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用于机器人的Delta并联机械手的优化设计含6张CAD图

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编号:145295188    类型:共享资源    大小:5.72MB    格式:ZIP    上传时间:2021-09-18 上传人:QQ14****9609 IP属地:陕西
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用于 机器人 Delta 并联 机械手 优化 设计 CAD
资源描述:
用于机器人的Delta并联机械手的优化设计含6张CAD图,用于,机器人,Delta,并联,机械手,优化,设计,CAD
内容简介:
毕业设计题目:用于机器人的 Delta 并联机械手的优化设计毕业设计要求及原始数据(资料):1、原始数据(资料):序号 名称 设计指标 1 负载 0.5Kg 2 自重 5Kg 3 夹取力 5N 4 手爪抓取直径 80mm10mm 5 机械臂最大运动距离 250mm 6 机器人本体尺寸 500mm500mm300mm 7 工作能力 完成物体抓放 并联机械手安装在水下机器人上,用于海洋资源探索抓取研究。主要完成一些工作强度较低的小型海珍品抓取并存放到水下机器人本体上。机械手的性能参数要求如下: 将现有的 Delta 并联机械手进行三维实体建模,分析其结构强度、刚度、可靠性,进行绿色节能优化设计,达到减少自重 10%的目标,提高机械手臂的工作时间。 2、毕业设计(论文)要求:(1)任务要求全面了解设计任务书,掌握设计意图,明确设计任务,根据原始数据设计指标, 分析并联机械手的工作原理、应用场合等,拟定并联机械手的设计方案,完成机构设计与计算、完成结构的设计和计算,绘制装配图、部件图和部分零件图。同时完成相应的计算说明过程。主要任务如下:毕业设计(论文)开题报告;文献综述&外文翻译;设计、计算、绘制相应设计内容的技术图纸;毕业设计说明书。(2)时间进度要求序号 时间 周次 指导教师工作及要求 1 2021.3.22-2021.3.28 第 1 周 按任务书,查阅相关文献、撰写文献综述、翻译外文资料 2 2021.3.29-2021.4.4 第 2 周 开题报告的攥写 3 2021.4.5-2021.4.11 第 3 周 审核开题报告,进行开题答辩 4 2021.4.12-2021.5.9 第 4-7 周 试验研究或设计阶段,绘制相关图纸,编写设计说明书 5 2021.5.10-2021.5.16 第 8 周 毕业设计期中检查 6 2021.5.17-2021.5.30 第 9-10 周 修改相关图纸,完善毕业设计说明书 7 2021.5.31-2021.6.6 第 11 周 论文查重、修改论文 8 2021.6.7-2021.6.13 第 12 周 打印装订、指导老师与评阅老师赋分、毕业答辩 毕业设计(论文)主要内容:1、设计图样要求: 设计原理正确,运用相关标准、查阅相关手册,正确处理好图、数字、符号、标准等的关系,图样完整准确。总体设计完整、图纸表达清晰、标注采用国家最新标准;完成整机装配图纸设计,保证结构方案确定最优化;完成部件图设计及传动系统设计;完成零件图设计。 2、毕业设计说明书: 设计依据可靠,参数选用合理,结构设计强度及刚度校核、计算准确,内容完整,中英文摘要与科技论文必须做到准确无误。对主要传动方案进行比较和选择、并可行性论证。对主要的零部件进行动力的计算,强度、刚度的校核。对牵引部的润滑选择。毕业设计说明书参考文献 15 篇以上,原则上所涉及的参考文献论文资料为近5 年出版发表。 学生应交出的设计文件(论文):设计成果要求:提交纸质资料(打印和部分手工绘制图纸)和电子文档资料。图纸使用 AutoCAD 软件绘制,文件为*.dwg 格式。设计说明书资料为*.doc 格式。1、毕业设计(论文)开题报告。2、毕业设计说明书 1 份,字数 2-2.5 万字。按山西能源学院本科毕业设计(论文)撰写规范执行。3、图纸:(1) 总装配图(A0 号)1 张;(2) 关键部件图(A2 号)2 张; (3) 零件图(A3 号)不少于 3 张; 4、文献综述&外文翻译:按山西能源学院本科毕业设计(论文)撰写规范执行。(1) 文献综述:字数不少于 3000 字;(2) 外文翻译:外文翻译必须与毕业设计课题相关,字数不少于 5000 字,并标明文章出处。主要参考文献(资料):例如:1 韩光,李智,刘艳敏. 并联机器人研究现状与发展概述J. 现代职业教育,2017 年 35 期田培棠等主编.齿轮刀具设计与选用手册.国防工业出版社, 2011; 2 夏广岚,胡晓平,李彩花. 并联机器人发展现状与展望J. 中国科技信息,2005 年 22 期 3 R. Saltaren, R. Aracil, C. Alvarez, E. Yime and J. M. Sabater, Field and service applications -Exploring deep sea by teleoperated robot - An Underwater Parallel Robot with High Navigation Capabilities, in IEEE Robotics & Automation Magazine, vol. 14, no.3, pp. 65-75, Sept. 2007, doi:10.1109/MRA.2007.905502. 4 P. Ataei, Z. Anvari and M. T. Masouleh, Kinetostatic Performance and Collision-free WorkspaceAnalysis of a 3-DOF Delta Parallel Robot, 2017 5th RSI International Conference on Robotics andMechatronics (ICRoM), Tehran, 2017, pp. 576-581, doi: 10.1109/ICRoM.2017.8466178. 5 H. Kim, K. Lee, T. Kuc, S. Yang and K. Nam, A Novel Control Method to Change Motion of3DOF Parallel Robot Immediately and Flexibly, 2019 19th International Conference on Control,Automation and Systems (ICCAS), Jeju, Korea (South), 2019, pp. 1674-1678, doi:10.23919/ICCAS47443.2019.8971626. 6 黄海忠. DELTA 并联机器人结构参数优化与运动控制研究D.哈尔滨工业大学,2013. 7 蒋绍博,吴玉玮,丁海旭,邢瑶.水下捕捞机械手结构设计与研究J.机械研究与应用,2020,33(01):116-120. 8陈 原 , 徐 文 龙 , 姜 媛 , 闫 银 坡 . 自 适 应 并 联 折 叠抓 手 和 水 下 管 道 机 器 人 P.CN109649610A,2019-04-19. 9 徐瀚,李静,陈原,张荣敏,高军.基于螺旋理论的水下机器人矢量推进球面并联机构的运动学建模J.机器人,2016,38(06):738-745+753. 10 Tao Liu. A novel vectored thruster based on 3-RPS parallel manipulator for autonomousunderwater vehicles. Mechanism and Machine Theory, Volume 133, March 2019, Pages 646-672 11 Feng Gao,Weimin Li,Xianchao Zhao,Zhenlin Jin,Hui Zhao. New kinematic structures for 2-, 3-,4-, and 5-DOF parallel manipulator designsJ. Mechanism and Machine Theory,2002,37(11). 12 刘正士,朱光胜,王勇,葛运建.基于水下典型操作任务的机械手爪结构设计J.组合机床与自动化加工技术,2005(08):60-61. 13徐 官 南 , 张 中 辉 , 夏 庆 观 .Delta 并 联 机 器 人 运 动学 分 析 J. 机 械 制 造 与 自 动化,2015,44(06):160-162+192. 14施 杨 华 , 方 晓 强 , 李 晓 锦 , 张 东 宁 . 用 于 深 水 电机 的 密 封 结 构 J. 微 特 电机,2014,42(03):72-73. 15邹晨洋. 水下焊接机器人内载多关节机械臂设计与分析D.哈尔滨工业大学,2019. 