机械电子工程毕业设计-多关节机械臂机构设计技术研究.doc

1、本科毕业论文（20 届）多关节机械臂机构设计技术研究所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目：多关节机械臂机构设计技术研究1设计的主要任务及目标（1）完成对多关节机械臂的机构本体中结构件、传动系统的选型设计;（2）利用软件完成机构各部分的仿真建模、装配及运动仿真。2设计的基本要求和内容（1）完成机构本体零部件设计并撰写设计说明书一份；（2）完成零部件仿真及装配仿真一份；（3）完成某一典型零部件的零件图及装配图一份

2、3主要参考文献（1）濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）M.北京：高等教育出版社，2006.（2）谢存禧，李琳.空间机构设计与应用创新.北京：机械工业出版社 ，2008（3）于靖军.机器人机构学的数学基础.北京：机械工业出版社 ,20084.进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 做开题报告，准备开题答辩 2013.12.15-2014.3.012 对机械臂各关节机构设计与传动系统选型 2014.3.01-2014.4.153 利用 Pro/E 和 matlab 软件进行建模和仿真 2014.4.16-2014.5.304 完成说明书撰写 2014.6.01-2014.6.105 提交

3、设计，答辩 2014.6.11-2014.6.20多关节机械臂机构设计技术研究摘要：自从机器人在二十世纪五十年代诞生以来，它经历了第一代工业机器人的研究、实用化、普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。在六自由度机器人群体中，关节型机器人以工作范围大、动作灵活、结构紧凑、能抓取靠近机座的物体等特点备受设计者和使用者的青睐。 本次设计针对多关节机械手结构进行设计。各个关节处采用独立的电机驱动。设计完成的机械手包括腰回转、大小臂转动、手臂回转和手腕回转 5 个关节。它们具备以下功能：（1）实现末端的空间位置确定；（2）实现末端的方位变化。本文对多关节机械手的

4、多种结构方案进行比较，确定了最佳的结构方案；对各关节的传动和电机的选择进行了设计计算，并对部分零件进行建模和运动仿真。关键词：多关节，机械臂，五自由度，运动仿真Mechanism design and Technology research of the Multi-joint ManipulatorAbstract:Since the robot birthed in the 1950s, it has experienced three stages as following: the first generation industry robots research, practical

5、 application and popularization, the second generation sensational function robots research and practical application, as well as the third generation intelligence robots research. In the group of six degrees of freedom robots, the articulated robot is cared by designer and user for its broad work r

6、ange, flexible movement,compact structure, catching the object near the machine plinth. the structure of the articulated manipulator was designed,which has six degrees of freedom. Each joint is drived by the independent electric motor. The manipulator designed includs waist rotary joint, big arm rot

7、ary joint, small arm rotary joint, the arm rotation, skill swinging and the skill rotary joint. They have function as following: (1) realize terminal space position determination; (2) realize terminal change of location.The best plan is selected through compareing with many kinds of structure plan o

8、f the articulated manipulator in this article,The design and calculation is did in the selectiong of various joints transmission and theelectrical motor, and the gear is checked,modeling and motion simulation of parts.Key words: articulated manipulator ,Structural design,Industrial manipulator I目 录1

9、 绪论 .11.1 机械臂的研究意义 .11.2 国内外现状 .21.3 Matlab 软件的介绍 .51.3.1 Matlab 的发展史 .51.3.2 Matlab 的特点 .51.4 本文主要研究内容 .62 各种机构比较以及选型 .82.1 四大类传动优缺点比较 .82.2 机械传动方式 .82.2.1 齿轮传动 .82.2.2 蜗轮蜗杆传动 .82.2.3 带传动 .92.2.4 链传动 .102.2.5 轮系 .102.3 电气传动方式 .112.4 液压传动方式 .122.5 气压传动方式 .132.6 机构的选型 .143 传动机构的设计 .153.1 多关节机械手臂的机构设计

