E7会闯三自由度仿生机械手臂结构设计前期报告1332123157250.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流E7会闯三自由度仿生机械手臂结构设计前期报告1332123157250.精品文档.河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目：三自由度仿生机械手臂结构设计专业：机械设计制造及其自动化学 生 信 息： 学号： 085466 姓名：王会闯 班级：机设C086班 指导教师信息：教师号：05129 姓名：高春艳 职称：讲师报告提交日期：2012年3月16日一、文献综述 1、课题研究目的和意义机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。上世纪70年代之后，高计算机技术、控制技术、传感技术和人工智能技术迅

2、速发展，机器人技术也随之进入速发展阶段，成为综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当重代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的要标志1 2。随着技术的发展和社会的进步，机器人的应用越来越普及，它不仅广泛应用于工业生产和制造部门，而且在航随着科学天，海洋探测，危险或条件恶劣的特殊环境中获得大量应用3。并且，它还逐渐渗透到日常生活及教育娱乐等各个领域。它们能准确地执行各种各样的任务和操作，并且无需人们工作时所需的安全措施和舒适的工作条件。因此，机器人是当今工业的重

3、要组成部分4。要给机器人下一个合适的和为人们普遍同意的定义是困难的。现在世界上对机器人还没有统一的定义，各国都有自己的定义。这些定义之间差别较大。例如，随着引用定义的不同，对1982年日本的机器人总数估计可在3000至47000台之间变化。这种变化的部分原因是很难区别简单的机器人与其密切相关的运送材料的“刚性自动化”技术装置。国际上关于机器人的定义主要由以下几种：英国简明牛津字典的定义。机器人是“貌似人的自动机，具有智力和顺从于人的但不具有人格的机器”。美国机器人协会的定义。机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，具有编程功能的多功能机械手”。

4、日本机器人协会的定义。工业机器人是“一种转杯有记忆装置和末端执行器的能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。美国国家标准局的定义。“机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业人物的机械装置”。我国机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”。上述各种定义有共同之处，即认为机器人像人或者人的上肢，并能模仿人的动作； 具有智力或者感觉与识别能力；是人造的机器或者机械电子装置。随着机器人的进化和机器人只能的发展，这些定义都有修改的必要，甚至要对机器人重新定义。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的

5、提高，移动机器人和机器人的视觉和嗅觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考决策和动作能力的系统称为智能机器人，但是，从机器人技术和人工智能的研究现状来看,要完全实现高智能、高灵活性的拟人机器人还有很长的路要走,而且,人类对自身也没有彻底地了解,这些都限制了拟人机器人的发展5。拟人机器人研究在很多方面已经取得了突破,如关键机械单元、基本行走能力、整体运动、动态视觉等,但是离我们理想中的要求还相去甚远,还需要在拟人机器人的思维和学习能力、与环境的交互、躯体结构和四肢运动、体系结构等方面进行更进一步的研究6。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具

6、有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产率。机械手越来越广泛地得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前产业所使用的机器人大多以机械手臂的型式为主，机械手臂又以各种形状与大小而有所不同，常见的型式有线性手臂、SCARA

7、手臂、关节多轴机械手臂等。从关节构造上，可分为三轴（含）以下（简称三轴）与四轴（含）以上（简称多轴）两大类。之所以要进行分类，是因为这两方面使用的市场、厂商并不冲突。虽然在应用上的原理类似但是两者的技术并不相同，也因为使用者的需求不同自然在功能区隔上就会非常明显7。机械手部会根据工作种类附加各式的夹持或加工工具，设计上是模仿人类手部机能为主8。从机械手臂行走运动原理，可分为直角座标型、圆柱座标型、极座标型、关节型座标种类。 所谓直角座标就是移动方式与前一臂件分成90度角，计算用X、Y、Z 等作为代表座标，在各座标的长度范围内进行工作或运动。 圆柱座标手臂包含有三个关节，主要的结构是环绕基底主体

8、作轴承旋转执行动作，其上方有两个可直线滑动的手臂沿着水平方向运动和仰俯角垂直方向运动控制，另外一各所能涵盖的体积为一圆柱型旋转，所以手臂的端点能扫过两个圆柱间所有点。 极座标有一手臂由另两个旋转轴所支撑，一个是围绕着基座转动，能做线性运动的收入伸出，另一个是由基座绕垂直做出垂直线性的转动。 关节型旋转座标上有三个以上的转动轴，其中一个连杆是装在基座上能绕基座旋转，另两个连杆的运动型态就如同铰链间两工件能做相对的转动，其转动轴在水平和垂直都有9 10。下图1为标准三轴关节型机械手的X、Y、Z代表坐标：图1 三轴关节型机械手外观图机械手臂在产业自动化的应用已经相当广泛，因为各个国家产业分布的不同，

