两自由度并联机构超灵巧机械臂的研发

摘 要

　　针对附着在海洋船舶和海上平台表面的海洋污损物的清洗需求，本文设计了一种超灵巧机械臂，研究了机械臂的运动学及路径规划等问题。采用仿生学设计思想和模块化设计理念，提出了基于两自由度并联机构的模块关节，采用三种不同尺寸的模块关节组成了超灵巧机械臂。该超灵巧机械臂的模块关节采用中空的布局使高压水管可以在机械臂内部穿过。建立了超灵巧机械臂的力学模型，设计了液压缸和液压控制回路。

　　建立了超灵巧机械臂模块关节的运动学模型，求解了驱动变量和姿态变量等式，在此基础上对模块关节的尺寸参数进行了优化分析。根据超灵巧机械臂整臂串并混联的特点，利用改进后的 D-H 法建立了超灵巧机械臂整臂运动学模型，得到了整臂运动学正解并求解了超灵巧机械臂工作空间。

　　应用 A*搜索算法规划了超灵巧机械臂末端点的全局路径，拟合了搜索路径上的节点，求解了超灵巧机械臂整臂的姿态，实现了超灵巧机械臂的路径规划，给出了基于圆柱体包络下的静态碰撞检测方法。利用 Adams 软件仿真验证了超灵巧机械臂路径规划的正确性以及在三维空间运动的灵活性。

　　关键词：并联机构；超灵巧机械臂；运动学分析；路径规划；虚拟样机仿真

Abstract

　　Aiming at the cleaning demand of marine fouling objects attached to the surface of marine ships and offshore platforms, this paper designs a super-dexterous manipulator, and studies the kinematics and path planning of the manipulator. Using Bionics design idea and modular design concept, the module joint based on 2-DOF parallel mechanism is proposed, and the ultra-dexterous manipulator is composed of three different sizes of module joints. The modular joints of the ultra-dexterous manipulator use a hollow layout so that the high-pressure water pipe can pass through the inside of the robotic arm. The mechanical model of ultra-dexterous manipulator is established, and the hydraulic cylinder and hydraulic control circuit are designed.

　　The kinematics model of the joint of the super-dexterous manipulator module is established, and the driving variable and attitude variable equation are solved, and the dimension parameters of the module joint are optimized and analyzed on the basis of this. According to the characteristics of the whole arm string and blending of the ultra-dexterous manipulator, the kinematics model of the super-dexterous manipulator Arm is established by using the improved D-H method, and the positive solution of the whole arm kinematics is obtained and the working space of the super-dexterous manipulator is solved.

　　Based on the global path planning of the A* search algorithm at the end point of the ultra-dexterous manipulator, the nodes on the search path are fitted, the attitude of the whole arm of the super-dexterous manipulator is solved, the path planning of the super-dexterous manipulator is realized, and the static collision detection method under the envelope of the cylindrical body is given. The correctness of the path planning of the super-dexterous manipulator and the flexibility of the motion in three-dimensional space are verified by using Adams software simulation.

　　Keywords: parallel mechanism; super-dexterous manipulator; Kinematic analysis; Path planning; Virtual prototype simulation

目 录

　　第 1 章 绪 论

　　1.1 课题背景及研究的目的和意义

　　我国的海洋领域面积广阔，其中包括靠近陆地的海岸线近两万公里，数量较多的岛屿、岛礁，以及主张的海洋管辖区域达到了 300 万平方千米。 海洋领域相关产业不断提升和发展，其中包括以海洋渔业、海洋矿业、海洋交通运输业等为主等，这些以海洋为依托的产业得到了极大的发展，几年来持续高于同期国家经济增速。

　　海洋带动的经济发展在国民经济中扮演着越来越重要的角色，有力的支撑了开放性经济的构建。国家不断加大在海洋工程装备及高技术船舶上的投入，推动深海平台建设、大型浮式海洋结构物的开发和应用。另外还提出了智能机器人技术与海洋技术、对非结构环境中为人类提供多种服务的集成智能机器人、危险服务机器人及海洋装备为重点支持项目。海洋装备及围绕海洋装备相关的高新技术发展已经成为了各个国家抢占的制高点，其中针对海洋平台和海洋船舶表面的清洗装备成为了发展的热点[1].

