自由度機械手設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上四自由度機械手設(shè)計摘要：工業(yè)機械手由機械本體、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)機械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡單，通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。本課題將設(shè)計一個四自由度機械手，其中，三個移動自由度，需完成

2、X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動要求，另外一個旋轉(zhuǎn)自由度，完成手部的旋轉(zhuǎn)運動要求。它能實現(xiàn)平面運動，具有柔順性，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，廣泛用于裝配作業(yè)中。關(guān)鍵字： 機械手；機電一體化；自由度專心-專注-專業(yè)The design of four degrees freedom mechanical handAbstract: Industrial manipulator is composed of machine body, controller, servo drive system and detection sensor device, a humanoid operat

3、ion, automatic control, can repeat programming, to complete the electromechanical integration automatic production equipment of various operations in three-dimensional space. Especially suitable for the production of a variety of flexible, variable volume. Its stability, improve product quality, imp

4、rove production efficiency, plays a very important role in improve working conditions and the rapid upgrading of products. Production of mechanical hand can improve the automation level of production, can reduce labor intensity, to ensure product quality, realize the structure safety of the manipula

5、tor is relatively simple, general machinery hand can quickly change the working procedure, strong adaptability, widely cited small batch production so it is in changing varieties in production.This paper will design a four DOF Manipulator, wherein, three degrees of freedom of movement, to complete t

6、he X, Y, mobile Z in the three-dimensional space, another rotational degree of freedom, rotational movement of the hand requirements. It can achieve planar motion, with the flexibility, the arm in the vertical stiffness, flexibility in the horizontal direction of the large, widely used in assembly o

7、perations.Keywords：Manipulator; mechatronics; degree of freedom目錄第一章緒論1.1引言機器人技術(shù)是一種高新技術(shù)綜合了計算機，控制理論，機制，技術(shù)，人工智能信息和傳感器，多個學(xué)科和仿生學(xué)的學(xué)科。其實質(zhì)是全面感知，決策，行動和互動四技術(shù)，是廣泛應(yīng)用于當(dāng)代研究中。機器人應(yīng)用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要指標(biāo)。工業(yè)機器人不僅具有機械本體，控制器，伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，可在三維空間內(nèi)實現(xiàn)仿人操作，可自動控制，重復(fù)編程，可完成自動生產(chǎn)設(shè)備的各種操作。機器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在汽車行業(yè)，占現(xiàn)有機器人總數(shù)的2.89%。二是家電制造業(yè)，約

8、占16.4%，而化學(xué)工業(yè)占11.7%。此外，工業(yè)機器人在食品，醫(yī)藥，家電更多的應(yīng)用，航空航天、金屬加工等。隨著工業(yè)機器人的迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域開始擴大從制造業(yè)向非制造業(yè)發(fā)展，在原有的制造業(yè)的同時也在不斷深入，加工領(lǐng)域深化，擴大。在一般情況下，機器人系統(tǒng)可以分為以下四個部分：l）機械本體、執(zhí)行機構(gòu)：包括機身，動力機制，運行機制，框架，機械連接的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)。2）動力部分：包括電源，電機及其驅(qū)動電路。3）檢測傳感裝置：包括傳感器及相應(yīng)的信號檢測電路。4）控制及信息處理裝置：由機器人控制系統(tǒng)的硬件，軟件。1.2 國內(nèi)外機器人領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（1）工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度，高精度，高可靠性

9、，操作和維修方便），和制造的成本不斷下降，從91年的美元到2005年的50000美元的平均制造價格。（2）機械結(jié)構(gòu)向模塊化，可重構(gòu)的發(fā)展。例如，伺服電機，減速器，檢測系統(tǒng)的關(guān)節(jié)模塊中的三個關(guān)節(jié)模塊，集成連接模塊；利用工程機器人重組形式；國外有一個模塊化的裝配機器人產(chǎn)品問市。（3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)在基于CP機，開放式控制系統(tǒng)方向發(fā)展，易于標(biāo)準化，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集成度提高，控制柜變得更加緊湊，采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性，可操作性和可維護性。（4）傳感器在機器人成為越來越重要的作用，除了使用的位置，速度，加速度傳感器的傳統(tǒng)，裝配，焊接機器人也用于視覺，觸覺傳感器，同時使用視覺，聽覺的遠程控

10、制機器人，融合技術(shù)力量，環(huán)境建模和決策控制的觸覺和其他多傳感器；多傳感器融合技術(shù)已在生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個成熟的應(yīng)用配置。（5）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人的角色也從仿真，開發(fā)預(yù)覽的過程控制，如在遠程工作環(huán)境的感覺產(chǎn)生的遠程控制機器人操作機器人。（6）的遠程控制機器人的現(xiàn)代系統(tǒng)發(fā)展的特點是不充分的自主控制系統(tǒng)人機交互的追求，而是致力于操作者和機器人，即遠程監(jiān)控遠程操作系統(tǒng)和地方自治制度形成一個完整的，使機器人走出實驗室進入實用階段。最著名的例子是美國旅居者”機器人在火星”是成功應(yīng)用的發(fā)射系統(tǒng)。（7）機器人化機械開始興起。自1994以來，美國開發(fā)的“虛擬軸機床，“這一新裝置已成為國際研究的熱點，研究探討其應(yīng)用

