩阵。如式(1):式中:ROT(z,θ)是实现使仿真模型绕Z轴旋转的齐次变换矩阵,也叫作旋转算子;θ是各关节的旋转角度(规定逆时针旋转时为正);c和s分别表示和。本项目中为了方便程序编写将上述旋转算子逆推一步,得到形如式(2)的旋转算子:其中x1、y1、z1是起始位置坐标,x2、y2、z2是目标位置坐标。得到各杆件的旋转算子之后,还需要解决各部件运动时发生分离的问题,本项目中作者通过“平移连接.vi”使后一杆件的坐标系始终以前一杆件的末端坐标为原点,使问题得到了解决。表1给出了机械臂各杆件的运动情况和对应的旋转算子组合:

3.2控制程序与控制电路

本项目利用NIUSB_6211数据采集卡作为机械臂的控制单元,拓展了数据采集卡的应用领域。由于NIUSB_6211数据采集卡只有四路数字输出端口,不能同时为五个舵机提供控制信号,因此作者使用74HC138N译码器,来实现对数据采集卡I/O口数目的扩展。具体过程为:先由控制程序将NIUSB_6211数据采集卡的端口p1.3、p1.2、p1.1定义为数字输出,将p1.0定义为时钟输出(即输出PWM信号);再把74HC138N的3个输入端C、B、A与数据采集卡的p1.3、p1.2、p1.1相连(实现对舵机的选择),使能端G1与p1.0相连(控制舵机转动角度),接地端GND和两个低使能端(~G2A,~G2B)都接到数据采集卡的GND上。这样只需三路数字输出和一路时钟输出就可以实现对8(23)个舵机的选择与控制。图3是控制电路的原理图:

3.3执行终端

本项目中采用一个五自由度机械臂作为系统的执行终端。使用前作者先对机械臂初始工作位置进行了定义,测定了舵机实际工作脉冲(PWM)的范围,确定了PWM值从小到大变化时对应机械臂的转动方向。

4同步与平滑转动的实现

4.1仿真模型与实际机械臂同步

本系统的执行终端没有安装向计算机回传数据的传感器,为了使仿真模型与实际机械臂同步运行,作者通过软件编程来实现同步。基本原理是:使控制指令(机械臂转动的角度值)同时被仿真程序和控制程序执行,并在新指令到来时进行判断;若当前控制指令已经被仿真程序和控制程序执行完毕,则传入新指令,否则进行等待,直到当前指令被执行完毕。

4.2舵机平滑转动

根据舵机的工作特点可知,PWM值与舵机轴的位置一一对应,用户输入一个值后,舵机将瞬间转到该位置;显然,如果用户输入的前后两个值相差很大,舵机将在瞬间转过一个很大的角度,这对机械臂来说是相当危险的。解决的方法是:控制程序对用户输入的前后两个值进行比较,若当前值比前一值大,则在前一值上+0.01,一直加到与当前值相等;若当前值比前一值小,则在前一值上-0.01,一直减到与当前值相等。这样,舵机的转速将近似为0.056rad/s(1°/50ms),从而使机械臂能够平滑转动。

5人机接口

本系统为用户提供两种输入控制指令的方式:一种是直接通过鼠标点击前面板上的表盘实现控制指令的输入;另一种是通过键盘实现控制指令的输入。其中键盘操作说明如下:小键盘上的01234数字键用于指定欲工作舵机的编号,WSAD键用于控制舵机的旋转角度,并规定按下“A或S”时舵机逆时针旋转;按下“D或W”时舵机顺时针旋转。如果按下的键不在上述情况中,则会在操作提示文本框里显示“按键错误”字样。图4为机械臂仿真与控制系统的前面板:

6总结

机械臂范文第5篇

奋进号此行的主要任务是什么？

奋进号此行的主要任务是为国际空间站送去加拿大研制的一个巨型机械臂，并完成安装工作。奋进号还携带了意大利研制的拉斐罗货舱，货舱内装载的是国际空间站需要的各种物资和实验设备。这是美国航天飞机的第104次飞行，任务编号STS-100。

