资源目录
压缩包内文档预览：
编号：10652915
类型：共享资源
大小：2.75MB
格式：RAR
上传时间：2018-09-06
上传人：闰***
认证信息
个人认证
冯**（实名认证）
河南
IP属地：河南
80
积分
- 关 键 词：
-
一种
自由度
串联
串连
机器人
设计
- 资源描述：
-
- 内容简介：
-
理工科类本科生毕业设计（论文）开题报告论文(设计)题目 一种五自由度串联机器人的设计作者所在系别 机电工程学院作者所在专业 机械设计制造及其自动化说 明1根据学校毕业设计(论文)工作暂行规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告。开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2开题报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业教研室论证审查后生效。开题报告不合格者需重做。3毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4开题报告中除最后一页外均由学生填写，填写各栏目时可根据内容另加附页。5阅读的主要参考文献应在 10 篇以上（土建类专业文献篇数可酌减），其中外文资料应占一定比例。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。6参考文献的书写应遵循毕业设计（论文）撰写规范要求。7开题报告应与文献综述、一篇外文译文和外文原文复印件同时提交，文献综述的撰写格式按毕业设计（论文）撰写规范的要求，字数在 2000 字左右。0毕业设计(论文)开题报告学生姓名 专 业 班 级指导教师姓名 职 称 工作单位课题来源 自拟 课题性质课题名称 一种五自由度串联机器人的设计本设计的科学依据（科学意义和应用前景，国内外研究概况，目前技术现状、水平和发展趋势等）科学依据：在工业生产流水线上经常有大量的重复工作，如果人工从事这种重复性的劳动。枯燥、无味且劳动强度大，容易引起操作工人的疲劳。所以很有必要设计智能机械手来代替人工搬运，利用计算机对机械手进行控制，很容易实现。采用机械手按规定的动作和规律进行工作，可以做到快速、准确、方便，减轻劳动强度，提高生产的自动化程度。国内外研究概状：我国从 20 世纪 80 年代开始涉足工业机器人领域（也称机械手）的研究和应用。概括而言，其发展历程可以人致分为如下三个阶：第一阶段(19871993)：以三种类型五个型号机器人的研究开发为战略日标，跟踪国外机器人高技术的发展，确定了自动化领域2000 年最终战略目标。第二阶段(19931997)：主题开始将机器人技术渗透、辐射到国民经济各行业，直接为国民经济建设服务作为这一阶段的主要战略目标。第三阶段(19972000)：在继续实施第二阶段战略目标的同时，提出中国机器人事业可持续发展的新的战略目标，采取多种措施，大力加强基地与队伍建设，特别是机器人的产业化发展。自 1960 年美国推出世界上第一台工业机器人以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。据国际机器人联合会(IFR)统计，世界机器人市场前景看好，从 20 世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入 90 年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在 10左右，2000 年增长率上升到 15。发展趋势：工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的发展趋势是：(1)扩大机械手在热加工行业上的应用。(2)提高工业机械手的工作性能。(3)发展组合式机械手。1设计内容和预期成果（具体设计内容和重点解决的技术问题、预期成果和提供的形式）1.对于机器人的尺寸进行计算，给出得到尺寸计算的依据。2.对于机器人在工作状态下的一些关键部分进行校核。3.对于所涉及的机器人建立三维模型。4.设计出五自由度串联机械手的结构并绘制零件图和装配图。5.利用软件对机械手的关键部分进行分析。拟采取设计方法和技术支持（设计方案、技术要求、实验方法和步骤、可能遇到的问题和解决办法等）1.需要电脑一台,收集相关资料，并用来完成最后的图纸绘制。2.去图书馆借阅相关书籍，结合已学相关知识，进行学习。3.可以充分利用学校的数字图书资源，查阅中、英文文献。4.学习并借鉴老师发给的资料。5.遇到不会不懂的问题，多向老师请教，充分利用网络资源。实现本项目预期目标和已具备的条件（包括过去学习、研究工作基础，现有主要仪器设备、设计环境及协作条件等）1.运用机械原理，机械设计的知识，可以构思并设计机械手的运动原理，并且设计。2.运用学过的工程制图，可以绘出机械手的各部分零件草图。3.运用学习过的三维软件，可将机械手的三维模型设计出来。2各环节拟定阶段性工作进度(以周为单位)第 1-3 周：搜集资料，学习一些相关知识。撰写开题报告，文献综述，英文翻译。第 4-5 周：调查机械手现状，分析结构及相应功能。 第 6-7 周：选择组成机械手的主要关节。第 8-9 周：对组成机械手各种结构和尺寸参数进行分析计算。第 10-13 周：对机械手进行绘制图纸。第 14-16 周：总结，论文编写，准备答辩3开 题 报 告 审 定 纪 要时 间 地点 主持人姓 名 职 务（职 称） 姓 名 职 务（职 称）参会教师论证情况摘要记录人：指导教师意见指导教师签名： 年 月 日教研室意见4教研室主任签名： 年 月 日毕业设计论文论 文 题 目 ： 一种五自由度串联机器人的设计作者所在系部： 机电工程学院 作者所在专业： 机械设计制造及其自动化 工业学院教务处制I摘 要本文设计了一个五自由度串联机器人，首先通过计算得到执行端所需要的驱动力矩，再以此为依据选出该关节所需的减速器和伺服电动机，设计出外壳和关节的连接结构，绘制 3D 图，通过软件的测量求出设计好的部分重心，求出下一个关机所需的驱动力矩，选出所需的减速器和伺服电动机，以此类推最终完成总体设计，并且绘制了串联五自由度机器人的工程图。关键词：五自由度 串联机器人 总体设计 伺服电动机 IIIIAbstractThis paper designed a five DOF serial manipulator. First of all, through the calculated execution end driving torque, and this is the basis to select reducer and servo motor which the joint required, then design the shell and joint connection structure by 3D software . through the measurement , design part of the center of gravity for a shutdown required driving torque, select the desired speed reducer and servo motor, and so on. And final complete the overall design,and made a five DOF serial manipulator engineering drawing.Key words: 5-dof serial manipulator overall design Servo motor III目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 11.1 概述 11.1.1 机器人定义 .11.1.2 机械手的应用简况 .11.1.3 发展趋势 .11.2 研究内容 2第 2 章 搬运机械手结构设计 .32.1 机械手的组成 .32.1.1 执行机构 .32.1.2 驱动机构 .32.2 机械手的分类 .32.3 机械结构设计与分析 .42.4 传动、驱动方式的分析与选择 .4第 3 章 机器人手部的设计 63.1 手部设计要求 63.2 驱动力的计算 .63.3 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 .83.4 手抓夹持范围计算 .8第 4 章 总体设计 104.1 总体设计参数 .104.2 设计原理 104.3 传动设计 104.4 关节处设计 114.5 手臂设计 124.6 整体设计 13第 5 章 静力矩估算与电机、减速器的选择 .145.1 电机、减速器的选择 145.1.1 手腕转动 145.1.2 手臂俯仰 .165.1.3 小臂俯仰 .175.1.4 大臂俯仰 .195.1.5 大臂转动 .215.2 手臂的校核计算 225.3 轴的校核 23致 谢 27参考文献 .281第 1 章 绪论1.1 概述1.1.1 机器人定义机器人、工业机器人、机械手，这些名词术语代表着不同的事物类别，但在概念上没有明确的区分，说明它们又有相似之处。