二自由度机器人的结构设计与仿真

1、自由度机器人的结构设计与仿真学院：机械与车辆学院专业：机械电子工程姓 名：学 号：指导老师：职 称： 教授二自由度机器人的结构设计与仿真摘要并联机器人有着用联机器人所不具有的优点，在应用上与串联机器人形成互补关 系。二自由度并联机器人是并联机器人家族中的重要组成部分，由于结构简单、控制方 便和造价低等特点，有着重要的应用前景和开发价值。本论文研究了一种新型二自由度 平移运动并联机构，该并联机构采用类五杆机构，平行四边形刚架结构来实现，可有效 地消除钱链间隙，提高动平台的工作性能，同时有抵抗切削颠覆力矩的能力。根据该二自由度平面机构的工作空间，利用平面几何的方法求得连杆的长度，并通 过Pro/E

2、软件进行仿真检验，并通过软件仿真的方式，优化连杆长度，排除奇异点，同 时合理设计机械结构的尺寸，完成结构设计。对该二自由度并联机器人，以Pro/E为平台，建立两自由度平移运动并联机器人运 动仿真模型，验证了机构的实际工作空间和运动情况。最后指出了本机构的在实际中的 应用。并使用AutoCAD软件进行了重要装置和关键零彳的工程图绘制工作，利用 ANSYS 软件分析了核心零件的力学性能。研究结果表明，本文所设计的二自由度机器人性能良 好、工作灵活，很好地满足了设计指标要求，并已具备了一定的实用性。关键词：二自由度；并联机器人；仿真；结构设计； Pro/E2-DOF robot structure

3、design and simulationAbstractParallel robot has a series of advantages of the robot does not have to form a complementary relationship between the application and the series robot. The 2-DOF parallel robot is an important part of the family of parallel robots. The structure is simple, convenient and

4、 cost control and low, with significant potential applications and the development value. In this thesis, a new 2- DOF translational motion parallel mechanism, the analogous mechanismfor class five institutions, parallelogram frame structure, which can effectively eliminate the hinge gap and improve

5、 the performance of the moving platform, while resistance to cutting subvert the torque capacity.The working space of the 2-DOF planar mechanism, the use of plane geometry to obtain the length of the connecting rod, and the Pro/E software simulation test, and software simulationto optimize the conne

6、cting rod length,excludingthe singular point, while the size of the rational design of mechanical structure, complete the structural design. And important equipment and key parts of the engineering drawings using AutoCAD software, using ANSYS software to analyze the mechanical properties of the core

7、 parts.The 2-DOF parallel robot to the Pro/E platform, the establishment of the 2-DOF of translational motion parallel robot simulation model to verify the organization's actual work space and movement. Finally, this institution in the practical application. The results show that the combination

8、 of good motor performance of the 2-DOF parallel robot , good to meet the index requirements, and already have a certain amount of practicality.Keywords: 2-DOF; parallel robot; simulation; structural design; Pro/E1前言11.1 本课题的研究背景及意义 11.1.1 什么是机器人 11.1.2 机器人技术的研究意义 11.2 机器人的历史与发展现状 21.2.1 机器人的发展历程 21

9、.2.2 机器人的主要研究工作 31.2.3 少自由度机器人的发展历程 41.3 本课题的研究容 52二自由度机器人系统方案设计 72.1 二自由度并联机器人机构简介 72.2 执行机构方案设计及分析 73二自由度机器人的结构设计与运动分析 83.1 已知设计条件及参数 83.1.1 连杆机构自由度计算 83.1.2 五杆所能达到的位置计算 83.2 对机构主体部分的运动学逆解分析 103.2.1 位置分析 103.2.2 速度与加速的分析 113.3 受力分析 124基于Pro/E软件环境下二自由度机器人的结构设计 164.1 Pro/E软件简介 164.2 驱动元器件的选择 174.2.1

10、 步进电机的选择 174.2.2 联轴器选择 184.3 平面连杆机构的结构参数确定 194.4 输入轴的设计 204.5 安装支架的参数确定 215基于Pro/E软件环境下的机器人装配及动态仿真 235.1 虚拟装配过程 235.1.1 连杆机构的装配 235.1.2 安装支架的装配 245.1.3 完成二自由度机器人的最终装配 245.2 基于Pro/E软件环境下的动态仿真 256基于AutoCAD软件环境下的机械结构设计 316.1 AutoCAD软件简介 316.2 平面连杆机构的结构设计 326.3 机架的结构部件图绘制 336.4 二自由度机器人工程图绘制 347基于Ansys软件