9、以及各产业对于机械手臂的需求量也有差异。主要是使用于人工无法进行或者会耗费较多时间来做的工作，机械手臂在精度与耐用性上可以减少许人为的不可预知问题。自从第一台产业用机器人发明以来，机械手臂的应用也从原本的汽车工业、模具制造、电子制程等相关产业，更拓展到农业、医疗、服务业等等。多轴机械手臂研发方面，多轴式机械手臂广泛应用于汽车制造商、汽车零组件与电子相关产业。机械手臂可以提升产品技术与品质，而这些初期工作大多可以借由机械手臂来完成。机械手臂的精准、零误差，对于产品的品质掌握自然拥有其优势，减少品管所花费的时间与人力。 工业应用上，以装配、加工、熔接、切削、加压、货物搬运、检测等，全球目前产业使用

10、量是以汽车、汽车零组件、化工、橡胶和塑料等最大。现在，ROBOT的应用已越来越多元化，依据国际机器人协会（IFR）的统计，至2007年底机械手臂除了工业以外，最多应用于救援、保全与野地（田野、牧场等），近年来，各先进国家为了提升台机器人的技术水平，都会推广机器人产业与创立相关联盟，并且特别针对工业以外的领域进行推广，例如：医疗、服务、生活方面等。以医疗为例，有许多大型医学中心使用以手动操控方式之机械手臂，结合显微影像显示系统所结合的手术型机器人。 机械手臂的研发也朝向节省人力、减少人类暴露在危险的工作环境、甚至进行更加精密的工作或是辅助操作。机械手臂的技术发展都是为了让人类在工作与生活中更加便

11、利。下图2为应用在国际太空站上的机械手臂图2国际太空站上的机械手臂2、国外研究状况机器人主要分为两类：工业机器人以及其他特种机器人，自1962年美国推出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。根据国际工业机器人联合会(IFR)前几年的统计11：2000年全世界工业机器人的总数达到82万台，比1996年增加24。其中日本拥有42万台，占全世界机器人总数的50左右，继续保持“机器人王国”的地位。除日本外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快。例如，在美国，19701980年间的机器人台数增加20

12、倍以上。尽管美国所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。在亚洲，韩国的机器人产业发展也很迅速，现排名世界前列而日本、韩国和新加坡的机器人密度(即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量)居世界第1-3位，包揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰等，机器人制造业及应用机器人的情况都有很大发展12。其他特种机器人是国外近年来才迅速发展起来的，是机器人技术的一个重要发展方向，主要研究方向有：空间机器人，医用机器人，水下机器人，建筑机器人和军用排爆机器人等等13。 现在国外的机器人各个方面的技术发展现状为14：（1）机械结构以关节型为主流，80年代发明的适用于装配

13、作业的平面关节型机器人约占总量的13。90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。应3K和汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。（2）控制技术大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流。（3）驱动技术80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已开发并用于工业机器人中：在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。（4）

14、应用智能化的传感器装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。（5）网络通讯方式大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的413，其他采用RS一232，RS一485等通讯接口。（6）高速、高精度、多功能化目前，最快的装配机器人最大合成速度为165ms，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80ms：而另一种并联结构的NC机器人，其位置重复精度达1um。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。（7）集成化与系统化当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设

15、备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。3、国内研究现状我国有组织有计划地发展机器人事业应该说是从“七五”期间的科技攻关及实施“863计划”开始的。经过十几年来的研制、生产、和应用，有了长足的进步。目前在一些方面15，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人、装配机器人、特种机器人(水下、爬壁、管道、遥控等机器人)，已掌握了机器人的设计制造技术，解决了控制、驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术；还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其周边配套

16、设备的全线自动通信、协调控制技术。现在，我国从事机器人研发的单位有200多家16，专业从事机器人产业开发的企业有50家以上。“九五”期间，国家“863”高技术计划己将沈阳新松机器人自动化股份有限公司、啥尔滨博实自动化设备有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、北京机械工业自动化所、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机器人主题产业化基地。大连组台机床所、上海富安工厂自动化公司、东风汽车公司、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、安川北科公司等单位，也都凭借自己开发生产的特色机器人或应用工程项目活跃在当今国内工业机器人市场上。此外，一些科研院所和大学也均在进行机器人

17、技术及应用项日方面的研发工作。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。我国机器人技术主题发展的战略目标是17：根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、恶劣环境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人：第二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、离可靠性和易于集成。我国的机

18、器人研究开发与应用已经取得了一定的成绩，但是总的来看，我国的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，无论从机器人的数量上还是技术上，我们都有一定的差距。进入新世纪以后，国际竞争日益激烈，对机器人的需求越来越大，我国的机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，因此我们需要自主发展机器人高技术，解决产业化前期的关键技术。积极推进我国的机器人产业化的进程。4、发展趋势展望21世纪机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，所以很多专家预测，在21世纪的前20年是智能机器人发展的一个关键时期，目前国际上很多国家，也对机器人对人类社会的影响的估计提出了新的认识，