参阅相关资料，世界各国对于这些名词术语至今还没有做出统一的明确定义，只有国际标准化组织以及各国工业协会提出的相关定义。美国机器人工业协会提出的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手” 。尽管这一定义较实用，但并不全面。国际标准化组织的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机” 1-3。关于我国机器人的定义，蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”工业机器人与机械手的主要区别是前者具有独立的控制系统，可通过编程方法实现动作程序的变化；而后者则只能完成简单的搬运、抓取及上、下料工作，一般作为自动机或自动线上的附属装置，其程序固定不变 4-5。由此可见，不论如何进行定义，它们都有一个共性，即：都是一种集机构学、控制学、计算机学、信息学和传感技术学等多学科于一体的自动化装置。1.1.2 机器人的应用简况在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法 10-12。1.1.3 发展趋势目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要 8-9。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。2现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态 6-7。1.2 研究内容在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。本文的主要研究内容为：第一章从课题研究背景、机器人的国内外现状、机器人的主要发展趋势等方面给大家做一个简要的介绍；第二章为搬运机械手的结构设计，给出机械手的总体设计参数，传动方式，总体结构的设计；第三章机械手的详细设计重点介绍了机械手的手爪部分的设计,对此机械手的部分零件进行了展示与分析；第四章机械手的详细设计重点介绍了机械手的总体设计，传动设计；第五章机械手的详细设计重点介绍了机械手的电机选择，轴的校核；3第 2 章 搬运机械手结构设计2.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。2.1.1 执行机构手臂的内孔中装有传动轴，可以吧动作传递给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节 3 种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中二指的应用最为广泛。可根据夹持对象的大小和形状配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘或磁性吸盘 13-15。4手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的 3 个自由度都要精确的定位。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。2.1.2 驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。液压驱动机械手通常由液动机（各种油缸、油马达） 、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统。气压驱动式，其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成。其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。电气驱动是目前机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型持重以达 400kg） ，信号检测、传动、处理方便，并且可以采用多种灵活的控制方案。机械驱动式 只适用于动作固定的场合，一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确定可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。其它还有采用混合驱动的，即液气或电液混合驱动。2.2 机械手的分类一、按用途分类为：（1）专用机械手专用机械手是专门为一定设备服务的。简单实用，目前在生产中运用的比较广泛。它一般只能完成一两种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编写控制程序来获得更多的工作程序，以适应多种作业的需要。（2）通用机械手通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的，它能对不同的物件完成多种动作，5具有相当的通用性 16-18。2.3 机械结构设计与分析机械结构设计包括末端执行器，手臂、腕部、机座和行走机构的设计。本机械手的机械结构设计主要涉及如下四部分内容：1、末端执行器，俗称手爪，是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。2、腕部，又称手腕，是连接手臂和末端执行器的部件。其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标的基础上，再由腕部来实现末端执行器在作业空间的姿态坐标。3、臂部，又称手臂，由动力关节和连接杆件等构成，用来支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。4、机座是机器人的基础部分，起支承作用，可分为固定式和移动式两种。其直接支承和驱动手臂部件，实现臂部回转。2.4 传动、驱动方式的分析与选择传动方式的选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式。驱动源常用的方式主要有：液压驱动、气压驱动、直流电机驱动和步进电机驱动四种基本类型。交流电机驱动是新近发展起来的一种驱动方法 19-21。经分析比较并考虑系统的整体平衡性，本机械手拟采用远距离连接传动、间接驱动。驱动源采用步进电机和液压缸，传动装置采用齿轮传动。各关节所采用的传动方式分别为：(1)机座回转的腰关节：由步进电机进行传动，将垂直回转转换为水平回转。(2)大臂俯仰的肩关节：由关节装置直接驱动。(3)小臂俯仰的肘关节：同大臂俯仰传动方式。(4)手腕摆动的腕关节：由电机驱动，与齿轮相连接，将电机的旋转运动转换成手腕的旋转运动。另外，手爪回转由直流电机直接连接液压缸驱动，手爪开合由液压驱动气缸实现。