雙并聯(lián)機(jī)構(gòu)耦合連續(xù)體機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在輕物品智能抓取、與環(huán)境安全交互、狹小空間靈活作業(yè)，尤其是在手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域等應(yīng)用場(chǎng)合，連續(xù)體機(jī)器臂展現(xiàn)的特性相比于傳統(tǒng)剛性機(jī)器臂的特性具有更好的綜合表現(xiàn)，這些特性主要包括工作空間(主要是指包括旋轉(zhuǎn)和平移在內(nèi)的6自由度空間)、定位精度、手臂的剛性與載荷、體積尺寸、求解和作業(yè)效率、成本等方面.由于與應(yīng)用場(chǎng)景的需求更為匹配，近年來(lái)，連續(xù)體機(jī)器臂不僅成為這些領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，還展現(xiàn)了充足的市場(chǎng)潛力.本文主要介紹連續(xù)體機(jī)器臂中，由并聯(lián)超彈性桿驅(qū)動(dòng)的一類機(jī)器臂.

并聯(lián)彈性桿機(jī)構(gòu)依靠約束桿件的彎曲實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng).通過(guò)改變兩個(gè)相鄰約束盤之間桿件的長(zhǎng)度比，產(chǎn)生不同的桿件彎曲變形，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)約束平面間的相對(duì)位姿控制.相比于繩索驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，超彈性桿驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂依賴于桿自身的高強(qiáng)度質(zhì)量比，更容易實(shí)現(xiàn)控制的高動(dòng)態(tài)特性，從而有更高的工作效率.

然而，從工作空間內(nèi)靈活定位的特性來(lái)看，沒(méi)有伸縮自由度的連續(xù)體機(jī)械臂的定位空間往往是一個(gè)空間曲面，而非一個(gè)體積，例如文獻(xiàn)[3-4]中大部分機(jī)械臂的本體設(shè)計(jì).為了擴(kuò)展手臂在應(yīng)用中的靈活性，這些設(shè)計(jì)用了不同的方法補(bǔ)償了伸縮自由度.例如文獻(xiàn)[5-6]中對(duì)機(jī)械臂整體進(jìn)給，文獻(xiàn)[7]中通過(guò)連續(xù)體內(nèi)部的硬桿間接改變了有效彎曲長(zhǎng)度，文獻(xiàn)[8]利用多節(jié)串聯(lián)，通過(guò)多段彎曲提供一定的伸縮自由度的可行范圍，這些方法把空間曲面拉伸為一個(gè)空間體.另外還有與本文類似的方法，直接靠驅(qū)動(dòng)桿提供伸縮自由度，如文獻(xiàn)[9-10]，以及本研究前期的工作中，在一個(gè)3自由度的機(jī)械臂上采用了這種方法，類似的可伸縮結(jié)構(gòu)可以參考文獻(xiàn)[13-14].盡管上述方法都在一定程度上把工作空間從曲面拉伸成了體，但是在部分應(yīng)用場(chǎng)景中，如需要智能抓取的場(chǎng)景，對(duì)手臂的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、定位自由度與工作空間范圍有更高的要求，同時(shí)需要較高的工作效率(相比于繩索驅(qū)動(dòng)).

第一層次的體育賽事節(jié)目，即人們平時(shí)從電視、互聯(lián)網(wǎng)上所觀看到的體育賽事節(jié)目。其中既有主持人的解說(shuō)，在賽事間隙又有導(dǎo)播挑選的各種特寫、回放和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在足球比賽的任意球罰球時(shí)還會(huì)出現(xiàn)足球線路的電腦模擬……這種后期的加工，符合著作權(quán)法中對(duì)于作品獨(dú)創(chuàng)性的要求，應(yīng)當(dāng)享有著作權(quán)保護(hù)。

