多级多自由度机械臂及控制方法

1.本发明涉及机械技术领域，尤其涉及多级机械臂以及末级从动轴坐标的算法。


背景技术：

2.单级机械臂能够到达的作业空间有限，如摆臂式单级机械臂，其末端机械手只能在摆动经过的弧线范围内作业，不能改变作业半径，在同样的作业半径内作业范围也不能超出摆动经过的弧线范围。为提高对作业空间的适应性，就需要多级机械臂。
3.多级机械臂虽然能够到达的作业空间更为广泛，但有如下不足之处：后一级机械臂旋转的角度受到前级机械臂旋转角度的影响，即各级机械臂之间在算法上是耦合的，从而导致本级机械臂所属电机的旋转角度和本级机械臂在空间上实际的旋转角度是不相等的，因此，当要求机械臂末端始终保持某一固定姿态时，或者确定末端机械臂的空间位置时，机械臂逆解算法中必须要实时考虑末端姿态的修正，这显然增加的算法复杂度和工程技术人员实施的难度。
4.工业应用中经常采用示教的方式自动产生机器人程序，但当对机械臂末端姿态保持精度要求较高时，人工示教的方式显然是满足不了的。
5.另外，某些作业场合中，作业对象往往只有位置变化，而没有姿态变化。如在桥梁端部平面工作面作业时，在平面工件边缘涂胶作业时，在将作业对象从一个平面转移到另一个与其平行的平面时，作业对象只有位置变化，而没有姿态变化，如果不通过算法就能做到机械臂机构末端姿态不变，将极大减轻设计难度，大幅简化位置算法，大幅减轻机械臂机构的电控装置计算机械臂末端位置时的计算量，提高计算末端位置的实时性，实现更为准确且成本更低的多级机械臂控制过程。
6.总结，现有的多级多自由度机械臂，其末端坐标的算法，需要考虑前一级机械臂的旋转对后一级机械臂的姿态的影响，各级机械臂的算法需要耦合，耦合算法复杂，要求的算力很高，整体成本很高。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种多级多自由度机械臂，在运动的过程中，末级机械臂的从动轴所连接的承载平台姿态不变，为降低控制成本提供基础。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种多级多自由度机械臂，包括多级末端姿态保持型摆臂机构，各级末端姿态保持型摆臂机构均包括两个轴承座，轴承座内设有下轴承，两个轴承座的下轴承之间转动连接有主动轴，主动轴伸出轴承座并连接有动力装置，主动轴向上固定连接有支撑臂板，支撑臂板顶部通过上轴承转动连接有从动轴，从动轴固定连接有连接板，连接板的末端固定连接有承载平台；主动轴和从动轴相互平行；主动轴和从动轴之间连接有传动机构，传动机构为链条传动机构、同步带传动机构或齿轮传动机构，传动机构与主动轴转动连接，传动机构与主动轴相接的部分通过连接架与底座固定连接；传动机构用于在支撑臂板转动的过程保持承
载平台的姿态恒定；第一级末端姿态保持型摆臂机构的轴承座固定在地面上或工作平台上；m为大于等于1的自然数；m级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台作为m+1级末端姿态保持型摆臂机构的工作平台并固定m+1级末端姿态保持型摆臂机构的轴承座；末级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台作为作业平台或转运平台，各级末端姿态保持型摆臂机构的摆动平面为同一平面；m级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴位于m+1级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴的正下方；各级末端姿态保持型摆臂机构的动力装置均与一电控装置相连接。
9.所述传动机构为链条传动机构，链条传动机构包括转动连接在主动轴上的下链轮、固定安装在从动轴上的上链轮以及绕设在上链轮和下链轮之间的链条；下链轮通过连接架与底座固定连接；上链轮和下链轮的结构和大小均相同。
10.所述支撑臂板平行间隔设有两个；所述传动机构在空间上设置于两个支撑臂板之间，所述承载平台跨设在支撑臂板上方。
11.还包括旋转台，旋转台作为第一级末端姿态保持型摆臂机构工作平台，第一级末端姿态保持型摆臂机构的轴承座安装在旋转台上。
12.本发明还提供了上述多级多自由度机械臂的控制方法，包括建表方法和按表控制方法；建表方法是：以第一级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴的轴线中点为原点，在摆动平面内建立xy坐标系，多级多自由度机械臂包括n级末端姿态保持型摆臂机构，n为大于等于2的自然数，末级为n级；将末端姿态保持型摆臂机构中支撑臂板与xy坐标系的x轴的夹角称为θ，末端姿态保持型摆臂机构的θ值的取值范围为min－max，min和max均为实数且单位为度；θ1为第一级末端姿态保持型摆臂机构的θ值；θ2为第二级末端姿态保持型摆臂机构的θ值；θm为第m级末端姿态保持型摆臂机构的θ值；建表方法第一步骤是确定作业空间；第一子步骤是通过电控装置使各级末端姿态保持型摆臂机构的θ均调节至min，然后同步调节各