经综合分析，构型和自由度分配图如图 2-1 所示。6图 2-1 构型和自由度分配图7第 3 章 机器人手部的设计3.1 手部设计要求(1)应具有足够的握力在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。8(2)手指间应有一定的开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。(3)应保证工件的准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(4)应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。3.2 驱动力的计算如图 3-1 所示为滑槽式手部结构。拉杆 3 端部固定安装着圆柱销 2，当拉杆 3 向上拉时，圆柱销就在两个手指 1 的滑槽中移动，带动手指 1 绕 O1 与 O2 两支点回转，夹紧工件。拉杆 3 向下推时，使手指 1 松开工件。图 3-1 滑槽杠杆式手部受力分析1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座9在拉杆 3 作用下销轴 2 向上的拉力为 P，并通过销轴中心 O 点，两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 P1、P 2，其力的方向垂直于滑槽中心线 OO1 和 OO2 并指向 O 点，P 1和P2 的延长线交 O1O2 于 A 及 B，由于O 1OB 和O 2OA 均为直角三角形，故AOC =BOC= 。根据销轴的力平衡条件，即 (3-1)0,021yxFPF；(3-2)cos(3-3)/1销轴对手指的作用力为 P1。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力） ，假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以 N表示。由手指的力矩平衡条件，即m 01(F)=0 得(3-4)bNh1因为(3-5) cos/a所以 (3-6)NP/)(csb22式中 a 手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米） 。工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力 P 一定时， 角增大则握力 N 也随之增加，但 角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取 =300-400。这里取角 =30 度。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础可知，V 形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式 N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力 P 实际应按以下公式计算，即：(3-7)/21Kc10式中 手部的机械效率，一般取 0.85-0.95；K1安全系数，一般取 1.2-2；K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响， K2 可近似按下式估计，其中 a 为被抓取工件运动时的最大加速度，g 为重力加速度。K/a2本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为 500 毫米/秒，移动加速度为 1000 毫米/秒 ，工件重量 G 为 98 牛顿，V 型钳口的夹角为 120，=30时，拉紧油2缸的驱动力 P 和 Pc 计算如下：根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式(3-8)GN5.0把已知条件代入得当量夹紧力为 )(3由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式(3-9)aNbP/)(cos22得 )(750303/5c ）（ (3-10) /21Kcw取 , , 85.0.1 1.980/2则 NPw45.0/.493.3 两支点回转式钳爪的定位误差的分析如图 3-2 所示，钳口与钳爪的连接点 E 为铰链联结，如图示几何关系，若设钳爪对称中心 O 到工件中心 O的距离为 ，则x(3-11)22)sin/(abRl当工件直径变化时，x 的变化量即为定位误差 ，设工件半径 R 由 Rmax 变化到 Rmin11时，其最大定位误差为(3-12) 2max2 )sin/(abRl2min)s/(abRl其中 l=68.5mm ，b=5mm ，a=30mm ，2 =120 ，R min=15mm ，R max=30mm代入公式计算得最大定位误差= 68.34-68.07=0.270.8故符合要求。图 3-2 带浮动钳口的钳爪3.4 手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为 60，活塞杆运动长度为 34mm，手指长为 100mm。当手抓没有张开的时候，如图 3-3(a)所示，根据机构设计，它的最小夹持半径 R1=25mm，当张开60 如图 3-3(b)所示，最大夹持半径 R2 计算如下： mR130cos2530tan12 所以机械手的夹持半径从 。.1235m12(a) (b)图 3-3 钳口持半径13第 4 章 总体设计4.1 总体设计参数根据此次设计的机器人具体应用场合和实际应用要求，主要的设计参数要求如下：(1)抓取的重物：5kg；(2)机械手的自由度数：5 个；(3)运动参数：底座旋转： 角速度：3.14rad/s；支撑杆俯仰：线速度：0.3m/s；上杆旋转： 角速度：3.14rad/s；(4)运动行程：底座旋转： 360 ；支撑杆俯仰：60120；上杆旋转： 3600上杆俯仰： 0 -904.2 设计原理本设计结构上总体采用了关节型设计，关节型的好处是传动原理简单、结构紧凑、所占空间体积小、相对的工作空间大、还能绕过基座周围的一些障碍物等特点。机器人14的腰部和手腕都采用了关节型，这对与某些需要精细操作、精确定位同时操作又要简单快捷的工作是相当有好处的。4.3 传动设计因为底座需要驱动整个机械手，转动惯量和质量都很大，伺服电机的额定转矩一般比较小，达不到要求，所以采用大功率直流电机驱动，经减速箱减速，再驱动机器人腰部以上结构，结构图如图 4-1 和图 4-2 所示。图 4-1 底座内部结构图 图 4-2 底座传动内部结构图直流电机安装在底座的箱体边，箱体中是减速器结构，用于减速和提供更大的扭矩。电机与箱体固定，电机输出的扭矩传导到减速器上，形成反作用力，并且由于底座固定在地面上，从而推动箱体及其以上部分转动。4.4 关节处设计腕部，又称手腕，是连接手臂和末端执行器的部件。其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标的基础上，再由腕部来实现末端执行器在作业空间的姿态坐标。腰部结构用来连接底座与大臂。腕部结构如图 4-3 所示，腰部结构如图4-4 所示。15图 4-3 腕部结构 图 4-4 腰部结构 4.5 手臂设计臂部的设计要求：结构和尺寸应满足作业任务的工作空间要求；根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料；尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和力矩，以减少驱动装置的负荷：减少运转的动载荷与冲击，提高运动的响应速度；设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动精度和刚度，提高定位精度。大臂结构如图 4-5 所示，小臂结构如图 4-6 所示。