巨型机械臂是干什么用的？

这次运去的巨型机械臂称“加拿大臂”2号，又称“大臂”，学名为“遥控操纵系统”，由加拿大研制。是国际空间站移动服务系统的主要执行机构。它用高强度的铝、不锈钢和环氧石墨复合材料制成，重1.63吨，长约17米，有7个活动关节。

在此之前，航天飞机上使用的机械臂也是加拿大研制的，长约15米，曾多次随航天飞机升空执行任务，在抓取和释放卫星等多项工作中立下了赫赫战功，称得上是太空机械臂中的“老前辈”。

与“老前辈”相比，“大臂”个头儿更大，也更为结实和灵活。在国际空间站的组装和维修过程中，它将发挥重要作用：它可以在空间站上四处运送设备和补给品，为宇航员在舱外工作提供支持，维修安装在空间站上的仪器和其它有效载荷。当然，它的这些功夫是在航天员的命令下完成的，航天员们为此要接受专门培训。

在“大臂”上还装有“专用灵巧操纵系统”，又称“加拿大手”。目前航天员太空行走做的许多组装工作。都可由这只巧手完成。

“大臂”是怎样安装上的？

4月22日“大臂”的安装工作开始。奋进号的驾驶员阿什比首先使用航天飞机上的“小臂”把“大臂”由航天飞机货舱提出，并运至预定位置。随后，加拿大第一位进行太空行走的航天员海德菲尔德和他的搭档帕拉金斯基出舱，把发射时呈“折叠”状态的机械臂打开。他们卸下了8个1米多长的超级螺钉。在发射过程中，这些螺钉保障了机械臂的安全，而现在该是让它们休息的时候了。

4月25日海德菲尔德和帕拉金斯基进行了第二次太空行走。接通了机械臂与命运号实验舱之间的电力、计算机控制和视频线路。航天员们曾试图打开“大臂”的备用电源，但没有成功。到底出了什么错？情急之下，二人先把所有电线拔下，又把它们再次联接上。令人奇怪的是，这么一番折腾后，备用电源竟一切正常了！

最大的难关是什么？

“大臂”安装完毕后，航天员们还要试验其功能是否健全，其中一项重要试验就是在“大臂”与“小臂”之间传接物体。但是意想不到的事情发生了。

首先出故障的是一台飞行控制用的计算机，控制人员急忙启用一台备用计算机。可没过多久，备用计算机也开始“犯晕”，程序混乱。接着，第三台指挥用的计算机也出现故障。对“大臂”的测试以及地面与空间站的通信被迫中断，地面控制人员只好利用奋进号上的通信系统与天上的航天员们保持联系，但无法对空间站上的系统实施监视。这是迄今为止，国际空间站上发生的最严重的故障。不过，这些故障并没有对站上三名长住航天员和乘奋进号临时到访的7名客人构成什么威胁，因为站上的生命保障系统工作正常，航天员们在舱内的工作仍正常进行。紧张抢修之后，计算机故障终于被排除了。

匆匆离去为哪般？

机械臂范文第6篇

机械臂的模型仿真采用MatLab平台下的RoboticsToolbox工具箱，从而可以很方便地对机械臂运动学的理论进行学习和验证。工具箱内部包含了很多机械臂运动学方面的功能函数，如机械臂的坐标变换及机械臂正逆运动等。通过调用Link和Robot两个功能函数，利用Denavit－Hartenberg参数表来描述机械臂各个连杆间的位移关系，可以在三维空间为机械臂的每一个连杆建立一个坐标系或相对于机械臂底座的相对坐标系，进而确定每一个杆件的位置和方向。在建立多个运动坐标的时候，为了方便，一般建立一张关节和连杆参数的D－H参数表。根据图4所示的结构模型建立的参数如表1所示。利用表1建立的D－H参数表来进行机械臂数学模型的运动仿真，在Matlab中将6个关节初始角度按照表1设置为θ1=90°、θ2=0°、θ3=0°、θ4=－90°、θ5=90°、θ6=0°。通过调节工具箱中每个自由度对应的活动范围可以实现机械臂任一关节的位姿运动。

