论文总字数：25578字

摘 要

近几十年，机器人技术的研究迅猛展开。机器人的使用在人们生产及生活过程中越来越普遍。尤其是工业生产中对机器人的需求日益强烈，包括使用机器人喷涂、焊接、装配、加工等。然而，目前的机器人几乎全部是用于工业场合，其大部分机器人重量和体积都很庞大，这类机器人及相关技术很难在人们日常生活中得到应用。于是，如何开发制造出体积适中、能耗较低、轻质的机器人成为新一代机器人技术话题之一。

本文意在设计一套用于实验测试的柔性机械臂来对其相关方面技术进行学习，并尝试对柔性机械臂进行位置、速度等相关量的控制与测试。同时，通过柔性机械臂的课题来研究、设计并制造一种静平衡装置，使用该装置平衡由机械臂重力给机械臂关节带来的扭矩。以期能够减小电机功率、能耗，并在其他相关领域得到应用及发展。

本次课题主要工作是设计并制造了一副拥有较强应用性与通用性的柔性机械臂机架，机架主体为槽钢，两端焊接钢板分别与基座及角钢通过螺栓连接固定。机架零件少、质量大、刚度强度高，固有频率低且简单，在工作中不易发生共振。机架与大臂关节易于拆装且能够适应不同型号尺寸关节。同时，对机械臂进行了选材与设计，分析方案可行性及其优缺点，尝试制造一刚度强度都较高且质量较轻的机械臂。最后，提出两种较为新颖的静平衡方法，并对凸轮静平衡方法进行详尽的误差分析以及结构设计。加工并组装了同比例凸轮静平衡装置并进行试验测试。对于杠杆静平衡法也作出了详尽的原理解释，对该方法的优缺点作出了简单的评定。

关键词：柔性机械臂；静平衡；凸轮

DESIGN AND ITS KEY TECHNOLOGY RESEARCH

OF FLEXIBLE ROBOTIC ARM

02011512 Ding Ge

Supervised by Luo Xiang

Abstract:

In recent decades, the robot technology research on rapid expansion. Robots used in the process of production and lives becoming more and more common. Demand for robots in industrial production has become increasingly intense, including the use of robot to spraying, welding, assembling, processing, and so on. However, at present, almost all of robot used in industrial applications, most of robots are weight and large, these robots and related technologies is difficult to be applied in daily life. So, how to design a moderate size, lower power, lightweight robots have become one of next-generation robot technology topics.

This paper aims to design a flexible robotic arm to test aspects of their related technologies for learning, and to try to position the flexible arm, speed control and testing. Meanwhile, by the flexible arm subject to study, design and manufacture a static balancing device , use this device to balance the torque caused by the robotic arm's gravity to the arm's joint.Expect to reducing motor power, energy consumption, and in the other relevant fields of application and development.

This thesis work is to design and manufacture a pair have strong applicability and versatility of flexible arm racks, rack main body for channel steel, welded steel plates at both ends and the base and fixed angle iron bolted. Rack have less parts, high quality, high strength, low natural frequencies , not easily resonate in their work. Rack and arm joints are easy to disassemble and can adapt to different types of joints. Meanwhile, the material selection and design of the arm, analysis of feasibility, advantages and disadvantages, trying to produce a high stiffness and strength and lighter robotic arm. Finally, we propose two new static balancing methods, and static balancing method of cam for detailed error analysis and structural design. Machining and assembling the same proportion cam laboratory testing of static balancing device. Lever principle of static balancing method is also given a detailed explanation, assessed the advantages and disadvantages of the method.

Key words: flexible robotic arm; balance; cam

目录

1、绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2柔性机械臂研究与发展 1

1.3本文主要研究内容 2

2、 机架及大小臂结构设计 3

2.1引言 3

2.2门式结构机架 3

2.3悬臂梁结构机架 4

2.3.1铝型材组装机架 4

2.3.2槽钢焊接机架 5

2.4大小臂选材及结构 6

2.5本章小结 8

3、 静平衡机构设计 10

3.1引言 10

3.2凸轮静平衡分析 11

3.2.1设计原理 11

3.2.2凸轮形状设计 13

3.2.3确定凸轮形状 14

3.2.4凸轮绘制 15

3.2.5凸轮选择 17

3.2.6加入滚子后误差分析 18

3.3凸轮静平衡机构设计 20

3.3.1凸轮零件设计 20

3.3.2弹簧静平衡装置设计 21

3.4杠杆静平衡分析 22

3.4.1设计原理 22

3.4.2弹簧设计 24

3.4.3误差分析 24

3.5 本章小结 25

4、 加工、组装与调试 26

4.1总装建模 26

4.2加工装配实物图 26

4.3本章小结 27

5、 总结 28

致谢 29

参考文献 30

附录A 31

1、绪论

1.1课题背景及意义

近几十年，机器人技术的研究迅猛展开。机器人的使用在人们生产及生活过程中越来越普遍。尤其是工业生产中对机器人的需求日益强烈，包括使用机器人喷涂、焊接、装配、加工等。机器人的使用不但解放了生产线上诸多劳动力，使工人脱离了枯燥乏味的重复机械式运动，还很大程度上提高了加工生产的速度与效率。同时，高质量高精度的机器人保证了产品的一致性，大大降低了生产制造过程中的废品率，节约了资源。机器人的使用还极大的提高了生产线自动化程度，真正使工厂无人化成为可能。可以说，机器人技术是现代社会发展与进步的支撑性技术之一。