级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由min逐渐同步升至max，在此过程中，末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点的坐标在xy坐标系中所经过的路径即为作业空间的上轮廓曲线；上轮廓曲线左右两端点的坐标为（d1，d2）和（d3，d4），d1至d4均为实数；第二子步骤是人工确定在y轴方向上末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点的最低位置的坐标（0，d5），d5为实数；第三子步骤是以（0，d5）与（d1，d2）之间的连线为左下轮廓曲线，以（0，d5）与（d3，d4）之间的连线为右下轮廓曲线，将左下轮廓曲线、右下轮廓曲线和上轮廓曲线所围成的区域作为作业空间；建表方法第二步骤是划分区域；在出厂前，根据多级多自由度机械臂的应用目标确定机械臂的运动精度为l厘米；根据l值将作业空间分隔为多个作业区域，每个作业区域的轮廓线上任意两点之间的距离均小于0.5l厘米；
建表方法第二步骤是为每一作业区域指定一组θ1至θm的取值；第二步骤根据公式一，建立各作业区域与一组θ1至θm的取值一一对应的映射表；第一子步骤是建立n级对应表；以（d1，d2）作为起始点（此时各级末端姿态保持型摆臂机构的θ值均为max），先保持第一级至第n－1级末端姿态保持型摆臂机构保持不动，
⊿
h1大于等于0.1度且小于等于0.3度，以
⊿
h1为第一步长，使第n级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由max逐渐减小至min，在每一步中均以公式一计算出末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点的坐标点，建立这些坐标点与作业空间中的作业区域的对应关系；如果某个作业区域对应有两个以上的坐标点，则人工删除冗余的坐标点，为每一作业区域保留一个坐标点及对应的一组θ1至θm的取值；对于遗漏的作业区域，留待第四子步骤处理；第二子步骤是n－1级建表；以
⊿
h2为第二步长，
⊿
h2大于等于0.1度且小于等于0.3度；使第n-1级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由max逐渐减小至min；第二步长每步进一步，均使第n级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由max以
⊿
h1为第一步长由max逐渐减小至min；在第二步骤中，在每一步中均以公式一计算出末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点的坐标点，建立这些坐标点与作业空间中的作业区域的对应关系，如果某个作业区域对应有两个以上的坐标点，则人工删除冗余的坐标点，为每一作业区域保留一个坐标点及对应的一组θ1至θm的取值；对于遗漏的作业区域，留待第四子步骤处理；第三子步骤是以第二子步骤的方法进行n－2级建表，逐级递减直到完成第一级建表；每一级建表过程中，如果某个作业区域对应有两个以上的坐标点，则人工删除冗余的坐标点，为每一作业区域保留一个坐标点及对应的一组θ1至θm的取值；对于遗漏的作业区域，留待第四子步骤处理；第四子步骤是人工补漏步骤；第三子步骤后，人工检查没有对应有坐标点的作业区域，将任一没有对应坐标点的作业区域称为待定区域；对于每一待定区域，找到邻近的对应有坐标点的作业区域，查表得到能够达到邻近作业区域的一组θ1至θm的取值；以该组θ1至θm的取值为中心，人工微调该组θ1至θm的取值，根据公式一计算得出末级多自由度机械臂的从动轴轴线中点的坐标，根据得到的坐标与待定区域的距离，继续微调θ1至θm的取值，直到根据公式一计算得到的坐标位于待定区域以内，将最后一组θ1至θm的取值与该待定区域建立映射关系并存入表中；对于所有待定区域进行上述操作后，得到完整的θ1至θm的取值与作业区域的映射表；末级多自由度机械臂的从动轴轴线中点的坐标通过公式一计算得出，公式一为：；公式一中，x为xy坐标系的横坐标，x为xy坐标系的纵坐标；将同一级末端姿态保持型摆臂机构中主动轴与从动轴之间的距离称为轴距l，
l1为第一级末端姿态保持型摆臂机构的轴距；l2为第二级末端姿态保持型摆臂机构的轴距；lm为第m级末端姿态保持型摆臂机构的轴距；将第m级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴与第m+1级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴之间的距离称为级间距h；h1为第一级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴与第2级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴之间的距离；h
n－1