文献综述摘要:从激光类型焊机技术出现以来,在不断发展中被应用到了众多生产领域之中,尤其是在机械制造领域、电子工业领域、汽车制造领域、船舶制造领域等领域中的应用效果尤为突出。并且在激光类型的焊接技术发展中正在和更多的传统相同融合,并且由于这种激光类型的焊接技术对各个行业都有积极的促进意义,所以目前激光类型焊接技术在行业中的应用情况也已经成为了衡量一个行业发展情况的标准之前言:不锈钢作为奥氏体不锈钢的一种,有耐蚀性好,无磁性等优点,具有较高的韧性和塑性,广泛应用于常压容器以及生物工程,化学工程,航空,核工业等领域.近些年来不锈钢薄板的应用范围更加广泛,在航空航天,电子器件,医疗器械,核工业,机械仪表等方面的应用越来越多.因此,超薄不锈钢制品的封装和焊接变得十分重要。正文:刘必利、谢颂京、姚建华:激光焊接技术应用及其发展趋势2005年讲述激光拼焊 (Tailored Bland Laser Welding) 技术在国外轿车制造中得到广泛的应用6, 据统计, 2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条, 年产轿车构件拼焊坯板7000万件, 并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat, Bulck, Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接超薄板焊接, 如板厚100mm以下的箔片无法熔焊, 但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功, 显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等6, 在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术7。20世纪80年代后期, 千瓦级激光器成功应用于工业生产, 而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业, , 成为汽车制造业突出的成就之一。90年代美国通用、福特和克莱斯特公司竟相将激光焊接引入汽车制造, 尽管起步较晚, 但发展很快意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接, 日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺, 高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用的越来越多, 根据美国金属市场统计, 至2002年底, 激光焊接钢结构的消耗将达到7万吨, 比1998年增加3倍。2011年肖阳柳提出的的面向空间拼缝的激光焊接机床研制航空构件的拼缝是空间拼缝,形状复杂,很不规则,且航空构件大多是钛、铝合金等材料的薄壁件,在焊接过程中,受热会产生显著变形,从而使拼缝发生变形随着航空制造业的发展,对航空构件焊接质量和效率也提出了更高要求,传统的焊接技术已很难达到这种焊接要求。激光焊接因具有能量密度高、变形小、速度快、焊接精度高、质量好、易操作等优点,能显著减轻航空焊接件的重量,提高焊接质量,在航空焊接领域得到了广泛运用。目前国内还没有这种激光焊接设备和技术,而国外在这方面的研究已较成熟,但其核心技术是保密的。我国所需要的焊接设备大多从国外进口,并且价格昂贵。因此,研制面向航空构件空间拼缝的激光焊接机床对促进我国航空制造业的发展及提高国家基础制造装备水平具有重要意义。史强的浅谈激光焊接技术原理及其应用在2012年介绍了激光焊接技术的原理及应用领域激光焊接就是以激光为热源进行的焊接。激光是一束平行的光, 用抛物面镜或凸透镜聚光, 可以得到高的功率密度。与电弧焊接的功率密度102104kw/cm比较, 聚集的激光束可以得到105108kw左I I n Z的功率密度。制造业领域。20世纪80年代后期, 千瓦级激光器成功应用于工业生产, 而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业, 成为汽车制造业突出的成就之一。90年代美国通用、福特和克莱斯特公司竟相将激光焊接引入汽车制造, 尽管起步较晚, 但发展很快。日本的本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺, , 高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用的越来越多。粉末冶金领域。随着科学技术的不断发展, 许多技术对材料有特殊要求, 应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点, 在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料, 随着粉末冶金材料的日益发展, 它与其它零件的连接问题显得日益突出, 使粉末冶金材料的应用受到限制。电子工业领域。激光焊接在电子工业中, 特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小, 加热集中迅速、热应力低, 因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中,显示了独特的优越性, 在真空器件研制中, 激光焊接也得到了应用, 。王刚激光焊接技术的现状及应用领域.在2016年对激光焊接的现状进行研究, 首先需要了解其基本的概况, 这是一种具有高效的焊接技术的工艺, 主要利用激光束产生辐射的能量实现作用, 对激光束的能量进行高效的聚焦处置, 以此为基础, 形成具有很高能量的激光脉冲, 利用这些对相关的材料或物质进行处理与加工, 使用这一技术的主要范围在于对相关材料的微小部位进行焊接。与传统焊接的技术相比, 激光焊接具有很多独特的优势, 具有较大的深度, 不容易出现变形, 具有较高的速度, 而且需要的设备非常简单, 方便进行操作等, 还可以在特殊的环境内进行正常的焊接操作, 对一些难溶的材料如钛和石英等具有较好的效果。但虽然激光焊接具有很多的优点, 但是在进行实际的操作时, 仍然有一些不足与缺陷, 对焊接中的配件有较高的要求, 而且, 工作中激光束的位置需要非常准确, 不能出现明显的偏移, 操作中所需的设备具有较高的成本, 需要一次性的投入较多资金。罗小敏、任江伟在2016年的脉冲激光焊在薄板中的应用研究进展介绍了激光焊是近年来快速发展的一种现代焊接方法。与传统的熔化焊方法相比,激光焊具有能量密度集中、焊缝深宽比大、热影响区小、焊后变形和残余应力小等优点,特别适用于薄板的焊接。脉冲激光焊接技术在不锈钢、铝合金、钛合金、镁合金薄板材料中得到了很多应用。目前的研究主要聚焦在脉冲激光焊接头的成型、组织特征和力学性能等方面。但是脉冲激光焊的这些特征从本质上是由熔池的动态行为所决定的。但是对于薄板中脉冲激光焊的熔池行为还很少报道。难点在于,薄板脉冲激光焊的熔池是一个液态金属剧烈波动的、高度非平衡、持续时间短、体量较小的熔池。因此,需要对薄板脉冲激光焊熔池中的传质传热行为进行深入研究,才能有助于加深对薄板脉冲激光焊焊缝成型及几何特征参数以及缺陷控制方面的理解户加利的激光焊接技术的研究现状及发展在2017年提出。激光类型的焊接技术已经出现了一段时间, 并且在激光类型焊接技术的发展中逐渐衍生出了多种不同的类型, 按照激光类型焊接技术所应对的焊缝种类进行归类的话, 可以将激光类型的焊接技术分激光深焊类型的焊接技术以及热传到类型的焊接技术。对于激光深焊类型的焊接技术而言, 在使用的阶段中通常使用功率较大激光束直接直射到加工材料的表面上,另外, 目前各个领域在运用激光类型焊接技术的时候, 会对其进行一定的改造, 使得这种技术能更符合焊接工作实际需要。如果按照激光焊接技术的输出方式进行分类, 那么还能将激光类型的焊接技术分为连续光焊类型的焊接技术以及脉冲激光类型的焊接技术。连续类型的激光焊接技术在应用中常会使用大功率类型的。二氧化碳激光器, 并且这种焊接技术在焊接薄板材料的时候能发挥出较大的优势。:目前较多的西方国家以及亚洲地区的日本对于激光类型的技术都比较重视, 并且这些国家依托其较为发达的工艺领域、制造业领域的发展水平, 使其在激光类型焊接技术研究方面取得了一定的研究成果, , 同时这些国家不仅在激光类型焊接技术研究方面投入了大量的科研人员, 同时也给予了相应财政支持。从2020年汪健坤、李强、黄磊、陈希章等人的激光焊接技术最新研究进展及应用现状中,我了解到国内外对于激光焊接技术的研究进展迄今为止,激光焊接技术已发展为多种种类,如热传导激光焊、激光深熔焊、激光填丝焊、激光-电弧复合焊、远程激光扫描焊以及激光钎焊等多种类型,其发展出激光焊接焊缝追踪和高速摄像机对焊缝过程进行实时监测等中间过程控制,以及激光焊接缺陷处理,其共同解决激光焊的相关局限性和不足。国内对激光工艺的研究主要集中于从各焊接工艺的焊接速度、激光功率、离焦量、激光脉冲波形和保护气流量等参数上,并进一步对焊接接头的力学性能、组织演变和调控等进行了深入研究。激光压力焊接是一种独特的激光焊接技术,该技术将激光诱导加热与传统的平滚焊相结合。