機械畢業(yè)設計-汽車變速箱蓋的工藝規(guī)程及夾具設計（通過答辯全套含CAD圖紙+三維建模）

機械畢業(yè)設計-汽車變速箱蓋的工藝規(guī)程及夾具設計（通過答辯全套含CAD圖紙+三維建模）,機械,畢業(yè)設計,汽車,變速箱,工藝,規(guī)程,夾具,設計,通過,答辯,全套,cad,圖紙,三維,建模 哈爾濱理工大學學士學位論文 五自由度機械臂設計 摘 要 本設計主要介紹關于工業(yè)機器人的一些知識和原理，包括工業(yè)機器人的組成、分類、主要技術性能參數(shù)和工業(yè)機器人的運動分析。本設計的總體內容是根據(jù)移動機構的移動能力指標，比較現(xiàn)有移動機構的性能特點，確定移動機構的最佳移動方式；設計一個五自由度關節(jié)式機械臂，確定五自由度工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)和傳動關系，并通過對工業(yè)機器人的動力計算為各部位選擇合適的驅動電機；確定五自由度工業(yè)機器人設計計算機控制系統(tǒng)方案以及為所設計的五自由度工業(yè)機器人進行Pro/E建模。本論文作者在參考大量文獻資料的基礎上，結合設計的要求，并參考通用型機器人的結構，進行五自由度工業(yè)機器人的結構設計和其計算機控制系統(tǒng)的設計。本文所設計的機械手臂主要由手爪、腕、小臂、大臂和基座組成，同時用Pro/E對其進行了三維建模，可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細長物體，也可用于抓取其它形狀的物體，具有一定的通用性。機器人能自動控制，多功能，有五個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。 關鍵詞　五自由度；工業(yè)機器人；三維建模 60 The Design Of Five Degrees Of Freedom Of Rbotic Arm Abstract This design focuses on some knowledge and principles of industrial robots, including the composition of industrial robots, classification, the main technical performance parameters and the motion analysis of industrial robots. The overall content of this design is the ability to move of the moving mechanism based on indicators, comparing the performance characteristics of existing mobile mechanism, to determine the optimal movement mechanism moves; design a joint manipulator of five degrees, to determine five degrees of freedom of an industrial robot main technical parameters and transmission relations and through various parts of the dynamic calculation of industrial robots to choosing the right drive motor; identified the computer control system programs of the design of five degrees of freedom of industrial robots, as well as build a Pro / E model of the design of five degrees of freedom of industrial robots. The authors in reference to large number of documents on the basis,combination of design requirements, and with reference to the structure of general-purpose robot for five degrees of freedom industrial robot design and design the computer control system. The robotic arm of this article is designed mainly by gripper, wrist, forearm, arm and base composition, while using the Pro / E computer program be a three-dimensional modeling,the robotic arm can be used to search for, capture pipe fittings underwater, cables, and other fine or long objects, it can also be other shapes objects for gripping, a certain versatility. Robot can automatically control, multi-functional, there