球面SCARA机器人机械部分设计(proe三维图-总图用三维图)
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毕业实习报告专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 戴礼云 班 级 B 机 制 077 学 号 0710101708 指 导 教 师 袁 健 日 期 2011年3月19日 实习报告一、概述毕业实习是我们学习机械设计制造及其自动化所必须经历的,也是毕业设计不可或缺的重要组成部分,我们可以更好的将所学的理论知识与实践结合起来,培养勇于探索的创新精神、提高动手能力,加强社会活动能力,为以后专业实习和走上工作岗位打下坚实的基础。二、实习过程首先,我们到长虹涂装公司去进行毕业实习,江苏长虹涂装机械有限公司是专业从事汽车及配件涂装、总装、焊装成套设备;工程设计、制造、安装、调试及售后服务总承包;非标设备、机械化、电气及钢结构分包工程的企业,也是涂装机械工程设计、制造、安装、调试、售后服务为一体的国家汽车行业协会、涂装行业协会定点生产企业。我们此行的目的是了解整个生产过程以及各个生产线。然后,我们又到江动集团进行毕业实习的工作,江动集团主要生产单缸机、多缸机、汽油机、拖拉机以及发电机组。我们此行的目的是了解机床的生产加工模式,以及江动集团高质量、高效率的生产方法。最后,我们又到东方悦达起亚汽车有限公司去毕业实习,东风悦达起亚汽车有限公司是由东风汽车公司,江苏悦达投资股份有限公司,韩国起亚自动车株式会社共同组建的中外合资轿车制造企业。我们此行的目的是了解整个汽车的生产线,焊接,涂装,装配等等。由于我的毕业设计课题是球面机器人的机械部分设计,所以主要了解了东方悦达起亚汽车有限公司。用于整个生产线的机器人的有很多,主要是对汽车进行焊接,装配,涂装等等,大大减轻了人的工作量。三、实习内容首先是安全问题。对于任何机械厂,安全始终是重中之重,所以在实习老师的带领下,首先对我们进行了一些安全教育和以及在实习过程中的安全事项和需注意的项目。比如进厂必须穿长裤;禁止在厂里吸烟,进厂后衣服不准敞开,外套不准乱挂在身上,不得背背包进厂;人在厂里不要成堆,不要站在生产主干道上;在没有实习老师的允许情况下,不准乱按按扭、开关。实习过程中,我们参观了整个汽车的生产装配过程。关于汽车的生产线,首先是利用冲床将钢板压成车的外壳,这是汽车制造中非常重要的步骤,它涉及汽车的线型设计及模具的冲压设计;如果母厂不能独立完成这个步骤,那就表示该厂的生产技术还没有达到应有的标准,充其量只不过是个装配厂罢了。等到完成车壳后,为了便於进行以后步骤中的焊接工作,通常都预将车体倒转。完成初步焊接后,再将车体扶正,加装车门及车盖。而后设法除去车壳上各块钢板的毛边与暗号,并将底盘预作防锈处理,以便进行车体的喷漆。以上是车体部分的制造概略过程,接著要装配大梁、防震、传动以及引擎等系统,这些部分可以说是汽车的内脏,非常重要;尤其是引擎,更可说是汽车的心脏。如果一个国家的汽车工业无法完全独立自主地完成引擎的设计与制造,那就表示这个国家的汽车工业还没有生根。上述大梁、防震、传动以及引擎等装置完成后,就可将车体由上而下吊装于其上,构成汽车的雏型。剩下的工作就是汽车内部的装潢,包括玻璃、雨刷、车座等,另外再加装散热器(水箱)、油压系统、燃料系统以及车轮等,整部车就可以算是大功告成了。不过,为了保证车厂的信用与消费者的基本安全,还必须进行一系列的试验,汽车才可以出厂。这些试验包括了滚桶模拟试验、防漏试验以及路试等项目,试验的主旨在於测试引擎、传动系统、操纵杆、刹车、灯光及车体测漏等性能,通过这些试验以后,汽车就可以出厂销售了。我们还参观了生产线上的机器人,机器人的运用,大大减轻了工人的劳动量,提高了工作效率,提高了生产精度,也节约了时间和成本。四、分析机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置,或者叫自动化装置,它仍然是个机器,它有三个特点,一个是有类人的功能,比如说作业功能,感知功能,行走功能,还能完成各种动作,它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作,这里一个显著的特点,就是它可以编程,改变它的工作、动作、工作的对象,和工作的一些要求,它是人造的机器或机械电子装置。但从完整的更为深远的机器人定义来看,应该更强调机器人智能,所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境,能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求,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,在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期,也是智能机器人发展的一个关键时期。