关键词 机械臂；游戏杆；自由度
中图分类号TP24 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）102-0217-02
0 引言
机械臂是机器人中应用最为广泛的一种，由于机械臂的智能限制，在非结构环境下还需操作者根据现场环境遥操作机械臂来完成任务。因此，遥操作机械臂系统的建立具有一定的工程应用价值。
遥操作机器人控制方法总体可概括为：监督控制方法、直接控制方法、基于事件的控制方法、混合动态系统研究方法等。监督控制由操作者的智能基于反馈信息来识别判断系统的状态，适用于以获取信息为目的并对操作效率要求不高的遥操作应用领域；直接控制方法基于无源性理论，以双向力反馈为基础并将无源性理论应用到机器人遥操作系统中得到的；基于事件的方法运行时，系统的参考不再为时间，从而使得系统的信息传输能够在事件域内有序合理的完成，保证了系统的信息匹配，进而克服了网络通讯的时延等因素对系统的影响；混合动态系统是同时包含有相互作用的离散事件动态系统和连续变量动态系统的一类大系统，离散事件过程需要采用逻辑类型的模型来建模并服从于离散事件动态系统的演化机制，连续变量过程需要采用微分方程或差分方程形式的模型并服从于连续变量系统的运动规律，离散事件和连续变量互为约束，依据某种规则构成相互作用。
本文将现有的机器人技术和遥操作技术相结合，通过对六自由度遥操作系统的设计及实际工程的应用，探讨遥操作机器人的工程实现方法，对于遥操作机器人系统的应用研究具有一定的现实意义。
1 六自由度机械臂系统
根据机械臂完成任务的要求，本次设计的机械臂由五个转动关节和一个自由度的手爪组成，所设计的机械臂本体结构如图1所示。
控制系统选用嵌入式系统，任务是调度各个任务模块的工作，使整个系统可以协调的工作，其中包括直流电机驱动控制，光电编码器输出信号处理、串行通讯实施、环境检测驱动与处理等，其控制系统如图2所示。
2 遥操作机械臂系统
整个遥操作的实验平台如图3所示。
系统由游戏杆、PC机、无线数传模块PTR4000、单片机AT89S52、RS232电平转换电路、六自由度机械臂组成。游戏杆是Microsoft公司出产的具有力反馈功能的游戏杆，具备X、Y和转动三个自由度。操作者通过游戏杆将机械臂各关节的命令利用PC机经过RS232电平转换后送给下位机AT89S52，此后单片机将命令传给无线数传模块PTR4000进行无线传输，远端机器人上的无线接收模块接收到数据后直接给机械臂控制器，与此同时机械臂控制器将检测到的现场环境信息通过无线模块传回给PC机，使操作者进行下一步的操作，如此构成了一个闭环系统。
3 基于游戏杆的位姿控制
游戏杆是用来传递操作者的信息给上位机的，它把操作者的动作信息转换成控制命令来发送给远端的机器人实现遥操作控制。上位机与游戏杆之间的通讯主要用DirectX技术，应用DirectInput建立操纵手柄力反馈流程如图4所示。
4 实验研究
遥操作系统分为主端和从端，操作者所在端为主端，机械臂所在端为从端。六自由度机械臂遥操作模拟实验基于图3遥操作机械臂系统，在主从端增加了比较成熟的视频传输系统。
主端PC机主频为2.66G，内存为512M，操作系统为Windows XP。操作者基于视频和机械臂手爪末端超声波测量的与目标物的距离信息对所设计的六自由度机械臂进行遥操作，操作过程结果如图5所示。
5 结论
根据实际工程要求，设计了六自由度机械臂系统；给出了作为操作者操纵装置—游戏杆的软件设计及操作者远程操作六自由度机械臂的操作手法；设计了实际遥操作六自由度机械臂系统，并进行了遥操作模拟实验，实现了利用游戏杆遥操作六自由度机械臂的目的。
参考文献
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关键词：采摘机械手臂；苹果；结构设计
引言
水果采摘季节性强、费用高且劳动量大[1]。加速农业现代化进程，实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。研究采摘机械人，对于降低人工劳动强度和采摘成本、保证水果适时采收，具有重大的意义[2]。我国从上世纪70年代开始研究水果蔬菜类的采摘机械，并且也逐渐起步，如上海交通大学已经开始了对黄瓜采摘机器人的研制[3]，浙江大学对番茄采摘机器人进行了结构分析与设计的优化[4]，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别装置进行了研究[5]。目前，我国研究的采摘机器人还有西红柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘机器人等[6-8]。文章对苹果采摘机械手臂进行选型，进一步进行详细结构设计，最后对设计结果进行试验验证。
1 机械人机构选型及自由度的确定
由于采摘机械人的作业对象是苹果，质量轻，体积小，故而可选择较为简单、灵活、紧凑的结构形式。
