并聯(lián)六自由度微動機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計開題報告.doc

本科畢業(yè)設(shè)計開題報告題目：并聯(lián)六自由度微動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計院（系）：機(jī)械工程學(xué)院班級：機(jī)制08-4班姓名：劉哲學(xué)號：2008025802指導(dǎo)教師：于鳳云教師職稱：教授黑龍江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計開題報告題目并聯(lián)六自由度微動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計來源工程實(shí)際1、研究目的和意義目的：提高生產(chǎn)過程中的自動化程度，改善勞動條件，避免人身故事，減輕人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。意義：應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。應(yīng)用機(jī)械手可以代替人進(jìn)行工作，這不僅直接減少人力，同時還可以連續(xù)工作。在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性或其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是危險或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。2、國內(nèi)外發(fā)展情況（文獻(xiàn)綜述）從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到90年代，隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展1。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長足的進(jìn)展。目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展2。目前的研究內(nèi)容主要集中在：工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)、多傳感技術(shù)、機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù),機(jī)器人半自主和自主技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、智能體調(diào)控制技術(shù)、軟機(jī)器人技術(shù)、仿人和仿生技術(shù)、微型和微小機(jī)器人技術(shù)3。其中微型和微小機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向4。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會引起機(jī)器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進(jìn)步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面5。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是以機(jī)械、電機(jī)、電子計算機(jī)和自動控制等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)為基礎(chǔ)融合而成的一種系統(tǒng)技術(shù)6。a.機(jī)器人操作機(jī)：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國KUKA公司為代表的機(jī)器人公司，已將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人的性能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)。b.并聯(lián)機(jī)器人：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。c.控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。d.傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品7。e.網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。f.可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求8。近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展9。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機(jī)器人化的要求10。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向11。目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展12。主要研究內(nèi)容集中在以下10個方面：a.工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)b.機(jī)器人控制技術(shù)c.多傳感系統(tǒng)d.機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。e.機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)f.虛擬機(jī)器人技術(shù)g.多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)h.微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniaturerobotics）13。在我國對此進(jìn)行了深入的研究，如徐衛(wèi)平和張玉茹對六自由度微動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了計算依據(jù)14。還有劉辛軍、高峰和汪勁松研究了微動機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法，建立了并聯(lián)六自由度微動機(jī)器人的空間模型，并分析了該微動機(jī)器人的空間模型，并分析了該微動機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標(biāo)的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項(xiàng)性能指標(biāo)在空間模型設(shè)計參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計者根據(jù)性能指標(biāo)來設(shè)計該微動機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸，是探討微動機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計的有效分析工具15。3、研究/設(shè)計的目標(biāo)：（1）.手腕處于手臂末端，設(shè)計時應(yīng)注意減輕手臂的載荷，力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少其重量和體積；（2）.提高手腕動作的精確性；（3）.六個自由度的實(shí)現(xiàn)。4、設(shè)計方案（研究/設(shè)計方法、理論分析、計算、實(shí)驗(yàn)方法和步驟等）：4.1.機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的確定為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的6個自由度，可以有不同的運(yùn)動組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計成以下五種方案：（1）圓柱坐標(biāo)型這種運(yùn)動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動范圍大。（2）直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。（3）球坐標(biāo)型又稱極坐標(biāo)型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運(yùn)動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（4）關(guān)節(jié)型關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。（5）平面關(guān)節(jié)型采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動，而移動關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。對以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實(shí)現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高。4.2.工作空間的確定工作空間是指機(jī)器人正常工作運(yùn)行時，手腕參考點(diǎn)能在空間活動的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。此機(jī)器人的工作空間為1500mm。4.3.手腕結(jié)構(gòu)的確定由手腕來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的六個姿態(tài)坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)六個自由度。4.4.基本參數(shù)的確定動作范圍120