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Delta并联机器人系统总体设计论文

本科毕业设计（论文）

Delta并联机器人系统总体设计

摘要

近些年，delta机器人越来越得到大多数人的关注，并逐渐开始在工业上得到成熟的应用。

与串联机器人相比，并联机器人有很大优势。

其中之一就是可以把电机固定在基座上，这样就可以减轻机器机构上的重量。

当需要直接驱动时，把电机固定在基座上是一个必要的田间。

因此，并联机器人非常适合直接驱动的情况。

并联机器人的另一个优点就是他的刚度很高，这些特征可以得到更多的精准度和更快的操作。

Delta机器人是其中非常重要的一种。

在本书中，介绍了并联机器人的产生特点及应用。

计算了机器人的自由度，位置正反解，并分析了它的空间奇异形位。

还通过分析比较几种控制器和方案，选择其中最适合的方案。

并设计了delta机器人的控制电路，并详细介绍它的控制器功能。

关键词：

并联机构位置反解步进电机结构设计

Abstract

Inrecentyears,increasedinterestinparallelrobotshasbeenobserved..Parallelrobotspossessanumberofadvantageswhencomporedtoserialarms,Themostimportantoneiscertainlythepossibilitytokeepthemotorsfixedintothebase,thusallowingalargereductionoftherobotstructure’sactivemobilemass.keepingthemotorsontherobotbaseisarequairmentwhendirect-driveisused,thus,parallelrobotsarewellsuitedtodirect-driveactuation.Anotheradvantageofparallelrobotsistheirhighrigiditg.thesefeaturesallowmorepreciseandmuchfastermanipulations.Thedeltaparallelrobotisveryfamousamongthem.

Inthispaper,thehistoryapplicationcharacteroftheparallelrobotsareintroduced.AndIcomptedthedegreeoffreeoftheparallelrobot,analysisthesingularposition.Thepositionsolutionandpositioninversesolutiontoo.Atlast,thereareseveralmethordsofcontrolling.AndIchoiceoneofthenwhichisbettersuitedtothisrobot.Thismethodwillbeintroducedlatter.

Keyword:

paralleldelta,positioninversesolution,singularposition

第1章绪论

1.1国内外串、并联机器人的研究现状

现在国际上对工业机器人的应用比较成熟，尤其是在辐射污染大，复杂难以施工和巨大沉重的工件难以使用人力的环境，往往机器人成为最好的选择。

现在列举几个在国内流行的几种机器人类型：

1、串联机器人

串联机器人是目前最常见的工业机器人。

 他们往往有一个拟人化的机械手臂结构，即刚性连接的串行链，由（主要是旋转）接头连接，形成一个“肩”，“肘”，“手腕”。

他们的主要优势是他们尊重自己的音量和占用地面空间大的工作空间。

其主要缺点是：

一个开放的运动结构所固有的低刚度

链接的错误的积累和放大

携带和移动的执行器的重量过大

他们可以操纵的有效载荷相对较低

它需要至少六自由度机器人的工作空间中任意位置和方向放置在对操纵的对象。

因此，许多串行机器人有6个关节。

然而，在当今业界最流行的串行机器人的应用是挑选和地方组装。

由于这仅需要4个自由度，建立所谓的特殊装配机器人的SCARA型。

图1-1：

SCAR型串联机器人

2、并联机器人

并联机器人是一类全新的机器人，它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系，因而扩大了整个机器人的应用领域。

并联机器人可以作为航天上的飞船对接器、航海上的潜艇救援对接器；工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器。

近年来还研究将它用作虚拟6轴加工中心，以及毫米级的微型机器人等，可以预见这类机器人在21世纪将有广阔的发展前景。

它的复杂的机构学问题属于空间多自由度多环并联机构学理论这一新分支，这项理论是随着并联机器人研究而发展起来的，他不仅直接针对并联机器人，对于随机器人高技术发展起来的多机器人协调、多足步行机、多指多关节高灵活手爪等构成的并联多环机构学问题，都具有十分重要的指导意义。

并联机器人所具有的优点：

（1）与串联机构相比刚度大，结构稳定；

（2）承载能力大;

（3）微动精度高;

（4）运动负荷小;

（5）在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。

由于机器人在线实时计算是要计算反解的，这对串联式十分不利，而并联式却容易实现。

并联机器人的典型类型stewart型机器人。

图1-2并联机器人

国内外学术界和工程界对研究和开发并联机床都非常重视。

1994年在芝加哥国际机床博览会（IMTS’94）上首次展出了称为“六足虫”（Hexapod）和“变异型”（VARIAX）的数控机床与加工中心并引起了轰动[。

此后，各主要工业国家都投入了 大量的人力和物力进行并联机床的研究与开发。

如美国IngersollMilling公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司，英国GeodeticTechnology公司，俄罗斯Lapik公司，德国Mikromat公司、亚琛工业大学、汉诺威大学、斯图加特大学,挪威Multicraft公司，瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典Neos机器人公司，意大利Comau机床公司，丹麦Braun公司，日本丰田公司、日立公司、三菱公司、韩国SENATECHNOLOGIES公司等单位相继研制出不同结构形式的数控机床、激光加工和水射流机床、坐标测量机等基于并联机构的制造设备。