根据机械人手臂的动作形态，按坐标形式大致可将机械人手臂部分分为以下四类[9]：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手；多关节型机械手。采摘机械臂的结构型式选取主要取决于机械人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制难易等要求。以上四种型式，它们的活动范围和灵活度逐渐增大。经过对苹果采摘空间的研究，结果表明，苹果树树冠和底部的苹果分布极少，大多分布在树冠中部，大约有80%以上的苹果分布在距地面垂直高度1-2m、距树干左右方向1-2m的空间范围内，且阴阳两面的苹果分布率并无明显的差异。这就要求采摘机械手应当具有较大的工作空间，因此选用多关节型机械手较为合适，且其占地面积较小，更加适合苹果采摘作业。
实际中，苹果生长位置随机分布，这就要求机械臂的末端执行器能够以准确的位置和姿态移动到指定点，因此，采摘机械人还应具有一定数量的自由度。机械臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配。一般来说，自由度数量越多，机械臂的灵活性、避障能力越好，通用性也越广，但增加一个自由度就相当于增加了一级驱动，会使得机器人的成本上升，而对于农业机器人而言，成本高将会大大的减缓其机械商品化实用化进程，同时增加自由度会相应增加机器人的控制难度，降低机器人的可靠性。综合考虑，将自由度数目定为六个，这样不仅能够使得末端执行器具有较为完善的功能，而且到达采摘空间中的任意位置，而且不会出现冗余问题。
2 采摘机械臂工作原理
图1 机械人结构简图
图1是本次设计的球类水果采摘机械人的结构简图。该结构为六自由度机构，可划分为底座、大臂、小臂、腕部和手五个部分。机械臂的底座通过舵机带动传动系统实现各个部分之间的相对转动和旋转。其中的各个转动和旋转均是通过电机驱动螺旋丝杆来实现。该设计机械臂的传动如下：（1）底座旋转。确定与底座平面互相垂直的目标采摘物所在的平面。（2）大臂转动。移动至目标采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂转动。将采摘机械手送至目标采摘物的附近。（4）手腕转动及旋转。调整机械手末端采摘机构的姿态，使其处于一个合适的位置，保证采摘任务能够合理完成。（5）手夹紧放松，完成对目标采摘物的采摘任务。此外，将末端执行器设计为关节型的两只手指，通过舵机6（舵机分配情况见图2）、齿轮的啮合及连杆机构实现对目标采摘物的夹紧与放松。
由以上分析得出：机械手的空间位姿由各个关节的空间坐标来决定，即当机械手的各个舵机的坐标确定的时候，就可以确定机械手的空间位姿。而决定舵机坐标的因素就是臂长及臂的转动角度，而在这两个参数中，设计结束后臂长是确定的常量，角度为变量。在模型当中，舵机1、2的相对位置固定不变，控制末端执行器的舵机6用来调整手的姿态，因此可以先忽略舵机1、6，将舵机2轴线中心的位置设为坐标系原点。
图2 舵机分配方框图
3 机械臂结构设计
首先用Pro/E软件中的零件模块对机械人各个零件进行绘制，然后再对零件进行自下而上的装配，以及进行零件图及装配图的绘制。大臂、小臂和腕部、机械手零件图以及装配图分别见图3、图4、图5、图6和图7（单位均为mm）。
4 试验台搭建与抓取效果实验
根据零件图及装配图进行试验台搭建。由于设计尺寸较大，故将整体尺寸缩小4倍来进行搭建。实物如图8所示。通过操作上位机控制软件指令信号，可给伺服舵机控制器发送控制指令信号，从而实现机械人在空间中精确作业。试验结果表明：机械人能够较为平稳、准确地对目标物进行夹取、移动、放置等任务。证明设计合理，试验台搭建正确。
5 结束语
通过对水果采摘作业的分析，设计了一套六自由度关节型采摘机械人。其运动范围覆盖了水果果实的分布范围，末端执行器能够执行对水果的采摘任务。在采摘过程中，只需对舵机进行控制，在一定程度上降低了控制的难度和复杂性。当然，设计中也存在不足，例如缺少对果实的切割装置，而且对葡萄等较小、较软的果实采摘技术不成熟，有待进一步的改善。
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（安徽工程大学 机电学院，安徽 芜湖 241000）
摘 要：为了快速实现柔性机械臂的精确定位，减小机械臂移动过程中的抖动，本文利用Lagrange方法建立了柔性机械臂的动力学模型，并在此基础上利用线性二次最优控制LQR（Linear Quadratic Regulator）方法设计了机械臂快速定位控制器.在LabVIEW虚拟仪器软件中进行了仿真实验验证，结果表明：利用 LQR方法控制的机械臂系统响应更快，能更快地到达目标位置，速度提高约2.8倍，大幅减小了达到稳态的时间，同时削弱了运动过程中产生的抖动，机械臂的整体性能得到提高.
关键词 ：柔性机械臂；精确定位；LQR控制器；系统响应
中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2015）04-0028-04
随着现代工业化生产率大幅提升，多是通过现代自动化的生产线所得，而未来的机械人的发展一定是高速、精密、大承载和轻量化等方向.在特殊行业以及特殊环境中的特种微型机器人，在结构的设计过程中，也需要考虑的重要因素是构件的柔性变形以及影响其运动性能和动力性能等.在研究柔性机器人的研究中有三类[1]，包括针对连杆柔性、关节柔性和综合考虑两者，研究前两者的较多，综合连杆柔性和关节柔性因素的文献较少，具有一定的发展前途.
目前，大多数的机器人开始向柔性方向发展，由于机器人的传动机构也是多采用谐波减速器等，所以机器臂在工作的过程中就会产生抖动的现象，这也是本文研究的一个重点问题.
