平面六杆机构的运动仿真.zip

毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告 题目题目 平面六杆机构的运动分析平面六杆机构的运动分析 专专 业业 名名 称称 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 班班 级级 学学 号号 078105107078105107 学学 生生 姓姓 名名 季壮壮季壮壮 指指 导导 教教 师师 许瑛许瑛 填填 表表 日日 期期 2011 年年 3 月月 10 日日 一、选题的依据及意义一、选题的依据及意义： 平面连杆机构是许多构建用低副（转动副和移动副）连接组成的平面机构。 低副是面接触，耐磨损；加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面， 制造简便，易于获得较高的制造精度。因此，平面连杆机构在各种机械和仪器 中获得广泛应用。连杆机构的缺点是：低副中存在间隙，数目较多的低副会引 起运动累积误差；而且它的设计比较复杂，不易精确地实现复杂地运动规律。 机构的从动系统一般还可以进一步分解成若干个不可再分的自由度为零的 构件组合，这种组合称为基本杆组，简称为杆组。 平面连杆机构分析包连杆的运动分析和动力性能分析。平面连杆机构运动 分析是不考虑引起机构运动的外力的影响，而仅从几何角度出发，根据已知的 原动件的运动规律（通常假设为作匀速运动） ，确定机构其它构件上各点的位移 （轨迹） 、速度和加速度，或构件的角位移，角速度和角加速度等运动参数。许 多机械的运动学特性和运动参数直接关系到机械工艺动作的质量，运动参数又 是机械动力学分析的依据，所以机构的运动分析是机械设计过程中必不可少的 重要环节。而平面连杆机构动力性能分析的目的是：第一，确定机构运动副中 的约束反力。因为这些力的大小和性质决定各零件的强度以及机构运动副的摩 擦磨损和机械效率。第二，确定机械上应加的平衡力，以保证原动件按给定运 动规律运动。这对确定机器工作时所需要的最驱动功率或所能承受的最大生产 载荷都是必不可少的。而且无论是分析研究现有机械的工作性能，还是优化综 合新机械，平面连杆机构动力性能分析都是十分重要的。 二、国内外研究概况及发展趋势：二、国内外研究概况及发展趋势： 在各种机构型式中，连杆机构的特点表现为具有多种多样的结构和多种多 样的特性。仅就平面连杆机构而言，即使其连杆件数被限制在很少的情况下， 大量的各种可能的结构型式在今天仍难以估计。它们的特性在每一方面是多种 多样的，以致只能将其视为最一般形式的机械系统。 在古代和中世纪许多实际 应用方面的发明中就有连杆机构，例如我国东汉时期张衡发明的地震仪、列奥 纳多达芬奇所描述的椭圆车削装置等，在这些发明中，都巧妙地应用了平面 连杆机构。在近代，随着工业越来越高度自动化，在大量的自动化生产线上， 许许多多的连杆机构得到了应用。特别是机器人学成为目前一个前沿学科，连 杆机构又有了新的应用，例如日本等国家开发的类人型机器人等。在仿生学上， 连杆机构巧妙地实现了人类关节的功能，例如国外研制的六杆假肢膝关节机构。 当今，工业生产自动化程度越来越高，连杆机构以及它与其它类型的机构组成 的组合机构将得到更加广泛的应用，特别是形状丰富多样的连杆曲线将应用在 更多的场合。 连杆机构分析包括结构分析和运动分析两部分。前者研究机构的组成并判 定其运动可能性和确定性；后者考察机构在运动中位移、速度和加速度的变化 规律，从而确定其运动特性。掌握机构分析的方法对于如何合理使用机器、验 证机械设计是否完善等是必不可少的，所以机构分析也是机构综合的基础。但 是综合有时不存在唯一解，因而机构分析和综合往往是不可逆的。 平面连杆机构运动分析的方法有图解法和解析法。图解法概念清晰、形象 直观，但作图烦琐、精度较低。解析法的特点是直接用机构已知参数和应求的 未知量建立的数学模型进行求解，从而获得精确的计算结果。随着计算机的发 展，解析法的应用更加广泛。 