11、环境下的有限元分析 367.1 Ansys软件简介 367.2 对输入轴的有限元分析 377.3 对输入连杆的有限元分析 378总结与展望408.1 课题研究工作总结 408.2 研究展望 41参考文献42致 44附录（一） 45附录（二）53机器人技术是一门光机电高度综合、交叉的学科，它涉及机械、电气、 力学、控 制、通信等诸多方面。机器人技术的发展，应该说是利用科学技术发展的一个综合性的 结果，同时，也是为社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术。随着社会的发展， 人们不断探讨自然、改造自然、认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造， 这也是人们在科学技术发展过程中的一个客观需要。

12、1.1 本课题的研究背景及意义1.1.1 什么是机器人机器人（Robot）的研究是由仿生学、机械工程学和控制工程学等多学科相互融合而 形成的一门综合性学科，它代表了机电一体化的最高成就，所研究的机器人是一种能够 代替人从事多类工作的高度灵活的自动化机械，而机器人技术研究的一个主要目的就是使其能够代替人劳动，能够灵活自如地完成人所能完成的和难以胜任的工作。1.1.2 机器人技术的研究意义机器人技术的出现和发展不仅使传统的工业生产发生根本性的变化，而且对人类的社会生活也产生了深远的影响。最初人们应用开环串联作为机器人操作机，因为它们具 有像人手臂一样的广阔运动空间以及灵活机动性等优点，但由于它们是

13、悬臂结构，故承 载能力差，在重载情况下容易弯曲变形，在高速运动时容易振动，且精确定位能力也不 理想；后来人们观察生物世界，发现动物肢体由多个并行的腿支撑，负载时平稳，人类 自身用双手配合拿起重物时也较单臂时轻松，三个并行手指精确的使用能够完成像书写 这样的精细工作，人类从中受到启迪，开始研制并联机器人，并希冀并联机器人具有较 好的刚性和定位能力，从而更大限度满足人们生活娱乐的需要 10近20年来并联机器人备受人们关注，越来越多的国外学者开始从不同方向从事并 联机器人技术的研究工作，越来越多的并联机器人在机械加工、仿生、军事、医疗、生 物、宇航和海洋工程等领域得到应用作为一种先进的生产工具，利用

14、机器人不仅能够完 成大量简单重复性工作，而且可以完成许多以前必须通过人工才能完成的复杂工作，在 提高效率的同时改善了质量。但传统的串联机器人存在关节误差累积效应、末端执行器 刚度较低和负载驱动能力有限等问题，这都限制了串联机器人在实际应用中的性能。为了弥补串联机器人的不足，人们提出了一种新型的具有多运动链结构的机器人一一并联机器人。从机构学上看，并联机器人具有运动惯量低、刚度大、负载能力强等优点，这 恰恰弥补了串联机器人的不足，使得并联机器人成为一个潜在的高性能运动平台。由于实际应用的需要，目前对机构简单、驱动元件少、成本低、工作空间比较大的 少自由度机构的研究，已成为机构学领域的一个热点问题

15、。目前，国际学术界和工程界 对研究和开发并联机床非常重视，对这种新型数控装备的工程应用前景和市场潜力极为 乐观，纷纷投入人量人力和物力竞相开发，并从 20世纪90年代初以来相继推出多种结 构相似而名称各异的产品化样机。随着并联机器人技术的发展，少自由度并联机构因其 结构简单、经济，引起了许多学者的广泛兴趣。1.2 机器人的历史与发展现状1.2.1 机器人的发展历程并联机器人的出现可以追溯至 20世纪30年代。1931年，Gwinnett2在其专利中提 出了一种基于球面并联机构的娱乐装置，如图1.1所示；1940年，Pollard 3在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆；如图 1

16、.2所示；之后，Gough4在 1962年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置；如图 1.3所示；三年后， Stewart 5首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为 飞行模拟器的运动装置，如图1.4所示，且把它命名为 Gough-Stewart机构或Stewart 机构，目前“ Stewart Platform ”已成为并联机器人领域中使用最多的名词之一。图1.3 Gough并联机构图1.4 Stewart并联机构近几十年来，德国、意大利、法国及英国的机器人产业发展比较快。目前，世界上机器人无论是从技术水平上，还是从己装备的数量上，优势集中在以美日为代

