论文总字数：30882字

摘 要

目前工业上一般的重型零部件安装大都采用吊车起吊配合多人协同实现零件的位置和姿态调整的方式。这种安装方法存在需要操作人员多、工作效率低等诸多问题。为了解决这一工程问题，本文设计了一种可移动的重力平衡搬运机器人，其中重力平衡的设计思想，可改善电机输出力矩的脉动。论文在对比几种重力平衡机械臂方案的基础上，最终选择辅助连杆法，利用弹簧实现机械臂和重物的完全重力平衡。

首先根据能量法分析单自由度杆件的重力平衡条件，得出实现杆件重力平衡的必要条件之一为：弹簧必须为零初始长度弹簧。

然后根据重力平衡理论完成了重力平衡机械臂的结构设计，对重要零部件的尺寸进行受力校核，建立整个机械臂的模型并应用ADAMS对机械臂搬运重物调整姿态时所需外力进行仿真分析。

最后设计制作出小比例模型实物并实验用于验证设计的合理性和可行性。

实验和仿真分析结果表明，所设计的机械臂在搬运重物时若要实现姿态调整，需要克服的外力仅为机械臂的关节摩擦阻力和机械臂与重物两者产生的惯性力矩，此结果表明机械臂基本能够实现重力完全平衡，机构设计合理，为后续的继续研究打下了基础。

关键词：搬运机器人，连杆，重力平衡，弹簧，ADAMS仿真分析

Abstract

At present, most heavy-duty component installations in the industry generally use cranes to lift and cooperate with multiple people to realize the position and attitude adjustment of parts. This kind of installation method has many problems such as requiring many operators and low work efficiency. In order to solve this engineering problem, a movable gravity balance handing robot is designed in this paper. The design concept of gravity balance can improve the pulsation of motor output torque. Based on the comparison of several gravity balanced robotic arm schemes, the author finally selects the auxiliary linkage method and uses the spring to achieve the complete gravity balance of the robotic arm and the weight.

First of all, according to the energy method to analyze the condition of the single-degree-of-freedom gravity balance, one of the necessary conditions for achieving the gravity balance of the rod is: the spring must be a spring of zero initial length.

Then according to the theory of gravity balance, the structural design of the gravity balance robot is completed, the size of the important components is checked, the model of the entire robot is established, and the external force required to adjust the attitude of the robot when carrying the heavy object is simulated using ADAMS.

Finally, a small-scale model was designed and manufactured to test the rationality and feasibility of the design.

The results of experiments and simulations show that the external forces that need to be overcome when designing the manipulator to achieve the attitude adjustment when carrying heavy objects are only the joint friction resistance of the manipulator and the inertia force of both the manipulator arm and the weight. This result indicates that The robotic arm can basically realize the complete balance of gravity and the rational design of the mechanism, which lays the foundation for the follow-up study.

KEY WORDS: Convey robot, linkage, Gravity balance, spring, ADAMS simulation analysis

