机械手臂结构设计与性能分析

工业机器人具有工作空间大、结构紧凑、灵活性好等优点,但工业机器人机械臂的串联结构形式使其整体刚性存在不足。机器人的末端负载完全由关节处的伺服电机分担,增加了机械臂的驱动功率及能耗。针对上述问题提出一种具有机械手臂的机器人结构,机器人大臂和小臂采用平行四边形框架及对角线驱动的结构形式,利用平行四边形框架平衡外部弯矩作用。仿真结果表明,与工业机器人相比,在仅有外部重力负载作用时大臂的驱动功率可以降低20%~80%,小臂的功率与工业机器人相当;在仅有外部弯矩作用时,无需消耗电机的驱动功率,从原理上降低了机械臂的驱动功率及能耗。此外,对机器人整体刚度进行计算,计算结果表明,此机器人的整体刚度优于工业机器人,有利于提高机器人在搬运、码垛等作业中的负载能力。     

三自由度苹果采摘机械臂动力学分析与轻量化设计

针对工业机械臂苹果采摘时运动规划复杂、自由度多、控制难等问题，本文研制了一款轻量化结构的三自由度苹果采摘机械臂。首先，针对苹果采摘工作要求完成了机械臂的结构设计与运动学分析。机械臂采用平行四边形结构，通过后置动力源减小整机转动惯量，且臂展长，工作空间大，运动时树枝干扰小，更适用于苹果采摘。其次，采用牛顿-欧拉方程建立动力学模型，完成机械臂苹果采摘仿真，通过动力学模型的理论数据，以减轻机械臂自身质量为优化目标，对臂及其关键部件应力及应变进行分析，计算不同轻量化方案下的应力、应变，从而选取最优的轻量化方案。通过对比轻量化前后机械臂仿真数据，骨棒型轻量化方案驱动力矩峰值分别降低21 N·m和15 N·m,均降低约20%,整机质量下降1.8 kg,降低32.1%,且轻量化后机械臂保持良好工作能力。根据优化结果，搭建了三自由度苹果采摘机械臂物理样机，通过试验得到大、小臂最大驱动力矩为92、63 N·m,基本符合仿真结果，验证了动力学模型的正确性。     

机械手臂机构设计与应用研发分析

机器人在工业、农业、制造业、智能化产业等方面蕴含着巨大的应用价值,能够给企业带来巨大的经济效益.机器人具有工作效率快、生产质量好、使用范围广、机构性能强等诸多优点,但由于机械结构采用串联、焊接、齿轮等设计,导致整体刚性无法满足高强度作用.机器人终端负载通过连接处的伺服马达进行驱动,这样一来机械手臂的运行功率大大提升,也...     

4自由度含局部闭链式码垛机器人动力学优化设计

提出一种4自由度含局部闭链式码垛机器人动力学优化设计方法。在建立其刚体动力学模型的基础上,提出在目标轨迹及确定运动规律下,以机器人大臂与小臂关节驱动力矩基于目标轨迹上的最大值最小作为动力学优化目标。在此基础上,构造有约束的多目标优化问题,并利用理想点法将该多目标优化问题转化成单目标优化问题加以解决。工程实例证明利用所提方法优化后得到的机器人尺度参数,能够使机器人在目标轨迹上的动力学性能明显改善,大臂与小臂关节驱动力矩峰值降幅分别为9.782%和8.207%,说明优化方法合理、有效。     

基于有限元法的挤奶机械臂ANSYS仿真

为保证挤奶机器人满足设计要求,利用有限元分析软件ANSYS对不锈钢支架及机械臂的强度和刚度进行静力学分析,并对不锈钢支架的结构进行模态分析。结果表明:仿真结果显示机械臂的强度和刚度能够满足设计要求,进而为合理设计挤奶机器人机械结构提供有力保证。     

组培苗移植机器人机械臂的设计

根据组培苗的生长特点和移植作业要求,采用参数化设计方法,研制设计了一个3自由度水平关节式组培苗移植机器人机械臂。该机械臂主要由大臂、小臂和伸缩臂组成,具有两个水平转动关节和一个垂直移动关节,能够实现绕垂直轴线的两个回转运动和1个沿垂直轴线的上下平移运动。该机械臂结构轻便小巧、运动平稳、定位精度高,能够满足移苗作业要求。     