17、表的少数 几个发达的工业化国家。我国工业机器人起步于20世纪70年代初，大致可分为三个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。1965年美国的D.Stewart发明了六自由度并联机构并用于飞行模拟器中训练飞行 员；澳大利亚著名机构学教授 K.H.Hunt6在1978年提出可以应用6自由度的Stewart 平台机构作为机器人机构将并联机构 Parallel Manipulator用于机器人手臂并提出多种形式的并联结构对其可行性进行了系统研究。自1978年Hunt提出并联机器人结构模型以来，并联机器人的研究受到许多学者的关注，美国、日本先后有 Rooney Ficher、 Du

18、ffy Sugimoto 等一批学者从事研究；英国、彳惠国、俄罗斯等一批欧洲国家也在研究 Ficher对六自由度并联机器人机构的基础理论、基本结构及其奇异性等。国燕山大学的 黄真教授自1982年以来在美国参加了此项容的研究，并于1983年取得了突破性的进展。 在国，黄真教授在并联机器人方面做出了较突出的贡献，1991年他研制出我国第一台六 自由度并联机器人样机，如图1.5所示；1994年又研制出柔性银链并联式六自由度机器 人误差补偿器，如图1.6所示；然后在1997年出版了我国第一部关于并联机器人理论 及技术的专著。图1.5并联机器人样机图1.6机器人误差补偿器迄今为止，多自由度机械手的样机各

19、种各样，包括平面、空间不同的自由度的机构 以及超多自由度并串联机构。大致说来，60年代曾用来开发飞行模拟器，70年代提出 并联机械手的概念，80年代末期开始研制并联机器人机床，90年代利用并联机构开发 起重机。日本的田和雄、山胜等人则利用并联机构开发宇宙飞船空间对接器等。1.2.2 机器人的主要研究工作多自由度机械手的理论研究涉及到许多现代控制、现代测量、建模仿真等科技。因 此，有大量理论研究工作在深入进行。目前，主要的研究工作有以下几个方面：1 .设计理论研究。由于有些机械手具有作业空间小和奇异点多的不足，目前理论的研究有是围绕着扩大作业空间、改善灵活性、回避奇异点的运动特性和运动规律，这涉

20、 及到结构学、运动学、动力学、机构学、数学等研究领域。2 .控制技术研究。目前对控制方法、控制精度、数控编程等方面分别进行了研究， 其关键技术是通过机械手各个驱动杆的控制，实现 X轴、Y轴和Z轴的控制，使指定点 精确地到达指定位置。3 .误差分析研究。由于存在着许多其它影响精度的因素，如制造和安装误差，连接 杆上下较接处的间隙，杆长偏差对动平台位置精度的影响等等。一些学者对此进行了专 门的研究并建立了相应的精度分析模型。近年来，随着控制控制理论和计算机技术的快速发展，以机器人为核心的自动化生产设备成为现代产业的一个重要支柱，它大大提高了生产的质量和效率。由于机器人 在生产、生活等方面的广泛应用

21、，对机器人的控制研究一直是该领域专家的研究重点。1.2.3 少自由度机器人的发展历程在并联机器人机构体系中，有着多种机构种类划分方法，按照自由度划分，有 2个 自由度、3个自由度、4个自由度、5个自由度和6个自由度并联机器人，其中25个自 由度机器人被称为少自由度机器人；按照机器人机构结构划分，可分为平面结构机器人、 球面结构机器人和空间结构机器人。多自由度机械手以其独特的结构和先进的控制技 术，其在生产生活中的地位越来越重要。当制造业面临全球市场竞争，必须以快速响应 求生存、求发展的时候，机械手的一些优点具有明显的市场潜力和良好的发展前景就显 现了出来。现代社会对工业机器人的操作性能和运行速

22、度的要求不断提高，实际工程应 用的要求促使人们去研究具有刚度好、运行速度快负载能力强的新型机器人。80年代以来世界各国纷纷开展基于并联机构机器人的研究与开发并在部分场合得到了应用。但是目前仍然存在着工作空间较小、运动围有限的缺点。因此，如何做工作空间较大的工 业机器人臂、如何开发具有高速重载特点的机器人，也就是说具有新的功能特点的并用 联复合机器人，这是个值得深入研究和探讨的问题。由于多自由度的机器人存在建模困难、运动耦合和对元件精度要求高等不足，而且 在许多情况下用户并不需要六自由度机械手，低于六自由度即可满足实际要求。因此， 近年来一些少自由度并联机构成为新的研究热点，少自由度机构具有结构

