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三脚机器人整体结构设计.doc
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三脚机器人整体结构设计.doc
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摘 要
本设计通过对国内外文献资料的查阅,了解了三脚机器人的国内外发展现状及、三
脚机器人国内外主要研究内容及三脚机器人的主要应用方向。本设计通过对三脚机器人
的机构结构的自由度分析、静力学分析,确定了三脚机器人的大致结构布局,本设计对
机器人的驱动机构、主动臂结构、从动臂结构、动平台、静平台进行了结构设计和分析,
确定了最近的机构设计方案,根据最佳的设计方案,使用三维制图软件,绘制了三维模
型,模型模拟运动情况符合设计方案需求。
关键词:三脚机器人;结构设计;机构分析;
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
The Structure Design of Triangle Robot
Abstract
This design understands the development status of the triangle robot at home and abroad,
the main research content of the triangle robot at home and abroad, and the main application
direction of the triangle robot by referring to the domestic and foreign literature. This design
determines the general structural layout of the triangular robot by analyzing the degree of
freedom and static analysis of the triangular robot's mechanism structure. This design
performs the robot's driving mechanism, active arm structure, driven arm structure, moving
platform, and static platform. After the structural design and analysis, the latest mechanism
design plan was determined. According to the best design plan, a three-dimensional model
was drawn using three-dimensional drawing software, and the simulated movement of the
model met the requirements of the design plan.
Keywords: Triangle robot; Structural design; Mechanism analysis;
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
目 录
1 前言..................................................................................................................................1
1.1 课题研究背景及意义...........................................................................................1
1.2 国内外研究现状及发展趋势...............................................................................2
1.2.1 国外发展现状............................................................................................2
1.2.2 国内发展现状............................................................................................3
1.2.2 国内外主要研究内容................................................................................3
1.2.3 三脚机器人的应用...................................................................................4
1.3 本文主要内容.......................................................................................................6
2 三脚机器人的机构分析..................................................................................................7
2.1 三脚机器人的机构描述.......................................................................................7
2.2 三脚机器人自由度分析.......................................................................................7
2.3 三脚机器人静力学分析.......................................................................................8
3 三脚机器人结构设计....................................................................................................11
3.1 总体结构布局.....................................................................................................11
3.2 驱动机构的设计.................................................................................................15
3.3 动臂机构的设计与仿真.....................................................................................16
