三自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真【含CAD圖紙、word說明書】

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Croe軟件介紹183.2. 關(guān)鍵零部件建模183.3. 各部分的裝配關(guān)系25第4章 仿真分析29第5章 致謝33參考文獻(xiàn)33摘要并聯(lián)機(jī)器人是人類全新的機(jī)器人,它具有剛度大!承載能力強(qiáng)!精度高!自重負(fù)荷比小!動力性能好等一系列優(yōu)點(diǎn),與目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)機(jī)器人在應(yīng)用上構(gòu)成互補(bǔ)關(guān)系,因而擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域Delta并聯(lián)機(jī)器人是最典型的空間三自由度移動的并聯(lián)機(jī)構(gòu),Delta機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡單!緊湊,驅(qū)動部分均布于固定平臺,這些特點(diǎn)使它具有良好的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性,實(shí)驗(yàn)條件下末端控制加速度可高達(dá)5.09-(重力加速度)大量的實(shí)踐證明,Delta機(jī)構(gòu)是迄今為止設(shè)計(jì)最成功的并聯(lián)機(jī)構(gòu)之一目前,Delta并聯(lián)機(jī)器人己經(jīng)廣泛應(yīng)用于化妝品!食品和藥品的包裝和電子產(chǎn)品的裝配機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)是機(jī)器人動力學(xué)!機(jī)器人控制和規(guī)劃的基礎(chǔ),在機(jī)器人研究中占有重要的地位運(yùn)動學(xué)研究內(nèi)容包括正向運(yùn)動學(xué)和反向運(yùn)動學(xué),對于并聯(lián)機(jī)器人,其反向運(yùn)動學(xué)相對簡單而正向運(yùn)動學(xué)復(fù)雜本文對三自由度Delta機(jī)器人運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了研究通過對Delta機(jī)器人結(jié)構(gòu)的分析,建立了運(yùn)動學(xué)模型,確定了各個構(gòu)件的空間位姿基于動平臺與靜平臺之間的矢 量關(guān)系以及機(jī)構(gòu)的約束方程,建立了該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)方程,推導(dǎo)出位置反解公式,同時給出了位置正解的數(shù)值解法在位置反解方程的基礎(chǔ)上,分析了Delta機(jī)器人的工作空間,推導(dǎo)出該機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣,并對速度和加速度進(jìn)行了求解.。關(guān)鍵詞： 機(jī)器人，方案，設(shè)計(jì)，仿真第1章 引言近二十年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國在機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面與工業(yè)化國家相比還有一定的差距，因此研究和設(shè)計(jì)各種用途的機(jī)器人特別是工業(yè)機(jī)器人、推廣機(jī)器人的應(yīng)用是有現(xiàn)實(shí)意義的。1.1. 我國機(jī)器人研究現(xiàn)狀機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程在自動控制下執(zhí)行某種操作或移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。機(jī)器人技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制及人工智能等多種科學(xué)的最新研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表，是當(dāng)代科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域。機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用正受到越來越多的國家的重視。近十幾年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國是從 20 世紀(jì)80 年代開始涉足機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃。1987 年，我國的“863”計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究列入其中。目前，我國從事機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)的主要是高校和有關(guān)科研院所。最初我國在機(jī)器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后，我國在機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩足步行機(jī)器人，北京自動化研究所1993 年研制的噴涂機(jī)器人，1995 年完成的高壓水切割機(jī)器人，國家開放實(shí)驗(yàn)和研究單位沈陽自動化研究所研制的有纜深潛300m 機(jī)器人，無纜深潛機(jī)器人，遙控移動作業(yè)機(jī)器人，2000 年國防科技大學(xué)研制的兩足類人機(jī)器人，北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華南理工大學(xué)研制的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人，以及各種機(jī)器人裝配系統(tǒng)等。我國目前擁有機(jī)器人 4000 臺左右，主要在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用，而全世界應(yīng)用機(jī)器人數(shù)量為83 萬臺，其中主要集中在美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家。在機(jī)器人研究方面，我國與發(fā)達(dá)國家還有一定差距。機(jī)構(gòu)學(xué)形成并發(fā)展于十八世紀(jì)下半葉，迄今創(chuàng)造了各種新型機(jī)構(gòu)，被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及日常生活等諸多領(lǐng)域1。常用的機(jī)構(gòu)有連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、撓性機(jī)構(gòu)等2-4。其中，連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。