球面SCARA機器人機械部分設(shè)計(proe三維圖-總圖用三維圖),球面,scara,機器人,機械,部分,部份,設(shè)計,proe,三維,總圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書2011 球面SCARA機器人機械部分設(shè)計 摘要：球面SCARA機器人課題來源于學(xué)院的實驗室。研究的主要內(nèi)容是設(shè)計一個三自由度的機器人，用于實踐教學(xué)。對三個自由度的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計時，要保證規(guī)定的動作范圍、速度和精度。球面SCARA機器人是一個三自由度的關(guān)節(jié)型裝置。具有體積小，傳動原理簡單等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。 對于本課題，著重研究的是球形工件表面定位的SCARA機器人機械部分的設(shè)計。機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計包括確定機器人的外形尺寸和工作空間，擬定機器人各環(huán)節(jié)的總體傳動方案和主要技術(shù)參數(shù)的確定，以及三個自由度軸的校核。所設(shè)計的機器人具有移動方便、抓取范圍大、剛性好、位置精度高、運行平穩(wěn)的特點。整個系統(tǒng)能滿足實驗的要求，結(jié)構(gòu)簡單，運動可靠，裝卸方便，便于維修、調(diào)整，能夠基本滿足設(shè)計的要求。在設(shè)計過程中盡量把零件選為標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，以節(jié)約制造成本。 關(guān)鍵詞：SCARA機器人；電機；結(jié)構(gòu)設(shè)計 Mechanical Structure Design of Spherical SCARA Robot Abstract: Spherical SCARA robot comes from the?Institute?of?Laboratory?project. The main content is to design a?three degrees of freedom?robot for?practice teaching. ?The design of?the three?degrees 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 simple?driving principle, so it is widely?used in various?industries. For this issue, focus is on the spherical surface of the SCARA robot positioning mechanical design. Mechanical design includes?determining?the size and?shape of the robot?work space,?the overall?development of?all sectors of?the robot?drive?program and?determining the main technical parameters, and three degrees of freedom axis calibration.?A?mobile?robot?designed 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, easy?maintenance, adjustment, can basically?meet the design?requirements.?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 球面SCARA機器人 三維圖冊 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 戴禮云 班 級 B 機制077 學(xué) 號 0710101708 指導(dǎo)教師 袁 健 完成日期 2011年6月6日 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 論 證 報 告 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 戴禮云 班 級 B 機制 077 學(xué) 號 0710101708 指導(dǎo)教師 袁 健 完成日期 2011 年 3 月 19 日 1 課題名稱：球面 SCARA 機器人機械部分設(shè)計 一、課題來源、課題研究的主要內(nèi)容及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述 1.課題來源：實驗室課題 2.研究的主要內(nèi)容：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)計一臺三自由度教學(xué)行機器人，用于 實踐教學(xué)，機器人能進行三個自由度方向的運動，本課題主要設(shè)計該機器人的機械結(jié) 構(gòu)，具體內(nèi)容有如下：（1）設(shè)計總體方案，確定機器人的總體結(jié)構(gòu)，繪制機器人機械 結(jié)構(gòu)裝配圖；（2）進行機器人大臂、小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制其部裝圖、零件圖； （3）各電機的選擇，各零部件設(shè)計計算和選擇；（4）繪制機器人主要結(jié)構(gòu)的三維造 型圖。 3．國內(nèi)外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： （1） 工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和維修)， 而單機價格不斷下降，平均單機價格從 1991 年的 10.3 萬美元降至 2002 年的 6.5 萬美 元。