并聯(lián)機(jī)器人開(kāi)題報(bào)告

經(jīng)典word整理文檔，僅參考，雙擊此處可刪除頁(yè)眉頁(yè)腳。本資料屬于網(wǎng)絡(luò)整理，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除，謝謝！目錄12課題的背景和來(lái)源..............................................11.1課題背景.....................................................11.2課題來(lái)源....................................錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)......................................12.1國(guó)外研究現(xiàn)狀...............................................12.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀...............................................134課題研究的目的和意義..........................................2主要研究?jī)?nèi)容..................................................24.1總體方案...................................................24.1.1設(shè)計(jì)要求...................................................24.1.2欠驅(qū)動(dòng)手腕方案一...........................................34.1.3欠驅(qū)動(dòng)手腕方案二...........................................64.1.4欠驅(qū)動(dòng)手腕方案三...........................................85研究方法......................................................95.1位姿描述.....................................................95.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析...................................................95.3動(dòng)力學(xué)分析...................................................95.4仿真分析....................................................1067時(shí)間進(jìn)度安排.................................................10參考文獻(xiàn).....................................................11三自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手腕的設(shè)計(jì)與分析1由于多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂具有常規(guī)機(jī)器人所不具有的特殊性質(zhì)(比如進(jìn)入一個(gè)窄小的空間進(jìn)行工作，并且能夠有效地避開(kāi)障礙)而引起許多學(xué)者的興趣，但是對(duì)PUMA750U-80機(jī)器人，還有斯坦福機(jī)器人Scheinman等。然而對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)而且較重的多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，關(guān)節(jié)機(jī)械手臂是很難實(shí)現(xiàn)的。人手腕。2欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種利用少于自由度數(shù)目的動(dòng)力源來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置的系統(tǒng)。自1991年Oriolo證明欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)非完整性定理之后，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始得2003年Laliberte和Gosselin等人研制了一高欠驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，該機(jī)械手由3個(gè)三節(jié)手指構(gòu)成，并作為國(guó)際空間站中加拿大機(jī)械手臂的末端執(zhí)行器。2004年Carrozza等人研制了另一高欠驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手SPRING，該機(jī)械手由3個(gè)三節(jié)手指構(gòu)成，通過(guò)肌腱驅(qū)動(dòng)。2004年清華大學(xué)研制出了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指，可以小范圍的抓取各種形狀1的物體[2]。2007年上海交通大學(xué)研制出了肌電控制欠驅(qū)動(dòng)仿人假肢手[1][3]。2005年武漢理工大學(xué)譚躍剛等人利用摩擦盤(pán)和摩擦輪的性質(zhì)設(shè)計(jì)了一種欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手[4],摩擦傳動(dòng)的局限性，該機(jī)械手控制精度較低。精度較低。