毕业设计（论文）-四自由度物料搬运工业机器人设计.docx

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1、XX设计（xx）题 目四自由度物料搬运工业机器人设计系（院）机电工程学院专业 机械设计制造及其自动化班级20XX级X班学生姓名XX学号XXX指导教师XXX职称XX二OXX年X月XX日独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年 月 日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（

2、论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名：年 月 日XXX四自由度物料搬运工业机器人设计摘要随着我国工业的不断发展，机器人在工业领域运用的越来越多，但现在国内大多采用串联式的工业机器人，而用于工业领域的并联机器人比较少。并联工业机器人相比于串联工业机器人有很多优点，例如并联工业机器人可以避免串联工业机器人的累积误差，精度相比于串联

3、工业机器人较高，而且结构紧凑，所需的工作空间较小。本课题研究了一种四自由度的并联物料搬运工业机器人，通过对其结构的改进和运动学分析，可以进一步提高工作精度。首先，通过三维软件设计出机器人的三维图，然后通过对容易破坏的部件进行有限元分析，最后对机器人进行了动力学分析和仿真，求解出了机器人在负载时的受力情况，并参考有限元分析软件的分析结果对机器人结构进一步优化。结果表明，通过优化搬运工业机器人的结构，所设计的四自由度物料搬运工业机器人可以进一步提高工作精度，并且提高了主动臂等容易破坏部件的强度。关键词：并联机器人，四自由度，动力学，有限元The Design of 4-DOF Handling I

4、ndustrial RobotAbstractWith the continuous development of industry, more and moreapplication in the field of industrial robots, but most of them are serialindustrial robots in our country, there are few parallel robots used in industry.Compared with serial robots, the parallel robot can avoid the cu

5、mulativeerror and have relatively high precision, compact structure and less spacerequired for work. A kind of four DOF parallel robot for material handling isstudied. Through the improvement of structure and finite element method,the working accuracy can be further improved. Firstly, through 3D sof

6、twareto design three-dimensional model of the robot, and then through the finiteelement analysis of easily damaged parts, and finally carry out the robotdynamics analysis and simulation, solved the force load of the robot, and theanalysis of the reference software of finite element analysis results

7、to furtheroptimize the structure of robot. The results show that the structureoptimization of handling robot, four DOF material handling robot design canfurther improve the working accuracy, and improve the strength of thedriving arm is easy to be damaged.Keywords： parallel robot, four degrees of fr

8、eedom, dynamics, finite elementmethod目录第一章绪论11.1 工业机器人11.2 串联型工业机器人11.3 并联型工业机器人21.4 并联工业机器人在我国的现状及研究方法3第二章并联机器人的结构设计2. 1总体结构设计3. 2减速部分结构设计2.3动平台旋转部分结构设计第三章机械部分主要参数设计3.1机器人各部分的相互关系3. 2机器人的技术参数4. 3传动方案的选择10113.4电机的选择3. 5齿轮的设计选择3. 6有限元分析123. 7主动臂有限元分析结论16第四章机器人的动力学分析163.1 拉格朗日方程法简介163.2 系统能量求解193.3 系统

9、动能求解194. 4机器人的轨迹规划204. 4. 1直线插补算法214. 4.2圆弧插补算法215. 5主动臂和从动臂模型动力学分析21第五章结论24XXX参考文献26谢辞27IIXXX第一章绪论1.1 工业机器人随着我国工业的发展，机器人在工业领域的运用越来越广泛，它能自动执行工作，代替人类完成一些工业操作，也可以在恶劣环境下工作。它可以实时的接受操作人员所输入的指令，也可以按照编辑好的程序来运行，现代的工业机器人的柔性也越来越高，越来越趋于智能化，需要人为控制的越来越少。随着工业生产越来越多样化，机器人的作用也呈现多样性，而且能完成许多依靠人力无法完成的劳动。工业机器人有以下几个特点：(

10、1)可编程。现在的工业机器人柔性越来越高，工业机器人可以根据所需实际工作环境再进行编程，大大提高了其灵活性，进一步智能化。(2)拟人化。目前的工业机器人大多仿造人的关节来设计的，还有安装有许多传感器，能随时检测周围环境，并执行相应指令。(3)通用性。为了节省成本，现在的工业机器人的通用性越来越高，使得其灵活性也越来越高。(4)多学科。工业机器人技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合。工业机器人技术的发展会使得我国工业生产更进一步，工业机器人发展的技术和水平在一定程度上也能展现我国的工业实力。1.2 串联型工业机器人串联型工业机器人，一个轴的运动会改变另一个轴的坐标点，比如六关