按照構(gòu)件之間的相對運(yùn)動為平面運(yùn)動和空間運(yùn)動，連桿機(jī)構(gòu)可以分為平面連桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu)。空間連桿機(jī)構(gòu)可分為開鏈機(jī)構(gòu)和閉鏈機(jī)構(gòu)。閉鏈機(jī)構(gòu)分為單閉環(huán)鏈和多閉環(huán)鏈機(jī)構(gòu)。無懸桿的單閉合運(yùn)動鏈有相同數(shù)目的構(gòu)件和運(yùn)動副，運(yùn)動鏈?zhǔn)欠衲軌蜻\(yùn)動決定于構(gòu)件及運(yùn)動副的類型和數(shù)目5。空間單閉鏈連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動巧妙，獲得許多學(xué)者的關(guān)注。機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)是機(jī)構(gòu)學(xué)研究的一個分支。兩足機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)研究的主要對象之一，其系統(tǒng)全面研究開始于二十世紀(jì)60年代6-9，研究主要集中在仿人機(jī)器人10-18、輔助行走機(jī)器人19-21和被動行走兩足機(jī)器人22-26領(lǐng)域。本文的研究動機(jī)是試圖將傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)應(yīng)用在兩足機(jī)器人領(lǐng)域，嘗試拓展機(jī)構(gòu)學(xué)的應(yīng)用空間，同時嘗試提出兩足機(jī)器人的新構(gòu)型和新應(yīng)用。以下分別介紹空間單閉鏈連桿機(jī)構(gòu)和兩足機(jī)器人的研究概況。1.2. 工業(yè)機(jī)器人概述：在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般指在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的定義為：“一種自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！辈僮鳈C(jī)定義為：“具有和人的手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置?！?一個典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。一般多自由度串聯(lián)機(jī)器人具有46 個自由度，其中23 個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余23 個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。1.3. 本論文研究的主要內(nèi)容作者系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機(jī)器人技術(shù)的知識，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對國內(nèi)外機(jī)器人、主要是工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)的了解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合作者本人的設(shè)想，和設(shè)計(jì)工作中需要解決的任務(wù)，主要進(jìn)行以下幾項(xiàng)工作：(1) 進(jìn)行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的方案創(chuàng)成、分析和設(shè)計(jì)1.1 空間單閉鏈機(jī)構(gòu)研究概況在機(jī)構(gòu)學(xué)中，通常采用符號表示運(yùn)動副類型。運(yùn)動副符號R、C、P、S、H分別表示轉(zhuǎn)動副、圓柱副、移動副、球面副、螺旋副。空間單閉鏈機(jī)構(gòu)通常用一串運(yùn)動副符號來表示，例如RSSR。這不僅方便，而且反映了空間機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)。第一位符號表示連接機(jī)架和輸入桿（主動件）的運(yùn)動副，最后一個則是連接輸出件（被動件）的運(yùn)動副27。在空間機(jī)構(gòu)的研究過程中，提出了各類空間單閉鏈連桿機(jī)構(gòu)以及過約束機(jī)構(gòu)5,27-33，為連桿機(jī)構(gòu)研究提供理論基礎(chǔ)，也為該類連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供了備選方案。張啟先5對自由度為1的空間單閉鏈的機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合，如表1-1所示。其中運(yùn)動副類別是按照自由度數(shù)目進(jìn)行分類，由此表可知：在閉合約束數(shù)相同的機(jī)構(gòu)中，所含運(yùn)動副的類別越高，組成機(jī)構(gòu)所需的構(gòu)件數(shù)越少；相同個數(shù)的構(gòu)件或運(yùn)動副，只有滿足某些特殊的幾何條件，才能組成約束數(shù)不同的機(jī)構(gòu)5。空間單閉鏈機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用：1.在一些輕工業(yè)機(jī)械上（例如在縫紉機(jī)、紡織機(jī)、制鞋機(jī)等中有著廣泛的應(yīng)用）。2. 在農(nóng)業(yè)機(jī)械上。3.在一些飛機(jī)和汽車上（主要用來作為飛機(jī)的翼面操作、機(jī)輪縮放和汽車的傳動、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)）。4.作為軸向活塞機(jī)械（例如在活塞式壓氣機(jī)、發(fā)動機(jī)及軸向柱塞式油泵中應(yīng)用廣泛）。5.在其它機(jī)械和儀表中5。1.1.1 空間三桿機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用空間三桿機(jī)構(gòu)是最簡單的單閉鏈空間機(jī)構(gòu)。如圖1-1所示為典型的空間三桿CSS和CCS機(jī)構(gòu)34，其中圖1-1a為空間三桿CSS機(jī)構(gòu)，兩個球面副間有局部自由度。圖1-1b為空間三桿CCS機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)某種需要的球面軌跡5，可用于需要球面軌跡的場合。1.1.2 空間四桿機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用常見的空間四桿機(jī)構(gòu)有4R35、RCSR36、RSSP37、RCCC38-45、RCCR44, 46-53、RSCR54、RRSS55-58、RSSR38, 59-66、RSCP54, 67、RRSC34, 67, 68、RCCP44, 69、RPSC28,70、CSSP54、CSSP54、RSSP37, 71, 72。