移动机械手

目 录 【内容摘要】 ................................................................................................... 2 【关键词】 ....................................................................................................... 2 1. 绪论 ............................................................................................................. 3 1.1机械手 ................................................................................................. 3 1.2移动机器人 .......................................................................................... 3 2. 移动机械手的定义 ........................................................................................ 3 3. 研究移动机械手的必要性 ............................................................................ 4 4. 移动机械手的运动问题 ................................................................................ 4 4.1 移动机械手的运动规划 ....................................................................... 4 4.2 移动机械手的运动控制 ....................................................................... 5 5. 移动机械手的应用前景 ................................................................................ 6 参考文献 .......................................................................................................... 6 移动机械手简介 专业：机械设计制造及其自动化 学号：XXXXXXXX 学生姓名：XXX 指导老师姓名：XXX

【内容摘要】移动机械手是移动机器人和机械手两个系统的组合，其移动特性是由移动平台决定。一般专用机械手有2～3个自由度，而移动机械手具有6个自由度，可实现空间中任意位置和方位物体的抓取。本文先简单介绍机械手和移动机器人，然后引出移动机械手的定义和研究其的必要，进而对移动机械手的运动规划和控制、以及应用前景作出简单的介绍。

【关键词】全方位 移动机械手 移动平台 机械手 运动规划 运动控制 1.绪论 1.1机械手 机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。[1]

1.2移动机器人 移动机器人是一种具有高度自规划、自组织、自适应、自适应能力，适合于在复杂的非结构化环境工作的机器人。移动机器人在没有人的干预且无需对环境作任何规定和改变的条件下，有目的地移动和完成任务。它通过一定的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步动作。移动机器人可以从不同角度进行分类。从工作环境可分为室内移动机器人和室外移动机器人；按移动方式可分为轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形移动机器人、履带式移动机器人、爬行式移动机器人等；按控制体系结构可分为功能式（水平式）结构机器人、行为式（垂直式）结构机器人和混合式机器人；按功能和用途可分为医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等；按作业空间可分为陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人[2]。

2. 移动机械手的定义 移动机械手是移动机器人和机械手的结合体，有时候也称移动机械臂、移动操作手等。移动机械手系统是由一个移动平台和安装在其上的一个或若干个机械手组成的。对于单独的机械手系统，其工作空间是有限的，且只有操作功能，没有移动功能；对于单独的移动机器人系统，只有移动功能没有操作功能[3]。而移动机械手系统同时具有移动和操作功能，且有着几乎无限大的工作空间，可以有效地对机械手末端操作器定位，并进行有效操作。 3. 研究移动机械手的必要性 对移动机械手系统的研究是近十几年的事情，这类系统能吸引众多理论工作者和工程技术人员参与工作，原因主要有两个方面：一个是理论研究的需要，另一个是工程实际的需要[3]。 从理论上看： （1）移动平台受非完整约束问题[4]； （2）机械手和移动平台之间存在强耦合； （3）移动平台和机械手具有不同的动力学特性； （4）移动平台与机械手的有效协调问题。 从应用上看： （1）移动机械手可以以更适合的姿态实现诸如抓取、操作等执行任务； （2）代替人工作在各种危险场合，如排除炸药、垃圾处理、野外探险、核反应堆的维护和太空作业等； （3）固定在移动式服务机器人上的机械手，可以实现与人的交互合作，如取小物品、开门、搬运物体。 当前对移动机械手的规划与控制研究大部分是将其看成移动平台和机械手两个独立的系统，进行独立规划和独立控制，这实质等同于传统的移动机器人和机械手，并没有充分发挥移动机械手可以同时实现移动与操作的优点。因此，研究这类系统的规划与控制问题具有十分重要的理论价值和实践意义，具有广泛的应用领域和应用前景。

4. 移动机械手的运动问题 4.1 移动机械手的运动规划 运动规划是指在具有障碍物的环境中按照一定的评价标准，寻找一条从起始位姿到目标的位姿的无碰路径（与时间无关）或轨迹（与时间无关），其实质是机器人运动过程中的导航与壁障[3]。对于移动机械手而言，运动规划问题涉及机械手运动规划和移动平台运动规划两部分。移动平台和机械手的组合使系统具有冗余性，对于同一个任务，既可以通过单独运动机械手或移动平台实现，也可以同时运动机械手和移动平台来实现。虽然单独运动机械手或移动平台来完成任务会使系统的运动规划比较简单，但是独立运动规划没有充分发挥移动机械能同时移动和操作的特性。移动机械手运动规划的特色应体现在移动平台与机械手的协调上，应能根据情况同时协调运动使得整个移动机械手系统灵活、高效。 协调规划的主要难点在于移动平台动态壁障的运动性能和机械手末端的操作性能之间的协调。此外，移动机械手系统具有复杂的运动学模型、动力学模型、强耦合，这些都为移动机械手的运动规划问题带来一定的难度。 在遇到动态障碍时，为了确保移动机械手末端执行任务的实时性和一致性，需要在很短的时间内规划出一条既能壁障又保证机械手末端姿态的轨迹。将这种局部实时动态壁障规划同全局规划相结合可以构成整体规划策略，最终安全地到达目标点。众多研究者早研究过程中提出很多规划方法，例如Gupa的二次规划法[3]，Nagatani的LMA（layer of manipulability area）概念[3]，遗传算法等等。因为本文的目的只是简单介绍，在此就不过多深入探讨。

4.2 移动机械手的运动控制 移动机械手的运动控制可以简单描述：设计移动平台子系统和机械手子系统的控制输入，使两个子系统可以协调运动完成给定的任务，如轨迹跟踪、机械手末端定位等。移动机械手的控制任务可以分为两类，镇定控制和跟踪控制[3]。 镇定控制又称为点到点的控制。其控制目标为控制机械手运动到工作空间中的指定点。一般来说，要求控制系统具有渐进稳定性以及足够的鲁棒性（控制系统在一定的参数摄动下，维持其它某些性能的特性），而对控制系统的动态响应特性则没有过多要求。 跟踪控制是指其控制目标为控制机械手跟踪工作空间的参考轨迹。同样要求控制系统具有渐进稳定性，同时要求控制系统有较好的动态响应特性。跟踪控制也分为两种，位置跟踪控制和位姿跟踪控制。前者跟踪指定的位置轨迹（位置变量的时间函数），后者跟踪指定的位姿轨迹（位置变量和方向变量的时间函数）。 运动控制的设计过程就是对被控制对象的数学模型的理解过程，因此基于模型的控制即计算力矩控制是十分有效的，但要求系统有精确的数学模型。由于移动机械手是十分复杂的非线性系统，难以得到精确的动力学模型，而且在实际操作中要受到诸如摩擦力、外界扰动等许多不确定性因素的影响，在设计时，如果忽略这些因素，控制性能难免要受影响[3]。

5. 移动机械手的应用前景 机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，目前已经应用已众多领域。机械手可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好等。而移动机械手则是普通机械手的升级版，工作性能、应用领域也更加的宽广，其优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取工作空间中任意位置、方向的工件，能绕过障碍物进行工作。 工业上：在机械制造业中代替人或普通机械手完成更大批量、更高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也均可以由移动机械手更高效的完成。 军事上：主要让移动机械手执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察、拆除炸弹、扫雷等。此外，还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作。 医用上：移动机械手可用来辅助护士进行一些日常的工作，比如，帮助医生运送用药品及自动监测病房内的空气质量，等等。甚至，一些高端的移动机械手还可以协助医生完成一些难度较高的手术，例如，眼部手术、脑部手术等。[1]