23、简单、造价低 等特点，在实际领域中有着广泛的应用前景。许多学者研究了少自由度机构，有两转动 一平动、三转动两平动、两转动两平动机构等，科技大学研制并出了平面2自由度驱动冗余并联机器人样机，如图1.7所示，通过增加一个串联分支同时增加一个驱动，构 建了平面2自由度驱动冗余并联机器人，这种驱动冗余并联机器人的特点在于能克服瞬 时自运动奇异而改善机构的灵巧性，同时减小了原非驱动冗余机构的理论可达工作空 问。由于驱动冗余可以改善机器人力传递的一致性，既减少了工作空间的奇异，同时增加了机器人的承载能力和刚度，能够有效完成非冗余并联机器人的工作任务，所以,平面2自由度驱动冗余并联机器人可以完成平面上点的定

24、位，实现平面任意轨迹图1.7平面2自由度驱动冗余样机图1.8汽车变速器球面机器人机构是一种各转动轴线相交于一点的空间机构，由于制造相对简单经 济，结构紧凑，特别适用于空间姿态变化的地方，因而球面机构在工业上得到了比较广 泛的应用，如广泛使用的万向节就是最典型的球面四杆机构，大多数实用的机器人的手 腕就是一个球面三杆开链机构，如图 1.8所示的作为汽车变速器为一种球面 5R并联机 构。这些少自由度机构的出现，大大丰富了并联机器人的机理，拓宽了这些新机犁的应 用前景。但有些少自由度机构的许多结构、运动学等办面的性质尚未被认识，目前国外 现有的空间机构综台与组成原理上不成熟，仍存在许多及待解决的问题

25、。因此分析少自 由度机构的结构特性及运动特性，对少自由度机构的应用具有重要的理论意义，而且具 有极高的研究价值7 。1.3 本课题的研究容本课题的预期目标是首先对两自由度平移运动并联机构的自由度数进行理论上的 证明和仿真验证。在此基础上对机器人工作空间进行详细分析，研究工作空间的区域， 面积与机构尺寸间的关系，并根据各项性能跟机器人机构尺寸的关系，进行并联机器人 结构设计。最后对其进行运动学的仿真，验证并联机器人的工作空间和运动情况。本论 文的主要研究容如下：第1部分阐述课题的研究背景和意义，综述国外相关领域研究情况，论述了本课题 研究的主要容。第2部分介绍了两自由度平移运动并联机器人结构，

26、并对它的自由度进行了理论证 明和仿真验证，确定机构的执行方案及机械系统的结构方案，为具体结构设计做好准备。第3部分在机构尺寸模型的基础上，详细地讨论了有效工作空间的形状，面积大小 与机构尺寸的关系，求出机构在运动平面的等效杆长，并在 Pro/E软件环境下，建立模 型，通过计算、仿真优化机构尺寸。最后设计整体机械结构，并使用 Pro/E模拟仿真。第4部分AutoCAD件环境下对各个机械结构进行设计， 并确定该并联二自由度机 构的驱动元件。第5部通过以Ansys,对主要机构，即连杆机构强度进行分析验证。最后指出了本高刚度两自由度平移运动并联机器人的实际应用。2二自由度机器人系统方案设计2.1 二自

27、由度并联机器人机构简介二自由度并联机器人机构（如图2.1 ）,将两电机设置在固定支架上，固定平台与作 两自由度平移运动的运动平台通过两条运动支链并形成一个封闭的结构。 可以在水平面 的X和Y轴上移动，并保证平面上的一点可以到达一定围（200M80/长X宽）的任何一 个位置。该机构中有两根杆是平行四边形杆，用以保证平面的运动形式。图2.1二自由度并联机器人机构结构简图2.2 执行机构方案设计及分析移动架的主体部分是由主动连杆和中间连杆组成的。主动连杆有两根，安装在连杆 安装座上。一侧的主动连杆是一个平行四边形机构，用以保证运动的准确性。主动连杆 由电机驱动。系统的主体部分是一个二自由度的类五杆机

28、构，由于其特殊的结构，它具有以下特 点' 八、1 .根据结构布局特点，四根连杆近似成对称分布，便于加工、装配和保证配精度要 求。2 .采用平行四边形刚架结构，可有效地消除钱链间隙，提高动平台的工作性能。同 时有抵抗切削颠覆力矩的能力，进而有利于改善整机结构的静、动态特性。3 .该系统结构简单，采用伺服电机驱动，具有较高的实用价值。3二自由度机器人的结构设计与运动分析3.1 已知设计条件及参数根据平面连杆机构的机构运动简图和已知的工作空间参数200M80mm经过计算、分析，设定其他已知参数，如两电机间距、初始位置以及主动杆件的摆角围等，求解连 杆长度。3.1.1 连杆机构自由度计算小叫那