为了使机器人能更好的应用于工业,各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大,各主要大学都设有机器人研究室,麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究,卡耐基梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究,而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统,使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。除了这些研究单位,各大机器人企业也投入大量人力、财力开发机器人系统。国内外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:1. 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。2. 机械结构向模块化、可重构化发展。 例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化,由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机,国外已有模块化装配机器人产品问世。3. 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日渐小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4. 机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5. 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6. 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。7. 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。五、实习感想大学毕业实习报告是学生完成大学四年全部课程后的最重要的实践环节。为了这次毕业实习,做准备、搜集素材,了解有关的设计技术和注意事项。在将来机械制造将会向“四个化”发展,即柔性化、灵捷化、智能化、信息化。即使工艺装备与工艺路线能适用于生产各种产品的需要,能适用于迅速更换工艺、更换产品的需要,使其与环境协调的柔性,使生产推向市场的时间最短且使得企业生产制造灵活多变的灵捷化,还有使制造过程物耗,人耗大大降低,高自动化生产,追求人的智能于机器只能高度结合的智能化以及主要使信息借助于物质和能量的力量生产出价值的信息化。“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”在短暂的实习过程中,实习中,我采用了看、问,亲自动手等方式,对在工作中人与人的关系做了进一步的了解,分析了人与人之间特点,方式。我深深地感觉到自己所学知识的肤浅和在实际运用中的专业知识的匮乏。一旦接触到实际,才发现自己知道的是多么少,这时才真正领悟到“学无止境”的含义。“千里之行,始于足下”,这几天短暂而又充实的实践,我认为对我走向社会起到了一个非常重要作用,对将来走上工作岗位也有着很大帮助。更重要的是要向他人虚心求教,遵守组织纪律和单位规章制度,与人文明交往等一些做人处世的基本原则都要在实际生活中认真的贯彻,好的习惯也要在实际生活中不断培养。领导和同事们的经验,好的习惯和他们的知识也会是我们人生中的一大宝贵的财富。这次实践更让我肯定了做事先做人的道理,要明白做人的道理,如何与人相处是现代社会的做人的一个最基本的问题。对于自己这样一个即将步入社会的人来说,需要学习的东西很多,他们就是最好的老师,正所谓“三人行,必有我师”,我们可以向他们学习很多知识、道理。4 球面SCARA机器人三维图册专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 戴礼云 班 级 B 机制077 学 号 0710101708 指导教师 袁 健 完成日期 2011年6月6日 盐城工学院本科生毕业设计说明书2011球面SCARA机器人机械部分设计摘要:球面SCARA机器人课题来源于学院的实验室。研究的主要内容是设计一个三自由度的机器人,用于实践教学。对三个自由度的传动系统进行设计时,要保证规定的动作范围、速度和精度。球面SCARA机器人是一个三自由度的关节型装置。具有体积小,传动原理简单等优点,被广泛应用于各个行业。对于本课题,着重研究的是球形工件表面定位的SCARA机器人机械部分的设计。机械部分结构设计包括确定机器人的外形尺寸和工作空间,拟定机器人各环节的总体传动方案和主要技术参数的确定,以及三个自由度轴的校核。所设计的机器人具有移动方便、抓取范围大、刚性好、位置精度高、运行平稳的特点。