排爆机械臂模块化结构设计与研究

发布时间：2017-04-12 09:14

  本文关键词：排爆机械臂模块化结构设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着全球反恐形势日益严峻,以及重大自然灾害频繁发生,可以在爆炸品处理、火灾扑救等危险的工作中完全或部分取代人类作业的排爆机器人逐渐得到了人们的重视。目前这类机器人的厂商主要提供的是定制服务,根据客户提出的要求完成设计,功能方面存在着一定的约束,且维修过程繁琐,必须付出较多的成本,最终只会带来资源上的损失。为了解决这种现状,本文选择目前使用的排爆机械臂作为研究对象,建立模块化排爆机械臂系统。系统本身选取了模块化形式处理,通过各种模块的搭配解决各种实际问题,为排爆机器人应用程序的扩张和大规模生产奠定了坚实的基础。在本文对模块化排爆机械臂的研究中,将模块化理念与非模块化机器人结合,制定了一套完善的设计方案。此方案基于功能层面对排爆机械臂进行体系结构研究,根据功能结构对特种机器人进行模块划分,保证单个单元能够完成一个或两个自由度的回转运动。为每个模块单元设计合理的接口,保证相邻两模块之间的机械接口可以方便、快捷且有效的连接。本文还通过有限元分析软件ANSYS对机械臂中关键的受力部件进行强度校核,确保机械臂能够正常稳定的工作。之后通过D-H坐标变换法建立了机械臂的运动学数学模型,推导出了正、逆运动学方程,通过ADAMS软件进行运动仿真。本文最后基于牛顿—欧拉方程建立了机械臂的动力学方程,借助于软件ADAMS对机械臂的操作过程进行了动力学分析,得出了大臂、小臂、腕关节的驱动力矩变化曲线。
【关键词】：排爆机械臂 结构设计 模块化 运动学模型 动力学模型
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-26
• 1.1 研究背景与意义10-12
• 1.2 模块化设计理论12-18
• 1.2.1 模块化设计简述12-13
• 1.2.2 模块化设计研究现状13-16
• 1.2.3 模块化设计的分类及结构类型16-18
• 1.3 模块化机器人研究综述18-24
• 1.3.1 模块化机器人研究现状18-21
• 1.3.2 机器人模块化设计方法21-23
• 1.3.3 模块化机器人的装配方法23-24
• 1.4 论文的主要研究内容24-26
• 2 排爆机械臂系统总体设计26-48
• 2.1 设计方案26-31
• 2.1.1 机械臂的自由度问题26
• 2.1.2 机械臂的构型问题26-27
• 2.1.3 机械臂的性能问题27-28
• 2.1.4 机械臂的设计指标28
• 2.1.5 机械臂的驱动问题28-30
• 2.1.6 机械臂减速器的问题30-31
• 2.1.7 机械臂的走线问题31
• 2.2 机械臂模块化设计31-46
• 2.2.1 模块化设计思想31-32
• 2.2.2 机械臂模块划分32-33
• 2.2.3 底座模块33-36
• 2.2.4 手爪模块36-41
• 2.2.5 关节旋转模块41-44
• 2.2.6 连杆模块44-45
• 2.2.7 机械臂的装配45-46
• 2.3 本章小结46-48
• 3 机械臂关键零部件的校核48-59
• 3.1 有限元方法与CAE技术48-49
• 3.2 机械臂杆的强度校核49-53
• 3.2.1 分析模型的建立49-50
• 3.2.2 网格的划分50
• 3.2.3 臂杆的受力分析50-53
• 3.3 关节模块强度校核53-56
• 3.3.1 分析模型建立53-54
• 3.3.2 定义材料属性并划分网格54-55
• 3.3.3 施加载荷、结果分析55-56
• 3.4 模块连接处强度校核56-58
• 3.4.1 分析模型的建立56
• 3.4.2 定义材料属性并划分网格56-57
• 3.4.3 施加载荷、结果分析57-58
• 3.5 本章小结58-59
• 4 机械臂运动学分析59-72
• 4.1 D-H表示法59-63
• 4.2 建立坐标系63-64
• 4.3 运动学正解64
• 4.4 运动学逆解64-67
• 4.5 机械臂轨迹设计67-68
• 4.6 运动学仿真68-71
• 4.6.1 ADAMS软件68
• 4.6.2 ADAMS分析过程68-70
• 4.6.3 分析结果70-71
• 4.7 本章小结71-72
• 5 机械臂动力学分析72-79
• 5.1 牛顿-欧拉方程72-73
• 5.2 动力学方程73-76
• 5.3 动力学仿真分析76-77
• 5.4 本章小结77-79
• 结论79-81
• 参考文献81-87
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果87-88
• 致谢88-89

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