　　（一）海洋大型平台清洗

　　我国海洋大型平台主要以海洋石油勘探开发为主，平台水下部分的导管架立柱因长期浸泡在海洋中表面会附着海洋生物，对导管架产生腐蚀造成平台安全隐患从而影响人员安全，因此需要对平台水下立柱部分进行周期性的清洗。海上石油探测开采的日益增多，海洋平台的清洗需求也迅速增加，那么高效、清洁、安全的机械自动化清洗也成为了重要的研究内容。

　　（二）海底管道设施清洗

　　海底管道可以在海底连续的输送大量的油气，管道排布错综复杂，针对海底管道的清洗和检测一般都需要潜水员携带清洗或检测设备实施作业，劳动强度大且工作环境恶劣。开发一种模块化、自动化的清洗设备来解决海底管道清洗难题，改善人员工作环境。

　　（三）船舶表面清洗

　　长时间在海洋中航行的船舶，其表面会附着一层海洋污损物。海洋中污损物种类多达 4000 多种，大致可以分成两类，如细菌、微生物等微小动植物以及藤壶、动物幼虫等宏观生物[2].如图 1-1 所示，这些附着在船舶表面的污损物可以不断在其表面生长加快对船舶壳体的腐蚀，同时这些附着物加大了对船舶航行的阻力，大大加快了燃油消耗，增加了船舶运输成本[3],因此船舶表面需要及时有效的清洗，如图1-2 所示。针对船舶清洗行业，机械自动化清洗设备具有广阔的应用前景。

　　（四）海岸工程清洗

　　在靠近城市的港口和海岸工程上，由于水体的污染以及富营养化，海洋生物繁殖旺盛，常常聚集附着在港口桥梁、航道等海岸工程上，严重影响港口的正常运行，若长期积累会直接影响这些海岸工程设施的使用寿命和降低安全性，因此对这些海岸工程的清洗也十分有必要。常见的清洗技术由喷砂清洗、生物清洗、人工处理技术、高压水射流清洗技术等，其中高压水射流清洗技术作为近年来新兴技术得到了快速的发展和普及。对于海洋船舶、海洋管道等结构物的清洗主要是利用高压水射流技术，通常高压水射流采用清水为介质，利用高速的水射流冲击物体表面，其作用力超过物体表面污损物附着在物体表面的粘合力时，即可从物体表面剥离污损物[4].高压水射流清洗相对于传统人工清洗，清洗质量好，速度快，对环境友好，应用范围广等诸多优点[5].

　　随着劳动力成本上升考虑到企业效益，设计一种超灵巧机械臂搭载高压水射流来代替人工清洗就十分有必要了[6].相对于传统清洗方法，通过超灵巧机械臂搭载高压水射流的方法具有许多优点。首先超灵巧机械臂可以在环境恶劣的情况下进行清洗作业，从人工作业则需要考虑工作环境是否符合要求，不能给人体带来伤害。其次提高了清洗工作效率解决了海洋平台数量增多带来的周期性清洗，清洗任务繁重的问题。综上所述，设计一款超灵巧机械臂应用于清洗行业，解决海洋船舶和海洋平台等清洗问题，为社会带来巨大经济效益。

　　超灵巧机械臂作为一种复杂的机械臂，其设计过程是一个不断迭代不断完善的过程。鉴于目前已有超灵巧机械臂尺寸较小，工作活动范围不大且承载能力比较差的情况，考虑海洋船舶和海上平台表面清洗工作范围大的情况，结合并联机构结构紧凑、刚度高、承载能力强的特点和液压传动装置功率体积比大的优点，设计一种基于液压系统驱动的超灵巧机械臂来满足高灵活性，高承载能力，较大工作空间的这一类应用场景需求。对超灵巧机械臂进行功能需求分析列出以下 4 条。

　　（1）高灵巧性。超灵巧机械臂为了满足在复杂环境下工作的要求，需要运动灵活。这就需要较多的自由度来保证在不同条件下超灵巧机械臂能够完成任务，因为较多的自由度可以使机械臂实现足够多的位姿。

　　（2）工作空间大。相对于医疗等领域的精细化工作环境，本文设计的超灵巧机械臂主要应用于海洋结构物等尺寸较大的工作环境，故超灵巧机械臂自身设计尺寸应较大以满足较大范围的工作环境。

