六自由度机械臂开题报告
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课题的目的及意义(含国内外的研究现状分析或设计方案 1 课题的目的及意义(含国内外的研究现状分析或设计方案 比较,选型分析等) 比较,选型分析等)
1.1 研究背景及课题意义 研究背景及课题意义
机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一,人类对于机器人的研究由来已久. 上世纪70年代之后,计算机技术,控制技术,传感技术和人工智能技术迅速发展, 机器人技术也随之进入高速发展阶段,成为综合了计算机,控制论,机构学,信 息和传感技术,人工智能,仿生学等多门学科而形成的高新技术.其本质是感知, 决策,行动和交互四大技术的综合,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域. 机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志[1] [2]. 机器人技术的研究在经历了第一代示教再现型机器人和第二代感知型机器人 两个阶段之后进入第三代智能机器人的发展阶段. 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化 装置,它是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置.近年来,随 着电子技术特别是电子计算机的广泛应用,机器人的研制和生产已成为高技术领 域内迅速发展起来的一门新兴技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能 更好地实现与机械化和自动化有机结合.机械手能代替人类完成危险,重复枯燥 的工作,减轻人类劳动强度,提高劳动生产率.机械手越来越广泛地得到了应用, 在机械行业中它可用于零部件组装 ,加工工件的搬运,装卸,特别是在自动化数 控机床,组合机床上使用更普遍.目前,机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔 性制造单元FMC中一个重要组成部分.把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工 系统或柔性制造单元,它适应于中,小批量生产,可以节省庞大的工件输送装置, 结构紧凑,而且适应性很强.当工件变更时,柔性生产系统很容易改变,有利于 企业不断更新适销对路的品种,提高产品质量,更好地适应市场竞争的需要. 此外,医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃,投资最多的方向之 一,其发展前景非常看好.近年来,医疗机器人技术引起美,法,德,意,日等国 家学术界的极大关注, 研究工作蓬勃兴起.二十世纪九十年代起,国际先进机器 人计划已召开过的多届医疗外科机器人研讨会己经立项,开展基于遥控操作的外 科研究,用于战伤模拟手术,手术培训,解剖教学.欧盟,法国国家
科学研究中心 也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一
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在发达国家已经出现医疗,外科手术机器人市场化产品,并在临床上开展了大量 病例研究.而目前我国的机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距 离,应用规模和产业化水平低.机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产 及医疗水平的提高,从经济上,技术上考虑都是十分必要的.因此,进行机械手 的研究设计是非常有意义的.
1.2
国内外研究状况
1.2.1 国外研究状况
机器人主要分为两类:工业机器人以及其他特种机器人,自1962年美国推出世 界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人以来,机器人在工业发达国家得到 了迅速发展.根据国际工业机器人联合会(IFR)前几年的统计[3]:2000年全世界工 业机器人的总数达到82万台,比1996年增加24%.其中日本拥有42万台,占全世 界机器人总数的50%左右,继续保持"机器人王国"的地位.除日本外,世界上 还有许多工业发达国家,如美国,前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展得 很快.例如,在美国,1970—1980年间的机器人台数增加20倍以上.尽管美国所 拥有的机器人在台数上不如日本.但其技术水平较高.占有一定的优势.在亚洲, 韩国的机器人产业发展也很迅速,现排名世界前列.而日本,韩国和新加坡的机 器人密度(即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量)居世界第1-3位,包揽了 前三名.西欧的意大利,法国,英国和东欧的匈牙利,波兰等,机器人制造业及 应用机器人的情况都有很大发展.