大多研究机器人的国内外的专家学者，都是将关节为常值刚度条件进行展开，来研究柔性关节的机器人建模与控制问题[2].机器人的刚度增强的原因[3]有很多种，例如减速器内部的齿轮在工作期间的离心力、惯性和最为关键的，一对齿轮在啮合时，啮合点随着齿轮的转动会发生实时的变化[4]，形成啮合线，在这些原因中，都会使机器人在运动过程中，关节的刚度成动态的表现.关节动态刚度是通过机构系统的振动环境进行判断预测，而预测环境包括对已知系统和响应过程，求解激励[5].朱长春等在振动环境试验响应的神经网络预测方法[6]中提到预测、响应结构抖动环境可以将神经网络运用其中.雷晓燕等在高架轨道诱发环境振动预测与评价研究中对高架轨道结构的环境运用有限元瞬态分析方法针对抖动进行预测与分析.邓长华等在管道联接件参数识别的行波法[7]中，识别管道结构联接件处物理参数运用行波理论的方法，上述文献都是对对结构的振动分析，通过已知系统和响应过程，求解激励.庄未等在运动状态下柔性关节机器入振动环境预测[8]中的结论是判断预测关节动态刚度和阻尼是机构系统激励的基础，针对机械臂系统的3自由度[9]，提出相结合行波理论与关节旋转变换矩阵，预测下机器人的柔性关节在运动状态中的振动情况以及实验分析，建立机器人机构系统的波动方程.
柔性机械臂作为柔性多体系统动力学分析与控制理论研究的重要对象，是新型机器人的重要组成成分，在现代工业和国防领域中占有十分重要的地位.相对于传统的刚性机械臂，柔性机械臂具有更好的高速操作性，更低的能耗，所以拥有更大的工作空间.由于柔性机械臂在动作时会产生弹性变形，从而带来机械臂动力学系统方程的非线性、强耦合等问题，这给柔性机械臂的分析和控制带来了困难.近年来，国内外学者致力于柔性机械臂的控制分析问题，提出了多种控制方案.非线性反馈控制通过求解逆动力学方程[10]计算控制力矩以实现近似解耦和线性控制，该方法以机械臂动力学模型精确已知为前提，对于具有未知负载、存在外界扰动的机械臂难以保证控制性能；自适应控制方法能够通过自适应方法[11~12]辨识机械臂参数，不需要预先已知，但是对于高速运行的柔性机械臂控制需要在线计算大量位置、速度等非线性函数，计算量大且控制器实现困难；神经网络方法[13~14]通过学习模型中的未知信息来逼近机械臂系统的动力学模型以实现控制，但是该方法学习速度较慢，计算量过大，难以满足实时性要求.
柔性机械臂控制系统的最优控制要兼顾系统响应和系统控制两方面，综合考虑使性能达到最优.本文在分析现有机械臂控制方法的优缺点后，选取线性二次最优控制方法（LQR）作为机械臂动力学系统的控制器.使用LQR方法[15~16]的优点是不必根据要求的性能确定闭环极点的位置，只需要根据系统的响应曲线寻找出合适的状态变量和控制量的加权矩阵即可，因为求得的控制器是误差指标J最优意义下的控制器，所以系统的性能也是误差指标意义下最优的.
1 柔性机械臂的动力学模型
本文以电机和齿轮减速箱驱动的单连杆柔性机械臂作为研究对象，模型建立过程如下：
系统的弹性势能：
T0表达式中各参数定义：kt为电机转矩常量，km为电机反电动势，kg为齿轮箱总传动系数，Rm为电机线圈电阻值，Vm为外加电压，ηm为电动机效率，ηg为齿轮箱效率.
将公式（5）分别代入公式（6）、（7）并求解得到以下结果：
以上就是柔性机械臂系统的动力学模型.
将式（9）、（10）的模型转换成状态方程，便于构建控制器对模型进行最优控制，转换后的方程如下：
2 建立LQR控制器
LQR控制器的设计原理是线性二次最优控制思路，在系统由于本身因素或者外界干扰影响而失去平衡状态时，该控制器能在较低能耗下控制系统各分量回归接近于平衡状态[17].经过控制的系统实现可线性化，所以解答简单，适用于对柔性机械臂系统的控制.
对线性系统的状态空间方程描述一般如下：
x(t)=Ax(t)+Bu(t)（12）
y(t)=Cx(t)（13）
其中A,B,C分别为时间的矩阵函数，最优控制的目的是将系统由非平衡状态控制返回接近至平衡状态.
LQR方法给定了决定性能的目标函数：
其中u不受限制，Q为半正定矩阵，是对状态变量的加权矩阵，R为正定矩阵，是对输入量的加权矩阵.
对于本文建立的柔性机械臂动力学模型，相应的LQR控制器指标函数可以表达为：
只要上式的J达到最小，就实现了LQR控制器对柔性机械臂的最优控制.
3 仿真实验及结果分析
对式（11）模型中的各参数计算赋值：Rm=2.6?赘，k=0.8，kt=0.00767N·m/A，km=0.00767V/(rad/s)，kg= 70，J1=2.6×10-3kg·m2，J2=3.5×10-3kg·m2，Be=4×10-3 Nm·s/rad，ηg=0.9，ηm=0.69.将以上参数代入式（11）计算，结果转化为式（12）、（13）的模式如下：
在LabVIEW软件中搭建了LQR模型，模型的参数经过试验比较选择如下：
本文研究的柔性机械臂性能评定指标是定位角θ和机械臂移动过程中的摆角α，要求θ在响应过程中能迅速达到目标定位值，要求α能迅速达到期望值0，并且在响应过程中出现尽量少的抖动.