按照解析法所用的数学工具的不同分为： 一，复数矢量法:针对不同机构建立适合该种机构的具体数模。此种方法编 程简单，但通用性差。二，矩阵法:把机构视为一个质点系，对各运动副以杆长 为约束建立非线性方程组，进行位置求解，而后再求解速度和加速度。该法通 用性强，但程序大。三，矢量方程法:根据机构组成原理，机构由 I 级机构与基 本杆组组成，当给定 I 级机构运动规律后，机构中各基本组的运动是确定的、 可解的。因此机构的运动分析可以从 I 级机构开始，通过逐次求解各基本杆组 来完成。这样把 I 级机构和各杆组看成各自独立的单元、分别建立运动分析的 数模，然后再编成通用子程序。对其各运动参数进行求解。当对具体机构进行 运动分析时，可以通过调用原动件和机构中所需的基本杆组的通用子程序来解 决。这样，可快速求解出各杆件及其各点的运动参数，这种方法称杆组法。 解析法将机构问题抽象为数学问题，将机构运动参数和结构参数之间的关 系用数学解析式来描述，便于推理和对机构在整个运动循环过程中任意位置的 运动和动力性能进行深入分析，分析精度也较高。随着计算机技术和数值方法 的发展，不仅解析法运算冗繁的困难得以解决，而且采用电算解析法体现出运 算速度快，计算精度高的显著优势，因此解析法目前正在得以广泛运用。 三、研究内容及实验方案：三、研究内容及实验方案： 用解析法进行平面四杆及六杆机构的运动和动力性能分析，分析平面六杆 机构的受力并用软件编程实现平面六杆机构的运动和动力仿真。 11具体内容如下：具体内容如下： 1：平面连杆机构连杆点的轨迹坐标 2：六杆机构的运动分析 3：六杆机构的动力性能分析 4：运动学仿真软件编制 22实验方案：实验方案： 平面连杆机构运动分析的方法主要有图解法和解析法。这里采用解析法进行 分析。 四、目标、主要特色及工作进度四、目标、主要特色及工作进度 平面连杆机构运动分析是从几何角度出发，根据已知的原动件的运动规律 确定机构其它构件上各点的位移（轨迹） 、速度和加速度，或构件的角位移，角 速度和角加速度等运动参数，以及确定各构件相连接的运动副产生的构件之间 相互作用的约束反力。工作进度如下： 1、拟写开题报告、外文翻译 3.11 2、平面连杆机构连杆点的轨迹坐标 4.02 3、四杆机构的动力性能分析 4.26 4、六杆机构的动力性能分析 5.10 5、运动学仿真软件编制 5.25 6、毕业论文整理及答辩准备 6.03 五、参考文献五、参考文献 1、孙桓，陈作模主编.机械原理.第七版.北京：高等教育出版社，2006.12； 2、杨兰生等主编，机械原理电算程序设计，中国展望出版社，1986 年 3、陆凤仪等主编，机械原理课程设计，机械工业出版社，1993 年 4、王保民等主编，机械原理课程设计手册，重庆大学出版社，1998 年 5、濮良贵等主编，机械设计，高等教育出版社，2001 年 6、孙恒等主编，机械原理，高等教育出版社，2001 年 7、 哈尔滨工业大学理论力学教研室主编.理论力学.北京：高等教育出版社， 2002； 8、Shigley J E,Uicher J J.Theory of machines and mechanisms. New York: McGraw- Hill Book Company,1980 南昌航空大学科技学院毕业设计外文翻译 1 机械手的机械和控制系统 1.1. 引言引言 2001 年 6 月在德国卡尔斯鲁厄开展的“人形机器人”特别研究，是为了开发在正常 环境（如厨房或客厅）下能够和人类合作和互动的机器人系统。设计这些机器人系统是 为了能够在非专业、非工业的条件下（如身处多物之中），帮我们抓取不同尺寸、形状 和重量的物体。同时，它们必须能够很好的操纵被抓物体。这种极强的灵活性只能通过 一个适应性极强的机械人手抓系统来获得，即所谓的多指机械手或机器人手。 上文提到的研究项目，就是要制造一个人形机器人，此机器人将装备这种机器人手 系统。这个新手将由两个机构合作制造，它们是卡尔斯鲁厄大学的 IPR（过程控制和机 器人技术研究院）和 c（计算机应用科学研究院）。