are five degrees of freedom,it can be fixed or moving, for the related automation systems. Keywords　 Five degrees of freedom；Industrial robot；3D modelling 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 工業(yè)機器人的組成 2 1.3 工業(yè)機器人的分類 2 1.4 工業(yè)機器人主要技術性能參數(shù) 3 1.5 課題的總體內容 4 1.6 本章小結 4 第2章 機械臂的結構設計 5 2.1 五自由度工業(yè)機器人的主要參數(shù) 5 2.2 五自由度工業(yè)機器人結構 5 2.3 五自由度工業(yè)機器人的動力計算 6 2.4 本章小結 15 第3章 機械臂的Pro/E建模 16 3.1 創(chuàng)建零件 16 3.2 裝配 18 3.3 制作裝配動畫 19 3.4 本章小結 21 結論 22 致謝 23 參考文獻 24 附錄A 25 附錄B 29 第1章 緒論 1.1 課題背景 機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學科的最新研究成果，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機器人的研究、制造和應用水平，是一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。 目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結合我國的習慣用語，對工業(yè)機器人作如下定義[1]： 工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。 工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。 工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代： 第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，它主要由手部、臂部、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令再現(xiàn)示教的操作。 第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復雜得多，這種機器人從1980年開始進入了實用階段，現(xiàn)在已開始普及應用。 第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用[2]。 1.2 工業(yè)機器人的組成 機械加工中使用的機器人大多是代替人上肢的部分功能，按給定的程序、軌跡和要求進行工作。它主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)組成。 1. 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身和行走機構等。 (1) 手部：又稱手爪或抓取機構，它直接抓取工件或夾具。 (2) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調整或改變手部的工作方位。 (3) 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理荷重，并把它傳遞到預定的位置。 (4) 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。 2. 驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。 3. 控制系統(tǒng)：通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 4. 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定進行比較，以保證運動符合要求[3]。 1.3 工業(yè)機器人的分類 工業(yè)機器人的分類方法很多，這里主要以工業(yè)機器人的驅動方式、控制功能、編程方式、控制機構、坐標形式、自由度數(shù)以及抓取重量的不同進行分類。 1. 按驅動方式分為液壓傳動，氣壓傳動和電動。 2. 按控制功能分為重復型和智能型。 重復型機器人能夠按照事前編制的程序重復自動的工作。目前，機械加工系統(tǒng)中應用的工業(yè)機器人幾乎都是這種。 智能型機器人除具有重復型的功能外，還具有視覺、觸覺、識別和判斷功能等。 3. 按編程方式分為可編程序式和示教再現(xiàn)式。 4. 按控制方式分為點位控制和連續(xù)軌跡控制。 點位控制是指機器人的運動，只控制空間點的位置，而不控制由一個定位點到另一個定位點之間的運動軌跡。 連續(xù)軌跡控制是指能控制機器人的運動軌跡為空間任意曲線。 5. 按控制機構分為開關型和佩服型。 開關型機器人是通過機械擋塊、行程開關等電器觸頭的開關動作，得到位置信號，從而控制運動部件定位。這種機器人結構比較簡單，只能用于點位控制，難于實現(xiàn)復雜運動。 佩服型機器人是根據(jù)連續(xù)輸入指令，經(jīng)過信號擴大，由佩服驅動機構控制運動。通常采用位置檢測機構，檢測機器人運動部件的位置和姿態(tài)變化，以控制機器人運動部件的準確定位。