（毕业设计全套）PUMA型多关节机器人设计（打包下载）

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要解决按工作要求给定了末端执行器的个位置和姿态，求解组关节参数，以便满足末端执行器到达这给定的位置和姿态。正向运动学问题在对机器人进行运动学分析和检验运动效果时会经常遇到而反向运动学问题在机器人的设计及对机器人进行运动控制时经常会遇到。对串联式机器人而言，通常是正运动学问题容易求解，而反向运动学不易求解。并联机器人正好相反，正向运动学问题不易求解，反向运动学问题容易求解。机器人的工作空间机器人操作器运动分析的另个研究的重要问题是确定机器人的工作空间问题。工作空间是指机器人在整个运动过程中其臂部末端通常不含末端执行器或工具末端所能达到的全部点所构成的空间。工作空间的形状和大小说明了该机器人的工作范围及所能到达的区域。工作空间又可分为可到达的工作空间与灵活的工作空间，简称可达空间及灵活工作空间。可达工作空间指机器人末端执行器至少可以在个方位上能到达的空间范围。而灵活工作空间指机器人末端执行器能实现所有方位能到达的空间范围。也就是说，在灵活工作空间的每点，末端执行器都可以取得任意可能的姿态。可见灵活空间定是可达空间，而可达空间不定是灵活空间，即灵活的工作空间是可达工作空间的个子集。必须强调的是，机器人工作空间是指操作器的臂部末端所能到达的全部点的集合所构成的空间。臂部末端不是指末端执行器即不包含腕部及手指部。这样定义的目的是为了使描述的工作空间是机器人本身的特性，而不希望把腕部和手部的不确定因素考虑进去。因为末端执行器或工具等是随机器人使用场合的改变而将随时进行调整的，它们可以更换，且各自具有不同的形状和不同的尺寸，如考虑末端执行器的工作空间，这时将因末端执行器的改变而使机器人的实际工作空间的形状和尺寸都会发生改变，有明显的影响，这样将不利于分析机器人本身的固有特性。机器人解的存在性值得注意的是对于单开链所组成的串联式机器人操作器，当各关节坐标和其各阶导数已知时，通过正向运动学分析，可得到机器人操作器末端执行器的位置速度及加速度的组唯确定解。但对于反向运动学情况就不同，由于这时方向运动学运动方程通常是组含有几个三角函数的非线性方程，对非线性方程求解十分困难有时还有解的存在性及多解等问题有的解还无法以封闭形式给出。对于解的存在性问题研究可得出机器人操作器工作空间的大小，无解将得出此机器人操作器不能达到要求的位置和姿态。对于自由度少于的机器人操作器，其工作空间必将减少，不可能在三维空间内到达全部的目标位置和姿态。当然，具体工作空间范围需要进行具体分析才能得出。机器人多重解机器人多重解是串联机器人在反向运动学问题求解时，对应于工作所要求的末端执行器的个给定位置和姿态。有可能存在多个解，即可能有多组关节参数与其对应。其中每组关节参数都能满足末端执行器的给定位置和姿态。对于具有自由度的机器人而言，这种多重解的情况就更多。对于具有多重解问题出现时，通常的解决方法是求出所有可能的解，再根据具体情况，选择其中个最合理的解作为最后所要求的解。由上诉分析可知与单自由度闭式链机构不同，由单开链所组成的串联式机器人操作器，其运动学研究所涉及的内容要广泛得多。为了说明这些问题，下面从简单的关节型机器人操作器为例进行讨论分析，以此来说明有关问题。以期由此能对较复杂的串联式机器人有关问题有进步的了解。.平面三构件关节型机器人操作器平面三构件关节型机器人操作器机构运动简图如图.所示。与平面二构件关节型机器人操作器相比，这里增加了个构件,构成了常用的通用平面关节型机器人操作器。图.平面三构件关节型机器人机构运动简图正向运动学已知构件长度和它们的位置关节坐标转角及其各阶导数构件角速度，构件角加速度，求解机器人操作器臂的端点点的位置坐标，速度，加速度和末端执行器的姿态角。采用与平面二构件关节型机器人操作器正向运动学类似的方法可得点的位置和姿态为臂末端点速度及上式为该操作器的雅可比矩阵臂末端点加速度可由式两边对时间求导求得。反向运动学已知工作要求臂末端点的位置坐标和末端执行器的姿态角及点的速度加速度。求解操作器各关节坐标转角参数。反向运动学求解方法可通过式联立求得，但此法较复杂。较简单的方法可利用平面二构件机器人操作器的求解结果，在此基础上再来求解。这种方法更简单方便，其求解方法如下。求出点的位置坐标求与。求关节角值得注意的是，在反向运动学求解时，对应于臂端同个目标点可解得两组关节角。与二构件操作器不同的是这里的两组关节角所对应的末端执行器的姿态相同，而二构件操作器两组关节角所对应的末端执行器的姿态是不同的。如图所示，为了使机械手的手部能到达所要求的位置和姿态，有两组关节角和同时都能满足要求，且其手部姿态角均为角。这就是多重解。在设计及控制时应合理选择其中的个解作为实际使用的解。选取的原则应按实际情况确定。通常的情况有下述两种当没有障碍物及其他特殊要求时，般选择每个关节运动量变化比较小的组解，作为实际所取解。