2机械臂控制系统硬件实现

采摘机械臂要实现其特定的动作离不开控制系统的支持，其控制系统主要由AVR主控板和舵机控制扩展板组成，此外还有一些辅助的硬件模块。例如，使其系统稳定工作的开关电源模块、调整工作姿态的键盘模块、实现人机对话的显示模块和语音播报模块。同时，为了实现在上位机上的监控，设计了基于MAX232的串行通信接口。

3机械臂控制系统软件实现

机械臂控制系统软件主要由主控板控制程序和上位机监控程序两部分组成。采摘机械臂主程序流程如图8所示。整个程序主要是通过键盘模块上按键的控制来切换操作模式，也可以在上位机设计的监控软件中来进行模式的选择判断。主程序主要由单自由度功能模式、多自由度功能模式、轨迹规划功能模式这3种工作模式组成，通过这3种工作模式，可以完整的展示采摘机械臂的整体自由度配合情况。为了在上位机上实现对机械臂的监控，借助于Labview软件设计了机械臂上位机控制系统。Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式［6］。根据需求选择合适的控件并进行合理的布局，就可以构建一个美观的仪器仪表界面。设计的控制界面如图9所示，该界面包含有六个舵机的数据监控转盘、串口通讯设置、速度调节滑块、按键模块。通过RS232通信协议该监控软件可以实时的实现对六个自由度转角和方向的控制，其中舵机转盘上的数值代表脉宽值，其可调整的范围为500～2500μs，代表舵机相应的角度为0°～180°。在上位机上的控制信号发送给AVR主控制板，主控制板对接收到的上位机数据进行分析处理，将需要的运动形式及参数发送给舵机控制板，各个舵机根据接收到的控制数据进行相应的动作响应。

4结语

重点介绍了一种基于AVR单片机的果蔬采摘机械臂的硬件和软件系统，并借助于Denavit－Harten-berg(D－H)理论构建机械臂系统的数学模型，同时采用MatLab平台下的RoboticsToolbox工具箱进行数学模型的运动仿真。测试应用表明:该机械臂性能稳定、可靠性高，能够完成一系列在特定空间范围内果实的采摘工作。同时，还可以用在农业装备、机器人控制、数控设备和装配等领域，具有广阔的市场应用前景。

机械臂范文第7篇

Step 1 工具和材料

工具：由于不少金属和塑料材料都需要我们进行加工，因此以下工具是必备的：用于切割的旋转锉刀，一个好用的电钻，以及30W的电烙铁。

材料：

螺丝螺帽若干；NES手柄连接器；塑料扎带；NES手柄(其他同类型的手柄也行)；一个铅块用于配重(或者其他合适的重物)；一些塑料齿轮，留着备用。

Step 2 拆解打印机

剩下所需的大部分零件都是从一台坏掉的惠普打印机上拆下来的，所谓物尽其用嘛。类似的打印机也可以拿来拆解，当然前提是这台打印机确实已经报废了。咱们先把打印机的外壳部分拆下来，后面很多部件可以直接从这上面取材加工。比如这一大一小两个步进电动机就是来自打印机的尸体。后面我们要把这两个电动机用在机械臂的关节等部位上，以提供动力。

