五自由度工业机器人结构设计(共44页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上e题 目 五自由度工业机器人结构设计 学生姓名 e 学号 e 所在学院 机械工程学院 专业班级 e 指导教师 e 2009 年 6 月 1 日专心-专注-专业五自由度工业机器人结构设计e(e)指导老师:e摘要机器人是机器进化和科学技术发展的必然结果,机器人从问世到现在经过50多年的发展,在国民经济,科学研究以至整个社会领域发挥着越来越显著的作用,成为人们生活学习中的好帮手,近十年来各种用途的机器人得到了更广泛的应用,如焊接、喷漆、搬运等用于制造车间的工业机器人。学习了机器人技术知识,查阅了大量的文献资料,对国内外机器人、主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解。在此基
2、础上,结合本人的设想,和设计工作中需要解决的任务,本文主要研究机器人总体结构进行设计,主要进行以下工作:本体结构设计,本机器人手臂结构方案确定后要运用AutoCAD把其平面装配图做出。关键词机器人、AutoCAD、机械手臂Five Degree of Freedom Industrial Robot Structure Designe(e)Tutor:eAbstract: This paper studied and designed a five-DOF assembly processing robot, and carries on the kinematics and dynamics
3、 analysis, simulation. At last static analysis and modal analysis for the key parts of the robot by FEM, compared the analytical results .The main work was as follows:On the basis of actual situation and similar structure, Designed the kinematics and Structural programs for the five-Dof assembly pro
4、cessing robot, and used 3-D software to devise the structure of main part of the second proposal, at last, framed the dimensional model.Complied the assembly processing robot analytical soft and kinematics analytical; calculate the kinematic equations and the positive & reverse solutions, and used t
5、he Monte Carlo method to calculate the workspace of the robot , and used the vector product method to construct the speed Jacobian matrix of the robot. At last , according to virtual prototyping technology, simulated the positive & reverse solutions and the speed Jacobian matrix in ADAMS, and compar
6、ed the simulation results with the analytical results to verify the correctness of the resolution of kinematic.Used second-class Lagrangian method to create the robot model, and deduced the robot dynamics equation. According to compiling dynamics solver program by Mat lab software , The author simul
7、ated the inverse problem of dynamics and provided the basis for the control and trajectory planning in the future.The paper studied the five-Dof assembly processing robots and established the foundation for the research of the series of robots in the future.Key words:Assembly Robots;Scheme design; K
