外文翻译机械手的机械和控制系统[推荐阅读]

第一篇：外文翻译机械手的机械和控制系统

本科毕业设计

外文翻译

题

目 姓

名 专

业 指导教师

机械手的机械和控制系统 谢百松

学

号 20051103006

机械设计制造及其自动化 肖新棉

职

称 副教授

中国·武汉 二○○九年 二月

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机械手的机械和控制系统

文章来源: Dirk Osswald, Heinz Wörn.Department of Computer Science , Institute for Process Control and Robotics(IPR).,Engler-Bunte-Ring 8-Building 40.28.摘要: 最近，全球内带有多指夹子或手的机械人系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化的和非拟人化的。不仅调查了这些系统的机械结构,而且还包括其必要的控制系统。如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而不用改换夹子。这些机械手具备特殊的运动能力（比如小质量和小惯性），这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。本文概述了这种机械手的一般设计方法，同时给出了此类机械手的一个示例，如卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ。本文末介绍了一些新的构想，如利用液体驱动器为类人型机器人设计一个全新的机械手。关键词：多指机械手；机器人手；精操作；机械系统；控制系统

1.引言

2001年6月在德国卡尔斯鲁厄开展的“人形机器人”特别研究，是为了开发在正常环境（如厨房或客厅）下能够和人类合作和互动的机器人系统。设计这些机器人系统是为了能够在非专业、非工业的条件下（如身处多物之中），帮我们抓取不同尺寸、形状和重量的物体。同时，它们必须 1

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能够很好的操纵被抓物体。这种极强的灵活性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得，即所谓的多指机械手或机器人手。

上文提到的研究项目，就是要制造一个人形机器人，此机器人将装备这种机器人手系统。这个新手将由两个机构合作制造，它们是卡尔斯鲁厄大学的IPR（过程控制和机器人技术研究院）和c（计算机应用科学研究院）。这两个组织都有制造此种系统的相关经验，但是稍有不同的观点。

IPR制造的卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ（如图1所示），是一个四指相互独立的手爪，我们将在此文中详细介绍。IAI制造的手（如图17所示）是作为残疾人的假肢。

图1.IPR的卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ

图2.IAI开发的流体手 2.机器人手的一般结构

一个机器人手可以分成两大主要子系统：机械系统和控制系统。机械系统又可分为结构设计、驱动系统和传感系统，我们将在第三部分作进一步介绍。在第四部分介绍的控制系统至少由控制硬件和控制软件组成。

我们将对这两大子系统的问题作一番基本介绍，然后用卡尔斯鲁厄灵 2

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巧手Ⅱ演示一下。

3.机械系统

机械系统将描述这个手看起来如何以及由什么元件组成。它决定结构设计、手指的数量及使用的材料。此外，还确定驱动器（如电动机）、传感器（如位置编码器）的位置。

3.1 结构设计

结构设计将对机械手的灵活度起很大的作用，即它能抓取何种类型的物体以及能对被抓物体进行何种操作。设计一个机器人手的时候，必须确定三个基本要素：手指的数量、手指的关节数量以及手指的尺寸和安置位置。

为了能够在机械手的工作范围内安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。为了能够对被抓物体的操作获得6个自由度（3个平移和3个旋转自由度），每个手指必须具备3个独立的关节。这种方法在第一代卡尔斯鲁厄灵巧手上被采用过。但是，为了能够重抓一个物件而无需将它先释放再拾取的话，至少需要4根手指。

要确定手指的尺寸和安置位置，可以采用两种方法：拟人化和非拟人化。然后将取决与被操作的物体以及选择何种期望的操作类型。拟人化的安置方式很容易从人手到机器人手转移抓取意图。但是每个手指不同的尺寸和不对称的安置位置将增加加工费用，并且是其控制系统变得更加复杂，因为每个手指都必须分别加以控制。对于相同手指的对称布置，常采用非 3

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拟人化方法。因为只需加工和构建单一的“手指模块”，因此可减少加工费用，同时也可是控制系统简化。

3.2 驱动系统

指关节的驱动器对手的灵活度也有很大的影响，因为它决定潜在的力量、精度及关节运动的速度。机械运动的两个方面需加以考虑：运动来源和运动方向。在这方面，文献里描述了有几种不同的方法，如文献[3]中说可由液压缸或气压缸产生运动，或者，正如大部分情况一样使用电动机。在多数情况下，运动驱动器（如电机）太大而不能直接与相应的指关节结合在一起，因此，这个运动必须由驱动器（一般位于机器臂最后的连接点处）转移过来。有几种不同的方法可实现这种运动方式，如使用键、传动带以及活动轴。使用这种间接驱动指关节的方法，或多或少地降低了整个系统的强度和精度，同时也使控制系统复杂化，因为每根手指的不同关节常常是机械地连在一起，但是在控制系统的软件里却要将它们分别独立控制。由于具有这些缺点，因此小型化的运动驱动器与指关节的直接融合就显得相当必要。

3.3 传感系统

机器手的传感系统可将反馈信息从硬件传给控制软件。对手指或被抓物体建立一个闭环控制是很必要的。在机器手中使用了3种类型的传感器： 1.手爪状态传感器确定指关节和指尖的位置以及手指上的作用力情况。知道了指尖的精确位置将使精确控制变得可能。另外，知道手指作用 4

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在被抓物体上的力，就可以抓取易碎物件而不会打破它。

2.抓取状态传感器提供手指与被抓物体之间的接触状态信息。这种触觉信息可在抓取过程中及时确定与物体第一次接触的位置点，同时也可避免不正确的抓取，如抓到物体的边缘和尖端。另外还能察觉到已抓物体是否滑落，从而避免物体因跌落而损坏。

3.物体状态或姿态传感器用于确定手指内物体的形状、位置和方向。如果在抓取物体之前并不清楚这些信息的情况下，这种传感器是非常必要的。如果此传感器还能作用于已抓物体上的话，它也能控制物体的姿态（位置和方向），从而监测是否滑落。

根据不同的驱动系统，有关指关节位置的几何信息可以在运动驱动器或直接在关节处出测量。例如，如在电动机和指关节之间有一刚性联轴器，那么就可以用电机轴上的一个角度编码器（在齿轮前或齿轮后）来测量关节的位置。但是如果此联轴器刚度不够或着要获得很高的精度的话，就不能用这种方法。

3.4卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的机械系统

为了能够获得如重抓等更加复杂的操作，卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指组成，且每根手指由3个相互独立的关节组成。设计该手是为了能够在工业环境中应用（图3所示）和操纵箱、缸及螺钉螺帽等物体。因此，我们选用四个相同手指，将它们作对称、非拟人化配置，且每个手指都能旋转90°（图4所示）。

鉴于从第一代卡尔斯鲁厄灵巧手设计中得到的经验，比如因传动带而导 5

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致的机械问题以及较大摩擦因数导致的控制问题，卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ采用了一些不同的设计决策。每根手指的关节2和关节3之间的直流电机被整合到手指前部肢体中（图5所示）。这种布置可使用很硬的球轴齿轮将运动传递到手指的关节处。处在电机轴上的角度编码器（在齿轮前）此时可作为一个精度很高的位置状态传感器。

图3.工业机器人上的KDHⅡ

图4.KDHⅡ的顶视图

为了感知作用在物体上的手指力量，我们发明了一个六维力扭矩传感器（图6所示）。这个传感器可当作手指末端肢体使用，且配有一个球形指尖。它可以抓取较轻的物体，同时也能抓取3-5kg相近的较重物体。此传感器能测量X、Y和Z方向的力及绕相关轴的力矩。另外，3个共线的激光三角测量传感器被安置在KDHⅡ的手掌上（图5所示）。因为有3个这样的传感器，因此不仅可以测量3单点之间的距离，如果知道物体的形状，还能测出被抓物体表面之间的距离和方向。物体状态传感器的工作频率为1kHz，它能检测和避免物体的滑落。