Step 3 金属部件加工

找来一些金属板之类的东西相信对各位来说也不是难事。不过咱们还是继续发挥废物利用的精神，只需要一个变压器的铁芯基本就能搞定这些金属小件。在加工之前，咱们先得画好图纸样板，接着就按照样板用旋转锉刀以及电钻进行切割和钻孔工作吧。手上活一定得细，不光是讲究造型，合适的大小才能保证后面能顺利进行装配。造型做好以后，最好再上点涂料防腐蚀。最后我们一共得到这5个金属小件，可千万别小瞧它们的作用。除了这几个小件，还得做机械臂的支架部分。还好我们一样可以从打印机上面取得两个长铁块，然后咱们把它们焊接成一个U型，如果你怕自己焊不好，可以交给街边的修理铺什么的帮忙焊一下。焊接好以后，咱们再按照前面做金属小件的方法补上几个件，原则还是一样，尽量精细一点。最后把所有的金属件汇总―下，看看有没有什么遗漏的。同样地，咱们还是上点漆保护―下。

step 4 塑料部件加工

处理完金属部件，咱们再来处理塑料的部分。先在打印机的侧面找到这个之前安装齿轮的部位，然后以凹孔为中心裁剪出一个菱形，留着后面装配齿轮和步进电动机。

接着在一块平板上裁剪出这样几个小件，先画出模板，再依次切割加工。钻好孔安装螺丝，后面再用来固定底座。

step 5　制造底座底座的材料咱们还是以木材为主，这样方便固定。当然了，得尽量选择结实平整的木料。首先我们准备好以下几件木材：一块54X16厘米的长木板，一块11x11厘米的方木板，四个2x3厘米的小木块。接下来按照图中的样子把四个小木块放在长木板上调整好合适的距离，总之要和我们之前从打印机上拆下的钢管长度相适宜。然后再用之前做好的凸型部件结合螺丝，把钢管固定在小木块上。仅仅这样当然是不够的。我们还得用11X11厘米的方木板做一个平台，好让机械臂能在上面横向移动。平台和钢管的连接处则利用之前准备好的套环和塑料扎带来固定，调整好位置后把平台取下来，等安装好支架再放上去。做活做全套，最后还是给所有的木料上下漆吧。

Step 6 组装机械手

控制机械手的关键元件是一个伺服电动机，这玩意儿可以从网上搞到。至于其他的部件大家同样可以看看身边有没有合适的材料可以物尽其用。这里我们还是从塑料板上裁剪出了几个部件，然后再用螺丝和齿轮装配成机械手的骨架，记住两个齿轮一定要能够顺畅地咬合。然后就得让伺服电动机上场了，这玩意儿的功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度，是自动控制设备中常见的元件。咱们先把它用螺丝固定在机械手的上方，再找来一根8厘米左右长度的铝管来做机械手的前臂。

step 7 组装肘部

要组装好肘部，咱们得先把之前准备的几个金属部件组装成图中的形状。然后把小号的步进电动机组装在上面，只要前面的活够细的话，组装起来应该没太大问题。

Step 8 组装前后臂

组装前后臂的关键是做好连接杆。拿出之前准备的Y型部件，再利用两个凸型部件把齿轮固定在Y型部件的中间，接着再组装到肘部上。最后在Y型部件的后面固定好一根20厘米左右长度的铝管作为后臂。

