关节式机器人的设计与性能分析开题报告

全文总字数：4717字

1. 研究目的与意义（文献综述）

目前，随着工业制造领域自动化程度的不断提高，机器人的应用场景也伴随着相关产业的发展愈加广泛。机器人在工业生产制造中能够显著地提高劳动生产率，提升产品质量，改善劳动条件，加快产品的更新换代，实现生产机械化和制造自动化的步伐，其中关节臂式机器人在制造业中广泛应用于自动装配、自动喷漆、智能搬运、智能焊接等作业[1]。按照机械构造的不同机械臂有不同的分类方式，而其建模与性能分析则是其设计检测等过程中的重要环节，其刚度、强度、位置精度等性能则为设计过程的主要方面[2]。对于机械部分，通过运动学模型和涉及控制方面的内容进行设计与分析，对机器人的具体结构进行建模和仿真，并对其工作可行性进行验证，这对于实际的工业生产具有一定的现实方面的意义。

从上个世纪中期第一台机器人在美国诞生开始，机器人产业的发展经历了发展萌芽期、产业孕育期、快速发展期、智能应用期几个阶段[3]。当前，全球机器人基础与前沿技术正在迅猛发展，大量学科在相互交融促进中快速发展，轻型化、柔性化、智能化趋势明显增进，但实践应用场景待续拓展。国外近些年关节臂式机器人的性能日益提高，不断向高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修方面发展，机械结构向模块化、可重构化发展[4]。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统实现三位一体化，即由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机、模块化装配机械手[5]。工业机械手控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化。器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构，提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。在工业应用中,用得最多的是三轴、四轴、五轴双臂和六轴的工业机器人,轴数的选择通常取决于具体的应用[6]。目前三自由度机器人主要应用在汽车制造业中，常用于焊接、喷漆等工作。而传送带之间拾取放置零件，则四自由度机器人已满足使用要求。如果机器人需要在一个狭小的空间内工作,而且机械臂需要扭曲反转,六轴或者七轴的机器人是最好的选择。目前在工业领域中以六轴机器人应用最为广泛[7]。带有六个关节的工业机器人与人类的手臂极为相似,它具有相当于肩膀、肘部和腕部的部位,它的“肩膀”通常安装在一个固定的基座结构上。而导轨在机器人当中的应用提高了机器人的位置精度，使机器人能够更准确进行定位运动[8]。近些年来，欧美国家在机器人领域的研究逐渐深入，加州大学洛杉矶分校机器人实验室针对机械手的自动校准功能和直观控制进行探究。波士顿大学开发了潜在式全自动机器人助手。韩国先进科学技术研究院机械工程系的young goo kim从改善机器人强度和阻尼出发对某六轴机器人进行改进设计，他们采用碳纤维复合材料制造了机械臂的第三节臂，从而实现了机器人轻量化的同时有效提高了动态性能和可操控性。我国对机械臂的研究起步相对于发达国家较晚，直到20世纪70年代才开始对机械臂进行探索，机械臂在工业生产中的地位逐渐加重。近年来，国内机械臂行业在政府的大力扶持下快速发展，取得了许多突破性的成果[9][10]。国内多所大学及研究所也在机器人领域进行研究。机器人学国家重点实验室针对机器人机构动态优化设计，超冗余刚-柔-软构型设计与刚度调控机制进行研究。浙江大学机器人研究院开发的冲压智造生产线与螺栓紧固机器人已经进入生产应用。哈尔滨工业大学重点研发的项目有大型复杂结构机器人智能激光焊接技术及系统，工业机器人伺服电机与驱动产品性能优化。而北京理工大学则注重于机器人仿生领域生物方面的应用。姜振廷[11]等人利用有限元软件ansys workbench，对六自由度机械臂静力学特性和振动特性进行了大量的研究，得出虽然机械臂的整体结构满足工作要求，静力学分析也较为合理，但机械臂的固有频率较低，作业中容易产生振动的结论，接着对机械臂的结构进行轻量化优化，通过模态分析，验证了优化结果的合理性。高伟亚[12]等人利用三维建模软件和有限元分析软件对机械臂参数化建模，然后建立优化模型，根据优化结果选取合适的优化参数，改进后的结构在机器质量、最大应力、固有频率等方面都得到了明显改善。孙建宁[13]针对线缆搬运的特殊工况设计了一种六自由度专用搬运机械臂，根据工作要求和工作空间，详细设计了机械臂的主要关节结构和运动形式，对电机进行选型计算[14]，同时校核了重要结构的强度，提高了工作效率，减少了工人的工作强度。工业机器人结构是个庞大而又复杂的机械系统，其机械系统主要包括机械结构、机械传动以及驱动装置。而设计将在结合实际需求和现场工况的基础上，针对其使用要求，分析完成机器人执行任务所需要的最佳自由度数，确定机械臂和移动导轨平台合理的构型[15]，重点对其进行总体方案布局、机械结构构型参数设计、机械传动方案的确定以及驱动减速装置的选型计算，获得机器人参数化建模的初始结构及参数。机器人机械结构的设计是在项目调研之后经过构思与计算工作，为后面的结构分析、动态仿真以及未来的结构改进奠定基础，也为最终实现高精度的移动导轨式关节臂机器人提供结构精度的保障。

本次毕业设计，我研究的课题是：“关节臂式机器人的设计与性能分析”，设计流程包括对关节臂式机器人通过建模进行有限元分析，通过建立动力学模型和运动学模型进行刚度、强度等性能分析，然后对机器人进行编程控制与整体设计，从而达到良好的刚度、强度、位置精度等，最后在获取运动仿真相关数据后再对整个机器人进行优化设计。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：

1. 关节臂式机器人总体方案的设计。

2. 关节臂式机器人的模型分析。

3. 研究计划与安排

第1-2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，确定方案，完成开题报告；完成英文文献翻译。

第3-4周：完成总体方案设计。

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献

[1] 迟振国.浅谈机械制造智能化技术的发展及其应用[j].内燃机与配件，2018(12):24.

[2] 张洪，曾裕民，王通德.全向移动操作臂动力学建模与实验分析[j].机械传动，2019(6):64-69.