摘要
并聯(lián)機(jī)器人是人類(lèi)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(dòng)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(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu),Delta機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單!緊湊,驅(qū)動(dòng)部分均布于固定平臺(tái),這些特點(diǎn)使它具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(dòng)學(xué)是機(jī)器人動(dòng)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(dòng)學(xué)研究?jī)?nèi)容包括正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和反向運(yùn)動(dòng)學(xué),對(duì)于并聯(lián)機(jī)器人,其反向運(yùn)動(dòng)學(xué)相對(duì)簡(jiǎn)單而正向運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)雜"本文對(duì)三自由度Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了研究"通過(guò)對(duì)Delta機(jī)器人結(jié)構(gòu)的分析,建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,確定了各個(gè)構(gòu)件的空間位姿"基于動(dòng)平臺(tái)與靜平臺(tái)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(dòng)學(xué)方程,推導(dǎo)出位置反解公式,同時(shí)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(duì)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
目錄
摘要 2
第1章 引言 3
1.1. 我國(guó)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 3
1.2. 工業(yè)機(jī)器人概述： 4
1.3. 本論文研究的主要內(nèi)容 4
第2章 機(jī)器人方案的設(shè)計(jì) 9
2.1. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 9
2.2. 與機(jī)器人有關(guān)的概念 10
2.3. 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 12
2.4. 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析 13
2.5. 方案設(shè)案 13
2.6. 自由度分析 14
2.7. 機(jī)械傳動(dòng)裝置的選擇 15
2.7.1. 滾珠絲杠的選擇 15
第3章 零部件設(shè)計(jì)與建模 18
3.1. Croe軟件介紹 18
3.2. 關(guān)鍵零部件建模 18
3.3. 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
第1章 引言
近二十年來(lái)，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(gè)領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國(guó)在機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面與工業(yè)化國(guó)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(guó)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(dòng)控制下執(zhí)行某種操作或移動(dòng)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(dòng)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(lái)越多的國(guó)家的重視。近十幾年來(lái)，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(gè)領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國(guó)是從 20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始涉足機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開(kāi)展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃。1987 年，我國(guó)的“863”計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究列入其中。目前，我國(guó)從事機(jī)器人的應(yīng)用開(kāi)發(fā)的主要是高校和有關(guān)科研院所。最初我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后，我國(guó)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(dòng)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(guó)家開(kāi)放實(shí)驗(yàn)和研究單位沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的有纜深潛300m 機(jī)器人，無(wú)纜深潛機(jī)器人，遙控移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，2000 年國(guó)防科技大學(xué)研制的兩足類(lèi)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(guó)目前擁有機(jī)器人 4000 臺(tái)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(wàn)臺(tái)，其中主要集中在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。在機(jī)器人研究方面，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(duì)運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)和空間運(yùn)動(dòng)，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)?？臻g連桿機(jī)構(gòu)可分為開(kāi)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(wú)懸桿的單閉合運(yùn)動(dòng)鏈有相同數(shù)目的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)欠衲軌蜻\(yùn)動(dòng)決定于構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副的類(lèi)型和數(shù)目[5]?？臻g單閉鏈連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(gè)分支。兩足機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)研究的主要對(duì)象之一，其系統(tǒng)全面研究開(kāi)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(dòng)行走兩足機(jī)器人[22-26]領(lǐng)域。本文的研究動(dòng)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(shí)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(chǎng)車(chē)間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來(lái)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(dòng)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(dòng)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?！盵3]一個(gè)典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)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4～6 個(gè)自由度，其中2～3 個(gè)自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余2～3 個(gè)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(shí)，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)國(guó)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(hào)表示運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型。運(yùn)動(dòng)副符號(hào)R、C、P、S、H分別表示轉(zhuǎn)動(dòng)副、圓柱副、移動(dòng)副、球面副、螺旋副?？臻g單閉鏈機(jī)構(gòu)通常用一串運(yùn)動(dòng)副符號(hào)來(lái)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(hào)表示連接機(jī)架和輸入桿（主動(dòng)件）的運(yùn)動(dòng)副，最后一個(gè)則是連接輸出件（被動(dòng)件）的運(yùn)動(dòng)副[27]。
