三自由度Delta并联机器人的设计与仿真(含CADCREO三维图)
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自由度
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毕毕 业业 设设 计计 说说 明明 书书 设计设计( (论文论文) )题目：题目： 三自由度 Delta 并联机器人的设计与仿真 学生姓名：学生姓名：专专业：业：所在学院：所在学院：指导教师：指导教师：职职称：称：目录摘要.2第 1 章 引言.31.1. 我国机器人研究现状.31.2. 工业机器人概述：.41.3. 本论文研究的主要内容.4第 2 章 机器人方案的设计.92.1. 机器人机械设计的特点.92.2. 与机器人有关的概念.102.3. 工业机器人的组成及各部分关系概述.122.4. 工业机器人的设计分析.132.5. 方案设案 .132.6. 自由度分析 .142.7. 机械传动装置的选择.152.7.1. 滚珠丝杠的选择.15第 3 章 零部件设计与建模.183.1. Croe 软件介绍.183.2. 关键零部件建模.183.3. 各部分的装配关系.25第 4 章 仿真分析.29第 5 章 致谢.33参考文献.33摘要摘要并联机器人是人类全新的机器人,它具有刚度大!承载能力强!精度高!自重负荷比小!动力性能好等一系列优点,与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系,因而扩大了机器人的应用领域Delta 并联机器人是最典型的空间三自由度移动的并联机构,Delta 机构整体结构简单!紧凑,驱动部分均布于固定平台,这些特点使它具有良好的运动学和动力学特性,实验条件下末端控制加速度可高达 5.09-(重力加速度)大量的实践证明,Delta 机构是迄今为止设计最成功的并联机构之一目前,Delta 并联机器人己经广泛应用于化妆品!食品和药品的包装和电子产品的装配机器人的运动学是机器人动力学!机器人控制和规划的基础,在机器人研究中占有重要的地位运动学研究内容包括正向运动学和反向运动学,对于并联机器人,其反向运动学相对简单而正向运动学复杂本文对三自由度 Delta 机器人运动学进行了研究通过对 Delta 机器人结构的分析,建立了运动学模型,确定了各个构件的空间位姿基于动平台与静平台之间的矢 量关系以及机构的约束方程,建立了该机构的运动学方程,推导出位置反解公式,同时给出了位置正解的数值解法在位置反解方程的基础上,分析了 Delta 机器人的工作空间,推导出该机构的雅可比矩阵,并对速度和加速度进行了求解.。关键词： 机器人，方案，设计，仿真第第 1 1 章章 引言引言近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。1.1. 我国机器人研究现状机器人是一种能够进行编程在自动控制下执行某种操作或移动作业任务的机械装置。机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发展最活跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国是从 20 世纪 80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986 年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所 1993 年研制的喷涂机器人，1995 年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜 300m 机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000 年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华南理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。我国目前拥有机器人 4000 台左右，主要在工业发达地区应用，而全世界应用机器人数量为 83 万台，其中主要集中在美国、日本等工业发达国家。在机器人研究方面，我国与发达国家还有一定差距。机构学形成并发展于十八世纪下半叶，迄今创造了各种新型机构，被广泛地应用在工业、农业、国防以及日常生活等诸多领域1。常用的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、挠性机构等2-4。其中，连杆机构应用最为广泛。按照构件之间的相对运动为平面运动和空间运动，连杆机构可以分为平面连杆机构和空间连杆机构。空间连杆机构可分为开链机构和闭链机构。闭链机构分为单闭环链和多闭环链机构。无悬杆的单闭合运动链有相同数目的构件和运动副，运动链是否能够运动决定于构件及运动副的类型和数目5。空间单闭链连杆机构运动巧妙，获得许多学者的关注。机器人机构学是机构学研究的一个分支。两足机器人是机器人学研究的主要对象之一，其系统全面研究开始于二十世纪 60 年代6-9，研究主要集中在仿人机器人10-18、辅助行走机器人19-21和被动行走两足机器人22-26领域。本文的研究动机是试图将传统的机构学应用在两足机器人领域，尝试拓展机构学的应用空间，同时尝试提出两足机器人的新构型和新应用。以下分别介绍空间单闭链连杆机构和两足机器人的研究概况。1.2.1.2. 工业机器人概述：工业机器人概述：在工业领域广泛应用着工业机器人。工业机器人一般指在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。工业机器人的定义为：“一种自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。 ”操作机定义为：“具有和人的手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。 ”3一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。一般多自由度串联机器人具有 46 个自由度，其中 23 个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余 23 个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。1.3.1.3. 本论文研究的主要内容本论文研究的主要内容作者系统学习了机器人技术的知识，查阅了大量的文献资料，对国内外机器人、主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解。在此基础上，结合作者本人的设想，和设计工作中需要解决的任务，主要进行以下几项工作：(1) 进行机器人本体结构的方案创成、分析和设计1.1 空间单闭链机构研究概况在机构学中，通常采用符号表示运动副类型。