自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)摘要：工業(yè)機(jī)械手由機(jī)械本體、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)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(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)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(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單，通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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(jì)一個(gè)四自由度機(jī)械手，其中，三個(gè)移動(dòng)自由度，需完成

2、X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動(dòng)要求，另外一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，完成手部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要求。它能實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，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(jī)械手；機(jī)電一體化；自由度專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)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(jī)器人技術(shù)是一種高新技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)，控制理論，機(jī)制，技術(shù)，人工智能信息和傳感器，多個(gè)學(xué)科和仿生學(xué)的學(xué)科。其實(shí)質(zhì)是全面感知，決策，行動(dòng)和互動(dòng)四技術(shù)，是廣泛應(yīng)用于當(dāng)代研究中。機(jī)器人應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要指標(biāo)。工業(yè)機(jī)器人不僅具有機(jī)械本體，控制器，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置，可在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)仿人操作，可自動(dòng)控制，重復(fù)編程，可完成自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備的各種操作。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在汽車(chē)行業(yè)，占現(xiàn)有機(jī)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(jī)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(jī)器人的迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)始擴(kuò)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(shí)也在不斷深入，加工領(lǐng)域深化，擴(kuò)大。在一般情況下，機(jī)器人系統(tǒng)可以分為以下四個(gè)部分：l）機(jī)械本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括機(jī)身，動(dòng)力機(jī)制，運(yùn)行機(jī)制，框架，機(jī)械連接的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)。2）動(dòng)力部分：包括電源，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。3）檢測(cè)傳感裝置：包括傳感器及相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)電路。4）控制及信息處理裝置：由機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件，軟件。1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（1）工業(yè)機(jī)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(jià)格。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化，可重構(gòu)的發(fā)展。例如，伺服電機(jī)，減速器，檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)節(jié)模塊中的三個(gè)關(guān)節(jié)模塊，集成連接模塊；利用工程機(jī)器人重組形式；國(guó)外有一個(gè)模塊化的裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。（3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)在基于CP機(jī)，開(kāi)放式控制系統(tǒng)方向發(fā)展，易于標(biāo)準(zhǔn)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(hù)性。（4）傳感器在機(jī)器人成為越來(lái)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(jī)器人也用于視覺(jué)，觸覺(jué)傳感器，同時(shí)使用視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)的遠(yuǎn)程控

10、制機(jī)器人，融合技術(shù)力量，環(huán)境建模和決策控制的觸覺(jué)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(gè)成熟的應(yīng)用配置。（5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人的角色也從仿真，開(kāi)發(fā)預(yù)覽的過(guò)程控制，如在遠(yuǎn)程工作環(huán)境的感覺(jué)產(chǎn)生的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人操作機(jī)器人。（6）的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的現(xiàn)代系統(tǒng)發(fā)展的特點(diǎn)是不充分的自主控制系統(tǒng)人機(jī)交互的追求，而是致力于操作者和機(jī)器人，即遠(yuǎn)程監(jiān)控遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)和地方自治制度形成一個(gè)完整的，使機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用階段。最著名的例子是美國(guó)旅居者”機(jī)器人在火星”是成功應(yīng)用的發(fā)射系統(tǒng)。（7）機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。自1994以來(lái)，美國(guó)開(kāi)發(fā)的“虛擬軸機(jī)床，“這一新裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)，研究探討其應(yīng)用

11、領(lǐng)域。1.3機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)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(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類(lèi)型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開(kāi)發(fā)各類(lèi)行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合；c)研制各類(lèi)傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、

12、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周?chē)耐饨绛h(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案2.1機(jī)械手基本形式選擇常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)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(jī)械手；（2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；（3）極坐標(biāo)型機(jī)械手；(4)多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。2.1.1直角坐標(biāo)系機(jī)器人直角坐標(biāo)型機(jī)器人，它在x，y，z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，3個(gè)關(guān)節(jié)都是移動(dòng)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(cè)和作業(yè)。這種形式的主要特點(diǎn)是：

