多关节机械臂设计与分析研究

1、摘要机器人是自动执行人类工作的移动设备。它不仅能自动接受计算机和人的指令，而且能自动运行预先设计好的工作程序。同时，它还可以根据计算机和人工智能技术的原理和工作程序采取行动。近儿十年来，随着工业机器人制造技术的不断发展，机械臂的技术也趋势成熟，为了使机械臂能更好地与周围环境中的事物进行交互、操作以及完成各项任务,机械臂已广泛应用于了工业生产及其他人们日常生活的各个方面。工业机械臂的技术深入应用研究从最初的使用机器抓取到清理物品到现在的工业汽车装配制造上的汽车装配具有重要的技术指导作用，对其更好的发展和拓宽工业应用和在日常生活服务上的应用具有历史性的重大意义。本论文就关于机器人制造中机械臂的结构设计、建模仿真及动力学分析进行了探讨研究。用ADAMS软件对机械臂进行了动态的仿真，本文分析了机械手在刚体运动过程中对刚体的受力变化，为工业汽车机械手的刚体结构优化设计提供了数据。另外还详细介绍了对机械臂刚体、柔体的模型以及动力学的基础分析。关键词:机械臂仿真模拟动力学模型E】=叫新sin/鸟=叫g(A sin 功 + 方 sin(0 + q2)E3 =?g sin% +4sin(0 +务)+小讽

2、0 +q； + 2 + 鸟=凤豹 sin 0 + m2g(l sin 劣 + 弓 sin( + 务)+%g(k sin 0 + Z2 sin(0 + 务)+4 sin(0 + q2)dE(q)-T=叫耕 COS0 + 吗g(4 cos/ + r2 cos(qi +%)+WL cosq】+12 cos(0 +qD+【3 cos( + 务 +3)dE(q)-r=叫射 cos(劣 + 务)+ m3g(/2 sin(0 + $2)+ 4 sin(名 + / + 务)8E(q)./、-T =COSC0 + 务 + 03)为31.2.3机械系统动力学的仿真在上个世纪，已经就有机械系统动力学仿真的文献。是一种非结构化的编程语言。那时候人机双方数据对换比较麻烦，而且相似度低，经常出错，所以只用于科学研究工业领域，尚未推广形成自己的商品仿真软件。到了七八十年代,出现了大量的机械工程动力学分析和计算仿真软件，如Adina、Markl Sap5等，因此现在一些研究人员已经开始研究并尝试利用现有的通用软件方法在市场上进行操作。机械系统动力学的分析，OHandea和Berenyi仿真软件在最近的文献中，利用了机

3、械系统的动力学计算仿真软件和ADAMS的早期开发版本,对一个六十四自由度的工业分析机器人系统进行了连续加速度和路径动态综合。在20世纪90年代，Z.Yang和J.P.Sadler在他们的文学作品中3和4,采用了有限元分析仿真软件，利用ANSYS的动力学分析和仿真功能，对传统弹性四杆机构和三杆结构进行了仿真。其仿真结果与目前传统的弹性四杆机构动力学仿真分析结果比较相似。但这些解决方案都未必能从根本上有效解决这一问题:用柔性杆FER的软件系统进行建模最终的结果很差，未能得到理想的重要的指标。李论在以上相关文献5中巳经首次地结合ANSYS和柔性杆FER的主要特点和功能，根据不同的实际应用，建立了柔性杆机器人和其他柔性杆机构的动态仿真和设计模型，并给出了大量的计算实例。分析验证了其仿真模型的设计正确性。在下一步中，我们有必须对柔性机构及关节动力学设计进行探讨研究。1.3研究内容本文主要研究和设计了一种轻型柔性串联多关节机械臂，在此基础上，对机械臂的人体运动学和结构进行了研究和仿真，并对机械臂的多关节结构和特点进行了分析。方法如下：本文首先系统地讨论了多关节串联机械臂系统的组成，详细介绍了其结构