整个系统能满足实验的要求,结构简单,运动可靠,装卸方便,便于维修、调整,能够基本满足设计的要求。在设计过程中尽量把零件选为标准件和通用件,以节约制造成本。关键词:SCARA机器人;电机;结构设计Mechanical Structure Design of Spherical SCARA RobotAbstract: Spherical SCARA robot comes from theInstituteofLaboratoryproject.The main content is to design athree degrees of freedomrobot forpractice teaching.The design ofthe threedegrees of freedom the drive system should ensure the scope of the provisions of the action, speed and accuracy. Spherical three-DOF SCARA robot is a joint-type devices. It is small and simpledriving principle, so it is widelyused in variousindustries.For this issue, focus is on the spherical surface of the SCARA robot positioning mechanical design. Mechanical design includesdeterminingthe size andshape of the robotwork space,the overalldevelopment ofall sectors ofthe robotdriveprogram anddetermining the main technical parameters, and three degrees of freedom axis calibration.Amobilerobotdesigned to easy move, capture range, good rigidity, high precision location, stable characteristics. The system can meet the requirements of experiments, simple structure, reliable movement, easy handling, easymaintenance, adjustment, can basicallymeet the designrequirements.In the design process, we should try our best to select standard parts and common parts, to save manufacturing costs.Key words: SCARA robot; motor; Structural design 毕 业 设 计 开 题 论 证 报 告 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 戴礼云 班 级 B 机制 077 学 号 0710101708 指导教师 袁 健 完成日期 2011 年 3 月 19 日 1 课题名称:球面 SCARA 机器人机械部分设计 一、课题来源、课题研究的主要内容及国内外现状综述 1.课题来源:实验室课题 2.研究的主要内容:根据系统设计要求,设计一台三自由度教学行机器人,用于 实践教学,机器人能进行三个自由度方向的运动,本课题主要设计该机器人的机械结 构,具体内容有如下:(1)设计总体方案,确定机器人的总体结构,绘制机器人机械 结构装配图;(2)进行机器人大臂、小臂结构设计,并绘制其部装图、零件图; (3)各电机的选择,各零部件设计计算和选择;(4)绘制机器人主要结构的三维造 型图。 3国内外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: (1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修), 而单机价格不断下降,平均单机价格从 1991 年的 10.3 万美元降至 2002 年的 6.5 万美 元。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。 例如关节模块中的伺服电机、减速机 检测系统三位一体化,由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机,国外已有 模块化装配机器人产品问世。 (3)工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展,便于标准化、 网络化;器件集成度提高,控制柜日渐小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的 可靠性、易操作性和可维修性。 (4) 机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传 感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、 声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合 配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如 使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与 机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统,使 智能机器人走出实验室进入使用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是 这种系统成功应用的最著名的实例。 (7) 机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新 型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。 2 二、本课题拟解决的问题 球面机器人总体设计问题,例如结构选型、总体布局; 机器人大臂、小臂的结构设计,并绘制其部装图、零件图; 各电机的选择,各零部件设计计算和选择; 机器人主要结构的三维造型图; 三、解决方案及预期效果 解决方案:拟定球面 SCARA 机器人机械结构设计运动方案及主要技术参数: 1.校核第一自由度电机 2.设计第一自由度同步带传动 3.选择第一自由度谐波减速器 4.校核第二自由度电机 5.选择第二自由度谐波减速器 6.校核第二自由度电机动力输出轴 7.校核第三自由度滚珠丝杠副 8.校核第三自由度电机 预期效果: 1能满足要求,保证定位精度 2结构简单,运动可靠,装卸方便,便于维修、调整 3尽量使用通用件,以便降低制造成本 4各动力部件便于控制 四、课题进度安排 2 月 21 日3 月 19 日毕业设计前期阶段。 毕业实习,查阅资料,市场调查,到多个公司 实践,撰写实习报告。 论文总体构思方案,填写开题报告。 3 月 20 日5 月 7 日 设计初稿阶段。 完成总体设计图、部件图、零件图。 5 月 8 日5 月 25 日 中期工作阶段。 完善设计图纸,编写毕业设计说明书,中期 检查。 5 月 26 日5 月 27 日毕业设计预答辩。 5 月 28 日6 月 6 日毕业设计整改。 图纸修改、设计说明书修改、定稿,材料复 查。 3 6 月 7 日6 月 8 日毕业设计材料评阅。 6 月 9 日6 月 10 日毕业答辩。 6 月 11 日6 月 15 日材料整理装袋。 五、指导教师意见 签名 年 月 日 六、专业系意见 签名 年 月 日 4 七、学院意见 签名 年 月 日 文 献 资 料专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 戴礼云 班 级 B机制077 学 号 0710101708 指 导 教 师 袁 健 文 献 资 料1 袁健. 球面SCARA机器人控制系统的设计J. 机械制造与自动化,2009,(01):160-167.2 张立杰, 李永泉, 黄真. 球面二自由度5R并联机器人的运动学分析J. 中国机械工程,2006,(04):343-346.3 王健强,程汀. SCARA机器人结构设计及轨迹规划算法J. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2008,(07):1026-1041.4 徐晓宇,毛燕,马魏. 基于PMAC的SCARA机器人及其控制系统J. 机械工程师, 2007,(12):27-29.5 张立杰,刘辛军. 球面三自由度并联机器人可达工作空间的研究J. 中国机械工程, 2001,(10):1122-1125.6 许果,王峻峰,何岭松. 一种基于SCARA机器人机械结构设计J. 机械工程师, 2005,(04):65-67.7 罗玉峰,李剑秀,石志新,陈红亮. 三自由度球面并联机构的型综合J. 南昌大学学报(工科版), 2008,(02):150-153.8 高征,高峰. 球面3自由度并联机构的正解分析新方法J. 机械设计与制造, 2006,(09):122-124.9 李天箭,王德伦. 球面机构的相伴方法与运动几何学研究J. 大连理工大学学报, 2000,(04):456-460.10 战丽娜,金振林. 一种基于球面并联机构的肩关节的分析与设计J. 燕山大学学报, 2006,(01):14-17. 