搬运机械臂液压系统计算和元件选型研究

【目的】液压传动技术具有易于控制、使用方便、系统设计优化、配置参数高、工作效能高等优势,对搬运机械臂液压系统进行计算和元件优化选型研究具有重要的现实意义。【方法】课题组采用模块化设计理念,在相关最优参数的控制指标下完成了一种搬运机械臂液压系统的计算和元件选型设计。在以往传统液压传动装置的基础上,利用液压传动的理论及实践成果,综合考虑负载机械臂的热处理特性,确定了搬运机械臂液压缸的主要参数、液压泵的规格和电机的驱动功率等,最后对机械臂液压系统进行了压力损失和温升的验算。【结果】搬运机械臂液压系统的总压力损失符合系统的假定设定,元件选型在安全许可范围内,规格符合设计要求。【结论】通过液压系统的计算和元件选型,可以很好地满足工业实体化设计中轻便、移动灵活、结构简便等要求,减轻重体力作业人员的劳动强度,实现自动化电气控制,机、电、液一体化生产。     

一种五自由度修剪机器人结构设计与分析

为满足多样化景观绿篱修剪造型对修剪机器人工作空间、结构刚度和强度的需求，设计一种用于园林绿植的五自由度修剪机器人结构。首先采用D-H法对机器人进行建模与运动学分析，利用蒙特卡洛法得到机器人的工作空间；然后以球形绿篱为修剪目标，基于机器人有效空间体积比和速度全域性能指标，确定机器人臂架结构主要杆件的尺寸；最后对臂架结构进行有限元静力学和振动模态仿真分析。仿真结果表明：当大臂尺寸为800 mm，小臂尺寸为900 mm，腕臂尺寸为350 mm时，该机器人垂直修剪作业范围为0~2 000 mm，水平修剪作业范围为-1 300~1 300 mm，工作空间可满足园林绿篱的修剪需求；臂架结构的最大等效应力为34.245 MPa，最大变形为1.897 1 mm，刚度和强度均满足技术指标的要求，且其固有频率可有效避开外界频率，避免共振现象。本研究为景观绿篱修剪机器人研制提供机械结构设计方法与方案，具有一定的应用价值。     

HN 4GDL-132型甘蔗收割机输送臂仿真及试验验证

为提高甘蔗收获机工作效率,将切断后的甘蔗段通过输送臂实时输送到田间运输车装斗中,输送臂结构的静力学分析至关重要。为此,针对HN4GDL-132型甘蔗收割机样机,利用ANSYS仿真软件对输送臂进行了结构静力学分析和振动模态分析,得到了输送臂小臂、大臂和连接轴的应力、应变云图。其中,小臂承受负载应力最大值为113.11MPa,最大变形量为4.24mm;大臂承受负载应力最大值为225.86MPa,最大变形量为5.30mm;连接轴承受负载应力最大值为232.38MPa,最大变形量为0.09mm,并分别分析了输送臂前4阶模态下的振动特性。采用应变片试验对静力学仿真结果进行验证,两者数值结果相对误差为20%以内,变化趋势一致。研究结果可为输送臂结构的优化设计提供参考。     

一种串并混联机械手的运动学分析

一种7-DOF串并混联工业机械手由大臂、中臂、小臂和末端执行器依次串联而成，其中大臂为两自由度并联机构，中臂为单自由度平动机构，小臂为四自由度串并混联机构。该文介绍了该串并混联机械手的构型，对机构进行了运动学分析，求解了机械手的位置正反解。该结构的机械手具有工作空间大、末端灵活性好等特点，在现代工业及农业生产中有很好的应用前景。     

