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畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書
設(shè)計(論文)題目： 三自由度Delta并聯(lián)機器人的設(shè)計與仿真
學(xué)生姓名：
專 業(yè)：
所在學(xué)院：
指導(dǎo)教師：
職 稱：
目錄
摘要 2
第1章 引言 3
1.1. 我國機器人研究現(xiàn)狀 3
1.2. 工業(yè)機器人概述： 4
1.3. 本論文研究的主要內(nèi)容 4
第2章 機器人方案的設(shè)計 9
2.1. 機器人機械設(shè)計的特點 9
2.2. 與機器人有關(guān)的概念 10
2.3. 工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系概述 12
2.4. 工業(yè)機器人的設(shè)計分析 13
2.5. 方案設(shè)案 13
2.6. 自由度分析 14
2.7. 機械傳動裝置的選擇 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 33
摘要
并聯(lián)機器人是人類全新的機器人,它具有剛度大!承載能力強!精度高!自重負荷比小!動力性能好等一系列優(yōu)點,與目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)機器人在應(yīng)用上構(gòu)成互補關(guān)系,因而擴大了機器人的應(yīng)用領(lǐng)域"Delta并聯(lián)機器人是最典型的空間三自由度移動的并聯(lián)機構(gòu),Delta機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡單!緊湊,驅(qū)動部分均布于固定平臺,這些特點使它具有良好的運動學(xué)和動力學(xué)特性,實驗條件下末端控制加速度可高達5.09-(重力加速度)"大量的實踐證明,Delta機構(gòu)是迄今為止設(shè)計最成功的并聯(lián)機構(gòu)之一"目前,Delta并聯(lián)機器人己經(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"機器人的運動學(xué)是機器人動力學(xué)!機器人控制和規(guī)劃的基礎(chǔ),在機器人研究中占有重要的地位"運動學(xué)研究內(nèi)容包括正向運動學(xué)和反向運動學(xué),對于并聯(lián)機器人,其反向運動學(xué)相對簡單而正向運動學(xué)復(fù)雜"本文對三自由度Delta機器人運動學(xué)進行了研究"通過對Delta機器人結(jié)構(gòu)的分析,建立了運動學(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)系以及機構(gòu)的約束方程,建立了該機構(gòu)的運動學(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機器人的工作空間,推導(dǎo)出該機構(gòu)的雅可比矩陣,并對速度和加速度進行了求解.。
關(guān)鍵詞： 機器人，方案，設(shè)計，仿真
第1章 引言
近二十年來，機器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機器人在各個領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國在機器人的研究和應(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)計各種用途的機器人特別是工業(yè)機器人、推廣機器人的應(yīng)用是有現(xiàn)實意義的。
1.1. 我國機器人研究現(xiàn)狀
機器人是一種能夠進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)的機械裝置。機器人技術(shù)綜合了機械工程、電子工程、計算機技術(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，機器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機器人在各個領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國是從 20 世紀80 年代開始涉足機器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關(guān)計劃。1987 年，我國的“863”計劃將機器人方面的研究列入其中。目前，我國從事機器人的應(yīng)用開發(fā)的主要是高校和有關(guān)科研院所。最初我國在機器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術(shù)，隨后，我國在機器人技術(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)研制的兩足步行機器人，北京自動化研究所1993 年研制的噴涂機器人，1995 年完成的高壓水切割機器人，國家開放實驗和研究單位沈陽自動化研究所研制的有纜深潛300m 機器人，無纜深潛機器人，遙控移動作業(yè)機器人，2000 年國防科技大學(xué)研制的兩足類人機器人，北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華南理工大學(xué)研制的點焊、弧焊機器人，以及各種機器人裝配系統(tǒng)等。我國目前擁有機器人 4000 臺左右，主要在工業(yè)發(fā)達地區(qū)應(yīng)用，而全世界應(yīng)用機器人數(shù)量為83 萬臺，其中主要集中在美國、日本等工業(yè)發(fā)達國家。在機器人研究方面，我國與發(fā)達國家還有一定差距。機構(gòu)學(xué)形成并發(fā)展于十八世紀下半葉，迄今創(chuàng)造了各種新型機構(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]。常用的機構(gòu)有連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、撓性機構(gòu)等[2-4]。其中，連桿機構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。