为第n-1级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴与第n级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴之间的距离。
13.按表控制方法是：多级多自由度机械臂工作时，通过预定工作位置的xy坐标系中的坐标，得到对应的一个作业区域；电控装置检索θ1至θm的取值与作业区域的映射表，得到一组θ1至θm的取值，按该组θ1至θm的取值控制各级末端姿态保持型摆臂机构的旋转角度，使末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点到达预定的工作位置。
14.本发明具有如下的优点：本发明中各级末端姿态保持型摆臂机构在工作中，承载平台的姿态始终保持不变，下级末端姿态保持型摆臂机构安装在上级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台上，因而末级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台的姿态也始终不变，既通过多级的设置扩展了机械臂的作业空间，又始终保持末端姿态保持不变，从而使控制算法得到大幅简化，也降低了多级多自由度机械臂的设计难度。
15.本发明中的末端姿态保持型摆臂机构能够在承载平台绕主动轴公转时，通过传动机构使从动轴产生的自转抵消公转带来的角度变化，使承载平台始终保持其初始倾角（相对于该级末端姿态保持型摆臂机构的工作平台的倾角）不变。本发明应用于仅仅需要改变作业对象的位置而不需要改变作业对象姿态的场合，结构简单，动作可靠，成本较低，算法因运算量十分小，计算末端位置时带来的延时可以忽略不计，承载平台的角度稳定而无波动。
16.本发明结构紧凑，可扩展性很强，可以进行不同方式安装，可以适配多种不同末端设备，通过多个末端姿态保持型摆臂机构首尾相接构建多自由度机械臂简单方便，易于设计和制造（各级末端姿态保持型摆臂机构可以是相同的，也可以仅大小不同，需要装配几级就装配几级），满足更多应用场景。
17.旋转台通过自身的旋转，将末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点的坐标所能到达的工作位置，由工作面扩展到工作面绕y轴旋转形成的回转空间，覆盖空间更广，使用起来更为灵活方便，提高了本发明的通用性（对于工作位置不变的场合，能够适应更多工作场合）和灵活性（对于工作位置不唯一或会发生变化的场合，本发明能够在相对更为广大的空间内灵活适应不同的工作位置）。
18.采用本发明的控制方法，只需要平面坐标系，算法简洁，对算力要求很低，建表速度快，控制过程方便快捷，多级多自由度机械臂实际工作中检索式的计算方式得到具体的θ1至θm的取值，运行速度极快，普通单片机即可实现微秒级别的时延，以很低成本满足多级多自由度机械臂控制精度的要求，有利于多级多自由度机械臂的推广应用。
附图说明
19.图1是本发明中末端姿态保持型摆臂机构的结构示意图；图2是图1的左视图；图3是另一个旋转角度下图1的左视图；图4是末端姿态保持型摆臂机构的立体结构示意图；图5是xy坐标系中多级多自由度机械臂的结构示意图，图中直观显示了公式一中的参数l、h和θ的含义。为缩小图形以进行整体表达，图5中外轮廓曲线与末端姿态保持型摆臂机构尺寸的比例比实际的比例要小，即偏小表达了外轮廓曲线。
具体实施方式
20.如图1至图5所示，本发明的多级多自由度机械臂包括多级末端姿态保持型摆臂机构，各级末端姿态保持型摆臂机构均包括两个轴承座2，轴承座2内设有下轴承3，两个轴承座2的下轴承3之间转动连接有主动轴4，主动轴4伸出轴承座2并连接有动力装置，动力装置用于驱动主动轴4旋转；动力装置可以是配有减速机的电动机或马达，为常规技术，图未示。
21.主动轴4向上固定连接有支撑臂板5，支撑臂板5顶部通过上轴承6转动连接有从动轴7，从动轴7固定连接有连接板8，连接板8的末端固定连接有承载平台9；主动轴4和从动轴7相互平行；主动轴4和从动轴7之间连接有传动机构，传动机构为链条传动机构、同步带传动机构或齿轮传动机构，传动机构与主动轴4转动连接，传动机构与主动轴4相接的部分通过连接架10与底座1固定连接；传动机构用于在支撑臂板5转动的过程保持承载平台9的姿态恒定；第一级末端姿态保持型摆臂机构的轴承座2固定在地面上或工作平台1上；m为大于等于1的自然数；m级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台9作为m+1级末端姿态保持型摆臂机构的工作平台1并固定m+1级末端姿态保持型摆臂机构的轴承座2；末级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台9作为作业平台或转运平台，各级末端姿态保持型摆臂机构的摆动平面为同一平面；m级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7位于m+1级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴4的正下方；各级末端姿态保持型摆臂机构的动力装置均与一电控装置相连接。电控装置采用单片机，为常规装置，图未示。