然而，目前的机器人几乎全部是用于工业场合，其大部分机器人重量和体积都很庞大，这类机器人及相关技术很难在人们日常生活中得到应用。于是，如何开发制造出体积适中、能耗较低、轻质的机器人成为新一代机器人技术话题之一。

轻型机械人主要应用于日常生活服务、军事等行业，要求机器人可以灵活移动、工作，对于未知的工作环境有感知、适应能力。这一系列的要求决定机器人的控制柔顺性好，传感器类型多、数量多。为保证机器人灵活性，新型机器人区别于传统工业机器人必须轻质。这些要求对机器人的选材、控制方法、机械结构等都提出了巨大的挑战。

作为机器人设计最重要的环节之一，机械臂的设计与研究一直受到人们的重视。越来越多的研发设计人员已投入到关于轻质机械臂的研发制造中。轻型机械臂要求有较高的负载自重比，这样才能在相同负载下降低系统质量。另一方面，因为轻型机械臂刚度低，同时在面对未知环境时只有通过柔性控制才能避免机械臂损坏，而柔性控制的精度和响应速度决定于控制系统。所以机械臂控制系统的研发与设计非常重要。最后是机械臂的感知能力，只有感知系统与柔性控制系统相结合时才能真正使机械臂能够在未知环境中正常工作。

1.2柔性机械臂研究与发展

到目前为止，柔性机械臂的研究最为出色的是德国、日本和美国。最早从八十年代德国就开始研发、设计并制造柔性机械臂。德国在柔性机械臂的研发设计中以德宇中心研发的前后共三代轻型机器人臂以及SCHUNK公司研发的七自由度轻型机械臂为代表。美国在轻型机械臂的研发上最突出的是美国NASA研发的轻型机械臂，“勇气号”与“机遇号”火星探测车就使用了该公司研制的机械臂。在军工方面，美国Foster-Miller公司研制过一款名为“魔爪”的机械臂，专门用来执行一些危险任务，包括排除炸弹等。

我国对轻型机械臂相关内容研究起步较晚，但也取得了不错的成果。沈阳自动化研究所曾为反恐工作研发了一款名为“灵蜥”的六自由度机器人，经过多次设计及改动，该机器人可以抓起最大7kg的重物。同时，包括上海交通大学、哈尔滨工业大学等大学与研究所陆续都开始了柔性机械臂与柔性机器人的研究。

1.3本文主要研究内容

基于上述关于机器人柔性机械臂背景、意义及现状，本文意在设计一套用于实验测试的柔性机械臂来对其相关方面技术进行探究与学习，并尝试对柔性机械臂进行位置、速度等相关量的控制与测试。同时，通过柔性机械臂的课题来研究、设计并制造一种静平衡装置，使用该装置平衡由机械臂重力给机械臂关节带来的扭矩。以期能够减小关节电机的功率、能耗等，并以期该静平衡装置能在其他相关领域得到应用及发展。

本文第1章简单阐述了研究课题的应用背景及意义，综述了到目前为止柔性机械臂在国内外的研究现状，并简要提出了本文研究探讨的主旨内容。

本文第2章阐述了本次设计中关于柔性机械臂机架的设计方案，对提出的几种机架方案进行简单的受力分析，对比几种方案机架的刚度、强度、质量、机构拆装便捷性及通用性等要素，详尽的分析了最后确定使用的机架设计的优缺点。同时，第二章还简述了本次设计中机械臂大小臂的选材与结构，并分析了所选材料及其结构的优缺点，简要叙述了该方案的可行性。

本文第3章着重介绍了两种相关静平衡的方法，详细的介绍了其设计构思及原理。并选择了一种方法进行结构建模设计，阐述了该机构的工作原理，分析了其应用中产生的误差原因，通过matlab计算出其误差大小并与任务书要求进行对比。

本文第4章具体讲述了设计的柔性机械臂结构的制造，详尽的说明了各个零件的加工、组装过程及方法，并对组装的机构进行简单的调试，最后通过实验来说明设计的机构可行性，分析机构在本次设计中还有哪些弊端并尝试提出改进方法等。

本文第5章是对研究课题的总结和展望，并总结了本文研究的成果与贡献，同时对相关内容还未得到解决的问题提出自己的看法，以期后续工作能够得到完善。

2、 机架及大小臂结构设计

2.1引言

机架是指能够容纳以及支撑零部件的零件，是底座、立柱、机体、床身、箱体、壳体以及各种平台等零件的总称。

机架设计需要考虑的要素很多，但首先要保证其能够满足要求的刚度、强度以及稳定性。

刚度要求包括静刚度以及动刚度，动刚度主要是用来评定机架的抗震能力，可以从控制机架固有频率、增加阻尼等方面入手提高机架抗震能力。机架设计中刚度尤为重要，如机加工机床中，精度是其最重要的参数之一，刚度很大程度上决定了机床能够满足的精度要求，既包括静刚度，即机床机架在重力影响下产生的变形以及加工中受力产生的变形对加工零件精度的影响，也包括动刚度，即机床在工作中受力产生震动，如果震动频率与机架固有频率相同，机架会产生相对静载变形数倍的形变进而严重影响加工精度；又如各类齿轮减速器在齿轮转动过程中，如果箱体或轴的刚度不足会产生过大的形变，导致齿轮中心距产生改变。所以刚度往往决定了齿轮的啮合情况，很多大程度上影响减速器工作性能。

机架强度要求也应从动静两方面考虑，在重载机架中，强度尤为重要。

在机架受压或受压弯等结构中往往存在着失稳的问题，稳定性也是机架是否能够正常工作的审核标准之一，所以对机架稳定性的校核也尤为重要。

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