一款能够适应工作环境的助力机械设备设计

摘要

　　在现代化城市和社会的建设和发展中，各行业都涉及到物料运输搬运的问题。在众多物料运输搬运中，软物料的运输搬运有着十分广阔的发展空间。目前，大部分工厂依旧采用传统的人工搬运方式，不仅搬运效率低，且不安全，甚至可能会对人的身体健康造成伤害。因此，使用机械逐渐代替人工，设计一款能够适应工作环境的助力机械设备，提高工作效率，保证人身安全，是现代化工业发展的必要趋势。

　　本文在调研国内外助力机械手技术的基础上，结合实际搬运环境及功能要求，明确项目的任务需求，确定工作过程，实现软物料的卸载、运输及码垛等工作要求。利用龙门架进行空间移动，并提出了一种基于变胞原理与真空吸附原理的复合式助力机械手模型，对其运动姿态进行了分析和优化，通过虚拟样机技术实现了助力机械手拾取、抬升、运送和释放功能。

　　根据助力机械手的作业环境及功能要求，对助力机械手的整体结构进行详细设计，借助软件完成了样机的三维实体建模。用有限元方法对龙门架关键位置进行了强度校核，对龙门式助力机械手进行静力学分析及拾取性能分析，保证机械手工作稳定性和安全性。运用D-H法建立助力机械手运动学模型，求得机械手正逆解和雅可比矩阵。采用蒙特卡洛法对助力机械手的作业空间进行仿真和分析，为机械手的轨迹规划和运动控制奠定了基础。在助力机械手运动学分析的基础上，采用拉格朗日法建立了助力机械手动力学方程。

　　将助力机械手样机模型导入ADAMS环境中，对机械手工作过程进行动力学仿真，分析助力机械手在运动过程中位移、速度、力矩等变化曲线，验证助力机械手的合理性和稳定性，为助力机械手结构优化和实物样机制造提供一定的理论依据。本文对助力机械手进行了相关的理论研究、结构设计和仿真分析，为拾取、搬运软物料的龙门式助力机械手提供了理论和技术支持，有较高的实际应用价值。

　　关键词：助力机械手；软物料；结构设计；运动学；仿真分析

Abstract

　　In the construction and development of moderm cities and societies, all industries are involved  in the problem of material transportation and handling. Among many materials transportation, the  transportation of soft materials has a very broad development space. At present, many factories  still use traditional manual handling methods, which are not only inefficient and unsafe, but also  affect people's health. Therefore, it is a ncessary trend for the development of modem industry to  design a assisting mechanical equipment adapted to the working environment, the manipulator  which can assist manual handling to improve work efficiency and ensure personal safety by  gradually replacing manual labor with machinery.

　　Based on the investigation of the domestic and foreign assisting manipulator technology, this  article combines the actual handling environment and functional requirements to clarify the task  requirements of the project, determine the working process, and realize the work requirements of  unloading, transportation and palletizing of soft materials. In this paper, the gantry structure is used  to move in space, and a compound assisting manipulator model based on the theory of cell change  and vacuum adsorption is proposed. The motion attiude of the manipulator is analyzed and  optimized. The function of pick up, lift, transport and release of the assisting manipulator is  realized by virtual prototype technology.

　　According to the working environment and functional requirements of the assisting manipulator,  the overall structure of the assing manipulator is designed in detail, and the 3D modeling of the  prototype is completed with the help of software. The strength of the key position of the gantry is  checked by the finite element method, and the statics analysis and pickup performance analysis  are carried out to ensure the working stability and safety of the manipulator. The D-H method is  used to establish the kinematic model of the assisting manipulator, and the forward and inverse  solutions and Jacobian matrix of the manipulator are obtained. Monte Carlo method is used to  simulate and analyze the working space of the manipulator, which lays the foundation for the  trajectory planning and motion control of the manipulator.

　　Based on the kinematic analysis of the manipulator, the mechanical equation of the assisting  manipulator is established by using the Lagrange method. The prototype model of the assisting  manipulator is introduced into the Adams environment, and the dynamic simulation of the  manipulator is carried out. The displacement, speed, torque and other change curves of the  assisting manipulator in the process of movement are analyzed, and the rationality and stability of  the assisting manipulator are verified, which provides certain theoretical basis for the structural  opimization of the asiting manipulator and the manufacture of the physical prototype.  This paper has carried out related theoretical research, structural design and simulation analysis  on the assisting manipulator, which provides theoretical and technical support for the gantry  assisting manipulator that picks up and transports soft materials, and has high practical application  value.

