六自由度并联关节机械手的设计 【含10张CAD图纸+说明书】.zip

1 XX 学院毕业设计说明书(论文)作作 者者:学学 号：号：学学院院(系系):专专 业业:题题 目目:关节机械手设计 2014 年 4 月I毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要机械手是一种典型的机电一体化产品， 关节机械手是机械手研究领域的热点。研究关节机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。本文对一种使用在关节机械手的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机械手模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。 关键词： 结构设计，机器臂，关节型机械手，结构分析II毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要AbstractAbstractThe robot is a typical mechatronic products, spray painting robot is a hot research field of the robot. Study on the spray painting robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biology and computer science knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines.In this paper, a design of arm structure used in the painting robot, and complete the general assembly drawing and part drawing. Requirements for the mechanics analysis of the robot model, estimate required on each joint torque and power, complete motor and reducer selection. Secondly, from the motor and reducer connection and fixation of joint structure, design, and the mechanism of important connections check the strength. Keywords ：Structure design, Robot arm, Structure analysisIII目 录1 绪论1 绪论 .11.1 引言1.1 引言 .11.2 关节机械手研究概况1.2 关节机械手研究概况 .21.2.1 国外研究现状.21.2.2 国内研究现状.31.4 关节机械手的总体结构1.4 关节机械手的总体结构 .41.5 主要内容1.5 主要内容 .42 总体方案设计2 总体方案设计 .52.1 机械手工程概述2.1 机械手工程概述 .52.2 工业机械手总体设计方案论述2.2 工业机械手总体设计方案论述.62.3 机械手机械传动原理2.3 机械手机械传动原理 .72.4 机械手总体方案设计2.4 机械手总体方案设计 .72.5 本章小结2.5 本章小结 .93 机械手大臂部结构3 机械手大臂部结构 .103.1 大臂部结构设计的基本要求3.1 大臂部结构设计的基本要求.103.2 大臂部结构设计3.2 大臂部结构设计 .113.3 大臂电机及减速器选型3.3 大臂电机及减速器选型 .113.4 减速器参数的计算3.4 减速器参数的计算 .123.5 承载能力的计算3.5 承载能力的计算 .163.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算.163.5.2 柔轮疲劳强度的计算.164 小臂结构设计4 小臂结构设计 .214.1 腕部设计4.1 腕部设计 .214.2 小臂部结构设计4.2 小臂部结构设计 .344.3 小臂电机及减速器选型4.3 小臂电机及减速器选型 .344.3.1.传动结构形式的选择.364.3.2.几何参数的计算.364.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算4.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算.36IV4.4.1 柔轮齿面的接触强度的计算.374.4.2 柔轮疲劳强度的计算.384.5 轴结构尺寸设计4.5 轴结构尺寸设计 .394.6 轴的受力分析及计算4.6 轴的受力分析及计算 .404.7 轴承的寿命校核4.7 轴承的寿命校核 .415机身设计5机身设计 .435.1 步进电机选择5.1 步进电机选择 .435.2 齿轮设计与计算5.2 齿轮设计与计算 .485.3 轴的设计与计算5.3 轴的设计与计算 .555.4 轴承的校核5.4 轴承的校核 .635.5 键的选择和校核5.5 键的选择和校核 .665.6 机身结构的设计5.6 机身结构的设计 .67总结与展望.68致 谢.69参 考 文 献.7011 绪论1 绪论1.1 引言 1.1 引言 机械手是一种典型的机电一体化产品，关节机械手是机械手研究领域的热点。研究关节机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。机械手是关节机械手的一种。1959 年，世界上诞生了第一台工业机械手，开创了机械手发展的新纪元。随着科学技术的发展，关节机械手的研究与应用迅猛发展。世界著名机械手专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机械手应当具有的最大特征之一是功能”。其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话 ： “上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作”。系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。功能的具备为扩大机械手的应用领域开辟了无限广阔的前景。研究机械手的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出机构，使它们能在许多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机械手的研究方向；机械手可以作为一种智能机械手在人工智能中发挥重要的作用。，关节机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给关节机械手下的定义：关节机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对关节机械手作如下定义：关节机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。是可进行自动喷漆或关节其他涂料的工业机械手。关节机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。关节机械手是在计算机控制下可编程的自动机器。 采用关节机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。机械手的诞生和发展虽只有 30 多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力1-2。21.2 关节机械手研究概况1.2 关节机械手研究概况1.2.1 国外研究现状最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。 后来这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的运动。 从本世纪30年代到50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究，并就运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展机械手的研究是始于本世纪60年代迄今，不仅形成了机械手一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机械手样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到1985年这一时期，在机械手领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代，对机械手控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这3种控制方法对各种类型的机械手都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机械手学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来的。 这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况1。在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于而且也适应于多足机械手。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么机械手在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在机械手的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)， 从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就机械手的“降阶模型”问题进行了研究。前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即姿态越平滑，类人型系统所消耗3的功率就越少。1.2.2 国内研究现状国内机械手的研制工作起步较晚， 我国是从 20 世纪 80 年代开始机械手领域的研究和应用的。1986 年，我国开展了“七五”机械手攻关计划，1987 年，我国的“863”高技术计划将机械手方面的研究开发列入其中。 目前我国从事机械手研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。 最初我国进行机械手技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机械手技术，随后取得了一定的成就。哈尔滨工业大学自 1986 年开始研究机械手，先研制成功静态双足机械手 HIT-I，高 110cm，重 70kg，有 10 个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅 45cm，步速为 10 秒/步，后来又相继研制成功了 HIT-II 和 HIT-III，重 42kg，高 103cm，有 12 个自由度，实现了步长 24cm，步速 2.3 步每秒的。目前正在研制的 HI 下IV 机械手，全身可有 52 个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型机械手37。国防科技大学在 1988 年春成功地研制了一台平面型 6 自由度的双足机械手KDW-1，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为 40cm，步速为 4 步每秒，1989 年又研制出空间型 KDW-II，有 10 个自由度，高 69cm，重 13kg 实现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。1990 年在 KDW-II 的平台上增加两个垂直关节，发展成KDW-III，有 12 个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。1995 年实现动态