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图5.KDHⅡ的侧视图

图6.带应变计量传感器的六自由度扭转传感器

4.控制系统

机器人手的控制系统决定哪些潜在的灵巧技能能够被实际利用，这些技能都是由机械系统所提供的。如前所述，控制系统可分为控制计算机即硬件和控制算法即软件。

控制系统必须满足以下几个的条件：

1.必须要有足够的输入输出端口。例如，一具有9个自由度的低级手，其驱动器至少需要9路模拟输出端口，且要有9路从角度编码器的输入端口。如再加上每个手指上的力传感器、触觉传感器及物体状态传感器的话，则端口数量将增加号几倍。

2.需具备对外部事件快速实时反应的能力。例如，当检测到物体滑落时，能立即采取相应的措施。

3.需具备较高的计算能力以应对一些不同的任务。如可以对多指及物体并行执行路径规划、坐标转换及闭环控制等任务。

4.控制系统的体积要小，以便能够将其直接集成到操作系统当中。

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5.在控制系统与驱动器及传感器之间必须要电气短接。特别是对传感器来说，若没有的话，很多的干扰信号将会干扰传感器信号。

4.1 控制硬件

为了应对系统的要求，控制硬件一般分布在几个专门的处理器中。如可通过一个简单的微控制器处理很低端的输入输出接口（马达和传感器），因此控制器尺寸很小，能轻易地集成到操纵系统中。但是较高水平的控制端口则需要较高的计算能力，且需要一个灵活实时操作系统的支持。这可以通过PC机轻易地解决。

因此，控制硬件常由一个非均匀的分布式计算机系统组成，它的一端是微控制器，而另一端则是一个功能强大的处理器。不同的计算单元则通过一个通信系统连接起来，比如总线系统。

4.2 控制软件

机器人手的控制软件是相当复杂的。必须对要对手指进行实时及平行控制，同时还要计划手指和物体的新的轨迹。因此，为了减少问题的复杂性，就有必要将此问题分成几个子问题来处理。

另一方面涉及软件的开发。机器人手其实是一个研究项目，它的编程环境如用户界面，编程工具和调试设施都必须十分强大和灵活。这些只能使用一个标准的操作系统才能得到满足。在机械人中普遍使用的分层控制系统方法都经过了修剪，以满足机械手的特殊控制要求。

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4.3卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的控制系统

如在4.1节中所说，对于卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一种分布式方法（图7所示）。一个微控制器分别控制一个手指的驱动器和传感器，另外一个微控制器用于控制物体状态传感器（激光三角传感器）。这些微控制器（图7左侧和右侧的外箱）直接安装在手上，所以可以保证和驱动器及传感器之间较短的电气连接。这些微控制器都是使用串行总线系统和主控计算机连在一起的。这个主控计算机（图

7、图8中的灰色方块）是由六台工业计算机组成的一个并行计算机。这些电脑都被排列在一个二维平面。相邻电脑模块（一台电脑最多有8个相邻模块）使用双端口RAM进行快速通信（图7中暗灰色方块所示）。一台电脑用于控制一个手指。另一台用于控制物体状态传感器及计算物体之间的位置。其余的电脑被安在前面提到的电脑的周围。这些电脑用于协调整个控制系统。控制软件的结构反映了控制硬件的架构。如图9所示。

图7.KDH II的控制硬件构架

图8.控制KDH II的平行主计算机

一个关于此手控制系统的三个最高层次的网上计划正在规划。理想的

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物体位移命令可由优越的机器人控制系统得到，并可用作物体路径的精确规划。根据已产生的目标路径就可规划可行的抓取行为（手指作用在物体上的可行抓取位置点）。现在知道了物体的运动计划，就可以由手指路径规划得出每个手指的运动轨迹，并传递给系统的实时能力部分。如果一个物体被抓取了，那么其手指的运动路径就传递给了物体的状态控制器。这个控制器控制物体的姿态，它由手指和物体状态传感器所决定，用以获得所需的物体姿态。如果一个手指没有跟物体接触，那么它的移动路径将会直接传递给手控制器。这个手控制器将相关的预期手指位置传递给所有的手指控制器，以协调所有手指的运动。这些在手指传感器的帮助下又反过来驱动手指驱动器。

图9.KDHⅡ的手部控制系统

5.实验结果

为了验证卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的能力，我们选择了两个要求操作问题。一个问题是在网上对处于外部影响下的被抓物体姿态（位置和方向）的控制。另一个问题是被抓物体必须能够绕任意角度旋转，这只能通过重抓才能实现。这可以反映卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ对复杂任务的操作能力。

5.1 物体姿态控制

这个物体姿态控制器的目的是为了确定好被抓物体的位置和方向以适

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合给定的轨迹。此任务必须在实时条件通过在线获得，尽管有内部变化及外部干扰的存在。内部变化比如在物体移动过程中，球形指尖在被抓物体上的滚动。这种状况如图

10、图11所示。这将导致物体的不必要的额外移动和倾斜。这些错误的物体姿势很难预先估计。因此，物体状态传感器的输入必须要修改这些错误。对于卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ来说，其上的三个激光三角传感器就是用来纠正此种错误的。图12定量地说明了图9中物体在没有姿态控制情况下的倾斜情况。下图显示了在X方向上随时间推移的预期轨迹，而上图显示了物体实际的旋转（倾斜）结果情况。因为启用了物体状态控制，图13中的物体倾斜得到了很大的减少。上图物体的旋转保持基本恒定，这和期望的一样。

图10.因滚动产生的额外位移

图12.没有状态控制的物体倾斜

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图11.因球形指尖在物体上的滚动而产生

图13.物体状态控制下减少的物体

额外的不期望倾斜情况

倾斜情况

物体状态控制器对补偿外界干扰也是十分必要的。比如，机器人（手臂、手或手指）或被抓物体与外界的碰撞可能导致物体的滑落。这更有可能导致被抓物体的损耗，这是不能出现的情况。为了能够避免物体在这种情况下的损失，就必须检测出物体的滑落并迅速采取行动以稳定物体的状态。

为了验证卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ控制系统对这种干扰情况的处理能力，我们做了以下的实验：物件被抓后，将手指的接触力恒定减少直至物体开始滑落。在激光三角传感器检测滑落后，物体状态控制器采取措施将物体重新调控到所期望的位置。图14和图15展示了此种实验的一个例子。尤其是图14，它显示出物体滑落启动的相当突然且相当快。但是物体状态控制器也能够足够快地检测和补偿滑落，这样物体的位置（这里：特别是X方向，就是滑落的方向）和物体的方向能够与最开始的期望值很快地相符。

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图14.滑落实验：X方向的实际物体

图15.滑落实验：关于Z轴的实际

位置

物体方向

5.2 重抓

虽然卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ非常的灵活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一个理想的对象操纵。这源于这样一个事实：手指相对于正常的工业机器人来说是十分小的，因此所具备的工作范围也是很有限的。如果物体被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空间内被操纵。可行操作的条件是所有的接触点必须长期地处在相联手指的工作范围内。这很大地限制了操作的可行性。为了能够克服此种限制，一个叫做重抓的操作就必须执行。即当一个接触点到达了相联手指的限制区域时，这个手指就必须从物体上脱离，并移到一个新的接触位置。这必须是多于3个手指的手才能使操作可靠。周期性的移动这些手指，就能使任意的操作变得可行。关于此种操作有一个例子，就是在大角度旋转被抓物体时，此时重抓动作很有必要。图16显示了卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ在旋转一个螺帽状物体时的一系列图片。这个物体是绕它的垂直轴旋转的。在a到c图中所有的手指都跟物体接触，并且四个手指相互协调运动才使物体旋转。图d到图f显示了一 13

