二自由度机器人的结构设计与仿真学 院：专 业：姓 名：指导老师：机械与车辆学院机械电子工程学 号：职 称：教授二自由度机器人的结构设计与仿真摘 要并联机器人有着串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，可有效地消除铰链间隙，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件的工程图绘制工作，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 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 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 mechanism for class five institutions, parallelogram frame structure, which can effectively eliminate the hinge gap and improve 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 simulation to optimize the connecting rod length, excluding the 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 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 organizations actual work space and movement. Finally, this institution in the practical application. The results show that the combination 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/E目 录1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21.2.2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本课题的研究内容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316.1AutoCAD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软件环境下的有限元分析367.1Ansys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 谢44附录（一）45附录（二）521前 言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。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1。近20年来并联机器人备受人们关注，越来越多的国内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。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竟相开发，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，Pollard3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 1.2 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，Stewart5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1.1 并联娱乐装置 图1.2 Pollard并联机构 图1.3 Goug