毕业设计任务书课题: 球面SCARA机器人机械部分设计 专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 戴礼云 班 级 B机制077 学 号 0710101708 指 导 教 师 袁 健 专 业 系 主 任 王福元 发 放 日 期 2011年 2月 20 日 一、设计内容根据系统设计要求,设计一台三自由度教学行机器人,用于实践教学,机器人能进行三个自由度方向的运动,本课题主要设计该机器人的机械结构,具体内容有如下:1设计总体方案,确定机器人的总体结构,绘制机器人机械结构装配图;2进行机器人大臂、小臂结构设计,并绘制其部装图、零件图;3各电机的选择,各零部件设计计算和选择;4绘制机器人主要结构的三维造型图;5撰写毕业设计说明书。二、设计依据1课题来源:实验室课题;2产品名称:球面SCARA型机器人;3第一轴、第二轴动作范围都为360,定位精度都为003;4第三轴r动作范围100 mm ,定位精度为0.015 mm,最大抗力5 N;5工件最大直径200mm;6批量:本机器人设计、制造一台。三、设计要求1能满足要求,保证定位精度;2结构简单,运动可靠,装卸方便,便于维修、调整;3尽量使用通用件,以便降低制造成本;4各动力部件便于控制;5设计图样总量:折合成A0幅面在3张以上;工具要求:应用计算机软件绘图; 过程要求:装配图需提供手工草图;6毕业设计说明书按照学校规定的格式规范同意编排、打印,字数不少于1万字;7查阅文献资料10篇以上,并有不少于3000汉字的外文资料翻译;8到相关单位进行毕业实习,撰写不少于3000字实习报告;9撰写开题报告。四、毕业设计物化成果的具体内容及要求1毕业设计说明书 1 份毕业设计说明书按教务处毕业设计(论文)格式规范统一编排、打印,字数不少于1万字。2设计图样1)机器人的机械结构装配图 1 张2)大臂部装图 1 张3)机器人零件图 1 张4)三维造型图 1 张3外文资料翻译(英译中)要求1)外文翻译材料中文字不少于3000字; 2)内容必须与毕业设计课题相关;3)所选外文资料应是近10年的文章,并标明文章出处。五、 毕业设计(论文)进度计划起讫日期工作内容备 注2月20日2月21日布置任务2月21日3月19日调查研究,毕业实习,方案论证,总体设计3月20日4月7日技术设计(部件设计)4月7日5月7日工作设计(零件设计)5月8日5月25日撰写毕业设计说明书5月26日5月27日毕业设计预答辩5月28日6月6日修改资料6月7日6月8日评阅材料6月9日6月10日毕业答辩6月11日6月15日材料整理装袋六、 主要参考文献:1. 蔡自兴.机器人学M.北京:清华大学出版社,2000.2殷际英,何广平.关节型机器人M.北京:化学工业出版社,2003.3叶伟昌.机械工程及自动化简明设计手册M.北京:机械工业出版社,2001.4王天然.机器人M.北京:化学工业出版社 , 2002.5张铁,谢存禧.机器人学M. 广州:华南理工大学出版社, 2001.6霍伟.机器人动力学与控制M.北京:高等教育出版社, 2004.7吴振彪,王正家.工业机器人M. 武汉:华中科技大学出版社, 2006.8张建民.机电一体化系统设计M北京:高等教育出版社,2001.9柳洪义,宋伟刚.机器人技术基础M. 北京:冶金工业出版社, 2002.10徐灏.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,2002.11朱世强,王宣银.机器人技术及其应用M.杭州:浙江大学出版社, 2001.12城井田胜仁著.轻轻松松制作机器人M. 北京:科学出版社, 2010.13赵冬斌全方位移动机器人导论M.北京:科学出版社, 2010.14蔡自兴机器人学基础M.北京:机械工业出版社, 2009.七、其他八、专业系审查意见系主任: 年 月 日九、机械工程学院意见院长: 年 月 日5 外文翻译专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 戴礼云 班 级 B机制 077 学 号 0710101708 指 导 教 师 袁 健 外文资料名称:The robust design of parallel spherical robots 外文资料出处: Mechanism and Machine Theory 46 (2011) 335-343 附 件: 1.外文资料翻译译文 2.外文原文 指导教师评语: 签名: 年 月 日球形机器人的并行稳健性设计halid Al-Widyan, Xiao Qing Ma, Jorge Angeles戴礼云 译摘要:本文提出了一种完善敏捷手腕(AW)的方法,在以往的工作报告中,是适用于一个球形的三自由度并联机器人未激励节点的设计。稳健性是必要的,因为制造一个全部是在一个单点关节轴球面机制是极其困难的任务。为了降低不可避免的制造误差,此建议,以未激励旋转(R)的一个圆柱形(C)关节取代现有设计的关节。即便是后者存在着非共点轴。一个以双数字为基础的程序,是用来解决整个机制的逆运动学问题的,以此来确定每个旋转关节。在运动学分析统计结果的基础上,适当的选取关节尺寸。