二自由度机器人的结构设计与仿真设计.doc
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1、二自由度机器人的结构设计与仿真摘 要并联机器人有着串联机器人所不具有的优点,在应用上与串联机器人形成互补关系。二自由度并联机器人是并联机器人家族中的重要组成部分,由于结构简单、控制方便和造价低等特点,有着重要的应用前景和开发价值。本论文研究了一种新型二自由度平移运动并联机构,该并联机构采用类五杆机构,平行四边形刚架结构来实现,可有效地消除铰链间隙,提高动平台的工作性能,同时有抵抗切削颠覆力矩的能力。根据该二自由度平面机构的工作空间,利用平面几何的方法求得连杆的长度,并通过Pro/E软件进行仿真检验,并通过软件仿真的方式,优化连杆长度,排除奇异点,同时合理设计机械结构的尺寸,完成结构设计。对该二
2、自由度并联机器人,以Pro/E为平台,建立两自由度平移运动并联机器人运动仿真模型,验证了机构的实际工作空间和运动情况。最后指出了本机构的在实际中的应用。并使用AutoCAD软件进行了重要装置和关键零件的工程图绘制工作,利用ANSYS软件分析了核心零件的力学性能。研究结果表明,本文所设计的二自由度机器人性能良好、工作灵活,很好地满足了设计指标要求,并已具备了一定的实用性。关键词:二自由度;并联机器人;仿真;结构设计;Pro/E2-DOF robot structure design and simulationAbstractParallel robot has a series of adva
3、ntages of the robot does not have to form a complementary relationship between the application and the series robot. The 2-DOF parallel robot is an important part of the family of parallel robots. The structure is simple, convenient and cost control and low, with significant potential applications a
4、nd the development value. In this thesis, a new 2- DOF translational motion parallel mechanism, the analogous mechanism for class five institutions, parallelogram frame structure, which can effectively eliminate the hinge gap and improve the performance of the moving platform, while resistance to cu
5、tting subvert the torque capacity.The working space of the 2-DOF planar mechanism, the use of plane geometry to obtain the length of the connecting rod, and the Pro/E software simulation test, and software simulation to optimize the connecting rod length, excluding the singular point, while the size
6、 of the rational design of mechanical structure, complete the structural design. And important equipment and key parts of the engineering drawings using AutoCAD software, using ANSYS software to analyze the mechanical properties of the core parts.The 2-DOF parallel robot to the Pro/E platform, the e
7、stablishment of the 2-DOF of translational motion parallel robot simulation model to verify the organizations actual work space and movement. Finally, this institution in the practical application. The results show that the combination of good motor performance of the 2-DOF parallel robot,good to me
8、et the index requirements, and already have a certain amount of practicality.Keywords: 2-DOF; parallel robot; simulation; structural design; Pro/E目 录1前 言11.1本课题的研究背景及意义11.1.1什么是机器人11.1.2机器人技术的研究意义11.2机器人的历史与发展现状21.2.1机器人的发展历程21.2.2机器人的主要研究工作31.2.3少自由度机器人的发展历程41.3本课题的研究内容52二自由度机器人系统方案设计72.1二自由度并联机器人机