在上述工作的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)械臂的靈活定位空間及保持桿驅(qū)動(dòng)的工作效率，用定曲率的二段圓弧模型探討了一種5自由度的結(jié)構(gòu)，在此原理的基礎(chǔ)上，用兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)的二段彎曲結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了該5自由度結(jié)構(gòu).通過(guò)調(diào)整桿和約束盤的相對(duì)布局和運(yùn)動(dòng)副，在不借助基座和末端夾具的自由度前提下，讓機(jī)械臂本體實(shí)現(xiàn)大工作空間內(nèi)的5自由度定位，最終設(shè)計(jì)并制作了樣機(jī)的完整機(jī)電系統(tǒng)平臺(tái)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1 二段定曲率模型的自由度原理

用二段定曲率的圓弧模型可以解釋本文結(jié)構(gòu)的自由度分配及5自由度空間定位的原理，以及為后續(xù)機(jī)械臂更精確的微分模型提供數(shù)值求解的初始值.

青海省要用“四個(gè)轉(zhuǎn)變”的新思想指導(dǎo)全省的交通規(guī)劃建設(shè)。加快形成公路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，提高全省公路運(yùn)行的通暢度；加速融入全國(guó)高鐵運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，提升鐵路運(yùn)輸效率；加快機(jī)場(chǎng)建設(shè)，助力通航發(fā)展……通過(guò)各種運(yùn)輸方式相互協(xié)調(diào)配合，將青海省打造成 “承東啟西，南北暢通”的交通戰(zhàn)略紐帶。

(1)

(2)

設(shè)桿索引序號(hào)為∈{1, 2, …, 6}, 約束索引序號(hào)為∈{1, 2, …, 6}(見(jiàn)圖2)各桿與約束交點(diǎn)處的旋量位姿表達(dá)在約束的局部坐標(biāo)系中為

W1=7.842，W2=7.471，W3=7.445，W4=8.446，W5=7.458，W6=7.207

(3)

(4)

其中，旋轉(zhuǎn)軸的方向可根據(jù)圓弧的建模方式選定.圓弧1在兩圓弧切點(diǎn)處的位姿表達(dá)在世界坐標(biāo)系中為

=·(-)+

①混凝土面板垂直縫?！癆”形垂直縫為張性垂直縫，位于面板靠近兩岸的張拉區(qū)，縫內(nèi)均設(shè)兩道止水，即底部銅片止水、頂部柔性填充料止水?！癇”形垂直縫為壓性垂直縫，位于面板中部擠壓區(qū)范圍內(nèi)，接縫底部設(shè)一道止水銅片。為了吸收壓力變形，避免面板混凝土受壓破壞，選擇其中10條壓性縫（位于河床部位），縫內(nèi)充填2 cm厚瀝青杉木板。

(5)

(6)

(7)

圓弧2在兩圓弧切點(diǎn)處的位姿表達(dá)在世界坐標(biāo)系中為

=·(-+)+

(8)

(9)

兩圓弧在切點(diǎn)處滿足：

=

(10)

(11)

求解上述二段圓弧模型，得到的圓弧解如圖1所示.

-=0

(12)

隨機(jī)生成一個(gè)目標(biāo)坐標(biāo)位置，如

本論文使用Google word2vec來(lái)表示關(guān)鍵句子的矩陣。在試驗(yàn)中，我們使用京東評(píng)論數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)集，并設(shè)計(jì)了五組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率達(dá)到了98.81%，測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率達(dá)到了86.39%。

為深化綠色西江建設(shè)，助力平安西江建設(shè)，中國(guó)石化銷售有限公司廣東肇慶分公司還積極配合肇慶海事局危管防污工作小組，編印了《西江船舶污染物處置須知手冊(cè)》《西江船舶供受油安全作業(yè)須知手冊(cè)》等，進(jìn)一步加大供受油作業(yè)安全的宣傳和指導(dǎo)。