图1
图2
其他特种机器人是国外近年来才迅速发展起来的, 是机器人技术的一个重要发 展方向,主要研究方向有:空间机器人,医用机器人,水下机器人,建筑机器人 和军用排爆机器人等等[4]. 现在国外的机器人各个方面的技术发展现状为[5]: ① 机械结构
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以关节型为主流, 80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量 的1/3.90年代初开发的适应于窄小空间,快节奏,全工作空间范围的垂直关节 型机器人大量用于焊接和上,下料.应3K和汽车,建筑,桥梁等行业的需求,超 大型机器人应运而生. ② 控制技术 大多采用32位CPU,控制轴数多达27轴,NC技术,离线编程技术大量采用.协 调控制技术日趋成熟,实现了多手与变位机,多机器人的协调控制.采用基于PC 的开放结构的控制系统已成为一股潮流. ③ 驱动技术 80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机器人中. 新一 代的伺服
电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已开发并用于工业机器人 中:在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术. ④ 应用智能化的传感器 装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势,不少机器人装有两种以上传感器, 有些机器人留了多种机器人接口. ⑤ 网络通讯方式 大部分机器人采用了Ether网络通讯方式, 占总量的41. 3%, 其他采用RS一232, RS一485等通讯接口. ⑥ 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:而另一种并联结构的NC机器人,其位置重 复精度达1um.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. ⑦ 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接在一起,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.
1.2.2 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
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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. 现在,我国从事机器人研发的单位有200多家[7],专业从事机器人产业开发的 企业有50家以上."九五"期间,国家"863"高技术计划己将沈阳新松机器人自 动化股份有限公司,啥尔滨博实自动化设备有限责任公司,一汽集团涂装技术开 发中心,北京机械工业自动化所,上海机电一体工程有限公司,四川绵阳四维焊 接自动化设备有限公司等确立为智能机器人主题产业化基地.大连组台机床所, 上海富安工厂自动化公司,东风汽车公司,昆明船舶公司,哈尔滨焊接研究所, 安川北科公司等单位,也都凭借自己开发生产的特色机器人或应用工程项目活跃 在当今国内工业机器人市场上.此外,一些科研院所和大学也均在进行机器人技 术及应用项日方面的研发工作.近几年,我国工业机器人及含工业机器人的自动 化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元. 我国机器人技术主题发展的战略目标是[8]: 根据2l世纪初我国国民经济对先
进 制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工 业机器人技术领域的基础技术,产品技术和系统技术.未来工业机器人技术发展 的重点有:第一,危险,恶劣环境作业机器人:主要有防暴,高压带电清扫,星 球检测,油汽管道等机器人:第二,医用机器人:主要有脑外科手术辅助机器人, 遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人:主要有移动机器人,网络遥控操作机 器人等.其发展趋势是智能化,低成本,离可靠性和易于集成. 我国的机器人研究开发与应用已经取得了一定的成绩,但是总的来看,我国 的机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离,无论从机器人 的数量上还是技术上,我们都有一定的差距.进入新世纪以后,国际竞争日益激 烈,对机器人的需求越来越大,我国的机器人产业将面临新的发展机遇和来自国 外的挑战,因此我们需要自主发展机器人高技术,解决产业化前期的关键技术. 积极推进我国的机器人产业化的进程.
1.3 1.3 机械臂的要求
① 承载能力足: : 手臂是支承手腕的部件,设计时不仅要考虑抓取物体的重量或携带工具的重 量,还要考虑运动时的动载荷及转动惯性. ② 刚度高: 为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形,手臂的截面形状要合理选择. 工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面大,空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心 轴大得多.
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③ 导向性能好,定位精度高: 为防止手臂在直线运动中,沿运动轴线发生相对转动,应设置导向装置.同 时要采用一定形式的缓冲措施. ④ 重量轻,转动惯量小: 为提高机器人的运动速度,要尽量减少臂部运动部分的重量,以减少整个手
[9] 臂对回转轴的转动惯量 .
⑤ 合理设计与腕部和机身的连接部位: 臂部的安装形式和位置不仅关系到机器人的强度,刚度和承载能力,而且还 直接影响到机器人的外观.