Step 9 完成支架

支架部分一定要够牢固，而且得多试验下机械臂合适的高度，千万别因为配重不平衡而东倒西歪。

把之前焊好的U型部件固定在平台的一边，并安装上一根连杆，在连杆一端安装好一个较大的传动齿轮，

接着按照图中的样子组装好另一个U型部件，并把它固定在相邻的平台另一边。这个U型部件是用来安装另一个步进电动机的。

接下来拿出之前准备好的菱形部件，把齿轮安装在上面，最后再安装上另一个步进电动机，确保它能顺畅地带动这个齿轮。

然后把用于配重的铅块固定在后臂上，调整好合适的位置后，再把连杆通过几个小部件固定好。这样一来，机械臂的支架就算基本完成了。

Step 10 安装履带

最后咱们再来做一个小型的传动履带，用来带动机械臂在底座上横向移动。当然，还得在履带中间用些小技巧来卡住平台。

现在我们还得另外找一个电动机，安装在履带的一端以提供动力。记得要让履带保持一定的张力，让齿轮能顺畅地带动履带。

履带和电机都装好以后，把平台安装上去好好调试―下，看看会不会发生卡壳等问题。

Step 11 组装电路板

电路板也是从别的玩意儿上拆下来再依次安装元件的，对于经常玩电路的同学来说也没有太大的难度，只需在焊接的时候细致一点。电路板包括一个小板和一个大板，咱们先来看小板，小板是用来驱动电动机的，包括一个pic 16f628a单片机芯片，一个uln2003电路，搞定后连接在大板上。接着是大板，咱们得把NES手柄连接器装在上面，顺带再安装一个LED做指示灯。

Step 12 编程

至于给单片机编程的工作，就要靠各位自己去研究了，同样地，我们会把编程代码和设计图纸放在《Geek》论坛上，提供给有兴趣的同学。总之这里用的主要是JDM编程器和WinPic 800编程软件，分别给大板和小板编好控制程序。

Step 13 最后组装

激动人心的时候到了。所有的步骤搞定后，咱们可以来进行最后的组装。总之该接的接上，该调试的调试。最后咱们只需接上NES手柄，就可以好好地调教一下这个个头虽小却灵活十足的“怪手”了!

后记：

机械臂范文第8篇

“最黑”材料 黑到无法看见

你见过的最黑物质有多黑呢？英国一公司生产出了“奇异的、与众不同的”物质，非常之黑，以至于它能吸收几乎所有的可见光，创造了新的世界纪录。这种“超黑”涂层由碳毫微管组成，每个碳毫微管都只有人类头发的一万分之一细。凝视这种涂层是古怪的经历：它太黑了，以至于人类的眼睛无法理解看到的东西――形状和轮廓缺失了，只留下看起来像一片深渊的物质。

现实版“风火轮”：火箭溜冰鞋

看过动画片《哪吒》，我们都很渴望自己也能像哪吒一样，拥有一对“风火轮”。踩着它，随时随地去想去的地方，快速又轻松。美国科学家最新发明的火箭溜冰鞋，可谓是现实版的“风火轮”。其最大时速可达到19千米，而且通过一款手机插件就可监控你的溜冰鞋以及它的性能，还可实现路线跟踪、溜冰诊断、电池状态分析和玩游戏，同时还能与其他使用者建立社交互动。

汽车尾气破坏昆虫授粉能力

汽车排放的尾气不仅污染空气，其中的二氧化碳气体更是导致温室效应的罪魁祸首。不过，最新研究发现，汽车尾气的“罪状”不仅仅这些。伴随汽车尾气等污染物质混入空气，飞蛾和其他昆虫灵敏的“鼻子”也将逐渐失效，即使附近存在着花卉，也无法探测到，这将导致蜜蜂等昆虫无法对植物授粉。

手提式冰箱 让你随时随地喝冷饮

炎炎夏日，没有什么再比随时随地喝上透心凉的冰镇饮料更让人开怀的。这款手提包式的“冰箱”会为你的夏天再添一丝清凉。它的内衬材料完全防水，顶部采用防水密封拉链结构，即使手提包完全倒置，也不会出现液体泄漏。四周及底部分别被2.5厘米和3.8厘米厚的隔热材料层环绕，可保持冰块持续冷冻多天，即使将手提包放置在高温物体表面，内部冰块也不会融化。

耳机线再也不易打结了

机械臂范文第9篇

关键词：窨井清掏机械臂；结构；设计

1 国内外在本课题上的发展状况

当前国内常使用的清掏淤积物的方法是缓车清淤的办法，就是先用TT片穿过管道后，并将钢丝绳的一端系在绞车上，另一端连接有清通工具系在另一台绞车上，绞车来回往复绞动钢丝绳，带动清淤工具将淤积物刮到下游积水井中或提出井外，然后人工清掏积水井中的淤积物，从而使管道畅通[1]。这种方法只是将淤泥以及其他杂物“推进”窨井底部，再由人工清理窨井底部杂物。

