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六自由度机械手运动分析

发布于:2019-10-18  |   作者:admin  |   已聚集:人围观

  六自由度机械手运动分析六自由度机械手毕业论文 多自由度机械手机械设计毕业论文 文中设计了一种六自由度机械手。该机械手主要由底座,腰部,主板,大手臂,小手臂,手腕,夹爪组成,采用步进电机驱动,单片机控制。手 臂的尺寸与人手臂的大小相当。手臂的运动主要包括:腰部转动,大手臂 摆动,小手臂摆动,手腕摆动,手腕转动,夹爪夹取。 此手臂的空间活 动半径0.5m,定位精度为5mm.它能够抓取重量较轻的物体,并放到预定 位置。该机械手有过载保护以及断电空间位置的自锁功能.可以用于教学演 示,或者在有放射性的环境中完成特定工作。文中对机械手进行了正运动 学分析, 采用齐次坐标变换法得到了机械手末端位置和姿态随关节夹角之 间的变换关系,并完成了总体机械结计、步进电机选型、蜗轮蜗杆及带传动 比的确定以及部分重要零件的设计。 关键词:机械手 六自由度 步进电机 同步带 毕业论文Abstract sixdegrees freedomhas been designed madeup bigarm, smallarm, steppermotor, singlechip. people.Locomotion manipulatorincludes: waist turning, big arm swung, small arm swung, wrist swung, wrist rotating, claw fetching. canpick light-weightobject, recalculatedposition. manipulatorhas overload protection function, spaceposition self-lock function. armcan radioactiveenvironments. paper,robot kinematic analysis carriedout using homogeneous coordinate transformation method endmanipulator joint position changingrelationship between steppermotor designing, physical construction designing had been completed. Keywords: manipulator, six degrees freedom,stepper motor, locking band. 毕业论文目录 目录?4 1.1国内机械手研状?6 1.2 机械手的构成?7 1.3 机械手的发展趋势 1.4本设计课题的背景和意义 机械手的总体方案设计 ?10 2.1 机械手基本形式的选择 ?10 2.2 机械手的主要部件及运动 ?11 2.3 驱动机构的选择 ?12 2.4 传动机构的选择 ?12 ?123.1 机器人数学基础 ?12 3.2 机器人的运动学方程 ?13 机械手的整体设计计算 ?15 4.1 手部设计基本要求 ?15 4.2 典型的手部结构 ?16 4.3 机械手手指的设计计算 ?16 4.3.1 选择手抓的类型和加紧机构 ?16 4.3.2 手抓加紧力与驱动力的力学分析 ?16 4.4 驱动电机的选择 ?17 4.4.1 手指张合电机的选择 ?17 4.4.2 手腕电机的选择 ?19 4.4.3 大手臂摆动电机的选择 ?19 4.4.4 小手臂摆动电机的选择 ?20 4.4.5 手腕摆动电机的选择 ?20 4.4.6 底座转动电机的选择 ?21 毕业论文4.5 涡轮蜗杆、带轮的选择及传动比的确定 ?21 4.5.1 底座电机处涡轮蜗杆的传动的确定 ?21 4.5.2 大手臂电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 ?22 4.5.3 小手臂电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 ?23 4.5.4 手腕摆动电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 ?24 4.6 小手臂摆动处轴的校核 ?25 ?30[参考文献] ?31 附录一 科技文献翻 译?32 附录二 毕业设计任务书与开题报 告?46 毕业论文多自由度机械手机械设计 机械手(manipulator)是一种能按给定的程序或要求,自动地完成物体 (材料 、工件、零件或工具等)传送或操作作业的机械装置,它能部分地代 替人来进行繁重、危险、重复等手工作业。在工业生产中应用的机械手被 称为工业机械手。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代 机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成 为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液 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。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机 械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各 种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人 的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民 经济领域有着广泛的发展空间[3]。 