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个手指的的重抓动作。在d图中这个手指已经运动到其工作范围的极限位置，这时所有手指的协调运动也被终止。左前方的手指脱离物体并单独移动到另一个接触点。在图f中这个手指重新跟物体接触，另一个手指此时可以重新定位（没有显示）。所有的手指重新定位之后，协调旋转运动继续进行。视具体情况而定，卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ也可以同时进行几个手指的重抓动作。这可以加速重抓过程，但是只能是被抓物体与外界接触的条件下才有可能。比如说螺丝钉上的螺帽或孔里的一挂钩。图17显示了卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ将一个木柱从一个平方的基座孔内拉出来的一系列图片。图a到图b显示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一时刻脱离物体并重新定位（图c到图e）。那之后，前面与后面的手指也重新定位（图f）。那之后，整个木柱被拉出，从而可进行进一步的操作（没有显示）。

图16.利用重抓旋转螺帽状物体

图17.利用重抓从孔中拉出 14

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木柱

6.结论

为了使机械手能够完成灵活精确的操作，一合适的机械系统和控制系统是必需的。这些介绍的标准是必需加以考虑的，正如文中所说。卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ表现的非常成功。这种机械手能够抓取很大范围的不同形状、尺寸和重量的物体。被抓物体的姿态也能可靠地加以控制，即使在外部干扰的情况下。此外，由于此系统，复杂的精细操作（如重抓）也能实现。在人行机器人的特殊研究领域，基于一个不同的概念叫做流体化（图2所示）的基础上，小型机械手也具有拟人化和机械化。这概念是由卡尔斯鲁厄研究中心的IAI所提出的。但是，这个控制软件的主要结构可经过相应修改而为此种小型机械手所用。

第二篇：工业机器人机械手外文翻译

外 文 翻 译

Introduction to Robotics

Mechanics and Control

机器人学入门

力学与控制

系

别： 机械与汽车工程系 专学业生

名姓

称： 机械设计制造及其自动化 名： 郭仕杰

学

号：

06101315 指导教师姓名、职称： 贺秋伟 副教授

完成日期 2014 年2 月28日 Introduction to Robotics

Mechanics and Control

Abstract This book introduces the science and engineering of mechanical manipulation.This branch of the robot has been in several classical field based.The main related fields such as mechanics, control theory, computer science.In this book, Chapter 1 through 8 topics ranging from mechanical engineering and mathematics, Chapter 9 through 11 cover control theory of material, and twelfth and 13 may be classified as computer science materials.In addition, this book emphasizes the computational aspects of the problem;for example, each chapter it mainly mechanical has a brief section calculation.This book is used to teach the class notes introduction to robotics, Stanford University in the fall of 1983 to 1985.The first and second versions have been through 2002 in use from 1986 institutions.Using the third version can also benefit from the revised and improved due to feedback from many sources.Thanks to all those who modified the author's friends.This book is suitable for advanced undergraduates the first grade curriculum.If students have contributed to the dynamics and linear algebra course in advanced language program in a basic course of statics.In addition, it is helpful, but not absolutely necessary, let the students finish the course control theory.The purpose of this book is a simple introduction to the material, intuitive way.Specifically, does not need the audience mechanical engineer strict, although much of the material is from the field.At the Stanford University, many electrical engineers, computer scientists, mathematicians find this book very readable.Here we only on the important part to extract.The main content

1、Background

The historical characteristics of industrial automation is popular during the period of rapid change.Either as a cause or an effect of automation technology, period of this change is closely linked to the world economy.Use of industrial robots, can be identified in a unique device 1960's, with the development of computer aided design(CAD)system and computer aided manufacturing(CAM)system, the latest trends, automated manufacturing process.The technology is the leading industrial automation through another transition, its scope is still unknown.In the northern America, machinery and equipment used in early 80's of the 20th century, the late 80's of the 20th century a short pull.Since then, the market more and more(Figure 1.1), although it is affected by economic fluctuations, all the market.Figure 1.2 shows the robots were installed in a large number of annual world industrial zone.Notably, the number of Japan's report is different from other areas: they count the number of machine of robot in other parts of the world are not considered robot(instead, they would simply be considered “factory machines”).Therefore, the reported figures for the Japanese exaggerated.One of the main reason for the growth in the use of industrial robots is that they are falling costs.Fig.1.3 shows that, in the last century 90's ten years, robot prices dropped although human labor costs.At the same time, the robot is not only cheaper, they become more effective and faster, more accurate, more flexible.If we factor these quality adjusted to the number, the use of robots to decrease the cost of even than their price tag faster.More cost-effective in the robot they become, as human labor to become more expensive, more and more industrial work become robot automation candidate.This is the most important trend to promote the industrial robot market growth.The second trend is, in addition to the economic, as robots become more can become more tasks they can do, may have on human workers engaged in dangerous or impossible.Industrial robots perform gradually get more complex, but it is still, in 2000, about 78% installation welding or material handling robot in USA robot.A more challenging field, industrial robots, accounted for 10% unit.This book focuses on the dynamics and control of the most important forms of industrial robot, manipulator.What is the industrial robot is sometimes debate.Equipment, as shown in Figure 1.4 is always included, and CNC milling machine(NC)is usually not.The difference lies in the programmable complex place if a mechanical device can be programmed to perform a variety of applications, it may be an industrial robot.This is the part of a limited class of tasks are considered fixed automation.For the purpose of this difference, do not need to be discussed;the basic properties of most materials suitable for various programmable machine.In general, the mechanical and control research of the mechanical hand is not a new science, but a collection of the theme from the “classic” field.Mechanical engineering helps to machine learning methods for static and dynamic conditions.The mathematical description of movement of the tool manipulator space supply and other attributes.Provide design evaluation tool to realize the motion and force the desired algorithm control theory.Electrical engineering technology applied in the design of electrical engineering technology for sensor applied in design and industrial robot interface sensor, are programmed to perform the required task of basic computer science and the equipment.Figures：

FIGURE 1.1: Shipments of industrial robots in North America in millions of US

dollars

FIGURE 1.2: Yearly installations of multipurpose industrial robots for 1995-2000 and