2 并聯(lián)連續(xù)體機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)械臂的5自由度設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為了具體實(shí)現(xiàn)第1節(jié)中的自由度原理，在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文選擇用3根并聯(lián)桿等效于一段圓弧，并把兩段并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)在一起，機(jī)械臂整體呈圓錐形，主要由6根超彈性桿和6個(gè)約束盤組成，如圖2所示.其中：{}為機(jī)械手臂的世界坐標(biāo)系；{}為固連在約束4上的坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)第1小節(jié)自由度原理中兩圓弧切點(diǎn)處的坐標(biāo)系；{}為固連在約束6上的坐標(biāo)系，也是機(jī)械手抓取時(shí)的目標(biāo)坐標(biāo)系.約束2和約束4之間的桿構(gòu)成第1段圓弧，約束4和約束6之間的圓弧構(gòu)成第2段圓弧.約束3和約束5位于兩段圓弧中間，對(duì)圓弧彎曲起到輔助作用，約束1為各桿的起始端，把這些起始端也統(tǒng)一到一個(gè)約束上，這樣的定義能夠程序化這類設(shè)計(jì)并方便地處理約束盤間的桿長(zhǎng)變化.

對(duì)于弧段1或者弧段2的結(jié)構(gòu)，通常會(huì)增加一根位于中軸位置的主桿來(lái)限制移動(dòng)自由度，用3根輔助桿實(shí)現(xiàn)兩個(gè)彎曲自由度，這樣做的好處是可以通過(guò)增加約束盤的數(shù)量提高剛度并使模型趨近于圓弧，更適合于繩索驅(qū)動(dòng)的連續(xù)體機(jī)器臂，但是為了盡可能以簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)利用所有的主動(dòng)自由度，本文沒(méi)有設(shè)置主桿，因而圖2中的并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有軸、軸方向的彎曲自由度和軸方向的移動(dòng)自由度，與第1節(jié)的圓弧自由度相同，兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)采用了相同的自由度配置至此，整個(gè)機(jī)械臂具有6個(gè)主動(dòng)輸入自由度，而機(jī)械臂的末端執(zhí)行器具有5個(gè)空間定位自由度，即軸、軸兩個(gè)方向的彎曲自由度和,,坐標(biāo)定位自由度，沒(méi)有設(shè)計(jì)手爪的扭轉(zhuǎn)自由度.由于輸入自由度和末端定位自由度個(gè)數(shù)不等，因此該機(jī)構(gòu)有一個(gè)冗余自由度，該自由度可以設(shè)置為兩段圓弧的長(zhǎng)度比例.

為進(jìn)一步定量地描述機(jī)械臂，以第1節(jié)為基礎(chǔ)，給出基于二段相切圓弧模型建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型.

乙醇濃度對(duì)AB-8大孔樹脂解吸的影響：已吸附飽和的樹脂分別用體積分?jǐn)?shù)為20%、40%、60%、80%和100%的乙醇溶液進(jìn)行洗脫，靜態(tài)解析時(shí)用100 mL乙醇解析3 h，動(dòng)態(tài)解析時(shí)用100 mL乙醇以1 mL/min的流速?zèng)_柱洗脫，記錄洗脫的花色苷溶液的濃度。

過(guò)上述圓心且符合右手定則的圓弧的旋轉(zhuǎn)軸(表達(dá)在局部坐標(biāo)系中)為

(13)

,==

(14)

進(jìn)而可以得到4,在2,(=1, 2, …, 6)中的位姿

根據(jù)局部坐標(biāo)系的表達(dá)式(13)和(14)，對(duì)于約束6處的局部坐標(biāo)系{}(見(jiàn)圖2)，可得桿4～6與約束6交點(diǎn)處的旋量在{}中的位姿為

6,=·6,+

(15)

6,=·6,=

(16)

=4, 5, 6

對(duì)于約束4的局部坐標(biāo)系{}(見(jiàn)圖2)，桿1～6與約束4交點(diǎn)處的旋量在{}的位姿為

4,=·4,+

(17)

4,=·4,=

(18)

=1, 2, …, 6

式中：和分別為約束4在{}中的位置和姿態(tài).