国外对焊接工艺的研究集中于改善焊接条件和引进外部能量。J.A.Francisa等9为了探索该工艺应用于连接大型、安全关键的核部件的潜力,如蒸汽发生器或压水堆(PWR)中的增压装置,采用真空激光焊接技术,以150mm/min的速度,使用16k W的激光,在两个焊道中,生产SA5083级钢的80mm厚焊缝。并介绍了真空激光焊接的优点,以及与电子束焊接在工艺物理方面进行了比较。得出真空激光焊接值得进一步发展,因为它为未来的核能建设计划提供了重要的希望。从2018年李翠、叶兵、孟晓明、余世文、刘硕夫、易鑫、等人的不锈钢薄板光纤激光焊接工艺研究中,我了解到与传统焊接方法相比, 激光焊具有高能量密度、线能量小、焊接速度快、深宽比大、焊接变形小、焊缝成形美观等优点9,10, 已在各行业得到广泛应用。塔班 E 表示11采用激光焊接12wt.%Cr铁素体不锈钢, 研究了焊接接头微观组织、力学性能、冲击韧性、疲劳和腐蚀性能, 详细地评估了激光焊接的焊接性。张红霞等12双位增小线(TIG)p-TIG(P-TIG)+443并重合光路(P-LBW)并重磅-多路并重路(LBT.LBW)并重路(LBW)并重(3000.3亿美元)。考尔 R 表示13-17wt.%cr-cr-17wt.cr-cr-0.0000000.00000.-2000500.20000.-20000.00000.00000.-200000.00000 000虽然激光焊接工艺在铁素体不锈钢焊接中展现出良好的应用前景, 但作为铁素体不锈钢典型代表的430不锈钢, 有关其薄板的激光焊接工艺及性能的研究报导并不多见。 参考文献1 刘必利,谢颂京,姚建华.激光焊接技术应用及其发展趋势 J.激光与光电子学进展,2005(09):43-47. 8.2 肖阳柳. 面向空间拼缝的激光焊接机床研制D.华中科技大学,20113 史强.浅谈激光焊接技术原理及其应用J.企业导报,2012(11):297.4 王刚.激光焊接技术的现状及应用领域J.科技展望,2016,26(18):149.5 罗小敏,任江伟.脉冲激光焊在薄板中的应用研究进展J.热加工工艺, 2016,45(15):6-9+14.6 户加利.激光焊接技术的研究现状及发展趋势J.科学技术创新,2017(21):117-118.7 李翠,叶兵,孟晓明,余世文,刘硕夫,易鑫.430 不锈钢薄板光纤激光焊接工艺研究J.应用激光,2018,38(02):236-240.8 汪健坤,李强,黄磊,陈希章.激光焊接技术最新研究进展及应用现状J.金属加工(热加工),2020(03):4-10毕业设计(论文)题目:用于机器人的Delta并联机械手的优化设计业设计(论文)要求及原始数据(资料):原始数据(资料):并联机械手安装在水下机器人上,用于海洋资源探索抓取研究。主要完成一些工作强度较低的小型海珍品抓取并存放到水下机器人本体上。机械手的性能参数要求如下:序号名称设计指标1负载0.5Kg2自重5Kg3夹取力5N4手爪抓取直径80mm10mm5机械臂最大运动距离250mm6机器人本体尺寸500mm500mm300mm7工作能力完成物体抓放 将现有的Delta并联机械手进行三维实体建模,分析其结构强度、刚度、可靠性,进行绿色节能优化设计,达到减少自重10%的目标,提高机械手臂的工作时间。任务书毕业设计(论文)主要内容:1、设计图样要求:设计原理正确,运用相关标准、查阅相关手册,正确处理好图、数字、符号、标准等的关系,图样完整准确。总体设计完整、图纸表达清晰、标注采用国家最新标准;完成整机装配图纸设计,保证结构方案确定最优化;完成部件图设计及传动系统设计;完成零件图设计。2、毕业设计说明书:设计依据可靠,参数选用合理,结构设计强度及刚度校核、计算准确,内容完整,中英文摘要与科技论文必须做到准确无误。对主要传动方案进行比较和选择、并可行性论证。对主要的零部件进行动力的计算,强度、刚度的校核。对牵引部的润滑选择。毕业设计说明书参考文献15篇以上,原则上所涉及的参考文献论文资料为近5年出版发表。学生应交出的设计文件(论文):设计成果要求:提交纸质资料(打印和部分手工绘制图纸)和电子文档资料。图纸使用AutoCAD软件绘制,文件为*.dwg格式。设计说明书资料为*.doc格式。1、毕业设计(论文)开题报告。2、毕业设计说明书1份,字数2-2.5万字。按山西能源学院本科毕业设计(论文)撰写规范执行。3、图纸:(1) 总装配图(A0号)1张;(2) 关键部件图(A2号)2张;(3) 零件图(A3号)不少于3张; 4、文献综述&外文翻译:按山西能源学院本科毕业设计(论文)撰写规范执行。(1) 文献综述:字数不少于3000字;(2) 外文翻译:外文翻译必须与毕业设计课题相关,字数不少于5000字,并标明文章出处。主要参考文献(资料):1 韩光,李智,刘艳敏. 并联机器人研究现状与发展概述J. 现代职业教育,2017 年 35 期2 夏广岚,胡晓平,李彩花. 并联机器人发展现状与展望J. 中国科技信息,2005 年 22 期3 R. Saltaren, R. Aracil, C. Alvarez, E. Yime and J. M. Sabater, Field and service applications -Exploring deep sea by teleoperated robot - An Underwater Parallel Robot with High NavigationCapabilities, in IEEE Robotics & Automation Magazine, vol. 14, no. 3, pp. 65-75, Sept. 2007, doi:10.1109/MRA.2007.905502.4 P. Ataei, Z. Anvari and M. T. Masouleh, Kinetostatic Performance and Collision-free WorkspaceAnalysis of a 3-DOF Delta Parallel Robot, 2017 5th RSI International Conference on Robotics andMechatronics (ICRoM), Tehran, 2017, pp. 576-581, doi: 10.1109/ICRoM.2017.8466178.5 H. Kim, K. Lee, T. Kuc, S. Yang and K. Nam, A Novel Control Method to Change Motion of3DOF Parallel Robot Immediately and Flexibly, 2019 19th International Conference on Control,Automation and Systems (ICCAS), Jeju, Korea (South), 2019, pp. 1674-1678, doi:10.23919/ICCAS47443.2019.8971626.6 黄海忠. DELTA 并联机器人结构参数优化与运动控制研究D.哈尔滨工业大学,2013.7 蒋绍博,吴玉玮,丁海旭,邢瑶.水下捕捞机械手结构设计与研究J.机械研究与应用,2020,33(01):116-120.8 陈 原 , 徐 文 龙 , 姜 媛 , 闫 银 坡 . 自 适 应 并 联 折 叠 抓 手 和 水 下 管 道 机 器 人 P.CN109649610A,2019-04-19.9 徐瀚,李静,陈原,张荣敏,高军.基于螺旋理论的水下机器人矢量推进球面并联机构的运动学建模J.机器人,2016,38(06):738-745+753.10 Tao Liu. A novel vectored thruster based on 3-RPS parallel manipulator for autonomousunderwater vehicles. Mechanism and Machine Theory, Volume 133, March 2019, Pages 646-67211 Feng Gao,Weimin Li,Xianchao Zhao,Zhenlin Jin,Hui Zhao. New kinematic structures for 2-, 3-,4-, and 5-DOF parallel manipulator designsJ. Mechanism and Machine Theory,2002,37(11).12 刘正士,朱光胜,王勇,葛运建.基于水下典型操作任务的机械手爪结构设计J.组合机床与自动化加工技术,2005(08):60-61.13 徐 官 南 , 张 中 辉 , 夏 庆 观 .Delta 并 联 机 器 人 运 动 学 分 析 J. 机 械 制 造 与 自 动化,2015,44(06):160-162+192.14 施 杨 华 , 方 晓 强 , 李 晓 锦 , 张 东 宁 . 用 于 深 水 电 机 的 密 封 结 构 J. 微 特 电机,2014,42(03):72-73.15 邹晨洋. 水下焊接机器人内载多关节机械臂设计与分析D.