16图 4-5 大臂结构 图 4-6 小臂结构4.6 整体设计该机械手的设计如下：腰转电机 M1 通过谐波减速器直接驱动腰部转动，为了减小惯量，大臂电动机 M2 和大臂 M3 电机分别布置在大臂关节两侧，并分别通过谐波减速器直接驱动各臂摆动。小臂，手腕，通过回转电动机 M4、M5 连接谐波减速器实现回转运动，手 腕的摆动通 过电动机连 接双输出轴 齿轮实现。 结构图如图4-7 所示。17图 4-7 整体结构18第 5 章 静力矩估算与电机、减速器的选择在电机、减速器的选型中，首先要确定负载的工况。在此基础上对负载进行计算，从而确定配套的电机减速器型号，进而可以根据安装需要确定电机、减速器的安装结构。5.1 电机、减速器的选择5.1.1 手腕转动手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算：M 驱 =M 惯 +M 偏 +M 摩 (5-1)式中： M 驱 驱动手腕转动的驱动力矩（Nm）；M 惯 惯性力矩（Nm）；M 偏 参与转动的零部件的重量对转动轴线所产生的偏重力矩（ Nm）；若手腕启动过程按等加速度运动，则所产生的惯性力矩： M 惯 =（J 5+J51） （Nm） t(5-2)式中 ：J 6工件对手腕转动轴线的转动惯量。J61参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量；手腕转动时的角速度；t启动过程中所用的时间。盘状回转惯量计算： J= mr2(kgm2) (5-3)12(1)19圆柱回转惯量计算： J= (kgm2) (5-4)mL212杆绕端点回转惯量计算： J= mL2 (kgm2) (5-5)13参与手腕转动的部件的质量 m1=10kg,长 100mm,质量密度等效均匀地分布在一个半径为 50mm 的圆盘上，那么转动惯量： J51= m1r2= =0.0125 kgm212 100.0522工件是质量 m 为 5kg 的普通碳钢棒料，质量分布情况为长 200mm，直径 66mm，那么转动惯量(仅考虑没有偏心距的情况 M 摩 、M 偏 忽略不计）：J5= = =0.0167 kgm2mL212 50.2212所以： M 驱 = M 惯 =（J 5+J51） =（0.0125+0.0167 ） =0.918Nmt 3.1420.1减速比 67.3021ni f(n入 )选用型号 CS-8-50-U-G-A1-I 的谐波减速器,其参数如表 5-1 所示。表 5-1 谐波减速器参数表规格 单位 CS-8-50-U-G-A1-I减速比 1 50额定输出力矩 Nm 1.4起停允许最大转矩 Nm 2.6瞬时允许输入最大转矩 Nm 5.3最大输入转速 rmp 7000额定输入转速 rmp 2000润滑 全合成润滑油脂20防滑等级 IP65安装方向 任意方向噪音值 db 63质量 Kg 0.56减速器的输入转矩： T i=To/i=1.4/(90%50 )=0.0311NmwPnw5.690式中： P W减速器的输入功率 wT工作机转矩(Nm)n转速（r/min）电机输出功率为： wpPwd7.69.05电机选用 MSMD 松下伺服电机，型号为 MSMD5AZG1，相关参数如表 5-2 所示。表 5-2 伺服电机参数表规格 单位 MSMD5AZG1电源电压 V 100额定转速 rmp 2000额定转矩 Nm 0.16额定电流 A 1.1额定功率 kW 0.05允许最高转速 rmp 5000质量 Kg 0.325.1.2 手臂俯仰本科生毕业设计 (论文)外 文 翻 译原 文 标 题 Planar Serial Manipulator Motion SynthesissssssssssSynthesis 译 文 标 题 平面串联机械手的运动合成作者所在系别 机电工程学院作者所在专业 机械设计制造及其自动化作者所在班级 B13113作 者 姓 名 张琳作 者 学 号 20134011303指导教师姓名 韩书葵指导教师职称 副教授完 成 时 间 2017 年 3 月北华航天工业学院教务处制第 0 页译文标题 平面串联机械手的运动合成原文标题 Planar Serial Manipulator Motion Synthesis作 者 Yanhui Wei 译 名 魏艳辉 国 籍 China原文出处 Journal of Harbin Institute of Technology ( New Series) ，Vol22，No2，2015译文：摘要：本文论述了平面串联机器人手的运动合成问题，快速工作空间的解决方案和障碍物回避路径规划方法，它提出了一种一般形式的运动学反解，不依赖于机器人本身的自由度，通过确定目标向量方向的最大和最小工作空间边界和确定的工作空间极坐标形式的表达方法，最后，根据平面轨迹规划的障碍躲避问题，解决了安全避障的凹凸形式的运动学反解的方法，仿真结果验证了所提方法的可行性和通用性。 关键词：平面串联机器人 运动学反解 工作空间 轨迹规划 矢量投影1 引言串联机械手的平面问题，这一特征点的机器人是可以在两维平面运动的最后一个系列。运动控制是很容易实现的，其中 A 型机械手每个接头大范围的运动。相当经典的串联机械手由安切洛蒂来配置。例如，PUMA 机器人增加了第一个旋转接头和第三个关节的基础上的平面结构，满足要求的三维空间机器人的位置，通过正交布局，达到要求空间工作点的位置。先进的平面串联机械手已经应用在一些特殊情况下，如水型机器人臂。对于空间机器人的运动学分析，将机器人的配置分为多个平面的配置形式。可重构机器人通过一个模块可以自由组合的复杂机器人的配置和地址的运动学分析，动力学分析和轨迹规划问题。为了解决自动重构机器人运动学逆解、魏等人。1 提出配置平面的概念。在这个概念中，一个三维的机器人配置被分解成一个二维平面结构，以简化运动学反解问题，实现自动和快速的解决方案的目标。一般情况下，分析的解决方法是很难获得多参数、非线性、强耦合的解决方案，并参与到 6R 机器人运动学反解的代数方程中 2 。人们用半解析方法和解决空间 NR机器人运动学反解问题的一般方法。已经进行了一个运动分析与任何形式的平面结构，从而成为一个可重构机器人系列，是机器人运动分析的关键问题之一。本文以矢量投影法为研究重点，对平面串联机器人的运动学反解和工作空间的轨迹规划进行了研究。本研究的目的是获得一个简单的和快速的方法和一般的运动学反解求解的可重构机器人轨迹规划，并提供一个参考的空间形式的串联机械手。第 1 页2 自动运动学解2.1 平面串联机器人平面串联机器人主要由旋转接头、平移关节和连杆。考虑到连杆不是一个单一的连接形式，当机器人运动模型建立与基本运动单元的旋转关节，运动的变换矩阵是 是转动关节运动；H 是相邻的旋转接头中心连接杆的长度，其值的变化时，它包括移动节点一般的平面机械手是串联的形式显示在图 1 结束点的姿态矩阵是：当图 1 总平面形状的串联机械手运动模型2.2 平面串联机械臂的自动求解方法这种方法不包含相当大的平移关节在一个共同的平面串联机械手的构象，但符合空间位置要求或空间冗余任务，机器人关节的过度运动会降低整体控制过程中的性能和刚度特性。如图 1 所示，平面串联机械手的运动学反解可以分为两个部分，即姿势和位置的要求。具有冗余形式平面串联机器人（三自由度以上） ，他们的姿势的要求第 2 页是第 N1 接头部分必须保证 N 接头运动范围的条件下。结束姿势要求可以通过最后一个旋转接头来实现的，其位置的要求可以通过组合第一 N1 接头实现。对于平面串联机器人的自由度小于或等于 3，它的三个关节都需要满足的姿势岗位要求，它可以解析求解应用式（2） 。我们利用向量投影法求解平面机器人的各种表单自动满足以下约束：在P是结束向量的范数；AI 是矢量P 用联合杠杆臂的投影之间的比例和关节臂。考虑向量投影的方向，AI 表示如下： 是关节臂和目标点矢量之间的夹角图 2，P 点目标点。如果联合 N 固定长度的 HN，联合体育中心的空间位置是可以计算出来的。因此，整个计算是一个组合的前 n1 接头后，接头的 N1 配合中心联合 N 图中的结束，没有一个固定的长度，移动节点的存在，利用最短的长度。