【cad图纸三维建模】并联六自由度大臂机器人设计.doc
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1、哈尔滨理工大学学士学位论文本科毕业设计(论文)六自由度大臂机器人2015年 6 月55六自由度大臂机器人摘 要六自由度大臂机器人采用夹持机构进行设计.夹持机构具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点可以作为航天上的对接器、航海上的潜艇救援对接器;工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器;可以在汽车总装线上自动安装车轮部件;另外,医用机器人,天文望远镜等都利用了并联技术。本文夹持机构的研究方向:(1)六自由度大臂机器人组成原理的研究研究夹持机构自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。(2)六自由度大臂机器人运动空间的
2、研究(3)六自由度大臂机器人结构设计的研究夹持机构的结构设计包括很多内容,如机构的总体布局、安全机构设计。由于本人水平有限,文中的错误和不足在所难免,恳请各位老师给予批评和指正。关键词:机械手;虚拟样机;夹持机构Six Degrees of Freedom Robot ArmAbstractSix degrees of freedom robot arm with clamping mechanism design. The clamping mechanism has high rigidity, strong bearing capacity, small error, high prec
3、ision, load / weight ratio, good dynamic performance, easy control and a series of advantages can be used as a submarine rescue docking docking, space navigation on the industry; as for micro robot assembly, large precision operation; can automatically install the wheel parts in the automobile assem
4、bly line; in addition, medical robots, astronomical telescope using parallel technology etc.The research direction of clip holding mechanism:(1) on the principle of six degrees of freedom robot armStudy on the clamping mechanism, the calculation of degree of freedom motion type, hinge type and kinem
5、atics analysis, modeling and simulation etc.(2) six degrees of freedom robot arm motion space(3) study the structure design of the robot arm with six degrees of freedomThe structure design of clip holding mechanism includes a lot of contents, such as the design of the overall layout, mechanism of sa
6、fety mechanism.Because of my limited ability, mistakes and shortcomings in this paper and ask teachers to give the criticism and correction.Key words: manipulator; virtual prototype; clamping mechanism目 录1 前 言11.1 课题研究背景意义11.2 国内外研究现状22 六自由度大臂机器人的结构及工作原理62.1 并联运动机构概述62.2 机械手总体结构原理72.3六自由度大臂机器人的总体结构8
7、2.4 控制系统结构及工作原理92.5 夹持机构工作空间的分析102.6三维空间分析原理122.7 臂部结构设计的基本要求163 六自由度大臂机器人主要部件的设计193.1 电动机选型193.2电机的分类193.3选择步进电机的计算203.4传动结构形式的选择233.5 轴承的寿命校核253.6 手爪夹持器结构设计与校核273.6.1手爪夹持器种类273.6.2夹持器设计计算283.7 夹持装置气缸设计计算293.7.1 初步确系统压力293.7.2气缸计算303.7.3 活塞杆的计算校核323.7.4 气缸工作行程的确定333.7.5 活塞的设计333.7.6 导向套的设计与计算333.7.
8、7 端盖和缸底的计算校核343.7.8 缸体长度的确定353.7.9 缓冲装置的设计353.8 气压元件选取及工作原理353.8.1 气源装置353.8.2 执行元件363.8.3 控制元件363.8.4 辅助元件383.8.5 真空发生器384 夹持机构机夹持机构空间分析394.1夹持机构夹持机构机的运动学约束394.1.1 连杆杆长约束394.1.2 运动副转角约束394.1.3 连杆杆间干涉404.2 确定夹持机构空间的基本方法40总 结41参 考 文 献42致 谢431 前 言1.1 课题研究背景意义并联机器人与已经用的很好、很广泛的串联机器人相比往往使人感到它并不适合用作机器人,它没