forecasts for 2001-2004

FIGURE 1.3: Robot prices compared with human labor costs in the 1990s

FIGURE 1.4:The Adept 6 manipulator has six rotational joints and is popular in many applications.Courtesy of Adept Technology, Inc.2、Control of mechanical arm In the study of robots, 3D spatial position we constantly to the object of interest.These objects are all manipulator links, parts and tools, it deals, and other objects in the robot's environment.In a coarse and important level, these objects are described by two attributes: the position and direction.Of course, a direct interest in the topic is the attitude in which we represent these quantities and manipulate their mathematics.In order to describe the human body position in space and direction, we will always highly coordinate system, or frame, rigid object.Then we continue to describe the position and orientation of the reference frame of the coordinate system.Any framework can be used as a reference system in the expression of a body position and direction, so we often think of conversion or transformation of the body of these properties from one frame to another description.The 2 chapter discusses the Convention methods of dealing with job descriptions discussed method of treating and post convention described positioning and manipulation of coordinate system the quantity and mathematics different.Well developed skills relevant to the position and rotation of the description and is very useful in the field of rigid robot.Kinematics is the science of sports, the movement does not consider the force which resulted in it.In the scientific research of kinematics, a position, velocity, acceleration, and the location variable high order derivative(with respect to time of all or any of the other variables(S)).Therefore, the kinematics of manipulator is refers to the geometric and temporal characteristics of all movement.The manipulator comprises nearly rigid connection, which is the relative movement of the joint connection of adjacent links.These nodes are usually instrument position sensor, so that adjacent link is a relative position measurement.In the case of rotating or rotary joint, the displacement is called the joint angle.Some robots including sliding(or prism)connection, in which the connection between the relative displacement is a translation, sometimes called the joint offset.The manipulator has a number of independent position variables are specified as the mechanism to all parts of the.This is a very general term, any mechanism.For example, a four connecting rod mechanism has only one degree of freedom(even with three members of the movement).In the case of the typical industrial robots, because the robots is usually an open kinematic chain, because each joint position usually define a variable, the node is equal to the number of degrees of freedom.The free end of the link chain consisting of the manipulator end effector.According to the application of robot, the end effector can be a starting point, the torch, electromagnet, or other device.We usually by mechanical hand position description framework description tool, which is connected to the end effector, relative to the base, the base of the mobile manipulator.In the study of mechanical operation of a very basic problem is the kinematics.This is to compute the position of mechanical static geometric problems in hand terminal positioning.Specifically, given a set of joint angles, the forward kinematics problem is to compute the position and orientation relative to the base of the tool holder.Sometimes, we think this is a change from the joint space is described as a manipulator position that Cartesian space description.“This problem will be discussed in the 3 chapter.In the 4 chapter, we will consider the inverse kinematics problem.The problems are as follows: the end effector position and direction of the manipulator, computing all possible joint angle, can be used to achieve the position and direction of a given.(see Figure 1.7.)This is a practical problem of manipulator is fundamental.This is quite a complex geometry problem, the conventional solution in tens of thousands of humans and other biological systems time every day.In a case like a robot simulation system, we need to create computer control algorithm can make the calculation.In some ways, the solution to this problem is the most important element in the operating system.This is quite a complex geometry problem, the conventional solution in tens of thousands of humans and other biological systems time every day.In a case like a robot simulation system, we need to create computer control algorithm can make the calculation.In some ways, the solution to this problem is the most important element in the operating system.We can use this problem as a mapping on 3D Descartes ”position“ space ”position“ in the robot joint space.This need will occur when the 3D spatial objects outside the specified coordinates.Lack of this kind of algorithm some early robot, they just transfer(sometimes by hand)required for the position, and then be recorded as a common set of values(i.e., as a position in joint space for later playback).Obviously, if the playback position and motion pattern recording and joint of the purely robot in Cartesian space, no algorithm for the joint space is necessary.However, the industrial robot is rare, the lack of basic inverse kinematics algorithm.The inverse kinematics problem is not a simple forward kinematics of A.The equation of motion is nonlinear, their solution is not always easy(or even possible in a closed form).At the same time, the existing problems of solutions and multiple solutions occur.The study of these problems provides an appreciation of what the human mind nervous system is achieved when we, there seems to be no conscious thought, object movement and our arms and hands operation.Manipulator is a solution of the presence or absence of a given definition of work area.A solution for the lack of means of mechanical hands can not reach the desired position and orientation, because it is in the manipulator working area.In addition to static positioning problem, we can analyze the robot motion.Usually, the analysis in the actuator velocity, it is convenient to define a matrix called the Jacobi matrix of the manipulator.The speed of Jacobi matrix specified in Descartes from the velocity mapping space and joint space.(see Figure 1.8.)This mapping configuration of the manipulator changes the natural changes.At some point, called a singularity, this mapping is not to make the transformation.This phenomenon are important to the understanding of the mechanical hand designers and users.Figures：

FIGURE 1.5: Coordinate systems or ”frames“ are attached to the manipulator and to

objects in the environment.FIGURE 1.6: Kinematic equations describe the tool frame relative to the base frame

as a function of the joint variables.FIGURE 1.7: For a given position and orientation of the tool frame, values for the joint variables can be calculated via the inverse kinematics.FIGURE 1.8: The geometrical relationship between joint rates and velocity of the end-effector can be described in a matrix called the Jacobian.3、Symbol Symbol is always the problems in science and engineering.In this book, we use the following convention: First: Usually, uppercase variables vector or matrix.Scalar lowercase variables.Second：Tail buoy use(such as the widely accepted)indicating inverse or transposed matrix.Third：Tail buoy not subject to strict conventions, but may be that the vector components(for example, X, Y, Z)or can be used to describe the PBO / P in a position of the bolt.Fourth：We will use a lot of trigonometric function, we as a cosine symbol angle E1 can adopt the following methods: because the E1 = CE1 = C1.In the vector sign note general: many mechanics textbook treatment number of vector at a very abstract level and often used vector is defined relative to expression in different coordinate systems.The most obvious example is, in addition to vector is relative to a given or known a different frame of reference.This is usually very convenient, resulting in compact structure, elegant formula.For example, consider the angular velocity, connected in series with the last body ° W4 'four rigid body(such as the manipulator links)relative to the fixed seat chain.Due to the angular velocity vector addition, angular velocity equation at last link we can write a very simple vector:

However, unless the information is relative to a common coordinate system, they cannot be concluded, therefore, although elegant, equation(1.1)calculation.Most of the ”work“.A case study of the manipulator, such statements,(1.1)work coordinate system hidden bookkeeping, which is often we need to practice.Therefore, in this book, we put the symbol reference frame vectors, we don't and carrier, unless they are in the same coordinate system.In this way, we derive expressions for computing numerical solution, ”bookkeeping" problem can be directly applied to the actual.Summary The robot is a typical electromechanical integration device, it uses the latest research results of machinery and precision machinery, microelectronics and computer, automation control and drive, sensor and information processing and artificial intelligence and other disciplines, with the development of economy and all walks of life to the automation degree requirements increase, the robot technology has been developing rapidly, the emergence of a variety of robotic products.The utility of robot products, not only can solve many practical problems difficult to solve by manpower, and the promotion of industrial automation process.At present, the research and development of robot relates to many aspects of the technology, the complexity of system structure, development and development cost is generally high, limiting the application of the technology, to some extent, therefore, the development of economic, practical, high reliability of robot system with a wide range of social significance and economic value.Based on the design of mechanical structure and drive system, the kinematics and dynamics of the cleaning robot is analyzed.Kinematics analysis is the basis of path planning and trajectory control of the manipulator, the kinematics analysis, inverse problem can complete the operation of space position and velocity mapping to drive space, using the homogeneous coordinate transformation method has been the end of manipulator position and arthrosis transform relations between the angle, geometric analysis method to solve the inverse kinematics problem of manipulator, provides a theoretical basis for control system design.The robot dynamics is to study the relationship between the motion and force of science, the purpose of the study is to meet the need of real-time control, this paper use straightaway language introduced the related mechanical industrial robots and control knowledge for us, pointing the way for our future research direction.Robot is a very complicated learning, in order to go into it, you need to constantly learn, the road ahead is long, I shall search.机器人学入门

