化生产技术的提高,机器人设计生产能力进一步得到加强,尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合,从而改变目前机械制造的人工操作状态,提高了生产效率。
就目前来看,总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势: a提高运动速度和运动精度,减少重量和占用空间,加速机器人功能部件的标准化和模块化,将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人; b开发各种新型结构用于不同类型的场合,如开发微动机构用以保证精度;开发多关节多自由度的手臂和手指;开发各类行走机器人,以适应不同的场合; c研制各类传感器及检测元器件,如,触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等,用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。
并采用专家系统进行问题求解、动作规划,同时,越来越多的系统采用微机进行控制。
第 2 章 实验平台介绍及机械手的设计 该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人,利用现有已经报废的焊接机器人,本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。
2.1 自由度及关节 图1 该机器人具有四个自由度 ,即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节,都 为转动关节;还有一个用于夹持物料的机械手。
2.2 基座及连杆2.2.1 基座 基座是整个机器人本体的支撑。
为保证机器人运行的稳定性,采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。
基座上面是接线盒子,所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。
接线盒子外面,有一个引入线出口和一个引出线出口。
2.2.2 大臂 大臂长度 230mm,具体尺寸如图 2.1 所示: 图 2.1 大臂外形2.2.3 小臂 小臂长度 240mm,具体尺寸如图 2.2 所示: 图 2.2 小臂外形2.3 机械手的设计 工业机器人的手又称为末端执行器,它使机器人直接用于抓取和握紧(吸附)专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件。
它具有模仿人手动作的功能,并安装于机器人手臂的前端。
由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同,因此工业机器人末端操作器是多种多样的,大致可分为以下几类:(1) 夹钳式取料手(2) 吸附式取料手(3) 专用操作器及转换器(4) 仿生多指灵巧手 本文设计对象为物料搬运机器人,并不需要复杂的多指人工指,只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。
手指是直接与工件接触的部件。
手指松开和夹紧工件,是通过手指的张开与闭合来实现的。
该设计采用两个手指,其外形如图 2.3 所示 图 2.3 机械手手指形状 传动机构是向手指传递运动和动力,以实现夹紧和松开动作的机构。
根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。
本文采用回转型传动机构。
图 2.4 为初步设计的机械手机构简图(只画出了一半,另外一半关于中心线对称)。
图 2.4 机械手机构简图 在图 2.4 中,O 为电机输出轴,曲柄 OA、连杆 AB、滑块 B 和支架构成曲柄滑块机构;滑块 B、连杆 BC、摇杆 CE 和支架构成滑块摇杆机构。
通过两个机构串联,使电机最终驱动 DE 的来回摆动,从而实现手指的开合运动。
图 2.4 中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。
为便于手指的顺利合拢,可以在两个手指之间设置一个弹簧,这样还可以提供适当的夹紧力。
另外,在选用电机的时候,要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开,并且提供足够加紧物体的力。
图 2.5 为采用虚拟样机软件 ADAMS 来分析所设计的机械手机构的工作状况。
图 2.5 虚拟样机场景 下面更进一步计算出所需要的电机力矩。
图 2.6 力矩变化情况 从图 2.6 中看到,起始阶段须克服的弹簧力最大,电机转矩必须大于550Nmm,这为电机的挑选提供了一定的依据。
2.4 驱动方式 该机器人一共具有四个独立的转动关节,连同末端机械手的运动,一共需要五个动力源。
机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。
这三种方法各有所长,各种驱动方式的特点见表 2.1: 表 2.1 三种驱动方式的特点对照 内容 驱动方式 液压驱动 气动驱动 电机驱动 很大,压力范围为 大,压力范围为 48~ 较大 输出功率 50~140Pa 60Pa,最大可达 Pa 利用液体的不可压缩 气体压缩性大,精度 控制精度高,功率较大, 性,控制精度较高, 低,阻尼效果差,低速 能精确定位,反应灵敏, 控制性能 输出功率大,可无级 不易控制,难以实现高 可实现高速、高精度的连 调速,反应灵敏,可 速、高精度的连续轨迹 续轨迹控制,伺服特性 实现连续轨迹控制 控制 好,控制系统复杂 响应速度 很高 较高 很高结构性能及体 结构适当,执行机构 结构适当,执行机构可 伺服电动机易于标准化, 积 可标准化、模拟化, 标准化、模拟化,易实 结构性能好,噪声低,电 易实现直接驱动。
功 现直接驱动。
功率/质 动机一般需配置减速装 率/质量比大,体积 量比大,体积小,结构 置,除 .
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