这两个组织都有制造此种系统的相 关经验，但是稍有不同的观点。 IPR 制造的卡尔斯鲁厄灵巧手（如图 1 所示），是一个四指相互独立的手爪，我 们将在此文中详细介绍。IAI 制造的手（如图 17 所示）是作为残疾人的假肢。 图 1.IPR 的卡尔斯鲁厄灵巧手 图 2. IAI 开发的流体手 2.2. 机器人手的一般结构机器人手的一般结构 一个机器人手可以分成两大主要子系统：机械系统和控制系统。 机械系统又可分为结构设计、驱动系统和传感系统，我们将在第三部分作进一步介 绍。在第四部分介绍的控制系统至少由控制硬件和控制软件组成。 我们将对这两大子系统的问题作一番基本介绍，然后用卡尔斯鲁厄灵巧手演示一 下。 南昌航空大学科技学院毕业设计外文翻译 2 3.3. 机械系统机械系统 机械系统将描述这个手看起来如何以及由什么元件组成。它决定结构设计、手指的数 量及使用的材料。此外，还确定驱动器（如电动机）、传感器（如位置编码器）的位 置。 3.1 结构设计 结构设计将对机械手的灵活度起很大的作用，即它能抓取何种类型的物体以及能对 被抓物体进行何种操作。设计一个机器人手的时候，必须确定三个基本要素：手指的数 量、手指的关节数量以及手指的尺寸和安置位置。 为了能够在机械手的工作范围内安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。为了 能够对被抓物体的操作获得 6 个自由度（3 个平移和 3 个旋转自由度），每个手指必须 具备 3 个独立的关节。这种方法在第一代卡尔斯鲁厄灵巧手上被采用过。但是，为了能 够重抓一个物件而无需将它先释放再拾取的话，至少需要 4 根手指。 要确定手指的尺寸和安置位置，可以采用两种方法：拟人化和非拟人化。然后将取 决与被操作的物体以及选择何种期望的操作类型。拟人化的安置方式很容易从人手到机 器人手转移抓取意图。但是每个手指不同的尺寸和不对称的安置位置将增加加工费用， 并且是其控制系统变得更加复杂，因为每个手指都必须分别加以控制。对于相同手指的 对称布置，常采用非拟人化方法。因为只需加工和构建单一的“手指模块”，因此可减 少加工费用，同时也可是控制系统简化。 3.2 驱动系统 指关节的驱动器对手的灵活度也有很大的影响，因为它决定潜在的力量、精度及关 节运动的速度。机械运动的两个方面需加以考虑：运动来源和运动方向。在这方面，文 献里描述了有几种不同的方法，如文献3中说可由液压缸或气压缸产生运动，或者，正 如大部分情况一样使用电动机。在多数情况下，运动驱动器（如电机）太大而不能直接 与相应的指关节结合在一起，因此，这个运动必须由驱动器（一般位于机器臂最后的连 接点处）转移过来。有几种不同的方法可实现这种运动方式，如使用键、传动带以及活 动轴。使用这种间接驱动指关节的方法，或多或少地降低了整个系统的强度和精度，同 时也使控制系统复杂化，因为每根手指的不同关节常常是机械地连在一起，但是在控制 南昌航空大学科技学院毕业设计外文翻译 3 系统的软件里却要将它们分别独立控制。由于具有这些缺点，因此小型化的运动驱动器 与指关节的直接融合就显得相当必要。 3.3 传感系统 机器手的传感系统可将反馈信息从硬件传给控制软件。对手指或被抓物体建立一个闭环 控制是很必要的。在机器手中使用了 3 种类型的传感器： 1. 手爪状态传感器确定指关节和指尖的位置以及手指上的作用力情况。知道了指 尖的精确位置将使精确控制变得可能。另外，知道手指作用在被抓物体上的力，就可以 抓取易碎物件而不会打破它。 2. 抓取状态传感器提供手指与被抓物体之间的接触状态信息。这种触觉信息可在 抓取过程中及时确定与物体第一次接触的位置点，同时也可避免不正确的抓取，如抓到 物体的边缘和尖端。另外还能察觉到已抓物体是否滑落，从而避免物体因跌落而损坏。 3. 物体状态或姿态传感器用于确定手指内物体的形状、位置和方向。如果在抓取物 体之前并不清楚这些信息的情况下，这种传感器是非常必要的。如果此传感器还能作用 于已抓物体上的话，它也能控制物体的姿态（位置和方向），从而监测是否滑落