　　（3）承载能力。由于设计的超灵巧机械臂臂展较长，导致其自重较大。此外若进行一些探索、清洗的工作那么机械臂的末端往往会加载一些工具，那么高的承载能力不可或缺。

　　（4）操作简单。操控简单意味着控制方面要尽可能的简单，好的机械产品一定具有好的操控性能，有利于产品的推广和应用。

　　1.2 超灵巧机械臂研究现状

　　1.2.1 国外超灵巧机械臂研究现状

　　美国 Clemson 大学的 Walker D[7]和 Hannan W 教授设计的一种新型绳索驱动仿象鼻子机械手臂[8-10],如图 1-3 所示，该仿生象鼻机械臂由 16 个模块关节组成，每个模块可以 2 自由度的运动，整臂具有 32 个自由度可以实现灵活弯曲，伸展后总长达到 800mm.机械臂整体分为四个大段，每一段由四个单元关节组成，采用四线驱动的方式实现每段机械臂 2 自由度的运动能力，每段的极限角度为 40 度，其直径分别是 10.16cm,8.89cm,7.62cm 和 6.35cm.因此机械臂在工作空间中的任意姿态仅有8 个驱动自由度，其余 24 冗余自由度则实现了一致的弯曲曲率。这样该仿生象鼻机械臂在三维工作空间内可以实现灵活姿态，因此可以实现对物体的包围抓取。

　　美国 Webster R 教授等人设计了一款微小连续型导管机器人[11-12],如图 1-4 所示，该导管机器人由直径连续变化的同心 NiTi 管构成，该同心管具有超强弹性。图中所示的同心管为己弯曲变形后弹性管，导管通过变形可以实现轴向的移动和扭转。该款连续型导管机器人具有灵敏快速和微动能力特点，可应用于对婴幼儿器官的微创手术[13].

　　美国斯坦福大学 Camarillo D 教授设计了的一款基于线驱动的柔性机器人[14-16],如图 1-5 所示，该款机器人由三段连续型关节组成，每段连续型柔性关节具有 2 个自由度，直径大小是 4mm,总长达到了 700mm.该柔性机器人的每段柔性关节是通过四条绳索实现关节 2 自由度运动，四条绳索之间间隔 90 度分布，关节内部中空设计，从而使数据线可以从机器人内部隐蔽式穿过。机器人利用具有弹性的合金薄壁材质来保持其弯曲姿态。

　　汉阳大学 Choi D 等学者研发了一款内窥镜机器人[17],如图 1-6 所示，该内窥镜机器人伸展后总的长度是 104mm,其中模块关节直径为 8mm,模块关节之间的连接是通过具有弹性的支架连接在一起，这些模块间的弹性支架既连接了模块关节又可以支撑整个机器人，维持机器人各种弯曲姿态而不变形。该内窥镜机器人是通过 3根绳索的线驱动实现机器人 2 自由度的弯曲以及沿自身轴向方向的伸缩运动。

　　英国 OC 公司研发了一款可以应用于核电检测的商业化连续型机器人[18],该机器人总长达到了 2 米，直径小于 100mm,同样采用了绳索的驱动形式实现每段关节2 自由度弯曲。该连续型机器人共有 16 个自由度，能够实现 720 度的弯曲姿态。如图 1-7 所示该连续型机器人正在核电检测作业。

　　罗马尼亚 Craiova 大学的 Boccolato G 教授采用仿生学设计思想，研制了一款可以在三维空间中实现自由转动的连续型机器人[19],如图 1-8 所示。该连续型机器人由三段组成，每段具有 2 个自由度的弯曲运动，每段通过三根绳索实现驱动，仿生型机器人内部具有一根弹性支撑条，可以使机器人保持弯曲姿态。

　　法国 Pham 和 Chen 等学者研制了一款基于传感器的半自主结肠镜机器人Clobot[20],如图 1-9 所示，取整个机器人是由硅橡胶材料制作而成，因为主要用于人体医学检测因此该材料满足了与人体肠道的相容性。该机器人整体是单端连续型的，外径为 17mm,内径 8mm,驱动方式为气压驱动。

　　1.2.2 国内超灵巧机械臂研究现状

　　国内高校和科研机构针对超灵巧机械臂领域研究起步较晚但已取得较多研究成果。中国科学院沈阳自动化研究所郁树梅等人研究的水陆两栖蛇形机器人[22],如图1-10 所示，该机器人采用模块关节设计理念，由九个具有俯仰和偏转的万向关节组成。关节之间用橡胶管连接作密封处理，使其可以在陆地和水下灵活运动。

　　哈尔滨工业大学王海荣研制了一种借鉴脊柱结构的超灵巧机器臂[23].如图 1-11所示，该超灵巧臂的设计应用了仿生学方法，通过分析无骨架类的生物结构如象鼻、章鱼触手和由骨架类的生物结构如人的脊柱、蛇的脊柱等结构特性，将其应用在机械臂的设计当中。该仿生超灵巧机械臂由六个模块关节组成，每个关节的直径为28mm,总重量为 500g,具有良好的灵巧性和柔顺性。

