车载机械臂轨迹布局与轨迹补偿方式研究

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1、车载机械臂轨迹布局与轨迹补偿方式研究第1章绪论1.1课题研究背景及意义随着机器人技术的发展和完善，该技术对很多国家的太空和海洋探索、工业生产以及国民经济产生了积极影响，并且这种影响呈扩大趋势发展。机器人是将电力电子技术、自动检测技术、机械工程技术等多学科先进技术融于一体的现代产品制造工业的装备，因此，机器人技术成为了当代技术研究的热点问题[2,3]。机器人自20世纪60年代初问世以来，共经历了从自动机到工业机器人以及从一般机器人到具有强大功能的工业机器人两大飞跃[4,5]。目前机器人技术的研发正处于蒸蒸日上的发展阶段，机器人技术的应用标志着整个国家的自动

2、化水平。发达国家中，机器人技术已经在诸多领域中得以运用[6-8]。车载机械臂是将各个关节、连杆和末端执行器共同组合成的一个相互连接以及相互依赖的传动机构。工程应用中大多数车载机械臂采用液压驱动，如图1.1所示。车载机械臂主要优点有：操作简洁方便、节省作业成本、装卸效率高等。为了完成自动转载过程，需要设计合理的轨迹规划方法，使整个过程平稳安全的运行。考虑到车载机械臂在自动转载过程中会发生形变，对装载精度造成影响，需要补偿因变形所造成的影响。保证按照指定路径平稳的抓取和放置目标物体，完成整个自动转载。车载机械臂构型较复杂，同时含有旋转关节、回转关节和伸缩关节

3、，并且伸缩关节具有强耦合性。在机械臂运动学的分析过程中，构型特点、任务要求以及作业环境的影响对进一步的研究有着重要意义。研究车载机械臂轨迹规划对其平稳、准确、安全和高效的转载有着巨大的意义。这不仅使得大载荷物体转载的自动化程度大大提高，而且节省了大量人力，确保了转载精度。车载机械臂在实际工程中，自动转载过程中产生的误差对整个转载精度造成不利的影响。研究轨迹误差补偿，对整个车载机械臂自动转载具有重要的意义。本课题中的车载机械臂属于液压驱动型机械臂。它主要转载任务是完成大载荷物体在该车与运输车之间的转载作业。传统的搬运机械臂既耗费了大量的时间和体力又不能保证

4、转载精度。因此，本课题设计了一种具有高自动转载精度的车载机械臂。1.2车载机械臂的研究现状从20世纪40年代开始，国外形成了机电液控制一体化的车载机械臂，用于搬运物体。西方发达国家中，劳动力成本很高。运用车载机械臂装卸物体，不但可以降低生产成本，而且可以提高装卸精度。因此，车载机械臂在国外发达国家中得到广泛的应用[9]。目前国外市场中比较有名气的是德国法恩公司生产的车载机械臂，该公司产品的特点是：前轴装减震刚性轴，后轮装独立单轮，这样使该产品在野外作业时性能大大改善。世界知名车载机械臂制造商联邦德国克虏伯公司生产的KMK系列产品，不但可以节省燃油，而且维

5、修与备件供应极为方便。还有芬兰希尔博公司、奥地利帕尔菲格公司和意大利FASSI公司主要生产折叠式车载机械臂[10]。我国最早使用的是日本生产的伸缩臂式车载机械臂。这种结构的车载机械臂结构复杂，不便于维修。近年来随着我国经济的高速发展，车载机械臂的市场也逐渐扩大，促使中国的自动化生产快速发展[11,12]。全国生产车载机械臂的厂家约有l0多家，主要企业有徐州随车起重机公司、山西长治清华机械厂、石家庄煤矿机械厂、湖南专用汽车制造厂等[9]。目前，随着科学技术的进步，世界各国车载机械臂的生产有了较大的发展。从最初的单一产品，现已发展成全系列、大力矩、多功能、外

6、型美观、操作简单、使用安全，并能进行有线或无线遥控的先进产品，可以说车载机械臂的发展已进入了成熟期。由于国外劳动力费用高，强调工作效率，施工中基本不存在人工装卸，车载机械臂有使用灵活、技术成熟等特点，所以在欧洲车载机械臂市场前景广阔。我国车载机械臂起步较晚，但随着科学技术的进步和市场需求的增加，我国车载机械臂的生产水平将会日益发展，系列将不断完善，产品将具有更大的市场潜力。目前，在沿海城市和地区，车载机械臂的销售形势正逐步好转，特别是大型车载机械臂，正受到南方个体用户的青睐，并有向内地推进的趋势。第2章车载机械臂运动学建模2.1引言车载机械臂的运动学主要

7、把机械臂相对于固定参考系下的运动作为时间的函数进行分析研究，而不考虑引起这些运动的力和力矩，也就是要把车载机械臂的空间位移解析地表示为时间的函数，主要是研究关节变量空间和车载机械臂末端执行器位置和姿态之间的关系。由于车载机械臂是由关节、连杆及伸缩臂构成，所以为每一连杆建立一个坐标系，并用齐次变换矩阵方法来描述这些坐标系间的相对位置和姿态。对于车载机械臂的运动学建模主要包括两方面问题：（1）正运动学问题：已知连杆参数α、a、id以及关节变量的值，来求解末端执行器的位姿。机械臂的总体坐标系，一般取大地上的笛卡尔坐标系。（2）逆运动学问题：已知连杆

8、参数α、a、id以及末端执行器位姿，来求解机械臂各个关节变量的值。通