29、叫图3.1连杆机构结构简图类五杆并联连杆机构的结构简图如图 3.1所示，工作机构位于中间三角形部分，为 满足工作条件，需要L1, L4两个杆件主动运动，即可控制工作机构在所需空间运动。由图3-1可知，本机构包括8个活动构件，11个转动副，由自由度的计算公式 F=3n-(2Pl+Ph)可知，整体自由度为F=3>8-2 X1=2。机构整体自由度为2,符合要求。 3.1.2五杆所能达到的位置计算选取图3.2所示五连杆为模型。已知五杆杆长 AB BG CD DE EA分别为L1、L2、 L3、L4、L5在五连杆运动过程中，欲求出点 C的运动轨迹域，需先找出点 C的几个极 值位置的点，分析可知点C

30、可达到的距固定较支点A的最远距离为以点A为圆心以11+ 12 为半径的圆，同样可达到的距较支点 E的最远距离为以E点为圆心，以l3+ l 4为半径的 圆，而点C可达到的距固定较支点 A的最近距离为以点A为圆心以1i-12为半径的圆区 域，同样可达到的距较支点 E的最近距离为以E点为圆心，以l 3-14为半径的圆，如图rl| l2 l13.2所示，现令2r3l2 l1l3 l4r4l3l4根据上述原理，选定工作空间为200 X180mm对4杆进行研究，L1的工作空 间是半径为L1的圆域（设为圆1）, L2 的工作空间在以半径L1+L2为半径的圆 2和圆1间，L3的工作空间是半径 为L3的圆域（设

31、为圆3）, L4的工作空 间在以半径L3+L4为半径的圆4和圆3 间。由于三角形连接中的工作空间已知， 又机构做平动，由上述约束条件加上实 际情况的附加条件可得到一系列的驱动尺寸,图3.2类五杆机构简图最后得到从动尺寸L1、L2和H （矩形工作空间下边线与水平轴L5的垂直距离。作图过程中，需要考虑杆会干涉的点）。作图步骤：建立200M 80mmi勺矩形ABCD使AB=CD=180mm#虑到工作面是个三角形，估ABCD向右平移25mml到L2端点的工作空间。以O为端点建立水平轴，以。为圆心，以L1和L2为（目前均未知）半径画同心圆， 其中圆2过BC中点。L2端点的工作空间就在圆1和圆2间。同理在

32、水平轴上取一点为 圆心做半径为L3, L4的同心圆，使圆 4距AB边20mm在上述约束条件下，驱动L1、L2以及AD与水平轴的垂直距离H有了取值方向，考 虑到实际情况中，杆间角度不宜过小，甚至干涉。做两处调整：使约束 L2端点的工作 空间与圆1有一定距离，从而避免L1和L2干涉，考虑到L3和L4的平行杆间比L1和 L2更容易干涉，使整体工作空间往左偏移中线 20mm通过上述尺寸预算，再经过Pro/E的模拟，进行尺寸的确定、验证、排除奇异点等。 最后确定各值如图3-3。由图 3.3 可知，L1=243mm L2=237mm L3=175mm L4=195mm L5=690mm图3.3连杆长度示意

33、图3.2 对机构主体部分的运动学逆解分析图3.4五杆构件运动学分析参考图3.2.1 位置分析如图3.4所示，由于机才的特殊性，。点平动，其运动和受力同C点一致，为了简 化计算过程，可分析C代替。点，期中11, 12, 13, 14, 15代表五杆杆长，两原动件相位角为1和4,角速度为1和4,角加速为1和4。C点的位置为Xc,yc ,则C点的位置方程为xcxb l2 cos 2 xd l3 cos 3(3.1 )已知：原动件为杆1和杆4, l 1, I2,|3, l 4和| 5为五杆构件的杆长尺寸，运动输出点C的位置xc, yc、速度Xc，Vc和加速度Xc，yc ,求两原动件的位置，角速度1、

34、4,角加速为由图3.2可知,B点的位置坐标为XbXaVbVa11 cos11 sin(3.(2)Xc2XaVcVa12 ll;BoxcXal1 ；CoVcVa(3.1 )和式（3.2）联立可得AoBo cos 1 Co sin 1 0(3.(3)Vc Vbl2sin 2Vd hsin 3tan 1/2 ,并将其带入式（3.3）,可得CC2 B2 A2A B4,这样也就求出了 B D2arctanT ,1有两组解。同理可以求出 2点的坐标。形式。因为五杆机构的位置逆解是唯一的，取哪一组解取决于五杆机构的初始位置3.2.2 速度与加速的分析对式（3.1 ）和式（3.2）求导，联立得XcXa1l1