10、 .153.1.1 引言 .153.1.2 机构设计 .153.1.3 机械爪的设计 .153.1.4 舵机臂关节的设计 .163.1.5 电机臂关节的设计 .163.1.6 皮带带动整个机械臂的设计 .173.1.7 轴的设计及固定 .17II3.2 多关节机械臂的设计参数 .173.2.1 多关节机械臂性能参数 .173.2.2 传动系统的设计与计算 .184 基于 PRO/E 五自由度机械臂的建模及运动学分析 .214.1 五自由度机械臂建模 .214.2 连杆坐标系 .234.2.1 建立连杆坐标系的 D-H 方法 .234.2.2 建立基于 D-H 方法的坐标系 .244.3 运动学

11、建模 .264.3.1 正运动学问题 .274.3.2 逆运动学问题 .284.4 基于 MATLAB 运动学仿真 .294.5 本章小结 .335 结论与展望 .345.1 研究工作总结 .345.2 后续工作展望 .34参考文献 .35致 谢 .3611 绪论1.1 机械臂的研究意义从古至今,人类探索客观世界和寻求自身发展的活动从来不曾停止。人类历史中重大的利学发现以及人类文明的不断进步也正是由于这种探索精神。在上个世纪,随着科技的高速发展,人类的活动空间得到了迅速扩展,如极地探索、火星探索、月球登陆等,都代表了人类在探索客观世界中所取得的重大突破。与此同时,人类社会也发生了翻天覆地的变化

12、。高新技术产品的应用,彻底改变了人类的生存方式和生活质量。一方面,人类需要一种能够代替自己进行繁琐劳动的机器,另一方面,在一些危险恶劣的环境里,人类的自身条件限制了其探索的步伐,也急切需要一种替代的工具。所以,机器人成为能够代替人类工作的机械装置。可以想象,机器人作为人类的助手将受到更多的重视,其应用也将更加广泛。所谓机器人,是一种可编程的、能执行某些操作作业或移动动作的自动控制机械。机器人技术是一种综合了计一算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当前研究十分活跃且应用日益广泛的领域。自从20世纪60年代初世界第一台机器人在美国问世以来,便表现出很强

13、的生命力。近半个世纪来机器人技术发展非常迅速,工业机器人己在工业生产中得到了广泛的应用。机器人的应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人的研究包括三个分支,机械臂(Robot Arm)、机械腿(Robot Leg)和机械手(Robot Hand)。这三个分支往往是分开研究的,其中以对机械臂(Robot Arm)的研究最为广泛。对机械臂的研究可追溯到三十年前左右,最早始于斯坦福大学及麻省理工学院这样有名望的学校。最早的想法来源于电遥控(Teleoperator)和数控机床(Numerically Controlled Machine),把这两项技术有效地结合在一起,便成为今天所说的机

14、械臂。机械臂在工业领域的应用最为广泛。传统的机械臂一般是由机座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部构成。大臂与小臂以串联方式联接,所以也称为串联机械臂。通常,一个串联机械臂就是由关节将刚性连杆连接在一起的连杆机构。基于制造和控制操作相对简单等方面考虑,机械臂通常只包括旋转或移动关节和相互垂直或平行的轴线。从某种意义上说,串联机械臂的发展从遥控机械手就已经开始。所谓遥控机械手是指2在人类不能到达的工作环境中工作的主从式机械手。第一个主从式机械手是1948年驱动的机械装置。主从式机械手一般具有六个白由度,能使所夹持的物体保持任意位置和姿态。多数关节和人臂相似,都是转动关竹,这使得机械臂能够实现人臂的运动

15、,并一且具有较大的活动空间和灵活性。Donald L.Pieper 在其博士论文中提出:对于任何具有六个转动关节并且三个相邻关节轴线相交的串联机械臂,其运动反解都能用闭合形式解出。这一理论对工业机器人的设计产生了巨大的影响,直到1973年辛辛那提米拉克龙公司开发出 T3机器人,所有的工业操作手都至少具有一个移动关节。从此,多数工业机器人就成为具有六个自山度的操作手。这些机器人具有六个转动关节,并且它们末端的三个关节轴线垂直相交,这三个关节就形成了一个球形的腕部,因此,它们就能达到任意位姿。总结起来,串联机械臂一般具有以下的结构特点:(1)具有类人的结构,是说它们具有“肩”(第一个和第二个关节)