1.4 机械臂的选型分析 1.4 机械臂的选型分析
方案一:
图3
分析:上图为常见的六轴关节机器人的机械结构,六个伺服电机直接通过谐波减速 器,同步带轮等驱动六个关节轴的旋转,注意观察一,二,三,四轴的结构,关节 一至关节四的驱动电机为空心结构,关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该 不常见,空心轴结构的电机一般较大.采用空心轴电机的优点是:机器人各种控 制管线可以从电机中心直接穿过,无论关节轴怎么旋转,管线不会随着旋转,即 使旋转,管线由于布置在旋转轴线上,所以具有最小的旋转半径.此种结构较好 的解决了工业机器人的管线布局问题.对于工业机器人的机械结构设计来说,管 线
布局是难点之一,怎样合理的在狭小的机械臂空间中布置各种管线(六个电机 的驱动线,编码器线,刹车线,气管,电磁阀控制线,传感器线等) ,使其不受关
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节轴旋转的影响,是一个值得深入考虑的问题. 方案二: 方案二:
图4
l-基座:2-肩关节;3-支撑架;4-大臂;5-肘关节 6-小臂;7-腕关节:8-手腕:9-手爪 机械臂机构示意图
分析:因为设计必须满足机构的运动要求,重量轻,刚性好,易制造;优选一些 简单,合理,紧凑,实用的结构型式;工艺性要好,成本要低,安全可靠性好, 外观造型要美观大方;尽可能采用标准件,以提高互换性,降低成本;尽可能采 用模块式结构,以提高通用性;还要便于装配调整和维修.如图,整个结构为空 间关节型的,具有五个自由度,均为转动关节,其中基座转动关节实现机器人本 体除基座以外的机构的转动;肩关节带动大臂,小臂,手腕,手爪进行俯仰转动, 以满足机器人工作空间上高度的要求;大臂,小臂以及手腕均可在允许的范围内 运动;腕关节可以实现俯仰以及摆动,可以方便的改变手爪的位姿.机器人大臂 和小臂的结构一致,都要根据机器人的运动形式,抓取重量等各个因素来确定, 一般要求手臂的弯曲和扭转刚度要好,重量要轻.我们可以考虑采用硬铝合金的 材料做成空心管.这样即保证有较高的刚度,也使得手臂的重量很轻,减少电机 的负载. 综合考虑,作为臂的部分,我选择方案二的臂结构,其结构简单,制造容易, 便于装配和维修,尤其是在保证较高刚度的同时能保证其重量轻,减少电机负载 且通过合理的设计应能达到所需要求.
2,课题任务,重点研究内容,实现途径 课题任务,重点研究内容,
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2.1 课题的任务
本课题就是设计出一个全自动的机械手中的"臂" :要求机械手的结构灵活, 定位精确,可以在工作空间里达到任意位置,操作方便,每个关节易于控制. 考虑到我们机械手的性能需求如下: ① 启动,停止和反向转动,均能连续有效的进行,且具有良好的响应特性. ② 正转和反转时的特性相同,且运行特性稳定. ③ 维修容易,而且不太需要保养. ④ 具有良好的抗环境干扰能力,对于输出来说,体积小,重量轻. ⑤ 有良好的定位精度,重复定位精度,以及平稳的运行轨迹.抗振性好,操作方 便.
2.2 课题的重点研究内容
本课题研究涉及机械原理,机械设计,机器人,齿轮传动,实体建模,有限 元分析,计算机辅助设计等方面的相关内容. 主要研究内容: 机械臂的机械部分是整个机器人的执行机构,机构型式的好坏,将直接影响 到整个系统.
所以,机构的设计非常重要.我们主要从以下几个方面对其进行研 究: ① 针对全自动机械手中"臂"机构进行调研,查阅国内外研究资料,资料收集及整 理; ② 可达空间的范围.根据设计要求和满足各种工作的需要,机器人前端应能到达 工作需要的范围内的各个位置,并且基本上没有死区. ③ 机构的设计. 具体的包括运动副型式的合理选择和配置. 传递运动的最佳路线, 驱动的最佳速比等.机构设计不合理,可能会出现臂杆的相互干涉或驱动装置无 法运行,机构不能运动等问题. ④ 自由度的选取. 一般来讲, 自由度越多, 避障和奇异功能越强, 可操作性越好, 灵活性越好.但随着自由度的增多将出现机器人机构的复杂化,刚度的削弱,控 制起来非常困难等问题.机器人按运动形式分为直角坐标型机器人,圆柱坐标型 机器人,关节型机器人和极坐标型机器人.
