移动机械手的结构设计移动机械手的结构设计
本文详细地论述了移动机器人的结构设计过程,列举了一些主要参数。从最终的调试效果来看,所设计的移动
机械手满足预期的要求。“工欲善其事,必先利其器”,要弥补在实践中的空白,就必须建立一个结构合理、切实
可用的移动机械手的实验平台。
1 引言
所谓移动机械手,就是将机械手安装在移动平台之上。这种结构使机械手拥有几乎无限大的操作空间和高度的运动冗余性,并
同时具有移动和操作功能,这使它优于移动机器人和传统的机械手,因此在危险作业、制造业、服务业等行业具有广阔的应用
前景。但由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存在,都使得对移动机械手的研究具有相当的挑战性。近年来,
对移动机械手的控制策略、运动规划等方面的研究已越来越受到国内外的重视,并已经取得了一些很有价值的研究成果。我国
在这方面起步较晚,研究多集中在理论方面,目前还停留在仿真阶段[1-2]。因此,设计制造一个实际的移动机械手平台,
无论在理论上还是实践上都是非常有意义的。
实际的移动机械手系统可能具有不同的外型结构及功能[3-4],但在原理、模型等方面往往具有相似性。本文将以实验室中
新近设计装配的移动机械手为研究对象(见图1),详细阐述系统的结构,论述将分为移动平台、机械手、运动控制等三个主
要方面。
2 移动平台
2.1 移动平台结构设计
移动平台本身就是通常所说的移动机器人,目前,可供选择的移动平台大体可分为三种:足式、履带式和轮式。前两种目前还
处于实验阶段,尤其是足式机器人在技术上还不成熟、不完善。而轮式移动机器人因其控制简单,运动稳定等特点,因此设计
移动机械手的移动平台时就选择了轮式移动平台。
根据运动平台的运动特性,又可以把移动平台分为两种:全方位移动机器人和非全方位移动机器人。常见的移动机器人多为差
分驱动型或car-like型,其成本较低容易制作,但不可避免的引入了非完整约束,给规划和控制带来了困难。若移动平台具有
前后、左右、及自转3个自由度,则为全方位移动机器人,否则即为非全方位移动机器人。这里所采用的是全方位移动平台,
这样就与其他典型移动机器人不同,没有诸如转弯半径等的几何限制,因此具有良好的运动性能。这是所设计的移动平台的一
大优势。
全方位移动机器人通常由3个或3个以上的偏心方向轮构成,这里所选用的全方位移动机器人是由对称分布的3个偏心方向轮构
成,轮间夹角120°,实物图如图2所示,其运动学分析详见文献[5]。