哈尔滨工业大学,2019专业班级 学生 要求设计(论文)工作起止日期 指导教师签字 日期 教研室主任审查签字 日期 系主任批准签字 日期 用于机器人的Delta并联机械手的优化设计 Optimal Design of Delta Parallel Manipulator for Robot摘 要从二十世纪以来,人类对陆地资源的开采日益加剧,地下蕴藏的资源也在不断减少。为了应对日后资源短缺的危机,人类把目光放到了海洋。海洋覆盖了整个地球表面积的71%,其中有着特别丰厚的资源。为了使人类更好地生活,保证人类生存所需的各种资源,对海洋资源的开发和利用已然成为了现代科学的一个重要研究方向。随着海洋资源研究与开发的不断提高,水下机器人的研究成为制约海洋资源利用的因素。因此,研制出适合深海利用的水下机器人成为了海洋研究的重中之重。基于目前水下机器人及机械手的研究资料,深入了解其工作原理,设计出一种专门用于水下机器人的Delta并联机械手臂。该手臂负责机器人在海洋下探索时,抓取海洋中的一些小型海珍品,并存放到机器人上。然后针对机械手臂的结构、受力等方面,使用有限元分析工具对其部分进行应力分析,进而得到这部分的模拟结果,然后以该结果为参考,对其进行绿色节能优化设计,使其更加轻便, 从而可以使机器人能在水下工作更长的时间。关键词:水下机器人;Delta并联机械手;优化设计ABSTRACTSince the twentieth century, the exploitation of terrestrial resources by mankind has been intensified, and the underground resources have been declining. In order to cope with the crisis of resource shortage in the future, human beings have set their sights on the ocean. The ocean covers 71% of the entire earths surface area, and it has particularly rich resources. In order to make human beings live better and ensure the various resources needed for human survival, the development and utilization of marine resources has become an important research direction of modern science. With the development of marine resources and the increasing demand for marine scientific research, humans are gradually using machine operations to replace manual operations. The research on underwater robots has also become a major focus of marine scientific research. The research progress of the machine has a great influence on the research progress of marine resources. Based on the current research data of underwater robots and manipulators, and an in-depth understanding of their working principles, a Delta parallel manipulator specially used for underwater robots was designed. This arm is responsible for grabbing some small sea treasures in the ocean and storing them on the robot when the robot is exploring under the ocean. Then, according to the structure and force of the mechanical arm, use finite element analysis tools to analyze the stress of the part, and then obtain the simulation result of this part, and then use the result as a reference to optimize the design of green and energy-saving to make it more Lightweight, which allows the robot to work underwater for longer periods of time.Keywords:Under water robot;Delta parallel manipulator;Optimal design目 录1 绪论11.1 课题研究背景11.2 国内外研究现状31.2.1 国外研究现状31.2.2 国内研究现状41.3 课题研究目的意义52 并联机械手概述62.1 并联机械手的定义及特点62.2 并联机械手的分类82.3 本章小结123 Delta并联机械手运动学分析133.1 Delta机械手结构分析133.2 自由度分析133.3 运动学分析143.3.1 坐标系建立143.3.2 位置反解分析143.3.3 动平台位置正解163.4 机构参数设计173.5 本章小结174 Delta并联机械手结构设计184.1 电机选取184.2 静平台设计204.3 步进电动机固定座设计214.4 主动臂设计214.5 从动臂设计224.6 动平台设计224.7 机械手爪设计234.8 旋转部分设计244.9 整体结构装配254.10 本章小结255 部分零件的有限元分析及优化设计275.1 有限元分析介绍275.2 静平台的分析285.3 主动臂的分析及优化设计295.3.1 主动臂的分析295.3.2 主动臂优化设计305.4 从动杆的分析及优化设计315.4.1 从动杆的分析315.4.2 从动杆优化设计325.5 本章小结326 结论34参考文献35致 谢37V1 绪论1.1 课题研究背景对于人类来说,海洋与人类的生活息息相关。海洋对人类的生活有着巨大的影响,扮演着非常重要的角色。海洋覆盖了地球表面的71%,是太阳系中任何其他行星所看到的最独特的地理景观。月球表面的某些区域曾被人类称为“风暴之海”等地方,但实际上那里连一滴海水都没有。随着全球经济的发展,科学技术的进步,人民生活水平的不断提高,对资源的需求日益增加,人口、资源和环境问题日益严重。海洋资源开发利用、保护与管理在国家战略规划中越来越重要。海洋资源丰富,自古以来,人类对海洋的开发利用投入极大的精力,随着世界科技革命的不断深入和陆地资源短缺的加剧,海洋资源的开发利用已成为越来越新的趋势。海洋资源的多样性和产生的巨大经济效益越来越受到人类的关注。实践证明,海洋是人类生产生活不可缺少的区域。随着时间的推移,海洋对人类的影响将呈指数级增长。海洋是人类社会可持续发展的希望,正如许多专家预测的那样,下个世纪将是人类的海洋世纪。广阔的海域除了拥有丰富的海洋资源外,也是交通要道和抵御外敌入侵的天然屏障,海洋的开发利用、海洋事业的发展与人类文明的发展息息相关。21世纪中叶,世界人口可能将高达90亿。人均土地资源低、环境压力大,客观上使海洋成为陆地逐渐走向枯竭资源种类的替代场所。积极发展海运业是应对全球人口、资源和环境压力最现实、最有效的方式之一。目前,由于人类对陆地资源的过度开发,陆地可利用的资源逐渐减少,人们的目光逐渐转向未开发的海域。回顾人类历史的发展,可以说,科学技术的发展解决了人类的问题,人类对资源的需求推动了科学技术的发展,两者相辅相成。各国政府纷纷加大了对海洋开发研究的支持力度。海底管道安装维护、水下采矿勘探、石油勘探、沉船救援等水下作业逐渐走入人们的视野。但由于水下压力高、温度低、能见度有限,工作环境危险复杂,不利于人类工作,因此应时代需要,水下作业机器人应运而生。在进行海水勘探、维护和检查时,它可以代替人类。与人类相比,水下机器人具有效率高、深度大、航程远、安全可靠等优点,能够满足深海作业对作业深度、作业时间和作业效率的要求。“Robots”这个词语最早可以追溯到二十世纪二十年代,机器人作为20世纪最伟大的发明之一,其在生产、生活以及其他各个领域的应用已然成为了一个国家十分重要的发展目标。