22.本发明中各级末端姿态保持型摆臂机构在工作中，承载平台9的姿态始终保持不变，下级末端姿态保持型摆臂机构安装在上级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台9上，因而末级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台9的姿态也始终不变，既通过多级的设置扩展了机械臂的作业空间，又始终保持末端姿态保持不变。
23.下面以传动机构采用链条传动机构为例，对传动机构进行具体说明。
24.所述传动机构为链条传动机构，链条传动机构包括转动连接在主动轴4上的下链轮11、固定安装在从动轴7上的上链轮12以及绕设在上链轮12和下链轮11之间的链条13；下链轮11通过连接架10与底座1固定连接；上链轮12和下链轮11的结构和大小均相同。支撑臂板5上安装有张紧装置，用来使链条13保持张紧状态。链条13的张紧装置是常规装置，不详述，图未示。
25.本发明能够在承载平台9绕主动轴4公转时，通过传动机构使从动轴7产生的自转
抵消公转带来的角度变化，使承载平台9始终保持其初始倾角（相对于该级末端姿态保持型摆臂机构的工作平台1的倾角）不变。本发明应用于仅仅需要改变作业对象的位置而不需要改变作业对象姿态的场合，结构简单，动作可靠，成本较低，算法因运算量十分小，计算末端位置时带来的延时可以忽略不计，承载平台9的角度稳定而无波动。
26.本发明结构紧凑，可扩展性很强，可以进行不同方式安装，可以适配多种不同末端设备，通过多个末端姿态保持型摆臂机构首尾相接构建多自由度机械臂简单方便，易于设计和制造（各级末端姿态保持型摆臂机构可以是相同的，也可以仅大小不同，需要装配几级就装配几级），满足更多应用场景。
27.所述支撑臂板5平行间隔设有两个；所述传动机构在空间上设置于两个支撑臂板5之间，这样整体结构强度更高。所述承载平台9跨设在支撑臂板5上方。
28.还包括旋转台24，旋转台24作为第一级末端姿态保持型摆臂机构工作平台1，第一级末端姿态保持型摆臂机构的轴承座2安装在旋转台24上。
29.旋转台24为常规装置，具体不赘述。旋转台24通过自身的旋转，将末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7轴线中点的坐标所能到达的工作位置，由工作面扩展到工作面绕y轴旋转形成的回转空间，覆盖空间更广，使用起来更为灵活方便，提高了本发明的通用性（对于工作位置不变的场合，能够适应更多工作场合）和灵活性（对于工作位置不唯一或会发生变化的场合，本发明能够在相对更为广大的空间内灵活适应不同的工作位置）。
30.本发明还公开了上述多级多自由度机械臂的控制方法，包括建表方法和按表控制方法；建表方法是：以第一级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴4的轴线中点为原点，在摆动平面内建立xy坐标系，多级多自由度机械臂包括n级末端姿态保持型摆臂机构，n为大于等于2的自然数，末级为n级；将末端姿态保持型摆臂机构中支撑臂板5与xy坐标系的x轴的夹角称为θ(单位为度)，末端姿态保持型摆臂机构的θ值的取值范围为min－max（如min＝0度，max ＝180度），min和max均为实数且单位为度；θ1为第一级末端姿态保持型摆臂机构的θ值；θ2为第二级末端姿态保持型摆臂机构的θ值；θm为第m级末端姿态保持型摆臂机构的θ值；建表方法第一步骤是确定作业空间；第一子步骤是通过电控装置使各级末端姿态保持型摆臂机构的θ均调节至min，然后同步调节各级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由min逐渐同步升至max，在此过程中，末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7轴线中点的坐标在xy坐标系中所经过的路径即为作业空间的上轮廓曲线21；上轮廓曲线21左右两端点的坐标为（d1，d2）和（d3，d4），d1至d4均为实数；第二子步骤是人工确定在y轴方向上末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7轴线中点的最低位置的坐标（0，d5），d5为实数；第三子步骤是以（0，d5）与（d1，d2）之间的连线为左下轮廓曲线22，以（0，d5）与（d3，d4）之间的连线为右下轮廓曲线23，将左下轮廓曲线22、右下轮廓曲线23和上轮廓曲线21所围成的区域作为作业空间；其中，左下轮廓曲线22和右下轮廓曲线23的下方的相邻点也是多级多自由度机械臂的末级承载平台9所能达到的范围，但由于过于接近x轴（通常为
地面），不值得使用多级多自由度机械臂进行作业，故将其排除在作业空间之外。