9、有那么大的活动空间,它活动上平台远远不如串联机器人手部来得灵活。的确这种6-TPS结构的夹持机构其工作空间只是一个厚度不大的蘑菇形空间,位于机构的上方,而表示灵活度的末端件3维转动的活动范围一般只在60上下,角度最大也达不到90。可是和世界上任何事物一样都是一分为二的,若用并联式的优点比串联式的缺点,也同样令人吃惊。首先,并联式结构其末端件上平台同时经由6根杆支承,与串联的悬臂梁相比,刚度大多了,而且结构稳定;第二,由于刚度大,并联式较串联式在相同的自重或体积下有高得多的承载能力;第三,串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大,因而误差大而精度低,并联式没有那样的积累和放大关系,误差小而
10、精度高;第四,串联式机器人的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大小臂上,增加了系统的惯性,恶化了动力性能,而并联式则很容易将电动机置于机座上,减小了运动负荷;第五,在位置求解上,串联机构正解容易,但反解十分困难,而夹持机构正解困难反解却非常容易。由于机器人的在线实时计算是要计算反解的,这就对串联式十分不利,而并联式却容易实现。夹持机构实质上是机器人技术与机构结构技术结合的产物,与实现等同功能的传统五坐标数控机构相比,夹持机构具有如下优点:刚度重量比大:因采用并联闭环静定或非静定杆系结构,且在准静态情况下,传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆,故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。响应速度快
11、:运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质,允许动平台获得很高的进给速度和加速度,因而特别适于各种高速数控作业。环境适应性强:便于可重组和模块化设计,且可构成形式多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光,以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器,还可完成精密装配、特种加工与夹持机构等作业。 技术附加值高:夹持机构具有“硬件”简单,“软件”复杂的特点,是一种技术附加值很高的机电一体化产品,因此可望获得高额的经济回报。目前,国际学术界和工程界对研究与开发夹持机构非常重视,并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。
12、1994年在芝加哥国际机构博览会上,美国Ingersoll铣床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机构与加工中心,引起轰动。此后,英国Geodetic公司,俄罗斯Lapik公司,挪威Multicraft公司,日本丰田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所,瑞典NeosRobotics公司,丹麦Braunschweig公司,德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机构、夹持机构机和加工中心。与之相呼应,由美国Sandia国家实验室和国家标准
13、局倡议,已于1996年专门成立了Hexapod用户协会,并在国际互联网上设立站点。近年来,与夹持机构和并联机器人操作机有关的学术会议层出不穷,例如第4749届CIRP年会、19981999年CIRA大会、ASME第25届机构学双年会、第10届TMM世界大会均有大量文章涉及这一领域。由美国国家科学基金会动议,1998年在意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会,并决定第二届研讨会于2000年在美国密执安大学举行。19941999年期间,在历次大型国际机构博览会上均有这类新型机构参展,并认为可望成为21世纪高速轻型数控加工的主力装备。 我国已将夹持机构的研究与开发列入国家“九五”攻关计划
14、和863高技术发展计划,相关基础理论研究连续得到国家自然科学基金和国家攀登计划的资助。部分高校还将夹持机构的研发纳入教育部211工程重点建设项目,并得到地方政府部门的支持且吸引了机构骨干企业的参与。在国家自然科学基金委员会的支持下,中国大陆地区从事这方面研究的骨干力量,于1999年6月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与夹持机构设计理论与关键技术研讨会,对夹持机构的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。1.2 国内外研究现状夹持机构具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、标准化程度高和模块化程度高等优点,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、电子等领域得到了成
15、功的应用。(1)串联结构中的横梁部件很容易受到弯曲扭矩的作用而产生扭曲变形,从而产生动态误差;(2)由于采用串联的方法,因而整个运动误差是每个坐标轴运动误差的累加;(3)由于运动部件质量较重,从而使的运动惯性增大,运动速度收到限制,因而直接影响了夹持机构效率;(4)不满足夹持机构的基本原理阿贝原理;(5)由于受X,Y,Z相互垂直导轨的约束,测头的空间位姿不够灵活。 图1.1 普通笛卡尔式串联结构示意图从整个发展进程不难看出,夹持机构技术是为满足日益进步的制造技术的需求而不断向前发展的,是为先进制造技术而服务的。近几年,随着精益生产、敏捷制造、虚拟制造、并行工程和逆向工程等各种先进制造思想和理论