关键词: 敏捷手腕;球面并联机器人;统计分析;双数;转移原理;逆运动学分析1前言球面并联机器人是用来定位三维空间刚体。应用包括机器刀具和工件床1,2,以及作为定位相机跟踪快速移动的物体。后者导致了应用敏捷的眼睛发育3,4。理想的情况下,所有的球关节都是旋转机制,与他们在一个共同的点轴相交。然而,由于加工误差,依靠一个传统的生产加工操作机制这是不可能的;高精密加工,当然,一种选择,如果一个人愿意为它付出的话。作为替代方案,考虑到不可避免的加工误差,通常包括额外的自由度。敏捷眼睛设计师提供了额外的自由度来取代自调心针接头,这相当于是被动关节的自由旋转代替被动旋转。这种方法的缺点是缺少一定的流动性,总是妥协于机器人的刚度。一种以应付制造误差的手段,校准方法是不是一个,在于本案怎么选择,因为球形联系过于约束。这意味着,除非一个人有能力组装,否则小加工误差就会导致旋转轴不相交于一个共同点而呈现超静定结构。在我们的设计中,我们更换未激励圆柱形旋转关节,从而引入那些是必要的和足够的自由度。因此,一个机制的位移分析是需要确定在未激励圆柱的旋转关节,不仅关节的旋转,而且由于旋转的加工存在装配误差,会导致非同步旋转轴。很明显,由此产生的机器人不会很球形,但相比较,有能产生近似球形位移的能力。在本文,提出了一种随机的方法是表示眼前机器人环节的尺寸误差。并且,一个程序的设计旨在通过逆运动学来分析上述圆柱形联接位移。对在研究的联动分析归结为解决系统中没有任何一个特里戈度量方程。解决这一系统的方法是依赖于三角和半三角所转化的方程。然而,这种解决方案的转变,是在奇点附近的,因此,上述做法是不稳妥的。为了应付这个问题,Bai和Angeles5找到了一种根据输入-输出方程和控制中心联系的几何方法。这种方法是通过分析在同一参考平面和球面RRRR之间的联系。更换手头机器人的拓扑结构,即由对口其圆柱形转动关节,从球到空间的联系。最直接的方法,是推导出空间四杆的输入输出方程和适用的转移6-8原则。这一原则还要追溯到60年代初,它的一个最引人注目的地方已被杨和Freudenstein 9 报道,该报道分析了空间四杆机构演变成一个球面四杆机构的封闭方程。2敏捷手腕的运动学分析 敏捷手腕(AW),如图1a所示,是一个三自由度机器人作为一个终端模块设计的长距离机器人10。敏捷手腕是一个具有三个相同的爪,具有典型机器人的爪的体系结构的球形机器人,如图1b所示。正如在图1a所示,每条爪在一个三角板上,通常被称为移动板(MP),执行任务的机器人,并在其上安装电机的,通常被称为底板(BP)。事实上,根据戈塞尔林和他的研究小组3,4披露,敏捷手腕是来自敏捷眼的设计。值得注意的是,敏捷手腕的近端链接作为非圆曲线的中心曲线联系起来,如11报道。中央曲线设计,反过来,继优化程序,根据该曲线在平面的轨迹,可算出最小曲率值。此外,同样的曲线设计,以融入迁就轴承和关节轴的R型和C型。敏捷手腕是机器人用来牢牢抓住目标的,如喷丸处理。下面的小节中,我们通过讨论分析制定出逆运动学的圆柱运动的程序。相关运动是重要的设计参数,它们允许设计人员所需的最小空间分配,以适应机械加工和装配误差产生的误差在公差以内。2.1 双逆运动学的RCCC链对每一个爪在这里进行位移分析,产生了圆柱关节。问题减少到了一个爪的敏捷手腕,这是一个串行运动链。我们认为,由于对称性,其他两个爪每一个都会产生同样的运动结果。球形手腕如图1b所示,手链是相同的,除了第二和第三关节转动,这正与圆柱关节相替换,以适应相邻轴线的偏移量。因此,在这种情况下,不只是为了旋转,还有关节的运动。眼下的问题在于寻找一个固定的移动平台姿势,在图1b中,考虑到被动关节位移和工作关节倒退转动的问题。在随后的分析中,我们采取图1b,替代RCCC链。现在,可以导出球形的几何关系和转移空间联系的二元化对等关系。因此,所有的二元向量和标量在图1b中,除了1,我们得到了手头的指挥中心链的位移分析。对于一个给定的 (1)最终效应的方向,让双单位向量作为基础框架坐标,其中下标1是被指定基本框架。我们在这里回忆起,真正的单位矢量方向代表了欧几里德空间,双单位向量代表在同一个空间线。图1敏捷手腕:(a)布局(b)其中的一个机械手图1b的球形机器人的位移分析概述如下:为此,用Denavit - Hartenberg(DH)表示法12,其次定义坐标系网格F(i),其中i = 1,2,3,4,固定(i - 1)链接,其中0表示基和3表示机器人(EE)前面的数字。此外,在Fi向量v为代表的记为v。在反排量问题(IDP)中,在给定的EE运动是一个旋转矩阵R的网络,联合角,将EE从一个参考的角度至R。此外,用表示旋转矩阵同行在Fi连接的一个矢量分量。我们用这个符号。为了快速参考,我们回顾矩阵结构: (2)其中icosi ,isini,如图1b所示1和2,而3是第三个转动轴的夹角,即平行向量3和Z4轴,连接到机器人。此轴是用户定义的,其唯一的条件是它穿过中心的手腕。它没有显示的数字,以避免超载。解决的关键是建立IDP和手腕之间的关系: (3)如图1b中所设置的。因此,需要一个坐标转换,来表达参与式的两个载体。