机械专业课作业Word文件下载.docx
《机械专业课作业Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械专业课作业Word文件下载.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
该方案改进了方案A的机械手不能抓取到地面的缺点，但Z轴转动只能靠小车的转动来实现，耗能多，不符合“多动小关节、少动大关节”原则，而且需要控制车轮方能实现，车轮依靠步进电机控制，从而给编程和后期调试带来不便。
图3-1（b）
C方案如图3-1（c）所示。
该方案在基座处又加了一个电机，改进了方案B的缺点，在球形果偏离预定位置时仍能通过腰关机的转动来实现作业，增强了机械手的灵活性,并能实现预定工作空间。
图3-1（c）
经过分析比较我们最终选定方案C。
3.2机械手爪方案设计
方案一如图3-2（a）所示。
该方案手爪张合灵活且结构简单，易于实现，但由于其为悬臂结构且铝合金材料强度有限，不能抓取强度很大的物体。
图3-2（a）
方案二如图3-2（b）所示。
该方案了在支撑手爪处增加一个平行四边行机构，增加了手爪的强度和稳定性，且抓取自如，方便灵活。
图3-2（b）
4硬件设计
4.1机械手臂的设计
4.1.1机械一尺寸的确定
设计用的尺寸包括：
小车的高度75mm，机械手所能达到的总高度为200-400mm，小车在采摘时机械手机座距球形果175mm，球形果直径38-40mm，重量小于0.5kg。
动作时小车到球的水平位置分别为350mm。
根据实际的要求尺寸进行设计，首先我们需要确定手臂一的高度，手臂一的高度将会很大程度上影响手臂的长度，根据计算，手臂末端要达到的竖直高度为200mm，如果机座太高则整个机械手稳定性将降低，而机座太低则手臂长度便会相应增长，影响其强度，因此选机座高度为40mm；
样基座将不会非常的稳定，为此，我们采用在三角铝合金的下面加木质垫片来稳定其位置，并用木质的支撑来支持基座，这样也可以很好的吸收舵机工作时产生的震动。
图4-1机械手抓球时的位姿
4.1.2机械臂二、三尺寸的确定
根据要求，基座到球形果的距离即机械手最大高度为400mm，而小车在采摘是的停车位置距球形果175mm。
为保证机械手能采摘到球形果，我们选定与末端执行器相连的手臂长为175mm；
而为保证机械手能达到最大高度，我们选定与机座相连的手臂长为200mm。
横向距离：
175+200=375>
350mm；
垂直距离：
200+175+40=410>
400mm，即所设计的尺寸符合任务要求。
4.2机械手爪设计
手爪的外形如图所示，球形果的直径为30mm-80mm。
为保证在采摘过程中不致损伤球形果表面，在手爪上需要加装海绵，让手爪能够有效的抓紧球形果。
海绵的长度设计为80mm，同时设定手爪内部的海绵厚度为5mm，这样两边的厚度加和为10m。
并且保证小球在被夹紧时手爪是平行的（这样可以更有效的夹紧）
5软件设计
5.1位移分析
分析确定连杆参数
图5-1机械手初始位姿
连杆参数i
ai-1（mm）
αi-1（°
）
di（mm）
关节变量
初值（°
1
40
θ1
2
90
θ2
5.7
3
201
θ3
84.3
4
-90
175
—
5.1.1运动学正解
由几何关系算得连杆转角，带入验证xyz的坐标关系。
a1a2a3表示连杆1、2、3的转角。
最后解得
，矩阵最后一列表示小球在原点坐标系中的位置。
a1=0*pi/180;
a2=150*pi/180;
a3=-60*pi/180;
a4=0*pi/180;
d1=40;
d2=0;
d3=0;
d4=176;
%连杆间齐次变换矩阵
t10=[cos（a1）-sin（a1）00;
sin（a1）*cos（0）cos（a1）*cos（0）-sin（0）-d1*sin（0）;
sin（a1）*sin（0）cos（a1）*sin（0）cos（0）d1*cos（0）;
0001];
t21=[cos（a2）-sin（a2）00;
sin（a2）*cos（pi/2）cos（a2）*cos（pi/2）-sin（pi/2）-d2*sin（pi/2）;
sin（a2）*sin（pi/2）cos（a2）*sin（pi/2）cos（pi/2）d2*cos（pi/2）;
t32=[cos（a3）-sin（a3）0201;
sin（a3）*cos（0）cos（a3）*cos（0）-sin（0）-d3*sin（0）;
sin（a3）*sin（0）cos（a3）*sin（0）cos（0）d3*cos（0）;
t43=[cos（a4）-sin（a4）00;
sin（a4）*cos（-pi/2）cos（a4）*cos（-pi/2）-sin（-pi/2）-d4*sin（-pi/2）;
sin（a4）*sin（-pi/2）cos（a4）*sin（-pi/2）cos（-pi/2）d4*cos（-pi/2）;
t=t10*t21*t32*t43
t=
-0.0000-0.0000-1.0000-350.0711
0.00001.0000-0.0000-0.0000
1.0000-0.0000-0.0000140.5000
0001.0000
5.1.1运动学反解
代入坐标x=-350，y=0，z=140。
根据等式左右两端对应相等。
解出关节旋转角度。
选择最优解。
symsa1a2a3
x=-350;
y=0;
z=140;
t=t10*t21*t32*t43;
f1=x-t（1,4）;
f2=y-t（2,4）;
f3=z-t（3,4）;
[a1,a2,a3]=solve（f1,f2,f3,a1,a2,a3）;
%转化为角度值
a11=vpa（a1*180/pi,6）
a22=vpa（a2*180/pi,6）