自从20世纪60年代初期,美国推出了第一台仅用于上、下料的工业机器人以来,机器人得到了十分迅速的发展,并且广泛地应用于工业、医疗卫生、服务业、娱乐等诸多方面,对人们的生活产生了比较深远的影响。我们现代所说的机器人,大多指的是工业机器人,它们一般由基底、腰部、肩部、大臂、小臂、腕部及手部组成,以串联的形式把各部分连接起来,所以称之为串联机器人。就在串联机器人发展迅速的时候,又有一种全新的机器人问世了,那便是并联机器人。和串联机器人相比,并联机器人有刚度大、承载能力强、结构稳定紧凑、累计误差小、动力性能好以及精度高等优点。并联机器人作为串联机器人的强有力的补充。扩大了整个机器人的应用范围,引起机器人学理论界和工程界的广泛关注,成为机器人研究的主要热点之一。国内外关于并联机器人的研究主要集中在机构学、运动学、动力学和控制策略等方面,其中工作空间和奇异位形是衡量并联机器人运动性能的两个重要指标,是实现并联机器人控制和应用的基础,因而在并联机器人的研究中占有重要的基础性地位。并联机器人在进行轨迹规划时,需要考虑工作空间的大小以及奇异位形的分布情况,从而在无奇异工作空间中规划出一条合理的移动路径。一般情况下,工作空间的边界和内部都会产生奇异位形,并且奇异轨迹的分布为不规则、不连续的超曲面,这就给奇异位形的研究带来了不小的挑战。一方面,奇异位形所构成的空间奇异轨迹该如何确定;另一方面,针对得出的奇异轨迹该如何直观地图形化描绘。对于少自由度(自由度数目小于等于3)的并联机器人而言,其工作空间和奇异位形的确定和描绘相对简单。然而,对于多自由度(自由度数目大于3)的并联机器人而言,由于其输入输出之间的强运动耦合关系,导致其工作空间和奇异位形的确定和描绘非常复杂。也正因为如此,并联机器人工作空间和奇异位形的研究受到了众多国内外学者的关注,并且迅速成为了一项热门的研究课题。近年来并联机器人在工业生产过程中越来越受到全世界工业化强国的重视,一方面并联机器人凭借其高精度、高效率等优势,大幅降低了工作周期,降低了人力物力的投入,为企业降低了投资成本,提升了生产效力。另外一方面,并联机器人的升级换代,也使得国家之间的差异性迅速拉开,工业化自动化程度高的国家在市场产品竞争过程中处于产品的优势地位,并联机器人产生的经济效益拉大了发达国家与发展中国家经济发展的的差异。本文通过并联机器人的设计,了解目前 Delta并联机械手的工作原理,进一步研究水下机器人的设计过程,提高相关技术的熟悉程度。1.2国内外研究现状机器人起源于人类科学技术发展的历史,诸葛亮在三国时期发明的木马是最初的机器人模型。伴随着人类社会的发展进步,机器人推动了人类社会的发展,将人类从繁重的单一劳动中解放出来,大幅加快社会进程的发展。1.2.1国外研究现状在1950年代,美国创造了真正意义上的水下机械手。美国夏威夷大学研发了MARIS7080潜水机械手,工作范围直径2.8米,全伸展状态可持重7k。采用传统电驱动方式,各关节由无刷电机组成,采用伺服控制方式,采用多极旋转变压器计算机械臂各关节的位置和角度,控制系统采用以太网通讯。韩国原子能研究所设计了一种用于反应堆废物净化的紧凑型水下机械臂,机械臂的总长度设计为630毫米,小巧灵活,方便清理核废料。采用电驱动方式,通过直流无刷电机驱动机械臂,带动关节旋转。利用旋转变压器计算关节角度,整体结构灵活性高、专业能力强。日本非常重视水下机器人的研究。从1970年代,日本企业就开始了对水下机械手及其控制方法的研究,现在,各种类型的水下机械手都可以独立生产并投入实际水下作业。直到1980 年代中业,都很少有人研究并联机器人,只有McDowell、Earl、Phiheater、Yang、Lee等。关于并联机器人的研究成果也不多。并联机器人的研制似乎停滞不前,主要是受计算机硬件技术水平的限制。计算机技术的发展促进了并联机器人的应用和发展,特别是在PC机诞生后,世界各国纷纷掀起对并联机器人研制的热潮。从机器人的应用和发展的角度来看,并联机器人不可避免地会在许多方面替代人工,并且并联机器人在未来肯定会具有广阔的发展前景。1.2.2国内研究现状我国水下机器人处于快速发展阶段,随着我国海洋发展战略的大力发展,政府对相应政策支持力度不断加大,近年来,高校和科研院所在水下机械手研究方面取得了长足的进步。华中科技大学研究了一种水下机械臂控制算法,开发了一种强大的控制器,可以抑制液压缸摩擦力对机械臂的影响。为了解决AUV机器人机械手控制系统延迟效应的问题,哈工大张波提出了一种在水下机械手闭环控制系统中加入延迟补偿器的方法分析简化了水下可变延时的问题,同时搭建了实验平台,进行真实的水下试验,看看补偿器是否提高了控制系统的性能。哈尔滨工程大学的安江波针对AUV机器人机械臂控制系统延时影响的问题,提出了在水下机械臂闭环控制系统内加入延时补偿器的方法,包括前向Simth延时补偿器和后反馈延时补偿器两种方法,并且对水下变延时情况进行分析简化。搭建实验平台,进行实际水下实验,验证补偿器对控制系统性能改善。随着水下机械臂液压驱动的广泛应用,湖北师范大学的廖亦凡研究了一种新型液压驱动控制系统口也设计高速开关阀箱为比例阀箱的前级控制,对新型驱动系统进行了建模分析,并且运用PID控制结合模糊免疫,通过MATLAB仿真证明系统具有响应速度快,没有超调等优点。水下机器人研发是海洋开发的技术前提。水下机械臂可以说是ROV作业机器人的最重要的执行机构。水下管道维修,水下探测等水下作业工作都离不开水下机械臂。由此可见,水下机械臂是水下机械人研究过程中极其重要的一环。如果水下作业型机器人的机械臂无法正常工作,那么水下机器人将变成一个观测设备只能进行水下观测,无法进行作业操作。复杂的水下作业工作可能还需要多个水下机械臂相互配合, 所以水下机械臂的性能影响着水下机器人作业工作的效率。水下机械臂的自由度、各关节转动范围、力矩、转动精度、耐压性、环境适应度等性能参数都影响着水下机械臂的工作性能,因此在生产设计中需要对这些参数进行标准检测,用以保证机械臂工作性能良好。进行海洋开发的前提是研制出可靠的水下机器人,机械臂是ROV机器人最重要的执行器。水下物体探测及海洋电缆、管道检修都离不开机械臂的帮助。水下机器人的研究先得研究机械臂。当机械臂不能正常工作时,水下机器人就变成了只能在水下观察而不能操作的观察装置,其作用大大降低。复杂的水下作业还可能需要多个水下机器人相互配合,因此提高机械臂的性能可以减少水下机器人的使用数量,降低使用成本。提高机械臂的工作性能可以从以下几个方面开展:机械臂的自由度、各关节的旋转范围、扭矩、旋转精度、耐压性等参数,设计过程中需要根据海洋环境选择适宜的参数,进一步提高机械臂的性能。1991年,我国第一台并联机器人样机由燕山大学黄真教授等人研制出来。之后,在我国第九个五年规划科技攻关计划和“863”高新技术发展计划中提出,鼓励支持并联机床的研发。中科院沈阳研究所、哈工大、河北工业大学等科研院所的科研人员也积极参与并合作开展并联机床领域的研究。1.3课题研究目的意义海洋中拥有非常丰富的资源,人们对于海洋资源的探索研究也一直没有停下脚步,机器人作为一种应用范围十分广泛的工具,自然也对海洋探索提供了许多帮助。以前的海洋生物、矿产资源的获取主要靠人力,这样不仅风险大、安全性差,效率也很低,对研究进展是一个较大的阻碍。而如今,开展水下机械手的研制,可直接解决海生物捕捞传统作业风险大、安全性差、效率低等现状。并联机械手作为一种性能优秀的机械手,也是水下机器人研究的重要部分。此次设计的目的便是对作用于水下的Delta并联机械手进行研究设计,对其结构强度、刚度与可靠性进行分析,然后在不影响其性能的情况下,进行绿色节能优化设计,减轻机构自身的重量,提高机械手臂的工作时间。2并联机械手概述2.1并联机械手的定义及特点一般的工业机械手是串联机构,串联机构在其末端执行器与基座之间仅有一个运动链。而并联机械手的末端执行器有两条以上运动链与基座相连接,每一条运动链都有唯一的移动副或转动副驱动。图2-1介绍了一个典型的并联机械手。因此,当末端执行器(动平台)通过至少两条运动链联接基座(静平台),并具有两个或两个以上自由度的一种闭环机构称之为并联机械手,其结构示意图如下面图2-2。图2-1 经典并联机械手示意图 图2-2 并联机构示意图并联机构相较于传统的串联机构,零部件的数目相对而言比较少,且都是些比较常见的通用部件,比如球铰、伺服电机、伸缩杆件等等。由于这些通用部件可以用专业的生产商大规模模块化制造,所以并联机构有成本低、性能高的优点,这对于并联机械手的设计相当有利。除了结构上的突出特点以外,实际应用过程中优点也很多。(1)并联机构的负重比大。由于并联机构的每一条运动链都会承受载荷,所以比起串联机构,在相同自重的情况下并联机构有更大的承载能力。(2)并联机构的刚度大。并联机构的运动链可以互相分享载荷,且大多情况下可以设计为仅承受拉力和压力的载荷。大的刚度使每条运动链的变形都很小,能确保并联机构末端的位置精度。(3)并联机构的惯量低,动态性能好。大多数的驱动是直接固定在基座上的,比如伺服电机直接固定在静平台,所以并联机构上需要运动的部件质量相对较小。而这惯量低、质量轻也使得其动态性能较好(4)并联机构的运动精度高。并联机构产生误差是由各个运动链均摊的,不会像串联机构那样产生来自各个关节积累的误差。并联机构相对较小的误差保证了较高的运动精度。