（2） 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機 檢測系統(tǒng)三位一體化，由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機，國外已有 模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。 （3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、 網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的 可靠性、易操作性和可維修性。 （4） 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳 感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、 聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合 配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 （5） 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如 使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 （6）當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與 機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng)，使 智能機器人走出實驗室進入使用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是 這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名的實例。 （7） 機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新 型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。 2 二、本課題擬解決的問題 球面機器人總體設(shè)計問題，例如結(jié)構(gòu)選型、總體布局； 機器人大臂、小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制其部裝圖、零件圖； 各電機的選擇，各零部件設(shè)計計算和選擇； 機器人主要結(jié)構(gòu)的三維造型圖； 三、解決方案及預(yù)期效果 解決方案：擬定球面 SCARA 機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計運動方案及主要技術(shù)參數(shù)： 1.校核第一自由度電機 2.設(shè)計第一自由度同步帶傳動 3.選擇第一自由度諧波減速器 4.校核第二自由度電機 5.選擇第二自由度諧波減速器 6.校核第二自由度電機動力輸出軸 7.校核第三自由度滾珠絲杠副 8.校核第三自由度電機 預(yù)期效果： 1．能滿足要求，保證定位精度 2．結(jié)構(gòu)簡單，運動可靠，裝卸方便，便于維修、調(diào)整 3．盡量使用通用件，以便降低制造成本 4．各動力部件便于控制 四、課題進度安排 2 月 21 日～3 月 19 日．畢業(yè)設(shè)計前期階段。 畢業(yè)實習(xí)，查閱資料，市場調(diào)查，到多個公司 實踐，撰寫實習(xí)報告。 論文總體構(gòu)思方案，填寫開題報告。 3 月 20 日～5 月 7 日． 設(shè)計初稿階段。 完成總體設(shè)計圖、部件圖、零件圖。 5 月 8 日～5 月 25 日． 中期工作階段。 完善設(shè)計圖紙，編寫畢業(yè)設(shè)計說明書，中期 檢查。 5 月 26 日～5 月 27 日．畢業(yè)設(shè)計預(yù)答辯。 5 月 28 日～6 月 6 日．畢業(yè)設(shè)計整改。 圖紙修改、設(shè)計說明書修改、定稿，材料復(fù) 查。 3 6 月 7 日～6 月 8 日．畢業(yè)設(shè)計材料評閱。 6 月 9 日～6 月 10 日．畢業(yè)答辯。 6 月 11 日～6 月 15 日．材料整理裝袋。 五、指導(dǎo)教師意見 簽名 年 月 日 六、專業(yè)系意見 簽名 年 月 日 4 七、學(xué)院意見 簽名 年 月 日 文 獻 資 料 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名 戴禮云 班 級 B機制077 學(xué) 號 0710101708 指 導(dǎo) 教 師 袁 健 文 獻 資 料 [1] 袁健. 球面SCARA機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 機械制造與自動化,2009，（01）：160-167. [2] 張立杰， 李永泉， 黃真. 球面二自由度5R并聯(lián)機器人的運動學(xué)分析[J]. 中國機械工程,2006,(04)：343-346. [3] 王健強,程汀. SCARA機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及軌跡規(guī)劃算法[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008,(07)：1026-1041. [4] 徐曉宇,毛燕,馬魏. 基于PMAC的SCARA機器人及其控制系統(tǒng)[J]. 機械工程師, 2007,(12)：27-29. [5] 張立杰,劉辛軍. 球面三自由度并聯(lián)機器人可達工作空間的研究[J]. 中國機械工程, 2001,(10)：1122-1125. [6] 許果,王峻峰,何嶺松. 一種基于SCARA機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 機械工程師, 2005,(04)：65-67. [7] 羅玉峰,李劍秀,石志新,陳紅亮. 