8、inematic Analysis;Dynamic Analysis;Lagrange Method;Finite element method;Modal analysis.目 录引言工业机器人,一般指的是在工厂车间环境中,配合自动化生产的需要,代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织(ISO)在 对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手,这种机械手具有几个轴,能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备,以执行种种任务” 。 随着科学和技术的不断发展,在过去的几个世纪里,人类在许多方面都取得了重大的进
9、展。机器人技术作为人类最伟大的发明之一,自20世纪60年代初问世以来,经历了短短的40年,已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生、成长、成熟期后,已成为制造业中必不可少的核心装备,而且工业机器人不仅在工厂里成了工人必不可少的伙伴,而且正在以惊人的速度向航空航天、军事、服务、娱乐等人类生活的各个领域渗透。据联合国经济委员会和国际机器人联合会去年关于世界机器人的报 告,仅2003年新投入使用的机器人接近10万个,使世界目前使用的机器人总数超过75万。世界使用机器人最多的国家是日本,约38 .9万;其次为德国(9.1万)、美国 (9万)、意大利(3.9万)、韩国(3.8万)、法国(2.1万)、西班
10、牙(1.3万)和英国(1.2 万),并且报告估计2004年,全世界使用的机器人总数将超过100万。我国的工业机器人发展的历史已经有20多年,从“七五”科技攻关开始,正式列入国家计划,在国家的组织和支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,不仅在机器人的基础理论和关键技术方面取得重大突破,而且在工业机器人整机方面,己经陆续掌握了喷漆、弧焊、点焊、装配和搬运等不同用途、典型的工业机器人整机技术,并成功的应用于生产,掌握了相关的应用工程知识。但总的看来,我国的工业机器人 技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离。我国目前大约有 4000台工业机器人,其中仅有1/5是国产的,其余的则是从40多个
11、国外厂商进口的机器人。总之,各种各样机器人的出现和应用是人类走向文明和发展的一个巨大进步和标志,在未来社会中,机器人的广泛应用和发展是一个必然的发展趋势。相信在不远的将来,机器人技术将一定能够为人类带来更多的方便,为人类的文明和发展带来更大的机会。1 工业机器人简介1.1 机器人简介机器人是机器进化和科学技术发展的必然结果,机器人从问世到现在经过50多年的发展,在国民经济,科学研究以至整个社会领域发挥着越来越显著的作用,成为人们生活学习中的好帮手,近十年来各种用途的机器人得到了更广泛的应用,如焊接、喷漆、搬运等用于制造车间的工业机器人。特别是在医疗,服务、外空、国防等人类极限以外的领域,发挥着
12、无可替代的作用。正是因为如此,世界上许多国家投入巨资发展机器人技术。机器人技术已经形成了一门新学科机器人学(Robotics),以微电子技术为主导涉及了工程力学、计算机科学技术、机械电子工程学、自动控制理论、人工智能和生物学等多门学科为一体,是一门综合技术学科。1.2 机器人研究现状及发展趋势现代机器人技术的研究开始于20世纪50年代,当时计算机科学技术、机械电子技术,自动化控制技术的发展为现代机器人的发展提供了有利的条件。1960年到1970年是机器人技术的缓慢发展阶段,许多科研院校和个人都对机器人技术进行了研究,投入了大量的人力,物力,材料但都没有取得突破性进展,但还是取得了一些成果,主要
13、成果是斯坦福研制的移动式机器人。到了80年代末期,对于传统的机器人生产量供过于求,结果导致国际机器人产业出现不景气,机器人产业进入了缓慢发展的时期。进入21世纪以来国际机器人处于比较稳定的发展阶段。世界上第一台机器人诞生于美国,美国研究机器人的时间比日本还早,现在已经成为世界上工业机器人技术研究的强国之一,在技术上遥遥领先。日本虽然比美国研究机器人的时间晚,但是发展很快,日本被称为“机器人王国”,其工业机器人的数量远远超过世界上其他的国家,位于世界第一。到了20世纪80年代日本的机器人技术得到了迅速发展,处于鼎盛时期,机器人逐渐应用于各个生产部门,工业机器人有了巨大的发展,机器人制造业成为发展
14、最快的和最好的经济部门之一,带动了国民经济的发展。从上个世纪90年代中期开始,相比世界上其他国家和地区,欧洲和北美对机器人技术的研究进入了迅速发展时期。到了21世纪,国外机器人技术已经日趋成熟,被工业界广泛采用,有的已经成为机器人设计方面的参照标准和设计标准。目前世界上著名的制造工业机器人公司主要有ABB Robotics、Yaskawa KUKARoboter等,这些公司成为当地的支柱性产业,带动当地经济快速发展。目前,机器人自动化生产线已经广泛使用于汽车、电子、物流、仓储行业,提高了生产效率和产品的质量。我国于19世纪70年代年开始研制工业机器人,当时在许多科研单位和院校建立了研发中心,开
15、始了机构学,计算机控制应用技术的研究,在应用方面,二汽建立的东风汽车驾驶室的喷漆生产线,已经成为国产机器人运行的一个窗口,并建立了点焊机器人工作站,成功研制了SCARAZ装备机器人的样机模型。相对于世界上其他国家服务型机器人,我国的服务型机器人发展比较慢,落后于其他国家服务型机器人研究技术。科学技术是第一生产力,为了加快我国在机器人研究方面的发展,特别是七五计划,863计划,在国家的重点技术支持下,我国的机器人在机器人基础技术,机器人的单元技术、运动学,机器人控制装置的研制,取得了重大发展,加速我国工业机器人技术的发展。我国的机器人技术和国外相比起步比较晚,技术相对比较落后,目前主要研究用于生