在空間機(jī)構(gòu)的研究過(guò)程中，提出了各類(lèi)空間單閉鏈連桿機(jī)構(gòu)以及過(guò)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(lèi)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(duì)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(dòng)副類(lèi)別是按照自由度數(shù)目進(jìn)行分類(lèi)，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(dòng)副的類(lèi)別越高，組成機(jī)構(gòu)所需的構(gòu)件數(shù)越少；相同個(gè)數(shù)的構(gòu)件或運(yùn)動(dòng)副，只有滿(mǎn)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(chē)上（主要用來(lái)作為飛機(jī)的翼面操作、機(jī)輪縮放和汽車(chē)的傳動(dòng)、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(dòng)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(jiǎn)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(gè)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(chǎng)合。
1.1.2 空間四桿機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用
常見(jiàn)的空間四桿機(jī)構(gòu)有4R[35]、RCSR[36]、RSSP[37]、RCCC[38-45]、RCCR[44, 46-53]、RSCR[54]、RRSS[55-58]、RSSR[38, 59-66]、RSCP[54, 67]、RRSC[34, 67, 68]、RCCP[44, 69]、RPSC[28,70]、CSSP[54]、CSSP[54]、RSSP[37, 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(mǎn)足特殊幾何條件時(shí)為萬(wàn)向聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)；RCCC滿(mǎn)足特殊的幾何條件時(shí)，可以看做是萬(wàn)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(lèi)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(shí)，桿1繞斜軸擺動(dòng)，從而達(dá)到收放機(jī)輪的目的。這里，桿2和桿3各有一個(gè)可繞自身軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的局部自由度[5]。
并聯(lián)機(jī)器人相對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)機(jī)器人來(lái)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(wèn)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(dòng)力學(xué)特性具有高度非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，使其控制較為復(fù)雜?？傮w來(lái)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(gè)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(chēng)為Delta 的三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)。Delta 機(jī)構(gòu)是最典型的空間三自由度移動(dòng)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(gè)平動(dòng)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(duì)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(xiàn)生產(chǎn)，個(gè)別產(chǎn)品包裝環(huán)節(jié)還離不開(kāi)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(mǎn)足靈活高效的要求，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)在這些場(chǎng)合能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。本文主要針對(duì)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，僅僅留下三個(gè)平動(dòng)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)臂為串并混聯(lián)分支。
（2）四個(gè)伺服電機(jī)和減速器安裝在上平臺(tái)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(tái)為箱式結(jié)構(gòu)，在箱體的內(nèi)部可以安放驅(qū)動(dòng)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(pán)，用于抓取物體。
（5）球鉸由彈簧拉緊。
（6）上平臺(tái)為齒輪齒條機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體移動(dòng)。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(dòng)過(guò)程中，末端執(zhí)行器只有平動(dòng)自由度，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)看，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由一系列連桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動(dòng)關(guān)節(jié)）連接起來(lái)的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈。開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(duì)空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩之間的關(guān)系是動(dòng)力學(xué)分析的主要內(nèi)容，在手臂開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)中，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)受到其它關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的影響，作用在每個(gè)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(gè)多輸入多輸出的、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合、位置時(shí)變的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)分析十分復(fù)雜，因此，即使通過(guò)一定的簡(jiǎn)化，也需要使用不同于一般機(jī)構(gòu)分析的專(zhuān)門(mén)分析方法。其次，由于開(kāi)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(shí)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(shí)必須要考慮到驅(qū)動(dòng)、控制等方面的問(wèn)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(dòng)副通常有移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱(chēng)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。以移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱(chēng)為移動(dòng)關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)稱(chēng)為主動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目稱(chēng)為機(jī)器人的自由度。