按照構(gòu)件之間的相對運動為平面運動和空間運動，連桿機構(gòu)可以分為平面連桿機構(gòu)和空間連桿機構(gòu)?？臻g連桿機構(gòu)可分為開鏈機構(gòu)和閉鏈機構(gòu)。閉鏈機構(gòu)分為單閉環(huán)鏈和多閉環(huán)鏈機構(gòu)。無懸桿的單閉合運動鏈有相同數(shù)目的構(gòu)件和運動副，運動鏈是否能夠運動決定于構(gòu)件及運動副的類型和數(shù)目[5]?？臻g單閉鏈連桿機構(gòu)運動巧妙，獲得許多學(xué)者的關(guān)注。機器人機構(gòu)學(xué)是機構(gòu)學(xué)研究的一個分支。兩足機器人是機器人學(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60年代[6-9]，研究主要集中在仿人機器人[10-18]、輔助行走機器人[19-21]和被動行走兩足機器人[22-26]領(lǐng)域。本文的研究動機是試圖將傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)應(yīng)用在兩足機器人領(lǐng)域，嘗試拓展機構(gòu)學(xué)的應(yīng)用空間，同時嘗試提出兩足機器人的新構(gòu)型和新應(yīng)用。以下分別介紹空間單閉鏈連桿機構(gòu)和兩足機器人的研究概況。
1.2. 工業(yè)機器人概述：
在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機器人。工業(yè)機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、加工、裝配等操作的一種機器人。工業(yè)機器人的定義為：“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。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。”操作機定義為：“具有和人的手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置?！盵3]一個典型的機器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制系統(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)機器人具有4～6 個自由度，其中2～3 個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余2～3 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)了機器人技術(shù)的知識，查閱了大量的文獻資料，對國內(nèi)外機器人、主要是工業(yè)機器人的現(xiàn)狀有了比較詳細的了解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合作者本人的設(shè)想，和設(shè)計工作中需要解決的任務(wù)，主要進行以下幾項工作：
(1) 進行機器人本體結(jié)構(gòu)的方案創(chuàng)成、分析和設(shè)計
1.1 空間單閉鏈機構(gòu)研究概況
在機構(gòu)學(xué)中，通常采用符號表示運動副類型。運動副符號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。空間單閉鏈機構(gòu)通常用一串運動副符號來表示，例如RSSR。這不僅方便，而且反映了空間機構(gòu)的主要特點。第一位符號表示連接機架和輸入桿（主動件）的運動副，最后一個則是連接輸出件（被動件）的運動副[27]。
在空間機構(gòu)的研究過程中，提出了各類空間單閉鏈連桿機構(gòu)以及過約束機構(gòu)[5,27-33]，為連桿機構(gòu)研究提供理論基礎(chǔ)，也為該類連桿機構(gòu)的實際應(yīng)用提供了備選方案。張啟先[5]對自由度為1的空間單閉鏈的機構(gòu)進行綜合，如表1-1所示。其中運動副類別是按照自由度數(shù)目進行分類，由此表可知：在閉合約束數(shù)相同的機構(gòu)中，所含運動副的類別越高，組成機構(gòu)所需的構(gòu)件數(shù)越少；相同個數(shù)的構(gòu)件或運動副，只有滿足某些特殊的幾何條件，才能組成約束數(shù)不同的機構(gòu)[5]。空間單閉鏈機構(gòu)主要應(yīng)用：1.在一些輕工業(yè)機械上（例如在縫紉機、紡織機、制鞋機等中有著廣泛的應(yīng)用）。2. 在農(nóng)業(yè)機械上。3.在一些飛機和汽車上（主要用來作為飛機的翼面操作、機輪縮放和汽車的傳動、轉(zhuǎn)向機構(gòu)）。4.作為軸向活塞機械（例如在活塞式壓氣機、發(fā)動機及軸向柱塞式油泵中應(yīng)用廣泛）。5.在其它機械和儀表中[5]。
1.1.1 空間三桿機構(gòu)及其應(yīng)用
空間三桿機構(gòu)是最簡單的單閉鏈空間機構(gòu)。如圖1-1所示為典型的空間三桿CSS和CCS機構(gòu)[34]，其中圖1-1a為空間三桿CSS機構(gòu)，兩個球面副間有局部自由度。圖1-1b為空間三桿CCS機構(gòu)，能實現(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 空間四桿機構(gòu)及其應(yīng)用
常見的空間四桿機構(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機構(gòu)，圖1-2b為RCCC機構(gòu)，圖1-2c為RSSR機構(gòu)，圖1-2d為RSSP機構(gòu)。
空間四桿機構(gòu)的應(yīng)用較為廣泛。RCCR和RSSR為雙曲柄機構(gòu)；球面4R機構(gòu)滿足特殊幾何條件時為萬向聯(lián)軸器機構(gòu)；RCCC滿足特殊的幾何條件時，可以看做是萬向聯(lián)軸器機構(gòu)；RSSP為曲柄滑塊機構(gòu)；PSSP為雙滑塊機構(gòu)；RSPC、RRSC、RSCC
為曲柄轉(zhuǎn)移機構(gòu)。以下列舉了幾類四桿機構(gòu)的典型應(yīng)用示例。
(1) 空間四桿RSCS 機構(gòu)