三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)的型綜合[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報(工科版), 2008,(02)：150-153. [8] 高征,高峰. 球面3自由度并聯(lián)機構(gòu)的正解分析新方法[J]. 機械設(shè)計與制造, 2006,(09)：122-124. [9] 李天箭,王德倫. 球面機構(gòu)的相伴方法與運動幾何學(xué)研究[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報, 2000,(04)：456-460. 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首先，我們到長虹涂裝公司去進行畢業(yè)實習(xí)，江蘇長虹涂裝機械有限公司是專業(yè)從事汽車及配件涂裝、總裝、焊裝成套設(shè)備；工程設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試及售后服務(wù)總承包;非標(biāo)設(shè)備、機械化、電氣及鋼結(jié)構(gòu)分包工程的企業(yè)，也是涂裝機械工程設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、售后服務(wù)為一體的國家汽車行業(yè)協(xié)會、涂裝行業(yè)協(xié)會定點生產(chǎn)企業(yè)。我們此行的目的是了解整個生產(chǎn)過程以及各個生產(chǎn)線。然后，我們又到江動集團進行畢業(yè)實習(xí)的工作，江動集團主要生產(chǎn)單缸機、多缸機、汽油機、拖拉機以及發(fā)電機組。我們此行的目的是了解機床的生產(chǎn)加工模式，以及江動集團高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)方法。最后，我們又到東方悅達起亞汽車有限公司去畢業(yè)實習(xí)，東風(fēng)悅達起亞汽車有限公司是由東風(fēng)汽車公司，江蘇悅達投資股份有限公司，韓國起亞自動車株式會社共同組建的中外合資轎車制造企業(yè)。我們此行的目的是了解整個汽車的生產(chǎn)線，焊接，涂裝，裝配等等。由于我的畢業(yè)設(shè)計課題是球面機器人的機械部分設(shè)計，所以主要了解了東方悅達起亞汽車有限公司。用于整個生產(chǎn)線的機器人的有很多，主要是對汽車進行焊接，裝配，涂裝等等，大大減輕了人的工作量。 三、實習(xí)內(nèi)容 首先是安全問題。對于任何機械廠，安全始終是重中之重，所以在實習(xí)老師的帶領(lǐng)下，首先對我們進行了一些安全教育和以及在實習(xí)過程中的安全事項和需注意的項目。比如進廠必須穿長褲；禁止在廠里吸煙，進廠后衣服不準(zhǔn)敞開，外套不準(zhǔn)亂掛在身上，不得背背包進廠；人在廠里不要成堆，不要站在生產(chǎn)主干道上；在沒有實習(xí)老師的允許情況下，不準(zhǔn)亂按按扭、開關(guān)。 實習(xí)過程中，我們參觀了整個汽車的生產(chǎn)裝配過程。關(guān)于汽車的生產(chǎn)線，首先是利用沖床將鋼板壓成車的外殼，這是汽車制造中非常重要的步驟，它涉及汽車的線型設(shè)計及模具的沖壓設(shè)計；如果母廠不能獨立完成這個步驟，那就表示該廠的生產(chǎn)技術(shù)還沒有達到應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)，充其量只不過是個裝配廠罷了。等到完成車殼后，為了便於進行以后步驟中的焊接工作，通常都預(yù)將車體倒轉(zhuǎn)。完成初步焊接后，再將車體扶正，加裝車門及車蓋。而后設(shè)法除去車殼上各塊鋼板的毛邊與暗號，并將底盤預(yù)作防銹處理，以便進行車體的噴漆。以上是車體部分的制造概略過程，接著要裝配大梁、防震、傳動以及引擎等系統(tǒng)，這些部分可以說是汽車的內(nèi)臟，非常重要；尤其是引擎，更可說是汽車的心臟。如果一個國家的汽車工業(yè)無法完全獨立自主地完成引擎的設(shè)計與制造，那就表示這個國家的汽車工業(yè)還沒有生根。上述大梁、防震、傳動以及引擎等裝置完成后，就可將車體由上而下吊裝于其上，構(gòu)成汽車的雛型。剩下的工作就是汽車內(nèi)部的裝潢，包括玻璃、雨刷、車座等，另外再加裝散熱器（水箱）、油壓系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)以及車輪等，整部車就可以算是大功告成了。不過，為了保證車廠的信用與消費者的基本安全，還必須進行一系列的試驗，汽車才可以出廠。這些試驗包括了滾桶模擬試驗、防漏試驗以及路試等項目，試驗的主旨在於測試引擎、傳動系統(tǒng)、操縱桿、剎車、燈光及車體測漏等性能，通過這些試驗以后，汽車就可以出廠銷售了。 我們還參觀了生產(chǎn)線上的機器人，機器人的運用，大大減輕了工人的勞動量，提高了工作效率，提高了生產(chǎn)精度，也節(jié)約了時間和成本。 四、分析 機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機器或機械電子裝置。但從完整的更為深遠的機器人定義來看，應(yīng)該更強調(diào)機器人智能，所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。那么這給機器人提出來更高層次的要求，展望21世紀(jì)，機器人將是一個與20世紀(jì)計算機的普及一樣，會深入地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，在21世紀(jì)的前20年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關(guān)鍵時期。 為了使機器人能更好的應(yīng)用于工業(yè)，各工業(yè)發(fā)達國家的大學(xué)、研究機構(gòu)和大工業(yè)企業(yè)對機器人系統(tǒng)開發(fā)投入了大量的人力財力。