目前国外对下水管道的淤积物的清理方式主要是利用高压吸泥技术来完成。西方国家在60年代就研制出了管道清通车。例如，英国HARBEN公司吸泥车，是一种典型的利用高压技术进行清淤，该吸泥车配用的真空泵，排气量为1270In3/h，吸泥管直径l00mm。意大利的拉雷斯清淤车，携带的真空吸污装置和高压喷水装置，能将深达8米左右的地下管道疏通。

2 窨井清掏机械臂结构设计

2.1 工作原理

窨井清掏机械臂是安装在工程车上的一种工作装置，它是由固定基座和可伸缩机械臂组成，通过伸缩缸的作用使移动体伸出及缩回，并能进行滑移和摆动。窨井清掏机械臂主要是与其联接在一起的伸缩臂和机械手爪配合作用，从而抓取窨井内的淤积物。窨井清掏机械臂的使用会简化清掏重物作业过程，极大地降低工人工作强度，提高工作效率及安全性，改善清掏效果。在城市窨井的清掏作业过程中，发挥了极其重要的作用。

2.2 机械臂的分类

（1）按用途分：机械臂可分为三大类，通用机械臂、专用机械臂和示教再现机械臂。通用机械臂的定位精度高、可工作范围大、通用性强、控制系统独立、程序可变、动作灵活多样，适用于环境不断变化的小批量自动化生产中。专用机械臂是一种具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，它附属于主机，动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低廉等特点。适用于大批量的自动化生产。示教再现机械臂是一种具有记忆功能的机械臂，首先在人工的引导下完成所有动作，然后机械臂记忆该动作，不断自动重复执行。

（2）按控制方式分：机械臂可分为两大类及连续轨迹控制和点位控制。连续轨迹控制是指机械臂在空间内的运动轨迹为任意连续曲线，它的最大特点是设定点是无限的并且机械臂的整个移动过程都处在控制之下，可以实现平稳和准确的运动。点位控制是指在空间内的运动为点到点的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。

3 伸缩臂结构设计

3.1 机械臂具体尺寸及结构

3.2壁厚的选择

先初定一个壁厚，并用此壁厚进行强度校核，抗弯校核，如果不满足要求，可从新选定壁厚再次重复以上校核步骤；如果满足要求，根据校核结果，可适当对壁厚进行优化[2-3]

3.3 臂长的确定

小臂在工作时当手爪从窨井中抓起杂物后，必须保证伸缩臂在伸出后的长度在提起杂物过程中不使得手爪与车架发生干涉而影响正常工作，在工作完毕后伸缩臂在完全收回后的长度也要保证机构不会与车架发生干涉现象。大臂的高度要保证在机构收回后水平长度不会触碰到车头部分，并且有一定的预留空间。

3.4 摆动马达的设计及计算

3.4.1 摆动缸负载的计算

负载可分为静负载，阻性负载和惯性负载。对于本设计而言，主要为惯性负载。

3.4.2 转动惯量的计算

负载转动惯量主要为T形臂与负载，伸缩臂折算到轴上的转动惯量。

则摆动缸输出负载总的转动惯量为：

J=J1+J2+J3

4 结束语

本文创新研究了污水井重物清掏机械自动化设备；对现有的机械清掏式窨井清理进行了机械的改进，极大地提高了污水清掏的作业效率，减少了人员体力浪费，节省了污水处理单位的经济开支。

参考文献

[1]安少军.城市窨井积水井清掏机原理样机的研究[D].哈尔滨工程大学，2007.

[2]陈铁鸣，王连明，王黎钦.机械设计（修订版）[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

机械臂范文第10篇

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。

参考文献：

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