资源描述
需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑本科毕业设计（论文）六自由度大臂机器人2015 年 6 月哈尔滨理工大学学士学位论文II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；夹持机构哈尔滨理工大学学士学位论文IIISix 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 precision, 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 assembly 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 kinematics 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 safety 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哈尔滨理工大学学士学位论文IV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.82.4 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.333.7.7 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.36哈尔滨理工大学学士学位论文V V3.8.3 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.43哈尔滨理工大学学士学位论文VI VI哈尔滨理工大学学士学位论文VII VII哈尔滨理工大学学士学位论文IX IX哈尔滨理工大学学士学位论文X X哈尔滨理工大学学士学位论文XI XI哈尔滨理工大学学士学位论文XII XII哈尔滨理工大学学士学位论文XIV XIV哈尔滨理工大学学士学位论文XV XV哈尔滨理工大学学士学位论文XVI XVI哈尔滨理工大学学士学位论文XVII XVII哈尔滨理工大学学士学位论文V V哈尔滨理工大学学士学位论文V V哈尔滨理工大学学士学位论文1 11 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：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。 哈尔滨理工大学学士学位论文2 2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。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哈尔滨理工大学学士学位论文3 3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。哈尔滨理工大学学士学位论文4 4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:(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，从而减小阿哈尔滨理工大学学士学位论文5 5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。哈尔滨理工大学学士学位论文62 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。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。哈尔滨理工大学学士学位论文72.2 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 臂哈尔滨理工大学学士学位论文8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 加 了 系 统 的 惯 量 ， 恶 化 了 动 力 性 能 ， 而 并 联 机 器人 将 电 机 置 于 机 座 上 ， 减 小 了 运 动 负 荷 。5. 在 位 置 求 解 上 ， 串 联 机 构 正 解 容 易 ， 但 反 解 困 难 。 而 并 联机 构 正 解 困 难 ， 反 解 非 常 容 易 ， 而 机 器 人 在 线 实 时 计 算 是要 计 算 反 解 的 。2.3 六自由度大臂机器人的总体结构六自由度大臂机器人的组成及各部分关系概述：它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。(1) 执行系统：执行系统是六自由度大臂机器人完成关节工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。