這種機器人可獲得良好的運動特性，定位精度高，不僅適于點位控制，而且適于連續(xù)軌跡控制。 6. 按坐標形式分為直角坐標式機器人、極坐標式機器人、圓柱坐標式機器人和多關節(jié)式機器人。 7. 按自由度數(shù)分，機器人的自由度數(shù)越多，能用性就越廣，但結構復雜。一般4到6個自由度即能滿足稍復雜的使用要求了。 8. 按抓取重量分大型、中型、小型和微型。 大型機器人的抓取重量為100kg以上；中型機器人的抓取重量為10～100kg；小型機器人的抓取重量為1～10kg；微型機器人的抓取重量為1kg以下[4]。 1.4 工業(yè)機器人主要技術性能參數(shù) 工業(yè)機器人的技術參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標。主要技術參數(shù)有如下： 1. 抓取重量： 抓取重量是用來表明機器人負荷能力的技術參數(shù)，這是一項主要參數(shù)。這項參數(shù)與機器人的運動速度有關，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 2. 抓取工件的極限尺寸： 抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術參數(shù)，它是設計手部的基礎。 3. 坐標形式和自由度： 說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標系特征。 4. 運動行程范圍： 指執(zhí)行機構直線移動距離或回轉角度的范圍，即各運動自由度的運動量。根據(jù)運動行程范圍和坐標形式就可確定機器人的工作范圍。 5. 運動速度： 是反映機器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關，互相影響。目前，國內外機器人的最大直線移動速度為1000mm/s左右，一般為200～400mm/s；回轉速度最大為180o/s，一般為50o/s。 6. 定位精度和重復定位精度： 定位精度和重復定位精度是衡量機器人工作質量的一項重要指標。 1.5 課題的總體內容 1.根據(jù)移動機構的移動能力指標，比較現(xiàn)有移動機構的性能特點，確定移動機構的最佳移動方式。 2.設計一個五自由度關節(jié)式機械臂。確定五自由度工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)和傳動關系，并通過對工業(yè)機器人的動力計算為各部位選擇合適的驅動電機。 3.確定五自由度工業(yè)機器人設計計算機控制系統(tǒng)方案。 4.為所設計的五自由度工業(yè)機器人進行Pro/E建模。 1.6 本章小結 本章主要介紹了本設計的課題背景，工業(yè)機器人的組成、分類和主要技術性能參數(shù)以及本設計的總體內容。 第2章 機械臂的結構設計 2.1 五自由度工業(yè)機器人的主要參數(shù) 1. 自由度數(shù)：N＝5 2. 抓取重量：P＝250N 3. 手臂伸縮：L＝500mm，v=0.5m/s 4. 手臂俯仰：β＝±45o，ωβ＝30o/s 5. 手臂回轉：α＝220o，ωα＝30o/s 6. 手腕擺動：γ＝±90o，ωγ＝60o/s 7. 手腕回轉：ε＝300o，ωε＝120o/s 2.2 五自由度工業(yè)機器人結構 以KUKA IR-662/100型機器人為參照，具有五個自由度，有六個控制軸，采用直流伺服控制。圖紙A1-04為其傳動原理圖： 1. 主要技術參數(shù) 表2-1 技術參數(shù) 項目 技術參數(shù) 結構型式 空間多關節(jié)式 自由度數(shù) 5個 驅動方式 直流伺服電動機驅動 腕部最大重量(抓取重量) 250N 操作方式 示教再現(xiàn)/脫線編程 (1) 采用空間多關節(jié)式結構，工作范圍比其它結構形式要大； (2) Ⅰ軸控制機器人腰座旋轉，伺服電動機軸上的小齒輪旋動腰部軸承帶輪齒的內環(huán)完成運動；Ⅱ軸、Ⅲ軸分別控制大小臂的運動，其傳動是通過滾珠絲杠螺母副來完成，傳動剛度高；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ軸控制腕部運動，伺服電動機通過(Ⅵ軸除外)齒形帶輪、齒形帶輪副、諧波減速器等來完成腕部運動； (3) 對影響精度的主要傳動部分均采用錐滾子軸承，向心推力球軸承； (4) 腕關節(jié)傳動比分配采用先小后大的原則，諧波減速器放在最末一級，減少傳動零件的尺寸和重量； (5) 對細長管軸，大量采用焊接工藝，以減少機械加工量，降低成本； (6) 對大質量零件均采用鋁材，如腕部全部采用高強度鑄鋁材料，從而大大減輕整機重量[5]。 表2-2 傳動關系 軸號 傳動級數(shù) 第一級 第二級 第三級 第四級 第五級 Ⅰ 2 諧波減速器(i1) 齒輪副(Z1/Z2) _ _ _ Ⅱ 1 滾珠絲杠螺母副 _ _ _ _ Ⅲ 1 滾珠絲杠螺母副 _ _ _ _ Ⅳ 5 同步帶(Z3/Z4) 齒輪副(Z11/Z12) 同步帶(Z13/Z14) 齒輪副(Z15/Z16) 蝸輪蝸桿(Z17/Z18) Ⅴ 3 同步帶(Z5/Z6) 齒輪副(Z9/Z10) 諧波減速器(i3) _ _ Ⅵ 2 同步帶(Z7/Z8) 諧波減速器(i2) _ _ _ 2. 平衡系統(tǒng) 由于自重、承重較大，工作時運動慣性亦較大，為使小臂接近靜平衡，將伺服電動機組件、齒形帶輪等大質量零部件布置在與腕部相對的另一端。在此質量靜平衡的基礎上，機器人還配置氣動平衡系統(tǒng)，用兩組平衡氣缸分別對大臂、小臂進行平衡。通過改變氣缸壓力來補償負荷變化對平衡的影響。氣動平衡系統(tǒng)除氣包外均放置在機器人外部。 