31.建表方法第二步骤是划分区域；在出厂前，根据多级多自由度机械臂的应用目标确定机械臂的运动精度为l厘米；根据l值将作业空间分隔为多个作业区域25，每个作业区域25的轮廓线上任意两点之间的距离均小于0.5l厘米（这样保证按建表后对应此作业区域25的θ取值参数进行作业，能够满足精度要求）；建表方法第二步骤是为每一作业区域25指定一组θ1至θm的取值；第二步骤根据公式一，建立各作业区域25与一组θ1至θm的取值一一对应的映射表；第一子步骤是建立n级对应表；以（d1，d2）作为起始点（此时各级末端姿态保持型摆臂机构的θ值均为max），先保持第一级至第n－1级末端姿态保持型摆臂机构保持不动，
⊿
h1大于等于0.1度且小于等于0.3度，以
⊿
h1为第一步长，使第n级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由max逐渐减小至min，在每一步中均以公式一计算出末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7轴线中点的坐标点，建立这些坐标点与作业空间中的作业区域25的对应关系；如果某个作业区域25对应有两个以上的坐标点，则人工删除冗余的坐标点，为每一作业区域25保留一个坐标点及对应的一组θ1至θm的取值；对于遗漏的作业区域25，留待第四子步骤处理；第二子步骤是n－1级建表；以
⊿
h2为第二步长，
⊿
h2大于等于0.1度且小于等于0.3度；使第n-1级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由max逐渐减小至min；第二步长每步进一步，均使第n级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由max以
⊿
h1为第一步长由max逐渐减小至min；在第二步骤中，在每一步中均以公式一计算出末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7轴线中点的坐标点，建立这些坐标点与作业空间中的作业区域25的对应关系，如果某个作业区域25对应有两个以上的坐标点，则人工删除冗余的坐标点，为每一作业区域25保留一个坐标点及对应的一组θ1至θm的取值；对于遗漏的作业区域25，留待第四子步骤处理；第三子步骤是以第二子步骤的方法进行n－2级建表，逐级递减直到完成第一级建表；每一级建表过程中，如果某个作业区域25对应有两个以上的坐标点，则人工删除冗余的坐标点，为每一作业区域25保留一个坐标点及对应的一组θ1至θm的取值；对于遗漏的作业区域25，留待第四子步骤处理；第四子步骤是人工补漏步骤；第三子步骤后，人工检查没有对应有坐标点的作业区域25，将任一没有对应坐标点的作业区域25称为待定区域；对于每一待定区域，找到邻近的对应有坐标点的作业区域25，查表得到能够达到邻近作业区域25的一组θ1至θm的取值；以该组θ1至θm的取值为中心，人工微调该组θ1至θm的取值，根据公式一计算得出末级多自由度机械臂的从动轴7轴线中点的坐标，根据得到的坐标与待定区域的距离，继续微调θ1至θm的取值，直到根据公式一计算得到的坐标位于待定区域以内，将最后一组θ1至θm的取值与该待定区域建立映射关系并存入表中；对于所有待定区域进行上述操作后，得到完整的θ1至θm的取值与作业区域25的映射表；
末级多自由度机械臂的从动轴7轴线中点的坐标通过公式一计算得出，公式一为：；公式一中，x为xy坐标系的横坐标，x为xy坐标系的纵坐标；将同一级末端姿态保持型摆臂机构中主动轴4与从动轴7之间的距离称为轴距l，(单位为米)l1为第一级末端姿态保持型摆臂机构的轴距；l2为第二级末端姿态保持型摆臂机构的轴距；lm为第m级末端姿态保持型摆臂机构的轴距；θ1、θ2和θm的含义前已定义；将第m级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7与第m+1级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴4之间的距离称为级间距h(单位为米)；h1为第一级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7与第2级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴4之间的距离；h
n－1
为第n-1级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7与第n级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴4之间的距离。
32.现有的多级多自由度机械臂，在计算末端位置时需要考虑前一级机械臂的旋转对后一级机械臂的姿态的影响，各级机械臂的算法需要耦合，耦合算法复杂，要求的算力很高，采用普通单片机无法产生实用价值――计算一次坐标用时两个小时以上（两个小时是保守估计，可能需要跑一天），这样的时延不是任何工业场合可以接受的。因而现有的多级多自由度机械臂需要配备算力更强的计算设备，不仅设备成本高，而且软件设计也很麻烦。