如图.中设由手部初始位置位置运动到手部位置。若无障碍时应选这组关节角解。但若有障碍物时，为避免碰撞应选取这组关节角解。综上所述，当机器人操作器出现多重解时，首先必须求出所有的可能解，再根据具体情况具体约束条件，进行优化选择，找出最合适的个解作为实际作用解。反向运动学的速度求解，可由式两边同时左乘雅可比矩阵的逆阵求得。上式再对时间求导次即可求得方向运动学的加速度。第五章结论.本论文所取得的结果完成了机器人了本体结构方案设计，在此过程中，查阅了相关机器人参考文献，参照了型机器人的本体结构。确定了机器人腰部大臂小臂的结构尺寸大小。根据机器人的设计要求完成了机器人腰关节肩关节肘关节的传动系统设计。腰关节采组用了二级直齿轮传动系统，由组小齿轮和大齿轮之间的传动来确定主轴的转速。肩关节及肘关节采用了三级直锥齿轮传动系统，由锥齿轮改变传动的方向，由直齿轮的传动确定输出转速。利用软件对机器人的整体结构进行了绘制。选用合适的标准零件，同时设计了恰当的非标准零件对机器人的本体结构进行装配。通过查阅参考文献选择了直齿轮和锥齿轮的材料热处理精度等级，选取了齿轮齿数，然后按齿面接触进行了疲劳强度设计，随后进行了校核齿根弯曲疲劳强度。通过平面三关节型机器人操作器进行正向运动学和方向运动学的分析。包括机器人各杆件的位置速度加速度等运动参数的分析计算，运动学的正解问题和运动学的反解问题机器人的操作器的工作空间可达空间及灵活空间问题，操作器的奇异位置问题等。以上这些问题都是般机器人的共性问题，这些问题的研究对深入研究机器人操作器的设计编程和动力学计算误差精度分析等都具有重要意义。.技术展望机器人在工业发达国家得到了迅速发展。现在国外的机器人各个方面的技术在机械结构上发展现状为以关节型为主流，年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的。年代初开发的适应于窄小空间快节奏全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上下料。应和汽车建筑桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。目前，我国机器人发展迅猛，我国从事机器人的研发单位就有多家，专业从事机器人产业开发的则达家以上。批企业逐步发展壮大。我国的机器人产业虽然取得了长足的发展，但是与世界发达国家相比，还有定的差距，如可靠性低于国外产品。工业机器人的拥有量远远不能满足需求量，长期大量依靠从国外引进。所以我国的机器人产业还不是发达的，很多地方都要有很大的改进，基于此，我认为以后可以从以下几个方面进行改进如果从产业发展的角度来说，瓶颈可能是材料电机等关键部件，但模式化标准化才是关键的从研究上讲就是机器人如何提高智能传感器等，在技术方面则是如何与国际接轨。因此，我国机器人产业的壮大必将是个长期的过程，我们应该不断汲取国外发达国家的经验和技术，并不断创新，努力开拓个属于中国人的机器人时代。参考文献吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版.北京高等教育出版社,.廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量第四版.北京中国计量出版社,.冯辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计.北京机械工业出版社,.龚振帮.机器人机械设计.北京电子工业出版社,.张铁,谢存禧.机器人学.广州华南理工大学出版社,.哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学.北京高等教育出版社,.余达太,马香峰.工业机器人应用工程.北京冶金工业出版社,.机械设计手册编委会.机械设计手册.第四版.北京机械工业出版社,.唐立山.计算机辅助设计.北京国防工业出版社,.蔡自兴.机器人学基础.北京机械工业出版社,.熊有伦.机器人技术基础.武汉华中理工大学出版社,.孟庆鑫,王晓东.机器人技术基础.哈尔滨哈尔滨工业大学出版社,.孔志礼等.机械设计.第版.东北大学出版社成大先.机械设计图册.第五卷.第版.北京化学工业出版社毛昕等.画法几何及机械制图.北京.第版.高等教育出版社孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.第版.北京高等教育出版社致谢本论文是在导师王化明副教授的悉心指导下完成的。从选择设计课题和机器人的设计到论文完成，导师渊博的学识先进的学术思想对待研究的严谨态度和无私的奉献精神都是学生的楷模，使我受益匪浅，在论文完成这际，谨向尊敬的导师致以崇高的敬意和由衷的感谢。由于受时间和水平的限制，现代机器人的结构设计还存在着不够完善的方面甚至有些错误，恳请老师和专家指教，能使本设计更完善并能付诸于实际，制造出所设计的机器人操作器，将是很欣慰的事情。