联合我的关节 n + 1 的杠杆臂之间是一个最大长度的状态，确保吉+ 1 约长度最大，中心节点图 n 计算，这是初步 jn。图 2 运动学求解过程自动计算被阐明如下：（1）在关节运动的情况下，最大限度的投影量。找到点（ji + 1）与+ 1 与 jn，如图所示，ji + 1 与，ji + 1 jn 相比；如果 ji + 1 jnji + 1，自动计算；如果 ji + 1 jnji + 1，进行下一步。（2）在关节运动的情况下，逆投影量的范围。找到最大点（Ji + 1）与+ 1 与 jn，如图所示。J+ 1 与 J+ 1 jn 相比；如果 J+ 1 jnJ，+ 1，自动计算，关节运动在允许范围的情况下，J+ 1 jn 符合要求；否则，进行下一步。第 3 页（3）+ 1 关节调整到 N1 关节运动使 J+ 1 的长度是最短的。J+ 1 与J+ 1 jn 相比；如果 j+ 1 jnJ+ 1，J+ 1 的长度是根据位置的要求；如果 J+ 1 jnJ+ 1，逆投影量最大值点 J+ 1jn， + 1 节自动计算。从第一关节开始，一个固定的周期可以满足要求，在机器人运动学逆解。3 自动解算的工作区机器人的工作空间，可以显示机器人的工作范围，是评价机器人的重要指标，然而，平面机器人的工作空间与机器人的工作空间是不同的。组成关节的运动范围也不同。因此，我们获得的工作是复杂的，会形成一个复杂的区域，这是由三，如图 3 所示。这一特征使工作空间的解决方案很难获得。图 3 工作区采用多域为解决机器人工作空间主要包括分析、图形的方法和数值方法 4 。在分析方法中，工作空间的边界是由多个信封决定。然而，这种方法是复杂的，普遍应用于机器人的关节。图解法求解边界工作空间，我们可以得到各种相交的线或相交的表面。这种方法是有效的但也是由自由度的数目有限，当节点的数量是很大的，我们应该通过组 6 处理。数值计算方法是基于极值理论和优化方法来计算机器人工作空间的边界曲面的特征点，这是用来构成边界曲线和形状的边界表面。代表结果的搜索方法，迭代法和蒙特卡罗 79 。为了计算串联机器人定姿态工作空间，提出了一种基于二进制逼近原理的快速搜索方法基于上述方法，每一种方法的目的是利用该区域的自动求解工作区的边界的确定，如图 3 所示，以方便快速评价工作区的平面串联机械手和快速匹配的配置平面的可重构机器人，我们通常会给平面矢量来解决这个位置，机器人可以实现对矢量。在本文中，我们使用了一种方法的基础上的工作空间矢量的空间矢量的情况下，在这个向量的工作空间边界迅速确定。4 轨迹规划方法轨迹规划的目标是规划理想的任务和关节空间的运动轨迹，使机器人运动速第 4 页度快，精度高，运动点效率高，轨迹跟踪精度高，满足路径、障碍和运动学约束。避障是轨迹规划的一个关键问题。通常采用的方法是规划机器人空间轨迹的终点会议空间避障要求，使用机器人的运动学反解求解各空间点的每个关节的价值。调整速度和平移关节加速度使机器人能达到更好的运动效果。实现避障任务更好，许多研究已经简化了壁垒概述由包络圆。参考文献 12 ，阻挡接近一点，以最小的点与杠杆臂之间的距离作为避障的基础，该方法扩展了障碍物的空间，减少了实际工作环境中的实际机器人的工作空间机器人的可操作性。使用新的双向快速探索随机树算法对复杂空间躲避障碍物的轨迹规划。这些算法不需要运动学反解计算方法，但我们可以通过扩展树方法实现空间避障任务。perumaal 等人提出一种自动轨迹规划确定平滑，为中存在的障碍，一个五自由度机械手抓放操作的最小时间和无碰撞轨迹。该计划是能够处理的轨迹与不通过点和痕迹的光滑，无碰撞，近段时间最优轨迹，不仅为机器人的端部执行器，但也为它的链接确保无碰撞轨迹。capisani 等人。提出一个简单而有效的路径规划策略，目标是代表机器人的配置空间的障碍，表示允许获得一个有效的和准确的轨迹规划和跟踪，以及一个专用的碰撞检测规则的机器人与障碍物之间。第 2 节描述机器人运动学求解方法。当空间障碍存在，其空间轨迹规划。干扰与障碍的发生，如图 4 所示。图 4 平面障碍配置运动反解回避问题我们继续使用 2 节的仿真实例，其中机器人从初始点移动到目标点，图 8 中的区域 1 由实际障碍形成的，考虑机器人的尺寸和安全距离，我们展开 1 区的距离，形成安全的避障区 2，根据运动学反解在轨迹规划过程中，机器人的结构形第 5 页式表现出明显的干扰，从而平衡运动学反解的自动解和避障问题。5 结论1）利用矢量投影法和关节约束，求解平面串联机械臂的运动学问题。仿真结果表明，该方法避免了传统的分析方法，它依赖于机器人的配置和自由度的形式，以及解决速度和精度的问题时，使用数值方法，这种方法也实用和通用。2）在矢量方向上提出一个工作范围，作为平面机器人的工作空间表达式。此方法使用一个搜索的方法来解决工作区范围迅速的方向上的设置矢量角。这种方法也自动和快速。此外，该方法是将三维空间机器人分解为二维平面机器人的基础。3）通过对平面串联机械手的运动学反解求解方法的改进，实现了轨迹规划平面机器人工作空间的障碍。仿真结果表明，该方法是通用的和实际的障碍与凸形式。第 6 页原文：Planar Serial Manipulator Motion SynthesisYanhui Wei* ，Han Han，Zepeng Wang，Xin Liu and Guangchun Li( College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)Abstract: This paper deals with the universal serial manipulator on the inverse kinematics problem of planetype，the fast working space solution method，and the obstacle avoidance path planning methodWith the vectorprojection as the main constraint condition of the target，it proposes a general form of the inverse kinematics solution which does not depend on the robot configuration of freedom degreeBy identifying the target vectordirection maximum and minimum workspace boundary and determining the destination vector by thick search on the workspace boundary method，an expressing method of the polar coordinate form of work space is then introduced Finally，according to the form of plane trajectory planning for obstacle avoidance problem，the method of solving the inverse kinematics solution of the concave and convex forms of the safe obstacle avoidance area is improvedThe simulation results verify that the proposed method has feasibility and generalityKeywords: planar serial manipulators; inverse kinematics; workspace; trajectory planning; vector projection1 IntroductionPlanar serial manipulators refer to the feature in