大學(xué)生也可以通過(guò)積極參與專業(yè)相關(guān)學(xué)術(shù)交流和課外活動(dòng)，拓寬興趣愛(ài)好，尋求更多的手機(jī)以外的娛樂(lè)方式。只有從主觀上增強(qiáng)自我約束和控制能力，自覺(jué)抵制手機(jī)的不良誘惑，大學(xué)生才能從根本上解決手機(jī)使用的現(xiàn)存問(wèn)題。

同理，桿1～6與約束2交點(diǎn)處的旋量在{}中的位姿為

2,=2,

(19)

2,=

(20)

（3）執(zhí)行進(jìn)度：項(xiàng)目實(shí)施周期為四個(gè)季度，項(xiàng)目單位應(yīng)于兩個(gè)季度末完成項(xiàng)目任務(wù)執(zhí)行的50%，并于四個(gè)季度末完成所有項(xiàng)目。項(xiàng)目在執(zhí)行過(guò)程中由于特殊原因需要終止、撤銷、變更的，須提前15天經(jīng)區(qū)縣（自治縣）民政局同意后報(bào)中心審批，獲得同意變更書面回復(fù)后方可變更相關(guān)事項(xiàng)。

(21)

式中：,為第桿在約束的局部坐標(biāo)系內(nèi)的位置矢量(左上角標(biāo)表示局部坐標(biāo)系)；為各桿在約束的局部坐標(biāo)系內(nèi)的軸向半徑坐標(biāo)；,為第桿在約束的局部坐標(biāo)系內(nèi)的轉(zhuǎn)角坐標(biāo)；,為姿態(tài)，這里取為單位矩陣()，建模主要用到的局部坐標(biāo)系是約束2上的{}、約束4上的{}和約束6上的{}.

(22)

以及6,在4,(=1, 2, …, 6)中的目標(biāo)位姿

(23)

至此，以和作為目標(biāo)位姿，代入第1節(jié)的二段圓弧模型，可以得到5自由度機(jī)構(gòu)的各桿在兩個(gè)圓弧段間的姿態(tài)參數(shù).任意生成空間內(nèi)一個(gè)目標(biāo)坐標(biāo)系{}，得到如圖3(a)所示的結(jié)果.可見(jiàn)，把兩個(gè)圓弧的輔助桿間的姿態(tài)求解問(wèn)題視為二段圓弧相切問(wèn)題是可行的.由于所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是錐形的結(jié)構(gòu)，且桿4～6需要在兩圓弧切點(diǎn)處保持斜率的連續(xù)性，二段圓弧模型比常用的單圓弧定曲率模型滿足了更多的幾何約束.但是圖3(a)中第2段圓弧出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)，這是由于提供的目標(biāo)坐標(biāo)系{,}具有6個(gè)自由度，而該結(jié)構(gòu)末端僅能滿足姿態(tài)矩陣中的軸分量的自由度約束，繞自身局部坐標(biāo)系軸旋轉(zhuǎn)后的姿態(tài)對(duì)于求解結(jié)構(gòu)的姿態(tài)是等價(jià)的.因此，可以對(duì)進(jìn)行一次修正，即讓約束4上固連的坐標(biāo)系{}沿第2段圓弧旋轉(zhuǎn)，得到修正后的，如下式所示，修正結(jié)果如圖3(b)所示.

(24)

2.2 機(jī)械臂的參數(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

機(jī)械臂整體設(shè)計(jì)尺寸與人類手臂尺寸接近，初始長(zhǎng)度為663 mm，最大直線伸出長(zhǎng)度為863 mm，最小直線縮回長(zhǎng)度約為400 mm.機(jī)械臂整體呈圓錐形，在機(jī)械臂的6個(gè)約束盤上，用于定位桿位置的關(guān)鍵尺寸如表1所示.約束盤的材料采用了鋁合金，且盡可能使用鏤空設(shè)計(jì)以便減輕手臂自身質(zhì)量.末端執(zhí)行器處采用了某公司的氣動(dòng)手指模塊，采用氣動(dòng)手指的目的是減輕機(jī)械臂自身質(zhì)量以盡可能提高外載荷，機(jī)械臂末端執(zhí)行器質(zhì)量為125.4 g.

