复杂环境光学模块装校机器人的设计与研究

重庆大学硕士学位论文复杂环境光学模块装校机器人的设计与研究姓名：贾海军申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：谢志江2010-05重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要在某工程建设中，有大量的洁净精密光学模块需要从侧面装入到主体装置上去。这些模块种类繁多、数量巨大，外形尺寸、结构和重量也有很大差别，每类模块都有独特的安装位置，安装作业的空间复杂而狭小，安装对位的过程中需要对模块的姿态进行调整而且有一定的精度要求，安装作业任务频繁而严峻。本文正是针对该安装作业任务的需要，设计了一台满足所有侧装光学模块的安装需求并具有一定精度和作业效率的七自由度冗余自由度串联装校作业机器人。论文首先介绍了国内外工业机器人的研究现状，对装校系统的作业对象、作业环境和作业流程进行了详细的介绍和分析，在此基础上提出了装校机器人的功能和技术指标。结合装校作业的实际情况，通过对机器人手臂和手腕结构的比较确定出了机器人的总体方案并确定了机器人的连杆尺寸和关节运动范围。分析比较了驱动方式和多种直线运动机构，完成了机器人的结构设计。其次，简要介绍了机器人运动学分析的数学理论，并用D-H法建立了装校机器人的运动学模型，从理论上完成了机器人的运动学正解和逆解分析，利用矢量积法推导出了机器人的雅可比矩阵。再次，利用虚拟样机技术，针对昀重的切换模块的整个实际装校流程在COMOSMotion中进行了运动学仿真分析，得到了模块的质心运动轨迹和速度、加速度、位移曲线，同时还得到了整个装校过程中各关节的驱动力矩、反作用力和反作用力矩，为提升机构、侧送机构的设计验证以及后续的关键件应力应变分析提供了重要依据。昀后，将运动学仿真分析的结果导入到COSMOSWorks中进行有限元分析，得到了装校作业过程中各连杆的应力变化曲线。单独对各连杆的昀大应力状态进行分析得到了各自的应力云图和位移云图，并针对出现应力集中和应力过大的连杆提出了改进方案。此外，还对受力较大的侧送导轨、关节轴承进行了计算校核。关键字：光学模块，装校机器人，运动学分析，仿真，有限元分析重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTInsomecases,preciseopticsarerequiredtoinstalltomaindeviceinlaterside,however,thosemodulesarevariousinsize,structureaswellasheight,furthermore,acategoryofmoduleissituatedinafixedsite,andthespaceforopticinstallationisnarrowandcomplicated,however,thegestureisneededtobeadjustableintheprocessofopticinstallationaswellastheinstallationprecisionisquitehigh,andthequantityofinstallationandunloadingisfrequentandthetaskintheprocessisrigorous.Inthispaper,aoperationrobotwith7degreesisdesignedtomeettherequirementsthatinstallationisconductinlatersideandefficiencyishighaswellastheinstallationprecisioniskeptinacertainlevel.Firstly,researchstatushomeandabroadforrobotisintroducedinthebeginningofthispaper,andthisoperationtarget,environmentandprocessarealsodissertatedandanalyzedindetails,thenbasedonthosetheoryandrequirements,thetechnicalindexesandfunctionarebroughtforward.Thenthegeneralschemeisascertainedthroughthecomparisonbetweentherobotarmandwriststructuresandthenconnectionrodsizesandscopeofjointsaredefined.Moreover,thedetailstructuresofthisrobotaredesignedbymeansofanalysisofvariousdivisionmodesandlinermovingstructures.Secondly,therobotkineticsisintroducedinbriefinmathematicaltheory,anddynamicmodelsareestablishedbymeansofD-Hmethod.Subsequently,kinematicpositivesolutionandinversesolutionarecalculatedtheoreticallyandjacobianmatrixisinducedbyvectorproduct.Thirdly,kinematicsimulationisconductedforthemostimportantpartofswitchingmoduleintheprocessofloadingandunloadingsituationwiththemethodofvirtualprototypebyCOMOSMotion.Sothecentroidtrajectory,velocity,acceleration,displacementcurve,driventossineachjoint,forceandreactionforcecanbegainedcanbegained.Thoseparametersplayanimportantrolefordesignverificationandsubsequentstrainandstressanalysisoflateraltransportationstructures.Eventually,theresultsgainedfromthevirtualsimulationisintroducedtocomosworksforfiniteelementsimulationandthenthestraincurvesoftheconnectionridsintheprocessofassemblingandcalibration.Besides,thenephogramsofstrainandstresscanbegainedintheprocessofthestrongeststrainanalysisforeachkeypartandimprovementsuggestionsarealsobroughtoutaimingatthesituationofstain重庆大学硕士学位论文英文摘要IIIconcentrationandoverweight.Furthermore,calculationcheckisconductedforthepartofguidesandjointbearingswhichbearquiteStrongforceinoperation.Keywords:OpticModules,Assemble-CalibratingRobot,Simulation,DefiniteEliminatingAnalysis重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1课题来源及背景课题来源于某工程建设中的光学模块侧装洁净精密装校项目，装校系统的主要任务是完成所有十几类近千件洁净精密光学模块的洁净安装和拆卸以及在作业区域之间的洁净转运。这些模块种类繁多、数量巨大，外形尺寸、结构和重量也有很大差别，每类模块都有独特的安装位置，安装作业的空间复杂而狭小，安装过程中要始终保持模块处于百级洁净环境中，安装对位的过程中需要对模块的姿态进行调整而且有一定的精度要求。正是种种的限制条件使得装校作业环境很复杂，需要考虑的因素也很多。由于安装作业任务繁重而紧迫，所以本文对侧装洁净精密装校系统中的核心技术——装校机器人进行设计与研究。1.2研究目的及意义作为20世纪人类昀重大的发明之一，机器人全面的扩展和延伸了人的智力和体力。在生产力水平不断提高和竞争日益激烈的今天，机器人的应用越来越广，目前已广泛应用于搬运、自动装配、测量、焊接和喷漆等工业生产中[1~2]。本课题正是基于实际工程建设的需要，针对整个装置运行中需要从侧面安装或者从装置中拆卸下来进行维护的大量精密光学模块，设计了一台承载120kg能够在洁净环境下作业的具有一定精度和作业效率的七自由度冗余自由度的中型串联装校作业机器人。在装校机器人的设计过程中，对涉及到的所有光学模块的装校流程和作业环境以及与装校作业有关的所有接口进行了全面的分析并做了归一化设计，针对每类模块形成了初步的作业文件，从而有效地保证了所有侧装光学模块的现场装校和后期维护过程中的效率、精度和洁净等要求，这对于整个工程建设的质量和进度都具有非常重要的意义。1.3国内外现状1.3.1机器人的发展与应用尽管机器人已被广泛的用于生产中，但关于机器人的定义还没有一个统一、准确的标准，美国机器人协会（RIA）对机器人的定义做了更加准确的描述：“机器人是一种可再编程的多功能操作机，以用各种可编程的动作来执行多种任务，用于搬运各种材料、工件、工具和专用装置。”[3]种各样的工作。机器人的思想雏形可追溯到遥远的古代。早在西周时期，我国的能工巧匠偃重庆大学硕士学位论文1绪论2师就制作了一个歌舞伶人献给周穆王；公元前三世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为可里特岛国王迈诺斯制做了一个守护宝岛的卫士塔罗斯；东汉时期，著名科学家张衡发明了计里鼓和用于军事的指南车，可以说是移动机器人昀早的雏形[4~6]。现代机器人，即以工业机器人为代表的串联机器人诞生在美国。1954年，美国首次提出“机器人”的概念，1959年，美国的Unimation公司推出第一台机器人。由于机器人能够代替人类繁重的劳动，因此从它诞生之日起就引发了全球的应用和研发热潮。20世纪70年代，机器人学（Robotics）成为了一门专门学科，此后美国许多大学都开设了机器人课程，展开了相关研究工作，成立了相应的组织机构；20世纪80年代，不同结构、不同用途和控制方法的机器人在发达国家真正进入了实用化的普及阶段；20世纪90年代，工业机器人的生产与需求达到了一个高峰期[7]，随着计算机技术、网络技术、微电子技术的快速发展，机器人技术也得到了迅速发展。据国际机器人联合会和联合国欧洲经济委员会的相关统计，从1991年至2005年间，全球机器人产品的数量以年平均10%左右的速度增长，2004年达到了20%的增长率，其中亚洲的增长幅度达到了43%，2005年全世界新安装的工业机器人达到了121000台[8]。经过了50多年的发展，继第一代编程、示教和第二代低智能机器人之后第三代具有高级智能的机器人正在蓬勃的兴起且已占有一定比重[9]。目前，机器人已在机械制造、汽车生产、塑料和电子制品等领域中得到了广泛地应用，并已开始扩大到了航空航天、宇宙探测、军事核能、食品医疗、采矿冶金、农林畜牧、石油化工、海洋开发、服务娱乐等领域中，产生了空间机器人、军用机器人、核工业用机器人、洁净机器人、建筑机器人、地下机器人、农业机器人、水下机器人、娱乐机器人、清洁机器人等先进的机器人。将来，机器人将会成为人类生产活动中的“主劳力”，人类将会从单调繁重、危险和有害的生产劳动中解放出来[7][10]。1.3.2国外机器人的现状[8][11~12]自从世界上第