而基于欠驅(qū)動(dòng)原理的機(jī)器人手腕未見(jiàn)報(bào)道。3實(shí)踐意義。4（1）欠驅(qū)動(dòng)手腕的方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）欠驅(qū)動(dòng)手腕的自由度分析，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析（研究手腕末端輸出（3）運(yùn)用ADAMS對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手腕進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，運(yùn)用ADAMS對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手腕進(jìn)行了可控性仿真。運(yùn)用MATLAB對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手腕進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)驗(yàn)證、工作空間分析和誤差分析；4.1.1設(shè)計(jì)要求腕關(guān)節(jié)由橈腕關(guān)節(jié)、腕骨間關(guān)節(jié)和下尺橈關(guān)節(jié)及腕掌關(guān)節(jié)組成,如圖4-1所示。主要作用使腕背伸、屈腕及前臂旋轉(zhuǎn)，如圖4-2所示。2圖4-1腕關(guān)節(jié)的組成圖4-2腕的三個(gè)作用人類(lèi)完成手工勞動(dòng)具有非常重要的作用。由于靈活性是機(jī)器人性能的重要指標(biāo)，它是指機(jī)器人末端的參考點(diǎn)(通常是手腕坐標(biāo)系的原點(diǎn))在工作空間內(nèi)某一點(diǎn)時(shí)，三自由度手腕的驅(qū)動(dòng)方式均采用三個(gè)驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)，因此機(jī)構(gòu)復(fù)雜，靈活性較差。針對(duì)上述問(wèn)題，提出以下設(shè)計(jì)要求：自由度數(shù)：3個(gè)；驅(qū)動(dòng)源個(gè)數(shù)：2個(gè)；額定負(fù)載（含末端執(zhí)行器）：2kg；總體積：；總重：5kg。本章接下來(lái)提出三種欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)方案，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。4.1.2欠驅(qū)動(dòng)手腕方案一三自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手腕方案一為一兼容機(jī)構(gòu)。圖4-34-44-5是圖2-4的仰4-6是圖4-44-7是圖4-4的A-A4-8是圖4-7的B-B剖視圖，圖4-9是圖4-8的C-C剖視圖，圖4-10是方案一的滑動(dòng)導(dǎo)輪裝置（圖4-7的D-D剖視圖），圖4-11是方案一的固定導(dǎo)輪裝置（圖4-7的E-E剖視圖）。在圖4-3至圖4-11中：a、c、d、e、g是固定導(dǎo)輪部件，b、f是滑動(dòng)導(dǎo)輪部件。1箱體，2末端連桿，3旋轉(zhuǎn)連桿，4大螺母，5導(dǎo)輪，6拉伸彈簧一，7壓縮彈簧，8拉伸彈簧二，9滑動(dòng)導(dǎo)輪軸，10滑槽，11滑動(dòng)導(dǎo)輪軸套，12滑動(dòng)導(dǎo)輪，13小螺母，14繩子一，15繩子二，16繩子三，17關(guān)節(jié)軸，18固定導(dǎo)輪軸,19電機(jī),20絲桿,21螺母套筒。下面采用基于約束螺旋的自由度計(jì)算原理和方法[50]。自由度計(jì)算公式：3gMd(ngfvii為機(jī)構(gòu)的自由度；為構(gòu)件的數(shù)目；為運(yùn)動(dòng)副數(shù)目；為第個(gè)運(yùn)動(dòng)副fMngii的相對(duì)自由度；為多環(huán)并聯(lián)產(chǎn)生的冗余約束；為局部自由度。是機(jī)構(gòu)的階，vd，是機(jī)構(gòu)的公共約束。d6取Z軸與重合，則3個(gè)螺旋可表示為：S1：（100；000）S1：（010；000）S2：（000；010）S3觀察可得3個(gè)反螺旋：：（101；001）Sr1：（100；000）Sr2：（001；000）Sr3可知該機(jī)構(gòu)有3公共約束，3gn,g,fv0ii1由此可得機(jī)構(gòu)自由度：M(63)(323003因素，所以該機(jī)構(gòu)精度較難保證。4g23fdecab圖4-3方案一的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖AA21圖4-4方案一正面外觀圖圖4-5圖4-4的仰視圖A4a14151232BB1876圖4-6圖4-4的左視圖圖4-7圖4-4的A-A剖視圖2gf1B-BC2g143e15decbfd1a3cC171b圖4-8圖4-7的B-B剖視圖圖4-9圖4-8的C-C剖視圖51D-DE-E1951814或1513圖2-10方案一的滑動(dòng)導(dǎo)輪裝置圖2-11方案一的固定導(dǎo)輪裝置4.1.3欠驅(qū)動(dòng)手腕方案二三自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手腕方案二為一兼容機(jī)構(gòu)。圖4-124-134-14是圖4-134-15是圖4-13的A-A4-16是圖4-13的B-B4-17是圖4-16的C-C4-184-17的D-D在圖4-12至圖4-18中：1末端連桿，2箱體，3拉伸彈簧一，4繩子一，5導(dǎo)環(huán)一，6拉伸彈簧二，7繩子二，8導(dǎo)環(huán)二，9球副座，10滑動(dòng)導(dǎo)環(huán)一，11滑槽一，12導(dǎo)環(huán)三，13拉伸彈簧二，14滑槽二，15滑動(dòng)導(dǎo)環(huán)二，16繩子三。方案二的核心是一個(gè)球鉸鏈機(jī)構(gòu)。具體的包括帶有輸入端和輸出端的箱體、運(yùn)動(dòng)。