在美國和加拿大，各主要大學(xué)都設(shè)有機器人研究室，麻省理工學(xué)院側(cè)重于制造過程機器人系統(tǒng)的研究，卡耐基—梅隆機器人研究所側(cè)重于挖掘機器人系統(tǒng)的研究，而斯坦福大學(xué)則著重于系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)。德國正研究開發(fā)“MOVE AND PLAY”機器人系統(tǒng)，使機器人操作就像人們操作錄像機、開汽車一樣。 ?除了這些研究單位，各大機器人企業(yè)也投入大量人力、財力開發(fā)機器人系統(tǒng)。國內(nèi)外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： 1. 工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從1991年的10.3萬美元降至2002年的6.5萬美元。 2. 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機檢測系統(tǒng)三位一體化，由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機，國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。 3. 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4. 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 6. 當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入使用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名的實例。 7. 機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。 五、實習(xí)感想 大學(xué)畢業(yè)實習(xí)報告是學(xué)生完成大學(xué)四年全部課程后的最重要的實踐環(huán)節(jié)。為了這次畢業(yè)實習(xí)，做準(zhǔn)備、搜集素材，了解有關(guān)的設(shè)計技術(shù)和注意事項。在將來機械制造將會向“四個化”發(fā)展，即柔性化、靈捷化、智能化、信息化。即使工藝裝備與工藝路線能適用于生產(chǎn)各種產(chǎn)品的需要，能適用于迅速更換工藝、更換產(chǎn)品的需要,使其與環(huán)境協(xié)調(diào)的柔性,使生產(chǎn)推向市場的時間最短且使得企業(yè)生產(chǎn)制造靈活多變的靈捷化,還有使制造過程物耗,人耗大大降低,高自動化生產(chǎn),追求人的智能于機器只能高度結(jié)合的智能化以及主要使信息借助于物質(zhì)和能量的力量生產(chǎn)出價值的信息化。 “紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行?！痹诙虝旱膶嵙?xí)過程中，實習(xí)中，我采用了看、問，親自動手等方式,對在工作中人與人的關(guān)系做了進一步的了解,分析了人與人之間特點,方式。我深深地感覺到自己所學(xué)知識的膚淺和在實際運用中的專業(yè)知識的匱乏。一旦接觸到實際，才發(fā)現(xiàn)自己知道的是多么少，這時才真正領(lǐng)悟到“學(xué)無止境”的含義。 “千里之行，始于足下”，這幾天短暫而又充實的實踐，我認為對我走向社會起到了一個非常重要作用，對將來走上工作崗位也有著很大幫助。更重要的是要向他人虛心求教，遵守組織紀(jì)律和單位規(guī)章制度，與人文明交往等一些做人處世的基本原則都要在實際生活中認真的貫徹，好的習(xí)慣也要在實際生活中不斷培養(yǎng)。領(lǐng)導(dǎo)和同事們的經(jīng)驗,好的習(xí)慣和他們的知識也會是我們?nèi)松械囊淮髮氋F的財富。這次實踐更讓我肯定了做事先做人的道理,要明白做人的道理，如何與人相處是現(xiàn)代社會的做人的一個最基本的問題。對于自己這樣一個即將步入社會的人來說，需要學(xué)習(xí)的東西很多，他們就是最好的老師，正所謂“三人行，必有我?guī)煛保覀兛梢韵蛩麄儗W(xué)習(xí)很多知識、道理。 4 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 課題： 球面SCARA機器人機械部分設(shè)計 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名 戴禮云 班 級 B機制077 學(xué) 號 0710101708 指 導(dǎo) 教 師 袁 健 專 業(yè) 系 主 任 王福元 發(fā) 放 日 期 2011年 2月 20 日 一、設(shè)計內(nèi)容 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)計一臺三自由度教學(xué)行機器人，用于實踐教學(xué)，機器人能 進行三個自由度方向的運動，本課題主要設(shè)計該機器人的機械結(jié)構(gòu)，具體內(nèi)容有如下： 1．設(shè)計總體方案，確定機器人的總體結(jié)構(gòu)，繪制機器人機械結(jié)構(gòu)裝配圖； 2．進行機器人大臂、小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制其部裝圖、零件圖； 3．各電機的選擇，各零部件設(shè)計計算和選擇； 4．繪制機器人主要結(jié)構(gòu)的三維造型圖； 5．撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。 二、設(shè)計依據(jù) 1．課題來源：實驗室課題； 2．產(chǎn)品名稱：球面SCARA型機器人； 3．第一軸、第二軸動作范圍都為360°，定位精度都為0．03°； 4．第三軸r動作范圍100 mm ，定位精度為0.015 mm，最大抗力5 N； 5．