(a) 末端执行器：机械手为了进行作业而配置的操作机构，直接喷漆工件。(b) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变末端执行器的工作方位。(c) 臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置，满足机械手的作业空间，将各种载荷传递到机座。(d) 机身：机械手的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。(2) 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、机电传动、气压传动和电传动。(3) 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。(4) 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需 要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保哈尔滨理工大学学士学位论文9证运动符合要求。 实践证明，六自由度大臂机器人可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途4-8。2.4 控制系统结构及工作原理夹持机构夹持机构机的控制与夹持机构系统结构示意图如图 2-2所示：由图可以看出来，该夹持机构夹持机构机的控制与夹持机构系统主要由三个基本单元组成，它们是：PC 处理器单元，伺服电机控制单元和夹持机构数据采集与存储单元。PC 处理单元主要完成数据处理、数据显示、几何尺寸计算和三维形体的重建等，同时还负责向其他两个单元发送控制指令，以便协调整个系统的工作。伺服电机控制单元则主要是依据 PC 计算机所发送的控制指令对三个伺服电机的运行状态进行控制，从而确保他们按实际要求正常运转。夹持机构数据采集与存储单元主要用于完成对三个线性刻度尺（例如光栅尺、激光干涉仪等）输出的脉冲信号进行记数，并将计数结果存储到对应的三个存储器中，以便于 PC 计算机进行读取。图 2.2 控制与夹持机构系统框图上述控制与夹持机构系统的工作原理可简述如下：哈尔滨理工大学学士学位论文10当操作人员通过计算机键盘（或其他键控开关）向计算机发出控制命令后，PC 处理器则通过 I/O 控制器接口向三个交流伺服电机分别发出相应的运行控制指令。当三个伺服电机接受到正确的指令信息后，即驱动各自的滚珠丝杠进行旋转，从而带动相应的移动副按实际要求进行伸缩，使测头向目标点移动；同时，随着移动副的伸缩，与之相连的线性长度记录仪（如光栅尺等）开始输出计数脉冲，并由三个 32 位的计数器分别进行计数。若测头移动过程中，连杆或运动副出现干涉现象，则驱动系统将立即向计算机反馈信息，以便通知计算机及时调整三个伺服电机的运行状态，及时修正测头的运行轨迹，从而确保测头安全、柔性地到达夹持机构点位置。当测头与被测目标点接触的一刹那，测头的微动开关将产生一触发脉冲，并将其反馈给 PC 计算机作为采样触发信号。PC 计算机接收到该采样指令后，则向 32 位计数器发出读数指令，随后便将计数器中的三个脉冲计数值读入处理器，经相应处理软件计算后，得到该夹持机构点处的实际空间坐标值，从而完成一次坐标采样过程。2.5 夹持机构工作空间的分析工作空间（Workplace ）：设给定参考点 C 是动平台执行器的端点，工作空间是该端点在空间可以达到的所有点的集合。完全工作空间（Complete workplace）：动平台上执行器端点可从任何方向（位姿）到达的点的集合。定向工作空间（Constant workplace）：动平台在固定位姿时执行器端点可以到达的点的集合。最大工作空间（Maximal workplace）：动平台执行器端点可到达的点的最大集合，并考虑其具体位姿。完全工作空间和定向工作空间都是最大工作空间的子集.另外，工作空间是夹持机构的重要特性，影响它的大小和形状的因素主要有以下三个： 杆长的限制，杆件长度的变化是受到其结构限制的，每一杆件的长度必须小于最大杆长，大于最小杆长。 转动副转角的限制，各种铰链，包括球铰接和万向铰接的转角都受到结构研制的，每一铰链的转角都应小于最大转角。哈尔滨理工大学学士学位论文11 杆件的尺寸干涉，连接动平台和固定平台的杆件都具有几何尺寸，因此各杆件之间在运动过程中可能发生相互干涉。设杆件是直径为 D 的圆柱体，两相邻杆件轴线之间的距离为 Di,则 DiD。并联机器人构型设计原则1、在进行机构形式设计时，除了要满足规定的运动形式、运动规律或运动轨迹外，还应该遵循下面几项准则:（l）机构的运动链要尽可能的短。完成同样的动作要求，应该优先选用机构构件数和运动副数少的机构，以简化其结构从而减轻重量、降低成本、减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差，运动链短有利于提高机构的刚度，减少振动。