力学与控制

摘要

本书介绍了科学与工程机械操纵。这一分支学科的机器人已经在几个经典的领域为基础的。主要的相关的领域是力学，控制理论，计算机科学。在这本书中，第1章通过8个主题涵盖机械工程和数学，第9章通过11个盖控制理论材料，第12和13章可能被归类为计算机科学材料。此外，这本书强调在计算方面的问题；例如，每章这方面主要以力学有一个简短的章节计算考虑。这本书是从课堂笔记用来教机器人学导论，斯坦福大学在1983的秋天到1985。第一和第二版本已经通过2002在从1986个机构使用。第三版也可以从中受益的使用和采用的修正和改进由于许多来源的反馈。感谢所有那些谁修正了作者的朋友们。这本书是适合高年级本科生一年级的课程。如果学生已经在静力学的一门基础课程有助于动力学和线性代数课程可以在高级语言程序。此外，它是有帮助的，但不是绝对必要的，让学生完成入门课程控制理论。本书的目的是在一个简单的介绍材料，直观的方式。具体地说，观众不需要严格的机械工程师，虽然大部分材料是从那场。在斯坦福大学，许多电气工程师，计算机科学家，数学家发现这本书很易读。在这里我们仅对其中重要部分做出摘录。

主要内容

1、背景

工业自动化的历史特点是快速变化的时期流行的方法。无论是作为一个原因或一个效果，这种变化的时期自动化技术是紧密联系在一起的世界经济。利用工业机器人，成为可识别在1960年代的一个独特的装置，随着计算机辅助设计（CAD）系统和计算机辅助制造（CAM）系统的特点，最新的趋势，制造业的自动化过程。这些技术是领先的工业自动化 通过另一个过渡，其范围仍然是未知的。在美国北部，在早期有机器设备多采用世纪80年代，其次是上世纪80年代后期一个简短的拉。自那时起，市场越来越多的（图1.1），虽然它是受经济波动，是所有市场。图1.2显示的机器人被安装在大数每年世界各国的工业区。值得注意的是，日本的报告数量有所不同从其他地区一样：他们算一些机器的机器人在世界的其他地方都没有考虑机器人（而不是，他们会简单地认为是“工厂的机器”）。因此，该报告的数字为日本有些夸大。

在工业机器人的使用增长的一个主要原因是他们正在下降成本。图1.3表明，在上世纪90年代的十年中，机器人的价格下降了虽然人类的劳动成本增加。同时，机器人不只是越来越便宜，他们变得更有效更快，更准确，更灵活的。如果我们的因素这些质量调整成数，使用机器人的成本下降甚至比他们的价格标签更快。在他们的工作机器人变得更具成本效益的，作为人类劳动继续变得更加昂贵，越来越多的工业工作成为机器人自动化的候选人。这是最重要的趋势推动了工业机器人的市场增长。第二个趋势是，除了经济，随着机器人变得更能成为他们能够做的更多以上的任务，可能对人类工人从事危险的或不可能的。工业机器人执行逐步得到更多的应用复杂的，但它仍然是，在2000年，大约78%安装在美国进行焊接或材料搬运机器人的机器人。

一个更具挑战性的领域，工业机器人，占10%装置。这本书着重于力学和最重要的形式控制的工业机器人，机械手。到底什么是工业机器人是有时辩论。设备，如图1.4所示是总是包括在内，而数控（NC）铣床通常不。区别在于的可编程的复杂的地方如果一个设备机械设备可以被编程为执行各种应用程序，它可能是一个工业机器人。这是最机部分有限的一类的任务被认为是固定的自动化。为目的本文的区别，不需要讨论；大多数材料的基本性质适用于各种可编程机。

总的来说，其力学和控制机械手的研究不是一个新的科学，而只是一个收集的主题从“经典”的领域。机械工程有助于机器学习方法静态和动态的情况下。数学描述空间供应工具机械手的运动和其他属性。控制理论提供了工具以实现所期望的运动和力的应用评价算法设计。电气工程技术施加在传感器的设计电气工程技术施加在传感器的设计和工业机器人接口，与计算机科学的基础这些设备进行编程以执行所需任务。

附图：

图1.1在数以百万计的人在美国北部的工业机器人的出货量美元

图1.2 年安装的多用途的工业机器人1995-2000年和2001年至2004年预测

图1.3 机器人的价格与上世纪90年代的人类劳动成本的比较

图1.4 娴熟的6臂有六个转动关节（流行于众多制造行业）

2、力学和机械臂的控制

机器人的研究中，我们不断的关注对象的位置三维空间。这些对象是机械手的链接，零件和工具，它的交易，并在机器人的环境的其他对象。在一个粗而重要的水平，这些对象是由两个属性描述：位置和方向。当然，一个直接感兴趣的话题是态度在我们所代表的这些量和操纵他们的数学。

为了描述人体在空间中的位置和方向，我们将始终高度坐标系统，或框架，严格的对 象。然后我们继续相对于一些参考描述该帧的位置和方向坐标系统。任何框架可以作为一个参考系统内的表达一个身体的位置和方向，所以我们经常认为转化或改变身体的这些属性从一帧到另一个的描述。2章讨论了公约的方法处理与职位描述讨论了公约的方法处理与职位描述定位和操纵这些量与数学不同的坐标系统。发展良好的技能有关的位置和旋转的描述甚至在刚体机器人领域是非常有用的。

运动学是科学的运动，对运动不考虑力这导致它。在运动学的科学研究，一个位置，速度，加速度，和所有的高阶导数的位置变量（相对于时间或任何其他变量（S））。因此，机械手的运动学研究是指所有的运动的几何和时间特性。机械手包括近刚性连接，这是由关节连接允许相邻链接的相对运动。这些节点通常仪表有位置传感器，使邻近的链接是相对位置测量。在旋转或旋转接头的情况下，这些位移被称为关节角度。一些机器人包含滑动（或棱镜）连接，其中之间的联系相对位移是一个翻译，有时也被称为联合偏移量。机械手具有数独立的位置的变量会被指定为定位该机制的所有部分。这是一个总称，任何机制。为例如，一个四连杆机构只有一个自由度（即使有三运动的成员）。在典型的工业机器人的情况下，因为机器人通常是一个开放的运动链，因为每个关节的位置通常定义一个变量，节点的数目等于自由度。

在链接组成的机械手的末端执行器的自由端链。根据机器人的应用，末端执行器可以是一个抓手，焊枪，电磁铁，或其他装置。我们一般通过描述工具的框架描述的机械手的位置，这是连接到端部执行器，相对于底座，所对移动机械手的基础。在机械操作的研究一个非常基本的问题就是了运动学。这是计算的位置的静态几何问题机械手的末端定位。具体而言，给定一组关节角，正向运动学问题是计算位置和方向工具架相对于底座。有时，我们认为这是改变从关节空间描述为一个机械手位置的表示笛卡尔空间的描述。“这个问题将在3章探讨。在4章中，我们将考虑的逆运动学问题。这个问题提出了如下：给出了末端执行器的位置和方向机械手，计算所有可能的关节角度，可以用来实现这个给定的位置和方向。（见图1.7。）这是一个根本性的问题机械手的实际应用。这是一个相当复杂的几何问题，常规的解决在人类和其他生物系统时间每天成千上万。在一个案例像一个机器人仿真系统，我们需要创建的控制算法计算机可以使这个计算。在某些方面，这个问题的解决方案是在操作系统中最重要的元素。

这是一个相当复杂的几何问题，常规的解决在人类和其他生物系统时间每天成千上万。在一个案例像一个机器人仿真系统，我们需要创建的控制算法计算机可以使这个计算。在某些方面，这个问题的解决方案是在操作系统中最重要的元素。