13、 (1)在三個(gè)直線方向上移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易想象。 (2)計(jì)算比較方便。 (3)由于可以?xún)啥酥?，?duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，其剛性最大。 (4)要求保留較大的移動(dòng)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(dòng)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(jī)器人圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人，R、和x為坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)，其中R是手臂的徑向長(zhǎng)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(diǎn)是：(1)容易想象和計(jì)算。(2)能夠伸入形腔式機(jī)器內(nèi)部。(3)空間定位比較直觀。(4)直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。(5)手臂端部可以達(dá)到的空間受限制，不能到達(dá)靠近立柱或地面的空間。2

14、.1.3極坐標(biāo)系機(jī)器人極坐標(biāo)型機(jī)器人又稱(chēng)為球坐標(biāo)機(jī)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(dòng)角，是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動(dòng)角。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡表面是半球面。其特點(diǎn)是： (1)在中心支架附近的工作范圍較大。 (2)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置仍存在密封問(wèn)題。(6)存在工作死區(qū)。2.1.4多關(guān)節(jié)機(jī)器人多關(guān)節(jié)機(jī)器人，它是以其各相鄰運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)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(guò)底座的水平線與第一臂之間的夾角，是第二臂相對(duì)于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機(jī)器人手臂可以

15、達(dá)到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個(gè)臂的長(zhǎng)度比例。其特點(diǎn)是：(1)動(dòng)作較靈活，工作空間大。(2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。(5)運(yùn)動(dòng)難以想象和控制，計(jì)算量較大。(6)不適于液壓驅(qū)動(dòng)。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(jī)械手基本結(jié)構(gòu)形式本課題要求機(jī)械手為直角坐標(biāo)型。2.2驅(qū)動(dòng)裝置選擇機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、和電動(dòng)式。下面將三種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析比較。2.2.1液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）容易實(shí)現(xiàn)高水壓（水壓一般為2.56.3MPa的），體積小，可能會(huì)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(dòng)，功率，速度和方向是比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；（4）液壓系統(tǒng)采用油作為介質(zhì)，具有防銹性和自潤(rùn)滑性能，能提高機(jī)械效率，使用壽命長(zhǎng)。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(xiǎn)；（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(yán)格過(guò)濾的設(shè)備，否則故障。液壓驅(qū)動(dòng)模式下的輸出功率和更大的權(quán)力，可以構(gòu)成一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，大型機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器常用。2.2.2氣壓驅(qū)動(dòng)與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)是：（1）壓縮空

17、氣粘度小，容易實(shí)現(xiàn)高速；（2）利用壓縮空氣工廠集中的加油站沒(méi)有加電設(shè)備；（3）空氣介質(zhì)對(duì)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(dòng)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(diǎn)是：（1）空氣壓力用0.40.6MPa的，以獲得一個(gè)較大的力，就必須相對(duì)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(shí)現(xiàn)精確的位置控制難度大；（3）壓縮空氣是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，處理不當(dāng)級(jí)鋼鐵機(jī)件會(huì)生銹，造成機(jī)是人類(lèi)的失敗。此外，排氣也能引起噪聲污染。用于位置控制，采集，開(kāi)關(guān)控制和順序控制機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。2.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可分為普通交流和直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，交流和直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 通用的交，直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(jī)器人。伺服和步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩比較小，良好的控制性能，可實(shí)現(xiàn)精確控制速度和位置，適合中小型機(jī)器人。交流伺服電機(jī)一般用于直接閉環(huán)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是主要用于開(kāi)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(dòng)自由度設(shè)計(jì)機(jī)械手的升降和移動(dòng)采用直線升降運(yùn)動(dòng)，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(jiàn)的線性驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)和絲杠螺母副聯(lián)合驅(qū)動(dòng)等。滾動(dòng)絲杠螺母具有小的摩擦力矩傳動(dòng)的特點(diǎn)，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，傳動(dòng)精度高，使用壽命長(zhǎng)等特