一种主从遥控机械手的设计与力学分析

摘要

第一款主从遥控机械手自20世纪40年代在美国问世以来，由于其行业应用的广泛性，无可替代性和其产生的巨大的经济价值，在军事、工业以及社会生产生活中起着重要的作用。结合国内外主从遥控机械手的研究现状以及所需工况条件，本文提出设计一种六自由度伸缩式、手动控制，电动增程主从遥控机械手。从力学角度对机械手的关键部位做进一步的力学分析，最终得到一款设计优良，结构可靠，性能优异的主从遥控机械手。并针对人力操作下，提出了轻松省力使用这款主从式机械手的轨迹规划方法。
　　首先，针对机械手工作设计要求，按照功能原理分析法依次确定机械手的分功能及传动方案。然后将主从式机械手归类分为主从手的肘部、伸缩臂和手部三大部分，完成了肘部、伸缩臂和手部的具体传动设计。根据传动设计，相对应完成了其肘部、伸缩臂和手部的结构设计。从而完成设计一种初步满足要求的主从式机械手。
　　其次，在完成结构设计之后，解决主从机械手关键部件力学分析中存在的难点。首先，将肘部的俯仰运动齿轮轴系作为分析对象，建立齿轮轴系扭振模型，求出其固有频率，避开临界转速，并提出减小齿轮轴系关节角误差的方法。其次，对扇形齿的齿面应力求解，通过Adams建立轴系模型，得到扇形齿的工况扭矩，作为有限元分析的载荷。通过瞬态动力学分析找出齿轮啮合过程中的最大应力位置，并对此位置通过自适应网格细化方法得到该位置的最大应力，发现该点应力无法收敛，通过应力线性化得到应力奇异点的名义应力值。最后应用有限元子模型法对手爪强度进行分析，对薄弱的结构进行结构进行尺寸参数优化，增加手爪的强度。
　　最后，在完成关键部位的设计和关键部位力学分析之后，为减轻操作者的劳动强度，对主从式机械手进行了基于能量最优的轨迹力学分析。首先通过建立机器人D-H坐标系，以三次样条曲线为关节函数，推导主从式机械手的关节角与动能关系式，并通过matlab求解计算，得到在三次样条关节函数的最优运动时序，提出了一种能够轻松省力使用这款主从式机械手的轨迹规划，在最优运动轨迹下以减少人手模式下的能量输入，达到增加主从机械手灵敏度的目的。
　　通过设计和力学分析，得到了一款结构可靠，操作性能优异的主从遥控机械手。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2主从遥控机械手的设计发展介绍

1.3主从遥控机械手的力学分析现状

1.4本课题的主要研究内容

第二章 主从遥控机械手的设计

2.1主从遥控机械手功能原理设计方法

2.2主从遥控机械手的传动设计

2.3主从遥控机械手的主要结构设计

2.4本章小结

第三章 关键部位力学分析

3.1俯仰关节齿轮轴系力学分析

3.2扇形齿齿面接触应力求解

3.3手部结构力学分析

3.4本章小结

第四章 基于能量最优的轨迹力学分析

4.1机械手轨迹规划描述

4.2 D-H法主从遥控机械手动能数学建模

4.3三自由度任务下机械手轨迹优化

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1课题主要内容总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果