我们可以把这个问题作为一个映射在三维笛卡尔的“位置”空间的“位置”在机器人的关节内的空间。这需要自然会出现每当目标外部三维空间指定的坐标。一些早期的机器人缺乏这种算法，他们只是转移（有时用手）所需的的位置，然后被记录为一组共同的值（即，作为一个位置关节空间）用于以后回放。显然，如果机器人用纯粹的模式记录和关节的位置和运动的播放，没有算法有关的关节空间的笛卡尔空间是必要的。然而，是罕见的工业机器人，缺乏基本的逆运动学算法。逆运动学问题不是简单的正向运动学一个。由 于运动方程是非线性的，他们的解决方案并不总是容易（甚至可能在一个封闭的形式）。同时，对存在的问题解和多解的出现。这些问题的研究提供了一个欣赏什么人的心灵神经系统是实现当我们，似乎没有有意识的思考，移动和我们的双臂和双手操作的对象。一个解的存在或不存在的定义工作区一个给定的机械手。一个解决方案的缺乏意味着机械手不能达到所需的位置和方向，因为它在机械手的外工作区。

除了处理静态定位问题，我们不妨分析机器人的运动。通常，在执行机构的速度分析，它是方便的定义一个矩阵的数量称为机械手的雅可比矩阵.指定的速度雅可比矩阵在笛卡尔从关节空间的速度映射空间。（见图1.8。）这种映射配置的自然变化机械手的变化。在某些点，称为奇点，这映射是不使转化。这一现象的理解是设计师和用户的重要机械手。

附图：

图1.5 坐标系统或“帧”连接到机械手环境中的物体

图1.6运动学方程描述刀具架相对于底座作为一个联合变量的函数

图1.7 对于一个给定的位置和方向的工具框架，值为关节变量可以通过逆运动学计算

图1.8 联合率和速度之间几何关系端部执行器可以在一个矩阵描述了所谓的雅可比矩阵

3、标识符号

符号一直是科学和工程问题。在这本书中，我们使用以下公约： 第一、通常，大写变量表示的向量或矩阵。小写的变量的标量。第二、尾标使用（如被广泛接受的）指示逆或转置矩阵。

第三、尾标不受严格的公约，但可能表明向量的组件（例如，X，Y，Z）或可用于述在PBO / P一个螺栓的位置。

第四、我们将使用许多三角函数，我们为一个余弦符号角E1可以采用下列方式：因

为E1 = CE1 = C1。

在一般的矢量符号注：许多力学教材处理矢量在一个非常抽象的层次上的数量和经常使用向量定义相对于在表达不同的坐标系统。最明显的例子是，除了向量是给定的或已知的相对于不同的参考系。这是通常很方便，导致结构紧凑，有优雅的公式。为例如，考虑角速度，在串联连接的最后一次身体°W4 '四刚体（如机械手的链接）相对的固定座链。由于角速度矢量相加，我们可以写一个非常简单的向量的最后环节的角速度方程：

然而，除非这些量是相对于一个共同的坐标表示系统，他们不能总结，所以，虽然优雅，方程（1.1）隐藏大部分的“工作”的计算。为研究个案机械手，这样的陈述，（1.1）隐藏簿记的工作坐标系统，这往往是我们需要实践的想法。因此，在这本书中，我们把符号参考框架向量，我们不要和载体，除非他们在同一坐标系统。在这种方式中，我们推导出的表达式，解决“记账”问题可直接应用于实际的数值计算。

总结

机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。机器人产品的实用化，既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题，又促进了工业自动化的进程。目前，由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术，系统结构复杂，开发和研制的成本普遍较高，在某种程度上限制了该项技术的广泛应用，因此，研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。在完成机械结构和驱动系统设计的基础上，对物料抓取机械手运动学和动力学进行了分析。运动学分析是路径规划和轨迹控制的基础，对操作臂进行了运动学正、逆问题的分析可以完成操作空间位置和速度向驱动空间的映射，采用齐次坐标变换法得到了操作臂末端位置和姿态随关节夹角之间的变换关系，采用几何法分析了操作臂的逆向运动学方程求解问题，对控制系统设计提供了理论依据。机器人动力学是研究物体的运动和作用力之间的关系的科学，研究的目的是为了满足是实时性控制的需要，本文用通俗易懂的语言为我们介绍了工业机器人的相关力学与控制的知识，为我们以后的研究方向指明了道路。机器人的研究是一门非常复杂的学问，为了深入去探究它的方方面面，就需要不断的去学习，正所谓路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

第三篇：关于现代工业机械手外文文献翻译@中英文翻译@外文翻译

附录

About Modenr Industrial Manipulayor Robot is a type of mechantronics equipment which synthesizes the last research achievement of engine and precision engine, micro-electronics and computer, automation control and drive, sensor and message dispose and artificial intelligence and so on.With the development of economic and the demand for automation control, robot technology is developed quickly and all types of the robots products are come into being.The practicality use of robot not only solves the problems which are difficult to operate for human being, but also advances the industrial automation program.Modern industrial robots are true marvels of engineering.A robot the size of a person can easily carry a load over one hundred pounds and move it very quickly with a repeatability of 0.006inches.Furthermore these robots can do that 24hours a day for years on end with no failures whatsoever.Though they are reprogrammable, in many applications they are programmed once and then repeat that exact same task for years.At present, the research and development of robot involves several kinds of technology and the robot system configuration is so complex that the cost at large is high which to a certain extent limit the robot abroad use.To development economic practicality and high reliability robot system will be value to robot social application and economy development.With he rapid progress with the control economy and expanding of the modern cities, the let of sewage is increasing quickly;with the development of modern technology and the enhancement of consciousness about environment reserve, more and more people realized the importance and urgent of sewage disposal.Active bacteria method is an effective technique for sewage disposal.The abundance requirement for lacunaris plastic makes it is a consequent for plastic producing with automation and high productivity.Therefore, it is very necessary to design a manipulator that can automatically fulfill the plastic holding.With the analysis of the problems in the design of the plastic