2 機(jī)器人的分類(lèi)
機(jī)器人分類(lèi)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(dòng)方式為自一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移動(dòng)，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(shí)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(shí)做受控運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動(dòng)機(jī)的角位移和角速度信號(hào)，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線(xiàn)的弧焊作業(yè)時(shí)的軌跡控制。
(2) 按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類(lèi)，可分為四類(lèi)：
（a）直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類(lèi)似，各關(guān)節(jié)之間沒(méi)有耦合，不會(huì)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(gè)關(guān)節(jié)為兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)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(jiǎn)單。
（c）球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)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(dòng)方式分類(lèi)：
按驅(qū)動(dòng)方式可分為：（a）氣壓驅(qū)動(dòng)；（b）液壓驅(qū)動(dòng)；（c）電氣驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式。它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、使用方便、運(yùn)動(dòng)精度高、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。
(4) 按用途分類(lèi)：
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(dòng)系統(tǒng))、控制檢測(cè)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(dòng)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(chēng)手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。
（2） 腕部：又稱(chēng)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(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。
B、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。
C、 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)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(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
D、 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí),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(dòng)單元的設(shè)計(jì)工作。
原始數(shù)據(jù)：自動(dòng)線(xiàn)上有Ａ，Ｂ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(dòng)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(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開(kāi)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(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)；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(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；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(dòng)夾緊。
2.8. 方案設(shè)案
設(shè)計(jì)一種直線(xiàn)型Delta并聯(lián)機(jī)器人，動(dòng)平臺(tái)與靜平臺(tái)之間通過(guò)三條支鏈連接。通過(guò)安裝在固定框架上的三個(gè)直流電機(jī)結(jié)合滾珠絲杠副產(chǎn)生的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)平臺(tái)具有一個(gè)平動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。每個(gè)電機(jī)安裝有編碼器用于檢測(cè)其轉(zhuǎn)角，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模可計(jì)算出動(dòng)平臺(tái)的位姿信息，并用于實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)范圍：±15°；
?3.動(dòng)平臺(tái)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(guò)約束、公共約束等問(wèn)題。對(duì)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(dòng)過(guò)程中，四個(gè)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(dòng)，可知螺旋系約束了繞三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明此機(jī)構(gòu)只有三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jí)精度。
A、 計(jì)算載荷
Fc =
查<機(jī)電液設(shè)計(jì)手冊(cè)> 上冊(cè)，表15-21得
= 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1
Fc =
= 1.11.01.6111000
= 1771 N
=
=
= 19559 N
B、 選擇滾珠絲桿副的型號(hào)
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(chǎng)C1型滾珠絲杠，系列代號(hào)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 γ = arctan = arctan = 3o38′
螺桿不長(zhǎng)，無(wú)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(shí)變形量為最大，計(jì)算公式為：
= +
式中 T1 = ··tan( γ+)
= 1000tan(+)
= 1321 N·mm
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 μm
其中，危險(xiǎn)截面= 35.76，E = 2.06
每米螺桿長(zhǎng)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(jí)精度，由表15-8查得
()p = 15/m
所以其剛度滿(mǎn)足要求。
D、計(jì)算效率
η= = = 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(dòng)盤(pán)座
帶輪
3.13. 各部分的裝配關(guān)系
在個(gè)關(guān)節(jié)出使用球約束使得他們之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
關(guān)節(jié)之間創(chuàng)建萬(wàn)向約束
皮帶輪之間參與銷(xiāo)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(duì)電動(dòng)機(jī)軸添加伺服電機(jī)，產(chǎn)生動(dòng)力。
設(shè)置位置做為電動(dòng)機(jī)的變化量
選擇運(yùn)行分析
創(chuàng)建測(cè)量項(xiàng)目
第5章 致謝
參考文獻(xiàn)
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