并联机床所涉及的基本理论问题同样引起了许多研究单位的重视,由美国国家科学基金会动议，1998年在意大利召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，2000年在美国召开了第二届国际并联运动学机器专题研讨会。

我国已在国家“九五”科技攻关计划和“863”高技术发展计划中对并联机床的研究与开发予以支持。

中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、东北大学、河北工业大学等单位的研究人员也在积极从事并联机床领域的研究工作，并与相关企业合作研制了数台结构形式各异的样机.基于并联机器人的多坐标数控机床研究已成为机器人研究领域以及机床制造领域的研究热点。

目前，国内外所推出的各种并联机床大多数都是单纯利用并联机构（尤其是其中的Stewart平台机构）来构造机床（也有一些在并联机构的动平台上再串接一、两个转动关节以增加工具的姿态空间）。

根据其相应的并联机构所具有的自由度主要有6自由度（6条腿）以及3自由度（3条腿）两类；按照各分支链的驱动方式可分为两种形式：

一种形式为各分支链（定长杆）的一端通过滑块（或丝杠螺母副）沿固定平台导轨移动（简称“腿滑动”）来改变动平台的位置及姿态；另一种形式为通过各分支链杆长的伸缩（简称“腿伸缩”）来改变动平台的位置及姿态。

Delta机器人是并联机器人中的一种优秀代表。

可以成功的在狭小的工作空间进行高速抓取物体，以此做为本次课设的样机。

1.2针对delta机器人的研究成果

对于delta机器人机构控制器参数整定的方法，天津大学的王有启，黄田教授，针对delta并联机构，考虑随位姿实时变化的惯性负栽对伺服控制系统的影响，提出了一类三自由度高速并联机器人控制器参数整定新方法。

首先借助于矢量法导出delta机构的逆运动学和逆动力学模型，消元法建立其正解模型。

在此基础上，建立机电耦合控制模型，直接以机器人末端执行器在整个工作空间运动轨迹的均方根值误差作为综合性能优化目标，在无穷多PID参数非线性组合中离线整定出一组最优值，并通过进行前馈补偿，进一步提高系统精度。

天津大学张利敏，梅江平，赵学满研究广泛用于髙速抓放操作的delta机械手动力尺度综合方法。

在建立系统运动学和刚体动力学模型的基础上，利用奇异值分解原理，提出一种基于单轴最大驱动力矩全域最大值最小的动力学性能评价指标。

该指标可表示为系统尺度和惯性参数及位形的显函数形式，可直接用于观察奇异位形的出现条件。

在考虑工作空间/机构尺度比、速度、精度和刚度等尺度和映射特性约束基础上，利用工程实例研究映射特性约束对尺度参数和动力学性能评价指标的影响规律，并据此综合出一组在满足上述约束条件下使得系统动力学性能最优的尺度参数。

认真分析市场中的delta机器人，我们不难发现delta机器人为满足在狭小的工作空间高速运转的工作环境，在设计有以下几个特点

（1）材料选取注重经济实惠，但更要注意材质质量轻巧。

（2）工作手臂结构较灵活的，减少重量均在考虑范围之内。

（3）电机安放位置较为固定，也是为了减少电机本身的重量产生较大惯性力。

（4）在电机的选取时，在满足工作载荷的前提下，要考虑市面上质量最轻的那种，以适应要求。

这是因为在狭小的环境下高速工作，在较短时间内停止会产生较大的惯性力。

我们知道在速度一定时，若质量越大，产生的惯性力就越大，而过大的惯性力是delta机器人的机械结构无法承受的。

所以在设计中一定要考虑质量的减轻。

其他就是要注意和生产实际相结合，设计中注意后期维护的简单，方便工作者对机器人的保养。

1.3delta机器人的发展趋势

来自中科院沈阳自动化所专家课题组的预测表明，到2011年，我国机器人市场保有量将增至48600台，年销售额约9O多亿元。

根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势预测，到2015年，我国机器人市场容量将达十几万台套。

这无疑是我国对工业机器人进行研究开发的良好时机，特别是在某些例如本课题所面向的还没有工业机器人涉及却拥有极高应用价值的生产领域中使用的工业机器人，更值得我们关注和思考。

而日本、美国、德国等发达国家的工业机器人技术相对于我国有较大领先，这些国家在工业机器人的发展趋势上主要体现在以下几个方面：

①性能不断提高，单机价格不断下降；②机械结构向模块化、可重构化发展；③控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；④发展虚拟现实技术。