将上述机械臂动力学模型参数和LQR控制器模型参数加载到控制程序中，在系统的阶跃响应情况下比较加入控制器和未加控制器的响应结果，结果如下图1所示.
将图1中表示θ和α的阶跃响应参数提取列表如下.
得到反馈的LQR控制器最优参数为：K=[1.15 -2.51 0.22 -0.04].分析图1中两组阶跃响应图：图（a）中定位角θ的响应曲线经过LQR控制前后有明显区别，在设定一个共同的期望定位角后，LQR控制的系统相对无控制的系统响应时间较快，从表1可知无控制的θ角达到期望值的时间为7.7s，而LQR控制的θ角达到期望值的时间仅为2.75s，效率提高近2.8倍，柔性机械臂的定位速度得到大幅提高.
摆动角α表示机械臂移动过程中的抖动强弱，是机械臂稳定性评估的重要参数.从图（b）结合表1可知，施加LQR控制前后，α到达期望值0的时间接近，分别为控制前的2.2s和控制后2.1s.但是未加LQR控制的α响应曲线在达到期望过程中存在较多峰值，抖动效果太强，在工作过程中会对作用对象造成破坏，长时间抖动也会影响机械臂本身寿命和精度.而经过LQR控制的α角在响应过程中只存在一个较高峰值，随后迅速削弱向期望值0逼近并保持，说明经过LQR方法控制的系统自动调节平衡能力远强于未加LQR控制的系统，同时大幅度削弱了抖动，对作用对象和柔性机械臂都有较好的保护.
分析了LQR控制系统响应的优越性后，作出LQR控制的柔性机械臂系统的输出效果曲线，如图2所示.
图2中定位角θ稳定上升到目标位置，控制效果偏差从初始位置迅速降低到0，由于LQR系统很好的消除了机械臂动作过程中的抖动，摆动角α输出曲线基本保持在0位置，图1、图2的分析结果表明经过LQR控制的柔性机械臂系统能够实现快速精确定位，并且能有效削弱定位过程中机械臂的抖动.
4 总结
目前，机器人的方向开始往柔性方向发展，而机器人的传动机构多采用谐波减速器等，所以机器臂在工作的过程中就会产生抖动的现象，这也是本文研究的一个重点问题.
柔性机械臂的快速定位和抖动消除是一个复杂的问题，建立柔性机械臂系统控制器模型不仅要考虑定位的快速准确，更要保证模型能够削弱机械臂动作过程中的抖动.本文提出利用LQR方法建立柔性机械臂的控制模型，在LabVIEW软件中进行了仿真实验.实验结果表明，LQR方法控制后的柔性机械臂可以快速精确地到达目标位置，并且可以大幅削弱定位过程中机械臂的抖动，该方法效果稳定快速，能够用于控制柔性机械臂的快速定位.
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关键词：空间机械臂；辐射热流；隔热组件；仿真技术
航天事业的发展推动着工程持续进步，传统的空间站已经无法满足时代的变迁需求，无论是在应用还是研究上都存在着或多或少的弊端。空间机械臂拥有可靠安全性，对在轨支持和服务上都能更好的适应时展需要，因此逐渐进入到太空领域，并且受到了众多科研人员的关注。经过具体的实践，空间机械臂能够更好的适用于舱外活动，并且拥有广阔的发展前景，对于未来的空间科学发展起到了巨大的推动作用。
一、空间机械臂关节的基本概述
空间机械臂主要是通过关节、末端作用器及臂杆、控制器共同构成。在这些构成部分中，最为关键的关节是转动轴、减速器及箱体等组件产生共同作用的部分。空间机械臂关节的内部存在着十分复杂的减速器结构，这种减速器的结构主要是活齿减速器，为了更好的方便输入、输出轴都呈现出多级阶梯轴的样式。为了有效的减轻重载，输入轴通常是实心结构，而输出轴则多为空心轴结构。此次研究的过程中，涉及到的空间机械臂关节在轨温度场数值，主要是由于机械臂关节内部的活齿减速器呈现出强大的承载能力，并且拥有极高的准确度，可以连续长时间的工作，这种活齿减速器还可以在小型设备上实现大传动比，所以结合限制的空间机械臂的空间运动范围，加之输出力矩较大，必须保证拥有较高的控制精度，同时还需要准确的温度精度，从而对关节的在轨温度场数值提出了更高的要求。
二、空间机械臂关节在轨温度场数值热分析计算
航天器的热分析计算可以从三个方面进行，例如轨道计算、外热流计算及温度场计算。航天器的热计算最重要的目的就是在验证相关的设计规定输入条件下，保证所有的设备具体的温度都能在实际的温控指标范围之内。输入的条件涵盖了计算的具体依据，同时还有相关的热环境约束条件，其中涉及到的布局、外形构造、轨道参数及姿态等内容。
航天器中典型的热分析计算流程框图，是经过具体的三个过程才建立起来的。首先是根据物理模型和相关的假设条件，以此构造出实际的热网络模型，另外，就是根据具体的运行轨道条件，和相关的姿态稳定情况、热控状态及航天器适用的热物理性质等多种参数，完成空间热流的计算和具体的热分析计算，以此获取到相应的热网络数学模型。最后一个阶段就是利用飞行遥感数据对相关的数学模型加以修正，确保更好的彰显在轨温度产生的变化。
航天器轨道计算的具体理论基础主要是依靠着轨道力学，这是一门非常新颖的应用理论学科，在天体力学最原始的基础上通过航天科学技术和相关的技术发展需要由此产生，因此涉及到的内容十分广泛，涵盖了多方面的学科内涵。在航天器热控制领域，无需全方位、全面系统的进行阐述有关轨道设计计算方面的知识内容。
三、空间机械臂关节在轨温度场数值仿真分析