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 配重法重力平衡研究 2

1.2.2 弹簧机构法重力平衡研究 2

1.3 主要研究内容 4

第二章 基于弹簧机构法的重力平衡实现 5

2.1 单自由度机构重力平衡 5

2.2 平行四边形机构重力平衡 6

2.3 两种重力平衡机构的比较 8

2.3.1 重力平衡的条件 8

2.3.2 结构适用性比较 9

2.4 本章小结 9

第三章 重力平衡搬运机器人结构设计 10

3.1 总体方案设计 10

3.1.1 设计内容与目标任务 10

3.1.2 机器人整体结构方案 11

3.2 机械臂设计 12

3.2.1 机械臂结构设计 12

3.2.2 重力平衡弹簧设计 19

3.2.3 钢丝绳的选用 23

3.3 底盘结构及重力平衡设计 24

3.4 本章小结 25

第四章 重力平衡搬运机器人实验平台设计与仿真分析 27

4.1 实验平台尺寸设计 27

4.2 虚拟样机设计仿真分析 29

4.2.1 重力平衡搬运机械臂虚拟样机设计 29

4.2.2 虚拟样机仿真过程 29

4.2.3 虚拟样机仿真结果分析 34

4.3 零部件加工选型及实物模型 35

4.4 重力平衡搬运实验及结果分析 36

4.5 本章小结 37

第五章 总结与展望 38

5.1 工作总结 38

5.2 研究展望 38

致 谢 40

参考文献 41

绪论

研究背景与意义

在科学技术飞速发展的时代，工业生产过程中，正在不断实现机械化、自动化。实现工业现代化的一个重要产物就是工业机器人。其中搬运机器人是可以进行自动化搬运工作的机器人。搬运机器人可安装不同的末端执行器来完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人们繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人超过数十万台，这些机器人被广泛应用于机床上下料工作台、自动化装配流水线、冲压机自动化生产线、码垛搬运和集装箱等的自动搬运。部分发达国家已经制定出人工搬运的最大限度，超过限度的物品必须由搬运机器人来完成^[1]。因此搬运机器人已经普遍地应用在工业生产中，并且需求量还会源源不断地增大。但一般机器人在搬运重物时，负载重力势能会发生变化，这会引起机器人关节电机扭矩发生大的波动，这样的波动会使电机和驱动器的寿命大幅减短，同时会增加零部件的成本并且增加控制系统的复杂程度^[2]。在机器人本体上设计重力平衡机构是一种能够减少关节电机负载波动的有效措施，通过这种方法可以提高电机和驱动器的使用寿命以及降低零部件成本减小关节电机体积，同时还能提升机器人的性能和工作效率^[3]。另外工业上绝大多数重要零部件的安装过程都需要多点定位和在正确的安装角度长时间保持稳定，而目前一般的重型零部件的安装方法大都是采用吊车起吊加多人协同或其它动力机构辅助来实现零件的位置和姿态调整，然后根据安装需求进行实时人工微调的安装方法，这种安装方法操作人员需求多、劳动强度大、工作效率低且安装质量难以保证。急需一种无动力的大型零部件安装辅助机构，解决吊车起吊或液压等其他动力机械存在的控制困难和控制不精确潜在的碰撞危害等问题，并仅依靠少量人力进行操作调整，可大大节省人力的投入，保证副翼安装的质量、可靠性和效率。而经过重力平衡的机器人在不需要关节电机提供任何外力的情况下，就可在一定范围内任意位置保持重力平衡，姿态稳定，操作者可以轻松对其进行姿态调整，从而实现零部件的灵活安装。另外此种设计思想还可以用于改善传统电机驱动机械臂的系统性能，应用范围广泛。因此，设计一种在机器人本体上实现重力平衡的搬运机器人就显得意义重大并且具有广泛的应用前景。

国内外研究现状

目前用于辅助人体劳动作业的无动力外骨骼国内外已经有了一定的研究，比如SuitX公司与加州大学伯克利分校共同设计的全新非机动模块化MAX机械外骨骼（如图1-1（a））、美国洛克希德马丁公司的FORTIS外骨骼（如图1-1（b））和东南大学人机协作外骨骼（如图1-1（c）），但是用于重型大型零部件搬运安装的无动力辅助机构暂时没有较为深入的研究。理论上在机械结构上添加重力平衡装置能够实现机构的无动力搬运工作，重力平衡装置用于平衡重力势能的变化，从能量角度考虑，即将重力势能的变化转化为平衡装置势能的存储和释放，减轻驱动系统的能量耗散。实现重力平衡的方法主要有：配重平衡法、弹簧平衡法、气缸辅助法、液压-气动法等^[2-3]，机械臂重力平衡常用的方法为配重平衡法和弹簧平衡法。下面分别对配重平衡法和弹簧平衡法进行简要介绍。

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