相比方案一，方案二的結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，精度較好控制。66345713O8910圖4-12方案二的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖1221圖4-13方案二正面外觀圖圖4-14圖4-13的俯視圖123637564871152914121311圖4-15圖4-13的A-A剖視圖圖4-16圖4-13的B-B剖視圖7D-D71114或24或71015或7或164圖4-17圖4-16的C-C剖視圖圖4-18方案二的滑動(dòng)導(dǎo)環(huán)裝置4.1.4欠驅(qū)動(dòng)手腕方案三4-19型為一種三自由度球面機(jī)構(gòu)，又稱(chēng)為機(jī)構(gòu)，因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)具有三個(gè)分支，每個(gè)分支具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)副和兩個(gè)連桿（l，一個(gè)定分別表示第分支和第個(gè)連桿）i,jijij平臺(tái)和一個(gè)動(dòng)平臺(tái)。該機(jī)構(gòu)三個(gè)分支分別間隔120°均勻分布在定平臺(tái)和動(dòng)QP自由度運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)副32LL31連桿L2212OLL21連桿11旋轉(zhuǎn)副分支Q圖4-19三自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手腕機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖8差，靈活性好。55.1位姿描述包括大地坐標(biāo)系、基坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、和工具坐標(biāo)系等。所以，搞清楚坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系是十分重要的。確定。5.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析當(dāng)已知所有的關(guān)節(jié)變量時(shí)，可用正運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)確定機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿。用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)計(jì)算出每一關(guān)節(jié)變量的值，使機(jī)械手末端執(zhí)行器放置在期望的位用這些方程來(lái)計(jì)算關(guān)節(jié)值，并以此來(lái)運(yùn)行機(jī)械手到達(dá)期望的位姿。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手腕的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的目的在于得到驅(qū)動(dòng)器輸入量與手腕末端輸出量之間的關(guān)系。求解機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題所建立的方程可以直接用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人到它們驅(qū)動(dòng)機(jī)器人到達(dá)期望位置。5.3動(dòng)力學(xué)分析節(jié)位移、速度、加速度（動(dòng)力學(xué)正解問(wèn)題）已知機(jī)械手的關(guān)節(jié)位移、速度、加速9系統(tǒng)的方程主要有Routh方程、Mac-Millan方程、VolterraNielsen方程、Appell方程、Maggi方程和Kane方程等[20]。根據(jù)R,通過(guò)劃分慣量矩陣M自然使得欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的歐拉-拉格(q)m朗日方程可以表達(dá)成為[27]:(3)M(q)qM(q)qH(q,q)0121(4)M(q)qM(q)qH(q,q)122其中H(3)為機(jī)械系統(tǒng)的欠驅(qū)動(dòng)子i系統(tǒng),式(4)(4)還可以表示成一個(gè)二次動(dòng)力學(xué)方程:(5)(q,q,q)0如果不存在函數(shù)滿(mǎn)足,那么式(5)稱(chēng)為一個(gè)二次非完整約束,(q,q,q)或者非完整加速度約束[27]。作為參考。5.4仿真分析學(xué)模型是非常困難的。采用虛擬技術(shù)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和控制系統(tǒng)仿真，手的研發(fā)效率和可靠性。可以運(yùn)用Adams、Recurdyn或者M(jìn)atlab等軟件對(duì)該欠該手腕做準(zhǔn)備。62010年1月-3月2010年4月-6月欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析102010年7月-10月2010年11月-2011年1月2011年3月進(jìn)行仿真分析撰寫(xiě)論文答辯7[1]茅一春.肌電控制欠驅(qū)動(dòng)仿人假肢手的設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué).2007:[2]張文增，陳強(qiáng)，孫振國(guó)，徐磊.高欠驅(qū)動(dòng)的擬人機(jī)器人多指手.清華人學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2004,44(5):597-600.[3]張文增，陳強(qiáng)，孫振國(guó)，徐濟(jì)民，趙冬斌.變抓取力的欠驅(qū)動(dòng)擬人機(jī)器人手[J].清華人學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,43(8):1143-1147.