33.公式一不考虑末端姿态的修正，算法简洁，实际工作中要求的算力很低，可以实现低成本实时计算，即便是普通单片机也可实现实时运算（单片机的运算延迟也低至微秒级，不影响多级多自由度机械臂连续工作的程度），使多级多自由度机械臂能够得到更广泛的应用。
34.公式一配合旋转台24，将旋转台24旋转至摆动平面覆盖预定的工作位置的程度，使得公式一不需要引入立体空间坐标，只需要计算平面坐标即可计算出有效的坐标，为电控装置能够控制末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7轴线中点到达预定的工作位置提供有效坐标支撑，相应大幅简化了坐标算法。
35.按表控制方法是：多级多自由度机械臂工作时，通过预定工作位置（即末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7轴线中点需要在的工作位置）的xy坐标系中的坐标，得到对应的一个作业区域25；电控装置检索θ1至θm的取值与作业区域25的映射表，得到一组θ1至θm的取值，按该组θ1至θm的取值控制各级末端姿态保持型摆臂机构的旋转角度，使末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7轴线中点到达预定的工作位置。
36.工作中，在外置的动力装置驱动主动轴4旋转时，下链轮11由于被固定而不会旋转。主动轴4带动支撑臂板5和从动轴7绕主动轴4旋转，从而带动承载平台9在预定的各转换位置之间旋转移动。
37.将从动轴7随支撑臂板5围绕主动轴4的旋转称为公转，将从动轴7围绕自身轴线的
转动称为自转。
38.在从动轴7随同支撑臂板5做公转运动时，下链轮11不动，这样链条13即在下链轮11上开始同向缠绕，在链条13和链轮传动关系的配合下，迫使上链轮12进行反向转动，从而带动从动轴7反向旋转。在此过程中，由于上链轮12和下链轮11结构和大小均相同（规格完全一致），且链条13处于张紧状态，于是主动轴4相对于下链轮11旋转多少角度，则链条13就在下链轮11上缠绕多少角度，同时链条13也迫使上链轮12反向旋转多少角度。上链轮12反向旋转的角度也即从动轴7的自转角度，从动轴7的自转角度刚好抵消因公转而使从动轴7旋转的角度，从而使从动轴7因公转发生的旋转角度和自转发生的旋转角度大小相等方向相反，使从动轴7相对于底座1不发生转动。也就是说从动轴7在主动轴4的转动时，从动轴7相对于底座1的空间位置发生了变化，但从动轴7相对于底座1的姿态（旋转角度）却没有发生改变。从坐标系的角度来说，如果将坐标系建立在底座1上，则从动轴7的位置坐标发生了改变，但从动轴7及其上的承载平台9的姿态角却保持不变。
39.采用本发明的控制方法，只需要平面坐标系，算法简洁，对算力要求很低，建表速度快，控制过程方便快捷，多级多自由度机械臂实际工作中检索式的计算方式得到具体的θ1至θm的取值，运行速度极快，普通单片机即可实现微秒级别的时延，以极低成本满足多级多自由度机械臂控制精度的要求，有利于多级多自由度机械臂的推广应用。
40.当然，除了使用公式一计算建表之外，本发明还提供一种费时费力但可行的建表方法，即人工控制各级多级多自由度机械臂的θ值，使末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴7轴线中点在作业空间中来回扫动，在此过程中为扫过的每一处作业区域25记录一组相应的θ1至θm的取值，直到对于每一个作业区域25都记录了一组相应的θ1至θm的取值，完成建表工作。
41.多级多自由度机械臂还可以采用不同的方案，如通过使其中一级末端姿态保持型摆臂机构的摆动平面与其他各级末端姿态保持型摆臂机构的摆平面不同（优先是末级摆动平动发生改变），可以实现在立体空间内将末级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台9送至预定坐标的任务。当然这样做，作业空间就不是平面坐标系能够解决的了，会使控制方法的难度显著上升。
42.与各级末端姿态保持型摆臂机构的摆动平面为同一平面相比，只要有任何一级末端姿态保持型摆臂机构的摆动平面与其他各级不在同一平面（如垂直），则该级末端姿态保持型摆臂机构上方的末端姿态保持型摆臂机构及其承载的重量，会在该级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台9上产生不垂直于主动轴4和从动轴7的偏转力，使结构受力情况恶化。该级末端姿态保持型摆臂机构也会给承载其的下方一级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台9上产生不垂直于主动轴4和从动轴7的偏转力。
43.总之，在结构受力上，某一（些）级末端姿态保持型摆臂机构与其他末端姿态保持型摆臂机构的摆动平面不在同一平面上（如末级末端姿态保持型摆臂机构的摆动平面与其他各级末端姿态保持型摆臂机构的摆动平面相垂直），将导致其下方的末端姿态保持型摆臂机构受到不垂直于主动轴4和从动轴7的偏转力，使整体结构的力学性能要求更高，结构相对容易受力损坏。