1.1 国内外机械手研究现状 现代机械手的研究开始于二十世纪中期,其技术背景是计算机和自动 化的发展。80 年代,工业机械手产业得到了巨大的发展,应用范围遍及工 业生产的各个领域。80 年代末期,各国把发展的目标调整到更现实的基础 上来。90 年代,机械手的发展已经不再局限于机械手本身,而成为了新一 代整个机器的发展方向。现在的绝大多数工业机器人是可编程控的机器人。 这种系统的主要特点在于它的通用性和灵活性。目前,机器人的种类也越 来越多,呈现了多元化的趋势,相继出现了水下机器人,爬臂机器人,爬 管机器人,二足,四足和六足机器人,空间机器人以及各种人工假肢等, 机器人技术也已深入到工业、农业、军事医学及公共服务各项事业中,其 本身己成为一个非常广阔的研究领域,涉及力学、电子学、生物学、控制 论、计算机科学、人工智能和系统工程等,成为一门综合了多学科的高技 术,并逐渐形成了一个完整的体系— 机器人学121。近年来,机器人技术 作为机电一体化的最高成就已经成为当代科学技术发展的最活跃的领域 之一,机器人的研究,创造和应用水平也已成为一个国家的科技水平和经 济实力的象征,正受到越来越多国家的广泛重视。 毕业论文机械手的控制问题是与其运动学和动力学问题密切相关的。从控制观 点上看,机器人系统代表冗余的,多变量和本质上非线性的控制系统,同 时又是复杂的耦合动态系统。每个控制任务本身就是一个动力学任务。在 实际研究中,往往把机器人控制系统简化为若干个低阶子系统来描述。 机械手的控制器具有多种结构形式,包括非伺服控制,伺服控制,位 置和速度控制,力(力矩)控制,基于传感器的控制,非线性的控制,分解 加速度控制等等。机器人控制器的选择,是由机器人所执行的任务决定的。 中级技术水平以上的机器人,绝大多数采用计算机控制,要求控制器有效 而且灵活,能够处理工作任务指令和传感信息这两种输入。用户与系统间 的接口,要求能够迅速地指明工作任务。技术水平更高的机器人,具有不 同程度的“智能” ,其控制系统能够借助于传感信息与周围环境交互作 用,并根据获取的信息,修正系统的状态,甚至能够自主地控制机器人实 现控制任务。 从关节(或连杆)角度看,可把工业机械手的控制器分为单关节(连杆) 控制器和多关节(连杆)控制器两种。对于前者,设计时应考虑稳态误差的 补偿问题:对于后者,则应该考虑耦合惯量的补偿问题。 变结构控制是在20 世纪50 年代被提出来的限于当时的技术条件和控 制手段,这种理论没有得到迅速发展。近年来,计算机技术的进步,使得 变结构控制技术能很方便的实现,并不断充实和发展,成为非线性控制的 一种简单而又有效的方法。 变结构控制系统的特点是,在动态控制过程中,系统的结构根据系统 当时的状态偏差及其各阶导数的变化,以跃变的方式按设定的规律作相应 的改变,它是一类特殊的非线]。 机械手的构成现代机械手主要由手抓、传动机构、动力部分、控制系统与其它部分 构成。 (1)手爪 手爪又称抓取机构,包括手指、传力机构和驱动装置等,作用是直接 抓取和放置工件(或工具)。 )传动机构传动机构主要是起改变物件方位和位置的作用。传动机构根据结构和 原理的不同,有机械传动机构,包括:齿轮传动、丝杠传动、带传动、链传 动、连杆传 毕业论文动和凸轮传动等多种类型,以及液压传动机构、气动传动机构等。近 年来,随着各类伺服系统,尤其是电气伺服系统的性能完善和成本降低, 使运动传动机构有较大的简化。 )动力部分动力部分是驱动前两部分的动力,因此也称动力源。常用的有:电动驱 动、气动驱动和液压驱动三种基本类型。在电动执行装置中,有直流(DC) 电机、交流(AC)电机、步进电机和直接驱动(DD)电机等实现旋转运动的电 动机,以及实现直线运动的直线电机。电动驱动装置由于其能源容易获得, 使用方便,所以得到了广泛的应用;气动驱动装置有气缸、气动马达等,这 些装置具有重量轻、价格便宜等特点;液压驱动装置有液压油缸、液压马达 等,这些装置具有体积小、输出功率大等特点。 )控制系统控制系统是机械手的指挥系统,由它来控制动作的顺序(程序)、位置 和时间(甚至速度和加速度)等;通过对动力部分的控制,使执行机构按照规 定的要求进行工作。 (5)其它部分 其它部分包括机体、行走机构、检测装置和传感装置等:机体(也称 机身)是用于支承和连接其他零件、部件的基础件。行走机构是为了扩大 机械手的使用空间而设置的。它本身又包括动力源、传动(减速)机构、滚 轮或连杆机构。目前大多数机械手还缺乏行走机构;检测装置是检测和控 制机械手各运动行程(位置)的装置,主要是对位置、速度和力等各种外部 和内部信息进行检测;传感装置其中装有某种传感器,使手指具有敏感性 和自控性,用以反应手指与物件是否接触、物体有无滑下或脱落、物件的 方位是否正确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应等[11]。 1.3 机械手的发展趋势 (1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和 维修),而单机价格不断下降。 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、 减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器 人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。 