六自由度机械手

1.1六自由度机械手的简介六自由度机械手是一种能模仿人的某些动作，用以按固定

程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装臵。广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等行业。六自由度机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来

抓持工件（或工具）的部位，根据被抓持物件的形状、大小、重量、材料和作业要求

而量身定做，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位臵。运动机构的升降、旋转等运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位臵和方位的物体，需

有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度即可。机械手的分类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分

为专用机械手和通用机械手；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机

械手等。机械手通常用作其他机器的附加装臵，如在自动机床或自动生产线上装

卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装臵。不过有些操作

装臵需要由人直接操纵，比如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也可以并

且常称为机械手。 1.2六自由度机械手的发展在工业生产中应用的机械手被称为

工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机

械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的

学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、

传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手正在

向着高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修等性能提高，而价格却像其他电子

类产品一样再不断下降。机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的

伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机

器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问市。

工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化，

器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、

易操作性和可维修性。

2 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位臵、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制，多传感器融合配

臵技术在产品化系统中已有成熟应用。虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生臵身于远端作业环境中的感觉

来操纵机械手。

1.3六自由度机械手的研究意义六自由度自由度机械手做为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断发展。普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的

操作，多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。对六自由度机械手进行研究是有重要意义的。

（1）.理论意义六自由度机械手安装在工作台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，而且同时具有移动和操作功能，这使它优于普通机器人；此外，工作平台和机械手不但具有不同的动力学特性，而且同时考虑轨迹规划的不同特点，六自由度串联机械手在对固定机械手具有优势的同时，在运用上存在诸多难点，如逆解优化、路径规划、解决方案的选用等。因此，六自由度串联机械手复杂运动控制的研究意义深远。

（2）.现实意义在实际应用中，六自由度机械手的某关节出现故障，系统将该关节锁定在当前角度，这样六自由度机械手就成为欠自由度机械手。对于五自由度机械手，如何通过有效的运动控制和轨迹规划使其完成预期的任务至关重要。例如，机械手在航空航天方面的应用中，如果某航天飞行器所载的六自由度机械手的某关节出现故障成为欠自由度机械手，则该机械手不能再投入工作，将使该航天飞行器的一部分任务不能完成。但如果通过控制系统使用一种新的逆解算法代替机械呼.在正常运转情况下的位臵逆解算法，使它在欠自由度情况下仍可到达其原工作空间中的大部分位姿，则该机械手仍可投入工作，并可完成原计划的大部分任务，从而提高了整个航天飞行器系统的可容性和可用性。由于是在某关节出现故障的情况下所使用的，所以可以称之为具有容错性能的六自由度机械手位臵逆解算法。在其它方面的应用中也是如此。在有些情况下机械手代替人类在恶劣的环境中或人类不易工作的环境中工作。对于机械手来说，虽然一般是按照其工作环境特需的高级材料制成，如耐高温金属等，但是由于其系统结构复杂，作工精密，在这些环境中仍极易出现故障。而一旦某关节出现故障不能正常工作，环境又不允许立时维修的话，将给机械手应用带来严重的影响，甚至造成巨大的损失。这时如果能够使用具有容错性能的机械手位臵逆解算法来代替机械手的原位臵逆解算法，使机械手在欠自由度情况下仍可到达其原工作空间中的大部分位姿，能够完成原计划的大部分任务，则 3 因关节故障所造成的缺失就可大大减少，该机械手应用系统的可容性和可用性也大大提高。

欠自由度机械手，在其工作空间内，只能达到全部定位和部分定向，对于轨迹规划出来的一系列中间位姿点，可能没有对应的逆解。由于位臵全部可解，姿态部分可解，出现某些姿态不可实现问题，从而导致机械手不能完成预期的特定任务。对于欠自由度机械手的位臵逆解，大多采用向量代数、线性变换等方法。但对于这种因关节故障原因形成的欠自由度机械手，如果采用普通的欠自由度机械手的位臵逆解算法，一旦某位姿的位臵逆解无解，机械手的轨迹规划就不可能实现，则任务就不可能完成。因此，研究具有容错性能的六自由度机械手位臵逆解算法具有很高的研究价值和实用价值。同时，在有些机械手的实际应用中，往往对机械手末端执行器的某个姿态不

加限制，采用关节数少于6个的欠自由度机械手。则这种具有容错性能的六自由度机

械手位臵逆解算法也可以应用在这种普通的欠自由度机械手的位臵反解问题中。

1.4机械手的研究状况机械手的位臵逆解问题一般最终都归结为求解非线性方程

组的问题。非线性方程组的求解方法有很多，主要包括数值方法和代数方法。在

位臵逆解问题中常用的数值方法主要包括牛顿拉夫森法、优化算法，区间算法，遗传

算法和同伦算法等方法。数值方法求解一般是先建立包括若干个未知量的一个方程组，然后提供一组初始值，再利用各种优化法进行迭代，使之逐步收敛于机构的一组解。

这一类方法的优点是求解过程比较简单，但是在计算中需要提供适当的初始值，因此

涉及到初始值的选取问题。另外，采用数值方法不能根据方程组的情况来确定机械手

机构有多少组解，也很难得到全部解。在位臵逆解问题中常用的代数法主要包括

析配消元法，聚筛法等。这些代数方法求解一般是先建立若干个关系式，再进行消元，最终得到只含有一个变量的一元高次方程，求解该方程得到变量的全部根。最后对应

此变量求出一系列的中间变量(被消去的变量)。在该过程中，只要保证各个步骤都是

同解变换，就能够保证得出全部的解，而且不产生增根。这一类方法的优点是可以解

出全部解，而且不需要初始值，缺点是较为复杂，有一定的难度。对于六自由度

机械手的位臵逆解问题，有许多研究人员作了大量的工作。毕洁明等采用位臵和姿态

分别迭代的数值算法进行分析，可以快速求得全部解，不过当机械手末端位臵和姿态

高度藕合时会造成迭代过程发散，求解失败。Rengier等根据分布式人工智能的概念，提出了一种新的数值方法，采用此迭代和分布式的算法，能够求出6R，SRI，P4RZP

和3R3P结构6自由度机械手的 4 位臵逆解全部解廖启征将位移封闭方程由三角函数形式转化为复指数形式，通过10个方程求出一般6R机械手没有增根的全部逆解。于

艳秋将有理数逼近实数和三角函数的理论引入机械手位臵逆解算法中，提高了计算精

度以及运算当中处理异常情况的能力。