（2）在运动副的选择上，优先选用低副。低副机构的运动元素加工方便，容易保证配合的精度以及有较高的承载能力。（3）适当选择原动机，使机构有好的动力学性能。并联机器人的尺度设计原则以往，我们在设计阶段为了确定机器人操作手机构的尺寸和确定机器人操作手在工作空间内部的位置和姿态时多数是靠经验和直觉。现在，为了开发出高精度、高速度和高效率的并联机器人，我们在机构的综合设计时要考虑到它的工作空间的体积和形状、奇异位形、输出的各向同性等条件。但是，在全局最优的机构尺度综合设计中，顾全到上述的所有条件是十分困难的。国内外的学者提出了许多机构综合的标准，以便在满足指定的设计指标下，机构的性能达到最优。由于并联机器人与串联机器人相比，工作空间小。因此为实现作业要求，在设计时要先确定能够满足性能指标的工作空间是至关重要的。另外，在并联机构的设计过程中必须要考虑要避免构型奇异。与串联机器人不同的是，并联机器人不仅有运动学奇异，还有由构型所导致的构型奇异。即奇异区域通常都扩张到整个工作空间或一些显著的子空间，而且是实际操作中最常用的区域。0.M 给出了判定并联机构发生构型奇异的条件:（l）如果动平台和定平台是相似的正多边形，则整个工作空间内雅戈比矩阵都是奇异的;（2）如果动平台和定平台是相似的非正多边形，并且每一对相应的顶点通过一条连杆相连，则雅戈比矩阵在工作空间内的大部分区域都是奇异的。这种设计上的奇异的存在，将使并联机器人由于无法平衡施加在动哈尔滨理工大学学士学位论文12平台上的负载而不能工作。在构型奇异附近的区域，即使没有发生构型奇异，也有可能出现雅戈比矩阵条件数很大的情况，同样会导致运动和力的传递性能变的很差，我们称这种区域为病态条件区域。因此，进行并联机构尺度综合设计时必须考虑在满足工作空间要求、运动可传递性的要求以及负载能力要求的情况下，要避开构型奇异点及奇异点附近的病态区域2.6 三维空间分析原理首先，运动参数的平衡条件下出现的子集必须被确定为系统的总势能不变的任何配置，即，在势能的表达依赖于配置项系数等于零。额外的标量和矢量变量出现在（2）中图 3 定的相关术语中。设计中出现的变量之间的（2），分别计算设计过程中的第一阶段，只有关节 lir 的链接和向量 bi 的组件会影响工作空间形状和机构的奇异位置的长度。这些参数被确定为该机构的静平衡是完成的，他们被认为是恒定的输入数据（其值在表 II 中给出）。因此，在平衡条件下的完整性将在随后的优化程序保存在。然后，我们得确定剩余的运动学参数，不影响平衡条件下的最大子集。将这些参数作为优化参数提高的工作空间和运动特性的机制。随后，平衡条件不依赖于关节的连接点 Pi0 的位置。假设这些点位于一个以 r 为半径 O 为圆心的圆上，r 以被视为一个优化参数。此外，让 成为连接第i 关节流动锥对称轴的球形接头。哈尔滨理工大学学士学位论文13图 3.1 关节相关设计参数对于移动框架 轴的方向，用角度 和 表示，不影响平衡的条件。在这个方向上表示，角度 是轴 和轴上移动平面 投影之间的夹角。轴 的投影用矢量角 来表示 。至于大多数并联机器人机构的商业应用程序是可实现对称的机构设计。因此我们对非限制性的附加条件：。我们的优化参数组最后由向量 表示。III 基于恒定位第一优化程序工作区在本节中，我们考虑的第一个应用程序的机制作为定位和定向装置的重物。在这样的背景下，我们提出了一个过程，即：恒定方向的工作区是自由临界奇异性体积最大三维区域。几种方法是目前文献中的并联机器人定姿态工作空间计算（见，例如， 26 一个详细的这些方法分类）。在第一类方法中最有代表性的是 13 和 哈尔滨理工大学学士学位论文1415 提出的纯几何方法，并在 26 中扩展到机械约束与被动关节的运动范围。第二类方法被称为离散化 技术（例如， 1 ， 8 ，和 25 ）。最基本的，一个足够大的立方区域在笛卡尔空间中是完全离散的。然后，对这三次网格中的每个节点，解决了逆运动学和一套机械约束测试。有可能是最复杂的和最快的离散化方法，工作空间的边界是在球面坐标系统确定的离散范围内的方位角和高度角 8 。尽管这样的方法是计算密集型的，提供的工作空间边界的几何性质的信息很少，他们可以很容易地应用到任何类型的并联机器人的几乎任何的机械约束。除了所有常规的机械限制，它的目的是在这里将封闭形式的方程转化为运动约束集的三条关节的 6-DOF 并联机构的奇异轨迹。固有的复杂性原因，离散化算法 8 被发现是用于以下设计程序最合适的方法。A 常规机械约束 本节总结了传统的机械限制的机制定姿态工作空间。作为一个初步的，我们要精确，平台的定位将代表本节中欧拉角 的定义，首先是由第一旋转移动框架的基轴 的角度 所表示，然后与通过角度 的新轴 有关，最后转化为通过角度 的移动轴。对于欧拉角的选择，其突变发生在 处。旋转矩阵定义为：哈尔滨理工大学学士学位论文15其中随后，主要存在着四个基本的机械约束以限制二关节并联机构的定位空间，即：1）关节的长度 2）；三球形关节运动的范围；3）关节的干涉；4）机械设计相关的附加约束。