holding manipulator and synthesizing the robot research and development condition in recent years, a economic scheme is concluded on the basis of the analysis of mechanical configuration, transform system, drive device and control system and guided by the idea of the characteristic and complex of mechanical configuration, electronic, software and hardware.In this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate which can improve the stability and operation flexibility of the system.The main function of the transmission mechanism is to transmit power to implement department and complete the necessary movement.In this transmission structure, the screw transmission mechanism transmits the rotary motion into linear motion.Worm gear can give vary transmission ratio.Both of the transmission mechanisms have a characteristic of compact structure.The design of drive system often is limited by the environment condition and the factor of cost and technical lever.The step motor can receive digital signal directly and has the ability to response outer environment immediately and has no accumulation error, which often is used in driving system.In this driving system, open-loop control system is composed of stepping motor, which can satisfy the demand not only for control precision but also for the target of economic and practicality.On this basis, the analysis of stepping motor in power calculating and style selecting is also given.The analysis of kinematics and dynamics for object holding manipulator is given in completing the design of mechanical structure and drive system.Current industrial approaches to robot arm control treat each joint of the robot arm as a simple joint servomechanism.The servomechanism approach models the varying dynamics of a manipulator inadequately because it neglects the motion and configuration of the whole arm mechanism.These changes in the parameters of the controlled system sometimes are significant enough to render conventional feedback control strategies ineffective.The result is reduced servo response speed and damping, limiting the precision and speed of the end-effecter and making it appropriate only for limited-precision tasks.Manipulators controlled in this manner move at slow speeds with unnecessary vibrations.Any significant performance gain in this and other areas of robot arm control require the consideration of more efficient dynamic models, sophisticated control approaches, and the use of dedicated computer architectures and parallel processing techniques.In the industrial production and other fields, people often endangered by such factors as high temperature, corrode, poisonous gas and so forth at work, which have increased labor intensity and even jeopardized the life sometimes.The corresponding problems are solved since the robot arm comes out.The arms can catch, put and carry objects, and its movements are flexible and diversified.It applies to medium and small-scale automated production in which production varieties can be switched.And it is widely used on soft automatic line.The robot arms are generally made by withstand high temperatures, resist corrosion of materials to adapt to the harsh environment.So they reduced the labor intensity of the workers significantly and raised work efficiency.The robot arm is an important component of industrial robot, and it can be called industrial robots on many occasions.Industrial robot is set machinery, electronics, control, computers, sensors, artificial intelligence and other advanced technologies in the integration of multidisciplinary important modern manufacturing equipment.Widely using industrial robots, not only can improve product quality and production, but also is of great significance for physical security protection, improvement of the environment for labor, reducing labor intensity, improvement of labor productivity, raw material consumption savings and lowering production costs.There are such mechanical components as ball footbridge, slides, air control mechanical hand and so on in the design.A programmable controller, a programming device, stepping motors, stepping motors drives, direct current motors, sensors, switch power supply, an electromagnetism valve and control desk are used in electrical connection.Robot is the automated production of a kind used in the process of crawling and moving piece features automatic device, which is mechanized and automated production process developed a new type of device.In recent years, as electronic technology, especially computer extensive use of robot development and production of hightech fields has become a rapidly developed a new technology, which further promoted the development of robot, allowing robot to better achieved with the combination of mechanization and automation.Robot can replace humans completed the risk of duplication of boring work, to reduce human labor intensity and improve labor productivity.Manipulator has been applied more and more widely, in the machinery industry, it can be used for parts assembly, work piece handling, loading and unloading, particularly in the automation of CNC machine tools, modular machine tools more commonly used.At present, the robot has developed into a FMS flexible manufacturing systems and flexible manufacturing cell in an important component of the FMC.The machine tool equipment and machinery in hand together constitute a flexible manufacturing system or a flexible manufacturing cell, it was adapted to small and medium volume production, you can save a huge amount of the work piece conveyor device, compact, and adaptable.When the work piece changes, flexible production system is very easy to change will help enterprises to continuously update the marketable variety, improve product quality, and better adapt to market competition.At present, China's industrial robot technology and its engineering application level and comparable to foreign countries there is a certain distance, application and industrialization of the size of the low level of robot research and development of a direct impact on raising the level of automation in China, from the economy, technical considerations are very necessary.Therefore, the study of mechanical hand design is very meaningful.关于现代工业机械手

机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济技术的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。现代工业机器人是人类真正的奇迹工程。一个像人那么大的机器人可以轻松地抬起超过一百磅并可以在误差0.006英寸内重复运动。更重要的是这些机器人可以每天24小时不停止地工作。在许多应用中他们是通过编程控制的，但是他们一旦编程一次，他们可以重复地做同一个工作许多年。机器人产品的实用化，既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题，又促进了工业自动化的进程。

目前，由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术，系统结构复杂，开发和研制的成本普遍较高，在某种程度上限制了该项技术的广泛应用，因此，研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。由于我国经济建设和城市化的快速发展，城市污染排水放量增长很快，污水处理已经摆在了人们的议事日程上来。随着科学技术的发展和人类知识水平的提高，人们越来越认识到污水处理的重要性和迫切性，科学家和研究人员发现塑料制品在水中时用于污水处理的很有效地污泥菌群的附着体。塑料制品的大量需求，使得塑料制品生产的自动化和高效率要求成为经济发展的必然。本文结合塑料一次挤出成型机和塑料抓取机械手的研制过程中出现的问题，综述近几年机器人技术研究和发展的状况，在从分发挥机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对物料抓取机械手整体机械结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计，提出了一套经济型设计方案。采用直角坐标和关节坐标相结合的框架式机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性。传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机构，以实现各种必要的运动，传动方式上采用结构紧凑、传动比答得蜗轮蜗杆传动和将旋转运动转换为直线运动的螺旋传动。机械手驱动系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及能够达到的技术水平。由于步进电机能都直接接收数字量，响应速度快而且工作可靠并无累计误差，常用作数字控制系统驱动机构的动力元件，因此，在驱动装置中采用由步进电机构成的环控制方式，这种方式技能满足控制精度的要求，又能达到经济型、实用化目的。

目前的工业机械臂控制将每一个机械臂的联合看做一个简单的联合伺服。伺服方法不能从分地模仿不同的动力学机械手，因为它忽略了机械手整体的运动和配置。这些控制系统的参数的变化有时是足够重要，以至于使常规的反馈控制方法失效。其结果是减少了伺服相应的速度和阻尼，限制了京都和最终效应的速度，使系统仅适用于有限精度的工作。机械手以这种方式控制速度降低而没有不必要的震动。任何在这一领域和其它领域的机械臂性能增益要求更有效率的动态模型、精密的控制方法、专门的计算机架构和并行处理技术。

在工业生产和其它领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体化的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展, 出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序, 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低;后者因设计复杂, 需较多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力, 保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势......机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

第四篇：机械论文外文翻译

外文文献翻译

（2013届）

译文一：特殊工艺抛光机床的研究

学生姓名

祝彬彬

学

号

09143333

院

系

工学院机电系

专

业

机械设计制造及其自动化

指导教师

娄建国

完成日期

2013-03-01

特殊工艺抛光机床的研究

RESEARCH ON POLISHING PROCESS OF A SPECIAL

POLISHING MACHINE TOOL Guilian Wang1,2 and Yiqiang Wang1 1College of Mechanical Engineering, Jilin University, Changchun, China 2College of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi, China

介绍

抛光是一个重要的模具加工过程。其目的是为了去除轻微划痕，降低工件表面粗糙度。据报道，技术工人完成制作模型和模型上的工作所花总时间的37%到50%中使用的都是传统的技术。由于现代工业加工过程需要更高的精度和生产效率，自动化和优化生产过程成为了日益增加的重要任务。因此，高效率抛光加工和精加工技术在很长一段时间里都是很理想的，这也提高了劳动生产率，降低了劳动强度。

许多用于模具抛光的自动抛光机使用的组合磨料被调查了。Ahn等人开发了拥有智能抛光系统的五轴抛光机床，并对气动抛光头和抛光条件，比如压力、进给量和刀具库进行了调整，使用此智能监控，可以可以实现更快更好的表面加工。Wu等人研究了一个新的使用弹性球形轮的抛光磨削中心在自由曲面上加工的技术。这项技术仅删除尖的高度，适用于切割过程中切割位点的保证，有效地保持了切割生产过程中的形状精度。Furukawa等人研究了一种通过使用安装在机器人手腕上合适的被动末端执行器的自动抛光系统。该系统用于抛光一个未知的三维表面。

Tsai和Huang提出了一种由五轴机器人和力量控制机制组成的自动模具抛光系统，并制定了有效地自动抛光工艺和新标准磨具。Liao等人通过使用扩展检测工具整合的压力传感器制定了一个兼容抛光和去毛刺双重用途的工具头，并且在打磨面积上所有的的抛光动作都可以沿着工件的几何形状改变曲率。目前，许多抛光设备大多数基于传统机床和工业机器人。对于精处理系统组成的工业机器人，可以稳定的完成对力量和位置的控制。