4、。接着分析了这种机械臂的流体运动学以及物理计算特性，运用拉格朗日计算方法,推导并提出了关于机械臂的一种刚性流体矢量动力学计算方程，运用了哥氏雅可比矩阵以及哥氏刚体矢量动力学等矩阵的计算方法等并进行了一些相应的物理推导。第二章串联多关节机械臂机构设计2. 1机械臂的机构设计2. 1. 1前言机械臂在工业各领域得到了广泛运用，然而，对它的应用碰到了工程上的一些问题。第一机械臂灵活性问题，大多机械臂都是由于太过笨重，其功能不能很好的体现;第二，机械臂的重量问题，充分考虑到这两点，既要机械臂可以灵活运动，又要尽量减少机械臂重量。所以，采用重量轻的材料，小臂用灵活且重量小的舵机驱动，中臂和大臂受力大,采用力矩大的直流电机驱动，可以有效解决上述问题。2. 1.2结构设计本文提出的机械臂传动结构设计的主要特点和思路之一就是极大地减轻了机械臂与本体的配重,减少了传动结构的复杂性。除了机械臂采用轻质的材料外，还将采用了舵机和驱动电机的小臂进行组合，利用r舵机的灵活,重量轻，以及驱动电机力矩大等的特点将二者很好地结合了起来，通过齿轮直接将电机手臂动力直接传给电机小臂。这样既町以大大提高电机手臂的运动灵活性

5、，空间的利用解决柔性的运动以及稳定性的问题，又使舵机可以通过皮带使其轻松地抓取一定长度和重量的物体。最后的齿轮旋转动力传送机构则是采用了稳定性强的皮带进行动力传送。最后的机械爪采用连杆传动结构，用气缸作为电机动力的来源。2.1.3机械爪的设计机械爪分别采用如图所示的可以锲合的结构，可以抓住小一点的物体。采用如图所示连杆机构可以把气缸的动力传到爪子上面，中间滑块连接气缸和连杆机构。因此,机械爪采用气缸、滑块、连杆、爪子相结合的抓取结构（图2.1所示）。图2.1机械爪的锲合结构2.1.4舵机臂关节的设计小臂关节通过如图所示的两个舵机串联灵活的实现多方位运动，舵机重量小，运动灵活,是机械臂前部分最好的选择，这样既避免了机械臂笨重，乂实现了灵活的功能（如图2.2所示）。图2. 2小臂关节2.1.5电机臂关节的设计中臂关节的传动是通过如图所示的直流电机带动齿轮完成小臂关节整体的转动,电机的力矩大，由于齿轮转动中臂关节所受的齿轮传动力矩比一般小臂更大，所需更大的齿轮作为动力,所以一般采用直流传动电机，电机经过齿轮减速器带动齿轮减速后再根据其所学速度调节齿轮的减速比，所以对于齿轮的传动,既采用可以根

6、据所需控制的减速比，又采用可以准确、稳定、效率高的传动减速比的方式进行控制,而直流电机座的传动是采用如图所示的可以直接将齿轮固定传动到一个圆形臂上的特殊结构和形状,使得整个结构很好的与圆形臂结合在一起（如图2.3所示）。图2. 3中臂关节的机构设计2.1.6皮带带动整个机械臂的设计由于两轴的中心距较大，当皮带超载时，能有效减轻轴对轴的冲击，吸收皮带的振动。当皮带过载时，可以防止皮带损坏其他部件。因此，当皮带超载时，它在最终臂传动中有很大的优势,而过载时皮带在最后臂带动的轴两端进行固定，可以很大的减少轴在传动时所受的摩擦和力偶,保护传动设施，因此皮带在轴的两端都可以固定（如图2.4所示）。图2. 4基座的皮带传动2. 1.7轴的设计及固定轴是关节的主要支撑部件，其设计的合理性是否直接影响手臂运动的稳定性和精确性。而轴的固定方式可以增加轴的寿命，增加稳定性和精确性,将轴的两端通过轴承固定可以使轴稳定的转动,又保护到了轴，这样轴收到的扭矩比固定单方向的方式大大减少。2. 2多关节机械臂设计参数2.2.1多关节机械臂性能参数机械臂在伸长后的高度不超过922mm,采用4个轴数，用直流伺服电机进行