　　Keywords: Assting manipulator; Soft material; Structural design; Kinematics; The  simulation analysis

　　目录

　　1绪论

　　1Introduction

　　1.1研究的背景及意义（Purposeandsignificanceofresearch）

　　进入21世纪，随着现代化城市的建设和发展以及工业4.0技术研究在生产制造中不断的深入和应用，工业自动化及智能化将会成为主流趋势1.在工业发展的背景下，针对人工需求密集的工位。醫要逐步实现半自动化或自动化作业，利用智能设备代替或辅助人工作业，从而减轻工人的劳动强度，改善劳动环境，保证人工安全。因此利用机器人组合而成的辅助搬运设备应运而生。将会逐步代替传统人工搬运方式，提高工作效率，节省人力物力。目前工业生产中普遍使用的物料搬运设备虽然有较高的可操作性，但在准确性、安全性和有效性方面都存在着不同程度的问题口。传统自动化搬运机器人工作速度快、惯性大，不利于操作人员在机器人作业空间内活动，限制操作人员的工作范围，由于受到机器人成本及功能的限制，在搬运装配大型部件时，传统搬运设备只能完成部分工作，造成了人力劳动强度大、效率低、准确性不理想等问题。通过运用人机互助模式所设计的助力机械辅助设备，不仅要求高输出，而且还要求高稳定、高效率、灵活性强等P1.这样所设计的智能辅助搬运设备来辅助人工作业，是十分有必要的。

　　本文主要以某仓库存储堆放的硅酸盐水泥为搬运对象，实现水泥的卸载、搬运以及码垛过程，同时也能够实现此工作的可逆过程。水泥作为软物料的代表之一，具有不规则及易破损的性质，在搬运过程中需要+分注意。在辅助人工提高搬运效率的同时，也要保证物料的充整性。目前市场上对此类物料的搬运都是利用气动助力机械手完成的，操作者通过助力机械手能够完成物料的移动及定位，井且能够实现物料的提升和下降动作。操作者无需复杂操作和较大的操作力仅需要给物料施加运动趋势，就能完成对物料在空间任意范圈内的移动和定位凹。目前广泛应用的气动助力机械手也存在着诸多问题。对于不同性质的物料需要根据拾取方式分为吸盘式和爪式：在工作环境中，根据安装方式分为悬挂式以及立柱式川），移动空间受到严重限制，无法满足自由移动的要求。因此通过拾取方式以及安装方式可以看出，气动助力机械手存在抓取方式单一。不能同时满足不同性质物料的拾取问题，同时受到作业空间的影响，移动不灵活，无法做到在任意空间里移动。

　　综上所述，传统物料的搬运目前存在人力劳动强度大。效率低等诸多问题，而针对软物料的搬运是市场上急需解决的问题。因此需要从抓取方式、移动方式及工作效率方面来考虑，设计一款能够在空间中移动灵活且能抓取不同性质物料的辅助搬运设备是十分有必要的。保证稳定抓取及提高工作效率。同时为物料的搬运以及码垛提供了一种新的方式，依靠设备辅助人工进行操作，充分发挥人工与设备各自优势，大大降低企业成本。为中小型企业物流运输搬运提供--个新的方向。在物流搬运领域。