运动副符号 R、C、P、S、H 分别表示转动副、圆柱副、移动副、球面副、螺旋副。空间单闭链机构通常用一串运动副符号来表示，例如 RSSR。这不仅方便，而且反映了空间机构的主要特点。第一位符号表示连接机架和输入杆（主动件）的运动副，最后一个则是连接输出件（被动件）的运动副27。在空间机构的研究过程中，提出了各类空间单闭链连杆机构以及过约束机构5,27-33，为连杆机构研究提供理论基础，也为该类连杆机构的实际应用提供了备选方案。张启先5对自由度为 1 的空间单闭链的机构进行综合，如表 1-1 所示。其中运动副类别是按照自由度数目进行分类，由此表可知：在闭合约束数相同的机构中，所含运动副的类别越高，组成机构所需的构件数越少；相同个数的构件或运动副，只有满足某些特殊的几何条件，才能组成约束数不同的机构5。空间单闭链机构主要应用：1.在一些轻工业机械上（例如在缝纫机、纺织机、制鞋机等中有着广泛的应用） 。2. 在农业机械上。3.在一些飞机和汽车上（主要用来作为飞机的翼面操作、机轮缩放和汽车的传动、转向机构） 。4.作为轴向活塞机械（例如在活塞式压气机、发动机及轴向柱塞式油泵中应用广泛） 。5.在其它机械和仪表中5。1.1.1 空间三杆机构及其应用空间三杆机构是最简单的单闭链空间机构。如图 1-1 所示为典型的空间三杆 CSS和 CCS 机构34，其中图 1-1a 为空间三杆 CSS 机构，两个球面副间有局部自由度。图 1-1b 为空间三杆 CCS 机构，能实现某种需要的球面轨迹5，可用于需要球面轨迹的场合。1.1.2 空间四杆机构及其应用常见的空间四杆机构有 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。图 1-2 所示为其中的四种，其中图1-2a 为球面 4R 机构，图 1-2b 为 RCCC 机构，图 1-2c 为 RSSR 机构，图 1-2d 为RSSP 机构。空间四杆机构的应用较为广泛。RCCR 和 RSSR 为双曲柄机构；球面 4R 机构满足特殊几何条件时为万向联轴器机构；RCCC 满足特殊的几何条件时，可以看做是万向联轴器机构；RSSP 为曲柄滑块机构；PSSP 为双滑块机构；RSPC、RRSC、RSCC为曲柄转移机构。以下列举了几类四杆机构的典型应用示例。(1) 空间四杆 RSCS 机构如图 1-4 所示，将空间 RSCS 机构用作为一种飞机起落架收放机构。当杆 2 和杆 3在液压油作用下伸缩时，杆 1 绕斜轴摆动，从而达到收放机轮的目的。这里，杆 2和杆 3 各有一个可绕自身轴线转动的局部自由度5。并联机器人相对于目前广泛应用的串联机器人来讲， 具有刚度强、精度高、自重负荷比小、速度高等显著的优点；但也有其不足之处，如同样的结构尺寸，并联机器人的工作空间小，存在杆件空间的干涉、奇异位置等问题，结构设计理论分析复杂。由于并联机构动力学特性具有高度非线性、强耦合的特点，使其控制较为复杂。总体来讲，并联机器人与串联机器人构成互补的关系， 扩大了整个机器人的应用领域。并联机器人机构多种多样，Clavel 提出了一种称为 Delta 的三维移动机构。Delta 机构是最典型的空间三自由度移动的并联机构，大多数空间三自由度并联机构都是从 Delta 机构衍生的。Delta 机器人是一种具有 3 个平动自由度的高速并联机器人，也是商业应用最成功的并联机器人之一。目前，并联机器人广泛应用于飞行器对接、外科手术和数控加工等众多领域。食品制药领域普遍采用流水线生产，个别产品包装环节还离不开人工操作。由于环境复杂、产品特殊，传统机构很难满足灵活高效的要求，而并联机构在这些场合能充分发挥其优势。本文主要针对包装堆垛机器人的机构设计进行探讨和分析。由于结构中有空间平行四边形存在，限制了机构的三个转动自由度，仅仅留下三个平动自由度。于是设计了如下的并联机器人，如图机构的特点如下：（1）并联机器人采用四臂对称结构，每个臂为串并混联分支。（2）四个伺服电机和减速器安装在上平台上,主要的质量和惯性集中在上部，末端执行器由八杆相连，惯性小，速度快，效率高。（3）上平台为箱式结构，在箱体的内部可以安放驱动电路、控制电路等。（4）末端执行器由八杆球铰联接，安装电控吸盘，用于抓取物体。（5）球铰由弹簧拉紧。（6）上平台为齿轮齿条机构，实现机器人整体移动。目的是扩大并联机器人工作范围，也可根据情况不使用。此机构在运动过程中，末端执行器只有平动自由度，没有转动自由度。第第 2 2 章章 机器人方案的设计机器人方案的设计2.4. 机器人机械设计的特点串联机器人机械设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首先，从机构学的角度来看，机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系、末端执行器的受力和各关节驱动力矩（或力）之间的关系等，都不是一般机构分析方法能解决得了的，需要建立一套针对空间开链机构的运动学、静力学方法。末端执行器的位置、速度、加速度和各个关节驱动力矩之间的关系是动力学分析的主要内容，在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其它关节运动的影响，作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化，在高速情况下，还存在哥氏力和离心力的影响。因此，机器人是一个多输入多输出的、非线性、强耦合、位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，因此，即使通过一定的简化，也需要使用不同于一般机构分析的专门分析方法。其次，由于开链机构相当于一系列悬臂杆件串联在一起，机械误差和弹性变形的累积使机器人的刚度和精度大受影响。因此在进行机器人机械设计时特别要注意刚度和精度设计。再次，机器人是典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须要考虑到驱动、控制等方面的问题，这和一般的机械产品设计是不同的。另外，与一般机械产品相比，机器人的机械设计在结构的紧凑性、灵巧性方面有更高的要求。2.5.2.5. 与机器人有关的概念与机器人有关的概念以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。1 自由度：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。2 机器人的分类机器人分类方法有多种。(1) 按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP） ，连续轨迹控制型（CP）：（a）点位控制型（Point to Point Control ）：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。