a33=vpa（a3*180/pi,6）
a11=
-.761823e-15
-180.000
-.761818e-15
a22=
149.960
30.0398
1.85098
178.149
a33=
-59.7578
-120.242
5.2速度分析
先求出雅克比矩阵，我们可以得到末端执行器速度与各关节的速度关系。
在末端执行器速度已知的情况下求的各关节的速度。
t40=t10*t21*t32*t43;
t20=t10*t21;
t30=t20*t32;
t41=t21*t32*t43;
t42=t32*t43;
z1=[t10（1,3）;
t10（2,3）;
t10（3,3）];
z2=[t20（1,3）;
t20（2,3）;
t20（3,3）];
z3=[t30（1,3）;
t30（2,3）;
t30（3,3）];
z4=[t40（1,3）;
t40（2,3）;
t40（3,3）];
p1=[t41（1,4）;
t41（2,4）;
t41（3,4）];
p2=[t42（1,4）;
t42（2,4）;
t42（3,4）];
p3=[t43（1,4）;
t43（2,4）;
t43（3,4）];
r1=[t10（1,1）t10（1,2）t10（1,3）;
t10（2,1）t10（2,2）t10（2,3）;
t10（3,1）t10（3,2）t10（3,3）];
r2=[t20（1,1）t20（1,2）t20（1,3）;
t20（2,1）t20（2,2）t20（2,3）;
t20（3,1）t20（3,2）t20（3,3）];
r3=[t30（1,1）t30（1,2）t30（1,3）;
t30（2,1）t30（2,2）t30（2,3）;
t30（3,1）t30（3,2）t30（3,3）];
p11=cross（z1,r1*p1）;
p22=cross（z2,r2*p2）;
p33=cross（z3,r3*p3）;
j=[p11（1,1）p22（1,1）p33（1,1）;
p11（2,1）p22（2,1）p33（2,1）;
p11（3,1）p22（3,1）p33（3,1）;
z1（1,1）z2（1,1）z3（1,1）;
z1（2,1）z2（2,1）z3（2,1）;
z1（3,1）z2（3,1）z3（3,1）;
]
symsq1q2q3q4q5q6v1v2v3w1w2w3
v=[v1;
v2;
v3;
w1;
w2;
w3]
q=[q1;
q2;
q3]
ji=j*q
%等式左右两端矩阵中元素对应相等，列出三个方程
f1=v（1,1）-ji（1,1）
f2=v（2,1）-ji（2,1）
f3=v（3,1）-ji（3,1）
[q1,q2,q3]=solve（f1,f2,f3,q1,q2,q3）
q1=vpa（q1,6）
q2=vpa（q2,6）
q3=vpa（q3,6）
j=
0.0000-100.50000.0000
-350.0711-0.0000-0.0000
0-350.0711-176.0000
000
0-1.0000-1.0000
1.00000.00000.0000
q1=
-.345199e-34*v1-.285656e-2*v2+.174914e-18*v3
q2=
-.131403e-18*v2-.198743e-17*v3-.995025e-2*v1
q3=
-.568182e-2*v3+.261366e-18*v2+.197914e-1*v1
5.3轨迹规划
程序中速度，加速度函数先通过diff函数求得，再代入得到各曲线。
关节1（假设旋转角度30度）
关节2
关节三
5.4详细程序
每个关节分别求出，改变a0,af值即可，其余部分不变。
symsa2a3tft;
tf=5
af=-60*pi/180;
a0=84.3*pi/180;
a1=0;
f（tf）=a0+a1*tf+a2*tf^2+a3*tf^3-af;
v（tf）=a1+2*a2*tf+3*a3*tf^2;
[a2,a3]=solve（f（tf）,v（tf）,a2,a3）
t=0:
0.01:
tf;
f3=a0+a1*t+a2*t.^2+a3*t.^3
subplot（2,2,1）
plot（t,f3）
grid
xlabel（'
t/s'
）;
ylabel（'
θ'
title（'
位移时间曲线'
v=（481*pi*t.^2）/12500-（481*pi*t）/2500
subplot（2,2,2）;
plot（t,v）;
grid;
v'
速度时间曲线'
a=（481*pi*t）/6250-（481*pi）/2500
subplot（2,2,3）;
plot（t,a）;
a'
加速度时间曲线'
3.结构设计方案题：
试从机械结构、回转精度、关节位置全闭环控制等角度论述机器人关节结构方案设计与构成问题，可辅以结构图并结合文字叙述加以说明。
1.4.1臂力的确定
目前使用的机械手臂的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。
本液压机械手的臂力为N臂=1650（N），安全系数K一般可在1.5~3，本机械手臂取安全系数K=2，定位精度为±
1mm。
1.4.2工作范围的确定
机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。
一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。
本机械手的动作范围确定如下：
手腕回转角度±
115°
手臂伸长量150mm手臂回转角度±
手臂升降行程170mm手臂水平运动行程100mm
1.4.3确定运动速度
机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。
