6自由度教學(xué)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD】,說(shuō)明書(shū)+CAD,6自由度教學(xué)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD】,自由度,教學(xué),機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),說(shuō)明書(shū),仿單,cad 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目 6自由度教學(xué)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)綜述 課題的目的與意義 機(jī)器人是二十世紀(jì)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一，人類(lèi)對(duì)于機(jī)器人的研究由來(lái)已久。上世紀(jì)70年代之后，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也隨之進(jìn)入高速發(fā)展階段，成為綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門(mén)學(xué)科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互四大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志[1] [2]。 機(jī)器人技術(shù)的研究在經(jīng)歷了第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人和第二代感知型機(jī)器人兩個(gè)階段之后進(jìn)入第三代智能機(jī)器人的發(fā)展階段。 機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類(lèi)完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類(lèi)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)械手越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷(xiāo)對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。 此外，醫(yī)療機(jī)器人是目前國(guó)外機(jī)器人研究領(lǐng)域中最活躍、投資最多的方向之一,其發(fā)展前景非常看好。近年來(lái),醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)引起美、法、德、意、日等國(guó)家學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注, 研究工作蓬勃興起。二十世紀(jì)九十年代起，國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人計(jì)劃已召開(kāi)過(guò)的多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會(huì)己經(jīng)立項(xiàng),開(kāi)展基于遙控操作的外科研究,用于戰(zhàn)傷模擬手術(shù)、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)。歐盟、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心也將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬外科手術(shù)仿真系統(tǒng)作為重點(diǎn)研究發(fā)展的項(xiàng)目之一在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療，外科手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)化產(chǎn)品，并在臨床上開(kāi)展了大量病例研究。而目前我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低。機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)及醫(yī)療水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 國(guó)內(nèi)外研究情況 1.1.1 國(guó)外研究狀況 機(jī)器人主要分為兩類(lèi)：工業(yè)機(jī)器人以及其他特種機(jī)器人，自1962年美國(guó)推出世界上第一臺(tái)Unimate型和Versatra型工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到了迅速發(fā)展。根據(jù)國(guó)際工業(yè)機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)前幾年的統(tǒng)計(jì)[3]：2000年全世界工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)達(dá)到82萬(wàn)臺(tái)，比1996年增加24％。其中日本擁有42萬(wàn)臺(tái)，占全世界機(jī)器人總數(shù)的50％左右，繼續(xù)保持“機(jī)器人王國(guó)”的地位。除日本外，世界上還有許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、前蘇聯(lián)和西歐一些國(guó)家的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也發(fā)展得很快。例如，在美國(guó)，1970—1980年間的機(jī)器人臺(tái)數(shù)增加20倍以上。盡管美國(guó)所擁有的機(jī)器人在臺(tái)數(shù)上不如日本．但其技術(shù)水平較高．占有一定的優(yōu)勢(shì)。在亞洲，韓國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展也很迅速，現(xiàn)排名世界前列．而日本、韓國(guó)和新加坡的機(jī)器人密度(即制造業(yè)中每萬(wàn)名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量)居世界第1-3位，包攬了前三名。西歐的意大利、法國(guó)、英國(guó)和東歐的匈牙利、波蘭等，機(jī)器人制造業(yè)及應(yīng)用機(jī)器人的情況都有很大發(fā)展。 1.1.2 國(guó)內(nèi)研究狀況 我國(guó)有組織有計(jì)劃地發(fā)展機(jī)器人事業(yè)．應(yīng)該說(shuō)是從“七五”期間的科技攻關(guān)及實(shí)施“863計(jì)劃”開(kāi)始的。經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)的研制、生產(chǎn)、和應(yīng)用，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前在一些方面[6]，如噴涂機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器 人、裝配機(jī)器人、特種機(jī)器人(水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)器人)，已掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置、軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)；還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線(工作站)及其周邊配套設(shè)備的全線自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)。 現(xiàn)在，我國(guó)從事機(jī)器人研發(fā)的單位有200多家[7]，專(zhuān)業(yè)從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的企業(yè)有50家以上。“九五”期間，國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃己將沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司、啥爾濱博實(shí)自動(dòng)化設(shè)備有限責(zé)任公司、一汽集團(tuán)涂裝技術(shù)開(kāi)發(fā)中心、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所、上海機(jī)電一體工程有限公司、四川綿陽(yáng)四維焊接自動(dòng)化設(shè)備有限公司等確立為智能機(jī)器人主題產(chǎn)業(yè)化基地。大連組臺(tái)機(jī)床所、上海富安工廠自動(dòng)化公司、東風(fēng)汽車(chē)公司、昆明船舶公司、哈爾濱焊接研究所、安川北科公司等單位，也都憑借自己開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的特色機(jī)器人或應(yīng)用工程項(xiàng)目活躍在當(dāng)今國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)上。此外，一些科研院所和大學(xué)也均在進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)日方面的研發(fā)工作。近幾年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人及含工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷(xiāo)額已突破十億元。 我國(guó)的機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是總的來(lái)看，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外的相比還有一定的距離，無(wú)論從機(jī)器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都有一定的差距。進(jìn)入新世紀(jì)以后，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，對(duì)機(jī)器人的需求越來(lái)越大，我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機(jī)遇和來(lái)自國(guó)外的挑戰(zhàn)，因此我們需要自主發(fā)展機(jī)器人高技術(shù)，解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)。積極推進(jìn)我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。 主要參考文獻(xiàn) [1]熊有倫．機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996:1. 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[9]吳振彪.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.2:71-72. 研究方案 研究目的 2、課題任務(wù)、重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑 2.1課題的任務(wù) 本課題就是設(shè)計(jì)出一個(gè)全自動(dòng)的機(jī)械手中的“臂” ：要求機(jī)械手的結(jié)構(gòu)靈活，定位精確，可以在工作空間里達(dá)到任意位置，操作方便，每個(gè)關(guān)節(jié)易于控制。 考慮到我們機(jī)械手的性能需求如下： ① 啟動(dòng)，停止和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，均能連續(xù)有效的進(jìn)行，且具有良好的響應(yīng)特性。 ② 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定。 ③ 維修容易，而且不太需要保養(yǎng)。 ④ 具有良好的抗環(huán)境干擾能力，對(duì)于輸出來(lái)說(shuō)，體積小，重量輕。 ⑤ 有良好的定位精度，重復(fù)定位精度，以及平穩(wěn)的運(yùn)行軌跡?？拐裥院茫僮鞣奖?。 2.2課題的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容 本課題研究涉及機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)器人、齒輪傳動(dòng)、實(shí)體建模、有限元分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面的相關(guān)內(nèi)容。 主要研究?jī)?nèi)容: 機(jī)械臂的機(jī)械部分是整個(gè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)型式的好壞，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。所以，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要。我們主要從以下幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行研究： ① 針對(duì)全自動(dòng)機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)研，查閱國(guó)內(nèi)外研究資料，資料收集及整理； ② 可達(dá)空間的范圍。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和滿足各種工作的需要，機(jī)器人前端應(yīng)能到達(dá)工作需要的范圍內(nèi)的各個(gè)位置，并且基本上沒(méi)有死區(qū)。 ③ 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。具體的包括運(yùn)動(dòng)副型式的合理選擇和配置。傳遞運(yùn)動(dòng)的最佳路線，驅(qū)動(dòng)的最佳速比等。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)出現(xiàn)臂桿的相互干涉或驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)法運(yùn)行，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題。 ④ 自由度的選取。一般來(lái)講，自由度越多，避障和奇異功能越強(qiáng)，可操作性越好，靈活性越好。但隨著自由度的增多將出現(xiàn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的復(fù)雜化，剛度的削弱、控制起來(lái)非常困難等問(wèn)題。機(jī)器人按運(yùn)動(dòng)形式分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人和極坐標(biāo)型機(jī)器人。 直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 關(guān)節(jié)型 極坐標(biāo)型 因此，在能滿足一定的選型原則的前提下，采用冗余自由度盡量少的、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的形式。綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)的設(shè)計(jì)情況，我們考慮設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)型的機(jī)器人。