機(jī)械臂的大變形彎曲動(dòng)作需要超彈性桿提供合適的剛度與變形量，卸載外載荷后能恢復(fù)初始狀態(tài).本文采用了玻璃纖維作為桿材料，對(duì)于長(zhǎng)度為 1 m，直徑為3 mm的玻璃纖維桿，可彎曲360°后恢復(fù)初始狀態(tài)，且玻璃纖維本身的蠕變變形量對(duì)連續(xù)體機(jī)械手臂定位精度量級(jí)而言，可以忽略不計(jì).兩個(gè)子并聯(lián)機(jī)構(gòu)選定了相同機(jī)械性能參數(shù)的桿件，其參數(shù)如表2所示.

玻璃纖維桿與約束盤之間有兩種運(yùn)動(dòng)副，分別是固定副和圓柱副.機(jī)械臂與約束1和約束2全部通過(guò)圓柱副連接，約束6上全部為固定副，同時(shí)包含圓柱副和固定副約束盤，如圖2中約束3～5.具體實(shí)現(xiàn)上，以圖2中約束3的示意圖為例，約束盤3和桿1之間用緊定螺釘直接固連，因此約束盤3和桿1沒(méi)有相對(duì)位移，而約束盤3上其他的圓柱副，則用長(zhǎng)度為10 mm的滑動(dòng)直線軸承實(shí)現(xiàn).

機(jī)械臂由6組模組滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)，6個(gè)松下伺服電機(jī)獨(dú)立控制各個(gè)模組滑臺(tái).各個(gè)滑臺(tái)和桿之間通過(guò)緊定螺釘固連.電機(jī)型號(hào)為MSMF012L1V2M，即額定功率為100 W、額定轉(zhuǎn)矩為0.32 N·m的低慣量伺服電機(jī)，并帶有23位分辨率的絕對(duì)式編碼器，以及松下的B系列EtherCAT(基于以太網(wǎng)的自動(dòng)控制技術(shù))總線式驅(qū)動(dòng)器.模組滑臺(tái)的指標(biāo)參數(shù)如表3所示.電機(jī)速度模式為梯形速度曲線，如圖4所示的時(shí)間與速度的關(guān)系曲線其中：為最大速度；為加減速時(shí)間；為勻速時(shí)間.由表3和圖4可知，電機(jī)加速到最大速度的時(shí)間為=1 s，則圖4中加減速段用時(shí)為2 s，距離為500 mm，勻速段時(shí)間=0.2 s，勻速距離為100 mm，即機(jī)械的性能設(shè)計(jì)上，滑臺(tái)模組在額定工況下最少需要2+=2.2 s的時(shí)間可以使單模組從一端運(yùn)動(dòng)到另一端，對(duì)應(yīng)著連續(xù)體機(jī)械臂從一種極限姿態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種極限姿態(tài)，這是因?yàn)橐詸C(jī)械驅(qū)動(dòng)作為系統(tǒng)的輸入時(shí)，可以把系統(tǒng)看作是6個(gè)滑臺(tái)在模組上的位置到機(jī)械臂末端在工作空間中的位姿的映射，因而把機(jī)械臂的極限姿態(tài)映射到滑臺(tái)模組上時(shí)即部分滑塊在模組的極限位置的狀態(tài).上述機(jī)械驅(qū)動(dòng)效率能夠充分發(fā)揮機(jī)械臂本體在抓取作業(yè)時(shí)的工作效率，后文的實(shí)驗(yàn)將會(huì)給出具體數(shù)據(jù).

