前言

隨車吊可以應(yīng)用于導(dǎo)彈武器裝備運輸、導(dǎo)彈半自動填裝系統(tǒng)、危險環(huán)境救援和果樹農(nóng)產(chǎn)品噴灑農(nóng)藥采摘等。在應(yīng)用到導(dǎo)彈武器裝備中時，導(dǎo)彈武器從生產(chǎn)到作戰(zhàn)訓(xùn)練和戰(zhàn)場運用都需要運輸手段，運輸方式包括船舶運輸、車輛運輸和人員攜帶等；而裝備可靠性與裝備運輸性能的優(yōu)劣有著緊密聯(lián)系，運輸環(huán)境影響導(dǎo)彈裝備性能。在應(yīng)用到導(dǎo)彈半自動填裝系統(tǒng)中時，填裝系統(tǒng)的功能是把準(zhǔn)備發(fā)射的導(dǎo)彈填裝到發(fā)射架上，填裝裝置主要是由一臺能把導(dǎo)彈裝到發(fā)射架或從發(fā)射架卸下來，為了代替操作手人工把導(dǎo)彈裝到發(fā)射架上并使導(dǎo)彈自動進入發(fā)射架上的準(zhǔn)確位置，先把要填裝的導(dǎo)彈運送到與發(fā)射架相對應(yīng)的位置上，然后通過一個簡單的旋轉(zhuǎn)動作，便可將導(dǎo)彈單個或同時裝到相應(yīng)的發(fā)射上。應(yīng)用在救援機器人方面，面對越來越復(fù)雜和危險的救援對策和世界范圍內(nèi)頻繁的人為和自然災(zāi)難，機器人協(xié)助甚至代替人類參與救援工作成為當(dāng)今救援的重要議題與手段。機器人在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，可以大大降低勞動程度，提高勞動生產(chǎn)率，解決勞動力不足的難題，現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)機器人是檢測技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)、圖形識別技術(shù)和通訊技術(shù)等多種技術(shù)集合于一身的機器。

我國在20世紀(jì)70、80年代才開始研究隨車吊系統(tǒng)，由于起步較晚，國內(nèi)隨車吊機械臂的研究與發(fā)達國家還有較大差距。在王天然院士組織領(lǐng)導(dǎo)下七家合作單位經(jīng)過不懈努力研究出液壓驅(qū)動救援隨車吊機械臂，這七家合作單位分別是浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、機械科學(xué)研究總院等。液壓驅(qū)動救援隨車吊機械臂具有如下特點：一是油、電“雙動力”交替驅(qū)動，二是雙臂手作業(yè)，輪履復(fù)合行進，三是雙臂末端的機械手可根據(jù)作業(yè)或救援現(xiàn)場需要而快速更換不同作業(yè)功能，這樣可使液壓驅(qū)動救援隨車吊機械臂快速地完成裝卸、拆解、搶險救援作業(yè)，

隨車吊機械臂的運動學(xué)模型是結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，它不僅便于分析機構(gòu)的速度和加速度，也為研究動力學(xué)相關(guān)問題提供了便利。常見的方法為D-H參數(shù)表示法和齊次變換矩陣法。該方法的優(yōu)點是利用它便于進行雅可比矩陣的計算和力分析等，但它在技術(shù)上仍存在著根本問題是：針對僅在x和z軸運動的機械臂，可以進行完整描述，而涉及到關(guān)于y軸的運動形式就不再適用。然而，隨車吊機械臂自動轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的機械機構(gòu)比較復(fù)雜，多存在回轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、拉伸等多個關(guān)節(jié)，這將給D-H參數(shù)法在關(guān)節(jié)坐標(biāo)的設(shè)定帶來很多麻煩，采用齊次變換旋轉(zhuǎn)矩陣法對室外作業(yè)的液壓隨車吊機械臂系統(tǒng)進行運動學(xué)建模，其方法簡單，且效果直觀。

1、數(shù)學(xué)模型建立

本文首先要建立一個坐標(biāo)系，而坐標(biāo)系的建立就應(yīng)用Denavit-HartenBerg法(D-H法），再根據(jù)D-H法所建立的坐標(biāo)系推導(dǎo)機械臂的運動方程。D-H法是一種建立相對位姿的矩陣方法，在1995年Denavit和HartenBerg提出了這種方法并以他們兩人的名字命名為D-H法。D-H法利用齊次變換描述了各個連桿相對于固定參考系的空間幾何關(guān)系，相鄰兩連桿的空間關(guān)系用一個4*4的齊次變換矩陣來描述的，從而可以推導(dǎo)出末端執(zhí)行器的坐標(biāo)系相對于基坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，建立操作臂的運動方程。

若要求解機械臂正運動學(xué)必須要已經(jīng)知道機械臂各關(guān)節(jié)角度，再根據(jù)機械臂各關(guān)節(jié)角度求取機械臂末端執(zhí)行器的期望位姿，機械臂運動學(xué)問題研究的標(biāo)準(zhǔn)方法是利用D-H法進行分析建模，其基本思想是：首先要建立參考坐標(biāo)系，參考坐標(biāo)系要在機械臂各個關(guān)節(jié)處建立；其次確定任意2個相鄰坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，將得到的矩陣依次相乘；最后得出基座至末端執(zhí)行器的總變換矩陣。