也就是在同一坐标系中Fi,如下所述: (4)这不过是第三列。此外, (5)除此之外, (6),其中表示第三排。如果表示的行和列,那么 (7)用方程替代。(4)及(7)代入式(3),获得1: (8)和,。这个方程及其在这方面详细推导见资料 13。通过极反演变,我们得到RCCC链的方程,即 (9)其中(i=1,2),是机构i和i+1之间的垂直距离。而且保持一个共同运动,不需要二元化。上面的方程已被证明是对角5的两个解决方案;至于其它两个关节,一个旋转一个平移。一个解决的方法是替代上述三角方程的一半。这求出tan(/2),然后用二次方程的根公式来解决问题。然而,正如5,二次-方程方法的四连杆分析输入和输出导致了多项式紧缩,在这种情况下,二次方程退化成线性方程,使根靠近。作为替代方案,稳妥的做法是采用相同的参考系,以获取两个解决方案。这种方法是融入我们的代码来取得相关敏捷手腕的变量。此外,提供球形机器人第二关节位移d2是方程的根,即13, (10a) (10b)其中(i,j=1,2,3)都是表示旋转矩阵R的最终取向;上述的同等方程为 (11a) (11b)其中,是关节轴之间连续法线的距离,根据DenavitHartenberg13所说,(i,j=1,2,3)是双旋转矩阵对参考系的最终值。的原始部分是正交矩阵,而其部分R包括双矩阵D,这是平移向量矩阵D。此外,矩阵R是双正交矩阵密度函数行列式(R)= 1。参考的定义是和,其中,分别代表3 3的矩阵和零矩阵。矩阵R是单位矢量e给定的一个旋转角度,后来发现这个矩阵如13 , (13)其中E是部分矩阵,从而获得了原始的矩阵R。因此,每个旋转矩阵15项是双数,即 (14)其中作为基质(i,j)。从方程(11a)(11b)是可以解决第二个关节的旋转问题的。上述方程每个然后分解成两个方程,一个是原始方程,一个是二项式方程。类似的方法来解决第三个关节运动的问题,这由球形机器人相应的方程,即 (15a) (15b) (15c) (15d) (15e) (16a) (16b)其中 (16c) (16d) (16e) (16f)再次,通过(16a)及(16b)扩大形成4个方程式,两个原始的和两个二项式方程,从而得出两者的旋转角度和距离。通过原始方程(11a)(11b)和(16a)(16b)对比,得到相应的方程(10a)(10b)和(15a)(15b),详见附录A。上述算法允许在一个固定的平台上,输入旋转角度,以及位移,和相应,的计算。2.2 敏捷手腕的逆运动学开放型反位移分析是相对于封闭的RCCC链的位移分析14。后者也被称为空间四杆机构。事实上,一个开链EE的姿势可以通过一定的手段,如规定螺丝线的和螺距p。因此,在EE视为已达到其规定的构成按照预定运动时,。因此构成如图1b,机器人沿着它的C关节运动,从而结束循环。在5提出了基于稳健算法解决指挥及控制中心的逆运动学问题,敏捷手腕是简单的逆运动学闭链:一个随机的有限的运动姿势的移动方法包括随机螺杆的“小”运动,会伴随着预期的制造误差。现在,每个机械手的关节变量是独立计算的。为此,我们把移动板块作为刚性固定在底座,因而形成一个封闭的系统运动学RCCC类型。2.3 雅可比矩阵瞬时,通过运动学敏捷手腕的方程,得到了相应的球形3RRR机制2的公式: (17)其中,是实向量联合利率,而是双重移动角速度矢量15。对偶向量和(i=1,2,3)由机器人结构决定。这些载体代表第i个腿关节的C轴,和,对于基地和移动板,与相关的中间接头第i个腿是同样的。此外,所有与外缘驱动关节相关的变量和时间都是实数,因此,不应该是向量。2.4 一个双重矩阵的条件我们采用统计的方法来确定机器人关节C的最小空间要求,我们指定一个随机螺旋运动 13的移动平台。当这样做,选择的可能是一个不能产生可行的运动板,这时可以用空间四杆5提出的连杆机构运动分析的方法来检测随机数。此外,即使在一个可行的姿态,也可能是一个病态的机器人姿态,这可能导致不同数量级的螺旋运动的错误。可以通过矩阵的条件数的概念调节,如方法检测16,适用于手头机器人的雅可比矩阵。因此,随着条件数超过规定的约束,会避免更大的误差,不论是在任务还是初始阶段,都可以通过联合编码器给出一个合适的算法。今后,我们假定一个姿势发生的可能性是与条件数成反比的,从而给出条件数相应的雅可比矩阵,如下所述。对重量造成手腕姿势距离奇异的影响方面,我们需要评估一个双矩阵的条件数,这是下面讨论的主题。我们让是一个nn双矩阵。的倒数记为 , 。 (18)从上面的公式中,可以很明显的看出,雅可比矩阵和是可逆的。(17)只对他们的原始部分设定。这意味着,即使一个双矩阵的部分是单数,双矩阵仍然是可逆的,只要是其原始的一部分。因此,的条件数,可作为其原始的部分,即采取。在我们的情况下,只有是必要的,因为它是需要在雅可比的基础上分析逆运动学。事实上,从方程(17)分析出。因此在圆柱加权运动使用的是原始的部分作为因子的条件数的倒数。因此,每个值乘以相应的B的条件数的倒数,以获得加权平均值,即 (19)其中是C关节在第i,j个随机动平台姿态的距离,而N是一个随机统计数。