which a robot can point in a two-dimensional plane movement at the end of a series Planar serial robot motion control is easy to implement，in which a robot forms a single，large range of movement of each joint Considerable classic serial robot configuration has evolved For example，PUMA robot increases the first rotary joints to the second and third joints based on planar configuration and satisfies the requirement of a three-dimensional space robot position by orthogonal layout to request the position of space operating point Planar serial manipulators have been advanced in some special circumstances，such as under water-type robot armFor the space robot kinematics analysis，the robot configuration can be divided into multiple planar configuration forms econfigurable robot through a module can free the combination of complex robot configuration and address the kinematics analysis， dynamics analysis，and trajectory planning problemsTo solve the inverse kinematics solution of an automatically reconfigurable robot， Wei et al1 proposed the concept of configuration plane In this concept， a three-dimensional robot configuration isdecomposed into a two-dimensional plane configuration to simplify the inverse 第 7 页kinematics problem and achieve the goal of an automatic and fast solution Generally，the analytic solutions are difficult to obtain due to the multi-parameters， nonlinearity and coupling of the solutions，and the algebra equations involved in the inverse kinematics of 6 serial manipulators2 Wei et al3 used a semi-analytic method and a generalmethod to solve the spatial n robot inverse kinematics problem A motion analysis has been conducted with any form of planar configuration，which becomes a reconfigurable robot series and is one of the key problems of the robot motion analysisIn this paper，the inverse kinematics of planar serial manipulators and the workspace and trajectory planning are studied，with the vector projection method as the focus This study aims to obtain a simple and fast method and a general inverse kinematics solution for the reconfigurable robot trajectory planning and to provide a reference for space in the form of serial manipulators2 Automatic Kinematics Solution2. 1 General Form of Planar Serial ManipulatorsPlanar serial manipulators are mainly composed of rotational joints，translational joint，and a connecting rodConsidering that the connecting rod is not in the form of a single connection，when a robot motion model is established，with the rotational joint of the basic movement unit，the motion transformation matrix iswhere is the rotational joint exercise; h is the length of the connecting rod of two adjacent rotational joint centers，whose value varies when it includes mobilejointsThe general form of planar serial manipulators is shown in Fig1 The end point of the pose matrix is: Where第 8 页Fig 1 General form of the planar serial manipulator motion model22 Automatic Solving Method of Planar Serial ManipulatorThis method does not contain considerable ranslational joint in a common conformation of planar serial manipulator but meets the space position requirements or space redundant tasks The excessive movement of the robot joints will reduce the performance and stiffness characteristics in the overall controlling processAs shown in Fig 1，the inverse kinematics of planar serial manipulator can be divided into two parts， i e ，the posture and position requirements