1）限制关节的长度：让移动平台的定位是由（3，3）的正交旋转矩阵 组成。对于一个给定位置（矢量 ）和方向（矩阵 ）的移动平台，所需关节的长度，用 表示，如下式：然后，五连杆结构的关节施加一个长度约束如下式：对于移动平台的大多数配置，只有关节的支撑段 pi2pi3 和 i 关节的 pi3pi5 与 j 关节的关节部之间的碰撞是一个问题。因此，采用3 杆机构对二关节机构的结构设置一组约束，如下：这些约束实现的校验方程需要两个线段之间距离是最小的，这需要一个实现多步算法的计算。由于空间的限制，我们这里不清楚这样的算法，但我们建议读者参考一中25提出的方法。4）附加约束：考虑到基础平台原型的具体设计提出了以下限制：B 奇异轨迹和内在的运动约束在这一部分中，对二关节并联机构奇异轨迹进行了总结，本结构方程是在封闭的形式下提出被纳入在下面离散化算法的运动约束。在 29 利用格拉斯曼线几何确定了机构的奇异位形。五个系列的奇异性进行鉴定。1）i 的关节两个节是一致的，即 ，对于每一段 i，定义最小和最大的球体半径分别为 和，坐标中心 ，构成机制的定位工作空间的边界。用以约束（5）所涉及的例子。哈尔滨理工大学学士学位论文162）当移动和基础平台是平行的，即 ，一个奇点发生在当轴 z 平台上的旋转角 等于 0 或 ）。图 4 关节的机制（顶视图）3）在移动平台的一个任意方向的情况下，一个单一的配置发生时，它的末端位于一个用笛卡尔排列所表示的二次曲面上。2）对于定位工作空间离散化技术的综述：在 8 中提出的离散化技术是基于以下两个算法的完整实现。球面搜索算法：让我们假设一个近似的中心点 Oc 的位置是由一个给定平台的方向确定的。通过该算法进行推断从而得到一个工作空间边界，该边界以 Oc 为中心点以 为球面坐标系。检查整个空间的过程是通过离散的方位角和天顶角 和 来完成。对于每一对，在被检测出违背约束之前它们的半径 逐渐递增，。当 被发现位于工作区之外时，工作空间边界的位置沿球形线构成了第一个近似值，第二算法，称为工作空间边界的算法，用于验算结果。哈尔滨理工大学学士学位论文17工作空间边界的算法：对于每个方位角和天顶角，该算法都在检查过程中的最后阶段。它是基于以区间折半搜索技术来保证 在工作空间边界的 之内，其中 是一个给定的误差范围。2.7 臂部结构设计的基本要求臂部部件是六自由度大臂机器人的主要部件。它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)关节，则臂部自由度加以实现。因此，一般来说臂部设计基本要求: （1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，六自由度大臂机器人常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢（如图 4.1 和 4.2 所示）或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。哈尔滨理工大学学士学位论文18（2)臂部运动速度要高，惯性要小在一般情况下，手臂的要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。为减少转动惯量，应采取以下措施:(a) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料;(b) 减少手臂运动件的轮廓尺寸(c) 减少回转半径(d) 驱动系统中设有缓冲装置(3)手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。(4)位置精度要高。一般来说，直角和圆柱坐标系六自由度大臂机器人位置精度高;关节式六自由度大臂机器人的位置最难控制，故精度差;在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度。本文采用铝合金材料设计成薄壁件，一方面保证机械臂的刚度，另一方面可减小机械臂的重量，减小基座关节电机的载荷，并且提高了机械臂的动态响应。砂型铸造铸件最小壁厚的设计。最小壁厚：每种铸造合金都有其适宜的壁厚，不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同，主要取决于合金的种类和铸件的大小，见表 4.1 所示：表 4.1 砂型铸造铸件最小壁厚计（mm）铸件尺寸 铸钢 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铝合金 铜合金 200200 200200500500 500500 58 1012 1520 35 410 1015 46 812 1220 35 68 33.5 46 35 68 哈尔滨理工大学学士学位论文19以上介绍的只是砂型铸造铸件结构设计的特点，在特种铸造方法中，应根据每种不同的铸造方法及其特点进行相应的铸件结构设计。