抚育机器人优化性设计——基于MatLab

以当前广泛应用于森林抚育采伐的抚育机器人作为研究对象,对其核心动作部件-机械臂进行优化性设计。根据运动部件的抚育原理及所要达到的育林效果,建立理论数学动力学模型,通过对各机械臂构件进行机械优化,绘制三维动作部件物理模型,并结合机械臂的协作运动控制机理及轨迹方案,对主要控制参数对比计算并选取。同时,利用MatLab分析工具,在核心控制算法理论支撑下开展试验仿真。针对抚育机器人的核心动作部件—机械臂系的软硬件系统进行改进优化,研究抚育机器人在抚育过程中的运动轨迹及部件动作变化情况,为进一步优化抚育机器人整机结构及协调性提供了改进思路和方法,并可为提升抚育机器人装置的整体工作效率提供理论参考。     

神经网络在机械臂轨迹规划中的运用

自动控制技术成为当今时代至关重要的工业技术之一,而工业机器人作为自动控制技术的主要应用部分,其不仅提高了工业生产的效率,而且极大地减轻了生产人员的工作负担。机器人在完成常规动作的过程中轨迹生成算法与系统整体性能息息相关,因此本文根据神经网络在机械臂轨迹规划中的仿真应用,结合机械臂运动学基础,对机械臂规划中神经网络的运用进行了探究。     

基于ADAMS的果树采摘机械臂的运动仿真分析

根据对苹果园区的实地考察,利用Inventor软件建立了GY-1型果树采摘机器人机械臂的实体模型,完成装配。利用Inventor、Pro/E、ADAMS 2005这3种软件之间的接口技术,把机械臂模型导入ADAMS/View模块中。经过有效简化结构,对各个关节和液压缸分别添加约束和驱动,最终生成机械臂的虚拟样机。在ADAMS仿真中,通过计算各个液压缸的运动驱动函数,模拟了机械臂的一组采摘动作,得出机械臂上几个关键关节的受力变化曲线。通过对曲线结果的分析可以获得机械臂采摘时各关节的实时运动信息,为后续工作研究奠定了理论基础。     

串联机器人机械臂工作空间与结构参数研究

工作空间的体积可以反映串联机器人运动灵活程度.研究了一种串联机器人机械臂的工作空间问题.首先,提出机械臂的基本结构,进行简化,得到其运动模型;在此基础上对机械臂进行了运动学分析;然后,采用蒙特卡洛法分析该机械臂的工作空间,得出了机械臂末端的工作空间点云图;提出了自适应划分网格方法,并用该方法计算了该工作空间的体积;最后,分析了机械臂结构参数对工作空间体积的影响,为机械臂的参数优化提供了理论依据.     

一种树生水果采摘机器人的结构设计

【目的】像苹果、梨子、桃子这类树高3 m左右的树生水果的采摘仍主要采用传统的手工作业方式,劳动强度大、劳动成本高,人工采摘作业不仅效率低下还具有一定的危险性。而目前研究开发的农业采摘机器人多采用刚性关节型机械臂,难以满足某些地方果树生长密集、枝条随机生长等情况的采摘需要,为了解决这些问题,亟需设计一款柔性采摘机械臂。【方法】课题组根据仿生学原理,模仿大象鼻子的运动机理,设计了一种拉绳驱动的仿象鼻柔性采摘机械臂,并基于该机械臂设计了一种树生水果采摘机器人。采用三维数字化软件SolidWorks对树生水果采摘机器人进行三维建模,树生水果采摘机器人的整体结构主要由机械爪部分、机械臂部分、收集装置部分、车身部分组成。【结果】机械爪部分可以夹裹目标果实;机械臂部分可实现多自由度、较大幅度的柔顺弯曲运动,用于实现机械爪在抓取、采摘过程中所需的各种柔性运动,配合可升降的收集装置部分,能有效缩短机械臂的运动行程,进一步提高采摘效率;车身部分带有水果收集箱,采摘后的水果能暂时储存在车身部分中。【结论】该采摘机器人具有工作空间更大、灵活性更强、安全性更高等优点,可以满足枝条密集、作业空间狭窄环境下的采摘作...     