毕业论文(3)工业机器人控制系统向基于PC 机的开放型控制器方向发展,便于 标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构: 大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速 度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控 机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境 建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控 制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控 遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火 星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 (7)机器人化机械开始兴起。当前我国的机器人生产都是应用户的要求, “一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、 供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决 产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模 块化设计,积极推进产业化进程。 1.4 设计课题的背景和意义 随着科学技术的发展,机械手在我们生活中也扮演着越来越重要的角 色。特别是在现代工业生产领域中,越来越多的机械手被用来代替人的实 际劳动,更激发了我对机器人技术浓厚的兴趣,所以在这次毕业设计中, 我选择了六自由度机机械手设计与制作这个题目。 六自由度机械手设计分为机械部分与控制部分两大模块。机械部分主 要是完成机构的设计与零件的加工,而控制部分主要完成的工作的是对六 自由度机械手整个的动作流程进行设计,并通过硬件的连接和对61 写合适的程序,以实现红外检测,电机驱动等功能。本次毕业设计负责机械部分的设计与制作。它应当实现的功能是: 掉电保护功能从结构和功能上来看,这个六自由度机械手确实称不上复杂,但它却 具有很重要的意义。首先它是我第一次将四年所学知识的第一次综合运用, 无论最初的设计,还是最终的全文完成,对我们来说都是极大的挑战,开 阔了我的视野,丰富了我的经验,提高了我的实际动手的能力。其次,它 的制作完成一定可以极大的激发同学们对机器人技术的热爱,提高对机器 人技术的浓厚兴趣,并吸引更多的同学投入到机器人设计与制作行列中来。 再次,它主要是用来当作学校的示教工具,其充分运用和综合了我在大学 四年中所学的机械内容,能够让更多的同学在今后的学习中对机械方面有 更加深刻的理解。 机械手的总体方案设计本课题是型回转型机械手的设计.本设计主要任务是完成机械手的结 构方面设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了 确定。因此,机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。 2.1 机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以 (4)多关节型机机械手[1]。其中多关节型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,因此本设计采用多关节型。由于本次是毕业设计考虑 到综合运用本科阶段所学知识固设计如图1.1。 这是本次毕业设计课题六 自由度机械手的整体设计示意图。 毕业论文图2.1 机械手整体示意图 2.2 机械手的主要部件及运动 在多关节式机械手的基本方案选定后,根据设计任务,为了满足设计 要求,本设计关于机械手具有6 个自由度既:手抓张合;手腕回转;手动 腕摆;小手臂摆动;大手臂摆动;底座回转6 个主要运动。 本设计机械手主要由4 个大部件和6 个电机组成: 2.3驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在 很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的 驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用电动机构 驱动机械手、结构 毕业论文简单、尺寸紧凑、设计方便、控制简单与能综合运用本科阶段所学知 识等优点。因此,机械手的驱动方案选择电动驱动。 2.4 传动机构的选择 在现有的机械手系统中,所采用的传动机构主要有蜗轮蜗杆传动、行 星轮系传动、链传动、带传动等。带传动的主要优点是:1)适用于中心 距较大的传动; 2)带具有良好的饶性,可缓和冲击、吸收振动;3)过载时带与带轮 间出现打滑,打滑虽使传动失效,但可防止损坏其他零件;4)结构简单、 成本低廉。在本次设计中,鉴于手臂传动中心距较大,传动要求相对高的 精度,故相比较后选择同步带进行传动[1]。 机械手的数学模型3.1 机器人的数学基础 为了描述机器人本身各连杆之间、机器人和环境之间的运动关系,通 常将它们当成刚体,进而研究各刚体之间的运动关系。而通过在刚体上面 固连一个坐标系,再将该固连的坐标系在空间表示出来。由于这个坐标系 一直固连在刚体上,所以这个坐标系如果可以在空间表示出来,那么这个 刚体相对于固定坐标系的位姿也就已知了。 空间任意一点P 在不同的坐标系中的描述是不同的,因此经过不同的 坐标变换P 点的坐标是不同的。坐标变换包括平移变换、旋转变换与复合 变换。 用四维向量表示三维空间一点的位置P,即: P?Px?Py?Pz? 上式称为点的齐次坐标,式中?为非零常数。当n 维位置向量用n+l 维位置向量表示时,称为齐次坐标表示式。齐次变换矩阵可分解为平移变 换和旋转变换,即: A?I3?3Trans(PBO)?0A?BR?k,?Rot(k,?)?0?PBO? 旋转变换矩阵。3.2 机器人的运动学方程 本文研究的机械手是具有6 个自由度的空间开链机构,它由一系列连 杆通过转动关节串联而成,关节的相对转动导致连杆的运动。