2.3 五自由度工業(yè)機器人的動力計算 1. 手部夾緊力的計算 N ≥ 9.8 k1 k2 k3G ( N )　　　　　　　　　　　　　(2-1) G —— 抓取工件的重量（kg） k1 —— 安全系數(shù)，取1.2~2.0 k2 —— 工作狀況系數(shù)，可按k2=1+計算 a為機器人托運工件過程中的加速度的絕對值。 k3 —— 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選擇，這里選k3=1.03 所以： N≥9.8 k1 k2 k3 G =2501.21.21.03＝370.8 ( N ) 2. 手指驅動力 P＝ (2-2) 　 ＝＝1991.7（N） 蝸輪蝸桿傳動效率η1＝0.97 銷的傳動效率η2＝0.9 總傳動效率η＝η1η2＝0.970.9＝0.873 實際驅動力 P實＝＝＝2281.4（N） 圖2-2 手指傳動示意圖 3. 手指驅動電機的選擇 手指夾開的速度為60o/s，蝸輪蝸桿傳動比為29：1 (1) 考慮到傳遞的功率不大，轉速較低，選用ZA蝸桿傳動，精度8c GB10089-88，蝸桿用35CrMo，表面淬火，硬度為45-85HRC，表面粗糙度Ra≤1.6 um，蝸輪輪緣選用ZCaSn10P1金屬鑄造。 (2) 傳動比 i== 參考表《機械設計手冊》第二版，第四卷 表35.5-5，取Z1=1，Z2=iZ1=29 查表35.5-6選取 a=40,i=29,m=2 d1=22.4,Z1=1,Z2=29 蝸輪分度圓直徑：d2=mZ2=2×29=58 導程角r=arctan (2-3) =arctan=5.1o 蝸桿轉矩： P1＝P實tgγ (2-4) ＝2281.4tg5.1o＝203.6 N T＝＝＝2.28N·m 圖2-3 蝸桿轉矩受力分析 蝸桿轉速v1＝60o/s=1740o/s＝290 r/min＝30.35 rad/s 電動機功率： Pm≈（1.5 ~ 2.5） MLP—— 負載峰值力矩（N·m） ΩLP —— 負載峰值轉速（rad/s） η —— 傳動裝置的效率，取0.7~0.9 ∴Pm＝2 (2-5) 而MLP＝T，ΩLP＝v1，η＝0.8 Pm＝2＝173 W 所以：查《實用機械電氣技術手冊》電機篇表13－15選伺服電機型號為：110SZ52,185W,1500r/min，220V 選取同步帶的傳動比為=1.875 齒輪副的傳動比為=1.5 同步帶的傳動比為=1 齒輪副的傳動比為==1.84 4. 腕擺電機的選擇 腕擺轉速ωγ＝60o/s＝10 r/min 估計腕重為50kg 總重G＝(50+25.5)g ＝75.59.8＝739.9 N F＝＝8.7N F實＝＝＝10.88N η—諧波效率 T＝T實 ＝10.88＝282.88N·mm＝0.28N·mm 圖2-4 腕擺力矩分析示意圖 腕擺ΩLP＝1085＝850r/min＝88.97rad/s Pm＝2＝2＝62.28W (MLP＝T，ΩLP＝v1，η＝0.8) 所以：查《實用機械電氣技術手冊》電機篇表13－15選伺服電動機型號：90SZ52，1500 r/min，80W，220V 選取齒輪副的傳動比為=1 諧波減速器i3的傳動比為i3=80 同步帶的傳動比為==1.875 5. 手腕回轉驅動電機的選擇： 手腕回轉轉速ωε＝120o/s＝20 r/min 回轉轉矩：Mc＝Mga+Mf Mga — 啟動（制動）的過程中的慣性力矩 Mga＝J0 w—手臂回轉在啟動或制動過程中角速度的變化量，就是工作角速度，w＝w (rad/s) t — 啟動或制動過程的時間( s ) J0 — 手部、腕部、臂部、機身及工件等回轉部件對機身回轉軸線的轉動慣量(kg·m2) Mf — 密封裝置處的摩擦阻力矩(N·m) Mf＝ (2-6) η —效率，取η＝0.85～0.9 J0= ＝＝0.096kg·m2 Mga＝J0 　　　　　　　　　 ＝0.096＝0.672N·m Mc＝Mga+Mf (2-7) ＝Mga+＝0.672+＝1.42N·m ΩLP＝20r/min＝136.5rad/s Pm＝2 ＝2＝484.6 w 所以：查《實用機械電氣技術手冊》電機篇表13－15選取伺服電動機型號：130SZ04，3000r/min，600W，200V 選取諧波減速器i3的傳動比為i2=80 同步帶的傳動比為==1.875 6. 手臂回轉驅動電機的選擇： 回轉轉速：ωα＝30o/s＝5 r/min 選取諧波減速器i1的傳動比為i2=80 漸開線圓柱齒輪，模數(shù)(法面模數(shù))m=1.5 齒數(shù)Z1=40，Z2=150 圖2-5 手臂回轉示意圖 F摩擦＝G·f＝550gf＝5509.80.1＝539N r =＝＝＝30 MLP＝F摩擦 ·r ＝＝16.17N·m ΩLP＝5 r/min ＝0.52 rad/s＝1.95rad/s Pm＝2 ＝2＝78.8w 所以：查《實用機械電氣技術手冊》電機篇表13－15選伺服電動機型號：90SZ52，1500 r/min，80W，220V 電機轉速為n電=ωαi1 (2-8) = 580=1500r/min符合要求 7. 