圖1六自由度模塊化機械臂

可以把機械臂看作是用關(guān)節(jié)連接起來的連桿構(gòu)成的，根據(jù)此機械臂的結(jié)構(gòu)特點，使用D-H法建立基坐標(biāo)系和各個關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，六自由度機械臂是一種空間機構(gòu)，這種空間機構(gòu)具有六個關(guān)節(jié)。只有在每個關(guān)節(jié)處建立坐標(biāo)系，才能夠描述機械臂末端在空間的姿態(tài)和位置。

2、MATLAB簡介

MATLAB是一種高級技術(shù)計算語言，MATLAB在數(shù)據(jù)可視化、算法開發(fā)、數(shù)值計算以及數(shù)據(jù)分析方面發(fā)揮重要作用。MATLAB具有繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)圖像、運算矩陣、用C語言和C++等編程語言編寫程序、創(chuàng)建用戶界面等功能。MATLAB最大的得色是在數(shù)值計算方面。Matlab的繪制函數(shù)、矩陣運算和創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言等功能可以完成圖像處理、工程計算、控制設(shè)計、信號檢測等要求。矩陣是MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位，工程、數(shù)學(xué)中所用到的形式與其指令表達式很相像，正因為這樣，與C和FORTRAN等語言相比用MATLAB來解決問題要簡單簡捷得多。MATLAB優(yōu)勢特點

1)實現(xiàn)計算編程和結(jié)果的可視化，具有完備的圖形處理功能；

2）為了方便用戶，建立了像通信工具箱、信號處理工具箱等豐富的應(yīng)用工具箱；

3)符號計算及數(shù)值計算功能強大，能夠避免繁雜的數(shù)學(xué)運算分析；

4)數(shù)學(xué)表達式及用戶界面的自然化語言，更方便學(xué)習(xí)和掌握。

可以說MATLAB是一個集合，這些集合可以讓用戶所需要的計算功能全部都實現(xiàn)，集合包含超過六百個工程和科研中所要用到的計算算法。在計算要求一樣的情形下，用其它方法編程比MATLAB的編程的工作量會增加很多。MATLAB所擁有的這些函數(shù)集（例如特征向量、矩陣的復(fù)雜函數(shù)、傅立葉變換）能夠解決工程中很多計算問題（例如工程中的優(yōu)化問題、微分方程及偏微分方程的組的求解、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析等）。

在圖形處理方面，MATLAB有了很大的進步和發(fā)展，MATLAB不但對二維曲線和三維曲面的處理和繪制等一般軟件都具有的功能有所補充，而且對于圖形的色度處理、四維數(shù)據(jù)以及光照處理的這些其他軟件所沒有的功能表現(xiàn)出了出色的處理能力。MATLAB還具有數(shù)據(jù)可視化功能，這項從開發(fā)時就擁有的功能可以方便用戶使用，數(shù)據(jù)可視化功能能夠以圖形的形式將矩陣和向量表達出來。高層次的作圖包括二維和三維的圖象處理、可視化、表達式和動畫作圖可用于工程繪圖和科學(xué)計算，MATLAB也針對不同層次的用戶對類似圖形對話等特殊要求設(shè)計出來相應(yīng)的功能函數(shù)。

3、運動學(xué)仿真

對機械臂進行運動學(xué)仿真，為了使機械臂運動的狀況能夠更立體直觀可以用圖形的方式把機械臂仿真結(jié)果表示出來，即機械臂能否滿足空間操作要求，動作是否連貫和有無干涉現(xiàn)象。用數(shù)據(jù)曲線或數(shù)據(jù)本身與用圖形的方式進行仿真相比，用圖形的方式可以分析出大量的重要信息，而用數(shù)據(jù)曲線或數(shù)據(jù)本身仿真則無法看出機器人的運動規(guī)律。

3.1正運動學(xué)的驗證

圖3第八組機械臂的末端位姿

3.3差值規(guī)劃結(jié)果

以下是用插值法規(guī)劃的垂直抓取軌跡，本論文對空間曲線軌跡、速度和加速度都做了仿真，如圖4、圖5、圖6

圖4各坐標(biāo)軸曲線

圖5空間曲線軌跡

圖6關(guān)節(jié)速度曲線

4、結(jié)論

運用D-H法建立坐標(biāo)系進行隨車吊正運動學(xué)分析，求解機械臂的D-H參數(shù)；根據(jù)隨車吊機械臂末端的坐標(biāo)位置和隨車吊機械臂的運動學(xué)正解可以推得16組運動學(xué)逆解；本論文還運用插值法對隨車吊機械臂的軌跡進行規(guī)劃，用笛卡爾空間軌跡規(guī)劃法把運動學(xué)分為七個階段，對勻速階段和變加速階段分別進行求解；本論文最后對正、逆運動學(xué)進行仿真，設(shè)定桿的長度、假定關(guān)節(jié)度數(shù)從而得出八組解，將這八組解與原定的數(shù)據(jù)相比較發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)組相近，這充分證明了逆運動學(xué)的求解是正確的。

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