1、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
2、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:Sincetherobotbirthedinthe1950s,ithasexperiencedthreestagesasfollowing:thefirstgenerationindustryrobotsresearch,practicalapplicationandpopularization,thesecondgeneration
3、sensationalfunctionrobotsresearchandpracticalapplication,aswellasthethirdgenerationintelligencerobotsresearch.Inthegroupofsixdegreesoffreedomrobots,thearticulatedrobotiscaredbydesigneranduserforitsbroadworkrange,flexiblemovement,compactstructure,catchingtheobjectnearthemachineplinth.thestructureofth
4、earticulatedmanipulatorwasdesigned,whichhassixdegreesoffreedom.Eachjointisdrivedbytheindependentelectricmotor.Themanipulatordesignedincludswaistrotaryjoint,bigarmrotaryjoint,smallarmrotaryjoint,thearmrotation,skillswingingandtheskillrotaryjoint.Theyhavefunctionasfollowing:(1)realizeterminalspaceposi
5、tiondetermination;(2)realizeterminalchangeoflocation.Thebestplanisselectedthroughcompareingwithmanykindsofstructureplanofthearticulatedmanipulatorinthisarticle,Thedesignandcalculationisdidintheselectiongofvariousjointstransmissionandtheelectricalmotor,andthegearischecked,modeling and motion simulati
6、on of parts.Keywords:articulatedmanipulator,Structuraldesign,Industrialmanipulator目 录1 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
7、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173.2 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
8、运动学建模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36I1 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。高新技术产品的应用,彻底改变了人类的
9、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,便表现出很强的生命力。近半个世纪来机器人技术发展非
10、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械臂。机械臂在工业领域的应用最为广泛。
11、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,并一且具有较大的活动空间和灵活性。Do
12、nald 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)、“肘”(第三个关节)、“腕”(最后三个关节
13、)。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,机器人的应用已成为衡量某些工厂自动化程度的标准。1.2
14、 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,工业无疑是机器人应用最早也是最成熟的领域。1962年,美国
15、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,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