同步帶設計：(P=300W,n=3000 r/min) Pc=KA·P=1.6600＝960W=0.96kW 參考表《機械設計手冊》第二版，第四卷表33.1-50取載荷修正KA=1.6 選取L型，節(jié)距Pb＝9.525mm，Zmin＝16 查表得： 小帶輪齒數(shù)：Z1＝17 小帶輪節(jié)徑：d1===51.54mm 小帶輪外徑：查得d01＝50.78 mm 大帶輪齒數(shù)：Z2=iZ1=1.87517=31.875，取Z2＝32 大帶輪節(jié)徑：d2===97.02 mm 大帶輪外徑：查得d02＝96.26mm, 初定中心矩a0=110mm 選同步帶長及齒數(shù)： LP0＝2a0++ ＝2110++＝457.94mm 查表33.1-47：選LP＝476.25 mm，Zb＝50，代號：187 理論中心距 a≈a0 + ?。?10＋＝119.2mm 故，選取中心距a0=120mm 小帶嚙合齒數(shù)：Zn ≈ (2-9) ＝＝7.43＞Znmin＝6 基本額定功率： 查表33.1-53得Ta=244.46N,m=0.095kg/m,bs0 =25.4mm 帶速v===4.05m/s P0===0.99Kw 所需帶寬bs bs=bs0 由表33.1-52 查得，L型帶bs0=25.4mm,Kz=1 bs=25.4=24.72mm 由表33.1-48查得，選帶寬代號為100的L型帶，bs=25.4mm 查表選雙邊擋圈，bf=26.7mm,t=1.5mm 帶輪的結構和尺寸： 傳動選用的同步帶為187L100 小帶輪：Z1=17，d1=51.54mm da1=50.78mm 大帶輪：：Z2=32，d2=97.02mm da2=96.26mm 圖2-6 雙邊擋圈示意圖 8. 大臂驅動絲桿的設計 估算：等效載荷Fm=1000N,絲桿有效行程270mm,等效轉速nm=1500r/min,要求使用壽命Lh =15000h左右，工作溫度低于100℃，可靠度95%，精度為3級精度。 (1) 計算載荷 Fc= (2-10) 查《機電液設計手冊》上冊，表15-21得 =1.1，=1.0，=1.61，=1 Fc= =1.11.01.6111000=1771N = = =19559N (2) 選擇滾珠絲桿副的型號 主要尺寸為： 按=19559N，查表15-24，選用FF3206-5列 =32mm,=6mm,=4mm,d=30.9mm ≤27 mm,=24000N ,=1880N 螺旋導程角γ= arctan=arctan=3o25′1″ 螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。 (3) 剛度驗算 按最不利情況考慮，即在螺距(導程)內受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為： =+ (2-11) 式中T1=··tan(γ+) =1000tan(+)=996N·mm 磨擦系數(shù)f=0.025,當量磨擦角=， 剪切彈性模量G=8.33N/mm2 所以：=+=0.0107μm 其中，危險截面=28.45，E=2.06 每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形 ==1.78/m<()p=15/m 因為滾球絲桿精度要求為3級精度，由表15-8查得 ()p=15/m (4) 計算效率 η===0.960=96% 9. 絲桿驅動電機的選擇 電機的轉速必須滿足絲桿的等效轉速1500 r/min,選擇電機型號為：130SZ01，2.26N·m，1500r/min，350W 10. 小臂絲桿和電機的選擇 設計原理與要求和大臂絲桿及電機相同，絲桿型號為：FF3206-5列，電機型號為：130SZ01[6] 2.4 本章小結 本章內容主要確定了五自由度工業(yè)機器人的主要參數(shù)，對五自由度工業(yè)機器人的結構進行了設計并完成了五自由度工業(yè)機器人的動力計算。 第3章 機械臂的Pro/E建模 Pro/ENGINEER是世界上擁有用戶最多的三維CAD軟件，由美國PTC公司出品，其軟件產(chǎn)品的總體設計思想體現(xiàn)了MDA（Mechanical Design Automation）軟件的新發(fā)展，Pro/ENGINEER是一套又設計至生產(chǎn)機械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。 Pro/ENGINEER其強大完美的功能，使其在工業(yè)造型設計、三維模型設計、計算分析、運動學分析、工程圖的輸出甚至加工成產(chǎn)品等各個方面都有所應用[11]。 三維建模的過程大致如下圖3-1： 圖3-1 建模過程 3.1 創(chuàng)建零件 1.運行Pro/E程序。 2.單擊“新建”按鈕（圖3-2），在“新建”對話框中的“類型”單選框中選取“零件”,在“名稱”一欄出輸入零件名稱，把“使用缺省模板”前面的勾去掉，單擊“確定”(圖3-3)。選擇“mmns_part_solid”,然后單擊“確定”（圖3-4）。 圖3-2 文件 圖3-3 新建 圖3-4 新文件選項 3.單擊“拉伸”按鈕，點選“放置”→“定義”（圖3-5）,選擇FRONT面，單擊“草繪”（圖3-6）,進入草繪平面。 圖3-5 草繪選項 圖3-6 放置 4.單擊“創(chuàng)建圓”按鈕，在草繪平面內分別畫2個圓（圖3-7），單擊“確認”按鈕。 圖3-7 草繪圖 5.在“深度值”處輸入3（圖3-8），單擊“確認”。 圖3-8 設置深度值 6.保存文件，完成建模。 3.2 裝配 1.運行Pro/E程序。 2.單擊“新建”按鈕（圖3-2），在“新建”對話框中的“類型”單選框中選取“組件”,在“名稱”一欄出輸入零件名稱，把“使用缺省模板”前面的勾去掉，單擊“確定”(圖3-3)。選擇“mmns_asm_design”,然后單擊“確定”（圖3-9）。 3.單擊“將元件添加到組件”按鈕，選擇零件。 4．單擊“放置”,選擇“缺省”（圖3-10），確定。 圖3-9 新文件選項 圖3-10 放置定義 5．重復第3步，添加零件。 6．使用約束將第2個零件裝配到第一個零件上。 7．重復第3步與第6步，將所有零件都裝配在一起。 8．保存文件，完成裝配。 3.3 制作裝配動畫 1.運行Pro/E程序，打開已經(jīng)裝配好的文件。 