食品包装械手3RRRU机构运构造.docx

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食品包装械手3RRRU机构运构造

食品包装机械手3—RRRU机构运动构造

摘要

随着科技的进步，人类希望从高劳度强度的工作中解放出来，诞生了机器人这一新兴科技，而工业机器人的发展大大减轻了人类的劳动力。

在食品、医药和电子等行业中产生了各种机器人，这些机器人不仅减轻了劳动强度，还避免了产生不同的污染，由于这种特性，机器人快速的取代了高强度的人工操作。

在食品包装行业中机械手的发展日趋自动化，串联机械手和并联机械手在该行业得到广泛应用，串联机器人研究得较为成熟，具有结构简单，成本低，控制简单，运动空间大等优点，已成功应用于很多领域，如各种机床，装配车间等。

并联机器人的研究与串联机器人相比起步较晚，还有很多理论问题没有解决。

但由于并联机器人具有刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，在高速，大承载能力的场合，与串联机器人相比具有明显优势。

已有很多成功应用的案例。

比如运动模拟器，delta机器人等。

基于这种情况，高效率、高速度的并联机械手的设计就引起了广泛关注。

关键词：

机器人；机械手；工业

3-RRRTfoodpackagingmanipulatormechanismmotionstructure

Abstract

Withtheprogressofscienceandtechnology,humanhopeliberatedfromhighlaborintensityofthework,thebirthofthisnewtechnology,therobotandthedevelopmentofindustrialrobotsgreatlyreducethelaborofmankind.Infood,medicineandelectronicindustriesproducedallkindsofrobot,therobotnotonlyreducethelaborintensityandalsoavoidthepollutionofproducedifferent,duetothecharacteristicsoftherobotquicklyreplacingthehighintensityofmanualoperation.

Inthefoodpackagingindustryinthedevelopmentofthemanipulatorhasbecomeincreasinglyautomated,seriesmanipulatorandparallelmanipulatoriswidelyappliedintheindustry,serialrobotresearcharemoremature,ithasasimplestructure,lowcost,simplecontrol,movementspaceislarge,etc,havebeensuccessfullyappliedinmanyfields,suchasallkindsofmachinetools,assemblyworkshopandsoon.Parallelrobotresearchcomparedwithserialrobotsstartedlate,manytheoreticalproblemsunresolved.Butbecausetheparallelrobothasbigstiffness,strongcarryingcapacity,highprecision,attheendoftheadvantagesofsmallpiecesofinertia,athighspeed,largecapacity,hasobviousadvantagescomparedwithserialrobots.Therearemanysuccessfulapplicationcases.Suchasmotionsimulator,deltarobot,etc.Basedonthissituation,thedesignofhighefficiency,highspeedoftheparallelmanipulatoriscausedwidepublicconcern.

Keywords:

robot;Manipulator;industrial

第一章绪论1

1.1课题研究的意义与背景1

1.2国内外研究情况2

1.3本文主要思路4

第二章3-RRRU机构的构造5

2.1概述5

2.23—RRRT并联机器人6

第三章并联机器人的前景与展望8

3.1未来前景8

3.2展望8

3.2.1技术层面8

3.2.2经费使用8

参考文献9

第一章绪论

1.1课题研究的意义与背景

在电子、轻工、食品、和医药等行业中，通常需要以很高的速度完成诸如插装、封装、分检等操作，相应的操作对象一般具有体积小、重量轻的特征。

为了提高自动化程度和生产率，上述操作常需借助高速机械手来完成。

目前，完成上述操作主要依赖串联机械手。

这类机械手虽具有作业空间大等优点，但因需在各个关节上设置驱动器，故各运动臂的惯性负载较大，不宜实现高速操作。

与串联机械手相比，并联机械手因可将驱动器安装在机架上，故可采用轻杆作为云动臂，因而可使末端执行器获得极高的速度和加速度。

鉴于上述原因，基于并联机构设计一种可实现平面回转运动的机构，特别适合做成一类高速抓放装置，完成诸如高速封装、插装等操作。

并联构型装备已成为制造业目前的研究热点之一。

与串联构型相比,并联构型具有刚度好、精度高、高速和高加速度等特点,众多研究机构和制造企业都看好其在制造领域的应用前景。

目前多种并联构型装备已经被设计和开发出来,应用的领域涉及机床、机器人、定位装置、娱乐、医疗卫生等。

研究人员正试图开发出在速度、刚度、精度和费用等方面更优的并联构型装备,以便在与传统制造装备的竞争中占据更有利的地位。

并联机械手

1.2国内外研究情况

机器人的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。

英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。

德沃尔曾于1946年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。

1954年,德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。

1959年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。

它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。

此后英格伯格和德沃尔成立了“尤尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。

第一批工业机器人被称为“尤尼梅特”，意思是“万能自动”。

他们因此被称为机器人之父。

1962年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。

”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。

近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。

第一代为简单个体机器人，第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。

第一代机器人属于示教再现型,第二代则具备了感觉能力,第三代机器人是智能机器人,它不仅具有感觉能力,而且还具有独立判断和行动的能力。

英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作

早期的机器人

工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，广泛应用于机械制造、电子、轻工和原子能等部门。

机械手在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。

同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。

现代重工业机器人

国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。

使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。

如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

目前已经取得一定成绩。

日本多关节万能智能智能机械手X射线检测系统

  世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。

定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量产产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。

