鲁比克蛇形机械臂的机构设计与分析

摘要

模块化可变形机器人是一种由许多功能相对独立，并且具有一定感知能力的机械电子模块组成的机器人，根据工作任务和周围环境的变化而自主地改变自身的结构配置，以最佳构形去完成不同的作业和任务;工业机械臂也是最早出现的机器人，它可代替人们繁重的劳动以实现生产的机械化和自动化，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。二者的巧妙结合扩大了机器人的应用范围，更由于模块的均一性和互换性降低了制造及维护成本，提高了该机械臂的可靠性和可扩展性。这类机器人在危险、未知和非结构环境运行具有很大优势，比如空间、海洋、军事侦察、废墟营救、核电站维修等。
　　本文提出一种鲁比克蛇形机械臂的机构构形，并进行了结构设计和仿真分析。主要内容包括:鲁比克蛇形机械臂机构系统的对比及结构设计、运动学分析与动力学仿真、构形综合研究和实验分析四个方面。
　　首先，根据鲁比克蛇形机械臂的工作环境和任务，在参考已有魔尺蛇玩具的基础上提出一种新的模块化可变形机械臂的机构构形。该机构系统主要由壳体机构和限位机构组成。实现由一个舵机驱动模块旋转和准确停止在特定的位置，满足含有多个模块机构的机械臂在舵机的控制下，实现任意角度的转动和停止，进而来形成不同稳定的构形，并应用有限元软件对关键的零部件进行了静力学分析。
　　其次，对机构进行运动学分析，通过旋量理论的方法对该机械臂进行了运动学正解的求解，同时利用图论的方法对其进行了逆解的计算;并在MD ADAMS软件中进行了虚拟样机的仿真，验证该机构能完成预定任务，校验舵机选择的正确性。
　　然后，对模块的构形进行了综合研究，首先定义了模块的构形表达方法;然后分析完成了辨识同构构形和干涉构形的方法，通过此方法能计算含有任意模块的机械臂的有效构形数量，并说明了模块的运动序列和干涉产生二者之间的联系;最后，通过简单的实例说明了该方法的正确性。
　　最后，加工制作含有三个模块的实验样机;利用Matlab编写几组简单构形的运动程序，并对样机进行简单的实验来验证其合理性和正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 可变形模块化机器人的分类

1．2．1 链式系统与阵列式系统

1．2．2 分布式控制系统与集中式控制系统

1．2．3 同构系统和异构系统

1．3 可变形模块化机器人的研究现状

1．3．1 国外发展现状

1．3．2 国内发展现状

1．4 论文的主要工作及研究内容

第2章 鲁比克蛇形机械臂的结构设计

2．1 引言

2．2 鲁比克蛇形机械臂的构成

2．2．1 机械臂的构想与组成

2．2．2 模块的尺寸特征

2．3 鲁比克蛇形机械臂的机构系统设计方案

2．3．1 限位机构

2．3．2 模块壳体机构

2．3．3 内部“走线”机构

2．3．4 总体机构的构形

2．4 鲁比克蛇形机械臂的结构设计

2．4．1 模块外壳零部件的尺寸及其结构设计

2．4．2 传动机构及走线机构零部件的尺寸及其结构设计

2．4．3 限位机构的零部件的尺寸及其结构设计

2．5 结构的优化设计

2．5．1 模块外壳的优化改进

2．5．2 内部机构的优化改进

2．6 鲁比克蛇形机械臂的关键零部件静强度分析

2．6．1 法兰盘的静强度分析

2．6．2 法兰板的静强度分析

2．6．3 电机板的静强度分析

2．7 本章小结

第3章 机械臂的运动学分析与动力学仿真

3．1 引言

3．2 数学背景的介绍

3．3 机械臂的正运动学分析

3．4 机械臂的反运动学分析

3．5 鲁比克蛇形机械臂的动力学仿真

3．5．1 虚拟样机仿真软件MD ADAMS简介

3．5．2 动力学仿真分析

3．6 本章小结

第4章 鲁比克蛇形机械臂的构形综合

4．1 引言

4．2 鲁比克蛇形机械臂的构形表达与计数

4．2．1 构形表达的方法

4．2．2 同构问题及解决方案

4．2．3 干涉问题

4．2．4 运动序列的表达及其对干涉问题的影响

4．2．5 构形研究的总结及实例的介绍

4．3 构形计数方法的展望

4．4 本章小结

第5章 鲁比克蛇形机械臂的实验与分析

5．1 引言

5．2 鲁比克蛇形机械臂的零部件

5．3 机械臂形成新构形的实验过程与结果分析

5．3．1 机械臂形成新构形的实验过程

5．3．2 实验结果与分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