圖1-2所示為其中的四種，其中圖1-2a為球面4R機(jī)構(gòu)，圖1-2b為RCCC機(jī)構(gòu)，圖1-2c為RSSR機(jī)構(gòu)，圖1-2d為RSSP機(jī)構(gòu)。空間四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用較為廣泛。RCCR和RSSR為雙曲柄機(jī)構(gòu)；球面4R機(jī)構(gòu)滿足特殊幾何條件時為萬向聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)；RCCC滿足特殊的幾何條件時，可以看做是萬向聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)；RSSP為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；PSSP為雙滑塊機(jī)構(gòu)；RSPC、RRSC、RSCC為曲柄轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)。以下列舉了幾類四桿機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用示例。(1) 空間四桿RSCS 機(jī)構(gòu)如圖1-4所示，將空間RSCS機(jī)構(gòu)用作為一種飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)。當(dāng)桿2和桿3在液壓油作用下伸縮時，桿1繞斜軸擺動，從而達(dá)到收放機(jī)輪的目的。這里，桿2和桿3各有一個可繞自身軸線轉(zhuǎn)動的局部自由度5。并聯(lián)機(jī)器人相對于目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)機(jī)器人來講， 具有剛度強(qiáng)、精度高、自重負(fù)荷比小、速度高等顯著的優(yōu)點(diǎn)；但也有其不足之處，如同樣的結(jié)構(gòu)尺寸，并聯(lián)機(jī)器人的工作空間小，存在桿件空間的干涉、奇異位置等問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論分析復(fù)雜。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)特性具有高度非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，使其控制較為復(fù)雜?？傮w來講，并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人構(gòu)成互補(bǔ)的關(guān)系， 擴(kuò)大了整個機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)多種多樣，Clavel 提出了一種稱為Delta 的三維移動機(jī)構(gòu)。Delta 機(jī)構(gòu)是最典型的空間三自由度移動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，大多數(shù)空間三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)都是從Delta 機(jī)構(gòu)衍生的。Delta 機(jī)器人是一種具有3 個平動自由度的高速并聯(lián)機(jī)器人，也是商業(yè)應(yīng)用最成功的并聯(lián)機(jī)器人之一。目前，并聯(lián)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于飛行器對接、外科手術(shù)和數(shù)控加工等眾多領(lǐng)域。食品制藥領(lǐng)域普遍采用流水線生產(chǎn)，個別產(chǎn)品包裝環(huán)節(jié)還離不開人工操作。由于環(huán)境復(fù)雜、產(chǎn)品特殊，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)很難滿足靈活高效的要求，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)在這些場合能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。本文主要針對包裝堆垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討和分析。由于結(jié)構(gòu)中有空間平行四邊形存在，限制了機(jī)構(gòu)的三個轉(zhuǎn)動自由度，僅僅留下三個平動自由度。于是設(shè)計(jì)了如下的并聯(lián)機(jī)器人，如圖機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)如下：（1）并聯(lián)機(jī)器人采用四臂對稱結(jié)構(gòu)，每個臂為串并混聯(lián)分支。（2）四個伺服電機(jī)和減速器安裝在上平臺上,主要的質(zhì)量和慣性集中在上部，末端執(zhí)行器由八桿相連，慣性小，速度快，效率高。（3）上平臺為箱式結(jié)構(gòu)，在箱體的內(nèi)部可以安放驅(qū)動電路、控制電路等。（4）末端執(zhí)行器由八桿球鉸聯(lián)接，安裝電控吸盤，用于抓取物體。（5）球鉸由彈簧拉緊。（6）上平臺為齒輪齒條機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體移動。目的是擴(kuò)大并聯(lián)機(jī)器人工作范圍，也可根據(jù)情況不使用。此機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，末端執(zhí)行器只有平動自由度，沒有轉(zhuǎn)動自由度。第2章 機(jī)器人方案的設(shè)計(jì)2.4. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，有很多不同之處。首先，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動關(guān)節(jié)）連接起來的開式運(yùn)動鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動分析和靜力分析復(fù)雜，兩相鄰桿件坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、末端執(zhí)行器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端執(zhí)行器的受力和各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩（或力）之間的關(guān)系等，都不是一般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，需要建立一套針對空間開鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)方法。