  随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。

1.3本文主要思路

通过对串联机械手与并联机械手的研究，结合食品包装行业的要求，设计出一种有并联机构组成的快速分检机械手，通过对其工作域的限定，计算分析出机械臂的最优化设计，实现在原有基础上更加快速高效的操作。

第二章3-RRRU机构的构造

2.1概述

本文主要提出了能够实现高速平动三自由度并联机器人机构，即：

3-RRRU并联机器人机构；研究了其位置正反解；研究了机器人传动性能，确定了该机器人的工作空间和机构尺寸；分析了奇异位形，确定了奇异位形空间；对机器人的传动误差进行了分析与综合；研究建立了机器人动力学模型及伺服驱动器的数学模型，提出了机电系统动力学模型的正向积分求解算法；研究了机器人非线性解耦控制策略，实现了机器人非线性解耦控制；以MATLAB系统仿真工作站为平台，对机器人进行了机电系统仿真与实验研究；设计、加工和制造了机器人本体；设计了机器人控制系统；研究、开发了机器人控制系统软件；研制一台能够实现高速平动三自由度并联机器人原理样机；达到了合同书规定的研究目标和技术指标。

3-RRRT并联机器人示意图

2.23—RRRT并联机器人

3-RRRT并联机器人的示意图如上图所示。

它由动平台，固定平台和三个相同的支链组成。

两个平台均是等边三角形。

每个支链从固定平台到动平台的连接依次由第一转动副（R），第二转动副（R），第三转动副（R）和虎克铰（T或U）连接。

其中与固定平台相连的3个转动副（R）为驱动副。

第一转动副的轴线与固定平台平面和相邻的第二转动副的轴线平行，第三转动副的轴线则与第一、第二转动副的轴线垂直；虎克铰的两个轴的轴线各与第一转动副的轴线和第三转动副的轴线平行。

3-RRRT并联机器人机构模型

空间机构是由一系列构件用运动副连接而成的，分为开环机构和闭环机构。

闭环机构又分为单闭环机构和多闭环机构，以及既有开环机构又有闭环的混合式机构。

多闭环机构还可分为并联机构和任意闭环机构。

3-RRRT并联机器人就属于空间多闭环机构，这里讨论3-RRRT并联机器人的自由度计算问题。

若在三维空间中有

个完全不受约束的物体，任选其中一个为固定参照物，由于每个物体相对参照物都有

个自由度，则系统中

个物体相对选定的参照物共有

个自由度。

若所有的物体之间都用运动副连接起来，设第

个运动副带来的约束为

，由于运动副的类型不同，此约束可以是

和

之间的任何数，如果运动副数目为

，则这时机构的自由度就是所有运动构件总的自由度减去所有的约束数的总和，即：

（2-1）

这里

表示机构自由度。

在一般情况下，式（2-1）中的

可以用

代替，

为第

个运动副的相对自由度数。

这就是

公式：

（2-2）

下面我们利用

公式（2-2）计算图2-1所示3-RRRT并联机器人的自由度。

在此机构的每个支链中都含有三个转动副（R）和一个虎克铰（T）。

由图可知该机构总的构件数

，运动副数

，相对自由度总数

。

其中转动副（R）自由度为1，虎克铰（T）自由度为2。

根据

公式计算得：

运动坐标系设置示意图

因此该机构有三个自由度，根据3-RRRT并联机器人结构构型可知，这三个自由度是沿着三维笛卡尔坐标系的坐标轴运动，也就是说该并联机构在空间内实现三维平动。

第三章并联机器人的前景与展望

3.1未来前景

在电子、轻工、食品、医药等行业中，通常需要以很高的速度和一定的控制精度完成某些操作，例如插装、封装、包装、分拣、检测等。

目前国内外完成上述操作主要采用串联机械手，产品价格极其昂贵，我国这类装备绝大多数依赖进口，其主要类型为关节型、直角坐标型和极坐标型三种形式。

串联机械手具有作业空间大等特点，但是由于采用串联开环结构，各个运动臂惯量大、刚度低，致使在某些程度上制约了或必须花费很大代价实现末端执行器的高速精确运动。

少自由度并联机器人由于其结构特点，运动构件可以制成轻杆，末端惯性小，整体刚度高，易于实现高速运动，且成本较低。

因此，本项目研究的少自由度3—RRRU并联机器人具有广阔的应用前景，适用于电子、轻工、食品、医药等行业中如插装、封装、包装、分拣、检测等操作。

通过本项目的研究，亦可形成一套高速、高精度并联机器人动态设计与控制的设计理论、技术和实验研究体系。

3.2展望

3.2.1在技术层面：

研制高速高精度操作设备，样机本体部件加工精度很重要，但是装配精度对操作精度影响更大，存在不可预见问题；目前市场上控制系统软硬件由于性能原因，很难直接用于高速高精度操作设备，研制控制系统软硬件需要大量细致的工作和有经验的控制系统设计工程师的参与。

3.2.2在经费使用上：

由于技术发展很快，有些设备和产品的性能、价格变化较大，购买、研制设备的价格和性能存在较大变数。

参考文献

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机械工业出版社，1997