如圖1-4所示，將空間RSCS機構(gòu)用作為一種飛機起落架收放機構(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，從而達到收放機輪的目的。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)機器人相對于目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)機器人來講， 具有剛度強、精度高、自重負荷比小、速度高等顯著的優(yōu)點；但也有其不足之處，如同樣的結(jié)構(gòu)尺寸，并聯(lián)機器人的工作空間小，存在桿件空間的干涉、奇異位置等問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計理論分析復(fù)雜。由于并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)特性具有高度非線性、強耦合的特點，使其控制較為復(fù)雜。總體來講，并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人構(gòu)成互補的關(guān)系， 擴大了整個機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。并聯(lián)機器人機構(gòu)多種多樣，Clavel 提出了一種稱為Delta 的三維移動機構(gòu)。Delta 機構(gòu)是最典型的空間三自由度移動的并聯(lián)機構(gòu)，大多數(shù)空間三自由度并聯(lián)機構(gòu)都是從Delta 機構(gòu)衍生的。Delta 機器人是一種具有3 個平動自由度的高速并聯(lián)機器人，也是商業(yè)應(yīng)用最成功的并聯(lián)機器人之一。目前，并聯(lián)機器人廣泛應(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)機構(gòu)很難滿足靈活高效的要求，而并聯(lián)機構(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器人的機構(gòu)設(shè)計進行探討和分析。
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)計了如下的并聯(lián)機器人，如圖
機構(gòu)的特點如下：
（1）并聯(lián)機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構(gòu)，實現(xiàn)機器人整體移動。目的是擴大并聯(lián)機器人工作范圍，也可根據(jù)情況不使用。
此機構(gòu)在運動過程中，末端執(zhí)行器只有平動自由度，沒有轉(zhuǎn)動自由度。
第2章 機器人方案的設(shè)計
2.4. 機器人機械設(shè)計的特點
串聯(lián)機器人機械設(shè)計與一般的機械設(shè)計相比，有很多不同之處。首先，從機構(gòu)學(xué)的角度來看，機器人的結(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)）連接起來的開式運動鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機器人的運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構(gòu)的運動學(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)的運動受到其它關(guān)節(jié)運動的影響，作用在每個關(guān)節(jié)上的重力負載和慣性負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，機器人是一個多輸入多輸出的、非線性、強耦合、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構(gòu)分析的專門分析方法。其次，由于開鏈機構(gòu)相當(dāng)于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起，機械誤差和彈性變形的累積使機器人的剛度和精度大受影響。因此在進行機器人機械設(shè)計時特別要注意剛度和精度設(shè)計。再次，機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須要考慮到驅(qū)動、控制等方面的問題，這和一般的機械產(chǎn)品設(shè)計是不同的。另外，與一般機械產(chǎn)品相比，機器人的機械設(shè)計在結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性方面有更高的要求。
2.5. 與機器人有關(guān)的概念
以下是本文中涉及到的一些與機器人技術(shù)有關(guān)的概念。
1 自由度：工業(yè)機器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機構(gòu)，其運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)目稱為機器人的自由度。
2 機器人的分類
機器人分類方法有多種。
(1) 按機器人的控制方法的不同，可分為點位控制型（PTP），連續(xù)軌跡控制型（CP）：
（a）點位控制型（Point to Point Control ）：機器人受控運動方式為自一個點位目標(biāo)向另一個點位目標(biāo)移動，只在目標(biāo)點上完成操作。例如機器人在進行點焊時的軌跡控制。
（b）連續(xù)軌跡控制型（Continuous Path Control ）：機器人各關(guān)節(jié)同時做受控運動，使機器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機的角位移和角速度信號，如機器人進行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。
(2) 按機器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類：
（a）直角坐標(biāo)型：該型機器人前三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運動方向垂直，其控制方案與數(shù)控機床類似，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。缺點是占地面積大、工作空間小。
（b）圓柱坐標(biāo)型：該型機器人前三個關(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)，該型機器人的優(yōu)點是靈活性好，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）機器.人。前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點是動作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點是剛度和精度較差。