工件最大直徑200mm； 6批量：本機器人設(shè)計、制造一臺。 三、設(shè)計要求 1．能滿足要求，保證定位精度； 2．結(jié)構(gòu)簡單，運動可靠，裝卸方便，便于維修、調(diào)整； 3．盡量使用通用件，以便降低制造成本； 4．各動力部件便于控制； 5．設(shè)計圖樣總量：折合成A0幅面在3張以上；工具要求：應(yīng)用計算機軟件繪圖； 過程要求：裝配圖需提供手工草圖； 6．畢業(yè)設(shè)計說明書按照學(xué)校規(guī)定的格式規(guī)范同意編排、打印，字數(shù)不少于1萬字； 7．查閱文獻資料10篇以上，并有不少于3000漢字的外文資料翻譯； 8．到相關(guān)單位進行畢業(yè)實習(xí)，撰寫不少于3000字實習(xí)報告； 9．撰寫開題報告。 四、畢業(yè)設(shè)計物化成果的具體內(nèi)容及要求 1．畢業(yè)設(shè)計說明書 1 份 畢業(yè)設(shè)計說明書按教務(wù)處畢業(yè)設(shè)計（論文）格式規(guī)范統(tǒng)一編排、打印，字數(shù)不少 于1萬字。 2．設(shè)計圖樣 1）機器人的機械結(jié)構(gòu)裝配圖 1 張 2）大臂部裝圖 1 張 3）機器人零件圖 1 張 4）三維造型圖 1 張 3．外文資料翻譯（英譯中）要求 1）外文翻譯材料中文字不少于3000字； 2）內(nèi)容必須與畢業(yè)設(shè)計課題相關(guān)； 3）所選外文資料應(yīng)是近10年的文章，并標(biāo)明文章出處。 五、 畢業(yè)設(shè)計（論文）進度計劃 起訖日期 工作內(nèi)容 備 注 2月20日～2月21日 布置任務(wù) 2月21日～3月19日 調(diào)查研究，畢業(yè)實習(xí)，方案論證，總體設(shè)計 3月20日～4月7日 技術(shù)設(shè)計（部件設(shè)計） 4月7日～5月7日 工作設(shè)計（零件設(shè)計） 5月8日～5月25日 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書 5月26日～5月27日 畢業(yè)設(shè)計預(yù)答辯 5月28日～6月6日 修改資料 6月7日～6月8日 評閱材料 6月9日～6月10日 畢業(yè)答辯 6月11日～6月15日 材料整理裝袋 六、 主要參考文獻： 1. 蔡自興.機器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000. 2．殷際英，何廣平.關(guān)節(jié)型機器人[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003. 3．葉偉昌.機械工程及自動化簡明設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001. 4．王天然.機器人[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 , 2002. 5．張鐵，謝存禧.機器人學(xué)[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社, 2001. 6．霍偉.機器人動力學(xué)與控制[M].北京：高等教育出版社, 2004. 7．吳振彪，王正家.工業(yè)機器人[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社, 2006. 8．張建民.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：高等教育出版社，2001. 9．柳洪義，宋偉剛.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2002. 10．徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002. 11．朱世強，王宣銀.機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].杭州：浙江大學(xué)出版社, 2001. 12．城井田勝仁著.輕輕松松制作機器人[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2010. 13．趙冬斌．全方位移動機器人導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社, 2010. 14．蔡自興．機器人學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2009. 七、其他 八、專業(yè)系審查意見 系主任： 年 月 日 九、機械工程學(xué)院意見 院長： 年 月 日 5 外文翻譯 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名 戴禮云 班 級 B機制 077 學(xué) 號 0710101708 指 導(dǎo) 教 師 袁 健 外文資料名稱：The robust design of parallel spherical robots 外文資料出處： Mechanism and Machine Theory 46 (2011) 335-343 附 件： 1.外文資料翻譯譯文 2.外文原文 指導(dǎo)教師評語： 簽名： 年 月 日 球形機器人的并行穩(wěn)健性設(shè)計 halid Al-Widyan, Xiao Qing Ma, Jorge Angeles 戴禮云 譯 摘要:本文提出了一種完善敏捷手腕（AW）的方法，在以往的工作報告中，是適用于一個球形的三自由度并聯(lián)機器人未激勵節(jié)點的設(shè)計。穩(wěn)健性是必要的，因為制造一個全部是在一個單點關(guān)節(jié)軸球面機制是極其困難的任務(wù)。為了降低不可避免的制造誤差，此建議，以未激勵旋轉(zhuǎn)（R）的一個圓柱形（C）關(guān)節(jié)取代現(xiàn)有設(shè)計的關(guān)節(jié)。即便是后者存在著非共點軸。