工业机器人抓取手臂要完成整个工作过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。
机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求：
①给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间；
②伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。
在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。
机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。
③在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。
为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。
本机械手的各运动速度如下：
手腕回转速度V腕回=40°
/s
手臂伸缩速度V臂伸=50mm/s
手臂回转速度V臂回=40°
手臂升降速度V臂升=50mm/s
立柱水平运动速度V柱移=50mm/s
手指夹紧油缸的运动速度V夹=50mm/s
手部结构
2.1概述
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。
手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。
钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。
其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。
2.2设计时应考虑的几个问题
①应具有足够的握力（即夹紧力）
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
②手指间应有一定的开闭角
两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。
手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。
若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。
③应保证工件的准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。
例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。
④应具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。
⑤应考虑被抓取对象的要求
应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。
2.3驱动力的计算
如图1所示为滑槽式手部结构。
在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。
根据销轴的力平衡条件，即
∑Fx=0,P1=P2;
∑Fy=0P=2P1cosαP1=P/2cosα
销轴对手指的作用力为p1′。
手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。
由手指的力矩平衡条件，即∑m01（F）=0得
P1′h=Nb因h=a/cosα所以
P=2b（cosα）2N/a
式中
a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。
由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°
~40°
。
这里取角α=30度。
这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。
查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。
为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：
P实际=PK1K2/η
η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95；
K1——安全系数，一般取1.2~2
K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，
其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。
本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒2，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120°
α=30°
时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：
根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式
N=0.5G
把已知条件代入得当量夹紧力为
N=49（N）
由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式
P=2b（cosα）2
N/a得
P=P计算=2*45/27（cos30°
）2
*49=122.5（N）P实际=P计算K1K2/
升级会员 