2.3 機(jī)械臂的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了更加接近真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景以及發(fā)揮桿驅(qū)動(dòng)式機(jī)械臂的高效率(相對(duì)于繩索驅(qū)動(dòng))，同樣需要實(shí)時(shí)性較高的電控方案.系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)采用雙機(jī)模式，如圖5所示.其中：PC指臺(tái)式機(jī)；TCP協(xié)議為傳輸控制協(xié)議；UDP協(xié)議為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議；RoboRio為美國(guó)National Instrument的控制器.上位機(jī)運(yùn)行非實(shí)時(shí)系統(tǒng)生成電機(jī)運(yùn)行的指令.下位機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)，作為6個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的EtherCAT主站控制電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳輸系統(tǒng)中的其他測(cè)控指令和數(shù)據(jù).由2.2節(jié)可知，本設(shè)計(jì)中的模組(包括電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和絲杠滑臺(tái))是一個(gè)半閉環(huán)的驅(qū)動(dòng)裝置，電機(jī)由23位編碼器靠自帶的比例、積分、微分(PID)控制器功能實(shí)現(xiàn)伺服定位，滑臺(tái)沒(méi)有安裝額外的反饋，因此驅(qū)動(dòng)裝置的定位精度由滑臺(tái)定位精度決定，即0.05 mm，此驅(qū)動(dòng)精度對(duì)于本文手臂的尺寸來(lái)說(shuō)是足夠的(由3.3節(jié)的實(shí)驗(yàn)可知，手臂末端定位精度在10 mm的量級(jí)).從模組輸入到手臂末端定位是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，末端的采集依靠坐標(biāo)紙板的讀數(shù)，具體將在3.3小節(jié)介紹.依靠上述電控設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)體機(jī)械臂5自由度目標(biāo)軌跡的開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng).

把桿與約束交點(diǎn)處的位姿寫成齊次變換矩陣，可得：

一個(gè)關(guān)于目標(biāo)軌跡的算例如圖6所示，規(guī)劃一條空間軌跡使得機(jī)械臂從圖6中的姿態(tài)經(jīng)姿態(tài)達(dá)到姿態(tài)從姿態(tài)到姿態(tài)，部分模組移動(dòng)全行程，從姿態(tài)到姿態(tài)，另一部分模組移動(dòng)全行程，由于單個(gè)模組的全行程需要2.2 s，因而完成上述極限空間軌跡需要4.4 s.而本節(jié)所實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制指令的周期為2 ms，使用線性插值獲得這樣的目標(biāo)軌跡時(shí)，其在機(jī)械臂末端的空間軌跡可以被離散為2 201點(diǎn)，即

第二，在標(biāo)識(shí)、環(huán)境、特殊人群、廁所管理等方面保持著高重要性和高滿意度，需要繼續(xù)進(jìn)行完善和保持；旅游廁所在數(shù)量、比例和布局上的存在重要性高、滿意度低的問(wèn)題，未來(lái)需要重點(diǎn)改進(jìn)，提升游客滿意度；在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、裝潢環(huán)境上存在重要性低、滿意度低的情況，可將其作為次要改善項(xiàng)目，在相關(guān)需求上升時(shí)再適當(dāng)調(diào)整供給；在潔手設(shè)備、照明、外觀、裝飾等方面的處于重要性低、滿意度高的狀態(tài)，可以在繼續(xù)保持的基礎(chǔ)上，合理配置資源進(jìn)行重點(diǎn)和次要項(xiàng)目改進(jìn)工作。

其中，包括起、止軌跡點(diǎn).姿態(tài)末端點(diǎn)的高度為 863 mm.在不考慮機(jī)械臂剛度的理想前提下，以 863 mm 為半徑把軌跡近似為半圓，則控制指令的離散時(shí)間間隔映射到機(jī)械臂末端劃過(guò)軌跡的空間離散間隔約

評(píng)價(jià)主要以過(guò)程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)為主，包括教師評(píng)價(jià)、學(xué)生互評(píng)和自評(píng)[23]。教師評(píng)價(jià)就是教師對(duì)全體學(xué)生課上表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估學(xué)生的問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新能力、參與度。具體可采用記錄過(guò)程表、隨堂測(cè)驗(yàn)等方式。學(xué)生互評(píng)包括小組成員內(nèi)部評(píng)價(jià)和組間評(píng)價(jià)。學(xué)生根據(jù)實(shí)際情況填寫小組成員參與度評(píng)價(jià)表及對(duì)其他小組作品的評(píng)價(jià)表。自評(píng)主要是學(xué)生對(duì)自己在課程學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)進(jìn)行反思，正確認(rèn)識(shí)自己，在反思中尋求進(jìn)步。