For the planar serial robot with a redundant form ( more than three degrees of freedom) ，their posture requirements are under the conditions that the first n 1 joint part must guarantee the range of n jointsmotion The end posture requirements can be achieved through the last one rotating joints，and its location requirements can be implemented by combining the first n 1 joints For the planar serial robot whose degree of freedom is less than or equal to 3，its three joints all need to meet the posture and position requirements and it can be analytically solved using Eq ( 2) We use the vector projection method to solve the various forms of planar serial robot automatically，which satisfies the following constraints:where p is the norm of the end vector; ai is the ratio between the projection of ith joint lever arm on the vector p and the joint lever arm Considering thedirection of vector projection， ai is expressed as follows:第 9 页where i is the angle between ith joint lever arm and the target point vectorIn Fig2，P point is the target point If the length hn of the joint n is fixed，the spatial location of the joints sports center can be calculated Therefore，the entire calculation is after a combination of the former N 1 joint，and the ends of the joint n 1 coincide with the center joint n in the figure Without a fixed length，mobile joints exist，which utilize the shortest length The joint I to the joint n + 1 between the lever arm is in a state of maximum length，ensuring that the length of ji+1 jn is maximum The center of the joints with the picture n is calculated，which is the tentative for jn Fig2 Kinematics solving processThe automatic calculation is elucidated as follows:1) In the case of joint movement i range，the projection quantity maximumPoint ( ji+1) of ji ji+1 is found in ji jn，as shown in Fig2 The length of ji+1 jn is compared with that of ji+1 jn; if ji+1 jn ji+1 jn，i + 1 joint automatic calculation is conducted; if ji+1 jn ji+1 jn，the next step is performed;2) In the case of joint movement i range，the inverse projection quantityMaximum point ( ji+1) of ji ji+1 is found in ji jn，as shown in Fig2 The length of ji+1 jn is compared with that of ji+1 jn ; if ji+1 jn ji+1 jn，the automaticcalculation is conducted at the end of I joint In the case of joint movement I range， ji+1 jn is found to meet the requirements; otherwise， the next step is performed; 3) I + 1 joint is adjusted to n 1 joint exercise to make the length of ji+1 jn be the shortest The length of ji+1 jn is compared with that of ji+1 jn ; if ji+1 jn ji+1 jn，the length of ji+1 jn is adjusted to meet the position requirements; if ji+1 jn ji+1 jn， the inverse projection quantity maximum point of ji ji+1 is found inji jn and I + 1 joint automatic calculation is conductedStarting from the first joint，a constant cycle can meet the requirements at the end of the robot kinematics inverse solutions第 10 页3 Automatic Solution of the WorkspaceThe workspace of the robot，which can show the operating range that the robot can achieve， is an important indicator for evaluating robots However，the workspace of planar robot differs because the number of composition joint and the range of motion also differ Thus， the workspace we obtain is complex and will form a complex region， which is made of multidomains，as shown in Fig3 This feature makes the solution of the workspace difficult to obtainFig3 Workspace made of multi-domainsThe method