并聯(lián)六自由度微動機器人機構(gòu)設計開題報告.doc

本科畢業(yè)設計開題報告題目：并聯(lián)六自由度微動機器人結(jié)構(gòu)設計院（系）：機械工程學院班級：機制08-4班姓名：劉哲學號：2008025802指導教師：于鳳云教師職稱：教授黑龍江科技學院本科畢業(yè)設計開題報告題目并聯(lián)六自由度微動機器人結(jié)構(gòu)設計來源工程實際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：應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機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。應用機械手可以代替人進行工作，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，而應用機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（文獻綜述）從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了飛速發(fā)展1。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，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)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計技術、機器人控制技術、多傳感技術、機器人遙控及監(jiān)控技術,機器人半自主和自主技術、虛擬機器人技術、智能體調(diào)控制技術、軟機器人技術、仿人和仿生技術、微型和微小機器人技術3。其中微型和微小機器人技術是機器人研究的一個新的領域和重點發(fā)展方向4。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究的進展將會引起機器人技術的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機器人技術的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面5。工業(yè)機器人技術是以機械、電機、電子計算機和自動控制等學科領域的技術為基礎融合而成的一種系統(tǒng)技術6。a.機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。b.并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術向數(shù)控技術的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術一體化奠定了基礎。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)的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，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，但在某些領域的離線編程已實現(xiàn)實用化。d.傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應用，并實現(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，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。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)絡通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應用向網(wǎng)絡化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發(fā)展。f.可靠性：由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求8。近年來，人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域發(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、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求10。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術的一個重要發(fā)展方向11。目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，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)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計技術b.機器人控制技術c.多傳感系統(tǒng)d.機器人的結(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.機器人遙控及監(jiān)控技術，機器人半自主和自主技術f.虛擬機器人技術g.多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術h.微型和微小機器人技術（micro/miniaturerobotics）13。在我國對此進行了深入的研究，如徐衛(wèi)平和張玉茹對六自由度微動機構(gòu)進行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設計提供了計算依據(jù)14。還有劉辛軍、高峰和汪勁松研究了微動機器人機構(gòu)的設計方法，建立了并聯(lián)六自由度微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的機構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標的關系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指標在空間模型設計參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設計者根據(jù)性能指標來設計該微動機器人的機構(gòu)尺寸，是探討微動機器人機構(gòu)設計的有效分析工具15。3、研究/設計的目標：（1）.手腕處于手臂末端，設計時應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）.六個自由度的實現(xiàn)。4、設計方案（研究/設計方法、理論分析、計算、實驗方法和步驟等）：4.1.機械結(jié)構(gòu)類型的確定為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設計成以下五種方案：（1）圓柱坐標型這種運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動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。（2）直角坐標型直角坐標型工業(yè)機器人，其運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，可在各坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。（3）球坐標型又稱極坐標型，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動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運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，但結(jié)構(gòu)復雜。（4）關節(jié)型關節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關節(jié)都是回轉(zhuǎn)關節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關節(jié)，大臂和小臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。（5）平面關節(jié)型采用兩個回轉(zhuǎn)關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關節(jié)控制前后、左右運動，而移動關節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關節(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。對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(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)復雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關節(jié)型機器人。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器人正常工作運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術參數(shù)。此機器人的工作空間為1500mm。4.3.手腕結(jié)構(gòu)的確定由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的六個姿態(tài)坐標，即實現(xiàn)六個自由度。4.4.基本參數(shù)的確定動作范圍120