據(jù)了解，作為“親土種植百千億行動(dòng)”的重要落地抓手之一，親土狀元選拔大賽旨在以比賽的形式選拔會(huì)種地、會(huì)養(yǎng)地的職業(yè)農(nóng)民，通過(guò)其先鋒模范作用，讓廣大一線農(nóng)民認(rèn)識(shí)親土種植、接受親土種植，真正實(shí)現(xiàn)親土種植在田間地頭的全面落地。隨著洛川親土狀元評(píng)選活動(dòng)的落幕，這項(xiàng)歷時(shí)4個(gè)多月的全國(guó)大型“三農(nóng)”選秀公益活動(dòng)圓滿收官。

作為一項(xiàng)最基礎(chǔ)的防水技術(shù)就是混凝土結(jié)構(gòu)防水技術(shù)，是將混凝土從性能上加強(qiáng)了防水的能力，避免出現(xiàn)大量的裂縫和滲漏水情況。與此同時(shí)，混凝土的結(jié)構(gòu)的防水技術(shù)要想提升，就要針對(duì)混凝土的材料和鋼筋在質(zhì)量上進(jìn)行管控，施工過(guò)程中要加強(qiáng)施工的管理，引進(jìn)先進(jìn)的施工技術(shù)，特別是針對(duì)變形縫處和分段澆筑接縫進(jìn)行加強(qiáng)，要采用新的技術(shù)避免出現(xiàn)裂縫。另外，使用防水能力很強(qiáng)的混凝土結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要在施工中加入防水的材料。此外，在地鐵施工過(guò)程中針對(duì)地下車站的整體結(jié)構(gòu)和墻面要使用防水的材料，防水起到雙層的效果。

即0.1%的名義極限臂長(zhǎng).實(shí)際上機(jī)械臂末端的軌跡只能在上述極限位姿才能達(dá)到863 mm臂長(zhǎng)，在其他運(yùn)動(dòng)位置，這個(gè)間隔距離將會(huì)快速下降.最終，該電控方案與機(jī)械實(shí)現(xiàn)的效率相互配合，使得連續(xù)體機(jī)械臂能夠快速完成開(kāi)環(huán)控制的空間曲線.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

二段圓弧模型的分析，僅能驗(yàn)證幾何上目標(biāo)位置的可達(dá)性，連續(xù)體機(jī)械臂的姿態(tài)還受限于組成機(jī)械臂的多桿系統(tǒng)穩(wěn)定性和力學(xué)特性，本節(jié)將給出3個(gè)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，來(lái)綜合驗(yàn)證前文的自由度設(shè)計(jì)和機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性以及給出基本的誤差量級(jí).

3.1 執(zhí)行器到達(dá)180°極限位姿及其效率實(shí)驗(yàn)

本小節(jié)驗(yàn)證機(jī)械臂到達(dá)極限位姿的可行性和效率.使用所設(shè)計(jì)的機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程如下：首先提供目標(biāo)軌跡上一系列關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)的位姿，本實(shí)驗(yàn)所用目標(biāo)位姿數(shù)據(jù)如表4所示，其中d,1，d,2和d,3分別為的軸分量的坐標(biāo)值.其次，這些空間坐標(biāo)系將在如圖5所示的電控系統(tǒng)輸入端，插值生成末端執(zhí)行器的5自由度理想運(yùn)動(dòng)軌跡，并在交互端用逆靜力學(xué)數(shù)值解生成開(kāi)環(huán)數(shù)據(jù)；再通過(guò)機(jī)電系統(tǒng)中實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主掃描程序，把獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送給EtherCAT總線，由電機(jī)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令.本實(shí)驗(yàn)用2 s完成表3中的動(dòng)作，即機(jī)械臂從初始直立狀態(tài)到180° 彎曲狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖7所示.由圖7可知，機(jī)械臂擁有桿驅(qū)動(dòng)式連續(xù)體機(jī)械臂的高效性，且自由度的設(shè)計(jì)和機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是可行的.