2.選擇“應用程序”下的“動畫”，進入動畫制作界面。 3.單擊“主體定義”按鈕，選擇“每個主體一個零件”（圖3-11） 圖3-11 創(chuàng)建主體 4.單擊“創(chuàng)建新關鍵幀序列”按鈕，在單擊“編輯或創(chuàng)建快照”（圖3-12），用“主體拖動”對個別零件進行移動。然后點擊拍照按鈕，重復移動和拍照（圖3-13）。 5.單擊“啟動動畫” ，運行動畫。 6．單擊“回放” ，選擇“捕捉”→“確定”,動畫被保存到組件所在的目錄下，完成。 圖3-12 關鍵幀 圖3-13 拖動 圖3-14機械臂裝配圖 3.4 本章小結 建立了機械手的三維模型，對機械手運動學和動力學性能進行了仿真研究，分析了運動部件之間的相對關系，完成了機械手抓取不同目標物時的運動學、動力學仿真；機械手采用液壓驅動方式，驅動力大、結構簡單。 結論 本文通過對五自由度工業(yè)機器人的結構設計，建立了機械臂運動過程模型。又通過五自由度工業(yè)機器人的動力計算、建立計算機控制系統(tǒng)方案和對機械臂進行Pro/E三維建模，得到了如下一些結果： 1．五自由度機械臂可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細長物體,也可用于抓取其它形狀的物體,具有一定的通用性。 2．機器人能自動控制，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。 3．可編程控制器控制系統(tǒng)主要是針對五自由度工業(yè)機器人的控制?？删幊炭刂破魇峭ㄟ^軟件來實現(xiàn)控制的，只需改變軟件就可以實現(xiàn)不同的控制要求。 在本文結束之際，總結自己所做的工作，受時間和研究水平所限，認為在對機器人自動控制系統(tǒng)進行開發(fā)與應用還應進一步深入研究，使機器人具備自動控制工作和機體在外部障礙的影響下進行自動修正的功能。 致謝 本文是在導師焦波老師的精心指導下和熱情關懷下完成的。在論文的整個過程中無不滲透著焦波老師的大量心血。幾個月來，焦老師那嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，開拓創(chuàng)新的科研作風，忘我的工作精神和對學生的關愛，無一不讓我感動和欽佩，這將使我在今后的工作和學習中受益終身。在此表示衷心的感謝，并致以最崇高的敬意。 參考文獻 1 蔡自興．機器人學．清華大學出版社，2000：4~7 2 (法)科依費特，(法)奇羅茲．機器人技術導論．匡興華，陳元興　譯．國防科技大學出版社，1991年5月：15~17 3 成大先．機械設計手冊，第4卷．化學工業(yè)出版社，2002：6~7 4 鐘約先，林享．機械系統(tǒng)計算機控制．清華大學出版社，2001：8~10 5 李元宗．機器人學講義．太原工業(yè)大學，1991：10~18 6 淮良貴，紀各剛．機械設計．高等教育出版社，1996：10~18 7 余達太，馬香峰．業(yè)機器人應用．冶金工業(yè)出版社，2001：11~19 8 蔡自興，張鐘?。畽C器人技術的發(fā)展．機器人，1987：58~62 9 徐元呂．工業(yè)機器人．中國輕工業(yè)山版社，1995：20~23 10 周伯英．工業(yè)機器人設計．北京機械工業(yè)出版社，1995：20~23 11 徐元呂．機械電子技術．上海同濟大學出版社，1995：20~23 12 振邦，汪勤澎，陳晉華．機器人機械設計．電子工業(yè)出版社，1995：20~23 13 張福學．機器人學一智能機器人傳感技術．電子工業(yè)出版社，1995：20~23 14 郭巧．現(xiàn)代機器人學．北京理工大學出版社，1999：20~23 15 蔣新松．國外機器人的發(fā)展及我們的對策研究．機器人，1987：3~10 16 李真，李志強．協(xié)作多機器人系統(tǒng)的模塊化設計與實現(xiàn)．機器人，1999：23~25 17 馬宏緒．兩足步行機器人的動態(tài)步行研究．國防科大博士學位論文，1995：13~15 18 馬香峰．機器人機構學．機械工業(yè)出版社，1991：16~20 19 彭慧，封錫盛．“探索者”號白治式無纜水下機器人控制軟體系結構．機器人，1995：3~5 20 張鐘俊，蔡白興．機器人自動化的新趨勢自動化，1986：2~3 21 諸靜．機器人與控制技術．浙江大學出版社，1992：23~35 22 Fuzzy PID Control of a Five DOF Robot Arm Journal of Intelligent and Robotic Systems ，Springer Netherlands：2004：57~68 23 DewitC. Trends of control for mobile robotsand vehicles. Procof Control Problemsin Roboticsnad Automation.1998,12：151~175 24 Hamilton J F.Cipra RJ.Design and Analysis of Robot Manipulators,ME-597T,Purdue University.2000：78~89 附錄A 圖A-1為底座尺寸示意圖 圖A-1底座尺寸示意圖 圖A-2為腰關節(jié)尺寸示意圖 圖A-2腰關節(jié)尺寸示意圖 圖A-3為小臂連桿尺寸示意圖 圖A-3小臂連桿尺寸示意圖 圖A-4為鐘形連桿尺寸示意圖 圖A-4鐘形連桿尺寸示意圖 圖A-5為腕部連接桿尺寸示意圖 圖A-5腕部連桿尺寸示意圖 圖A-6為電動機托架尺寸示意圖 圖A-6電動機托架尺寸示意圖 圖A-7為腕部齒輪箱尺寸示意圖 