一個以雙數(shù)字為基礎(chǔ)的程序，是用來解決整個機制的逆運動學(xué)問題的，以此來確定每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。在運動學(xué)分析統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)倪x取關(guān)節(jié)尺寸。 關(guān)鍵詞: 敏捷手腕；球面并聯(lián)機器人；統(tǒng)計分析；雙數(shù)；轉(zhuǎn)移原理；逆運動學(xué)分析 1前言 球面并聯(lián)機器人是用來定位三維空間剛體。應(yīng)用包括機器刀具和工件床[1,2]，以及作為定位相機跟蹤快速移動的物體。后者導(dǎo)致了應(yīng)用敏捷的眼睛發(fā)育[3,4]。理想的情況下，所有的球關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)機制，與他們在一個共同的點軸相交。然而，由于加工誤差，依靠一個傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工操作機制這是不可能的;高精密加工，當(dāng)然，一種選擇，如果一個人愿意為它付出的話。作為替代方案，考慮到不可避免的加工誤差，通常包括額外的自由度。敏捷眼睛設(shè)計師提供了額外的自由度來取代自調(diào)心針接頭，這相當(dāng)于是被動關(guān)節(jié)的自由旋轉(zhuǎn)代替被動旋轉(zhuǎn)。這種方法的缺點是缺少一定的流動性，總是妥協(xié)于機器人的剛度。一種以應(yīng)付制造誤差的手段，校準(zhǔn)方法是不是一個，在于本案怎么選擇，因為球形聯(lián)系過于約束。這意味著，除非一個人有能力組裝，否則小加工誤差就會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸不相交于一個共同點而呈現(xiàn)超靜定結(jié)構(gòu)。 在我們的設(shè)計中，我們更換未激勵圓柱形旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，從而引入那些是必要的和足夠的自由度。因此，一個機制的位移分析是需要確定在未激勵圓柱的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，不僅關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，而且由于旋轉(zhuǎn)的加工存在裝配誤差，會導(dǎo)致非同步旋轉(zhuǎn)軸。很明顯，由此產(chǎn)生的機器人不會很球形，但相比較，有能產(chǎn)生近似球形位移的能力。 在本文，提出了一種隨機的方法是表示眼前機器人環(huán)節(jié)的尺寸誤差。并且，一個程序的設(shè)計旨在通過逆運動學(xué)來分析上述圓柱形聯(lián)接位移。 對在研究的聯(lián)動分析歸結(jié)為解決系統(tǒng)中沒有任何一個特里戈度量方程。解決這一系統(tǒng)的方法是依賴于三角和半三角所轉(zhuǎn)化的方程。然而，這種解決方案的轉(zhuǎn)變，π是在奇點附近的，因此，上述做法是不穩(wěn)妥的。為了應(yīng)付這個問題，Bai和Angeles[5]找到了一種根據(jù)輸入-輸出方程和控制中心聯(lián)系的幾何方法。這種方法是通過分析在同一參考平面和球面RRRR之間的聯(lián)系。 更換手頭機器人的拓撲結(jié)構(gòu)，即由對口其圓柱形轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，從球到空間的聯(lián)系。最直接的方法，是推導(dǎo)出空間四桿的輸入輸出方程和適用的轉(zhuǎn)移[6-8]原則。這一原則還要追溯到60年代初，它的一個最引人注目的地方已被楊和Freudenstein [9] 報道，該報道分析了空間四桿機構(gòu)演變成一個球面四桿機構(gòu)的封閉方程。 2敏捷手腕的運動學(xué)分析 敏捷手腕（AW），如圖1a所示，是一個三自由度機器人作為一個終端模塊設(shè)計的長距離機器人[10]。敏捷手腕是一個具有三個相同的爪，具有典型機器人的爪的體系結(jié)構(gòu)的球形機器人，如圖1b所示。正如在圖1a所示，每條爪在一個三角板上，通常被稱為移動板（MP），執(zhí)行任務(wù)的機器人，并在其上安裝電機的，通常被稱為底板（BP）。事實上，根據(jù)戈塞爾林和他的研究小組[3,4]披露，敏捷手腕是來自敏捷眼的設(shè)計。值得注意的是，敏捷手腕的近端鏈接作為非圓曲線的中心曲線聯(lián)系起來，如[11]報道。中央曲線設(shè)計，反過來，繼優(yōu)化程序，根據(jù)該曲線在平面的軌跡，可算出最小曲率值。此外，同樣的曲線設(shè)計，以融入遷就軸承和關(guān)節(jié)軸的R型和C型。敏捷手腕是機器人用來牢牢抓住目標(biāo)的，如噴丸處理。 下面的小節(jié)中，我們通過討論分析制定出逆運動學(xué)的圓柱運動的程序。相關(guān)運動是重要的設(shè)計參數(shù)，它們允許設(shè)計人員所需的最小空間分配，以適應(yīng)機械加工和裝配誤差產(chǎn)生的誤差在公差以內(nèi)。 2.1 雙逆運動學(xué)的RCCC鏈 對每一個爪在這里進行位移分析，產(chǎn)生了圓柱關(guān)節(jié)。 問題減少到了一個爪的敏捷手腕，這是一個串行運動鏈。我們認為，由于對稱性，其他兩個爪每一個都會產(chǎn)生同樣的運動結(jié)果。球形手腕如圖1b所示，手鏈?zhǔn)窍嗤模说诙偷谌P(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，這正與圓柱關(guān)節(jié)相替換，以適應(yīng)相鄰軸線的偏移量。因此，在這種情況下，不只是為了旋轉(zhuǎn)，還有關(guān)節(jié)的運動。 眼下的問題在于尋找一個固定的移動平臺姿勢，在圖1b中，考慮到被動關(guān)節(jié)位移和工作關(guān)節(jié)倒退轉(zhuǎn)動的問題。在隨后的分析中，我們采取圖1b，替代RCCC鏈。