【《一款七自由度仿人机械臂的初步方案设计案例分析》3500字】

一款七自由度仿人机械臂的初步方案设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u23829一款七自由度仿人机械臂的初步方案设计案例分析 160241.1课题设计任务 195122.2课题主要涉及工程复杂问题及解决方案 228951.3总体方案确定 266481.3.1人体上肢自由度和比例分析 282091.3.2驱动的大体上的选型 4223311.3.3控制器的选择 6302901.3.4整体方案设定 7103641.4非技术要素分析 731031.4.1工程与社会 7147211.4.2环境与可持续发展 852281.4.3职业规范 8221831.4.4项目管理 81.1课题设计任务本课程设计要求设计一款七自由度仿人机械臂机械设计，要求具有较好的灵敏性，工作范围较大，可承受负载高，机械本体重量轻等特点，另外需要根据人体手臂的大体结构进行合理布置相对应的自由度，设计出一款具有人机工程学特点的七自由度机械臂系统，其技术指标要求为：机械臂整体与人体上肢具有相同的结构和尺寸比例，具有较高的灵活性；具有重量轻，工作空间大，高载荷等特点；负载不小于50公斤；四个自由度调整范围：肩关节，回转角，0°~+90°；俯仰角，-90°~+90°；侧倾角，0°~120°。肘关节，0°~+120°；运动过程要求稳定性好，晃动小；本体重量不超过300公斤；调整速度不小于10度每秒。通过以上技术要求，分析所得，本次设计研究的重点有以下几点：第一，此次设计要符合人体上肢的结构和尺寸比例；第二，单条机械臂的重量不得超过300公斤，在计算时则按照300公斤进行计算；第三，负载不得小于50公斤，则计算时我们按照60公斤进行计算；第四，运动过程要求稳定性好，则需要选择足够大且满足硬件条件的硬件设备；第五，工作范围大，在这里我们假设机械臂臂长为2m左右。课题主要涉及工程复杂问题及解决方案“七自由度仿人机械臂机械设计”的设计过程所必须解决的复杂工程学问题以及相对应的解决方案：（1）本次机械臂设计涉及到人机工程学的问题，我们需要查阅资料，查到各个自由度之间的是如何布置的，并且需要解决大臂长度和小臂长度的比值的问题。（2）本课题最为棘手的问题便是驱动源的选型问题，驱动的选择将直接影响到连接杆件之间的设计，以及每个旋转自由度的实现形式，甚至会影响到自由度之间动力稳定性的问题，由于大多数机械臂目前均属电控，则在这里我们拟选用电作为我们的驱动源进行设计，在本文中将不在做过多的解释说明。（3）需要建立合理的满足设计要求的模型进行仿真设计，所建立的模型需要具有一定的创造性和合理性，并且需要进行建立模型的校验、优化等，在这里我们使用SolidWorks给出所做的结果；（4）涉及到如何实现本七自由度仿人机械臂的控制方式，控制器件的选型，传感器的选择等技术问题，这需要我们按照理论计算、优化设计后所确定的硬件型号进行确定。（5）所涉及到的问题，可能并没有包含在现有工程实践的标准和规范中；该领域面向新兴技术的应用，在设计上，目前并没有形成任何与之有关的标准。1.3总体方案确定1.3.1人体上肢自由度和比例分析相对于本次设计来说，我们需要了解人体手臂的自由度分布和人体上肢前臂和上臂的比例。人体上肢的上臂和前臂之间的比例问题，因为人们生存环境的不同、年龄的不同、体重不同和性别的不同，导致了人们的身高不同，臂展不同，大体上的上臂和前臂之间的比例也不尽相同。由于我们本次课程设计的目标对象是工厂或设计成为一款相对工业化的机器人，则我们在此只考虑成年人为此项设计的目标对象。在这里按国家标准的中国成年人人体尺寸中的几组数据[15-17]，数据如下：年龄18~25岁26~35岁身高（mm）176417891730175517761815上臂长（mm）333339350333339349前臂长（mm）254259269253258268比例1.3111.3091.3011.3161.3141.302表1.3.1-1国人18-35岁上肢平均数据[16-17]根据表，我们求取比例的平均数，为x≈1.309如图1.3.1-1所示，是人体手臂自由度分布示意图，其中ϑ1QUOTEϑ1是上臂前驱/后伸所需要的自由度；ϑ2是上臂外展/内敛所需要的自由度；ϑ3是上臂内旋/外旋所需要的自由度，这个自由度转动度数较小，当我们转动我们胳膊时，用另一只手抓住我们的小臂时才能感觉到这个自由度的存在；ϑ4是我们肘关节这个自由度，这个自由度负责前臂的屈/伸；ϑ5是前臂外旋/内旋所需要的自由度，古文有：翻手为云，覆手为雨。