此外,相应的(i=2,3)的标准偏差为,i=2,3。 (20)3分析结果该代码执行上述算法得到的是10,000以内随机运行带来的移动平台。角和距离(i=1,2)分别是/2+和,。加权均值和标准差的计算结果如表1。由于加权的值与逆条件数,不做出巨大的条件数统计分析,发现具有最大的条件数是零。表1 10,000以内的圆柱联合位移(所有长度单位:mm)联合关节远端关节平均值()标准差()0.72000.7000-2.1552;2.1648-2.0985;2.1015此外,为了形象化这些关节的随机位移输出,绘制了两个图,图2 a和b。在这里,我们假设偏移值和是0.3mm,捻角为90.5 。从这些图中,很明显的看出,很多比例的位移接近零以及每个关节紧贴加权均值零。现在的问题是:应采取什么样的位移值,以满足要求而不引起手腕动作的关节干扰。对这个问题的答案可以通过假设,在上述图形结果中,所产生的随机位移的分布平均值和标准差是正常的。此外,发生偏差低于占68,低于2占95;低于3 占99。在该范围内,每个关节面是采取L =+3以满足99的敏捷手腕。事实上,近端关节设计。同理,远端设计。对敏捷手腕关节C的设计,安全范围是在4.4毫米以内。敏捷手腕的物理机构如图3所示,虽然功能简单,但却比图1a重。这图中,弯曲半径和变截面变量都可以得到。图3中,矩形截面尺寸的弯曲链接被利用,同时也保证了中央曲线的链接。这些链接被简化纯粹是因为的预算方面的原因。为了给一个原型的图3的尺寸,手腕中心到后方电机两端的距离为275毫米,其承载能力为50 N和它的三个电机额定功率为364瓦。4结论为实现对给定的球形手腕C关节,找到最适宜的设计准则,以得到最小的制造和装配误差。本文关键的一个步骤是解决球形运动学关系,以便为他们分析出相应的二元轴不相交的空间。前沿介绍了程序求解机器人逆运动学的原则及应用。瞬时运动学方程的发展使3RCC并联机器人倾向于双代数的应用。许多矩阵的表达式推导条件,需要以重量随机实验,然后与矩阵倒逆。研究结果表明,只涉及反比部分,其中。因此健全球形机器人的设计与分析方法的开发,然后应用到敏捷手腕,关节,以便得到正确尺寸的圆柱形空间机器人关节。图2随机数位移与加权位移值(毫米)的对比:(一)中间关节;(二)远端关节图3 敏捷手腕的物理样机致谢这里的工作报告,部分是NSERC(加拿大自然科学与工程研究理事会)215729-98提供的。CDEN也提供了一部分。我们在此感谢这些资料文件的早期版本作者:David Bellitto,David Daney,Bruno Monsarrat。附录 A (11) (16)参考文献:1 H. Asada, J. Cro Granito, Kinematic and static characterization of wrist joints and their design, Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 1985,pp. 2442508, St-Louis.2 C. Gosselin, J. Angeles, The optimum kinematic design of a three-degree-of-freedom parallel manipulator, ASME J. Mech. Trans. Autom. Des. 111 (2) (1989)202207.3 C. Gosselin, E. Lavoie, On the kinematic design of spherical three-degree-of-freedom parallel manipulators, Int. J. Rob. Res. 12 (4) (1993) 394402.4C.Gosselin,J.Hamel,TheAgileEye:ahigh-performancethree-degree-of-freedomcamera-orientingdevice,Proc.IEEE.Int.Conf.onRoboticsandAutomation,vol. 1, 1994, pp. 781786.5 S. Bai, J. Angeles, A unified inputoutput anslysis of four-bar linkages, Mech. Mach. Theory 43 (2008) 240251.6 F. Dimentberg, The screw calculus and its applications in mechanics, Izdat, Nauka, Moscow, English Translation: AD680993, Clearinghouse for Federal and Scientific Technical Information, 1965.7 O. Bottema, B. 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