現(xiàn)在，可以導(dǎo)出球形的幾何關(guān)系和轉(zhuǎn)移空間聯(lián)系的二元化對等關(guān)系。因此，所有的二元向量和標(biāo)量在圖1b中，除了θ1，我們得到了手頭的指揮中心鏈的位移分析。對于一個給定的 （1） 最終效應(yīng)的方向，讓雙單位向量作為基礎(chǔ)框架坐標(biāo)，其中下標(biāo)1是被指定基本框架。我們在這里回憶起，真正的單位矢量方向代表了歐幾里德空間，雙單位向量代表在同一個空間線。 圖1敏捷手腕：（a）布局（b）其中的一個機械手 圖1b的球形機器人的位移分析概述如下：為此，用Denavit - Hartenberg（DH）表示法[12]，其次定義坐標(biāo)系網(wǎng)格F（i），其中i = 1,2,3,4，固定（i - 1）鏈接，其中0表示基和3表示機器人（EE）前面的數(shù)字。此外，在Fi向量v為代表的記為[v]。在反排量問題（IDP）中，在給定的EE運動是一個旋轉(zhuǎn)矩陣R的網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)合角，將EE從一個參考的角度至R。此外，用表示旋轉(zhuǎn)矩陣同行在Fi連接的一個矢量分量。我們用這個符號。為了快速參考，我們回顧矩陣結(jié)構(gòu)： （2）其中λi≡cosi ，μi≡sini，如圖1b所示1和2，而3是第三個轉(zhuǎn)動軸的夾角，即平行向量3和Z4軸，連接到機器人。此軸是用戶定義的，其唯一的條件是它穿過中心的手腕。它沒有顯示的數(shù)字，以避免超載。 解決的關(guān)鍵是建立IDP和手腕之間的關(guān)系： （3）如圖1b中所設(shè)置的。因此，需要一個坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，來表達參與式的兩個載體。也就是在同一坐標(biāo)系中Fi，如下所述： （4）這不過是第三列。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），獲得θ1： （8） 和，。這個方程及其在這方面詳細推導(dǎo)見資料 [13]。 通過極反演變，我們得到RCCC鏈的方程，即 （9） 其中（i=1，2），是機構(gòu)i和i+1之間的垂直距離。而且保持一個共同運動，不需要二元化。 上面的方程已被證明是對角[5]的兩個解決方案；至于其它兩個關(guān)節(jié)，一個旋轉(zhuǎn)一個平移。一個解決的方法是替代上述三角方程的一半。這求出tan(/2)，然后用二次方程的根公式來解決問題。然而，正如[5]，二次-方程方法的四連桿分析輸入和輸出導(dǎo)致了多項式緊縮，在這種情況下，二次方程退化成線性方程，使根靠近π。作為替代方案，穩(wěn)妥的做法是采用相同的參考系，以獲取兩個解決方案。這種方法是融入我們的代碼來取得相關(guān)敏捷手腕的變量。 此外，提供球形機器人第二關(guān)節(jié)位移d2是方程的根，即[13]， （10a） （10b）其中（i，j=1，2，3）都是表示旋轉(zhuǎn)矩陣R的最終取向；上述的同等方程為 （11a） （11b）其中，是關(guān)節(jié)軸之間連續(xù)法線的距離，根據(jù)Denavit–Hartenberg[13]所說，（i，j=1，2，3）是雙旋轉(zhuǎn)矩陣對參考系的最終值。的原始部分是正交矩陣，而其部分R包括雙矩陣D，這是平移向量矩陣D。此外，矩陣R是雙正交矩陣密度函數(shù)—行列式（R）= 1。參考的定義是和，其中，分別代表3 × 3的矩陣和零矩陣。 矩陣R是單位矢量e給定的一個旋轉(zhuǎn)角度,后來發(fā)現(xiàn)這個矩陣如[13] ， （13） 其中E是部分矩陣，從而獲得了原始的矩陣R。因此，每個旋轉(zhuǎn)矩陣[15]項是雙數(shù)，即 （14） 其中作為基質(zhì)（i，j）。 從方程（11a）（11b）是可以解決第二個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)問題的。上述方程每個然后分解成兩個方程，一個是原始方程，一個是二項式方程。類似的方法來解決第三個關(guān)節(jié)運動的問題，這由球形機器人相應(yīng)的方程，即 （15a） （15b） （15c） （15d） （15e） （16a） （16b） 其中 （16c） （16d） （16e） （16f） 再次，通過（16a）及（16b）擴大形成4個方程式，兩個原始的和兩個二項式方程，從而得出兩者的旋轉(zhuǎn)角度和距離。通過原始方程（11a）（11b）和（16a）（16b）對比，得到相應(yīng)的方程（10a）（10b）和（15a）（15b），詳見附錄A。 上述算法允許在一個固定的平臺上，輸入旋轉(zhuǎn)角度，以及位移，，和相應(yīng)，的計算。 2.2 敏捷手腕的逆運動學(xué) 開放型反位移分析是相對于封閉的RCCC鏈的位移分析[14]。后者也被稱為空間四桿機構(gòu)。事實上，一個開鏈EE的姿勢可以通過一定的手段，如規(guī)定螺絲線的和螺距p。因此，在EE視為已達到其規(guī)定的構(gòu)成按照預(yù)定運動時，。因此構(gòu)成如圖1b，機器人沿著它的C關(guān)節(jié)運動，從而結(jié)束循環(huán)。 在[5]提出了基于穩(wěn)健算法解決指揮及控制中心的逆運動學(xué)問題，敏捷手腕是簡單的逆運動學(xué)閉鏈：一個隨機的有限的運動姿勢的移動方法包括隨機螺桿的“小”運動,會伴隨著預(yù)期的制造誤差?，F(xiàn)在，每個機械手的關(guān)節(jié)變量是獨立計算的。為此，我們把移動板塊作為剛性固定在底座，因而形成一個封閉的系統(tǒng)運動學(xué)RCCC類型。 2.3 雅可比矩陣 瞬時，通過運動學(xué)敏捷手腕的方程，得到了相應(yīng)的球形3RRR機制[2]的公式： （17）其中，，是實向量聯(lián)合利率，而是雙重移動角速度矢量[15]。對偶向量和（i=1，2，3）由機器人結(jié)構(gòu)決定。這些載體代表第i個腿關(guān)節(jié)的C軸，和，對于基地和移動板，與相關(guān)的中間接頭第i個腿是同樣的。此外，所有與外緣驅(qū)動關(guān)節(jié)相關(guān)的變量和時間都是實數(shù)，因此，不應(yīng)該是向量。 