3.3.1 主动臂的设计与仿真..............................................................................16
3.3.2 从动臂的设计与仿真..............................................................................18
3.4 动平台的结构设计.............................................................................................20
3.5 静平台的结构设计.............................................................................................20
3.6 三脚机器人整体结构设计.................................................................................21
4 结论................................................................................................................................22
参考文献...........................................................................................................................23
谢 辞...............................................................................................................................25
1
1 前言
1.1 课题研究背景及意义
机器人,是人类近代非常重要的发明,机器人的发明,极大的解放了人类的双手,
大幅提高了社会的生产力水平。现在,机器人在各行各业的渗透越来越深入,在加工制
造业中,机器人已经占据着举足轻重的分量,且机器人在工业生产中的分量任然随着科
技水平的需求的发展不对扩大。除了传统的加工制造行业,机器人的应用方向也在不断
的扩展,根据人类的不同需求,机器人的高度集成和自由的特点得到了充分的发挥,不
同类型的机器人得以发明和创造,可以使用其不同的功能满足社会的需求。现在,无论
是军事、医疗、娱乐、生活等行业,机器人都在不断的应用和深入,机器人已经融入到
社会生产和人类生活的各个方面
[1]
。在并联机器人中,三脚机器人是重要的部分之一,
并联机器人从研发出来就因为其自身的特点得到了社会的广泛的应用。根据并联机器人
的自由度来划分,并联机器人可以分为多自由度的机器人和少自由度机器人。其中,最
常用的并联机器人就是三脚机器人。在实际的应用场景中,由于多自由度机器人构造复
杂、成本较高、工作空间限制较多,所以多自由度机器人应用十分受限,与之相比,三
脚机器人具有构造简单、成本较低、控制方便、机构载荷较低、工作速度快等各种优势,
因此三脚机器人的应用十分广泛,三脚机器人通过集成不同的功能,可以适用于各种场
景,三脚机器人的研究也更为广泛
[2]
。
通常所说三脚机器人,为三自由度并联机器人,三脚机器人可以具体描述为:以并
联的机构方式运动,静平台与动平台之间通过三组动臂机构连接,拥有三个自由度的机
器人。三脚机器人拥有以下的优点:
(1)工作误差小
三脚机器人的定平台与动平台与动臂机构通过铰链相连接,运动过程中便于误差的
调整,同时三脚机器人的误差并非是各个系统误差的线性叠加,因此三脚机器人相较于
串联机器人来比积累误差更小
[3]
。同时三脚机器人的结构相对简单,自由度较少,与其
他的并联机器人相比,所产生的误差更少。
(2)负载能力较好
三脚机器人整体结构相对于其他机器人更为简单,机器人自身载荷较少,同时三脚
机器人定平台和动平台之间通过平行的铰链形式连接,动平台在工作过程中产生的作用
力被各部分铰链分布,因此整体的负载能力更强
[4]
。
(3)运动速度快
三脚机器人的运动由动臂结构完成,既主动臂和从动臂结构与同一个静平台和同一
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
2
个动平台形成的所平行四边形提供,同时三脚机器人的结构较轻,运动惯性小,整体结
构动态响应好,三脚机器人能够快速的执行运动
[5]
。
(4)运动学分析容易
机器人在实际应用的过程,一般都需要根据实际的应用情况计算机器人的运动学数
据情况,三脚机器人的运动学分析已经十分成熟,有利于三脚机器人的应用。
(5)各向同性。
三脚机器人在空间中具有对称性,能够很方便的安装和使用。
同时三脚机器人相较于其他并联机器人以及串联机器人,也存在着一些不足,比如
三脚机器人的工作空间不如串联机器人灵活,三脚机器人由于自由度的限制,在其应用
中同样也会遇到各种问题,限制了三脚机器人的应用
[6]
。但是通过不同机器人的配合和
弥补,三脚机器人的应用前景仍然是十分广阔的。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
三脚机器人是应用前景十分广阔的一种机器人,三脚机器人自诞生以来,也受到了
广泛的关注,三脚机器人因为其广泛的应用场景,机器人技术一直是研发的热点,三脚
机器人与其他并联机器人相比,结构较为容易,生产的成本并不高,在工业生产上的应
用十分广泛,同时在其他领域的应用也逐渐深入。
1.2.1 国外发展现状
上世纪 80 年代,法国科学家 Clavel 率先公布了一种三脚并联机器人,同时对其铰
链连接及移动副等提出了多种形式,每种形式对应不同的应用场景
[7]
。在这之后,国外
的厂家开始将三脚机器人应用于自动化设备生产线中,三脚机器人的应用逐渐商业化,
这也极大的推动了三脚机器人的研究与生产。20 世纪 80 年代,瑞士的 Dmeaurxex 厂
家公布了其三脚机器人的专利,基于这一专利,该公司生产了一系列的三脚机器人,最
早的三脚机器人主要应用于工业领域,其动平台主要为机械手,用于食品包装、工业产
品包装领域,第一批的三脚机器人一般具有较大的体型
[8]
。20 世纪 90 年代,瑞士 ABB
公司也开始进行三脚机器人的生产和研发
[9,10]
,其生产的三脚机器人开始向较为精密的
行业进军,其公司生产的三脚机器人,可以应用于电子产品行业,食品将行业,医药行
业等,这是的三脚机器人已经具有较高的精度,同时集成了视觉系统,三脚机器人上集
成的各种传感器,可以让其进行物品的识别,实现了自动化集成的部分功能。21 世纪
初期,德国 BOSCH 公司获得了三脚机器人的相关专利
[11]
,同时生产了多系列的三脚机
器人,此时的三脚机器人已经能够高速运动,其动平台执行机构的最大加速度能够达到
13g
[12]
,高速运动的三脚机器人开始快速在更多的领域应用。
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南抖北快东卫
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