末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度和各個關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩之間的關(guān)系是動力學(xué)分析的主要內(nèi)容，在手臂開鏈結(jié)構(gòu)中，每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動受到其它關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響，作用在每個關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)載隨手臂位姿變化而變化，在高速情況下，還存在哥氏力和離心力的影響。因此，機(jī)器人是一個多輸入多輸出的、非線性、強(qiáng)耦合、位置時變的動力學(xué)系統(tǒng)，動力學(xué)分析十分復(fù)雜，因此，即使通過一定的簡化，也需要使用不同于一般機(jī)構(gòu)分析的專門分析方法。其次，由于開鏈機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起，機(jī)械誤差和彈性變形的累積使機(jī)器人的剛度和精度大受影響。因此在進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)時特別要注意剛度和精度設(shè)計(jì)。再次，機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時必須要考慮到驅(qū)動、控制等方面的問題，這和一般的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是不同的。另外，與一般機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性方面有更高的要求。2.5. 與機(jī)器人有關(guān)的概念以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。1 自由度：工業(yè)機(jī)器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動副通常有移動副和轉(zhuǎn)動副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。以移動副相連的關(guān)節(jié)稱為移動關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動的關(guān)節(jié)稱為主動關(guān)節(jié)。主動關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)器人的自由度。2 機(jī)器人的分類機(jī)器人分類方法有多種。(1) 按機(jī)器人的控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型（PTP），連續(xù)軌跡控制型（CP）：（a）點(diǎn)位控制型（Point to Point Control ）：機(jī)器人受控運(yùn)動方式為自一個點(diǎn)位目標(biāo)向另一個點(diǎn)位目標(biāo)移動，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時的軌跡控制。（b）連續(xù)軌跡控制型（Continuous Path Control ）：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時做受控運(yùn)動，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機(jī)的角位移和角速度信號，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。(2) 按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類：（a）直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運(yùn)動方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，不會產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。（b）圓柱坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，以q, r, z為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P = f (q, r, z) ,其中，r 是手臂徑向長度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。（c）球坐標(biāo)型：具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。以q,f, y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P = f (q ,f, y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。（d）關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型（SCARA 型）機(jī)器.人。前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。(3) 按驅(qū)動方式分類：按驅(qū)動方式可分為：（a）氣壓驅(qū)動；（b）液壓驅(qū)動；（c）電氣驅(qū)動。電氣驅(qū)動是 20 世紀(jì)90 年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。它有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用方便、運(yùn)動精度高、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。(4) 按用途分類：可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。2.6. 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 圖2-1 工業(yè)機(jī)器人的組成圖 它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。（1） 手部：又稱手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。（2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。（3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。（4） 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動。B、 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的機(jī)械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。C、 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報(bào)警信號。D、 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動符合要求。圖2-2 各部分關(guān)系圖2.7. 