景观园林机械手数字化设计方法

目录

序言

前言

第1章 绪论 1

1.1 景观园林修剪的作业特点 1

1.1.1 景观园林人工修剪作业模式 1

1.1.2 景观园林机械化修剪作业模式 2

1.2 景观园林机械发展动态 2

1.2.1 景观园林机械的发展趋势 2

1.2.2 自动化修剪机国内外的研究现状 3

1.3 园林机械设计开发理论现状 6

1.3.1 虚拟样机技术 6

1.3.2 园林机械虚拟样机开发技术的现状 6

1.4 园林机械手的性能要求 8

1.4.1 工作范围要求 8

1.4.2 作业功能要求 9

1.4.3 工作载荷要求 10

1.5 园林机械手设计方案 13

1.5.1 园林机械手的总体方案 13

1.5.2 园林机械手基本组成 14

第2章 园林机械手复杂曲面的运动学分析与轨迹规划 16

2.1 园林机械手运动学问题概述 16

2.2 改进D-H方法 17

2.2.1 D-H方法介绍 17

2.2.2 改进的D-H方法连杆坐标系的描述 17

2.2.3 改进D-H方法的参数确定的齐次变换矩阵 18

2.3 园林机械手运动学方程的建立 19

2.3.1 园林机械手参数及其坐标系的建立 19

2.3.2 园林机械手正运动学方程 20

2.3.3 园林机械手逆运动学求解 23

2.4 园林机械手运动求解的MATLAB仿真分析 25

2.4.1 园林机械手MATLAB仿真模型 25

2.4.2 园林机械手运动学求解仿真 26

2.5 园林机械手修剪造型轨迹规划 30

2.5.1 轨迹规划概述 30

2.5.2 园林机械手空间分析 32

2.5.3 园林机械手笛卡儿空间轨迹规划 37

2.5.4 园林机械手各轴速度规划 44

2.6 基于MATLAB轨迹插补运算仿真 46

2.6.1 平面直线插补仿真 46

2.6.2 平面圆插补弧仿真 47

2.6.3 空间直线仿真 49

2.6.4 空间圆弧插补仿真 50

2.6.5 半球螺旋插补仿真 51

2.6.6 结果分析 52

第3章 园林机械手设计和仿真分析 53

3.1 园林机械手结构设计 53

3.1.1 刀具系统三维设计 53

3.1.2 升降机构的三维设计 53

3.1.3 伸缩机构的三维设计 54

3.1.4 过载保护机构的三维设计 55

3.1.5 机械手整机虚拟装配 56

3.2 基于ADAMS运动学和动力学仿真的原理 56

3.3 园林机械手造型运动轨迹仿真 57

3.3.1 基于ADAMS仿真环境的搭建 57

3.3.2 基于ADAMS运动学逆解仿真 58

3.3.3 基于ADAMS运动学正解仿真 61

3.4 园林机械手造型轨迹的动力学仿真 61

3.4.1 动力学仿真环境的设置 61

3.4.2 圆球轨迹动力学仿真 62

3.4.3 圆柱轨迹动力学仿真 64

3.4.4 圆锥轨迹动力学仿真 68

3.4.5 圆台造型动力学仿真 72

第4章 园林机械手关键零部件的有限元分析与优化 77

4.1 有限元分析原理 77

4.2 机械手底座有限元分析 77

4.2.1 机械手底座静力分析 77

4.2.2 机械手底座模态分析 80

4.2.3 机械手底座的优化 82

4.3 机械手手臂有限元分析 82

4.3.1 机械手手臂静力分析 82

4.3.2 机械手手臂模态分析 84

4.3.3 机械手手臂的优化 86

4.4 机械手刀架有限元分析 86

4.4.1 机械手刀架静力分析 86

4.4.2 机械手刀架模态分析 88

4.4.3 机械手刀架的优化 90

4.5 机械手本体有限元分析 91

4.5.1 机械手本体模型的建立与简化 91

4.5.2 机械手本体关键零部件模态分析与优化 92

第5章 园林机械手控制系统设计 95

5.1 机械手控制系统需求分析 95

5.1.1 机械手控制系统功能需求 95

5.1.2 机械手控制系统可靠性需求 96

5.2 机械手控制系统总体架构 96

5.2.1 总体控制方案 96