16、产线上工业机器人、为完成某项特定任务而专门开发的特种机器人、带有自动识别系统的智能机器人,并在这些方面取得了显著成就,为以后各种用途机器人的研究奠定了基础。如今机器人在很多方面被人们应用。尤其是在汽车制造、机械制造、集成电路、数字加工等主要依靠人工操作的大规模的生产企业、一些对人类具有很大危害性的行业、质量和要求比较高的行业,逐渐取代了人工操作,提高了效率,降低成本,工业机器人在越来越多的行业发挥着巨大的作用,得到了广泛的应用。2005年,据不完全统计美洲地区汽车行业所需求的工业机器人占其他所有行业所需工业机器人总数的五分之三。当时在亚洲汽车行业零部件加工需求的机器人占其他所有行业所需机器人的
17、三分之一,居于各行业之首。我国对仿真机器人进行了大量的研究,例如对机器人鱼的研究,国防科技大学、哈尔滨工业大学等各大院校和科研院所都对其进行了大量的研究,投入了大量的时间,取得了重大的成就。清华和哈尔滨工程大学分别设计了动态步行机器人和双足机器人。我国的工业机器人主要是采取借鉴国外的先进技术,然后进行二次开发,创新比较少,制造基础零部件的能力差,缺少自己的品牌,鼓励性政策少,我国必须以市场为导向,发展一批具有核心竞争力的产品,对发展工业机器人专门立项,加速我国工业机器人的发展。近几年的我国的机器人自动化生产线已经出现,逐渐成为机器人自动化生产线的主要方式,国内制造装配业正在由传统的向机器人自动
18、化生产转型。我国现有工业机器人生产厂家由于技术条件、资金条件等客观和主观因素的影响,导致其生产规模较小,机器人的品种单一,性价比低,研发的高科技机器人比较少,远远不能满足市场的要求。如果想占领国内市场,就必须采取相应的措施,发展科学技术,努力提高机器人的质量,提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本以适应现代竞争的社会。目前我国为了发展机器人技术,提高我国的竞争实力,逐步在上海、沈阳、北京经济发达的地区开展机器人研究,建立了机器人及其自动化生产线产业基地,逐渐开发出一批以市场为导向的,适合我国发展的,拥有自主知识产权的机器人及其自动化生产线。经过多年的发展,装配机器人的发展也有了很大的进步,用于装
19、配的机器人占机器人总数的三分之一,并且这一趋势将不断扩大,专门设计的装配加工机器人更具有效率。目前我国在装配机器人研制方面,掌握了机械设计,控制,驱动系统等关键技术,在基础元件方面,引入了谐波减速器,传感器,运动控制器。近几年来,我国已经研制出各种各样的装配机器人,如小型电器机器人自动装配线,精密机芯机器人,开发了具有知识产权模块化直角坐标系装配机器人、CAD平台、开发了3个系列的直线运动单元以及由此组成的直角坐标装配机器人,“贤科”装配机器人是国际上比较精密的装配机器人。装配机器人按适应的环境不同分为普通型装配机器人和精密装配机器人,根据臂部的运动形式,分为平面关节型装配机器人,直角坐标机器
20、人,垂直多关节装配机器人。日本研究开发的平面关节(SCARA)装配机器人,属于精密型装配机器人,具有定位精度高,柔性好、工作空间大等优点,是目前比较常见的装配机器人,广泛用于电子、机械等相关的自动装配、搬运、调试,可以满足柔性自动化生产的要求。直角坐标装配机器人,具有结构简单,操作方面的优点,广泛用于零件的移送,插入,旋拧等。垂直多关节装配机器人,一般具有6个自由度,可以达到空间任意位置,面向的对象是空间任意位置和姿态的作业。如今,在研制装配机器人方面,主要研究装配机器人的共性技术及关键技术的研究,向多样化和智能化发展。如直接装配机器人,即不经过减速装置,采用高扭矩低速电机直接驱动;装配机器人
21、结构灵巧,控制系统小,朝着机电一体化发展;智能装配机器人,例如自主移动装配机器人;并联机器人;协作装配机器人,多个机器人之间的协作,完成一系列任务,对于重型或精密装配非常重要。随着现代科学技术的发展,各式各样的机器人已经研制出来,工业机器人的应用越来越广泛,不在仅仅用于制造业,扩大到建筑,农业,采矿,国防军事,医疗,服务等领域,机器人技术将成为未来的研究热点,近年来工业机器人技术正在从狭义的机器人概念向广义的机器人技术转移,向人机智能化、设计模块化、高速化、微型化的方向发展。主要体现在以下几个方面:(1) 随着工业机器人应用领域的不断扩大,人们对机器人的综合性能指标的要求也越来越高,特别在某些
22、超精密领域或重要领域,人们对工业机器人的柔性和控制精度和互换性提出了更高的要求,特别是性价比方面,于是开始研究可重构机器人,成为历史的必然,成为时代的需要,结构的模块化包括驱动部件、传感器、控制器等。可重构化适合现代制造业中的柔性生产线,主要表现在探索新的高强度轻质材料和结构的模块化。结构化的模块也提高了互换性,提高了利用率,符合现代社会的可持续发展战略。 (2) 高速性,对于一般的室内机器人或者用于服务业的服务型的工业机器人,对于机器人的速度没有特殊的要求,但是对于室外或者用于机械加工的机器人或其他特殊领域的机器人,比较高的运行速度可以提高生产效率,降低成本,而这就对机器人的定位精度与控制精
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