　　对于提高自动化搬运水平、改善人工搬运环境、提高效率，具有十分重要的意义。
 

　　1.2国内外研究现状

　　1.3主 要研究内容和创新点
 

　　2龙门式助力机械手原理方案设计

　　2.1 总体方案设计

　　2.2 龙门架方案设计

　　2.3基于真空吸附 原理的刚性吸盘

　　2.4基于变胞原理的机械手指

　　2.5本章小结
 

　　3龙门式助力机械手结构设计与性能分析

　　3.1龙门式助力机械手 结构设计

　　3.2助力机械手拾取性 能分析

　　33助力机械手稳定性能分析

　　3.4助力机械手 共振性能分析

　　3.5本章小结
 

　　4助力机械手空间运动学分析

　　4.1 D-H 法理论基础

　　4.2助力机械手 运动学分析

　　4.3基于雅可比矩阵的理论分析
 

　　5助力机械手动力学分析与仿真

　　5.1动力学建模方法，

　　5.2基于Lagrange函数的动力学建模

　　5.3基于 ADAMS软件的助力机械手仿真与分析

　　5.4本章小结

6总结和展望

　　6 Conclusions and prospects

　　6.1总结（Conclusions）

　　本文在调研国内外助力机械手技术的基础，上。针对搬运环境和助力机械手功能要求，运用变胞原理和真空吸附原理，提出了- -种复合式助力机械手模型，对其进行了整体结构设计和仿真分析。仿真结果表明，本文设计的助力机械手结构合理，能够满足功能设计要求。本文完成的研究工作成果如下：

　　（I）结合助力机械手工作环境和搬运对象的实际情况，利用龙门架空间移动灵活特点，及运用变胞机构原理和真空吸附原理设计的复合式助力机械手，设计出符合工作环境的搬运线。

　　（2）根据助力机械手的功能和设计参数要求，完成了龙门架及助力机械手的结构设计，运用SolidWorks软件对龙门架和助力机械手进行了三维建模，验证了结构设计的合理性。借助ANSYS软件对助力机械手进行静力学分析，确定各关键部位的安全性。建立机械手空间模型。对助力机械手进行了抓取性能的分析，包括刚性吸盘拾取性能分析。助力机械手整体稳定性及共振性分析，确定了龙门架与助力机械手的共振频率，避免共振频率对助力机械手的影响，保证助力机械手运动的稳定性。

　　（3）建立了助力机械手的D-H矩阵，求得末端位姿方程。对助力机械手进行正逆运动学分析，用解析法求出了机械手逆解，运用矢量积法得到雅可比矩阵。采用蒙特卡洛法对助力机械手的工作空间进行分析。井借助MATLAB软件绘出机械手工作空间云图，验证了机械手结构能够满足设计要求。

　　（4）在运动学基础上。利用拉格朗日法推导出了助力机械手动力学方程的求解过程。运用ADAMS软件建立助力机械手虛拟样机模型，完成了助力机械手拾取物料时爪式部分运动过程仿真，得出机械手的位移、速度变化曲线和各关节驱动力、力矩变化曲线，结果证明了助力机械手结构的合理性和稳定性。对机械手控制和实验提供了参考。

　　6.2展望（Prospects）

　　本课题提出了符合实际工作情况的搬运方案，完成了龙门架和助力机械手的结构设计，对其进行了运动学、静力学和动力学研究以及仿真分析，为样机的制作和实验奠定了基础。目前实验样机处于加工制作阶段，但要应用到实际的工程应用中，还需完成以下工作：

　　（1）本文完成了助力机械手机械结构的设计，但完整的助力机械手系统还包括控制系统和检测系统。后续工作需对其做深入研究。包括控制策略、软件和硬件等方面的设计，井应用到实际的作业环境中。

　　（2）为进一步提高助力机械手的稳定性和安全性，霄对助力机械手进行结构优化和轻量化研究，以减轻助力机械手本体的重量。其次要为助力机械手设计断气断电保护装置，避免助力机械手坠落及物料脱落。

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致谢

　　感谢

　　本课题的所有撰写工作是在魏军英副教授的严格要求下完成的。从论文开题到撰写成稿，导师无不倾心倾力。每当写作的思路枯竭时，导师指点总能使我恍然大悟，导师耐心的指导态度和严谨的科研思维深深的影响着我，促使我的论文顺利成稿。在此，向我的导师表达衷心的感谢！

　　感谢智能机械实验室的王吉岱老师、孙爱芹老师、陈广庆老师和王智伟老师的细心指点，为我的论文理清了思路。感谢实验室为我提供企业实习的机会，使我的实践能力得到充分锻炼。感谢师弟们在项目研究和论文撰写过程中的帮助和支持，以及同窗好友对月当空时的畅想闲聊。

　　感谢父母和兄弟们默默的鼓励和无条件的支持，使我没有后顾之忧，帮助我顺利的完成研究生学业。

　　最后，衷心感谢专家和评委在百忙之中参与我的论文评审以及答辩！

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