参 考 文 献 28

1  绪论

1。1  机械臂简介

自1946年第一台电子管计算机的诞生，到目前为止，计算机经历了70年的发展，计算机技术在朝着快运算速度、大存储容量、高集成度的方向发展[2]。计算技术的成熟，带动并促进了工业的发展，计算机的应用改变了传统以手工为主的制造方式，逐渐向自动化、智能化、人性化方向发展[6]。机械臂是一种自动化装置，是自动化的直接执行者，其在各个行业均有大量应用，包括工业生产制造、医疗卫生、军事、半导体制造、航空航天、娱乐服务等。机械臂的应用具有以下几点优势：论文网

节省大量的人力资源，因为一些重复的手工工作可以用机械臂来替代。

提高产量，增加产值，由于长时间的工作会使工人具有疲惫感，而机械臂可以做24小时不间断的工作，因此在单位时间产出相同的情况下，机械臂可以持久地工作。

提高生产效率、降低成品的单位成本。通常情况下，工人持续工作，会导致精力下降，生产效率降低，而机械臂能够一直保持相同的产出率。

机械臂能够处理一些具有危险的工作，比如工作现场具有放射性。

机械臂可以执行一些人无法完成的工作，如火星探测，好奇号火星车可以通过机械臂，采集岩石样本，并执行化验等操作。

第一台机械臂由美国研制而成，在1954年美国戴沃尔提出了工业机器人的概念，并以此申请了专利。该专利的主要特点为，对机器人的关节采用伺服技术进行控制。该伺服机器人能够根据人手的示教，实现动作的复现。现有的机器人多是在该控制理论的基础上进行的改进和演变。到1958年，美国联合控制公司研制出第一台机械臂铆接机器人。直到1962年，AMF公司推出了“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出了“UNIMATE”，才称得上是工业机器人，它们的构成与人的手臂结构类似，可以完成重复的劳动。这些机械臂的出现真正拉开了机械化、自动化的序幕，为工业等其他行业的自动化发展奠定了基础[8]。

根据机械臂构造方式可分为：多关节机械臂、直角坐标系机械臂、圆柱坐标机械臂、极坐标机械臂，分别如图1。1，1。2，1。3，1。4所示

图1。1 多关节式机械臂

图1。2 直角坐标式机械臂图

图1。3 圆柱坐标式机械臂

图1。4 极坐标式机械臂

1。2  研究背景和意义

    机械臂的运动学分析是研究机械臂的基础，建立机械臂的D—H参数表已经成为解决机械臂正反运动学的标准。常见的逆运动学方法包括代数法、几何法，二者称为解析法，另外还包括迭代方法，例如遗传算法等启发式方法。文献综述

    代数法的计算较为复杂，通常需要大量的公式推导与计算，而且所要求解的方程多为非线性方程，甚至为非线性超越方程，因此求解起来非常困难，因此采用代数方法进行求解时较为复杂与困难。

    几何方法是通过简化部分结构，然后根据机械臂的连杆间的几何关系进行求解，当解决机械臂关节少、自由度低的问题时，几何方法能够简化计算，并从直观上进行求解。但是当关节数增多，自由度增加时，逆运动学解并不是唯一的，而且通常包含多组解，如灵巧工作空间存在无数组解的情况，此时几何方法根本不能使用。

    遗传算法等启发式算法受到初始约束的限制，只能求得一组解，但启发式算法没有复杂的数学推导及几何关系的寻找，而且具有梯度不依赖的特点，该方法能够快速找到一组可行解。因此启发式方法也得到越来越多的关注，不少学者尝试采用各种启发式方法对机械臂的正逆运动学进行求解，并获得一定的成果。