并联机构也存在着很多缺点,比如运动空间较小。并联机构与串联机构之间有着明显的不同。串联机构的优点通常都成为了并联机构的缺点,相反地,并联机构的优点很多又恰好是串联机构的缺点。它们之间的这种关系,有的学者将其称为串联并联间的“对偶”关系,并以这种“对偶”关系为切入点,来进一步的深入研究串联、并联机构,现将它们之间的特点比较如表2-1所示。表2-1串、并联机构特点比较比较内容并联机械手串联机械手精度高低工作空间小大刚度高低惯性小大速度高低运动学正解困难容易运动学逆解容易困难动力学非常复杂比较复杂2.2并联机械手的分类从运动形式来看,并联机构可分为平面机构和空间机构;细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构,另可按并联机构的自由度数分类:(1)2自由度并联机构。2自由度并联机构,如5-R、3-R-2-P(R表示转动副,P表示移动副)平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构,这类机构一般具有2个移动运动。图2-3 2自由度的球面5R并联机构图2-4 平面2自由度的Diamond机器人(2)3自由度并联机构。3自由度并联机构各类较多,形式较复杂,一般有以下形式:平面3自由度并联机构,如 3-RRR机构、3-RPR机构,它们具有2个移动和一个转动;球面3自由度并联机构,如3-RPR球面机构、3-UPS-1-S球面机构,3-RRR球面机构所有运动副的轴线汇交空间一点,这点称为机构的中心,而3-UPS-1-S球面机构则以S的中心点为机构的中心,机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动;3 维纯移动机构,如Star Like并联机构、Tsai 并联机构和DELTA 机构,该类机构的运动学正反解都很简单,是一种应用很广泛的3维移动空间机构;空间3自由度并联机构,如典型的3-RPS 机构,这类机构属于欠秩机构,在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点,由于这种特殊的运动特性,阻碍了该类机构在实际中的广泛应用;还有一类是增加辅助杆件和运动副的空间机构,如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的3-UPS-1-PU球坐标式3自由度并联机构,由于辅助杆件和运动副的制约,使得该机构的运动平台具有1个移动和2 个转动的运动(也可以说是3 个移动运动)。图2-5 Delta三自由度并联机构图2-6 3-RRC移动并联机构图 图2-7 Tsai的移动并联机构图2-8 UPU移动并联机构 图2-9 3-CRR三自由度并联机构图2-10球面并联机构 图2-11立方体3-RPS并联机构(3)4自由度并联机构。4 自由度并联机构大多不是完全并联机构,如2-UPS-1-RRRR机构,运动平台通过3个支链与定平台相连,有2个运动链是相同的,各具有1个虎克铰U ,1个移动副P ,其中P和1个R是驱动副,因此这种机构不是完全并联机构。(4)5自由度并联机构。现有的5自由度并联机构结构复杂,如韩国Lee的5自由度并联机构具有双层结构(2个并联机构的结合)。(5)6自由度并联机构。6自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类,是国内外学者研究得最多的并联机构,广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决,比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。从完全并联的角度出发,这类机构必须具有6个运动链。但现有的并联机构中,也有拥有3个运动链的6自由度并联机构,如3-PRPS和3-URS等机构,还有在3个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的6自由度并联机构等。图2-12 6-RSS并联机构图 图2-13 3-PRPS并联机构图2-14 3-PRPS并联机构 图2-15 3-PPSP并联机构图2-16 3-URS并联机构2.3本章小结本章主要介绍了并联机械手的定义以及优缺点,列举了并联机械手的种类,并做了简单的阐述。3 Delta并联机械手运动学分析本章以三自由度Delta并联机械手为研究对象,进行运动学的正解、逆解问题分析。3.1 Delta机械手结构分析三自由度并联机械手有很多零件,如静平台,动平台,3个主动臂,3个从动臂等。通过3条轴对称均匀分布的运动链的对应连接,实现了静平台与动平台的连通,同时每条运动链都是由一个主动臂和一个从动臂组成。其中,从动臂是闭环机构,由4个球形副和杆件组成,并且使闭环机构直接与主动臂串联固定。因此,通过控制伺服电动机转动角度的变化来实现动平台在空间内的三自由度运动。图3-1 Delta机械手实物图 图3-2 Delta机械手结构示意图3.2自由度分析空间中任意不受任何约束的刚体都具有3个平动自由度与3个转动自由度,总共有6个自由度。空间机构分为开环机构和闭环机构,其中闭环机构又可以按照闭环数目分为单闭环机构和多闭环机构,另外还有一种混合机构,也就是开环机构与闭环机构的混合。由于开环机构自由度计算相对容易,这里主要描述下闭环机构的自由度问题。目前,机构学领域在计算空间闭环机构的自由度时,主要采用的是经典的Kutzbach Grubler公式: M=6(n-g-1)+i=0gfi (3.1)式中,M为机构的自由度,n为机构总的构件个数,g为总的运动副个数,fi为第i个运动副的自由度个数。通过分析,三自由度Delta并联机械手的从动臂中两球面副之间的连杆可以绕自身轴旋转,因此可得出一个结论,此并联机构具有局部冗余自由度。为了消除局部冗余自由度的影响,可以考虑将每一个从动臂中的四个球面副中的两个当成虎克铰,再根据式(3.1)来计算该并联机构的自由度个数。由图3.1可知,可得n =11,g=15,由图得该机构具有3个自由度的球面副有6个,具有2个自由度的虎克铰有6个,具有1个自由度的转动副有3个,所以该机构的自由度M=6(11-15-1)+33=3。3.3运动学分析3.3.1坐标系建立为了方便求解三自由度平台的空间位置关系,研究平台的运动规律,首先将机构稍加改造,将三组平行四边形闭环上下两边中点之间加入三根虚拟连杆,如图3-3所示。考虑到运动平台只有平动没有转动,相对于固定平台姿态固定,机构中所有分支中的平行四边形框架始终为平面四边形,而不会扭曲为空间四边形。在此条件下,平行四边形左右两边的运动与上下两边中点连线的运动完全相同。因此,在进行运动分析时,将机构简化为图3-4所示。 图3-3 虚拟杆的运动学模型 图3-4相应的参考坐标系接着建立动、静两个坐标系,静坐标系O-XYZ,原点O位于上平台(固定平台)的几何中心。动平台上建立动坐标系O-XYZ, O为动平台的几何中心,其中Z轴和Z轴分别垂直于静平台和动平台,OX轴和OX轴分别垂直于B1B3和P1P3。三根主动杆为图中的BiEi,长度均为Lb,从动杆为图中EiPi,长度均为La。i为电机驱动臂对基座平台的张角。3.3.2位置反解分析Delta机器人通过三个分支链将上下平台连接起来,驱动臂在电机的驱动下作一定角度的反复摆动,再通过平行四边形闭环和转动副使动平台作平移运动。对于该机构,求解位置反解即给定运动平台的中心点在静坐标系中的坐标,求解基座平台的三个控制电机的旋转角度,也就是三个驱动臂对固定平台的张角。位置反解的具体分析如下:如图3-4所示,OBi=R,OPi=r,则点在静坐标系O-XYZ中的位置矢量为:图3-5 固定平台参数Bio=RcosiRsini0,其中i=4i-36 (i=1,2,3)同样也可以得到点Pi在坐标系O-XYZ中的位置矢量为:Pio=rcosirsini0,其中i=4i-36 (i=1,2,3)根据几何学关系,可以得出点Ei在坐标系O-XYZ中的位置矢量可以表达为:Eio=(R+Lbsini)cosi(R+Lbsini)sini-Lbcosi,其中i=4i-36 (i=1,2,3)假设矢量oo在O-XYZ坐标系中为 Co=xyzT,则矢量OPi在O-XYZ坐标系中可以表示为:Pio=rcosi+xrsini+yz,其中i=4i-36 (i=1,2,3)因此,根据PiEi=La,经过简化后可推导下列等式:R+Lbsini-rcosi-x2+R+Lbsini-rsini-y2+-Lbcosi-z2=La2 (3-2)将123和123代入式(3-2)可得32R+Lbsin1-r-x2+12R+Lbsin1-r-y2+-Lbcos1-z2=La2 (3-3)-32R+Lbsin2-r-x2+12R+Lbsin2-r-y2+-Lbcos2-z2=La2 (3-4)x2+R+Lbsin3-r+y2+-Lbcos3-z2=La2 (3-5)将上面的式子整理简化,可以得到关于i的一元二次方程:Kiti2+Uiti+Vi=0 (3-6)其中ti=tan12i经过计算,得到下列等式:K1=La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2+R-r3x+yLb+2z (3-7)U1=-2R-r-3x-y (3-8)V1=La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2+R-r3x+yLb-2z (3-9)K2=La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2-R-r3x-yLb+2z (3-10)U2=-22R-r+3x-y (3-11)V2=La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2-R-r3x-yLb-2z (3-12)K3=La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2-2yR-rLb+2z (3-13)U3=-2R-r+y (3-14)V3=La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2-2yR-rLb-2z (3-15)其中KiUiVi均为已知,所以求解方程(3-6)可得:ti=-UiUi-4KiVi2Ki (i=1,2,3)因此,当我们知道机器人的运动平台的位置,根据式(3-16)可以求出电机的输入,即驱动臂的张角:i=2arctanti (3-16)3.3.3动平台位置正解对于该Delta机构,运动学正解问题是给定三个驱动臂相对于固定平台的张角,求解运动平台中心点在基座坐标系中的坐标。由式(3-2)得:R+Lbsin1-rcos1-x2+R+Lbsin1-rsin1-y2+-Lbcos1-z2=La2R+Lbsin2-rcos2-x2+R+Lbsin2-rsin2-y2+-Lbcos2-z2=La2R+Lbsin3-rcos3-x2+R+Lbsin3-rsin3-y2+-Lbcos3-z2=La2上面三个式子为一个含有3个未知数,3个非线性方程的方程,可以采用数值解法解出3个未知数来。3.4机构参数设计根据题目所给参数,考虑到从动臂之间不能互相干涉,在可安装机械手腕的前提下尽量小。静平台上需要安装3个步进电机,为降低对机器人空间占用,静平台的直径取100mm左右。为了达到纵向位移距离200mm,主动臂尺寸必须大于100mm,选取主动臂长120mm。同时,从动臂需要比静平台与主动臂长之和大,因而选取250mm。在机械爪方面,因为抓取对象是一些比较小的海产品,因此指头高度和连杆长选择30mm,从而使整个机械爪高度在150mm以内。表3-1 机构参数机构尺寸(mm)静平台半径105动平台半径16.5主动臂120从动臂250指头连杆303.5本章小结本章首先对三自由度Delta并联机械手的机构进行了分析,描述了其工作原理,对自由度进行了分析。然后,通过建立坐标系对该并联机械手进行了位置反解分析,进而得出对动平台位置正解的方程。最后,对机构参数进行了拟定。4 Delta并联机械手结构设计Delta机器人作为一种目前较为成熟的技术,可根据前人的研究成果设计,在此基础上做出一部分调整。4.1电机选取电动机驱动不需要能量转换。对于机器人来说,控制灵活,使用方便,噪音低,启动力矩大是其主要的要求。电机的类型见表4.1得出。表4.1 电机主要类型类型优点永磁式直流伺服电动机体积小,转矩大,输出力矩和电流成正比,伺服性能好,反应快速,功率重量比大,稳定性能好等优点。印刷绕组永磁直流伺服电动机转动惯量小,快速反应性能和转换性能好,机械性能好,输出力矩平稳,低速运转性能好,寿命长,适用于频繁启动,制动,正反转工作的场合。交流伺服电动机永磁式交流同步电机,转子位置传感器和速度传感器组成。可以配置提供位置反馈信息的位置传感器和安全制动器。步进电动机用于开环控制电路,因此结构简单,位置和速度易于控制,起响应速度快,输出力矩较大,能快速启动,可精确定位。通过以上比较,并考虑系统的控制精度,控制方式及其难易程度,选择步进电机。考虑电机的防水密封。深水环境密封主要是电机的定子密封和电缆引出线的密封,深水电机的定子和引出线密封主要为静密封,静密封可分为法兰连接垫片密封、胶圈密封、O型圈密封、密封胶密封等。深水电机定子密封主要是机械连接结合部的密封,根据深水电机的结构与恶劣的工作环境,所以选定O型圈与螺纹连接垫片相结合的组合式密封。胶圈密封由壳体、槽、管子、橡胶圈成,结构简单,重量轻,密封可靠,适用于快速拆装的场合。若压力较高或者密封要求更加可靠,可以选择两个橡胶圈。O型圈和密封胶体橡胶的选材。一般通用橡胶材料有: 丁晴橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶和丁苯橡胶; 特种橡胶材料有: 氟橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶等,可根据电机的使用环境选用。部分橡胶主要性能指标如表4-1所示。表4-1部分橡胶材料的主要性能指标指标氟橡胶丁苯橡胶硅橡胶氯丁橡胶永久压缩变形/%+5+3010070h+2+2010070h-+2+4010070h耐磨性优优可良良优邵氏硬度50603510030802095热导率-0.290.250.21长期工作温度/-10280-451003080-40120耐水性优良优良优气密性优良优可优耐酸性优可良次优指标乙丙橡胶丁基橡胶硅橡胶永久压缩变形/%-+10+4010070h+25+9010070h耐磨性良优可良可良邵氏硬度309015753095热导率0.110.27-长期工作温度/-50130-40130-10180耐水性优良优劣可气密性良优良优良耐酸性优优可4.2静平台设计静平台是并联机器人结构中静止不动的元件,起着对整个并联机器人的工作提供支撑的重要作用。由于该机械手是在水下作业,为了减轻机械手的重量,同时考虑到海水的腐蚀性,静平台的材料选用具有高抗腐蚀性的非热处理系熔接构造用合金5086。5086铝合金是一种热处理不强化铝合金,它可以通过冷作硬化方法进一步提高强度。该合金含有:Mg3.5%4.5%,Mn0.2%0.7%,Cr0.05%0.25%,Fe0.50%,Si0.40%,Zn0.25%,Ti0.15%,Cu0.10%,余量为Al。这种合金的特点是具有高的强度,优秀的焊接性能和耐腐蚀性。5086合金在所有状态下有优秀的耐一般腐蚀性能,在工业气氛和海洋气氛下使用时,不需采取防护措施,很适合作为本次水下并联机械手的设计材料。其杨氏模量E为72GPa,泊松比v为0.33,极限抗拉强度b为290MPa,屈服强度为217MPa,密度为2.66g/cm3。本设计的静平台结构如图4-1所示图4-1静平台4.3步进电机固定座设计步进电机固定座的作用是将步进电机固定在静平台上,电机与静平台的连接要保证精准与稳定,稳定的电机才能给出完整的输出。本设计的步进电机固定座结构如图4-2。和静平台一样,由于该机械手是在水下作业,为了减轻机械手的重量,同时考虑到海水的腐蚀性,固定座的材料选用具有高抗腐蚀性的非热处理系熔接构造用合金5086。其杨氏模量E为72GPa,泊松比v为0.33,极限抗拉强度b为290MPa,屈服强度为217MPa。图4-2步进电机固定座4.4主动臂设计同样,由于该机械手是在水下作业,为了减轻机械手的重量,同时考虑到海水的腐蚀性,静平台的材料选用具有高抗腐蚀性的非热处理系熔接构造用合金5086。其杨氏模量E为72GPa,泊松比v为0.33,极限抗拉强度b为290MPa,屈服强度为217MPa。Delta并联机构主动臂的作用是将电机输出的扭矩传递到从动臂上。在扭矩输出轴处因为要传递扭矩,所以设计出键槽,而连接从动臂的圆孔处没有扭矩输出,所以无需设计键槽,省去了制造工艺的工步。图4-3主动臂4.5从动臂设计从动臂由四个球铰和两个杆件构成,为了减轻整个并联机械臂的重量,杆身采用中空设计。从动臂是实现动力间接传递的元件,其结构如图4-4所示。从动臂两端均通过球铰结构连接到主动臂和动平台之间,其结构主要由球头座、中间圆柱杆、固定叉等结构组成,结构运行流畅,连接可靠。从动臂在并联机器人工作时,起着对动平台的拉伸摆动以及对主动臂的动力传递等作用,由于并联机器人的承载较小,且从动臂是由2根轻型杆共同作用,在设计的过程中应在保证从动臂刚性的同时,使杆的质量较轻,因此选择细长杆作为支撑杆。由于该机械手是在水下作业,为了减轻机械手的重量,同时考虑到海水的腐蚀性,静平台的材料选用具有高抗腐蚀性的非热处理系熔接构造用合金5086。其杨氏模量E为72GPa,泊松比v为0.33,极限抗拉强度b为290MPa,屈服强度为217MPa。图4-4从动臂4.6动平台设计动平台是并联机器人的末端结构,是与机械手爪相连的部分,图4-5为动平台结构,其结构形状为等边三角形结构,通过球面副与从动臂相连接,球头部安装在动平台三角形3个顶角处,动平台的中间部分与辅助支链和机械手爪相连接,为保证连接的流畅性和可靠性,在中间通过角接触球轴承相连接,既能承受横向载荷,又能使纵向载荷施加在动平台上。 图4-5动平台4.7机械手爪设计机械手爪,也称为机械手上的末端执行器或夹具,是指附在机械手手腕末端的工具。它可以是机器人自身的全部载荷,也可以是抓取一个或多个零件的机械装置。