16、、“肘”(第三个关节)、“腕”(最后三个关节)。所以,它们总共具有六个自由度,能够将物体放置在任意一个位置。(2)几乎所有的商业机械臂只有转动关节与移动关节,转动关节的制作成本较低,并且转动关节能够提供更加灵活的工作空间。(3)串联机械臂很笨重,它所承载的负荷与其自身重量之比1/10。在最近20年中,机械臂技术有了巨大的发展,机械臂已广泛用于工业生产及人们生活的各个方面。机械臂从能完成一些简单的抓取、放置、喷漆和焊接操作到能实现在印刷电路板上装插集成电路芯片和在汽车工业中装卸与传送零件这样复杂的操作。机械臂在危险环境、微型外科手术和微型机电装置等领域的应用正成为机器人学研究的新领域,机器人的应

17、用已成为衡量某些工厂自动化程度的标准。1.2 国内外现状在国外,瑞士钟表匠德罗斯父子于公元1768至1772年间设计制造出了三个类似真人的机器人写字偶人、绘图偶人和弹琴偶人。捷克斯洛伐克作家 KarelCapek 于1920年在他的剧本“罗萨姆万能机器人公司”(RUR)中,塑造了只会劳动不会思维的机器人形象,也正是在这个剧本中第一次出现“Robota”一词。现在,人们通常应用到的机器人与幻想中的机器人还是不完全一样的。现实中的机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某种操作和移动作业任务的机械装置”。如今,机器人在3各个领域都得到了应用,如工业、航空航天业、服务业等。在这些领域中,工业无疑

18、是机器人应用最早也是最成熟的领域。1962年,美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人 Unimate 在美国通用汽车公司(GM)投入使用,这标志着第一代机器人的诞生。第一台工业机器人问世后头十年,即从二十世纪六十年代初期到七十年代初期,机器人技术的发展较为缓慢,许多研究单位和公司所作的努力均未获得成功。这一阶段的主要成果有美国斯坦福国际研究所(SRI)于1968年研制的移动式智能机器人夏凯(Shakey)和辛辛那提米拉克龙(Cincinnati Milacron)公司于1973年制成的第一台适于投放市 T3等。二十世纪七十年代,许多大的日本企业开始生产工业机器人。后的几十年中,

19、工业机器人的发展经历了山高潮到低谷,由低谷到复苏的过程。在随今天,机器人又展现出蓬勃发展的趋势。经历了几十年发展的工业机器人现如今能高速而精确地完成更多更复杂的工作,如焊接、喷涂、装配、拾取和传递等。一些高级的工业机器人能够更加灵活的决定怎样完成一个任务。例如,一些工业机器人运用人工智能系统来决定怎样工作。基于机器人发展对人类探索世界的重要意义,对机器人的深入研究和探讨就成为人类的重要课题之一。在 1992 年美国的 Computer Motion 公司首次推出了手术机器人之后，医疗机械臂逐渐走出实验室走向临床应用。其中最著名的是 2000 年德国 ZEISS 公司推出的脑科神经手术机器人和 2009 年日本发明的显微神经外科手术机器人。虽然现在世界各国对此领域的投资不断加大，但是目前来看大范围的应用医疗机械臂依然在短期内无法实现。图 1.1 医疗机械臂目前机器人在工业发达国家得到了迅速发展,尤其是日本发展更为迅猛,拥有量占全世界机器人总数的 50%左右,一直保持“机器人王国”地位。除日本外,世界上还有许多工业发达国家,如美国、俄罗斯和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快。尽管美国拥有的机器人在台数上不如日本,但其技术水平较高,占有一定的优势。