并联六自由度微动机器人机构设计毕业设计(编辑修改稿)

并联六自由度微动机器人机构设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

[4 ]。 先进机器人 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。 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。 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 [5]。 （ 1） 水下机器人：美国的 AUSS、俄罗斯的 MT8法国的EPAVLARD 等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等 方面，形成了有缆水下机器人（ remote operated vehicle）和无缆水下机器人（ autonomous under water vehicle）两大类。 （ 2） 空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。 目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。 如美国 NASA的空间机器人 Sojanor 等。 Sljanor 是一辆自主移动车，重量为 ，尺寸 630~48mm，有 6 个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关 注。 （ 3） 核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构 灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。 已完成的典型系统，如美国ORML 基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器， 6 加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的 C7 灵巧手等 （ 4） 地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两 大 类。 主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。 目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动 化系统正在研制中。 （ 5） 医用机器人： 医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。 美国已开展临场感外科（ telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。 法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（ telematics）计划、袖珍机器人（ biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。 （ 6） 建筑机器人：日本已研制出 20 多种建筑机器人。 如高层建 筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际 应用。 美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。 英、德、法等国也在开展这方面的研究。 （ 7） 军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。 其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务 ， 在战场上具有看、嗅和 触摸 能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌 方目标的功能。 如美国的 Navplab 自主导航车、 SSV 半自主地面战车，法国的自主式快速运动 侦察车（ DARDS），德国 MV4 爆炸物处理机器人等。 目前美国 ORNL 正在研制和开发 Abrams 坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。 可以预见，在 21 世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴 [6 ]。 7 发展趋势 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。 主要研究内容集中在以下 8个方面 [7]： （ 1） 工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载 .自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。 （ 2） 机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。 机器人控制器的标准化和网络化，以及基于 PC 机网络式控制器已成为研究热点。 编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。 （ 3） 多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。 其研究热点在于有 效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。 另一问题就是传感系统的实用化。 （ 4） 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。 （ 5） 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。 （ 6） 虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。 （ 7） 多智能体（ multiagent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。 主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 （ 8） 微型和微小机器人技术（ micro/miniature robotics） :这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。 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， 8 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。 我国对此进行了深入的研究。 徐卫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 [ 8]。 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 [9 ]。 9 第 3 章 总体方案设计 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 [ 10]： 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。 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，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。 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。 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。 平面关节型 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、 10 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 [11]。 工作空间的确定 根据关节型机器人的结构确定工作空间。 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， 如图 31 所示。 图 31 机器人的机座坐标系 11 手腕结构的确定 手腕是联接手臂和末端执行器的部件，处于机器人操作机的最末端，其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个坐标位置的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现六个自由度 如图 32 所示。 图 32 传动原理图 考虑到结构，电机将成三角形布置。 基本参数的确定 空间结构和手腕结构的确定，那么手腕回转、手腕摆动、和手腕旋转三个姿态的自由度也得到了实现 主要技术参数如表 31 所示。 表 31 机器人的主要规格参数 动作范围 手腕回转 手腕摆动 手腕旋转 120176。 90176。 360176。 30176。 /s 30176。 /s 30176。 /s 额定载荷 4kg 最大速度 2m/s 12 第 4 章 手腕的结构设计与计算 机器人驱动方案的分析和选择 通常的机器人驱动方式有以下四种 [12]: （ 1）步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。 但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会 造成“失步”现象。 （ 2）直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。 其安装维修方便，成本低。 （ 3）交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。 随着可关断晶闸管 GTO，大功率晶闸管 GTR 和场效应管 MOSFET 等电力电子器件、脉冲调宽技术（ PWM）和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。 采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三环 （ 位置、速度、电流 ） 全数字控制， 增量式码盘的反馈可达到很高的精度。 三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。 （ 4）液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率 /体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。 但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。 为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。 本 次设计 的机器人将采用直流伺服电动机。 因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流 成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。 13 手腕电机的选择 提腕电机的选择 手腕的最大负荷重量 kg41m ，初估腕部的重量 4kg2 m ，最大运动速度 v=2m/s 功率 p=fv=mgv=8102=160W 取安全系数为 ， p=160=192W 考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率 W200＝额p。 选择 Z 型并励直流电动机，技术参数如表 41 所示。 摆腕和转腕电机的选择 根据设计要求取相同型号的电机，选择 Z 型并励直流电动机型号为 200/20400。 表 41 Z 型并励直流电动机技术参数 传动比的确定 提腕总传动比的确定 先 根据下式求角速度：  = RV ＝ ＝ 20 r/s 再求实际转速： 1 9 1 . 1 r / m in 2 2060260 39。  n  —— 角速度 r/s； 型 号 额定电压 （ V） 额定转矩(N/m) 额定转速 (r/m) 参考功率 (W) 重量 (kg) Z200/20400 200 1 2020 400 14 V—— 运动速度 ， m/s； R—— 机械接口到转动轴的距离 ， m；。