空间机械臂由于工作环境的特殊性，需要充分考虑多种因素，准确分析在轨温度场数值。空间机械臂的工作环境就是空间轨道，所以需要加强对轨道环境的数值分析，并且采用仿真技术进行数值仿真，还应该对不同的工作状况进行适当的在轨温度场仿真，全面了解机械臂关节瞬间的状态温度变化。结合相应的情况，对低温工况和高温工况进行温度场的仿真，由此来提供关节的安全保障。
（一）关节结构组成及相应的温控指标
此次研究的过程中，涉及到几种几何模型，主要包括活齿减速器、箱体及隔热层。减速器的材料主要是45号钢，因此最大的直径达到了224毫米，长度为375毫米，相关的输入轴直径是45毫米，输出轴的直径则是80毫米，箱体的实际厚度为50毫米。结合目前的计算机技术分析，真实活齿减速器属于一种外形比较复杂，同时运动过程也十分复杂的几何体，在进行相应的数值模拟时计算比较困难。为此，需要对减速器和箱体的结构加以适当简化，避免因为过程不当对计算结果产生影响，从而导致计算机无法求解。
（二）热控材料的确定
多层隔热材料是在轨设备最需要的原始材料，因此在表征多层隔热组件的方式多种多样，当量导热系数、涂层发射率、吸收率等都是其中最关键的参数。为了更加细致的选择多层隔热组件和相应的隔热材料，需要对相关的参数影响进行适当分析，由此总结出隔热组件的当量导热系数对空间热流产生了重要影响。在对热控材料进行确定的过程中，还应该明确隔热层厚度的影响，为了保证空间机械臂关节隔热层的必要性和相应的厚度选择更加合适，应该先计算出无隔热层厚度之下的关节温度场状况，之后计算出在不同厚度之下的温度场结果。
（三）在轨瞬态分析
空间机械臂关节在轨瞬态分析是热设计中的重点内容，瞬态分析的过程和相关的轨道参数能够呈现出具体的状况。在轨运行的过程包含着低温工况及高温工况两方面。低温工况主要是机械臂整体不参与工作，所以关节只受到了空间外流的影响。高温工况则具体是指机械臂全负荷工作，从而关节除了要接受空间外热流的影响下，还会受到内部的全负荷热流影响，并且整个过程，低温工况下的太阳及轨道之间的夹角呈现出的日期是全年最小，在高温工况下的太阳和轨道夹角所呈现的日期则是全年最大。
关键词：机械化；安装回撤；安全性；劳动效率
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.03.076
工作面设备安装、回撤工作对于煤矿接续工作至关重要，由于综采工作面设备重量较大，井下空间狭窄至使大型工程机械设备无法使用。多数煤矿企业井下综采工作面安拆设备多数采用人工配合手拉葫芦的方式来完成，给安拆工作带来较大的困难、作业人员劳动强度大、安拆周期长、存在着一定安全隐患。如何实现工作面的机械化、高效、快速安拆将成为制约矿井的长远发展关键问题。
1 双臂机械手设计
1.1 双臂机械手的设计理念
双臂机械手主要是针对综采工作面巷道狭窄的实际情况，设计的机械要本着尺寸小巧、动作灵活，功能全面的理念，根据井下的环境条件宜采用液压方式控制，有防过载及无极调速的功能。
1.2 双臂机械手回转及支承计算
2 双臂机械手工作原理
双臂机械手主要由主臂、副臂、分旋转座、主旋转座、升降伸缩腿、行走轮、及其液压系统组成。（见图2）
机械手是利用液压缸控制两侧伸缩臂进行安装的设备，可以两臂同时操作吊起板车上较重的设备，也可以分步起吊，安装中部槽时抓手可抓起中部槽，节省时间，方便快捷，安全性高。该设备有4组可升降行走轮，支腿向外伸出后，伸出下部支腿接地，机械手机体升起，行走轮收回，使机械手机体下方可通过平板车，设备接顶，机械手整体固定后，通过操纵阀把机械手伸缩臂伸出，前面的起吊钩挂在平板车上的工件上，主臂升降千斤定伸出，使起伸缩臂升起从而把工件吊起；然后，通过主旋转座旋转，把工件吊到组对位置，再通过分旋转座的旋转及起吊千斤顶的伸缩来使工件上下、左右位置调正，最终使工件安装到一起。
根据现场实际工作要求，运输机每4节中部槽装一辆平板车内，我们考虑工作效率与安全采用双臂同时作业，每个伸缩臂可同时吊两节，实现一次性装卸车防止二次装卸车出现偏重造成翻车现象。它的每个单臂承载量是5T，双臂同时配合作业就能解决大件起吊的问题和巷道狭小人工起吊繁琐的问题。
3 项目效益分析
3.1 社会效益
（1）双臂机械手的投入使用，替代了运输机老的传统安装、拆除方法，减少了工人直接手工操作，解决了煤矿井下工人劳动强度大、安全条件差、效率低等因素，安全性得到了很大提高，同时减少了作业人员数量，提高工效50%，使煤矿机械化程度又迈上一个新台阶。（2）双臂机械手使用效果良好，运行稳定可靠，各项技术指标均达到设计要求，缩短了采场设备安装、拆除周期，使安全生产有了可靠的技术保障。
3.2 经济效益
经对比，人工安撤一个工作面需投入508人工，采用双臂机械手仅需96人工按每年安撤8个工作面，则全年可节约资金约150万元。
4 项目研究主要结论
（1）双臂机械手在采煤工作面安撤的投入使用，替代了井下工作面运输机、转载机传统安装、拆除过程中工人直接手工操作方法，解决了煤矿工人劳动强度大、安全条件差、效率低等因素，提高劳动效率50%，使工作面安撤机械化程度又迈上一个新台阶。（2）经过采煤工作面安撤现场实际使用效果证实，该机设计合理、结构简单、操作方便、性能良好、运行稳定全安可靠，特别适用于工作面三机设备安撤，有其一定的独创性。
参考文献：
[1]马振福.液压与气动传动[M].第二版.北京：机械工业出版社，2004（01）.