本文机械臂壳体采用铸造铝合金。具体尺寸见总装配图。哈尔滨理工大学学士学位论文203 六自由度大臂机器人主要部件的设计3.1 电动机选型1按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。2按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。3按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。3.2 电机的分类按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为电动机和伺服电动机等。按转子的结构分类电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机） 。按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动哈尔滨理工大学学士学位论文21机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM 变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。3.3 选择步进电机的计算机构工作时，需要克服摩擦阻力矩、工件负载阻力矩和启动时的惯性力矩。根据转矩的计算公式 15：惯负摩总 M（3.1）总摩 1.0（3.2） 启惯 tJmgl/（3.3）启负负负 tlM/（3.4）lRvm.21（3.5） 2lJ负负（3.6） 2123Rml（3.7） lv/（3.8）式中： 偏转所需力矩（ Nm） ；总M哈尔滨理工大学学士学位论文22摩擦阻力矩（Nm） ；M摩负载阻力矩（Nm） ；负启动时惯性阻力矩（Nm） ；惯工件负载对回转轴线的转动惯量（kgm 2） ；负J对回转轴线的转动惯量（kgm 2） ；偏转角速度（rad/s ） ；质量（kg） ；m负载质量（ kg） ；负启动时间（s） ；启t部分材料密度（kg/m 3） ；手腕偏转末端的线速度（m/s） 。v根据已知条件： kg， m/s， m，5.2负m8.0v035.1Rm， m， s，采用的材料假定为铸钢，密度025.R1.l启tkg/m3。8.7将数据代入计算得： lRv2112.05.03.4.8.73 kg6r/s7.12.0lvkgm2036.52mJ负负2123Rl哈尔滨理工大学学士学位论文2322205.3.76.13.076.1kgm2.9启负负负 tJglmM/2.0/67.3.01.5. Nm4启惯 tJl/2.0/6713.92.0176. Nm44.251.0总惯负摩总 MMNm7.总因为传动是通过减速器实现的，所以查取手册 15得：弹性联轴器传动效率 ；9.01滚动轴承传动效率 （一对） ；3减速器传动效率 ；7.4计算得传动的装置的总效率 。8501.a电机在工作中实际要求转矩 Nm 3.4/aiM总电（3.9）根据计算得出的所需力矩，结合北京和利时电机技术有限公司生产的 90 系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图 3.3 和图 3.4 所示,选择 90BYG5200B-SAKRML-0301 型号的步进电机。哈尔滨理工大学学士学位论文24图 3.1 90BYG 步进电机技术数据图 3.2 90BYG5200B-SAKRML-0301 型步进电机矩频特性曲线3.4 传动结构形式的选择考虑到轴的载荷较大，材料选用 45,热处理调质处理,取材料系数 120A哈尔滨理工大学学士学位论文25所以,有该轴的最小轴径为: 3310=5PdAn考虑到键槽的影响，所以 dmin 取值为 17MM,具体结构如下：图 3.3 轴的受力模型简化(见图 7)及受力计算图 3.4 轴的受力分析知：哈尔滨理工大学学士学位论文2676.210tan39.58tan.2402 TrtFd31.52694.82.212AVHrArVtAHFL60.3984.1.02121BVHrBrVtBFL3.5 轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为 3 年即 12480h.校核步骤及计算结果见下表:表.3.1 轴承寿命校核步骤及计算结果计算结果6014计算步骤及内容A 端 B 端由手册查出 Cr、C0r 及e、Y 值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68计算比值 Fa/Fr FaA /FrA e确定 X、Y 值 XA=1 YA =0 查载荷系数 fP 1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa) PA=5796.24 PB=6759.14n
展开阅读全文