圖A-7腕部齒輪箱尺寸示意圖 附錄B (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (12) (13) (14) (15) (16) (17) C.Comopetitive Dynamics (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) The size of the change in direction of the tool is then calculated as (25) (26) (27) (28) WithSumming up over all obstacles the total contribution becomes (29) (30) (31) (32) (33) 2009年IEEE國際機器人和自動化會議 神戶國際會議中心 日本神戶12-17，2009 機械臂動力學與控制的研究 拉斯彼得Ellekilde 摘要 操作器和移動平臺的組合提供了一種可用于廣泛應用程序高效靈活的操作系統(tǒng)，特別是在服務性機器人領域。在機械臂眾多挑戰(zhàn)中其中之一是確保機器人在潛在的動態(tài)環(huán)境中安全工作控制系統(tǒng)的設計。在本文中,我們將介紹移動機械臂用動力學系統(tǒng)方法被控制的使用方法。該方法是一種二級方法，是使用競爭動力學對于統(tǒng)籌協(xié)調優(yōu)化移動平臺以及較低層次的融合避障和目標捕獲行為的方法。 I介紹 在過去的幾十年里大多數(shù)機器人的研究主要關注在移動平臺或操作系統(tǒng)，并且在這兩個領域取得了許多可喜的成績。今天的新挑戰(zhàn)之一是將這兩個領域組合在一起形成具有高效移動和有能力操作環(huán)境的系統(tǒng)。特別是服務性機器人將會在這一方面系統(tǒng)需求的增加。大多數(shù)西方國家的人口統(tǒng)計數(shù)量顯示需要照顧的老人在不斷增加,盡管將有很少的工作實際的支持他們。這就需要增強服務業(yè)的自動化程度，因此機器人能夠在室內動態(tài)環(huán)境中安全的工作是最基本的。 圖.1 一臺由賽格威RMP200和輕重量型庫卡機器人組成的平臺 這項工作平臺用于如圖1所示，是由一個Segway與一家機器人制造商制造的RMP200輕機器人。其有一個相對較小的軌跡和高機動性能的平臺使它適應在室內環(huán)境移動。庫卡工業(yè)機器人具有較長的長臂和高有效載荷比自身的重量,從而使其適合移動操作。 當控制移動機械臂系統(tǒng)時，有一個選擇是是否考慮一個或兩個系統(tǒng)的實體。在參考文獻[1]和[2]中是根據(jù)雅可比理論將機械手末端和移動平臺結合在一起形成一個單一的控制系統(tǒng)。另一方面，這項研究發(fā)表在[3]和[4],認為它們在設計時是獨立的實體，但不包括兩者之間的限制條件,如延伸能力和穩(wěn)定性。 這種控制系統(tǒng)的提出是基于動態(tài)系統(tǒng)方法[5], [6]。它分為兩個層次，其中我們在較低的水平，并考慮到移動平臺作為兩個獨立的實體，然后再以安全的方式結合在上層操縱者。在本文中主要的研究目的是展現(xiàn)動力系統(tǒng)方法可以應用于移動機械臂和使用各級協(xié)調行為的控制。 本文剩下的安排如下。第二部分介紹系統(tǒng)的總體結構設計,其次是機械手末端移動平臺的控制在第三第四部分講述。在第五部分我們在結束本文之前將顯示一作實驗。然而, 首先與動力學系統(tǒng)有關工作總結與方法將在在部分I-A提供。 A.相關工作 動力學系統(tǒng)接近[5]，[6]為控制機器人提供一套動作的框架，例如障礙退避和目標捕捉。每個動作通過一套一個非線性動力學系統(tǒng)的attractors和repellors來完成。這些通過向量場的簡單的加法被結合在一起來完成系統(tǒng)的整體動作。動力系統(tǒng)的方法涉及到更廣泛的應用勢場法[7],但具有一定的優(yōu)勢。這里勢場法的行為是由后場梯度形成的結果，行為變量，如航向和速度，可直接運用動力系統(tǒng)控制的方法。 成本相對較低的計算與方法有關，使得它在動態(tài)環(huán)境中在線控制適宜，允許它即使在相當?shù)偷乃接邢薜挠嬎隳芰ζ脚_[8]實施。傳感器的魯棒性在人聲嘈雜中顯示[9]和[10]其中一個是由紅外傳感器和麥克風的結合，當避障和目標獲取時使用。盡管能解決各種各樣的任務，但它僅是一個局部的方法，為了其他的任務和使命級計劃(即參見[11])其他的方法應該被釆用。 當多行為被結合時，在[5]和[6]的缺點是由潛在的假的因子引起的。為了克服這個問題[12]介紹了一種基于競爭動態(tài)的行為比重。每個行為的影響是控制使用一個相關的競爭優(yōu)勢，再加上定義的行為之間有競爭力的相互作用，控制重物。如果所有的行為之間的競爭性相互作用是必需的，這種方法可以推廣到任意數(shù)n,行為，除了這樣一個最壞情況的復雜度v(n2) 在現(xiàn)實世界中使用這種方法的競爭態(tài)勢室內實驗中可以找到[13]，[14]。[13]是只在有標題方向的車輛上使用，而在[14]中航向和速度均得到控制。[15]提供了一個為速度性能簡短的策略討論。 在[16]中提到動力系統(tǒng)的方法不僅被用于平面移動機器人，同時也可以作為控制機械手工具。另外運用產(chǎn)生極限環(huán)Hopf振蕩器動力系統(tǒng)的更復雜的動力系統(tǒng)也可被使用。 [17]展現(xiàn)出不同形狀的極限環(huán)是如何產(chǎn)生的，其可運用于避障軌跡的生成。[18]中介紹到使用Hopf振蕩器產(chǎn)生一個定時的軌跡,實現(xiàn)了機械手可以接住從桌子上面滾下來的球。 