19、同时，我们也可以看到机器人技术，涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等。人工智能，它是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、语言学等多种学科互相渗透而发展起来的一门综合性学科。从计算机应用系统的角度出发，人工智能是研究如何制造出人造的智能机器或智能系统，来模拟人类智能活动的能力，以延伸人们智能的科学。要准确地预测人工智能的未来是不可能的。但是，从目前的一些前瞻性研究可以看出未来人工智能可能会向以下几个方面发展: 模糊处理、并行化、神经网络和机器情感。目前，人工智能的推理功能已获突破，学习及联想功能正在研究之中，下一步就是模仿人类右脑的模糊处理功能和整

20、个大脑的并行化处理功能。人工神经网络是未来人工智能应用的新领域，未来智能计算机的构成，可能就是作为主机的冯诺依曼型机与作为智能外围的人工神经网络的结合。研究表明: 情感是智能的一部分，而不是与智能相分离的，因此人工智能领域的下一个突破可能在于赋予计算机情感能力。情感能力对于计算机与人的自然交往至关重要。人工智能一直处于计算机技术的前沿，人工智能研究的理论和发现在很大程度上将决定计算机技术的发展方向。二、本课题主要研究内容 本课题设计内容为参考Hebut型移动机械手结构，设计三自由度机械手臂机械图，设计三维模型，并完成对该机械手臂的初步运动学分析和仿真。 工作要求： 1. 三自由度机械手臂结构设

21、计。 2. 机械手臂三维模型结构设计。 3. 初步运动学分析。 4. 移动机械手运动仿真。 本课题研究涉及机械原理、机械设计、机器人、机电传动控制、实体建模、有限元分析、运动仿真、计算机辅助设计等方面的相关内容。主要研究内容:机械臂的机械部分是整个机器人的执行机构，机构型式的好坏，将直接影响到整个系统。所以，机构的设计非常重要。我们主要从以下几个方面对其进行研究：(1)针对全自动机械手中“臂”机构进行调研，查阅国内外研究资料，资料收集及整理；(2)可达空间的范围。根据设计要求和满足各种工作的需要，机器人前端应能到达工作需要的范围内的各个位置，并且基本上没有死区。(3)机构的设计。具体的包括运动

22、副型式的合理选择和配置。传递运动的最佳路线，驱动的最佳速比等。机构设计不合理，可能会出现臂杆的相互干涉或驱动装置无法运行，机构不能运动等问题。(4)自由度的选取。一般来讲，自由度越多，避障和奇异功能越强，可操作性越好，灵活性越好。但随着自由度的增多将出现机器人机构的复杂化，刚度的削弱、控制起来非常困难等问题。机器人按运动形式分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、关节型机器人和极坐标型机器人。下图3 给出机械手的几何结构简图。图3 机械手的几何结构简图因此，在能满足一定的选型原则的前提下，采用冗余自由度尽量少的、机构简单的形式。综合国内外相关的设计情况，我们考虑设计成关节型的机器人。因为，关节

23、型机器人模拟动物和人类肢体，甚至是整体而最具有仿生性，也就具有了优于其他类型机器人的动作能力。并且，关节型机器人在相同条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间。其中，开链连杆式机器人是现在使用最多的一种，其主体结构的三个自由度腰关节、肩关节、肘关节全部采用转动关节，手腕上也采用转动关节来确定末端的姿态，具有优点如下18：1）结构紧凑，工作范围大而安装占地小。2）具有很高的可达性。可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标型的机器人就不行。3）因为没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。 4）所

24、需关节驱动力矩小，能量消耗少。(5)对“臂”机构传动设计及基本设计计算。直流电机实际上是机器人平台的标准电机，有着极宽的功率调节范围、适用性好、具有很高的性价比、输出力矩较大、易于控制等等，是一种最为通用的电机。我们选择用直流电机作为驱动。设计计算数值要根据具体负载，运动路线等因素进行具体计算。(6)根据机构运动要求，完成全自动机械手中“臂”机构设计，包括结构图、装配图设计；机械臂的回转运动机构：1) 常见方式： 常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连杆传动机构等。 2) 曲柄滑块机构：假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时，可以推动曲柄做摆动或圆周运动。 3) 典型机构： 液压缸连

