串联机器人机械臂工作空间与结构参数研究_田海波.pdf

2013年4月农业机械学报第44卷第4期

doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2013．04．034

串联机器人机械臂工作空间与结构参数研究!

田海波马宏伟魏娟
(西安科技大学机械工程学院，西安710054)

摘要:工作空间的体积可以反映串联机器人运动灵活程度。研究了一种串联机器人机械臂的工作空间问题。首
先，提出机械臂的基本结构，进行简化，得到其运动模型;在此基础上对机械臂进行了运动学分析;然后，采用蒙特
卡洛法分析该机械臂的工作空间，得出了机械臂末端的工作空间点云图;提出了自适应划分网格方法，并用该方法
计算了该工作空间的体积;最后，分析了机械臂结构参数对工作空间体积的影响，为机械臂的参数优化提供了理论
依据。
关键词:串联机器人机械臂工作空间结构优化蒙特卡洛法自适应划分网格
中图分类号:TP242;TH112文献标识码:A文章编号:1000-1298(2013)04-0196-06

WorkspaceandStructuralParametersAnalysisfor
ManipulatorofSerialRobot

TianHaiboMaHongweiWeiJuan
(SchoolofMechanicalEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi'an710054，China)

Abstract:Thevolumeofworkspaceshowedtheflexibilityofaserialrobot．Theworkspaceofthe
manipulatorofaserialrobotwasresearched．Firstly，themainstructureofthemanipulatorwasgivenand
itskinematicalmodelwasproposed．Then，itskinematicsanalysiswastaken．Themanipulator's
workspacewasanalyZedbyMonteCarlomethodandthecloudpicturewascompleted．Theadaptive-
dividedmeshmethodwasbrought．Thevolumeofworkspacewascalculated．Atlast，theeffectofthe
manipulator’sstructuralparametersontheworkspacevolumewasanalyZed，whichprovidedtheoretical
basisforthemanipulator’sstructuralparameteroptimiZation．
Keywords:SerialrobotManipulatorWorkspaceStructuraloptimiZationMonteCarlomethod
Adaptive-dividedmesh

机械臂的工作空间是机器人机械臂运动灵活程
引言
度的重要指标之一，它是指其末端参考点所能达到
串联机器人是一类应用非常广泛的机器人。在的空间点集合［2］。目前，机器人工作空间的求解方
农业上，它可以通过编程来完成采摘水果和蔬菜等法主要有图解法、解析法以及数值法。图解法直观
相关作业任务，从而解决劳动力不足的问题，能降低性强，可以得到的工作空间的剖截面或剖截线，但也
工人劳动强度和采摘成本、减轻农业化肥和农药对受到自由度数的限制，对于有些三维机器人无法准
人体的危害、提高采摘果蔬的质量、保证果蔬的适时确描述［3］。解析法是通过多次包络来确定工作空
采收，具有很大应用价值［1］。机械臂是这种串联机间边界，虽然可以把工作空间的边界用方程表示出
器人的主要执行部件，其灵活程度对机器人的工作来，但其直观性不强，十分繁琐，一般只适用于关节
能力起着至关重要的作用。数少于3个的机器人［4］。用数值法计算机器人的工

收稿日期:2012-04-19修回日期:2012-05-08
*陕西省教育厅专项科学研究资助项目(11JK0874)
作者简介:田海波，讲师，博士，主要从事机器人结构研究及其运动控制研究，E-mail:[e-mail]
第4期田海波等:串联机器人机械臂工作空间与结构参数研究197

作空间，实质上就是选取尽可能多的独立的不同各准目标物。接下来肘关节和2个腕关节同时运动，
关节变量组合，再利用机器人的正向运动学方程计机械手从瞄准位置运动至目标物被抓部位进行抓
算出机器人末端杆件端点的坐标值，这些坐标值就取，这样机械臂就具有良好的空间姿态调节功能。
形成了机器人的工作空间［5］。坐标值的数目越多，由此可见，机械臂末端的