本论文采用 D-H(Denavit 和Harenberg)分析方法来描述机器人相邻两连杆之间的运动学 关系即用一个4X4 的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆的位置与姿态(简称 为位姿),以此推导出“手爪坐标系”相对于“参考系”的齐次变换矩阵, 从而建立操作臂的几何模型和运动学方程。 对于具有n 个连杆的机械手,运动学方程是要确定与末端坐标系?n? 固联的手爪相对于基座?0?的变换。根据齐次变换矩阵的乘法规则有: n1T?0T12Tn?1 nT [10]式中,0。 nT 表示末端坐标系?n?相对于基坐标系?0?的位姿 (了书写方便,将sin?n,cos?n 改写为Sn,Cn)本课题要研究的六自由 度机械手 D.H 模型如图 图3.5 六自由度机械手的D-H 模型 毕业论文有以上的坐标系推导法,可得出本课题六自由度机械手的运动参数,如 有上表可求出各连杆之间的齐次变换矩阵,如下?C1?ST1?1 0010S1?C1000?C2 ?S0? T?22 ?00? ?S2C2000010 0010S4?C400 C2a2?S2a2? 0?1?C4a4?S4a4? ?S3C3000010C3a3?C4 ?SS3a3? T4?4?00? d5?1?根据矩阵乘法法则,可以得出本课题六自由度机械手末端执行器的位 ?nx?ny0?T?换矩阵是:5?nz?0 其中 oxoyoz0axayaz0 Px?Py?Pz? nx?C1234?C14S23?C12S34?C123S4ny?S1C234?S123C4?S134C2?S124C3 nz?S2C34?C24S3?S234?C23S4 ox?C1S234?C123S4?C124S3?C1234 毕业论文oy?S1234?S14C23?S13C24?S12C34 oz?C234?S24C3?C4S23?S34C2 ax?S1 ay?C1 az?0 Px?C123S4d5?C1S234d5?C124S3d5?C1234d5?C1234a4?C14S23a4?S134C2a4 ?S124C3a4?S1C23a3?S123a3?S1C2a2 Py?S14C23d5?S1234d5?S13C24d5?S12C34d5?S1C234a4?S123C4a4?S134C2a4 ?S124C3a4?S1C23a3?S123a3?S1C2a2 Pz?S24C3d5?C2S34d5?S23C4d5?C234d5?S2C34a4?C24S3a4?S234a4 ?C23S4a4?S2C3a?C2S3a?S1a 机械手的整体设计计算4.1 手部设计基本要求 要求结构紧凑、重量轻、效率高,在保证本身刚度、强度的前提下, 尽可能使结构紧凑、重量轻,以利于减轻手臂的负载; 应保证手抓的夹持精度。4.2 典型的手部结构 回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。 毕业论文4.3 机械手手指的设计计算 4.3.1 选择手抓的类型和夹紧机构 本设计是设计六自由度机械手的设计,考虑到所要达到的原始参数: 合角?=60,夹取重量为1Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分 为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的 板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械 手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平 行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料、棒料等, 且工件径向尺 寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。通过采用典型的平移 型手指, 驱动力加在手指移动方向上,这样结构比较简单且体积适中。 通过综合考虑,本设计选择二指平移型手抓,采用滑槽导轨这种结构 方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置,它在电机的驱动力的作用下机械手 手抓实现张开和闭和[5] 4.3.2手抓夹紧力和驱动力的力学分析 手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。必须对大小、方 向和作用点进行分析计算。一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷 以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷,以便工件保持可靠的夹紧状 手指对工件的夹紧力可按公式计算:FN?K1K2K3G K1——安全系数,通常1.2--2.0;k2——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估 k2中a,重力方向的最大上升加速度;a?vt 响——系统达到最高速度的时间,一般选取0.03--0.5sK3——方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择 G——被抓取工件所受重力(N) k3=0.5,G=10N2.8?1.02 根据公式,将已知条件带入: FN?1.5?1.02?0.5?10=7.65N取?=0.85 由驱动力公式得: =7.65/0.85=9N 实际?FN实际 其中?为螺纹倾斜角=15,?为摩擦角=30 F=9?tg?15?30?9N[6]4.4 驱动电机的选择 4.4.1 手指张合电机的选择 设前端手指的重量为0.1Kg,螺纹导程Ph=1mm,

  

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