11、領(lǐng)域。1.3機器人發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設(shè)計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當(dāng)機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標(biāo)準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機器人； b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應(yīng)不同的場合；c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、

12、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。第二章 機械手總體設(shè)計方案2.1機械手基本形式選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種，如圖2所示：（1）直角坐標(biāo)型機械手；（2）圓柱坐標(biāo)型機械手；（3）極坐標(biāo)型機械手；(4)多關(guān)節(jié)型機械手。2.1.1直角坐標(biāo)系機器人直角坐標(biāo)型機器人，它在x，y，z軸上的運動是獨立的，3個關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作業(yè)。這種形式的主要特點是：

13、 (1)在三個直線方向上移動，運動容易想象。 (2)計算比較方便。 (3)由于可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大。 (4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。 (5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。(6)滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。2.1.2圓柱坐標(biāo)系機器人圓柱坐標(biāo)型機器人，R、和x為坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)，其中R是手臂的徑向長度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點是：(1)容易想象和計算。(2)能夠伸入形腔式機器內(nèi)部。(3)空間定位比較直觀。(4)直線驅(qū)動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。(5)手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。2

14、.1.3極坐標(biāo)系機器人極坐標(biāo)型機器人又稱為球坐標(biāo)機器人，R，和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動角，是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是： (1)在中心支架附近的工作范圍較大。 (2)兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封。 (3)覆蓋工作空間較大。 (4)坐標(biāo)系較復(fù)雜，較難想象和控制。 (5)直線驅(qū)動裝置仍存在密封問題。(6)存在工作死區(qū)。2.1.4多關(guān)節(jié)機器人多關(guān)節(jié)機器人，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標(biāo)系的。、和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，是第二臂相對于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機器人手臂可以

15、達到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點是：(1)動作較靈活，工作空間大。(2關(guān)節(jié)驅(qū)動處容易密封防塵。(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4) 適合于電動機驅(qū)動。(5)運動難以想象和控制，計算量較大。(6)不適于液壓驅(qū)動。直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 極坐標(biāo)型 多關(guān)節(jié)型 圖2 工業(yè)機械手基本結(jié)構(gòu)形式本課題要求機械手為直角坐標(biāo)型。2.2驅(qū)動裝置選擇機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進行分析比較。2.2.1液壓驅(qū)動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有幾個優(yōu)點：（1）容易實現(xiàn)高水壓（水壓一般為2.56.3MPa的），體積小，可能會更

16、好推力或扭矩；（2）介質(zhì)的液壓系統(tǒng)的壓縮性小，平滑和可靠，并能獲得更高的位置精度；（3）液壓傳動，功率，速度和方向是比較容易實現(xiàn)自動控制；（4）液壓系統(tǒng)采用油作為介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，能提高機械效率，使用壽命長。不足的液壓系統(tǒng)有：（1）油品粘度隨溫度變化，影響工作性能，高溫燃燒爆炸可能造成的危險；（2）液體難以克服的，液壓元件的泄漏，需要更高的精度和質(zhì)量，成本較高；（3）需要相應(yīng)的供應(yīng)體系，特別是電液伺服系統(tǒng)需要嚴格過濾的設(shè)備，否則故障。液壓驅(qū)動模式下的輸出功率和更大的權(quán)力，可以構(gòu)成一個伺服機構(gòu)，大型機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器常用。2.2.2氣壓驅(qū)動與液壓傳動相比，氣壓傳動的特點是：（1）壓縮空

17、氣粘度小，容易實現(xiàn)高速；（2）利用壓縮空氣工廠集中的加油站沒有加電設(shè)備；（3）空氣介質(zhì)對環(huán)境的污染，使用安全，可直接應(yīng)用到高溫作業(yè)；（4）氣動元件的工作壓力低，它也比液壓元件的制造要求低。它的缺點是：（1）空氣壓力用0.40.6MPa的，以獲得一個較大的力，就必須相對地增加的結(jié)構(gòu)；（2）壓縮空氣大，表面光滑，可憐的速度控制很難實現(xiàn)精確的位置控制難度大；（3）壓縮空氣是一個非常重要的問題，處理不當(dāng)級鋼鐵機件會生銹，造成機是人類的失敗。此外，排氣也能引起噪聲污染。用于位置控制，采集，開關(guān)控制和順序控制機器人氣動驅(qū)動器。2.2.3電機驅(qū)動電機驅(qū)動，可分為普通交流和直流馬達驅(qū)動，交流和直流伺服電機驅(qū)動器和步進電機驅(qū)動器。 通用的交，直流馬達驅(qū)動器需要減速裝置，輸出扭矩大，但控制性能較差，慣性，適合中型或重型機器人。伺服和步進電機的輸出力矩比較小，良好的控制性能，可實現(xiàn)精確控制速度和位置，適合中小型機器人。交流伺服電機一般用于直接閉環(huán)控制系統(tǒng)中，步進電機是主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度并不重要。2.3 移動自由度設(shè)計機械手的升降和移動采用直線升降運動，從而在垂直和水平方向?qū)崿F(xiàn)末端執(zhí)行器的定位。常見的線性驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，直線電機驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)電機和絲杠螺母副聯(lián)合驅(qū)動等。滾動絲杠螺母具有小的摩擦力矩傳動的特點，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，傳動精度高，使用壽命長等特