　　重庆交通大学罗天洪研制了一款可以吸附在船舶表面的机器人[24],机器人本体上又搭载有水射流的超灵巧机械臂进而实现对轮船表面和螺旋桨的清洗。如图 1-12所示，正在进行喷水测试的超灵巧机械臂。哈尔滨工业大学胡海燕研制了一款多关节段连续型结肠内窥镜机器人[25],如图 1-13 所示，该内窥镜机器人采用绳索驱动的方式，实现单段机器人弯曲运动，每段机器人是由多节万向环通过铆接耳连接而成，其外表用金属网覆盖，单段总长为 110mm,整个内窥镜机器人由五段单关节段串联组成，实现了总长 550mm,总的自由度为 10 的三维空间灵活弯曲运动。

　　中国明航大学王维娟等人针对飞机油箱检查的应用场景研制了一款飞机油箱检测连续型机器人[26],如图 1-14 所示，整臂有多段连续型关节组成，每段关节采用玻璃棒纤维作为柔性支撑杆来保持关节弯曲时姿态，关节采用四根绳索驱动，绳索之间相错 90 度并穿过若干关节支撑圆盘。图中显示三个柔性关节收尾相连，达到一定的长度即可实现在飞机油箱内部遍历、可达，探测的需求。

　　北京航空航天大学翟士民等人通过较多数量的橡胶垫片依次串联组成连续型机器人，如图 1-15 所示，该机械臂分为三段，每段具有 2 个自由度，通过三根钢丝绳线型驱动，钢丝绳相互相隔 120 度，连续型机器人整体具有 6 个自由度，可以向任意方向弯曲 100 度。

　　浙江工业大学邵铁峰等人研制的一款气动柔性仿生象鼻[28],该仿生象鼻型连续机器人伸展后总长为 400mm,如图 1-16 所示，机器人末端具有 2 自由度的气动夹取机械手，可以实现对小型物体的抓取作业。

　　1.3 本文主要研究内容

　　海洋石油结构物、船舶、海底管道和海岸工程等设施在复杂的海洋环境下容易附着和滋生海洋污损物，从而影响设施的使用寿命、可靠性能等，因此需要及时有效的清洗。本课题以此为应用背景，基于超灵巧机械臂在国内外的研究现状，进行超灵巧机械臂的整体结构方案确定、驱动方式的选择、模块关节的尺寸优化以及超灵巧机械臂运动学的分析与仿真等。主要研究内容包括：

　　（1）针对超灵巧机械臂应用场景进行功能需求分析，结合仿生学设计思想和模块化设计理念，提出模块关节 2SPS+U 并联构型设计，进行驱动方式的选择、关节材料的选取和静力学校核。

　　（2）进行超灵巧机械臂受力模型分析，求解液压缸驱动力，确定液压缸的尺寸参数，设计合理的液压回路系统。求解高压水射流反冲力大小，验证超灵巧机械臂的承载能力。

　　（3）建立单个模块关节运动学模型，求解驱动变量和姿态变量的等式关系。分 析模块关节工作空间，考虑模块关节约束条件，优化关节尺寸参数。

　　（4）建立超灵巧机械臂运动学模型，分析驱动空间和操作空间的关系，利用改进的 D-H 法求解超灵巧机械臂正运行学方程。求解模块关节四种姿态下超灵巧机械臂的工作空间。

　　（5）应用 A*搜索算法进行超灵巧机械臂末端点的全局路径规划，拟合搜索路径节点，求解超灵巧机械臂整臂位姿，完成超灵巧机械臂的路径规划。

　　（6）利用 SolidWorks 工具建立虚拟样机三维模型，在 Adams 软件中进行超灵巧机械臂的运动学仿真和避障规划仿真。

　　第 2 章 超灵巧机械臂设计
　　2.1 模块关节与超灵巧机械臂设计
　　2.1.1 基于仿生学的设计思想
　　2.1.2 超灵巧机械臂模块关节的设计
　　2.1.3 超灵巧机械臂三维模型的设计
　　2.1.4 高压水射流反冲力的计算
　　2.1.5 超灵巧机械臂受力分析与驱动缸的确定
　　2.2 静力学校核
　　2.3 本章小结

　　第 3 章 超灵巧机械臂运动学分析
　　3.1 模块关节的运动学分析
　　3.1.1 模块关节运动学模型建立
　　3.1.2 模块关节工作空间分析
　　3.1.3 模块关节运动仿真分析
　　3.2 超灵巧机械臂运动学方程建立
　　3.3 超灵巧机械臂的工作空间分析
　　3.3.1 模块关节的姿态变换
　　3.3.2 机械臂的工作空间分析
　　3.4 本章小结