[4]譚躍剛.基于非完整約束的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手及其運(yùn)動(dòng)控制的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué).2005[5]喬鋒華.基于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械手的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué).[6]史士財(cái),李榮,姜力,劉宏.基于欠驅(qū)動(dòng)原理的5指殘疾人假手設(shè)計(jì).2008（52835-37[7]葉軍，張新華.欠驅(qū)動(dòng)兩指多指桿機(jī)器人手的操作過(guò)程與抓力分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究.2001.17(3).24-26[8]史士財(cái)，高曉輝，姜力，劉宏.欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)機(jī)器人手的研制.機(jī)器人.2004.26(6):496-501.[9]朱健，袁昌松，朱向陽(yáng).新型欠驅(qū)動(dòng)擬人假肢手指的設(shè)計(jì)與分析.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究.2008.24(2):40-42:[10]駱敏舟,梅濤,汪小華.形狀自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)三關(guān)節(jié)機(jī)器人手指設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào).2005.17(2):353-358.[11]2004.1，p19-11.[12]2006.[13]WuLiCheng,GiuseppeCarbone,MarcoCeccarelli.Designinganunderactuatedmechanismfora1activeDOFfingeroperation[J].MechanismandMachineTheory,44(2009)336-348.[14]LionelBirglen,ThierryLaliberte,ClementGosselin.UnderactuatedRoboticHands[M],ScientificPublishingServicesPvt.Ltd.2007.[15]IslamI.Hussein,AnthonyM.Bloch,OptimalControlofUnderactuatedNonholonomicMechanicalSystems[J].IEEETRANSACTIONSONAUTOMATICCONTROL,2008,53(3):668-682.[16]KumarA,WaldronKJ.Thedextrousworkspace[J].IEEEASME,1980,108:1~6[17]L.Birglen,T.Laliberte,C.Gosselin,“UnderactuatedRoboticHands”,ScientificPublishingServicesPvt,2007.[18]S.Hiroseand“Thedevelopmentofsoftgripperfortheversatilerobothand”,MechanismandMachineTheory,1978,vol.13,pp.351-358.[19]MC.Carrozza,SN.Rcera,R.Lazzarini,M.Zecca,P.Dario,“Thedevelopmentofanovelprosthetichand-ongoingresearchandpreliminaryresult,IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,2002,vol.7,pp.108-114.[20]FX.Mei,“FoundationsofMechanicsofNonholonomicSystems,Beijing:BITPress,1985,(inChinese).[21]Reyhanoglum,Mcclamrochnh,“Dynamicsandcontrolofaclassofunderactuatedmechanicalsystems”,IEEETransonAutomaticControl,1999,vol.44pp.1663-1671.[22]ISIDORI.“NonlinearControlSystems”,Springer-Verlag,1995.[23]F.Mazenc,A“Backsteppingwithboundedfeedbacks,Systems&ControlLetters,2004,vol.51,pp.235-245.[24]D.Fontaine,PKokotovic,“Toraexample:Cascadeandpassivity-basedcontrol,IEEETrans.on11ControlSystemsTechnology,1996,vol.4,pp.292-297.[25]F.Mazenc,L.Praly,“Addingintegrations,saturatedcontrols,andstabilizationforfeedforwardsystems”,IEEETrans.onAutomaticControl,1996,vol.40,pp.1559-1578.[26]G.Kaliora,A.Astolfi,“Onthestabilizationoffeedforwardsystemswithboundedcontrol”,Systems&ControlLetters,2005,vol.54,pp.263-270.[27]YWichlund,OJ.Sordalen,O.Egeland,“Controlofvehicleswithsecond-ordernonholonomicconstraints:underactuated”,EuropeanControlConf.,Rome,1995,pp.3086-3091.[28]C.Popescu,“NonlinearControlo