35、sin 12l2 sin 2VcVa1l1 cos 2212 cos 2(3.4)由式（3.4）可得yc Va sin 2XcxA cos 22l2sin 22l 2 cos 22.2l2 cos 212对式1ycVa11sin 1 sin 1Xc2Xa COs 12(3.4)求导，Xc XaVc Va11sin1覆 w111 sin111 cos1122.111 cos 12.111 sin 12.2l2sin 2(3.5)由式(3.5)可得Vayc sin 2 XaXc cos 221l1cos 12l22 l211l1 sin12同理可以求得4和4的值。通过Pro/E仿真模拟可以得到速度

36、与加速的值3.3 受力分析下图，图3.5为带有牛顿参考系的二自由度平面五杆机构动力学建模简图，e、62、e3为空间3个方向的单位矢量.已知各杆杆长为:、I2、I3、I4和I5,假设质心位置处于杆长的1/2处，载荷F作用在C点处，大小不变，方向与C点的速度方向相反.，且 已知主动件（两连架杆）的运动规律，构件的质量和绕质心的转动惯量。我们的目的是 通过列出动力学方程来求出作用在驱动杆件上的平衡力矩。约定各构件质心代号为1、2、3、4,求解过程如下。1.求各质心点、外力作用点的偏速度和各刚体偏角速度。以构件11、14的角位移14为独立变量可构成完整的多刚体系统,Kane方程用广义速率u11、U24

37、来描述系统。10U©得iie3 ,12U11U24©3U233 得414U10，424U2e3又由质心1处的速度V1Ui 卜 e2 cos21 e sin 1 得V11l1e2 cos 1 e sin 1 2V12V1U2V41V414u2e2 cos2V43V4U214e2 cos 4 2e1 sin 4构件3、4的偏速度、偏角速度可由约束条件获得，把机构虚拟成封闭的矢量图,可得对式11 cos11 sin12 cos 212 sin 215 14cos 4 13 cos 314 sin 4 13sin(3.6)(3.6)两端求导得111sin 1212 sin111co

38、s 1212 cos2414sin 42414 c0s 43I3 cos3(3.7)3由式(3.7)可得e3u214 sin43u111sin 112sin 23u111 sin12u214 sin243;:QLsin 32从而212u111 sin12sin 23e33222U214 sin412 sin23-e33313U111 sin 1Isin2e32323U214 sin13 sin4一e32因为V2Vb122 e2 cos 22e1 sinVb11 1e，cos 1e sin 1所以v2111cos 112221 cos 2e211 sin12221 sin122同理可得22 e2

39、 cose1 sinvC111cos 1 1221cos 2e211 sin 11221sin 2vC21222e2 cose1 sinv3113231% cose1 21 sinv3214 cos 432 cos 3 %214 sin13232 sin2.广义主动力、广义惯性力和 Kane方程在Kane方程中，理想约束力所对应的广义主动力等于零。五杆机构运动副中的约束为理想约束，即不计算接触处的摩擦力的光滑 表面。所以，在计算广义主动力时，可以将理想约束力排除。作用在五杆机构上的主动力分别有阻力 F,两驱动力矩Ma、Me。广义主动力Fi和F2为FiFF2FvC1MvC2MA 11A 12M,

40、ME 41E 42(3.8)广义惯性力的求解略复杂,它包括各构件的惯性力和惯性力矩。 对应于Ur的广义惯性力Fr为4*Frj 1*Fj vjr Tj jr ， r=1,2(3.9)式中Fr、Tj分别为构件j的惯性力和惯性力矩设五杆机构中杆件j是均质杆，杆的质量为mj,绕质心的转动惯量为Ij,则有一*Fjmjajmj"em,j 1,K ,4m 1,2,3*TjIj jIj j与，j 1,K ,4m 1,2,3将式(3.8),式(3.9)代入Kane方程Fr*Fr 0r 1,2 得F VciMa411 Me 41mjVjem Vj1j 1I j jemj1F Vc2 Ma412 Me 4

41、2mjVjem Vj2j 1I j j emj2由上式可知,Kane方程中有两个驱动力矩,通过二元一次方程组即可求解出这两个驱动力矩8-174基于Pro/E软件环境下二自由度机器人的结构设计本章采用Pro/E软件对二自由度机器人的结构进行设计，通过对零部件的设计，再 通过装配，最后形成二自由度机器人的完整结构， 通过导出装配图和主要零部件工程图， 最终完成结构的设计。4.1 Pro/E软件简介Pro/E 是美国 Parametric Technology Corporation (简称 PTC冰司的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位,并作为当今世界机械CAD/CAE/CA顿域的