動力系統(tǒng)的方法不僅可以用于控制的工具，也可以控制7自由度機械手多余的動作這一 點在[19 ]中得到論證。 II.總體結構 我們整個系統(tǒng)的整體架構如圖2所示。在賽格威平臺中為了控制移動平臺，兩個低級別的性能被使用：一個用于目標捕獲和另一個是避障。運用競爭動態(tài)的動作被混合在一起是為了做出移動平臺希望得到的指定的移動動作。同樣，在競爭態(tài)勢的基礎上目標捕獲和機械手避障行為的融合給機器人收縮下達指令。當目標不在范圍內，應收回機械手到一個安全的位置，這是機械手縮回行為的目的。最后融合是以一個安全的方式把所有的控制結合在一起，這樣一來目標捕獲和收回行為不互相干擾，另外移動平臺在不開始朝著新的目標之前，移動機械手巳被收回。 用、和分別代表機械手移動、機械手捕獲和機械手收縮行為的影響，控制信號和通過(1)(2)移動平臺和機械手。 (1) (2) 其中( )是指控制輸入信號以控制在第三節(jié)中描述的平臺的左，右側車輪;和是在第四節(jié)描述的機械手關節(jié)速度。 障礙 動作 運動結合 結合 目標 設備 賽格威 障礙 操作結合 結合 目標 庫卡 機器人 操作收回 圖.2.控制系統(tǒng)的體系結構 A. 競爭動態(tài) 這種競爭態(tài)勢釆用的方法是以[12]為基礎的，除了附加參數(shù)Tb用于控制在[14]中的轉換率。動力系統(tǒng)釆用(3)因此給予: (3) 其中ab是b和rb競爭優(yōu)勢產(chǎn)生的參數(shù)，b是和b相互競爭作用的參數(shù)。 1) 移動：在移動平臺遠離目標時它的競爭優(yōu)勢應該被加強；標被捕獲時移動平臺的競爭優(yōu)勢應該被降低。這是通過(4)實現(xiàn)的。 (4) 其中,決定如何迅速的改變這種優(yōu)勢，是指到目標的距離和是指移動平臺移動目標所需的最小距離。 移動的行為，沒有能力進行互動，并抑制其他行為，因此它的競爭性相互作用被設置為0。 2) 機械手捕獲目標：A移動平臺接近他的目標時，機械手捕獲目標的動作應該別加強。這樣的競爭優(yōu)勢將被定義為： (5) 激活距離必須大于來確保其行為被激活。此動作沒有和其他的動作有直接聯(lián)系，因此它的相互作用參數(shù)設置為0。 3) 機械手收縮：收回動作應該被激活當對面目標被捕獲之后，因此 (6) 要有一個非常小的過渡時間，這可以防止在同一時間活動的機械臂捕獲和收縮動作,因此，我們可以設置由于機械手收縮和移動動作的聯(lián)系，當機械手原理自動巡航裝置時我們希望能夠取消停止移動。因此這種相互作用定義為： (7) 其中和，是機械手當前和原始配置參數(shù)，是指目標最近的距離和指定如何使相互作用迅速變化的參數(shù)。 III.移動平臺的控制 該移動平臺的控制，結構與參考文獻[14]中表述的非常相似，但也有一些不同。剛開始時目標捕獲和避障指令被使用。緊接著除走廊和墻壁避障不包括在內，伹將沿直線擴展。第二個領域，不同的是這項工作的障礙是如何找出障礙密度的計算方法。具體的論述在III-D部分。 為了使控制系統(tǒng)能夠根據(jù)具體的環(huán)境進行導航。我們所使用的方法是基于參考文獻[20]中論述的方法，它運用里程計和激光測距相結合對所在環(huán)境中地圖的主導線匹配測量。 該平臺控制編碼的使用方向：；速度：V，它在一個控制輸入系統(tǒng)的結果數(shù)的值是由兩部分組成，和，這里合并為 (8) 其中和是被Eq限制的。(3)中的競爭優(yōu)勢和相互作用在III-C中有詳細的描述。 作為控制輸入我們需要一個表達式對移動平臺的左右輪進行控制，這里用和分別作為左，右側車輪的表達參數(shù)。要使獲得這些數(shù)據(jù)集成得到v，連同所需的旋轉速度時，車輪直徑和車輪之間的距離可以用數(shù)據(jù)庫來計算控制輸入： (9) (10) 這里車輪需要的速度差被定義為: (12) A. 動態(tài)目標： 捕獲目標動作的基本動力是: (13) (14) 其中和是吸引子的優(yōu)勢參數(shù)和表示運動到目標的方向。常數(shù)表達出機械手到目標之間的距離和所需的速度關系。最后最大速度是指移動平臺所允許的最大速度。 B. 障礙動態(tài) 假定一個距離，方句參數(shù)表示機械手到第i個障礙的方向，在避障的動力學中用公式（15) (16)表不如下： (15) (16) 其中 動態(tài)參數(shù)包括三個要素：(一)障礙物的相對方向，(二)例系數(shù),其中根據(jù)距離決定衰減的程度。(三)另一個比例系數(shù)根據(jù)到障礙的方向而定的，并運用保兩障礙間的attractor產(chǎn)生，如果機器人可以在確保安全距離DS下通過。我們可以在參考文獻[14]中看到具體的描述。 對于是表示調整速度轉向,但確保最小速度是被保留的。 運用公式(17)獲取我們總結所有障礙的值： (17) C. 競爭動態(tài) 在競爭態(tài)勢的運算如上面所述公式(3)控制的。下面是最大的競爭優(yōu)勢和兩種動作的相互作用。 1) 目標：每當一個目標是存在的，競爭優(yōu)勢的參數(shù)就被設置為，否則設置為。 目標動作有能力影響和抑制避障動作，目標之間的距離和最近的目標之間的比例足以確保向目標移動的動作是無碰撞運動。這時建模為： (18) 其中到最近障礙物的距離，是一個如何快速是動作相互影響的增益常數(shù)，我們將開始抑制避障時表示障礙和目標之間的距離比。 2) 障礙：該障礙動作的競爭優(yōu)勢有公式（19)控制： (19) 其中是障礙密度在第三節(jié)-D被定義。 這種相互作用被定義為 (20) 第一部分抑制目標動作當障礙濃度超過臨界值時，最后一部分可以確保這