44.在工作空间上，旋转台24可以使末级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台9可到达的工作位置覆盖更大空间，是覆盖空间更广的方案。
45.以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.多级多自由度机械臂，其特征在于：包括多级末端姿态保持型摆臂机构，各级末端姿态保持型摆臂机构均包括两个轴承座，轴承座内设有下轴承，两个轴承座的下轴承之间转动连接有主动轴，主动轴伸出轴承座并连接有动力装置，主动轴向上固定连接有支撑臂板，支撑臂板顶部通过上轴承转动连接有从动轴，从动轴固定连接有连接板，连接板的末端固定连接有承载平台；主动轴和从动轴相互平行；主动轴和从动轴之间连接有传动机构，传动机构为链条传动机构、同步带传动机构或齿轮传动机构，传动机构与主动轴转动连接，传动机构与主动轴相接的部分通过连接架与底座固定连接；传动机构用于在支撑臂板转动的过程保持承载平台的姿态恒定；第一级末端姿态保持型摆臂机构的轴承座固定在地面上或工作平台上；m为大于等于1的自然数；m级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台作为m+1级末端姿态保持型摆臂机构的工作平台并固定m+1级末端姿态保持型摆臂机构的轴承座；末级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台作为作业平台或转运平台，各级末端姿态保持型摆臂机构的摆动平面为同一平面；m级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴位于m+1级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴的正下方；各级末端姿态保持型摆臂机构的动力装置均与一电控装置相连接。2.根据权利要求1所述的多级多自由度机械臂，其特征在于：所述传动机构为链条传动机构，链条传动机构包括转动连接在主动轴上的下链轮、固定安装在从动轴上的上链轮以及绕设在上链轮和下链轮之间的链条；下链轮通过连接架与底座固定连接；上链轮和下链轮的结构和大小均相同；所述支撑臂板平行间隔设有两个；所述传动机构在空间上设置于两个支撑臂板之间，所述承载平台跨设在支撑臂板上方。3.根据权利要求1或2所述的多级多自由度机械臂，其特征在于：还包括旋转台，旋转台作为第一级末端姿态保持型摆臂机构工作平台，第一级末端姿态保持型摆臂机构的轴承座安装在旋转台上。4.权利要求3中所述的多级多自由度机械臂的控制方法，其特征在于：包括建表方法和按表控制方法；建表方法是：以第一级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴的轴线中点为原点，在摆动平面内建立xy坐标系，多级多自由度机械臂包括n级末端姿态保持型摆臂机构，n为大于等于2的自然数，末级为n级；将末端姿态保持型摆臂机构中支撑臂板与xy坐标系的x轴的夹角称为θ，末端姿态保持型摆臂机构的θ值的取值范围为min－max，min和max均为实数且单位为度；θ1为第一级末端姿态保持型摆臂机构的θ值；θ2为第二级末端姿态保持型摆臂机构的θ值；θ
m
为第m级末端姿态保持型摆臂机构的θ值；建表方法第一步骤是确定作业空间；第一子步骤是通过电控装置使各级末端姿态保持型摆臂机构的θ均调节至min，然后同步调节各级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由min逐渐同步升至max，在此过程中，末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点的坐标在xy坐标系中所经过的路径即为作业空间
的上轮廓曲线；上轮廓曲线左右两端点的坐标为（d1，d2）和（d3，d4），d1至d4均为实数；第二子步骤是人工确定在y轴方向上末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点的最低位置的坐标（0，d5），d5为实数；第三子步骤是以（0，d5）与（d1，d2）之间的连线为左下轮廓曲线，以（0，d5）与（d3，d4）之间的连线为右下轮廓曲线，将左下轮廓曲线、右下轮廓曲线和上轮廓曲线所围成的区域作为作业空间；建表方法第二步骤是划分区域；在出厂前，根据多级多自由度机械臂的应用目标确定机械臂的运动精度为l厘米；根据l值将作业空间分隔为多个作业区域，每个作业区域的轮廓线上任意两点之间的距离均小于0.5l厘米；建表方法第二步骤是为每一作业区域指定一组θ1至θ
m
的取值；第二步骤根据公式一，建立各作业区域与一组θ1至θ
m
的取值一一对应的映射表；第一子步骤是建立n级对应表；以（d1，d2）作为起始点（此时各级末端姿态保持型摆臂机构的θ值均为max），先保持第一级至第n－1级末端姿态保持型摆臂机构保持不动，
⊿