42、新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CA瞰件之一。Pro/E作为三维造型设计系统，是一套由设计至生产的机械自动化软件，其功能强 大，用途广泛，是新一代 CAD/CA陈统软件。它以尺寸驱动、特征建模、全参数设计、 单一全关联的数据库、虚拟现实及多数据接口等优点改变了传统的设计观念，使设计工 作直观化、高效化、精确化和系统化，成为目前机械CAC®域的新标准。与传统的CAD系统仅提供绘图工具不同，Pro/E提供了一套完整的机械产品解决方案， 包括工业设计、 机械设计、模具设计、钺金设计、加工制造、机构分析、有限元分析和产品数据库管理， 甚至包括了产品生命周期，是多项技术的集

43、成产品。Pro/E的主要特征有：1 .三维实体模型；2 .单一数据库；3 .基于特征的参数化实体建模；4 .行为建模技术；5 .机构设计技术；6 .强大的装配功能；7 .NC加工；8 .二次开发技术。Pro/E在各行各业中的应用越来越广泛、 越来越深入，虽然和AUTOCAD二维绘 图 软件相比，Pro/E使使用相对要难得多，但这并没有阻止人们对它的学习、 使用及开发。 这也充分说明了 Pro/E具有人们所渴望的优良的性能和灵活多变的开发方法。美国PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念已成为当今世界机械 CAD/CAM/CA领域的新标准。基于此开发出来的第三代机械 CAD/C

44、AM/CAE品Pro/E在 当今同类产品中代表着较高的水平。该系统全方位地提供了从产品概念设计、精确设计、模具设计到模具型腔数控加工一整套功能，极缩短了产品开发的周期，提高了产品的竞争力。从大量文献中可以看出，Pro/E在它所触及的各行各业中的应用程度及深 度虽然各不相同，但其成果是可喜的，效益是显着的！相信随着社会的发展，其参数化快速设计的优势又会越来越明显，今后会在更多的领域得到更广泛的应用18 04.2 驱动元器件的选择4.2.1 步进电机的选择考虑到五杆机构重心偏向右侧，右侧所需力矩大于左侧，参考表 4.1 ,在这里，左 侧选择 56BYG250C-BASSBL-0241右侧选择 56

45、BYG250C-SASSBL-0241电机型号具体说明，如表4.2所示。典型工况下，步进电机的脉冲频率分别为：fxVx60二103160 0.05310333.3p/sfyvy607103160 0.05103 333.3p/s经验算，该型号步进电机可满足设计要求步进电机的具体尺寸如图4.3所示。表4.1部分电机参数觥箱型号柜&静志目脆 里 曲百电显(mH)依特诺 矩 (Nbm)电 :Nrn)率 泮步向 (KHz)垂呈 (kgj昼 (g-cm2)56BVG250B-SASSBL-O241z2A155240.6S0.03270.4818015&BVG250B-BASSBL-O34

46、1£0.5/i-a24(55240.650.032.7GMISO255BVG250C-&ASS3L 02412%卯132A1.24j01.040.042AO.e2D10YG25OC BASS&L 0241z2AL24 JOL042君口总之破Z5 &eVG250D-SASSBL-024121D.9炉：.4可541.72007箱1460156B/G250D-BASSBL-O2410.9/132A1.5541.720.373j01於02S65CD125月24541.720.07工01460T襄 PKG Z 50E-5A5 SBL-0W1260.51-B2.50.12

47、3.11.57501表4.2型号说明56BYG250C-SA设计代M相和T024； 2-4AMML,则出城.2梢4楼尺寸”.b： m机克熊状Rr面触写：方融F;峡星Si AW伸任度标;1B:常住编悼伸式S：单b： n粒身虻泼心门L行的：£0智旧融2：两幅室梯崩就时犯台式机座号午的目一号监宇-1蠢目T GW 口耳向多争目LUMT4111*B33图4.1电动机尺寸4.2.2 联轴器选择伺服电机的功率约为 R=55以 转速ni=360r/min ,电动机的轴直径和输入轴的直径 在 6.5mm7.5mm一,p0 055转矩T 9550-p 9550 0一 N m 1.46N m。由表4.3查

