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1、本科毕业设计开题报告 题 目： 并联六自由度微动机器人结构设计 院 （系）： 机械工程学院 班 级： 机制08-4 班 姓 名： 刘哲 学 号： 2008025802 指导教师： 于凤云 教师职称： 教 授 黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告题 目并联六自由度微动机器人结构设计来源工程实际1、研究目的和意义目的：提高生产过程中的自动化程度，改善劳动条件，避免人身故事，减轻人力，便于有节奏的生产。意义：应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。应用机械手可以代替人进行工作，这不仅直接减少人力，同时还可以连续工作。在
2、高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性或其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。2、国内外发展情况（文献综述）从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展1。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展2。目前的研究内容主要集中在
3、：工业机器人操作机结构的优化设计技术、机器人控制技术、多传感技术、机器人遥控及监控技术,机器人半自主和自主技术、虚拟机器人技术、智能体调控制技术、软机器人技术、仿人和仿生技术、微型和微小机器人技术3。其中微型和微小机器人技术是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向4。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命， 并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面5。工业机器人技术是以机械、电机、电子计算机和自动控制等学科领域的技术为基础融合而成的一种系统技术
4、6。a. 机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。 b. 并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。c. 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控
5、制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。d. 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品7。 e. 网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Pr
6、ofibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。f. 可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求8。近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展9。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求10。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行
7、走功能，对外 感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向11。目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展12。主要研究内容集中在以下10个方面： a. 工业机器人操作机结构的优化设计技术b. 机器人控制技术c. 多传感系统d. 机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。e. 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术f. 虚拟机器人技术 g. 多智能体（multi-agent）调控制技术 h. 微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）13。在我国对此进行了深入的研究，如徐卫
8、平和张玉茹对六自由度微动机构进行了位移分析并为其结构设计提供了计算依据14。还有刘辛军、高峰和汪劲松研究了微动机器人机构的设计方法，建立了并联六自由度微动机器人的空间模型，并分析了该微动机器人的空间模型，并分析了该微动机器人的机构尺寸与各向同性、刚度等性能指标的关系得到了一系列性能图谱，从各图谱中可以看出各项性能指标在空间模型设计参数空间中的分布规律，这有助于设计者根据性能指标来设计该微动机器人的机构尺寸，是探讨微动机器人机构设计的有效分析工具15。3、研究/设计的目标：（1）. 手腕处于手臂末端，设计时应注意减轻手臂的载荷，力求手腕部件的结构紧凑，减少其重量和体积；（2）. 提高手腕动作的精
9、确性； （3）. 六个自由度的实现。4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）：4.1.机械结构类型的确定 为实现总体机构在空间的位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案：（1）圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。（2）直角坐标型 直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算
10、，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。（3）球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。（4）关节型 关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。 （5）平面关
11、节型 采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。对以上五种方案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四：关节型机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作精度高。4.2.工作空间的确定
12、工作空间是指机器人正常工作运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。此机器人的工作空间为1500mm。4.3.手腕结构的确定由手腕来实现末端执行器在作业空间的六个姿态坐标，即实现六个自由度。4.4.基本参数的确定动作范围手腕回转手摆动9030s手腕旋转36030s额定载荷4Kg最大速度2m/s5、方案的可行性分析：通过最大载荷的分析和计算，电机功率的了解，还有安全系数的考虑对手腕、摆腕、提腕电机进行适当的选择。根据传动比的计算确定各个齿轮的分度圆直径、齿顶高、齿根高、齿定圆、中心距以及齿距和齿厚。在确定各个输出轴以及输入轴后对轴的强度进行了校核。根据校核得出的结论各个轴
13、都符合设计的要求。内部结构设计以及校核结束后对外壳体进行了选材以及设计，经过一些资料的查找最后确定铸铝材料的机构，厚度等都符合所需的要求。通过综合分析以上设计方法和设计制造难度，方案可行。6、该设计的创新之处本次设计的机器人采用了直流电机驱动，通过一系列的轴和齿轮传动顺利实现了六个自由度：摆腕、提腕、转腕。应用于焊接生产线上将大大提高生产效率，和加工质量，降低工人劳动强度，能够带来可观的经济效益。本机器人设计结构合理，通用性强。除了应用于焊接外，还可以应用于喷漆等工作中。设备制造成本合理，拆装方便，便于维护。7、设计产品的主要用途和应用领域机械手的最初用途是为了帮助人们摆脱繁重的劳动和简单的重
14、复劳动，以及代替人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机械手最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机械手技术的不断开展，工业领域得焊接、喷涂、搬运、装配等场合已经开始大量使用，另外在军事、海洋探测、航天、医药、农业、林业甚至服务娱乐行业，业都开始使用机械手。我设计的机械手主要用于高温焊接，还可以用于喷漆等工作中，不仅可以大大提高生产效率，还可以降低工人的劳动量。8、时间进程2012年2 月12日2012年3 月12 日 富士康经济开发园区，收集机械手的相关资料2012年3月13日2012年3月 23 日 富士康经济开发园区，了解机械手的工作原理2012 年 3月24日 2008年4月10 日 富士康经济开发园区，编写开题报告，实习总结，2012 年 4月10日 2012年4月30 日 完成总装图的设计和组装2012 年5 月1 日2012 年5 月24 日 完成部件和零件的设计和计算2012 年5 月25 日 2012 年6 月10 日 编写毕业设计说明书、审图、修改2012 年 6月11日 2012年6月15 日 答辩 9、参考文献：1陆鑫盛. 气动新技术模块式气动机械手J. 气动密封与液压,2001(6):24-18.2李明利,杨利华. 焊接机器人机械结构设计与分析J. 机械