也就是此自由度；ϑ6和ϑ7是腕部的两个自由度，这两个自由度的分别负责手部的屈/伸和外展/内敛。[6]如图1.图1.3.1-1人体手臂自由度分布图1.3.2-2七自由度仿人机械臂的布置1.3.2驱动的大体上的选型首先应该指出的是，本次课程设计中机械臂的速度为10度每秒，则需要选择伺服电机，因为伺服电机依靠脉冲从而接受控制，伺服电机每接收一个脉冲信号旋转对应的角度，且转动的速度和脉冲的频率成正比，[18]可以很好的进行速度控制，另伺服电机配备上编码器能够更好地进行角度控制，这样可以大大提高机械臂的定点定位，且伺服电机还有工作周期短、减小装置震动、可在严酷条件下进行工作和可视化等优点，需要指出的是在这里选择安川伺服电机进行下面的工作；另外由于此次设计的机械臂的工作范围相对较大，所允许负载较重，则以大型工业机械臂设计为参考，我们这里需要对RV减速器进行选型，RV减速器拥有相当多的优点，例如：机械结构紧凑、体积外形轻巧，小型高效，安装简易、灵活轻捷、性能优越、易于维护、运行平稳等，[19]特别适用于此次的七自由度机械臂设计之中。图1.3.2-1伺服电机图1.3.2-2RV减速器RV减速器分为E系列减速器构造和C系列减速器构造，分别应用于不同的场景，E系列减速器通过轴与电机直接相连，C系列减速器通过链轮或同步带轮与电机相连，则可以得出C系列减速器会增加机械臂结构的复杂性，则在此可得出E系列减速器会更加适合七自由度仿人机械臂的设计。图1.3.2-3RVE系列减速器图1.3.2-4RVC系列减速器如下表，根据RVE系列减速器的在不同情况下的额定转矩进行选择：表1.3.2-1RVE系列减速器相关数据n=v∗60其中： n：电机转速，r/min； v：电机转速，°/s。可见减速器对应的转速小于5r/min，所以按照减速器最左边这列进行选择。1.3.3控制器的选择此次设计题目是七自由度仿人机械臂，属于工业机械臂的范畴，工业上，一般选用过程控制卡对机械臂进行控制，运动控制卡是基于PCI总线的高集成度、高可靠度的脉冲式运动控制卡，可用于各种运动控制场合[20]，如位移控制、速度控制、加速度控制，可以满足新兴数控系统的标准化、柔性化、开放性等要求，多用于控制步进电机或伺服电机。此次设计的是七自由度仿人机械臂，即此次设计含有七个轴，则需要一款八轴的过程控制卡。在这里选用固高科技的运动控制卡。图1.3.3-1运动控制卡1.3.4整体方案设定通过上述几个小节，可以得出此次设计所需要的进行的整体方案，如下：图1.3.4-1整体方案此次设计分为两个方向，数据准备和人体上肢分析，上肢分析已由1.3.1小节分析，下面可根据1.3.1得到的结论进行计算；数据准备阶段需要首先需要确定自由度所需要的力矩和转矩，需要计算出每个自由度中最大的力矩和转矩，通过计算出来的数据，首先确定减速器的选型，根据减速器的相关资料或者功率计算公式选定伺服电机，最后根据伺服电机选定伺服电机控制器的选型，到此数据准备阶段完成。数据准备和上肢分析完毕后，按照相对应的选型和长度比例进行合理的自由度布置，并进行机械设计，在这里需要保证伺服电机、减速器的可合理安装，甚至要考虑到伺服电机电线的出口方向等问题；机械设计完毕后，要根据选定的控制器的相关资料确定控制方案；到此此次机械设计设计完毕。1.4非技术要素分析1.4.1工程与社会机电产品设计过程中应该充分考虑其对社会安全、法律及文化等方面的影响，而且应该保证产品对人的友好性。本次课题所设计的恒压泵系统，为一款集成化气源，设计过程中应该保证操作人员使用过程中的人身安全，同时便于操作。此系统主要用于微流控技术的驱动环节，对社会安全不会造成任何影响，无法律威胁。而且，系统在微流控技术中有着重大实际意义，而微流控技术已成为国内外热门研究内容，因此本次的毕业设计对社会文化具有极大地促进作用。1.4.2环境与可持续发展所研究系统对促进微流控技术的发展具有重大意义，而微流控技术广泛应用于化工、医药等诸多领域，可大大提高反应率，减少废弃物的产生，对解决环境问题有着极大的现实意义，进一步促进社会的可持续发展。同时，系统设计时应该充分考虑产品的使用寿命以及可回收利用性，保证其报废后不会对社会造成污染。1.4.3职业规范作为一名合格的机电工程师，应该具备一定的人文社会科学素养和道德修养，应该确保所设计的产品对人类的发展有着促进