48、得，伺服电机工作机的 n360工况系数Ka 1.3,故计算转矩TcKaT1.3 1.46N m 2.8N m表4.3工作情况系数Ka工作机原动机为电动机时转矩变化很小的机械1.3转矩变化较小的机械1.5转矩变化中等的机械1.7转矩及化和冲击载荷中等的机械1.9转矩变化和冲击载荷大的机械2.3根据实际需要，采用一体化，小型，低惯量的弹性管STL3-6-7-J联轴器，如图4.2所示STL卷用性瞥醛告驯，d皿 z嚼一wee He coufi"精怠 SpeaaitySTL - 0. - d , . ； Jf. 1''.；,4 t hi.F(HTlXnrf计 r h：riLq

49、:HL OrZSmenIvvMMA 0 l&mm 无门，也：/二 5 Lrnied ange de-nonan 5 t 评 I 0星t d：0.25rnm UtMid nl« dwtabon t Q 25mm 1 - h-：d-, p"ii卜程科券发电电Mi廿 眠事I 察才Rm tltl xeM1Mmly Ea才由如Mid：t示记 R&mart.镣仲，崎vtj«#r memehematy o«mp tw 却h* Ml oM it*twi mH kw wm yMonetji风动HHIITthe 弧阳1的* 画 downhe"F*4

50、辅礼降the of drrv« Ae witTjfpiHi STU也 km虫丸&nm.从延轴孔Swim 门6土耳式*口； 左小，STL3-6-8-JF Q HT1L J fyw jlrtu* hn* ftrnn。，5小 aiW hato Urrtm 胃晌 cAarnpriq tyi» rwrurk SH_3NB-®-J03TL熨律性管我茂本，购及主要尺寸The baac parameler &rd crilicdl dimensHMi of STL lype txa>iond£y stil and mamterance-ff

51、1;事事。4或d.LS43»mn质博mmsm 幅4次|54STL的 ；$a .届fSTQ25B309WRTi.M38STI*®“_ IU看台命AKiHlFMJPi g种JWJ了-.£*, Q.r /«野433 -2 2? 3u* 13.1图4.2 STL型弹性管联轴器4.3平面连杆机构的结构参数确定在其结构设计中，将连杆设计成两边不等高的结构如图 强度，使得其能更加实际的应用到工作当中。在连接两杆时, 图4.4,提高传动效率，使得机构有效承受径向和轴向载荷, 的标准化程度高，成批生产，成本低19 o4.3 ,可有效的加强末端的 使用了双轴承固定结构如 简

52、化连杆机构，并且轴承图4.3连杆结构图4.4双轴承螺栓固定4.4输入轴的设计初始值：通过设计需求，拟定输入轴上的功率R=55w,转速ni=360r/min初定轴的最小直径：选轴的材料为45钢，调质处理，C=107118取C=115,于是初步估算轴的最小直径 dmin C3 丽 1153/0.055/ 360 6.14mmM dmin 6.5mm。轴的结构设计20-231.拟定各轴段结构设计如图4.5所示。图4.5输入轴结构2.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。(1)考虑到轴的左端需要安装联轴器，根据联轴器定直径d=7mm为满足轴承的轴向定位要求，轴段左端需制一轴肩，由连杆设计的综合考虑

53、，故取输出直径从左至右分 别d1=6.5mm d2=10mm d3=16mm d4=12mm d5=10mm两端均采用轴承与端盖的配合定位。(2)轴段1部分安装联轴器，因为该轴段在轴承座，又根据初选型号为STL3-6-7-J 的联轴器尺寸，确定l 1=25mm(3)初选滚动轴承。因轴承受轴向力很小，故选用深沟球轴承。轴承定位分别采 用轴套和轴承端盖及轴肩和箱体轴承孔，选取GB/T 276-1994_61800型深沟球轴承，参数如下基本尺寸：d>D >B=10mmi9mm5mm基本额定动载荷：G=1.8kN基本额定静载荷：C0r=0.93kN由于轴承轴向宽度5mm根据实际装配，轴段2长度取l2=5mm(4)根据所设计的连杆，则轴段 3, 4, 5长度分别取l3=2.5mm 14=65mm l 5=9mm4.5安装支架的参数确定安装支架主要以铝型材构成，如图 4.6,用T型螺栓固定，用角件（图4.7）加固 与传统机械制造材料，如碳钢和不锈钢材料相比，使用高强度工业铝挤压型材具有以下 优势：1 .制作过程简单：只需设计、切断/钻孔、组合即可完成；而传统材料通常要经过 设计、切断/钻孔、焊接、喷沙/表面处理、表面喷涂等复杂过