3.2 螺旋姿態(tài)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)械臂的5自由度設(shè)計(jì)，把3.1節(jié)實(shí)驗(yàn)中的目標(biāo)位置從平面擴(kuò)展到三維空間中.首先，生成一條空間螺旋線軌跡為

(13)

其次，求解出該軌跡的切線方程為

(14)

需要指出的是，末端執(zhí)行器在跟隨空間定點(diǎn)位置處的切線時(shí)，部分工況可能需要較大的彎曲變形，當(dāng)切線的變形對(duì)機(jī)械臂的要求超過(guò)多桿系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)桿件失穩(wěn)的情況.盡管機(jī)械臂能夠從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置，但是可能在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)短暫失穩(wěn)，即開(kāi)環(huán)跟蹤理想軌跡失穩(wěn)時(shí)，軌跡中部分段可能會(huì)出現(xiàn)較大誤差.在機(jī)械臂的5自由度定位范圍中，初始直立狀態(tài)附近具有更大的定位范圍，因而本實(shí)驗(yàn)將理想軌跡選在這個(gè)工位以避免出現(xiàn)失穩(wěn)，這個(gè)工位也是絕大多數(shù)手術(shù)機(jī)械臂的工作空間.綜上可知，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂及其控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)環(huán)的5自由度目標(biāo)位置的跟蹤.

3.3 開(kāi)環(huán)跟蹤曲線實(shí)驗(yàn)

在實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的定位后，為了給出定位誤差參考值，本實(shí)驗(yàn)在末端執(zhí)行器上安裝一個(gè)激光頭，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)拍攝運(yùn)動(dòng)視頻，并在視頻的關(guān)鍵幀中讀取激光頭投影點(diǎn)在坐標(biāo)紙板上的坐標(biāo)，獲得實(shí)際的坐標(biāo)值，實(shí)驗(yàn)配置如圖9所示.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在機(jī)械臂的控制系統(tǒng)中生成平面正弦曲線，在坐標(biāo)版上讀取曲線的特征點(diǎn)(例如拐點(diǎn)、誤差最大點(diǎn))的坐標(biāo)，通過(guò)和理論計(jì)算點(diǎn)的對(duì)比，獲得機(jī)械臂的定位誤差.圖10記錄了機(jī)械手開(kāi)環(huán)跟蹤正弦曲線的結(jié)果，展示了約束4的歷程軌跡，并比較了理論末端軌跡和實(shí)驗(yàn)?zāi)┒塑壽E中正弦函數(shù)部分的誤差.表5記錄了理論和實(shí)驗(yàn)正弦軌跡上5個(gè)特征點(diǎn)的對(duì)比，包括誤差最大的點(diǎn)，其中：為距離.由表5可見(jiàn)，此軌跡的最大誤差為14 mm，約為臂長(zhǎng)(約700 mm)的2%.注意到這個(gè)誤差數(shù)值是手臂的開(kāi)環(huán)誤差，其一定程度上反映了機(jī)械設(shè)計(jì)和制作的相關(guān)誤差，同時(shí)更直接地反映了控制系統(tǒng)中逆靜力學(xué)與樣機(jī)間的誤差，因此可以通過(guò)大量定位數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)械臂物理參數(shù)標(biāo)定而使其進(jìn)一步縮小，或者依靠控制算法減小.

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)連續(xù)體機(jī)械臂在靈活抓取場(chǎng)景中定位空間不足以及工作效率的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)耦合的機(jī)械臂，通過(guò)合理配置約束，實(shí)現(xiàn)了手臂末端5個(gè)自由度的定位設(shè)計(jì)，并制作了對(duì)應(yīng)的機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括從軌跡輸入到快速執(zhí)行的完整功能.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性以及機(jī)械臂控制系統(tǒng)的高效性，機(jī)械臂可以在2 s內(nèi)從初始位置達(dá)到極限位置，并測(cè)定了其定位精度在約2%的名義臂長(zhǎng)的量級(jí).由于該樣機(jī)在實(shí)現(xiàn)大變形自由度的同時(shí)，也帶來(lái)了一定的剛度損失，所以未來(lái)的研究將關(guān)注其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以進(jìn)一步提高剛度，或者充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)，將結(jié)構(gòu)向小型化的方向設(shè)計(jì).