for solving the robot workspace mainly includes analytical， graphical， and numerical methods4 In the analytical method，the boundary of workspace is determined by multiple envelopesHowever，this method is complicated and is generally applied to the robots with less than three joints5 The graphical method is used to solve the boundary of workspace We can obtain various intersecting lines or intersecting surfaces This method is effective but is also limited by the number of degrees of freedomWhen the number of joints is large，we should handle it by group 6 The numerical method is based on extreme value theory and optimization methods to calculate the feature points on the boundary surfaces of robotsworkspace，which are used to constitute the boundary curves and form the boundary surface The representative results are the search method，iterative method ，and Monte Carlo 79 In order to compute the constant-orientation workspace of serial robots，a fast search method based on the binary approximating principle is proposed10 Based on the above methods，each method aims to utilize the area formed by the workspace The problem of automatically solving the workspace is the determination of the boundary of the workspace As shown in Fig 3， to facilitate the rapid evaluationworkspace of planar serial manipulator and the fast matching configuration plane of reconfigurable robots，we usually give plane vector to solve the position that the robot can achieve on the vector In this paper，we use a method based on the workspace 第 11 页expression of planar serial manipulator in the polar form，i e ，in the condition in which the space vector is known，the workspace boundaries on this vector angle is rapidly determined4 Trajectory Planning MethodThe objective of trajectory planning is to plan ideal task and joint space trajectories，make the robot motion fast，accurate and stable with high movement point efficiency and high trajectory tracking accuracy，and satisfy the path， obstacle， and kinematicsconstraintsThe obstacle avoidance is a key problem in the trajectory planning The usual approach used is planning the robot end-point space trajectory，meeting the space avoiding obstacle requirements，and using robot inverse kinematics to solve each joint value ateach space point Adjusting the speed and acceleration of the translational joint allows the robot to achieve better motion effects To achieve the obstacle avoidance task better，many studies have simplified the barriers outline by enveloping circle11 In ef 12 ，the barrier approximates a point and takes the minimum distance between the point and the lever arm as the basis of obstacle avoidance This method expands the obstacle space，reduces the actual robot working space in the actual working environment， and limits the robots workability Xie et al 13 used new bidirectional 第 12 页rapidly exploring random tree algorithms for complex spatial obstacle avoidance trajectory planning These algorithms do not require the inverse kinematics calculation method，but we can achieve the spatialobstacle avoidance task by expanding the tree method Duguleana14 proposes a new approach for solving the problem of obstacle avoidance during manipulation tasks performed by redundant manipulators In which q-learning is used together with neural networks in order to plan and execute arm movements at each time instantPerumaal et al 15
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号