5.2.2 上位机系统设计 97

5.2.3 下位机系统设计 98

5.2.4 系统硬件平台搭建 99

5.3 机械手控制系统功能设计 100

5.3.1 矩阵键盘 100

5.3.2 图形用户界面 104

5.3.3 上、下位机通信设计 106

5.3.4 位置检测系统 111

5.3.5 控制信号检测 112

5.4 机械手造型程序设计 113

5.4.1 自动修剪半球形程序设计 114

5.4.2 自动修剪圆柱形程序设计 115

5.4.3 自动修剪圆锥形程序设计 116

5.5 园林机械手“虚实结合”试验研究 117

5.5.1 机械手“虚实结合”联机试验软件平台简介 117

5.5.2 机械手“虚实结合”联机试验原理 118

5.5.3 虚实实验系统搭建 118

5.5.4 园林机械手“虚实结合”虚实仿真实验 124

第6章 园林机械手整机制造与试验研究 127

6.1 园林修剪机整机布局方案分析 127

6.2 承载机构选用与分析 127

6.2.1 不同承载机构选用与分析 129

6.2.2 机械手后置承载机构设计 130

6.3 园林机械手关键零部件的设计与选型 131

6.3.1 旋转底盘选型及动力分析 131

6.3.2 伸缩机构动力选型及动力分析 132

6.3.3 过载防护机构的分析与优化 133

6.4 园林机械手样机制造 138

6.5 园林机械整机装配和调试 139

6.6 机械手的修剪试验 140

参考文献 142 2100433B

本书运用现代先进的虚拟样机技术，主要探讨机械手复杂空间曲线的轨迹规划和插补理论、动力学和运动学仿真分析与优化方法、修剪机械手关键零部件动态设计理论，以及机电系统“虚实结合”协调优化控制的方法等，形成较完整的园林修剪机械手的设计方法，并且在理论分析的基础上，提供园林修剪机整机制造与试验方案。

内容简介

《数字化建筑设计方法入门》中建筑师对于计算机的种种设定被称为“元设计”。它是这种设计方法的核心特征。为了形象地阐述这一概念，《数字化建筑设计方法入门》在下篇中以一个本科课程设计为例，详细地剖析了整个设计思路与设计推进过程。希望以此作为学习数字化建筑设计方法的入门教材。

机械手可模仿人手和臂的某些动作，按固定程序实现抓取、装配、搬运等动作。它是最早出现的工业机器人，可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能代替人类完成危险作业。因此机械手广泛应用于易燃易爆物品的装配、搬运、拆卸、检测，以及消防灭火、反恐防暴等高度危险的环境。

传统的刚性机械手为获得良好的定位精度，尽量增加机械手构件的刚度来减少振动。由于高精度机械手的操作性受限于机械手的动挠度，这样导致定位工作滞后，机械手工作时能耗过大、运行速度低、负载能力差、驱动器的尺寸规格增大、成本增加等。为解决机械手操作的高速度与精确性的矛盾，柔性机械手应运而生。与传统刚性机械手相比，柔性机械手具有质量轻、体积小、速度高、负载能力强、能耗小、成本低等优点。

长期以来，机器人手臂的动力学分析一直是难以很好解决的问题，主要表现在数学建模复杂，运算量大，难以实现实时控制等方面。这样就限制了机器人的设计和应用性能，制约了精确的轨迹跟踪。而动力学仿真软件的应用无疑对提高机器人的设计性能、降低设计成本、减少产品开发时间提供了帮助，并为机械手的控制研究奠定了基础。

机器人手臂的动力学建模有很多种方法，最为常见的有基于Lagrange方程的方法、Kane方法、旋转代数法和Newton—Euler方法等。仿真软件也多种多样，如ADAMS、DADS、DISCOOS等。其中基于Lagrange方程的建模方法以编程方便，可以直接与通用的商业软件如ANSYS、ADAMS等对接而得到了广泛应用。而且它不涉及约束力，直接建立主动力与运动的关系，在机器人系统动力学特性的分析上有明显的优势。

英文名称：Robot Parts

机械手配件按照机械手的品牌的不同可以分为：哈镆机械手配件、天行机械手配件、有信机械手配件、精锐机械手配件、斯大机械手配件、德国威猛机械手配件等。