（b）连续轨迹控制型（Continuous Path Control ）：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。(2) 按机器人的结构分类，可分为四类：（a）直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。（b）圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以 q, r, z 为坐标，位置函数为 P f (q, r, z) ,其中，r 是手臂径向长度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。（c）球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以 q,f, y 为坐标，位置函数为 P f (q ,f, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。（d）关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型（SCARA 型）机器.人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。(3) 按驱动方式分类：按驱动方式可分为：（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动。电气驱动是 20 世纪 90 年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。(4) 按用途分类：可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。2.6.2.6. 工业机器人的组成及各部分关系概述工业机器人的组成及各部分关系概述 图图 2-1 工业机器人的组成图工业机器人的组成图 它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。A、执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。（1） 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。（2） 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。（3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。（4） 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。B、 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。C、 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。D、检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。图图 2-2 各部分关系图各部分关系图2.7. 工业机器人的设计分析2.2.1 设计要求综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为 1.5m，需设计工业机器人将一零件从 A 带送到 B 带。零件尺寸：内孔 100，壁厚 10，高 100。零件材料：45 钢。2.2.2 总体方案拟定 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。2.8. 方案设案案设计一种直线型 Delta 并联机器人，动平台与静平台之间通过三条支链连接。通过安装在固定框架上的三个直流电机结合滚珠丝杠副产生的直线运动，使动平台具有一个平动自由度和两个转动自由度。每个电机安装有编码器用于检测其转角，通过机构运动学建模可计算出动平台的位姿信息，并用于实现对机器人的控制。设计要求： 1.外形尺寸 600x600x800； 2.竖直方向平移范围：100mm，水平方向转动范围：15； 3.动平台最大承载 5kg；2.9. 自由度分析在自由度的分析中，一般涉及闲置自由度、冗余自由度、过约束、公共约束等问题。对较复杂的并联机构自由度分析，一般用螺旋理论进行分析。delta 型并联器人，在运动过程中，四个支臂始终保持空间平行四边形。根据螺旋理论分析末端执行器运动，可知螺旋系约束了绕三个轴的转动，说明此机构只有三个方向的平动自由度，没有转动自由度。机器人方案图机器人结构图2.10. 机械传动装置的选择机械传动装置的选择2.10.1. 滚珠丝杠的选择估算：等效载荷 Fm = 1000 N , 丝杆有效行程 420 mm , 等效转速 nm = 1500 r/min , 要求使用寿命 Lh = 15000 h 左右，工作温度低于 100，可靠度 95%，精度为 3 级精度。A、 计算载荷Fc = FKaKRKtKmF查 上册，表 15-21 得= 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1FKaKRKtK Fc = FKaKRKtKmF = 1.1 1.0 1.61 1 1000 = 1771 N = aC3c4hmF1067. 1Ln = 3417711067. 1150001500 = 19559 NB、 选择滚珠丝杆副的型号主要尺寸为：按= 19559N，查机电一体化设计基础表 2-9，选用汉江机床厂 C1 型滚aC珠丝杠，系列代号为 FYC1-4008-2.5。= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滚珠直径 d0=3.969mm0DnPwD 滚道半径 R=mmmmd064. 2969. 352. 052. 00 偏心距 e=mmdR20106 . 5)2969. 3064. 2(07. 0)2(07. 0丝杠内径 mmmmReDd76.35)064. 22106 . 5240(2220127 mm , =24000 N , =1880 NdaCCK螺旋导程角 = arctan = arctan = 3380ndP406螺杆不长，无需验算稳定性。 C、刚度验算按最不利情况考虑，即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： = + S4122n1GdPT1621nEdFP4式中 T1 = tan( +)mF2d0v = 1000tan(+)240383 408 = 1321 Nmm磨擦系数 f = 0.025, 当量磨擦角 = ，v 408剪切弹性模量 G=8.33 N/mm2410所以：= + S442276.351033. 881321162576.35
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