然而，它对的自由面精加工是相对困难的，比如由计算机数字控制机器加工 的自由面，因为其轨迹误差较大。由于多样化和模具表面的不规则性，抛光工具在加工过程中必须根据工件表面形状改变运动轨迹。此外，对自由曲面的抛光要求对抛光力精确控制和高的加工稳定性，可有效完成工件表面材料的均匀去除。所以开发一种特殊的抛光设备是有意义且必须的。

20世纪80年代以来，许多研究者制定了并联机制。近几年，并联机构在工业上去的了广泛的应用。并联机床是基于并行机制并结合了机床、机器人和数控技术的新一代机械加工设备，比如并行铣床，钻床。并联机床拥有高刚度重量比、高响应率、高环境适应技术和高附加价值等特殊性能。

由于电动机可以安装在底座上，从而减轻了重量，并联机器人的速度通常比普通的关节机器人快。它们比串行机器人也更强，因为终端控制器可以有更多的链接。另一个好处是，相比串行机器人将误差平均，终端控制器的错误更少。但是大多数时候并联机器人的的工作空间有限，例如它们通常不能绕过障碍到达目的地。在执行中涉及的计算所需的操作通常也很难，并且有不止一个的唯一解决方案。

串联机器人拥有更大的工作空间和良好的灵活性等优势。这些都是并联机床的缺点，所以将两者的配置进行组合已经被开发，它可以拥有双方的综合效益。自由曲面抛光可以通过使用这个五自由度串并联抛光工具实现。

在这项研究中，一种基于弹性抛光原理的新型串并联混合动力专用抛光机被开发出来，使用限制的磨料，它可以用于抛光模具表面。此弹性抛光工具系统可以通过气压伺服系统进行主动控制，由弹簧实现被动整合，并且统一的材料去除可以通过对切削力和依据姿态角检测的旋转速度的实时控制来达到。对表面粗糙度和抛光效率有影响的主要工艺参数被调查收集并通过抛光实验进行分析。Taguchi通过自己和相关的分析报告得到优化过程的参数

串并联混合抛光机床

图一是串并联混合抛光机床照片（JDYP51型），图二是本机床结构示意图。本机床主要由并联机构三维运动平台和一系列两自由度旋转机制组成。并联机构由一个等边三角形的移动平台、三个立柱、三个鞍座，以及三个等长的通过组合的Hooke接头连接移动平台和鞍座的支架组成。鞍座被伺服电机和滚珠丝杠推动。并联机构控制抛光工具的空间位置。转动关节由一个可以提供一个自由度的转动副组成。该串联机械设备有两个转动关节，使它们分别绕过水平轴和垂直轴成为可能。串联机械结构控制抛光工具的姿态

图一：串并联混合抛光JDYP51型机床

据指出，许多弹性抛光工具和灵活的磨具被进行了调查，其目的是为了实抛光加工过程中的主动控制和被动协调。弹性抛光的定义是这工具系统使用弹性磨具，比如橡胶粘合剂或者树脂结合剂，根据工件表面形状它们都是可被控制的，并且工艺参数也被调整以实现统一性的材料去除和良好的表面质量。这项研究中的最终执行机构的结构图框如图三所示。从图三可以看出，该抛光工具由主轴电机驱动，而抛光力则通过调整气动伺服系统的汽缸压力来控制；同时被动协调工件表面形状的机构是一个弹簧。统一性的材料去除可以通过对抛光力合旋转速度的实时控制来实现。抛光工具和工件的位置关系在图四，如下：

Fn=Fs cosα（1）Vs=nrsinα（2）

其中Fs是汽缸轴的轴向力，Fn是由抛光工具作用在工件表面正方向的力，Vs是抛光工具在其与工件表面接触区域的线速度，n是工具的旋转速度，r是工具半径，α是定义为外曲面法线和工具杆轴方向的的夹角。

通过虚拟轴混合机床与抛光工具系统的结合，本机床拥有两个平衡部件和串联部件，所以它有快速反应、短传播链和高环境适应力的优势，它可以提供任何方向的运动非常适合抛光自由曲面。Yu等人研究了这个由灵活的多体系统动力学原理研制的混联机床的动态特性。除了运动的开始时间，在抛光运动的各个时 期机器可以保持稳定的状态。此外，本机床使用的CNC系统是自主开发的基于PMAC（可编程多轴控制器）的并行双CPU系统。后台管理和人机界面都是由工业PC实时控制，如六轴运动控制和逻辑I/O信号控制都是基于PMAC的。

图二：串并联混合抛光机床结构示意图 1.柱2.鞍座3.支架4.运动平台5.系列机械结构 6.抛光工具7.工件8.静平台

图三：抛光机末端执行器 1.伺服电机2.汽缸连接接头3.汽缸4.调心轴承5.马达缸6.弹簧7.导柱8.耦合器9.钳10.主轴

图四：抛光工具和工件的位置关系图

结论：

在这项研究中，基于弹性抛光原理的串并联混合混合抛光机床已经发展成熟，并且进行了一些以分析抛光过程为目的的平面加工实验。本文的重点是其应用。通过研究工艺参数对表面特性和抛光效率的影响，可以得到加工参数的最佳组合。主要结论归纳如下：

1.包含并行机制的三维移动平台和串联的两自由度旋转机构的串并联混合机床，可以为抛光工具提供五自由度的运动。并联机构控制抛光工具的空间位置，串联机构控制抛光工具的姿态。弹性抛光工具系统可以借由气动伺服控制系统实现主动控制，由弹簧实现被动协调。统一性的材料去除可以由对切削力和根据姿态角来计算的旋转速度的实时控制来实现。

2.经过抛光实验证明刀具转速、进给速度、切削力和姿态角这些是对抛光效率和表面粗糙度影响很打的主要工艺参数。增加刀具转速和抛光次数，进给速度和姿态角可以降低表面粗糙度。切削力增加，表面粗糙度降低，但是切削力过大会适得其反。抛光效率随刀具转速和进给速度的增加而增加，随姿态角和抛光次数的增加而减小。切削力增加可以提高抛光效率，但是过大的切削力会减小效率。3.在本文所给出的条件下，最低表面粗糙度的最佳工艺参数组合为：工具转速1200r/min，进给速度0.2m/min，切削力30N，姿态角30º，抛光次数6次；在保证良好的表面粗糙度的前提下提高抛光效率的最佳工艺参数组合为：工具转速1200r/min，进给速度0.6m/min，切削力30N，姿态角30º，抛光次数2次。这些结果为在自由表面抛光加工实践中选择最佳工艺参数提供了依据。

参考文献

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第五篇：机械臂外文翻译

机械手

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展, 出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序, 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低;后者因设计复杂, 需较多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力, 保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。1．工业机械手的概述

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人交工伤费带来的挑战。

随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业自化，已愈来愈引起我们重视。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中能够代替人进行正常的工作。2．机械手的组成

机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。1.执行机构

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。2.传动系统

执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。3.控制系统

机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。3．机械手的分类和特点

机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。主要特点：

(1)机械手（上下料机械手、装配机械手、搬运机械手、堆垛机械手、助力机械手、真空搬运机、真空吸吊机、省力吊具、气动平衡器等）。

(2)悬臂起重机（悬臂吊、电动环链葫芦吊、气动平衡吊等）

(3)导轨式搬运系统（悬挂轨道、轻型轨道、单梁起重机、双梁起重机）4．工业机械手的应用

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。

(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。

应用机械手可以代替人从事单调﹑重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同，常见的有夹持﹑托持和吸附等类型。运动机构一般由液压﹑气动﹑电气装置驱动。机械手可独立地实现伸缩﹑旋转和昇降等运动，一般有2～3个自由度。机械手广泛用于机械製造﹑冶金﹑轻工和原子能等部门。

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。