六自由度开题.doc

六自由度机械臂结构设计1、本课题的项目背景及研究意义 1.1国外研究状况国外在机器人机械臂方面的研究起步较早，初期的研究主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高而导致室外机器人机械臂的研究未达到预期的效果，但却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人机械臂的途径积累了经验，同时也推动了其它国家对机器人机械臂的研究与开发2。进入90年代后期，随着技术的进步，机器人机械臂开始在更现实的基础上开拓各个应用领域，向实用化进军3。例如2002年IRobot研制的金字塔探测机器人“金字塔漫游者”，身长30厘米，宽12厘米，高度可在11至28厘米之间调节。机器人手臂有多种探测传感仪器4。美国在2003年发射的两辆火星探测车“勇气”号和“机遇”号分别于2004年1月3号和24号在火星的不同区域安全着陆，并完成了90个火星日的科研工作。拿“勇气”号探测车来说，就是一个具有手臂的移动机器人。机械手臂末端装备了各种工具，主要是用来寻找火星上是否曾经有液态水的证据5。西班牙罗斯罗卡公司研制的“罗德”轮式机器人图1.1。该机器人可用于清理雷场和处理炸药等危险物品。车上装有活动操作臂，有6个自由度，固定在机器人车的旋转塔上。机械臂不伸长时可吊重80kg，伸直时最长为1. 5m，此时可吊重16kg。操作臂顶端装有夹爪，夹紧力可达30kg，能把物体提升至2. 75m高。该车采用100m(或250m)长的电缆或无线电装置进行遥控。机械手完成整个操作过程必须借助1台黑白或彩色电视显示器，显示车上3个摄像机获得的监视驾驶、机械臂控制和夹爪操作的图像。车上装有两个卤气探照灯，可在夜间或能见度很低的地区使用6。 图1.120世纪以来，随着技术的发展，机械臂正朝着高精度，多功能，且向着集成化，系统化，智能化的方向发展7。 （1） 高速、高精度、多功能化。目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m/s。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。 （2） 集成化与系统化。当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联结在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在FMS、CIMS系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，满足多样化、个性化的需求。 1.2国内研究状况我国有组织有计划地发展机器人事业应该说是从“七五”期间的科技攻关及实施“863计划”开始的。经过十几年来的研制、生产、和应用，有了长足的进步。目前在一些方面6，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人、装配机器人、特种机器人(水下、爬壁、管道、遥控等机器人)，已掌握了机器人的设计制造技术，解决了控制、驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术；还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术。国内对机器人机械臂的研究起步虽然较晚，但经过近几十年的发展也取得了很大进步，但大多数研究尚处于某个单项研究阶段。国内的机器人机械臂研究主要经历了算法的研究和仿真、国外机器人平台的引进和自主开发三个阶段8。 国内的主要研究成果：“九五”期间由浙江大学、南京理工大学、国防科大、清华大学、北京理工大学联合研制了ALVLABII型陆地移动机器人，并成功完成了全部实验测试，正常行驶速度为30.6km/h，同时支持临场感遥控驾驶及战场侦察等功能9。清华V型智能车THMR-V是清华大学智能技术与系统国家重点实验室在中科院院士张钱教授主持下研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于1994年通过鉴定。车体采用道奇7座厢式车改装，装备有彩色摄像机和激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统;由差分GPS、磁罗盘和光电码盘组成的组合定位导航系统等。两套计算机系统分别进行视觉处理，完成信息、融合、路径规划、行为与决策控制等功能。4台IPC工控机分别完成激光测距信J息、处理、定位信息、处理、通讯管理、驾驶控制等功能。设计行驶于高速公路车速为80krn/h，一般道路为2 0km/h。目前已能够在校园的非结构化环境下，进行道路跟踪和避障碍自主行驶。清华大学智能车涉及到五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术，基于传感器信息的局部路径规划技术，路径规划的仿真技术，传感技术、信息融合技术和智能移动机器人的设计和实现10。DY- I型导游服务机器人是海尔一哈尔滨工业大学机器人技术公司推出的新一代智能导游机器人，该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息、避障及路径规划系统、语言识别及语言合成系统组成。导游机器人由蓄电池供电，可连续运行4h，在一定环境下可自主行走，并可进行避障，并通过语启一系统可以进行人机交互。此外还有香港城市大学智能设计自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中科院沈阳自动化所研发了具有自主产权的激光导引AGV和用于公安防暴的“灵晰一B”型移动机器人、中国科学院自动化所自行设计制造的全方位移动机器人导航系统等11。