16、的不断提出,对夹持机构机的夹持机构精度、夹持机构效率及灵活性等相应的技术指标又提出了更高的要求,而传统的具有笛卡儿坐标系结构的三夹持机构机因其自身结构的限制已很难达到这一要求,于是,各种非笛卡儿式夹持机构技术应运而生并迅速发展起来13。 图1.2 几种非笛卡尔串联机构夹持机构机结构示意图当今国际市场需求快速变化的特点和21世纪更加个性化的市场趋势,促进了快速设计和制造技术的发展。并联夹持机构机是近30年发展起来的一种高效率的新型精密夹持机构仪器,克服了传统串联夹持机构机结构布局的固有缺陷,有效地降低重量和提高对生产环境的适应性,满足了快速多变的市场需求。与常用的串联夹持机构机相比,它的优点是:
17、(1)并联中的可动平台同时经由3根可沿各自轴向伸缩的连杆支撑,从而使整个系统的刚度较串联机构相比有较大程度的提高;(2)各并联杆件只承受沿轴向的线性调节力的作用,因而其运动误差小,不易变形;(3)夹持机构中,各杆件间不存在误差累积和放大关系,容易实现高精度夹持机构;(4)并联运动机构中运动部件的惯性质量小,刚度大,因而有望实现高速、高效率夹持机构;(5)可以将夹持机构点放置在测长装置的延长线上,从而减小阿贝误差对夹持机构结果的影响;(6)并联夹持机构机测头的空间位姿灵活,可从任何角度进入工作表面,因而对表面形状复杂,孔隙方位多的零件夹持机构比较方便;(7)夹持机构结果不易受空气波动、温度变化等
18、因素的影响;(8)不需要复杂的跟踪机构、控制装置等;(9)夹持机构具有“硬件”简单,“软件”复杂的特点,是一种技术附加值很高的机电一体化产品,因而渴望获得高额的经济回报。由此可以看出,夹持机构恰好能够对串联机构的应用局限进行恰当的补充,这无疑为新一代夹持机构机的开发与研制带来了希望,从而为拓宽夹持机构机的应用领域,促进产品的多样化,提高产品的市场竞争力奠定了坚实的理论基础。近年来,以夹持机构学为理论依据的智能机器人技术及计算机数控加工技术的研究引起了各国学者的极大兴趣,现已成为新的研究热点,并认为是21世界极具发展前景的先进技术14-15。由于并联运动机构具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加
19、等独特特性,因而若将其应用于夹持机构机中,将有可能使夹持机构机的夹持机构精度及夹持机构效率等综合性能得到很大程度的改善。由此可以看出,并联运动机构理论及应用研究的兴起也为新型夹持机构机的开发提供了机遇,所以,开展并联运动机构的研究工作是非常必要的。2 六自由度大臂机器人的结构及工作原理2.1 并联运动机构概述从夹持机构的结构特点不难看出,夹持机构夹持机构机属于一种新型非笛卡儿式夹持机构系统。传统的笛卡儿式夹持机构系统对空间位置坐标的夹持机构是直接通过三个相互垂直的长度基准来实现的,也就是说,这种夹持机构机的夹持机构模型是直接建立在直角坐标系基础之上的,因而该夹持机构机具有夹持机构建模容易,夹持
20、机构结果直观、数据处理简单、符合大多数工件夹持机构的需要等优点。而对于由并联闭环机构所组成的并联夹持机构机来说,其测头处的空间位置坐标是有若干个并联调节器的长度基准和连接上下平台的球形副(或转动副)的角度基准来表述的,由于这些变量参数之间的关系是非线性,所以与普通直角型夹持机构机相比夹持机构夹持机构机的夹持机构建模问题就变得十分复杂。并联运动机构是指上、下平台用2个或2个以上分支相连,机构具有2个或2个以上自由度,且以并联方式驱动的空间闭环运动机构。由于并联运动机构具有刚度重量比大,运行速度高、末端执行器位姿灵活、误差不叠加、结构简单、易于模块化设计等优点 ,因而在许多领域都已得到广泛的应用。
21、例如:德国汉诺威、斯图加特大学及不伦瑞克大学等已先后将并联运动机构应用于激光加工、机构、普通装配及医学等领域中。国内一些知名大学,如清华大学、天津大学、东北大学、燕山大学和哈尔滨工业大学等等,也正在开展夹持机构方面的研究工作。实际上,夹持机构建模问题就是夹持机构的正运动求解问题。所谓正运动求解,就是在已知夹持机构中各运动副的位置参数及各并联调节器杆长变化量的情况下,来计算末端执行器(如测头)出的空间位置坐标。由空间机构学理论可知并联闭环机构的位置反解比较容易,但其位置正解却相当复杂,到目前为止,也只能给出其数值解,且明显存在多解现象。我们通过对夹持机构机的布局结构进行优化,即将连接上下活动平台
22、的运动副以等边三角形的方式进行排列,从而使个运动副之间的相互关系简洁化,然后充分利用机构的运动约束和集合约束关系,建立由对应机构组成的并联夹持机构机的夹持机构模型。2.2 机械手总体结构原理本文所研究的夹持机构的结构见图2-116。由图2.2.1可以看出,该主要由上下2个平台和连杆组成。从机构的连接方式不难看出,三个中间连杆的运动是相互关联和制约的,而不是相互分立的,因此,这种机构属于并联运动机构。夹持机构的工作原理十分简单,它是通过移动副的调节器来控制移动副的伸缩,使连杆长度发生变化,从而使测头移动至测点位置,然后再由安装在移动副内的长度夹持机构装置测出杆长的变化量,并以此为依据,计算出测点
23、处的空间坐标。图2.1 夹持机构结构简图自工业机器人问世以来,采用串联机构的机器人占主导位置。串联机器人具有结构简单、操作空间大,因而获得广泛应用。由于串联机器人自身的限制,研究人员逐渐把研究方向转向并联机器人。和串联机器人相比,并联机器人有以下特点:1. 并联结构其末端件上同时由6根杆支撑,与串联的悬臂梁相比刚度大,结构稳定。2. 由于刚度大,并联结构较串联结构在相同的自重或体积下,有高的多的承载能力大。3. 串联机构末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大,因而误差大、精度低,并联式则没有那样的误差积累和放大关系,微动精度高。4. 串联机器人的驱动电机及传动系统大都放在运动着的大小臂上,增
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