25、杆回转机构、齿轮驱动回转机构。(7)用UG6.0建立全自动机械手中“臂”机构三维模型，并进行运动仿真。(8)根据仿真后的结果，进行具体实验，测试并校核真实情况下的强度和运动能否达到要求。下图4为天津安反恐防爆机器人：图4 安防反恐防爆机器人三、可能遇到的问题和拟采用的解决问题办法 1、 学习使用三维绘图软件作图和仿真由于没有学习过三维绘图软件，所以要尽快学习并掌握UG或PRO/E中的一种，以便顺利完成毕业设计 。2、 机械臂的选型机械臂的要求有： 承载能力足:手臂是支承手腕的部件，设计时不仅要考虑抓取物体的重量或携带工具的重量，还要考虑运动时的动载荷及转动惯性。 刚度高： 为了防止臂部在运动过

26、程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多。 导向性能好，定位精度高：为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置。同时要采用一定形式的缓冲措施。 重量轻、转动惯量小：为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。 合理设计与腕部和机身的连接部位：臂部的安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响到机器人的外观。因为设计必须满足机构的运动要求，重量轻、刚性好、易制造；优选一些简单、合理、紧凑、实用的结构型式；工艺性要好，成本要低，

27、安全可靠性好，外观造型要美观大方；尽可能采用标准件，以提高互换性，降低成本；尽可能采用模块式结构，以提高通用性；还要便于装配调整和维修。所以，可以考虑采用下图5所示的方案解决选型问题。 l-基座：2-肩关节；3-支撑架；4-大臂；5-肘关节6-小臂；7-腕关节：8-手腕：9-手爪图5 机械臂机构示意图如图，整个结构为空间关节型的，具有五个自由度，均为转动关节，其中基座转动关节实现机器人本体除基座以外的机构的转动；肩关节带动大臂、小臂、手腕、手爪进行俯仰转动，以满足机器人工作空间上高度的要求；大臂、小臂以及手腕均可在允许的范围内运动；腕关节可以实现俯仰以及摆动，可以方便的改变手爪的位姿。机器人大

28、臂和小臂的结构一致，都要根据机器人的运动形式、抓取重量等各个因素来确定，一般要求手臂的弯曲和扭转刚度要好，重量要轻。我们可以考虑采用硬铝合金的材料做成空心管。这样即保证有较高的刚度，也使得手臂的重量很轻，减少电机的负载。四、计划进度 3月5日3月18日：进行前期调研工作，查阅相关的国内外资料，写出前期报告，对所查资料进行文献综述，提交并修改 3月19日4月8日：学习三维软件。初步提出设计方案，对提出的设计方案进行比较，选出合适的方案，并进行初步结构设计和绘出草图 4月9日4月29日：编写中期报告，进行机械机构详细设计，绘出图纸并反复修改 4月30日5月13日：进行三维模型设计，简单运动学分析和

29、运动仿真 5月14日5月20日：修改图纸，整理设计方案设计原则，编写设计说明书并提交 5月21日6月3日：整理所有设计资料，整理思路，提交评议，为答辩做准备 6月3日6月10日：答辩五、参考文献1熊有伦机器人技术基础M武汉：华中科技大学出版社，1996:1.2蔡自兴机器人学M北京：清华大学出版社，2000：1-3.3刘进长.拟人形机器人.奇幻世界.2004(5):49-544姜明等.三自由度的侦察机器人系统.探测与控制学报.2002，24(3):36-415高惠珠.科技革命与社会变迁.上海:学林出版社.1999：356李自茂.机器人学.成都:四川科学技术出版社.19877 卢世元. 机械手臂挥

30、洒出自动化的愿景. MM机械技术杂志. 2009/05/01, 291期: 40-45. ISSN 1029-62988 和田忠太/作; 刘明成/译. 机械构造解剖图鉴. 世茂出版. 1999年08月25日出版: 186-P187. ISBN 95752985439 机械手臂的种类与原理. 修平技术学院 2011-7-11查阅10李芳繁、王智立. 农业机械学刊第8 卷. 1999 年9 月, 第3 期: 211蒋新松.未来机器人技术发展方向的探讨J机器人,1996，18(5):286-28712Bernard Bayle Jean-Yves Fourquet Marc Renaud, A co

31、ordination strategy for mobile manipulation, 6th International Conference on Intelligent Autonomous Systems (IAS-6),Venice, Italy, July 25-27, 981-988, 2000 13Yamamoto,Y., Xiaoping Yun. Unified analysis on mobility and manipulability of mobile manipulators, 1999 IEEE Inter. Conf. on Robotics and Automation, 1200-1206, 1999. 14莫海军，吴少炜排爆机器人及相关技术J机器人技术与应用，2005，4维普资讯网.15金茂箐，曲忠萍，张桂华国外工业机器人发展态势分析J机器人技术与应用,2001，0216赖维德对我国工业机器人的一些看法J中国机械工程，1998，9(6)17张杨林国内工业机器人市场及发展趋势J大众科技，2006，6:191-192.18崔国华，张艳伟，张英爽，等空间转动型3-SPS/S 并联机器人的构型设计分析J吉林大学学报：工学版，2009，39(S1)：200205