因?yàn)椋P(guān)節(jié)型機(jī)器人模擬動(dòng)物和人類(lèi)肢體，甚至是整體而最具有仿生性，也就具有了優(yōu)于其他類(lèi)型機(jī)器人的動(dòng)作能力。并且，關(guān)節(jié)型機(jī)器人在相同條件下比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有大得多的相對(duì)空間和絕對(duì)空間。其中，開(kāi)鏈連桿式機(jī)器人是現(xiàn)在使用最多的一種，其主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手腕上也采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)確定末端的姿態(tài)，具有優(yōu)點(diǎn)如下： 1）．結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地小。 2）．具有很高的可達(dá)性。可以使其手部進(jìn)入像汽車(chē)車(chē)身這樣一個(gè)封閉的空間內(nèi) 進(jìn)行作業(yè)，而直角坐標(biāo)型的機(jī)器人就不行。 3）．因?yàn)闆](méi)有移動(dòng)關(guān)節(jié)，所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)容易密封，由于軸承件是 大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。 4） ．所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗少。 ⑤ 對(duì)“臂”機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)及基本設(shè)計(jì)計(jì)算。直流電機(jī)實(shí)際上是機(jī)器人平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍、適用性好、具有很高的性價(jià)比、輸出力矩較大、易于控制等等，是一種最為通用的電機(jī)。我們選擇用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)值要根據(jù)具體負(fù)載，運(yùn)動(dòng)路線等因素進(jìn)行具體計(jì)算。 ⑥ 根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求，完成全自動(dòng)機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)圖、裝配圖設(shè)計(jì)；機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)： 1) 常見(jiàn)方式： 常見(jiàn)的有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，活塞及連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。 2) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)： 假設(shè)滑塊是主動(dòng)件，當(dāng)滑塊沿一定的導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，可以推動(dòng)曲柄做擺動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)。 3) 典型機(jī)構(gòu)： 液壓缸—連桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、齒輪驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。 下面是幾種參考結(jié)構(gòu)： 圖6 圖7 圖8 ⑦ 用UG5.0建立全自動(dòng)機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)三維模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。 ⑧ 根據(jù)仿真后的結(jié)果，進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)，測(cè)試并校核真實(shí)情況下的強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)能否達(dá)到要求。 2.3課題的實(shí)現(xiàn)途徑 在深入分析和理解自己研究課題的任務(wù)和重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，主要從以下途徑著手： ① 通過(guò)參考大量的文獻(xiàn)，掌握課題研究的背景，調(diào)研國(guó)內(nèi)外有關(guān)課題研究方面的現(xiàn)狀、發(fā)展和應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)全自動(dòng)機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，明確課題研究的目的、意義、任務(wù)及內(nèi)容。 ② 通過(guò)到機(jī)械加工車(chē)間參觀學(xué)習(xí)，觀察全自動(dòng)機(jī)械手的外形結(jié)構(gòu)，了解全自動(dòng)機(jī)械手的工作原理，并進(jìn)行分析各運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系；了解全自動(dòng)機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用情況，以便繪制詳細(xì)的機(jī)械臂的原理圖和裝配圖。 ③ 學(xué)習(xí)和掌握全自動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)手術(shù)的相關(guān)方法和技術(shù)，并結(jié)合課題實(shí)際分析各種相關(guān)方法和技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以便確定方案和設(shè)計(jì)內(nèi)容。 ④ 根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。 ⑤ 通過(guò)到加工車(chē)間參觀學(xué)習(xí)和查看資料，通過(guò)小組討論溝通方式學(xué)習(xí)和掌握全自動(dòng)機(jī)械手各部分運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的傳遞，功能的實(shí)現(xiàn)，各部分的銜接以及運(yùn)動(dòng)范圍的控制以設(shè)計(jì)出整個(gè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)。 3.進(jìn)度計(jì)劃 進(jìn) 度 安 排 序號(hào) 設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容 時(shí)間（起止周數(shù)） 1 調(diào)研，資料收集及整理； 4周至7周 2 分析全自動(dòng)機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)的基本原理，基本理論及方法；全自動(dòng)機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)及基本設(shè)計(jì)計(jì)算； 7周至8 周 3 全自動(dòng)機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)圖、裝配圖設(shè)計(jì)； 8周至11 周 4 全自動(dòng)機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)傳動(dòng)分析研究； 11周至12 周 5 分析整理, 擬寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文； 12周至13 周 6 修改畢業(yè)設(shè)計(jì)論文, 準(zhǔn)備答辯, 答辯； 13周至 15 周 6