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析2.2.1 設(shè)計(jì)要求綜合運(yùn)用所學(xué)知識,搜集有關(guān)資料獨(dú)立完成三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)和驅(qū)動單元的設(shè)計(jì)工作。原始數(shù)據(jù)：自動線上有，兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人將一零件從A帶送到B帶。零件尺寸：內(nèi)孔 100，壁厚 10，高 100。零件材料：45鋼。2.2.2 總體方案擬定 在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊。2.8. 方案設(shè)案設(shè)計(jì)一種直線型Delta并聯(lián)機(jī)器人，動平臺與靜平臺之間通過三條支鏈連接。通過安裝在固定框架上的三個直流電機(jī)結(jié)合滾珠絲杠副產(chǎn)生的直線運(yùn)動，使動平臺具有一個平動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。每個電機(jī)安裝有編碼器用于檢測其轉(zhuǎn)角，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)建模可計(jì)算出動平臺的位姿信息，并用于實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制。設(shè)計(jì)要求：1.外形尺寸600x600x800；2.豎直方向平移范圍：100mm，水平方向轉(zhuǎn)動范圍：15；3.動平臺最大承載5kg；2.9. 自由度分析在自由度的分析中，一般涉及閑置自由度、冗余自由度、過約束、公共約束等問題。對較復(fù)雜的并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度分析，一般用螺旋理論進(jìn)行分析。delta 型并聯(lián)器人，在運(yùn)動過程中，四個支臂始終保持空間平行四邊形。根據(jù)螺旋理論分析末端執(zhí)行器運(yùn)動，可知螺旋系約束了繞三個軸的轉(zhuǎn)動，說明此機(jī)構(gòu)只有三個方向的平動自由度，沒有轉(zhuǎn)動自由度。機(jī)器人方案圖機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖2.10. 機(jī)械傳動裝置的選擇2.10.1. 滾珠絲杠的選擇估算：等效載荷 Fm = 1000 N , 絲桿有效行程420 mm , 等效轉(zhuǎn)速 nm = 1500 r/min , 要求使用壽命Lh = 15000 h 左右，工作溫度低于100，可靠度95%，精度為3級精度。A、 計(jì)算載荷Fc = 查 上冊，表15-21得= 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1 Fc = = 1.11.01.6111000 = 1771 N = = = 19559 NB、 選擇滾珠絲桿副的型號主要尺寸為：按= 19559N，查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)表2-9，選用漢江機(jī)床廠C1型滾珠絲杠，系列代號為FYC1-4008-2.5。= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滾珠直徑d0=3.969mm 滾道半徑 R= 偏心距 e=絲杠內(nèi)徑 27 mm , =24000 N , =1880 N螺旋導(dǎo)程角 = arctan = arctan = 338螺桿不長，無需驗(yàn)算穩(wěn)定性。 C、剛度驗(yàn)算按最不利情況考慮，即在螺距(導(dǎo)程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計(jì)算公式為： = + 式中 T1 = tan( +) = 1000tan(+) = 1321 Nmm磨擦系數(shù)f = 0.025, 當(dāng)量磨擦角 = ，剪切彈性模量 G=8.33 N/mm2所以：= + = 0.0387 m 其中，危險截面= 35.76，E = 2.06每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形 = = 6.6 /m ()p = 15/m因?yàn)闈L球絲桿精度要求為3級精度，由表15-8查得()p = 15/m所以其剛度滿足要求。D、計(jì)算效率 = = = 0.960 = 96%第3章 零部件設(shè)計(jì)與建模3.11. Croe軟件介紹3.12. 關(guān)鍵零部件建模下面介紹了一些關(guān)鍵部件的三維幾何體和二維結(jié)構(gòu)尺寸圖。機(jī)器人大臂機(jī)器人大臂端機(jī)器人固定端電機(jī)固定座電機(jī)固定座動盤座 帶輪3.13. 各部分的裝配關(guān)系在個關(guān)節(jié)出使用球約束使得他們之間有相對運(yùn)動。關(guān)節(jié)之間創(chuàng)建萬向約束皮帶輪之間參與銷釘連接總裝配圖第4章 仿真分析首先進(jìn)入到仿真界面中：對電動機(jī)軸添加伺服電機(jī)，產(chǎn)生動力。設(shè)置位置做為電動機(jī)的變化量選擇運(yùn)行分析創(chuàng)建測量項(xiàng)目第5章 致謝參考文獻(xiàn)1 吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊第二版M.北京:高等教育出版社,1999.2廖念釗,莫雨松,李碩根,楊興駿.互換性與技術(shù)測量第四版M.北京:中國計(jì)量出版社,2000.3陳錦昌,劉就女,劉林.計(jì)算機(jī)工程制圖M.廣州:華南理工大學(xué)出版社,1999.4馮辛安,黃玉美,杜君文.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.5周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.6濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京:高等教育出版社,1995.7龔振幫.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社,1995.8 何立民.單片機(jī)高級教程:應(yīng)用與設(shè)計(jì)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000.9吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊M.北京:高等教育出版社,2002.10鄭堤,唐可洪.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.11張鐵,謝存禧.機(jī)器人學(xué)M.廣州:華南理工大學(xué)出版社,2001.12哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)M.北京:高等教育出版社,1997.13余達(dá)太,馬香峰.工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程M.北京:冶金工業(yè)出版社,2001.