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六轴喂养机器人设计

摘要

目前机器人领域中，一种新的、有蓬勃生命力的服务机器人已经出现并且迅速发展起来。服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。喂饭机器人作为一种重要的服务机器人已经开始进入人们的生活中，其上面的辅助机械手臂可以很好的帮助老年及残障人士解决吃饭问题。基于智能家居的辅助型机械臂的结构在很大程度上决定了整个系统工作性能。机械臂放在餐桌上，以人为服务对象，决定了这种机械臂重量轻、体积小、外观精致、工作空间大等特点。六自由度的轻型串联机械臂，配以人性化的控制界面，使这种机械手臂很好的代替人手臂完成吃饭等动作。

本文结合机器人运动学，及可操作度理论对机械臂进行研究，主要研究内容如下：首先，根据喂饭机械臂刚度要求及工作空间大的特点确定适当的自由度数和关节机构构型，选择合适的机械臂传动方案和整体结构布局。结合机构学分析规划各部分功能结构，包括手爪、腕部、小臂、大臂、底座等功能模块。综合考虑重量，体积等因素，建模整个手臂的具体结构。其次，对机器人的运动学进行分析，建立了机械臂运动学模型。对机械零件进行设计计算并进行有限元分析。结合工作空间对大臂和小臂杆长参数进行了尺寸综合得到较优的杆长参数。再次，研究机械臂的工作性能，把机器人性能指标中的可操作度作为研究对象，最终以服务人类为主要目的。利用solidworks三维软件对设计出来的喂饭机器人进行运动仿真。

关键词： 助残助老；喂饭机器人；solidworks；可操作度；运动仿真

 

目录

第1章 绪论 4

1.1课题背景及来源 4

1.2辅助喂饭机器人国内外研究现状 5

1.3本课题的研究内容 5

第2章 喂饭机器人机械结构的研究 7

2.1引言 7

2.2 设计要求 7

2.3设计准则 7

2.4 机械臂方案设计与分析 8

2.4.1 机器人自由度的分配和结构构型 8

2.4.2传动系统的布置 10

2.4.3方案描述 12

第3章 喂饭机器人机械结构的设计 13

3.1机械臂关节结构 13

3.1.1饭盒底座设计 13

3.1.2机械臂旋转底座设计——第一轴 14

3.1.3机械臂大臂关节设计——第二轴 16

3.1.4机械臂小关节传动设计——第三轴 17

3.2手腕关节设计 19

3.2.1大手腕关节设计——第四轴 19

3.2.2小手腕关节设计——第五轴 21

3.2.2末端执行机构设计——第六轴 22

第4章 喂饭机器人机械结构的计算 25

4.1机器人大臂关节参数计算 25

4.1.1电动机的选择 25

4.1.2计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 26

4.1.3计算轴的转速、转矩和输入功率 26

4.2其余部分计算31

4.2.1计算传动装置分配各级传动比 32

结论 34

 

结论

用于助残助老的喂饭机器人具有质量轻，体积小，操作空间大的特点，在为人服务特别是老助残方面有良好的应用前景，因此该机械臂的设计具有重要的研究意义和实际价值。本课题针对机械臂性能指标完成了机械臂机械系统的研制，并分析了其运动性能和可操作性能，主要研究工作和结论归纳如下：

(1) 综合考虑体积、质量、安全性等因素，设计了六自由度全旋转关节双偏置结构。该机械臂具有体积小、质量轻、运动灵活、工作空间大的优点。同时基于操作空间进行了尺寸综合，得到一组较优的杆长组合。

(2) 结合工作任务对机械臂的工作空间进行了基于任务的立体划分，并基于数据表和图形标示相结合的方法，直观的分析出机械臂工作空间内各区域的操作性能。

(3) 对每一个机械零件都进行计算，无论是人工计算还是电脑有限元分析，都可以对机械进行设计，在CAD的帮助下，设计更加便捷。

改进：

(1) 进一步设计优化机械臂结构，构建完全的机械臂嵌入式控制系统，实现机器人的无缆化作业，提高机器人的实用性。

(2) 推导机械臂的动力学，研究基于自适应控制的机器人控制算法，改善机械臂控制性能，实现机械臂自主运动作业。

(3) 机械臂传感器系统设计及信息融合技术研究，实现机械臂对外部环境和内部状况的感知，配合相应的运动策略，实现机械臂的自主化作业。