2.4 一個雙重矩陣的條件 我們采用統(tǒng)計的方法來確定機器人關(guān)節(jié)C的最小空間要求，我們指定一個隨機螺旋運動 [13]的移動平臺。當(dāng)這樣做，選擇的可能是一個不能產(chǎn)生可行的運動板，這時可以用空間四桿[5]提出的連桿機構(gòu)運動分析的方法來檢測隨機數(shù)。 此外，即使在一個可行的姿態(tài)，也可能是一個病態(tài)的機器人姿態(tài)，這可能導(dǎo)致不同數(shù)量級的螺旋運動的錯誤?？梢酝ㄟ^矩陣的條件數(shù)的概念調(diào)節(jié)，如方法檢測[16]，適用于手頭機器人的雅可比矩陣。因此，隨著條件數(shù)超過規(guī)定的約束，會避免更大的誤差，不論是在任務(wù)還是初始階段，都可以通過聯(lián)合編碼器給出一個合適的算法。今后，我們假定一個姿勢發(fā)生的可能性是與條件數(shù)成反比的，從而給出條件數(shù)相應(yīng)的雅可比矩陣，如下所述。 對重量造成手腕姿勢距離奇異的影響方面，我們需要評估一個雙矩陣的條件數(shù)，這是下面討論的主題。我們讓是一個n×n雙矩陣。的倒數(shù)記為 ， 。 （18） 從上面的公式中，可以很明顯的看出，雅可比矩陣和是可逆的。（17）只對他們的原始部分設(shè)定。這意味著，即使一個雙矩陣的部分是單數(shù)，雙矩陣仍然是可逆的，只要是其原始的一部分。因此，的條件數(shù)，可作為其原始的部分，即采取。 在我們的情況下，只有是必要的，因為它是需要在雅可比的基礎(chǔ)上分析逆運動學(xué)。事實上，從方程（17）分析出。 因此在圓柱加權(quán)運動使用的是原始的部分作為因子的條件數(shù)的倒數(shù)。因此，每個值乘以相應(yīng)的B的條件數(shù)的倒數(shù)，以獲得加權(quán)平均值，即 （19）其中是C關(guān)節(jié)在第i，j個隨機動平臺姿態(tài)的距離，而N是一個隨機統(tǒng)計數(shù)。此外，相應(yīng)的（i=2，3）的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 ，i=2，3。 （20） 3．分析結(jié)果 該代碼執(zhí)行上述算法得到的是10,000以內(nèi)隨機運行帶來的移動平臺。角和距離（i=1，2）分別是π/2+和，。 加權(quán)均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計算結(jié)果如表1。由于加權(quán)的值與逆條件數(shù)，不做出巨大的條件數(shù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)具有最大的條件數(shù)是零。 表1 10,000以內(nèi)的圓柱聯(lián)合位移（所有長度單位：mm） 聯(lián)合關(guān)節(jié) 遠端關(guān)節(jié) 平均值（μ） 標(biāo)準(zhǔn)差（σ） 0.7200 0.7000 [-2.1552;2.1648] [-2.0985;2.1015] 此外，為了形象化這些關(guān)節(jié)的隨機位移輸出，繪制了兩個圖，圖2 a和b。在這里，我們假設(shè)偏移值和是0.3mm，捻角為90.5 °。 從這些圖中，很明顯的看出，很多比例的位移接近零以及每個關(guān)節(jié)緊貼加權(quán)均值零?，F(xiàn)在的問題是：應(yīng)采取什么樣的位移值，以滿足要求而不引起手腕動作的關(guān)節(jié)干擾。對這個問題的答案可以通過假設(shè)，在上述圖形結(jié)果中，所產(chǎn)生的隨機位移的分布平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ是正常的。此外，μ發(fā)生偏差低于σ占68％，低于2σ占95％;低于3σ 占99％。在該范圍內(nèi)，每個關(guān)節(jié)面是采取L =μ+3σ以滿足99％的敏捷手腕。事實上，近端關(guān)節(jié)設(shè)計。同理，遠端設(shè)計。 對敏捷手腕關(guān)節(jié)C的設(shè)計，安全范圍是在4.4毫米以內(nèi)。敏捷手腕的物理機構(gòu)如圖3所示，雖然功能簡單，但卻比圖1a重。這圖中,彎曲半徑和變截面變量都可以得到。圖3中，矩形截面尺寸的彎曲鏈接被利用，同時也保證了中央曲線的鏈接。這些鏈接被簡化純粹是因為的預(yù)算方面的原因。為了給一個原型的圖3的尺寸，手腕中心到后方電機兩端的距離為275毫米，其承載能力為50 N和它的三個電機額定功率為364瓦。 4．結(jié)論 為實現(xiàn)對給定的球形手腕C關(guān)節(jié)，找到最適宜的設(shè)計準(zhǔn)則，以得到最小的制造和裝配誤差。本文關(guān)鍵的一個步驟是解決球形運動學(xué)關(guān)系，以便為他們分析出相應(yīng)的二元軸不相交的空間。前沿介紹了程序求解機器人逆運動學(xué)的原則及應(yīng)用。瞬時—運動學(xué)方程的發(fā)展使3RCC并聯(lián)機器人傾向于雙代數(shù)的應(yīng)用。許多矩陣的表達式推導(dǎo)條件，需要以重量隨機實驗，然后與矩陣倒逆。研究結(jié)果表明,只涉及反比部分，其中。因此健全球形機器人的設(shè)計與分析方法的開發(fā)，然后應(yīng)用到敏捷手腕，關(guān)節(jié)，以便得到正確尺寸的圓柱形空間機器人關(guān)節(jié)。 圖2隨機數(shù)位移與加權(quán)位移值（毫米）的對比：（一）中間關(guān)節(jié);（二）遠端關(guān)節(jié) 圖3 敏捷手腕的物理樣機 致謝 這里的工作報告，部分是NSERC（加拿大自然科學(xué)與工程研究理事會）215729-98提供的。CDEN也提供了一部分。我們在此感謝這些資料文件的早期版本作者：David Bellitto，David Daney，Bruno Monsarrat。 附錄 A （11） （16） 參考文獻： [1] H. 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