直角坐标型
圆柱坐标型
关节型
极坐标型
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因此,在能满足一定的选型原则的前提下,采用冗余自由度尽量少的,机构简单 的形式.综合国内外相关的设计情况,我们考虑设计成关节型的机器人.因为, 关节型机器人模拟动物和人类肢体,甚至是整体而最具有仿生性,也就具有了优 于其他类型机器人的动作能力.并且,关节型机器人在相同条件下比非关节型机 器人具有大得多的相对空间和绝对空间.其中,开链连杆式机器人是现在使用最 多的一种,其主体结构的三个自由度腰关节,肩关节,肘关节全部采用转动关节, 手腕上也采用转动关节来确定末端的姿态,具有优点如下: 1).结构紧凑,工作范围大而安装占地小. 2).具有很高的可达性.可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内 进行作业,而直角坐标型的机器人就不行. 3).因为没有移动关节,所以不需要导轨.转动关节容易密封,由于轴承件是 大量生产的标准件,则摩擦小,惯量小,可靠性好. 4) .所需关节驱动力矩小,能量消耗少. 直流电机实际上是机器人平台的标准电 ⑤ 对"臂"机构传动设计及基本设计计算. 机,有着极宽的功率调节范围,适用性好,具有很高的性价比,输出力矩较大, 易于控制等等,是一种最为通用的电机.我们选择用直流电机作为驱动.设计计 算数值要根据具体负载,运动路线等因素进行具体计算. ⑥ 根据机构运动要求,完成全自动机械手中"臂"机构设计,包括结构图,装配图 设计;机械臂的回转运动机构: 1) 常见方式: 常见的有齿轮传动机构,链轮传动机构,活塞及连杆传动机构等. 2) 曲柄滑块机构: 假设滑块是主动件,当滑块沿一定的导轨移动时,可以推动曲柄做摆动或圆周运 动. 3) 典型机构: 液压缸
—连杆回转机构,齿轮驱动回转机构. 下面是几种参考结构:
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图6
图7
图8
⑦ 用 UG5.0 建立全自动机械手中"臂"机构三维模型,并进行运动仿真. ⑧ 根据仿真后的结果,进行具体实验,测试并校核真实情况下的强度和运动能否 达到要求.
2.3 课题的实现途径
在深入分析和理解自己研究课题的任务和重点研究内容的基础上,主要从以 下途径着手: ① 通过参考大量的文献,掌握课题研究的背景,调研国内外有关课题研究方面的 现状,发展和应用情况,发现全自动机械手中"臂"机构设计中的问题,明确课 题研究的目的,意义,任务及内容. ② 通过到机械加工车间参观学习,观察全自动机械手的外形结构,了解全自动机 械手的工作原理,并进行分析各运动之间的关系;了解全自动机械手的实际应用 情况,以便绘制详细的机械臂的原理图和装配图. ③ 学习和掌握全自动机械手实现手术的相关方法和技术, 并结合课题实际分析各 种相关方法和技术的优缺点,以便确定方案和设计内容. ④ 根据机器人的工作要求,确定机器人的基本功能和方案.如机器人的自由度, 信息的存储量,计算机功能,动作精度的要求,所能抓取的重量,容许的运动范 围,以及对温度,震动等环境的适应性. ⑤ 通过到加工车间参观学习和查看资料, 通过小组讨论沟通方式学习和掌握全自 动机械手各部分运动与动力的传递,功能的实现,各部分的衔接以及运动范围的 控制以设计出整个机械臂的结构.
3.进度计划 3.进度计划
进 序号 度 安 排 时间(起止周数)
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设计(论文)工作内容
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调研,资料收集及整理; 分析全自动机械手中"臂"机构的基本原理,基本理论
4 周至 7 周
2
及方法;全自动机械手中"臂"机构的传动设计及基本 设计计算; 全自动机械手中"臂"机构的设计,结构图,装配图设
7 周至 8 周
3 4 5 6
计; 全自动机械手中"臂"机构传动分析研究; 分析整理, 拟写毕业设计论文; 修改毕业设计论文, 准备答辩, 答辩;
8 周至 11 周 11 周至 12 周 12 周至 13 周 13 周至 15 周
学生签名:
尹顺杰 2010 年 4 月 29 日
4,指导教师意见
指导教师签名:
年
月
日
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主要参考文献
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