农业采摘机器人机械臂结构设计

【目的】农业采摘机器人是一种集机械、电子、传感、计算机于一体的多功能农业机械设备,被广泛应用于水果、蔬菜采摘领域。但其在对果实的识别和抓取方面仍存在很大的不足。【方法】机械臂是农业采摘机器人重要的组成部分之一,也是其主要执行机构。笔者根据机械臂结构特点与功能需求,设计了一种六自由度、关节运动灵活且可更换的采摘机器人机械臂,该机械臂通过控制系统调节3个平动关节在工作空间中的位置和角度,从而获得末端执行器能够完成采摘任务所需的最小工作空间,通过六自由度变换得出6个关节在工作空间中坐标系之间运动轨迹关系。该机械臂由视觉模块、驱动模块及控制模块构成。基于D-H参数法对采摘机器人机械臂进行运动学分析,并进行仿真验证。【结果】该机械臂具有较好的定位精度,能够满足农业采摘机器人对果实的抓取要求。     

采摘机器人避障末端臂的设计与试验

在机器人实际采摘果实的作业中,机器人末端臂及末端执行器与果树枝条接触碰撞几率最高,其要具有感知碰撞的能力,从而判断原规划采摘路径的合理性,最终实现避障采摘之目的。为此,提出了一种采摘机器人感知碰撞避障伸缩末端臂,其通过转动关节与机器人大臂连接,整体相对于大臂可以进行仰俯动作,同时本身具有直线伸缩的功能,从而驱动末端执行器实现直线接近待采果实。感知碰撞结构使末端臂在上、左和右3个方向上具有感知危险碰撞的能力。通过试验改进了样机部分结构,伸缩杆运动平稳,感知碰撞结构动作可靠,并可通过调节微动开关的高度位置,能够对不同碰撞力做出反应,发出危险力的开关量信号,以适应多种果蔬的采摘作业。     

气电混合驱动全天候苹果收获机器人设计与试验

提出了一种基于气电混合驱动且能够全天候工作的高效率苹果收获机器人。该机器人机械臂包含5个自由度,混合使用电动和气动两种驱动方式,同时保证机械臂的准确定位和末端执行器对果实的快速柔性抓取。机器人视觉识别系统结合了机器视觉和深度神经网络方法,在提高系统鲁棒性的同时优化了系统的整体检测速度。此外,机器人配备的夜间照明系统使其能够实现全天候工作。在实验室环境下进行了机器人视觉检测试验和苹果采摘试验,结果表明,视觉系统定位苹果的平均时间为44 ms,机器人的采摘率为81. 25%,平均每个苹果的采摘时间为7. 81 s。     

基于智能交流接触器的采摘机器人机械臂设计

在充分考虑机械臂伺服电机智能速度检测装置的结构和闭环运动过程控制的基础上,将智能交流接触器引入到了采摘机器人机械臂关节伺服电机的反馈控制中,并建立了PID闭环反馈调节回路,有效地提高了机械臂的控制精度。同时,将智能交流接触器以速度控制函数的形式嵌入到了PID控制环节,采用ADMAS和MatLab软件对机械臂的轨迹控制精度进行了测试,并利用Mat Lab软件计算得到了关节的控制变量,以Spline形式将变量导入到了ADMAS中对机械臂两关节进行控制。通过仿真得到了机械臂关节的输入和输出位移随时间变化曲线和机械臂末端的运动结果,结果表明:输入和输出的位移基本吻合,并且机械臂末端可以按照预定的圆环轨迹运动,从而验证了智能交流接触器PID控制的控制精度。     

黄瓜采摘机械臂结构优化与运动分析

黄瓜采摘机器人在非结构环境中工作时,其机械臂的结构特点与运动精度将直接决定机器人作业范围和采摘成功率。针对黄瓜特定的栽培模式,结合机械臂工作空间及结构长度指标,运用参数优化法,对采摘机械臂构型和结构参数进行了优化设计。建立了机械臂运动D-H模型,实现由关节空间向笛卡尔空间的正逆变换,并确定了机械臂速度雅可比矩阵;应用三次多项式插值法,建立了机械臂关节空间运动规划模型;应用Matlab平台对优化参数进行仿真。结果表明,机械臂实际采摘范围可达到目标工作区域90.5%以上,关节位移变化曲线光滑,运动平稳。