在国内机械臂方面：本文主要介绍南京埃斯顿机器人工程有限公司，作为埃斯顿自动化发展战略规划的新兴产业，以推动中国工业机器人民族产业发展为目标，充分发挥公司已有交流伺服产品，控制系统产品的技术和成本优势，拓展下游产业发展空间，开发自主核心控制技术和高性价比的系列化工业机器人产品及成套设备，致力于工业机器人产业规模化和国产化。下图1.2和图1.3是南京埃斯顿机器人工程有限公司设计的两款新型机械臂。图1.1机械臂型号为ER220-2605，最大负载220kg、臂展2600mm、轴数为6、重复定位精度0.2mm、重1400kg、地面或支架安装。可在日常中工作中担任点焊、搬运、码垛等。图1.2机械臂型号为ER16-1600，最大负载16kg、臂展1600mm、轴数为6、重复定位精度0.1mm主要应用于搬运、冲压和折弯。埃斯顿机器人公司已经具有全系列工业机器人产品，包括Delta和Scara工业机器人系列，其中标准工业机器人规格从6kg到300kg，应用领域分布点焊，弧焊，搬运，机床上下料等12。 图1.2 图1.3 本文以机械臂为研究对象。设计械臂的结构。机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域发挥着重要的作用。目前机械臂正向着拟人化、仿生化、小型化、多样化方向发展，其应用也越来越广泛，几乎渗透到所有领域2。2、本课题研究的理论依据、主要内容及研究方法 2.1、理论依据一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。本课题设计的题目是六自由度机械臂结构设计，选用的是旋转关节。这里使用了六个旋转关节，综合各种手臂和手腕构形，初步确定其结构形式如图2.1。 图2.1 机器人构形 2.2、主要内容设计工作中需要解决的任务，主要进行以下几项工作：（1）查找与本课题有关的外文资料，并翻译成汉语。（2）进行机器人本体结构的方案分析和设计。（3）运动学模型（4）动力学模型主要技术指标： 方案为该机械臂可用于物流生产线上物品的抓取。整个机械臂安装在一个回转支座上，回转角度范围为360度；小臂相对于大臂可摆动，摆动范围为60-120度；小臂末端的手腕也可以摆动，摆动范围为-60度到+60度；手腕的末端安装一机械手，机械手具有开闭能力，用于直径30-45mm工件的抓取，工件长度350mm，重量4kg，定位精度0.08mm。 2.3、研究方法 （1）对现有文献分析，查阅现有国内外有关机械臂的文献资料，深刻理解现有机械臂的结构，设计过程中充分借鉴现有的优良结构，在此基础上进行设计。 （2）在进行本体结构设计时根据机械原理通过对结构臂的受力分析及机器人操作臂的工作空间确定各臂的尺寸，通过对臂的强度和疲劳度的校核确定臂的材料。 （3）进行机器人运动学分析，推算运动方程的正、逆解。用矢量积法推导速度雅可比矩阵，并计算包括腕点在内的一些点的位移和速度；然后借助坐标变换矩阵进行工作空间。 （4）利用机械系统动力学分析软件ADAMS对简化后的操作臂模型进行运动学仿真，对在机械设计中使用虚拟样机技术进行尝试和探索。使用三维设计软件建立机械臂的三维装配图，并生成工程图纸。 （5）最终通过运动学、动力学分析得出最佳设计方案。3、研究条件和可能存在的问题在此之前，经过老师的指导，本人查阅了大量的关于六自由度机械臂的资料。在关于虚拟样机的仿真中将模型由UG导入到ADAMS的过程中存在着模型简化方面的问题。希望在老师在此方面能够多做出指导和同学的帮助。4、预期成果本课题最终以该机器人的结构设计图（受力分析图包括对关键部位的强度分析、三维装配图）、动力学模型和一份设计说明书以及非标准件的设计形式完成。5、进度安排进 度 安 排序号设计工作内容时间1收集并整理设计所需的相关资料，撰写开题报告第1周系统方案设计及方案论证第周 外语翻译第周分析全机械手中“臂”机构的基本原理，基本理论及方法第周机构的传动设计及基本设计计算第周机构的设计、结构图、装配图设计第周机构的设计、结构图、装配图设计第周机构传动分析研究第周三维设计软件建立机械臂的三维装配图，并生成工程图纸第周三维设计软件建立机械臂的三维装配图，并生成工程图纸第周非标零件的设计和设计改进第周工艺审查和分析整理, 拟写毕业设计说明书第1周打印图纸、刻录光盘 第1周准备答辩第1周参考文献1蒋新松. 机器人学导论M. 沈阳：辽宁科学技术出版社，1994.2赖维德对我国工业机器人的一些看法J中国机械工程，1998，9(6)3GibbsGraham,SachdevSavi,MarcotteBenoit,etal1CanadaandtheInternationalSpaceStationprogram2o2verviewandstatusC1Montreal,Canada:CanadianSpaceAgency,54thInternationalAstronauticalCon2gressoftheInternationalAstronauticalFederation(IAF),Bremen,Germany,Sep1292Oct13,20034蒋新松.未来机器人技术发展方向的探讨J机器人,1996，18(5):286-2875苏学成.樊炳辉等，一种新型的机器人移动结构J.机械工程学报，2003（4）：120123.6章小兵，宋爱国.地面移动机器人研究现状及发展趋势J. 机器人技术与应用.2005（2）：19-23.7孙树栋. 工业机器人技术基础M. 西安：西北工业大学出版社，2006.8徐方.工业机器人产业现状与发展J.机器人技术与应用，2007，9：2-49吴振彪.工业机器人M.武汉：华中科技大学出版社，2002.2:71-72.10张杨林国内工业机器人市场及发展趋势J大众科技，2006，6:191-192. 11蔡自兴机器人学M北京：清华大学出版社，2000：1.3.12企业简介.南京埃斯顿机器人工程有限公司引用日期，2014.3.24 13莫海