(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90 年代后機器人系統(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、運動精度高、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點。
(4) 按用途分類：
可分為搬運機器人、噴涂機器人、焊接機器人、裝配機器人、切削加工機器人和特種用途機器人等。
2.6. 工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系概述
圖2-1 工業(yè)機器人的組成圖
它主要由機械系統(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)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。
（1） 手部：又稱手爪或抓取機構(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荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。
（4） 機身：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)定的要求進行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。
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)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進行比較，以保證運動符合要求。
圖2-2 各部分關(guān)系圖
2.7. 工業(yè)機器人的設(shè)計分析
2.2.1 設(shè)計要求
綜合運用所學(xué)知識,搜集有關(guān)資料獨立完成三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人操作機和驅(qū)動單元的設(shè)計工作。
原始數(shù)據(jù)：自動線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設(shè)計工業(yè)機器人將一零件從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)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人，利用步進電機驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進電機驅(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現(xiàn)上下運動；考慮到本設(shè)計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；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)計一種直線型Delta并聯(lián)機器人，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結(jié)合滾珠絲杠副產(chǎn)生的直線運動，使動平臺具有一個平動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。每個電機安裝有編碼器用于檢測其轉(zhuǎn)角，通過機構(gòu)運動學(xué)建?？捎嬎愠鰟悠脚_的位姿信息，并用于實現(xiàn)對機器人的控制。
設(shè)計要求：
?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)機構(gòu)自由度分析，一般用螺旋理論進行分析。delta 型并聯(lián)器人，在運動過程中，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)行器運動，可知螺旋系約束了繞三個軸的轉(zhuǎn)動，說明此機構(gòu)只有三個方向的平動自由度，沒有轉(zhuǎn)動自由度。
機器人方案圖
機器人結(jié)構(gòu)圖
2.10. 機械傳動裝置的選擇
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、 計算載荷
Fc =
查<機電液設(shè)計手冊> 上冊，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
主要尺寸為：
按= 19559N，查《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》表2-9，選用漢江機床廠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 γ = arctan = arctan = 3o38′
螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。
C、剛度驗算
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
因為滾球絲桿精度要求為3級精度，由表15-8查得
()p = 15/m
所以其剛度滿足要求。
D、計算效率
η= = = 0.960 = 96%
第3章 零部件設(shè)計與建模
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。
機器人大臂
機器人大臂端
機器人固定端
電機固定座
電機固定座
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
首先進入到仿真界面中：
對電動機軸添加伺服電機，產(chǎn)生動力。
設(shè)置位置做為電動機的變化量
選擇運行分析
創(chuàng)建測量項目
第5章 致謝
參考文獻
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[13]余達太,馬香峰.工業(yè)機器人應(yīng)用工程[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001.