h1大于等于0.1度且小于等于0.3度，以
⊿
h1为第一步长，使第n级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由max逐渐减小至min，在每一步中均以公式一计算出末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点的坐标点，建立这些坐标点与作业空间中的作业区域的对应关系；如果某个作业区域对应有两个以上的坐标点，则人工删除冗余的坐标点，为每一作业区域保留一个坐标点及对应的一组θ1至θ
m
的取值；对于遗漏的作业区域，留待第四子步骤处理；第二子步骤是n－1级建表；以
⊿
h2为第二步长，
⊿
h2大于等于0.1度且小于等于0.3度；使第n-1级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由max逐渐减小至min；第二步长每步进一步，均使第n级末端姿态保持型摆臂机构的θ值由max以
⊿
h1为第一步长由max逐渐减小至min；在第二步骤中，在每一步中均以公式一计算出末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点的坐标点，建立这些坐标点与作业空间中的作业区域的对应关系，如果某个作业区域对应有两个以上的坐标点，则人工删除冗余的坐标点，为每一作业区域保留一个坐标点及对应的一组θ1至θ
m
的取值；对于遗漏的作业区域，留待第四子步骤处理；第三子步骤是以第二子步骤的方法进行n－2级建表，逐级递减直到完成第一级建表；每一级建表过程中，如果某个作业区域对应有两个以上的坐标点，则人工删除冗余的坐标点，为每一作业区域保留一个坐标点及对应的一组θ1至θ
m
的取值；对于遗漏的作业区域，留待第四子步骤处理；第四子步骤是人工补漏步骤；第三子步骤后，人工检查没有对应有坐标点的作业区域，将任一没有对应坐标点的作业区域称为待定区域；对于每一待定区域，找到邻近的对应有坐标点的作业区域，查表得到能够达到邻近作业区域的一组θ1至θ
m
的取值；以该组θ1至θ
m
的取值为中心，人工微调该组θ1至θ
m
的取值，根据公式一计算得出末级多自由度机械臂的从动轴轴线中点的坐标，根据得到的坐标与待定区
域的距离，继续微调θ1至θ
m
的取值，直到根据公式一计算得到的坐标位于待定区域以内，将最后一组θ1至θ
m
的取值与该待定区域建立映射关系并存入表中；对于所有待定区域进行上述操作后，得到完整的θ1至θ
m
的取值与作业区域的映射表；末级多自由度机械臂的从动轴轴线中点的坐标通过公式一计算得出，公式一为：；公式一中，x为xy坐标系的横坐标，x为xy坐标系的纵坐标；将同一级末端姿态保持型摆臂机构中主动轴与从动轴之间的距离称为轴距l，l1为第一级末端姿态保持型摆臂机构的轴距；l2为第二级末端姿态保持型摆臂机构的轴距；l
m
为第m级末端姿态保持型摆臂机构的轴距；将第m级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴与第m+1级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴之间的距离称为级间距h；h1为第一级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴与第2级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴之间的距离；h
n－1
为第n-1级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴与第n级末端姿态保持型摆臂机构的主动轴之间的距离；按表控制方法是：多级多自由度机械臂工作时，通过预定工作位置的xy坐标系中的坐标，得到对应的一个作业区域；电控装置检索θ1至θ
m
的取值与作业区域的映射表，得到一组θ1至θ
m
的取值，按该组θ1至θ
m
的取值控制各级末端姿态保持型摆臂机构的旋转角度，使末级末端姿态保持型摆臂机构的从动轴轴线中点到达预定的工作位置。

技术总结
本发明公开了一种多级多自由度机械臂，包括多级末端姿态保持型摆臂机构，各级末端姿态保持型摆臂机构均包括主动轴，主动轴连接有动力装置，主动轴向上固连有支撑臂板，支撑臂板顶部转动连接有从动轴，从动轴固连有连接板，连接板的末端固连有承载平台；M级末端姿态保持型摆臂机构的承载平台作为M+1级末端姿态保持型摆臂机构的工作平台；各极承载平台均可作为作业平台或转运平台，各级末端姿态保持型摆臂机构的动力装置均与一电控装置相连接。本发明还公开了相应的控制方法。本发明中各级机械臂末端姿态始终保持不变，从而使控制算法得到大幅简化，也降低了多级多自由度机械臂的设计难度。本发明能够低成本满足多级多自由度机械臂控制精度的要求。臂控制精度的要求。臂控制精度的要求。


技术研发人员：马子领
受保护的技术使用者：华北水利水电大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/20