9、构简介72.2执行机构方案设计及分析73二自由度机器人的结构设计与运动分析83.1已知设计条件及参数83.1.1连杆机构自由度计算83.1.2五杆所能达到的位置计算83.2对机构主体部分的运动学逆解分析103.2.1位置分析103.2.2速度与加速的分析113.3受力分析124基于Pro/E软件环境下二自由度机器人的结构设计164.1 Pro/E软件简介164.2驱动元器件的选择174.2.1步进电机的选择174.2.2联轴器选择184.3平面连杆机构的结构参数确定194.4输入轴的设计204.5安装支架的参数确定215基于Pro/E软件环境下的机器人装配及动态仿真235.1虚拟装配过程235
10、.1.1连杆机构的装配235.1.2安装支架的装配245.1.3完成二自由度机器人的最终装配245.2基于Pro/E软件环境下的动态仿真256基于AutoCAD软件环境下的机械结构设计316.1AutoCAD软件简介316.2平面连杆机构的结构设计326.3机架的结构部件图绘制336.4二自由度机器人工程图绘制347基于Ansys软件环境下的有限元分析367.1Ansys软件简介367.2对输入轴的有限元分析377.3对输入连杆的有限元分析378 总结与展望408.1课题研究工作总结408.2研究展望41参考文献42致 谢44附录(一)45附录(二)521前 言机器人技术是一门光机电高度综合、
11、交叉的学科,它涉及机械、电气、 力学、控制、通信等诸多方面。机器人技术的发展,应该说是利用科学技术发展的一个综合性的结果,同时,也是为社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术。随着社会的发展,人们不断探讨自然、改造自然、认识自然过程中,实现人们对不可达世界的认识和改造,这也是人们在科学技术发展过程中的一个客观需要。1.1本课题的研究背景及意义1.1.1什么是机器人机器人(Robot)的研究是由仿生学、机械工程学和控制工程学等多学科相互融合而形成的一门综合性学科,它代表了机电一体化的最高成就,所研究的机器人是一种能够代替人从事多类工作的高度灵活的自动化机械,而机器人技术研究的一个主要目的就是使其
12、能够代替人劳动,能够灵活自如地完成人所能完成的和难以胜任的工作。1.1.2机器人技术的研究意义机器人技术的出现和发展不仅使传统的工业生产发生根本性的变化,而且对人类的社会生活也产生了深远的影响。最初人们应用开环串联作为机器人操作机,因为它们具有像人手臂一样的广阔运动空间以及灵活机动性等优点,但由于它们是悬臂结构,故承载能力差,在重载情况下容易弯曲变形,在高速运动时容易振动,且精确定位能力也不理想;后来人们观察生物世界,发现动物肢体由多个并行的腿支撑,负载时平稳,人类自身用双手配合拿起重物时也较单臂时轻松,三个并行手指精确的使用能够完成像书写这样的精细工作,人类从中受到启迪,开始研制并联机器人,
13、并希冀并联机器人具有较好的刚性和定位能力,从而更大限度满足人们生活娱乐的需要1。近20年来并联机器人备受人们关注,越来越多的国内外学者开始从不同方向从事并联机器人技术的研究工作,越来越多的并联机器人在机械加工、仿生、军事、医疗、生物、宇航和海洋工程等领域得到应用作为一种先进的生产工具,利用机器人不仅能够完成大量简单重复性工作,而且可以完成许多以前必须通过人工才能完成的复杂工作,在提高效率的同时改善了质量。但传统的串联机器人存在关节误差累积效应、末端执行器刚度较低和负载驱动能力有限等问题,这都限制了串联机器人在实际应用中的性能。 为了弥补串联机器人的不足,人们提出了一种新型的具有多运动链结构的机
14、器人并联机器人。从机构学上看,并联机器人具有运动惯量低、刚度大、负载能力强等优点,这恰恰弥补了串联机器人的不足,使得并联机器人成为一个潜在的高性能运动平台。由于实际应用的需要,目前对机构简单、驱动元件少、成本低、工作空间比较大的少自由度机构的研究,已成为机构学领域的一个热点问题。目前,国际学术界和工程界对研究和开发并联机床非常重视,对这种新型数控装备的工程应用前景和市场潜力极为乐观,纷纷投入人量人力和物力竟相开发,并从20世纪90年代初以来相继推出多种结构相似而名称各异的产品化样机。随着并联机器人技术的发展,少自由度并联机构因其结构简单、经济,引起了许多学者的广泛兴趣。1.2机器人的历史与发展
15、现状1.2.1机器人的发展历程并联机器人的出现可以追溯至20世纪30年代。1931年,Gwinnett2在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置,如图1.1所示;1940年,Pollard3在其专利中提出了一种空间工业并联机构,用于汽车的喷漆;如图 1.2 所示;之后,Gough4在1962年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置;如图 1.3所示;三年后,Stewart5首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究,并将其推广应用为飞行模拟器的运动装置,如图1.4所示,且把它命名为Gough-Stewart机构或Stewart机构,目前“Stewart Platform