机器人控制的主要目标是控制各个机械关节的位置,将机械手爪放置在空间中的预定位置。在设计过程中,应努力简化机械手爪的设计和功能,其可靠性与手爪的复杂性成反比。日常生活中一个手爪可以完成多项任务。事实上,对工件或工艺的改进可以简化对机械手夹具的要求。同时,考虑到水下手爪的特殊工作环境,故设计的手爪在实现基本的抓握动作后,结构越简单越好。本次设计的机械手爪采用四爪结构,如图4-6。中间选用一个紧凑型气缸来控制手爪的张合。气缸通过一个十字形的连接端直接与四个活动爪相连,通过气缸的往复运动来带动活动爪运动,从而实现物体的抓放。考虑到水下的工作环境,气缸需要做防水密封处理,防止气缸漏气影响机械手爪的正常工作。其余部分考虑到海水的腐蚀性等因素,同样采用具有高抗腐蚀性的非热处理系熔接构造用合金5086。图4-6机械手爪4.8旋转部分设计旋转部分的结构如图4-7所示,主体为两个固定端以两根导柱连接,一个滑动端与中间的旋转导杆相连,滑动端可以以导柱为轨道,带动旋转导杆滑动。旋转导杆另一端通过一个万向节与电机输出轴相连,从而使电机能输出扭矩到旋转部分上。另一头的固定端同样通过一个万向节,与机械手爪相连,这样,电机输出扭矩使旋转部分旋转,然后带动机械手爪的旋转,完成对手爪的控制。图4-7旋转部分4.9整体结构装配三个步进电机在Delta并联机械手臂上均匀分布,通过联轴器将步进电机的扭矩输出到主动轴。主动臂的另一端用球面副和连杆相连,两根连杆为一组组成从动臂,实现动力间的传递。连杆另一端接动平台,通过球面副连接,三组连杆共同作用实现动平台三个自由度的运动。图4-8 Delta机器人总体结构4.10本章小结本章主要对水下Delta并联机械手进行了结构设计。对所用电机的类型进行了选择,对静平台、电机固定座、主动臂、从动臂、动平台、机械手爪、控制机械手爪旋转的旋转部分进行了结构设计,并对水下Delta并联机械手进行了整体装配。5 部分零件的有限元分析及优化设计5.1有限元分析介绍有限元分析(FEA)使用数学近似来模拟真实的物理系统。有限元分析在寻求问题解决方法之前,先用简单的问题替换复杂的问题,进行仿真模拟。假设一个解域由几个称为有限元的相互连接的小子域组成,为每个元素假设一个合适的近似解,然后推导求解这个域总的满足条件,通过这种仿真模拟,来得到复杂问题的解决方案。这个解决方案是一个近似的解决方案,而不是一个精确的解决方案,因为真正的问题被一个更简单的问题所取代。大多数实际问题很难得到精确解,而有限元不仅具有较高的计算精度,而且可以适应各种复杂的几何形状,使其成为一种有效的工程分析方法。有限元分析的基本步骤通常为:第一步前处理。根据实际问题定义求解模型,主要有下面几个问题:(1) 定义问题的几何面积,近似求解域面积;(2) 定义单元类型;(3) 定义单元的材料属性;(4) 定义单元的几何属性,如长度、面积等;(5) 定义单元的连通性;(6) 定义单元的基函数;(7) 定义边界条件;(8) 定义载荷。第二步 组装和拆包:将元素组装成整个离散域的总矩阵方程(共方程)。总装在相邻器件的节点处进行。在节点中建立状态变量及其函数(如果可能)的连续性。联立方程可以用直接法和迭代法求解。求解结果是元素节点处状态变量的近似值。第三步 进行后处理,根据相关标准对得到的解进行分析和评价。后处理使用户可以轻松提取信息并了解计算结果。5.2静平台的分析利用SolidWorks的有限元分析插件,对静平台进行分析。静平台材料选用高抗腐蚀性的铝合金5086,其杨氏模量E为72GPa,泊松比v为0.33,极限抗拉强度b为290MPa,屈服强度为217MPa。根据该零件的实际情况对其添加约束及相应载荷,分析求解得到分析结果,以下为其应力图和应变图。图5-1静平台应力图图5-2静平台应变图由有限元分析结果可以得知, 静平台应力比较大的部位出现在与机器人进行安装连接的孔上及附近区域,但最大应力远小于所选用的铝合金5086的屈服强度217MPa,应变较大的位置同样出现在与机器人进行安装连接的孔上及附近区域,但是最大应变不超过0.01mm,所以符合设计要求。5.3主动臂的分析及优化设计5.3.1主动臂的分析利用SolidWorks的有限元分析插件,对主动臂进行分析。主动臂材料选用高抗腐蚀性的铝合金5086,其杨氏模量E为72GPa,泊松比v为0.33,极限抗拉强度b为290MPa,屈服强度为217MPa。根据该零件的实际情况对其添加约束及相应载荷,分析求解得到分析结果,以下为其应力图和应变图。图5-3主动臂应力图图5-4主动臂应变图由有限元分析结果可以得知,主动臂应力比较大的部位出现在主动臂与电机输出轴连接的键槽部位,但最大应力远小于所选用的铝合金5086的屈服强度217MPa,应变较大的位置同样出现在主动臂与电机输出轴连接的键槽部位,但是最大应变不超过0.01mm,所以符合设计要求。5.3.2主动臂优化设计经过对主动臂的有限元分析,发现其结构存在一些不够合理的地方,比如圆柱体的设计有些过于浪费材料,加重了机构的整体重量,而主动臂与电机输出轴的连接处显得有些薄弱。所以对主动臂的结构进行了优化设计,其结构如图5-5.图5-5主动臂优化后结构由于主动臂受到剪切应力,并且越靠近扭矩输出轴的地方剪切应力越大,因此将连接两个中心孔的连接板设计为宽度逐渐变化的形状。在扭矩输出轴处需要传递扭矩,所以所以设计出键槽,而连接从动臂的圆孔处没有扭矩输出,所以不需要加工出键槽,这样还减少了制造工艺的工步。5.4从动杆的分析及优化设计5.4.1从动杆的分析利用SolidWorks的有限元分析插件,对从动杆进行分析。从动杆材料选用高抗腐蚀性的铝合金5086,其杨氏模量E为72GPa,泊松比v为0.33,极限抗拉强度b为290MPa,屈服强度为217MPa。根据该零件的实际情况对其添加约束及相应载荷,分析求解得到分析结果,以下为其应力图和应变图。图5-6从动杆应力图图5-7从动杆应变图由有限元分析结果可以得知,从动杆应力比较大的部位出现在从动杆与铰链销连接处,整体比较均匀,最大应力远小于所选用的铝合金5086的屈服强度217MPa,应变同样比较均匀,最大应变不超过0.01mm,符合设计要求。5.4.2从动杆优化设计通过对从动杆的有限元分析,可以得知从动杆整体应力应变比较均匀,而且由于机械手的运动特性,从动杆基本只受轴向拉压力。所以对于从动杆的优化,可以从材料下手,选择一种更轻的材料,以此减轻机构的重量。此次优化设计选用的材料为碳纤维树脂基材料,又称为PAN基碳纤维。碳纤维棒是采用高科技复合材料碳纤维原丝经浸乙烯基树脂高温固化拉挤(或缠绕)制成的。碳纤维成为当前最重要的高性能纤维材料之一;碳纤维具有强度高,寿命长、耐腐蚀,质量轻、低密度等优点,广泛应用于风筝、航空模型飞机、灯用支架、PC设备转轴、蚀刻机、医疗器械、体育器材等机械设备。尺寸稳定、导电、导热、热膨胀系数小、自润滑和吸能抗震等一系列优异性能。具有高比模、耐疲劳、抗蠕变、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特点。碳纤维棒重量轻,强度高。它的比重为1.4-1.5g/cm3,仅是钢材的四分之一,运输和施工安装都极为方便,与塑料制品相比,其强度是塑料制品的几十倍,因此轻质高强是碳纤维棒复合材料的显著特点之一。碳纤维棒能耐酸,碱,盐,部分有机溶剂及其它腐蚀性侵蚀,在防腐蚀领域有其它金属无法比拟的优越性,且有较好的耐水性和抗老化性,因此无论在腐蚀性的环境和恶劣的露天,潮湿的环境作业,其使用寿命可达15年以上。此次设计选用的碳纤维树脂基材料的抗拉强度高达3500MPa,比钢高出7-9倍;弹性模量也比钢材要高得多,高达23000-43000MPa。用该材料代替铝合金5086,在减轻从动杆重量的同时,还明显地强化了从动杆的性能,提高了从动杆的使用寿命。甚至还可以进一步减小从动杆的半径,在不影响其正常工作的情况下进一步减轻重量。5.5本章小结本章主要介绍了有限元分析,通过有限元分析部分零件,验证该零件是否满足设计需求,并且在此基础上,对主动臂和从动杆进行了轻量化节能优化设计,使整个Delta并联机械手的整体重量减轻,提高机械手臂的工作时间。6 结论本文对水下机器人和并联机械手的历史背景,国内、国外的研究现状做了较为详细的介绍,以三自由度的Delta并联机械手为研究对象,进行对比分析,重新设计了并联机械手的结构。首先,从定义出发,了解什么是并联机构。并联机构与串联机构的区别、并联机构的优点和缺点是什么也做了阐述。然后对并联机械手的种类进行了列举说明,其中有三个自由度的Delta并联机械手为接下来的研究对象。在第三章主要介绍了Delta并联机械手的概念和运动方程建模过程,参考前人的研究成果来进行机构的运动分析。其中包括坐标系的建立,动平台的位置正解、位置反解等。大部分公式都来源于其他文献,具体合不合理还需要深入的验算。然后对于机构各部分的尺寸做了初步的设定。理论部分完成后,接下来就是对并联机械手的结构进行设计。并联机械手作为一种较为成熟的技术,有许多前人的设计经验与资料,结构设计起来相对轻松。首先对于驱动部位进行了设计,包括
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