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
??
設(shè)計（論文）題目：
三自由度Delta并聯(lián)機器人的設(shè)計與仿真
?
學(xué)生姓名：
專????業(yè)：
所在學(xué)院：
指導(dǎo)教師：
職????稱：
發(fā)任務(wù)書日期：年月日
任務(wù)書填寫要求
1．畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負責(zé)人審查、系（院）領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計（論文）開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生。
2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫，不得涂改或潦草書寫；或者按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，要求正文小4號宋體，1.5倍行距，禁止打印在其它紙上剪貼。
3．任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及系（院）主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫。
4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“學(xué)院”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號，不能只寫最后2位或1位數(shù)字。
5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻”的填寫，應(yīng)按照《金陵科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范》的要求書寫。
?6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2002年4月2日”或“2002-04-02”。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達到的目的：
? 本畢業(yè)設(shè)計課題的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和專業(yè)基本技能分析和解決實際問題，訓(xùn)練初步工程設(shè)計的能力。根據(jù)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的特點，著重培養(yǎng)以下幾方面能力： 1．調(diào)查研究、中外文獻檢索、閱讀與翻譯的能力； 2．綜合運用基礎(chǔ)理論、專業(yè)理論和知識分析解決實際問題的能力； 3．查閱和使用專業(yè)設(shè)計手冊的能力； 4．設(shè)計、計算與繪圖的能力，包括使用計算機進行繪圖的能力； 5．撰寫設(shè)計說明書（論文）的能力。
2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
? 一、課題任務(wù)內(nèi)容：設(shè)計一種直線型Delta并聯(lián)機器人，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結(jié)合滾珠絲杠副產(chǎn)生的直線運動，使動平臺具有一個平動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。每個電機安裝有編碼器用于檢測其轉(zhuǎn)角，通過機構(gòu)運動學(xué)建?？捎嬎愠鰟悠脚_的位姿信息，并用于實現(xiàn)對機器人的控制。二、設(shè)計要求： 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；
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求〔包括圖表、實物等硬件要求〕：
1.外文專業(yè)文獻翻譯（原文和譯文，譯文3000漢字以上）； 2.畢業(yè)設(shè)計開題報告一份； 3.編寫設(shè)計說明書一份； 4.完整的設(shè)計圖紙一套,運動仿真結(jié)果數(shù)據(jù)以及動畫一套。
4．主要參考文獻：
[1]蔡自興．機器人學(xué)基礎(chǔ) [M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009. [2]叢爽，尚偉偉．并聯(lián)機器人：建模，控制優(yōu)化與應(yīng)用 [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2010. [3]張利敏，梅江平，趙學(xué)滿，等．一種二平動自由度并聯(lián)機械手動力尺度綜合 [J]．天津大學(xué)學(xué)報， 2010， 43(8)：661-666. [4]Bouri M, Clavel R. The linear Delta: Developments and applications[C]//The 41st International Symposium on Robotics.Frankfurt, Germany: VDE, 2010: 1198-1205. [5]Milutinovic D, Slavkovic N, Kokotovic B, et al. Kinematic modeling of reconfigurable parallel robots based on Delta concept[J]. Journal of Production Engineering, 2012, 15(2): 71-74. [6]Rey L, Clavel R. The Delta parallel robot[M]//Parallel Kinematic Machines. London, UK: Springer, 1999: 401-417. [7]Pierrot F, Dauchez P, Fournier A. Fast parallel robots[J]. Journal of Robotic Systems, 1991, 8(6): 829-840. [8]徐龍祥，歐陽祖行.機械設(shè)計[M]. 第二版，北京：航空工業(yè)出版社，1999. [9]李柱.互換性與技術(shù)測量[M].北京：高等教育出版社，2004. [10]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，2009 [11]王全景,張慶余.48小時精通CREO PARAMETRIC 3.0中文版零組件設(shè)計技巧[M].北京：電子工業(yè)出版，2013. [12]范欽珊.材料力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008. [13]Kosinska A, Galicki M, Kedzior K. Designing and optimization of parameters of Delta-4 parallel manipulator for a given workspace[J]. Journal of Robotic Systems, 2003, 20(9): 539-548. [14]楊斌久，蔡光起，羅繼曼，等．少自由度并聯(lián)機器人的研究現(xiàn)狀 [J]．機床與液壓， 2006， 34(5)： 202-205. [15]黃真，孔令富，方躍法．并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制[M]．北京：機械工業(yè)出版社， 1997. [16]付萌. 少自由度并聯(lián)機構(gòu)尺度參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化研究[D]. 電子科技大學(xué)，2013.