[2] 陈启松.液压传动与控制手册[M].上海：上海科学技术出版社，2006.
关键词 巡线机器人；轮手组合装置；越障；运动分析
中图分类号TP242 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）111-0232-02
对电力系统经济的、有效的监测和维护以保证供给消费者高质量和高可靠性的电力已经成为当今电力工业最重要的任务。在我国高压架空电力线路是长距离输配电力的主要方式，由于电力线路绝大部分远离城镇，所处地形复杂，自然环境恶劣，电力线及杆塔长期暴露在野外，会受到持续的机械张力、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复，最终导致严重事故。目前，对高压架空电力线路进行巡检的方式主要有两种：人工目测法和直升飞机航测法。人工目测法巡检精度低，劳动量大，安全性低，且存在巡检盲区。在一些复杂环境下，如大雪封山等人工目测是无法完成的。直升飞机航测法受天气影响大，巡检精度不高，巡检费用昂贵。智能巡线机器人取代传统的巡线方式，提高了检测精度、检测效率，取代人直接工作在高危险的场合，降低了巡检成本，是一种新的，可靠的巡检方式。本文设计了一台负重6kg的，能承受80N的拉力，在电力线上攀援前进巡线和越障。
1 高压巡线机器人的本体设计
图1 图2 图3
图1 巡线机器人本体；图2 巡线机器人手臂；图3 巡线机器人轮手组合手臂
目前巡线机器人在线爬行机构可分为手爪式爬行机构和轮式爬行机构。轮式爬行机构靠电机驱动行走轮和电力线之间的摩擦力，驱动机器人前进。轮式爬行机构行走平稳，速度快，机器人重心晃动小，能作为一般的无越障功能巡检机器人的爬行机构。手爪式爬行机构靠几只多自由度手臂相互配合，交互式攀援前进，像人手臂一样能越过有复杂障碍物的空间。手爪式爬行机构效率高，对环境要求低，能越障爬坡，是一种新的爬行机构正在被广泛应用。本巡线机器人采用三只手臂相互配合的手爪式爬行机构，机器人本体结构设计如图1所示，手臂1和手臂2是四自由度的手爪式机械手臂如图2所示，手臂3是四自由度的轮手组合式机械手臂如图3所示。
越障机构的设计是巡线机器人本体设计的关建部分。由于巡线机器人悬挂在电力线上，越障时应保证机器人姿态平稳，其移动犹如人臂攀援。因此，本巡线机器人采用三只可伸缩机械臂结构，其中手臂1，2机械臂上部分为手爪式爬行机构，下部分通过多旋转关节相互链接，手臂3上部分为轮手组合式爬行机构，下部分通过多旋转关节相互链接。轮手组合式爬行机构是由滚动轮和手爪组成，当在电力线上正常巡线时手臂3用滚轮移动前进，当遇到障碍物时手臂3用手爪攀援前进越障。遇到障碍物时，巡线机器人三手臂相互配合，仿人臂攀援前进，手臂1先越过障碍物，手臂2在越过障碍物，最后手臂3越过障碍物，当有手臂越障时其它两只手臂不动保持重心平稳。手臂1手臂2放在机器人两侧，手臂3放在手臂1和手臂2的中垂线的下方，这样便于巡线机器人攀爬时重心的稳定。
2 越障分析
高压架空电力线路上常见的障碍物有悬锤线夹、耐张线夹、绝缘子、防震锤等。其中常见的悬垂线夹是避免产生弯曲应力，对光缆起到保护和减振作用。常见的防震锤是主要用于去除和分散由于微风振动对光缆所产生的冲击力。跨越悬垂线夹和防震锤的运动过程相似，这里以模拟跨越防震锤来说明机器人的运动过程。模拟巡线机器人跨越防震锤如图4所示，共分为六步。
abc
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图4 跨越防震锤
第一步：巡线机器人在电力线上正常巡线移动前进，手臂1，2配合交互前进，手臂3的轮手组合的滚动轮挂在电力线上，靠手臂1，2的交互前进带动滚动轮向前滑行，如图4（a）所示。第二步：当巡线机器人遇到障碍物时，手臂1，2停止攀援，手臂3轮手组合的手爪夹持在电力线上，机器人重心下降，机器人复位到初始状态，为下一步动作做准备，如图4（b）所示。第三步：巡线机器人三手臂同时向前倾斜，本体重心上升，防止重心不稳，巡线机器人准备跨越防震锤，如图4（c）所示。第四步：巡线机器人手臂1从电力线上脱落先越过防震锤并夹持在电力线上，如图4（d）所示。第五步：手臂2重复第四步，如图4（e）。第六步：手臂3重复第四步，巡线机器人跨过防震锤如图4（f）所示，并继续巡线作业。
3 动力学分析