16、”已成为并联机器人领域中使用最多的名词之一。 图1.1 并联娱乐装置 图1.2 Pollard并联机构 图1.3 Gough并联机构 图1.4 Stewart 并联机构近几十年来,德国、意大利、法国及英国的机器人产业发展比较快。目前,世界上机器人无论是从技术水平上,还是从己装备的数量上,优势集中在以美日为代表的少数几个发达的工业化国家。我国工业机器人起步于20世纪70年代初,大致可分为三个阶段:70 年代萌芽期,80年代的开发期,90年代的实用化期。1965年美国的D.Stewart发明了六自由度并联机构并用于飞行模拟器中训练飞行员;澳大利亚著名机构学教授K.H.Hunt6在 1978 年提出
17、可以应用6自由度的Stewart平台机构作为机器人机构将并联机构Parallel Manipulator用于机器人手臂并提出多种形式的并联结构对其可行性进行了系统研究 。自1978年Hunt提出并联机器人结构模型以来,并联机器人的研究受到许多学者的关注,美国、日本先后有Rooney Ficher、Duffy Sugimoto等一批学者从事研究;英国、德国、俄罗斯等一批欧洲国家也在研究Ficher对六自由度并联机器人机构的基础理论、基本结构及其奇异性等。国内燕山大学的黄真教授自1982年以来在美国参加了此项内容的研究,并于1983年取得了突破性的进展。在国内,黄真教授在并联机器人方面做出了较突出
18、的贡献,1991年他研制出我国第一台六自由度并联机器人样机,如图1.5所示;1994年又研制出柔性铰链并联式六自由度机器人误差补偿器,如图1.6所示;然后在1997年出版了我国第一部关于并联机器人理论及技术的专著。 图1.5 并联机器人样机 图1.6 机器人误差补偿器迄今为止,多自由度机械手的样机各种各样,包括平面、空间不同的自由度的机构以及超多自由度并串联机构。大致说来,60年代曾用来开发飞行模拟器,70年代提出并联机械手的概念 ,80年代末期开始研制并联机器人机床,90年代利用并联机构开发起重机。日本的田和雄、内山胜等人则利用并联机构开发宇宙飞船空间对接器等。1.2.2机器人的主要研究工作
19、多自由度机械手的理论研究涉及到许多现代控制、现代测量、建模仿真等科技。因此,有大量理论研究工作在深入进行。目前,主要的研究工作有以下几个方面:1.设计理论研究。由于有些机械手具有作业空间小和奇异点多的不足,目前理论的研究有是围绕着扩大作业空间、改善灵活性、回避奇异点的运动特性和运动规律,这涉及到结构学、运动学、动力学、机构学、数学等研究领域。2.控制技术研究。目前对控制方法、控制精度、数控编程等方面分别进行了研究,其关键技术是通过机械手各个驱动杆的控制,实现X轴、Y轴和Z轴的控制,使指定点精确地到达指定位置。3.误差分析研究。由于存在着许多其它影响精度的因素,如制造和安装误差,连接杆上下铰接处
20、的间隙,杆长偏差对动平台位置精度的影响等等。一些学者对此进行了专门的研究并建立了相应的精度分析模型。近年来,随着控制控制理论和计算机技术的快速发展,以机器人为核 心的自动化生产设备成为现代产业的一个重要支柱,它大大提高了生产的质量和效率。由于机器人在生产、生活等方面的广泛应用,对机器人的控制研究一直是该领域专家的研究重点。1.2.3少自由度机器人的发展历程在并联机器人机构体系中,有着多种机构种类划分方法,按照自由度划分,有2个自由度、3个自由度、4个自由度、5个自由度和6个自由度并联机器人,其中25个自由度机器人被称为少自由度机器人;按照机器人机构结构划分,可分为平面结构机器人、球面结构机器人
21、和空间结构机器人。多自由度机械手以其独特的结构和先进的控制技术,其在生产生活中的地位越来越重要。当制造业面临全球市场竞争,必须以快速响应求生存、求发展的时候,机械手的一些优点具有明显的市场潜力和良好的发展前景就显现了出来。现代社会对工业机器人的操作性能和运行速度的要求不断提高,实际工程应用的要求促使人们去研究具有刚度好、运行速度快负载能力强的新型机器人 。80年代以来世界各国纷纷开展基于并联机构机器人的研究与开发并在部分场合得到了应用。但是目前仍然存在着工作空间较小、运动范围有限的缺点。因此,如何做工作空间较大的工业机器人臂、如何开发具有高速重载特点的机器人,也就是说具有新的功能特点的并串联复
22、合机器人,这是个值得深入研究和探讨的问题。由于多自由度的机器人存在建模困难、运动耦合和对元件精度要求高等不足,而且在许多情况下用户并不需要六自由度机械手,低于六自由度即可满足实际要求。因此,近年来一些少自由度并联机构成为新的研究热点,少自由度机构具有结构简单、造价低等特点,在实际领域中有着广泛的应用前景。许多学者研究了少自由度机构,有两转动一平动、三转动两平动、两转动两平动机构等,香港科技大学研制并出了平面 2 自由度驱动冗余并联机器人样机,如图1.7所示,通过增加一个串联分支同时增加一个驱动,构建了平面2自由度驱动冗余并联机器人,这种驱动冗余并联机器人的特点在于能克服瞬时自运动奇异而改善机构
23、的灵巧性,同时减小了原非驱动冗余机构的理论可达工作空间。由于驱动冗余可以改善机器人力传递的一致性,既减少了工作空间内的奇异,同时增加了机器人的承载能力和刚度,能够有效完成非冗余并联机器人的工作任务,所以,平面2自由度驱动冗余并联机器人可以完成平面上点的定位,实现平面任意轨迹。 图1.7 平面2自由度驱动冗余样机 图1.8 汽车变速器球面机器人机构是一种各转动轴线相交于一点的空间机构,由于制造相对简单经济,结构紧凑,特别适用于空间姿态变化的地方,因而球面机构在工业上得到了比较广泛的应用,如广泛使用的万向节就是最典型的球面四杆机构,大多数实用的机器人的手腕就是一个球面三杆开链机构,如图1.8所示的
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