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
5．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進度計劃：
15.11.20-----15.12.20 學(xué)生明確選題 15.12.20----16.01.15 學(xué)生完成開題報告 16.01.15----16.03.18 學(xué)生完成設(shè)計草圖階段,明確設(shè)計方案 16.03.18----16.04.08 學(xué)生完善設(shè)計正稿, 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文初稿 16.04.08----16.04.30 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計完成階段,提交畢業(yè)論文正稿,完成期中檢查 16.05.01----16.05.10 學(xué)生提交畢業(yè)設(shè)計論文,布置畢業(yè)設(shè)計展 16.05.10----16.05.15 布展、畢業(yè)答辯準備
所在專業(yè)審查意見：
?同意?
負責(zé)人： ??????????? ?2016? 年??? 1 ?月???18 ?日
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
設(shè)計（論文）題目：
三自由度Delta并聯(lián)機器人的設(shè)計與仿真
?
學(xué)生姓名：
專????業(yè)：
所在學(xué)院：
指導(dǎo)教師：
職????稱：
?
?年? ?月??日 ?
開題報告填寫要求
?
1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；
2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．“文獻綜述”應(yīng)按論文的框架成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻綜述的參考文獻應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。
5、開題報告（文獻綜述）字體請按宋體、小四號書寫，行間距1.5倍。
?
畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫不少于1000字左右的文獻綜述：
自從1961年美國Unimation公司推出第一臺工業(yè)機器人以來，機器人得到了十分迅速的發(fā)展。如今機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如噴氣、焊接。搬運。裝配等工作，在汽車工業(yè)、電子工業(yè)、核工業(yè)、服務(wù)業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等許多方面都有應(yīng)用?，F(xiàn)在所說的機器人多指串聯(lián)機器人。1965年，英國高級工程師Stewart首先提出了一種6自由度的并聯(lián)機構(gòu)作為飛行模擬器用于訓(xùn)練飛行員，到1978年，澳大利亞的Hunt教授指出這種機構(gòu)更接近于人體的結(jié)構(gòu)，可以將此平臺作為機器人機構(gòu)。80年代中期，國際上研究并聯(lián)機器人的學(xué)者還寥寥無幾，出的成果也不多，到80年代末期特別是90年代以來，并聯(lián)機器人才被廣為關(guān)注，并成為新的熱點，許多大型會議都設(shè)有專題進行討論。1985年，Clavel提出了一種成為Delta的三維移動機構(gòu)。Delta機器人是最經(jīng)典的空間三自由度移動的并聯(lián)機構(gòu)，大多數(shù)空間三自由度并聯(lián)機構(gòu)都是從Delta機構(gòu)衍生的。Delta機器人是一種具有3個平動自由度的告訴并聯(lián)機器人，也是目前商業(yè)應(yīng)用最成功的并聯(lián)機器人之一。
目前，國內(nèi)外對于并聯(lián)機器人的研究主要集中于機構(gòu)學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)和控制策略等幾個領(lǐng)域。其中機構(gòu)學(xué)和運動學(xué)分析主要研究并聯(lián)機器人的運動學(xué)。奇異形位。工作空間和靈巧度分析等方面，這些研究是實現(xiàn)并聯(lián)機器人控制和應(yīng)用的基礎(chǔ)。動力學(xué)和控制策略的研究主要是對并聯(lián)機器人進行動力學(xué)分析和建模，研究各種可能的控制算法，對并聯(lián)機器人實時控制，以達到預(yù)期的控制效果。
隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，并聯(lián)機器人得到了越來越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)上，并聯(lián)機器人可以用在汽車總裝線上安裝輪胎，汽車發(fā)動機，還可以用作飛船對接器，潛艇救援中的對接器，飛行模擬器、空間飛行器對接機構(gòu)及其地面試驗設(shè)備，天文望遠鏡跟蹤元位系統(tǒng)等，其中Delta機器人被廣泛應(yīng)用于食品與藥品的包裝與機械自動生產(chǎn)線上。對于困難的地下工程，也可以利用并聯(lián)機構(gòu)。并聯(lián)機器人的一個重要應(yīng)用就是被稱為“21世紀的機床”的虛擬軸機床。并聯(lián)機床的中心結(jié)構(gòu)簡單，傳動鏈極短，剛度大，質(zhì)量輕，切削效率高，成本低，很容易實現(xiàn)6軸聯(lián)動，因而可以加工非常復(fù)雜的三維曲面。1994年美國芝加哥IMTS博覽會上GIDDING&LEWIS公司推出了新開發(fā)的并聯(lián)式VARJAX“虛擬軸機床”，硬氣廣泛關(guān)注。
并聯(lián)機器人的另一個重要的應(yīng)用方面是作為微動機構(gòu)或微型機構(gòu)。這種機構(gòu)充分發(fā)揮了并聯(lián)機構(gòu)空間不大、精度和分辨率高的特點，在三維空間內(nèi)微小移動在2-20微米之間、如在眼科手術(shù)、微細外科手術(shù)中的細胞操作、心臟冠狀動脈移植等中都得到了很好的應(yīng)用。
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畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告
2．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
l?主要研究內(nèi)容：
1.基座的設(shè)計
2.末端執(zhí)行器的設(shè)計
3.臂桿的設(shè)計
4.電動機的選型
5.傳動鏈的選擇
6.Delta型并聯(lián)機器人的布置形式及基本參數(shù)的確定
l?擬采用的研究手段：
設(shè)計一種直線型Delta并聯(lián)機器人，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結(jié)合滾珠絲杠副產(chǎn)生的直線運動，使動平臺具有一個平動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。每個電機安裝有編碼器用于檢測其轉(zhuǎn)角，通過機構(gòu)運動學(xué)建?？捎嬎愠鰟悠脚_的位姿信息，并用于實現(xiàn)對機器人的控制。在完成設(shè)計工作的同時，針對Delta型并聯(lián)機器人的設(shè)計進行分析研究，以便確定其合理的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
對并聯(lián)機器人應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、設(shè)計原則、存在問題、未來發(fā)展方向作了較豐富的綜述，內(nèi)容充實、條理清晰、表述清楚。
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2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：
本課題涉及一種三自由度Delta并聯(lián)機器人設(shè)計，具有非?，F(xiàn)實的應(yīng)用背景。本設(shè)計主要包括三自由度Delta并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求設(shè)計者不僅掌握較扎實的機電一體化設(shè)計能力，還應(yīng)掌握較深的機器人專業(yè)理論基礎(chǔ)，因此本課題較難，工作量較大。本設(shè)計的成果應(yīng)包括三自由度Delta并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)模型、裝配圖、零件圖、運動仿真等內(nèi)容。
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3.是否同意開題：√ 同意 □ 不同意
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???????????????????????????????????????? 2016 年?? 03 月?? 17 日
所在專業(yè)審查意見：
同意
???????????????????????????????????????? 負責(zé)人：??????????????
?????????????????????????????????????????? 2016 年??? 03 月?? 17 日