在ADAMS/view中建立巡线机器人的三维实体模型如图5所示，材料均为铝，手臂1重1.5026，手臂2重1.5026kg，手臂3重1.8026kg，设备箱重2kg。本三维实体模型仿真高压巡线机器人的任意一只手臂前进移动，其它两只手臂悬挂在电力线上不动保持重心平稳，对悬挂手臂手爪受力分析和前进手臂的位移分析。本仿真是给手臂每个连杆一个初始角速度，驱使手臂向前移动，同时分析其它手臂末端手爪的受力情况，确保末端手爪的受力在80N以内。
图5巡线机器人三维实体模型Fig.5 Three-dimensional solid model of inspection robot
手臂1向前攀援，手臂2的末端手爪受力如图6（a），手臂3的末端手爪受力如图6（b），手臂1的末端手爪位移如图6（c）。其它手臂运动跟手臂1一样。
a
b
c
a.手爪2受力曲线图；b.手爪3受力曲线图；c.手爪1位移曲线图
图6 手臂1向前攀援
由上述仿真图可以看出，在给定初始速度相同的时候，手臂1，2，3前进的位移是相同的，这样便于控制和路劲规划。手爪1受力范围0N~38N，手爪2受力范围50N~80N，手爪3受力范围0N~35N。因此，在运动过程中满足设计要求受力小于80N，故在选取电机时根据此仿真数据选取力矩大的直流电机或步进电机，保证了机器人平稳的在电力线上移动。
4结论
本文介绍的巡线机器人通过三手臂多自由度的越障机械结构的设计，能够仿人臂攀援移动和越障，满足巡线机器人的机械结构设计的要求。通过模拟运动仿真跨越常见的障碍物，确定了机械结构设计的可行性。通过运动学分析，分析了每只机械手爪的前进位移和运动过程的受力，确保了本巡线机器人设计的可行性。
参考文献
[1]蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2009:7-12.
关键词： 柔性机械臂 振动控制 正位移反馈
引言
LQG、LQR、滑模变结构控制、独立模态空间控制（IMSC）等方法被广泛采用于柔性结构的振动主动控制中。但LQG、LQR依赖精确的数学模型而导致其使用时变得繁琐[1]；变结构控制通常会在滑动平面原点附近产生高频颤动，使其控制效果不佳[2]；IMSC虽具有物理概念清晰、易于实现的优点，但在多模态控制时，需要多个压电作动器[3]；PPF算法具有简单易行、对溢出不敏感等优点。本文采取PPF算法实现对柔性机械臂的振动主动控制，仿真结果表明，该方法具有较好的稳定性和控制效果。
1.PPF算法原理[4]
正位反馈控制（PPF）的基本思想是采用位置测量，将受控结构的位置坐标正反馈至控制器，同时将控制器的位置坐标正反馈给受控结构，达到抑制结构振动的目的。PPF算法原理如图1所示：
2.结构参数确定
考虑到系统的振动能量主要集中在前几阶模态，本文选择机械臂的前两阶模态作为主要控制目标，当步进电机在驱动器的作用下以某恒定速度转动时，会激起机械臂振动。采集压电片的响应信号，进行傅里叶变换后得到幅频特性曲线，可观察出其一阶和二阶模态分别为15Hz、81Hz。然后采取频率响应法，计算出系统前两阶模态阻尼比分别为0.09、0.04，最后将前两阶模态正位反馈补偿阻尼比分别设为0.2、0.1。
3.柔性机械臂振动主动控制仿真
3.1仿真程序
LabVIEW程序中控制循环时钟设为与扫描引擎同步，循环周期设为0.0003s，循环时间设为0.3s。激励信号为幅值为1V，频率为15Hz的正弦信号，激励时间为0.1s。经多次仿真确定，正位反馈系数g取0.1，其他的模态参数设置参照第2节所述。整个后面板程序如图2所示。
图2 LabVIEW仿真控制程序
3.2仿真结果与分析
当使用PPF算法对随机信号激励引起的振动进行控制时，对于第一、二阶模态，PPF的控制均取得较好的效果。图3显示了PPF控制时的振动抑制效果。
图3 机械臂振动的时域响应
结语
本文针对压电柔性机械臂前两阶振动模态，采用PPF算法进行振动控制，该算法简单易行。仿真结果表明，PPF算法对柔性机械臂的振动具有很好的控制效果，从而可进一步提高柔性机械臂的工作稳定性。
参考文献：
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[2]邱志成.柔性机械臂的变结构振动控制研究[J].动力学与控制学报，2007，5（1）：62-67.