　　第 4 章 基于 A*算法的超灵巧机械臂路径规划
　　4.1 概述
　　4.2 超灵巧机械臂工作空间建模
　　4.3 基于 A*算法的全局路径规划
　　4.3.1 超灵巧机械臂末端点启发函数的选择
　　4.3.2 超灵巧机械臂全局路径规划的实现
　　4.4 超灵巧机械臂路径规划实例
　　4.4.1 路径搜索
　　4.4.2 超灵巧机械臂末端点的拟合
　　4.4.3 超灵巧机械臂静态下的碰撞检测
　　4.5 本章小结

　　第 5 章 超灵巧机械臂的虚拟样机运动仿真
　　5.1 概述
　　5.2 运动学仿真
　　5.2.1 超灵巧机械臂模型的建立
　　5.2.2 在 Adams 中添加零件属性和运动副
　　5.2.3 驱动的添加
　　5.2.4 超灵巧机械臂的运动学仿真
　　5.3 本章小结

结 论

　　本文针对海洋船舶清洗需求，设计了一种由并联机构模块关节组成的超灵巧机械臂，进行了驱动缸的确定和控制回路的设计，分析了超灵巧机械臂的运动学，规划了超灵巧机械臂末端点的路径规划，最后进行了运动学仿真验证。主要取得的研究成果如下：

　　（1）提出了一种串并混联的超灵巧机械臂，机械臂由三种尺寸共九个并联机构模块关节组成，具有 18 个自由度三维空间运动能力。该超灵巧机械臂结构简单，易于控制。

　　（2）求解了模块关节驱动变量和姿态变量的关系等式，分析了模块关节约束条件，给出了大中小三种模块关节优化尺寸参数。

　　（3）建立了改进后的 D-H 法超灵巧机械臂整臂运动学模型，求解出超灵巧机械臂正运动学方程，绘制出超灵巧机械臂工作空间末端点在三维空间的分布图。

　　（4）应用 A*搜索算法实现了超灵巧机械臂末端点在工作空间的路径规划，求解出超灵巧机械臂姿态，利用 Adams 软件仿真验证超灵巧机械臂在三维空间运动的灵活性。

　　本文取得的创新性成果如下：

　　（1） 采用仿生学设计思想和模块化设计理念，设计了一种采用并联机构模块关节连接的超灵巧机械臂，该机械臂结构简单，灵巧性好，易于控制。

　　（2）应用 A*搜索算法规划了超灵巧机械臂末端点的全局路径，拟合了搜索路径上的节点，求解了超灵巧机械臂整臂的姿态，实现了超灵巧机械臂的路径规划。

　　基于并联机构的超灵巧机械臂作为一种特种机器人，涉及了多个学科和领域的知识，未来具有广阔的应用前景，但仍有很多问题需要研究，包括以下几点：

　　（1）进一步进行试验样机的制备，完成实体样机的测试。

　　（2）进一步对超灵巧机械臂系统进行优化。其中包括在满足超灵巧机械臂功能要求的前提下采用质量更轻，性能更好的复合材料。以及添加传感器等，提高超灵巧机械臂的未知环境下的适应能力和应用范围。

　　（3）进一步研究超灵巧机械臂在三维空间的动态避障算法，使其能够实现实时避障能力

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致 谢

　　衷心感谢导师金振林教授！ 感谢金教授在三年研究生学习生涯中的悉心指导和教诲。在科研工作中，金老师认真负责的工作态度，严谨求实的工作作风，兢兢业业的工作和踏踏实实的科研精神，是我终生的学习榜样。此外，金老师在课题的选定及研究过程中给予了多次详细的指导和点拨，从课题方向、课题进展以及论文撰写和修改，处处受到了金老师高屋建瓴、提纲挈领的指导，体现了金教授学渊博、经验丰富科研能力。同样在生活上，也得到了金老师无微不至的关心和教诲，让我懂得了许多为人处世的道理，是我人生中最宝贵的财富。在此，再次向尊敬的导师金振林教授致以崇高的敬意和由衷的感谢！

　　感谢课题室张立猛、杨晨晖、刘海为在课题研究进展过程中给予的建议和意见。

　　感谢博士师兄张金柱在我刚入课题室时的给予学习上的指引和帮助。感谢同窗好友张宗超、张全来和赵昌海在三年生活中对我的帮助。感谢陪伴我一路走来同学和朋友。

　　感谢我父母在研究生阶段给我的支持和鼓励。

　　感谢母校燕山大学提供优秀的成长平台。

　　最后感谢百忙之中为我评阅论文以及提出宝贵意见的各位专家。

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