7、驱动，分为主从两级计算机进行控制，能抓取6KG的重物，运动范围能达到460度/秒720度秒。2. 2. 2传动系统的设计与计算电机、减速器的选择电机RE25电压:24v减速比:84:1减速后转速：l 10r/min连续扭矩:20kg/cm堵转扭矩:200kg/cm舵机MG995电压:3-7.2V工作扭矩:13kg/cmRE35电压:48v减速比:71:1减速后转速:120r/min连续扭矩:78kg/cm堵转扭矩:850kg/cm转速：0.13 秒/60 度(80r/min)计算各轴臂的转速由相啮合的两个齿轮的传动齿数比可求得到的传动齿数比传动 I匕 i=wi/wj=ni/nj=zj/zi1关节的转速nl=80r/min2关节的转速n2=80r/minIh3=nh/n3=z3/zh=22/40=0.55故3关节的转速n3=60.5r/minIh4=nh/n4=z4/zh=22/40=0.55故4关节的转速n4=60.5r/minIh5=rh/r5=80/l 50=0.53故5关节的转速n5=63.6r/min在高压电动机结构设计中主要考虑了受到电机驱动力和载荷的不同，使用不同的高压电机

8、。同时，还考虑到降低维修成本和订购方便，采用减速机相同功率型号采用谐波助推器减速机。电机11主要功途用于电机承受各种具有最大负载惯性力和驱动力矩的起重负载，无偏移负重力矩。当各臂在同一条纵向垂直线上且与所有负载的最大臂相互运动方向保持垂直时，所有必需的负裁驱动力最大。根据力矩平衡方程：M=G 1L l/2+G2(L 1 +L2/2)+G3(L 1 +L2+L3/2)+G4(L 1+L2+L3)初算M=135NM2. 2. 3齿轮的设计它的最小旋转齿数自动设计系统可根据各臂的最小转速比和最小滑动齿轮模数所综合决定的，最小滑轮齿数设计对其进行自动选择最小齿轮臂的设计。同时也表示可通过选择模数均匀值为4的传动齿轮(如下图表2.1)o表2.1齿轮参数的设计小齿轮计算项目公式及数据计算结果模数m4Mm齿数Z22齿距Pp= n m12.57Mm齿顶高haha=m4Mm齿根高h/h/=1.25m6Mm齿高hh=ha+h/=0.25m1Mm分度圆直径dd=mz88Mm齿顶圆直径dada=m(z+2)96Mm齿根圆直径d/d/=m(z-2.5)78Mm大齿轮计算项目公式及数据计算结果模数m4Mm齿数Z40齿距Pp= n m12.57Mm齿顶高haha=m4Mm齿根高h/h/= 1.25m6Mm齿高hh=ha+h/=0.25m1Mm分度圆直径dd=mz160Mm齿顶圆直径dada=m(z+2)168Mm齿根圆直径d/d/=m(z-2.5)150Mm中心距：Q=m(z I +z2)/2=4x(22+40)/2= 124mm2. 3主要部件强度校核机械臂的各部位设计好后，要进行静力学的分析，检查是否达到其结构强度，验证构件的结构稳定性、设计安全性和合理性。理论上，必须对每个机械手的部件进行静态分析，以检查其结构强度，确保安全，但在实际的设计中，某些机械非关键部件的结构尺寸和强度值往往由大量的经验数据计算得出。下面以弯曲机械臂关节下连接板的部件为一实例，对其结构进行严格的应力分析,校核其强度。下连接板与端部之间的距离为933.5mm,重心为427.4N,下连接板在弯曲处的最大弯矩为402N/m,在矫直条件下。根据机械臂的弹性和结构静力学，可以直接确定机械臂连接材料和

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