[3]邱志成，谢存禧，张洪华，吴宏鑫.压电柔性机械臂的主动振动控制研究[J].机器人，2004，26（1）：45-48.
[4]宋朝东，张菊香，郑建华.主动振动控制中PPF+PD的应用[J].噪声与振动控制，2009，4（8）：14-16.
[5]熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础[M].北京：机械工业出版社，2009.
关键词：气压；四连杆；机构；自由度；Solidworks
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.094
0 引言
在国家大力发展教育的这几年里，无论是中小学还是大学里都缺少生动形象的教具。从市场角度来看，现在全国的高校就有2000多所，还不包括对初中及高中的一个统计，教育教具市场如此广阔，需要我们去探索这个领域，对于教学教具我们有以下几点考虑的地方：（1）在质量上要轻，便于提携。（2）在组装和拆卸方面，要简单。（3）教具需长期使用，耐用性强。（4）教具在学生面前展示，所以安全尤为重要，设备需在安全电压范围内来控制，设计过程中应进行尽可能的考虑到安全。
教具能增强学生对知识的理解，也能提高学生知识的兴趣。而对于机械专业老师来说，气压传动[1] 、连杆机构等方面的知识却是他们授课时很难用语言和图纸表达清楚的，本次迷你气动挖掘机的设计着力为机械专业教学工作提供帮助。
本文主要是对挖掘机结构进行设计、计算、选材，并且对整个运行过程进行了系统的描述，实验结果达到预期的目的。
1 传动挖掘机组成结构
机构原理分析：
如图1.1是挖掘机结构图，包括了基座，大臂，小臂，连杆，挖斗，气缸。通过气缸7推力作用，实现底座旋转；气缸10的伸缩，实现大臂5的升降；气缸6的伸缩，实现小臂4的升降；气缸3的伸缩，带动连杆2的转动，从而实现挖斗1的动作。
该气动挖掘机由机身、气动系统部分组成。机身部分包括底座9、大臂5、小臂4和铲斗1；气动系统部分包括气缸3，气缸6、7、10。各部分均采用轻巧、经济、环保材料制作而成。各单元的运动由电气动系统加以控制，以实现底座的旋转、大臂和小臂伸缩及铲斗的抓放等预定动作。
该挖掘机机构有14个活动构件其中低副（转动副、移动副）个数为19个，高副个数为零，因此该机构自由度数，其中，，。得：。
所以该机构需要四个动力来源，因此我们选择四个气缸。
2 传动挖掘机部分结构设计
2.1 机械机构尺寸设计
此作品的一大特点在于大臂，小臂，末端之间动作的流畅与稳定，因此只有设计好各机构的尺寸，才能完美实现挖掘C的整个动作[2]。
（1）大臂尺寸：根据挖掘机大臂主流外形以及满足气压缸行程及其基本尺寸的要求，我们将大臂设计为半径为280mm，圆心角为75°，厚度为40mm的弯杆，并在适当的位置留出连接孔。
（2）小臂尺寸：根据连杆机构尺寸要求和气压缸行程需求以及工作强度的要求，我们将小臂设计为长度为324mm，厚度为20mm的直杆。
（3）挖斗尺寸：根据挖掘机整体尺寸的协调以及外形的美观及工作需求，挖斗设计下面工程图以给出。
（4）连接件尺寸：为了使大臂及气压缸与底座实现连接，根据三角形的稳定性好。我们在底座上安装一个底边为30mm，高为30mm的等腰三角形连接件。
2.2 底座运动分析与计算
如图2已知杆、分别代表气压缸伸出和缩回的长度，、代表底座圆盘半径R，AC代表气缸固定端到圆盘圆心的距离。
所以最大摆角=∠ACB@-∠ACB=45°
2.3 挖斗运动分析与计算
运动类似于图3四连杆运动，满足“（最短AB+最长AC） （其它两杆长度之和）”[2-4]，为双曲柄机构，相对杆AB固定，杆AC左右摆动，通过连杆CD推动杆BD左右摆动，从而促使末端伸缩。
已知杆AC是通过气缸伸缩，实现左右摆动，从而推动挖斗的伸缩。
BD代表气压缸回程过程中带动挖斗伸直时位置（图3），代表气压缸从伸出过程中推动挖斗转动的最大行程角度。
由已知条件可知：AB=3.5cm，AC=6.0cm，CD=5.5cm，BD=4.0cm，BC=7.5cm，=3.4cm
3 总结
本篇论文针对挖掘机整体结构设计，利用CAD软件会出机构二维图，并且进行了计算，同时利用Solidworks对三维模型进行了设计仿真，实验结果和我们理论分析一致，设计过程完全符合要求，同时该产品具有以下特点：
（1）设计理念独特，样式新颖，有效的结合课堂教学，将PLC控制、气压传动、连杆机构、控制法工作原理从抽象化转变具体化，不仅帮助学生理解知识，更可以调动其积极性。
（2）将工程实际应用转化为迷你教具模型，易于学生理解液压与气压系统的结构、工作原理和工作特点。
（3）结构巧妙，造型美观，采用环保材料制作，性价比高，易于实现科研成果的转化。
（4）可作为开放性实验平台，拓展实验内容，今后给其加配PLC控制[5-8]或单片机组件实现自动化控制。
参考文献：
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