11、节机器人。它的驱动力一般主要来自于伺服电机，但这样使得各主动臂和从动臂具有较大的运动惯量，难以完成快速的运动。目前我国大多的数的工业机器人都是串联型工业机器人，因为它的结构相对于并联机器人来说比较简单，所需要的控制简单，大大降低了其成本，已成功运用于产品的摆放和工件的移动等作业。XXX图1-1串联型工业机器人1. 3并联型工业机器人并联型工业机器人，即其中一个轴的相对运动不会改变另一个轴的运动坐标点,动平台和定平台通过两个或者两个以上独立的运动环节来组合，一般具有两个或两个以上的自由度，而且通过并联驱动闭环机构。并联工业机器人相比于串联机器人有高的刚度，而且响应速度快，制造完成后，总体重量轻，

12、可以组装用于其他场合，柔性好等优点，在许多方面有着无可比拟的优势。图1-2并联型工业机器人1.4并联工业机器人在我国的现状及研究方法国内的并联机器人研发工作开始于1990年前后，主要以哈尔滨工业大学、燕山大学和中国科学院沈阳自动化研究所，还有清华大学、天津大学等高等学府为代表的科研机构针对并联机器人的机构构型、自由度数扩展、机器人工作空间等领域开始了较少量的研究;继而在2003年之后，国内一些科研机构在原来的基础上进一步研究，又对并联机器人进行了进一步的研究，研究内容包括并联机构的闭环控制、主要运动链分析、运动副种类、运动位置精确度等方面。燕山大学的黄真教授早在1991年通过自己的团队在我国研

13、制出第一台并联机器人，随后又研制出一台具有柔性钱链并联式六自由度机器人的误差矫正器，并在1997年在我国出版了第一部关于并联机器人设计和分析的专著，然后又出版了高等空间机构学，为我国的并联机器人研究奠定了坚实的基础。现在我们所研制出的并联机器人大多进行运动学求解来使其工作更加稳定，包括运动学的正解和反解。常用的运动学正解的方法有数值法和解析法：数值法是在给定设置初值的情况下迭代计算，直到化解出比较接近的精确结果；解析法是通过消去未知数的个数，然后将方程简化为一个有关于未知数的另一个方程。梁香宁研究的并联机器人根据其特有的结构特点，结合对其空间自由度的探讨，建立了基于笛卡尔坐标系的数学模型，结合

14、解析几何与空间坐标转换建立了并末端位置逆解运动学求解方程式，建立了末端位置与支链驱动关节的运动关系式。由于并联机构的正解在运动空间分析中的重要意义，各个学者们在运动学反解的基础上，还进行了相应的正解研究。国外学者所提出的一种采用解析法求解3自由度的并联机器人方法是早期的正解方法之一，解析过程比较复杂。赵杰在采用几何法对机构模型进行等效改造的基础上，其正向运动学求解为简化三棱锥数学求解，使得求解过程更加简化。在并联机构的运动学求解过程，是用牛顿循环迭代法。国外学者所提出的基于牛顿迭代法的位置正解方法在工程研发中应用非常普遍。除数值法之外，随着三维建模、数值模拟软件的迅速发展，为并联机器人的机构运

15、动学求解提供了新的方法，通过采用平台分析了直线形式的机器人工作空间。动力学分析也是并联机器人研究的重要方向，动力学分析主要是研究机器人的执行元件的和驱动力、力矩之间关系。动力学分析也包正解和逆解。动力学正解是指通过指定并联机器人所需的驱动力和力矩，然后求解出机器人最终执行器件的位移等运动变量；与正解相反，动力学反解则是通过指定机器人最终执行器件的位移等运动变量，从而求解各执行部分所需的驱动力和力矩。因为并联机构结构比较复杂，而且并联机器人的动力学模型是一个含有不止一个变量、两个或两个以上自由度、高度的非线性和多参数耦合复杂模型，他的建模和分析都很困难，拉格朗口方程法、牛顿一欧拉法、虚功原理法和原理法等都是并联机器人的动力学建模方法。国内学者用一种三自由度并联机器人为研究对象，在运动学分析的基础上，用牛顿一欧拉方程建立相对准确的模型，并将该模型用于重要控制。但是就总体来说，牛顿欧拉方法需要对每个构件都要建立方程，力学