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手势机器人设计与制作.docx
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摘 要
在实际生活中,工业机器人早已成为一种应用广泛的自动化机械装置,在现代生产
中发挥着重要作用。本文主要介绍手势机器人的机械结构设计,实现机器人手部的抓放
物体的功能。本设计主要使用 SolidWorks 进行制作三维造型设计,初步选择舵机作为
合适的驱动源,并设计出相应的零件模型,逐个装配好模型,组装出整个机器人。
计算出机器人的关节变量,得出 D-H 参数并运用 MATLAB 机器人工具箱进行机器人
运动仿真。为了验证部分设计的零部件在整个机构的可靠性,需要对手势机器人进行相
应的受力分析,选择采用 SW 自带的 simulation 插件对零部件进行有限元分析,根据分
析结果做出相应的结构优化。
关键词:手势机器人;机械结构;三维建模;有限元分析
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北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
Gesture robot design and production - Mechanical design
Abstract
In real life, industrial robot has long been a widely used automatic mechanical device,
which plays an important role in modern production. This article primarily presents the
mechanical structure design of the gesture robot, which can realize the function of grasping
and placing objects in the robot hand. This design mainly uses SolidWorks to make
three-dimensional modeling design, initially select the rudder as the appropriate driving
source, and design the corresponding part model, one by one assembled model, assembly the
entire robot.
The joint variables of the robot are calculated, the D-H parameters are obtained, and the
motion of the robot is simulated by using MATLAB robot toolbox. In order to verify the
reliability of some of the design edgy components in the whole structure, it is necessary to
perform the corresponding force analysis of the gesture robot, choose to use the simulation
plug-in that comes with SW to analyze the components, and make the corresponding
structural optimization according to the analysis results.
Keywords:gesture robot;the mechanical structure;3D modeling;finite element analysis
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北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
目 录
1 绪论 .........................................................................1
1.1 手势机器人的研究意义与目的 ...........................................1
1.2 国内外对手势机器人研究的现状 .........................................1
2 机器人的组成与工作原理 .......................................................4
2.1 机器人的组成 .........................................................4
2.2 机器人的工作原理 .....................................................5
3 机械结构总体方案设计与动力选择 ...............................................6
3.1 机械结构设计 .........................................................6
3.1.1 设计目标 .........................................................6
3.1.2 本设计应解决的问题 ...............................................6
3.1.3 自由度计算 .......................................................6
3.1.4 设计方案的确定 ...................................................7
3.2 驱动源 ...............................................................7
3.2.1 电机选择 .........................................................8
3.2.2 舵机控制原理 .....................................................9
3.2.3 舵机性能参数 ....................................................10
3.2.4 舵机选型 ........................................................10
3.3 总体设计 ............................................................12
4 机械结构的设计 ..............................................................14
4.1 机器人的底座组件设计 ................................................14
4.2 机器人的手臂设计 ....................................................14
4.3 机器人手腕与手部设计 ................................................14
4.4 手势机器人零件图 ....................................................16
4.5 手势机器人的装配图 ..................................................18
5 机械零件三维建模 ............................................................19
5.1 机械零件的建模 ......................................................19
5.2 机械零件三维造型图 ..................................................21
6 运动仿真 ....................................................................24
6.1 正运动分析 ..........................................................24
6.1.1 D-H 参数法 ..................................................24
6.2 MATLAB 建模 .........................................................26
6.2.1 Matlab robotics toolbox 介绍 ................................26
6.2.2 Matlab 程序 .................................................28
7 有限元分析 ..................................................................29
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北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
7.1 SolidWorks simulation 简介 ..........................................29
7.2 零件结构的静力学分析 ................................................30
7.2.1 底座结构的静力学分析 ............................................30
7.2.2 下臂部结构的静力学分析 ..........................................36
总结 ............................................................................40
参考文献 ........................................................................41
谢辞 ............................................................................42
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北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
1
1 绪论
1.1 手势机器人的研究意义与目的
机器人技术作为20世纪新型高新技术,是多种学科交汇的最新研究成果的集大成者,
这意味着机电一体化成就在不断更新,是当代科学技术发展最有生命力的领域之一。20
世纪中期,当时电子技术也有了不断地突破和悠久的发展,由于此时数字计算机已经被
发明投入使用,在工业领域愈发扎实的零部件加工技术和机器人控制原理发展日益完善,
基于计算机控制以及可编程的数控机床等数字化装备的高速发展促使了新型现代机器
人的诞生。同时日益增长的经济需求, 存在一些恶劣不良的工作环境,因此人类需要创
造开发一种自动机械装备替代人们去工作,促使能在生产质量落后的地方能连续长久地
作业。正是在这个背景下,机器人技术的研究和应用才急速发展。机械手臂是一种新型
融合高科技的自动生产设备,于近几十年迅速发展起来。机械臂的应用越来越广泛,具
有足够的能力在工作的正确性和特定环境中完成工作,在结构和性能上兼备人和机的各
种优点。机械手的应用场景多数集中于工业、制造业。仿生机械手臂的出现,使得机械
手能更精确,稳定地抓取物体,操作人员更容易控制机器人完成复杂的任务。但是机器
人的操作方式比较单调。现在的操作方式基本上是通过教育仪器、控制接口、触摸屏来
完成的。人与机器人的交流不自然,不直接,耗费大量人工。为此,需要改善了人机交
互,防止人员出现事故,进而减少人员伤亡,还可发展应用于医疗行业,作为一种战略
性的高新技术,机器人已成为未来制造的基础必需装备。
1.2 国内外对手势机器人研究的现状
工业机器人的发展历程并不长,但确它在人类文明发展中却是地位超然。在 1958
年,约瑟夫·恩格尔·伯格这位被业界称作“工业机器人之父”的伟人,创立了世界上
第一家机器人公司 unimentation,不仅如此,他一并参与了第一个 unimate 机器人的设
计——一个不需人工便可可以自动完成搬运作业的机械手臂,如图 1.1 所示。表 1.1 为
工业机器人的发展历程,经过理论,技术,工业三方面的迅速发展,工业机器人如今已
经成为工业自动化生产中重要的一部分,各种机器人已广泛应用于工业、农业、科研、
教育以及人们的生活等诸多领域。
就目前而言,发达国家普遍具有工业机器人高起点的特性,具有很深厚的学术研究
和技术经验积累,其中包括核心零部件的核心技术,在过去数十年,工业机器人技术和
市场是欧美发达国家掌握的,而中国还在缓慢发展。在众多负有盛名的生产工业机器人
的企业中,主要分布在日本和欧美,例如德国,瑞士等重工业发达的国家,图 1.2 为各
国企业工业机器人代表。相比于欧美等国,中国的机器人研究工作起步晚了数十年,且
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