这也为我国制定工业机器人发展战略和具体研制某类的机器人起到一定的启示作用。

日本工业机器人的装备量约占世界工业机器人装备量的60%，日本在发展工业机器人技术上，将主要精力集中于以下几个领域：

①视觉传感器；②力传感器；③控制功能，其中包括机器人臂的柔软控制功能、多机器人协调控制功能、冲突检测功能；④离线编程系统；⑤实时监视控制系统。

[16]从中可以看出，日本在发展工业机器人时也重视其智能型和易操作性的提高，向着工业机器人自主进行生产活动的目标发展，尽量减少使用过程中有人来干预的成分。

联机器人虽然经过了几十年的研究，在理论上比较成熟，但是很大程度上是在大学的实验室，真正投入到生产实践中的并联机器人甚少。

近年来，先进制造技术的发展对并联机器人的研究和发展起着积极的促进作用。

随着先进制造技术的发展，工业机器人已从当初的柔性上下料装置，正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加

并联机器人是一类全新的机器人，它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系，因而扩大了整个机器人的应用领域。

并联机器人可以作为航天上的飞船对接器、航海上的潜艇救援对接器；工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器。

近年来还研究将它用作虚拟6轴加工中心，以及毫米级的微型机器人等，可以预见这类机器人在21世纪将有广阔的发展前景。

Delta并联机器人最早是在1985年由R.clavel提出的，因其基座平台和运动平台都呈三角形形状而得名。

Delta机器人作为并联机构的一种，具有上述的诸多优点和各种可能的应用，是目前商业应用最成功的机器人之一。

当初，比如，当在运动平台上装上适当的末端执行器后，特别适用于电子元器件的快速装配插接。

在轻工业中的包装，pick-and-place操作，医学手术等也有较多应用。

在国外Delta机器人已经成功的应用在大范围的领域中，而且取得了不错的业绩。

例如，在瑞士，巧克力生产商chocolatFrey，采用由Bosch的包装技术公司SigpickSystemsAG提供的新的生产线，这条生产线上，八个Delta机器人将巧克力放到泡沫盒里，再把泡沫盒放到纸箱里，减少了chocolatFrey公司的工作量，最主要的是整个操作系统简便易行，只需简单的修改一下操作系统就可以适应新的包装规格，这种简易性使得该公司可以快速而从容的应对市场的新需求。

不久前，位居全球500强之列的电力和自动化技术领导厂商ABB公司，高调宣布其进行机器人的投资建设，并列出了投资的10大理由，这十大理由包括降低运营成本、提升产品质量和一致性、改善员工工作条件、扩大产量、增强制造柔性、减少原料浪费、提高良品率等。

中国处在改革开放的关键时期，各行各业正是在高速发展的黄金阶段，高新技术产业更是朝气蓬勃。

市场的快速发展带来了绝佳的研究机遇，因此，我以为在我国全面建设小康社会、大力发展现代化工业同时，机器人是个不可避免的话题。

在我国进入老龄化社会，劳动力逐渐短缺之际，传统工业中大量危险和重复性高的工作必将由越来越多的机器人来代替。

但相对外国的机器强国而言，我国的机器基础较为薄弱，机器人技术的发展水平还相对较低，难以应对发展大潮。

Delta机器人，作为机器人行业中的佼佼者，具有很高的研究价值和解决中国实际的现实价值。

Delta机器人发明于20世纪80年代初，诞生在瑞士的洛桑联邦理工学院。

当时工业生产中迫切需要一种机器人，这种机器人可以以一个非常高的速度操纵轻小物体，delta机器人应运而生。

在1987年，Demaurex公司为Delta机器人购买生产许可证，开始时Delta机器人主要应用于包装行业。

1991年，雷蒙Clavel介绍来自parallèle的Rapide和他的博士论文，在他的论文中，他构想了4个自由度的设想，并接手了delta机器人的研究工作。

并在1999年获得了黄金机器人奖。

此外，在1999年，ABB柔性自动化开始出售自己的delta机器人，FlexPicker。

1999年底，Delta机器人还销往SigpackSystems公司。

1.4论文主要完成的工作

完成delta机器人总体结构设计，对电机的选取，对结构的研究

1.机械结构部分包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择

2.针对设计要求结合所选用的电机，设计电机的驱动模块，并讨论系统设计的可靠性问题。

第2章delta机器人的结构设计

2.1delta机器人的总体结构设计

Delta机器人是根据前人的研究成果所设计，这些是都有些原件的，在根据前辈设计的基础之上，我在一些方面有所创新，以下为我所设计的总体结构：

图2-1delta机器人总体结构

2.2上顶板

为了实现上顶板对强度的要求，我在上底板之上设计了上底板轴承板如下

图2-2：

上顶板支撑板

在安装中，将支撑饭安放在上底板之上，通过其中的肋板可以达到将上顶板加固的作用。

这样就可以防止由于上顶板板面过于宽广，而是板的安装不够稳定，无法实现对电机甚至是整个机器的固定。

有了支撑板，我们就可以顺利的将上顶板设计成如下形状：

图2-3：

上顶板

在本设计中，上顶板设计成如同电风扇的扇叶，形状是比较美观的。

而且也较为节省材料。

没有如同整个一个大实心板一般，那样就过于浪费材料了，而且显得过于笨重，且不好加工。

如上图的设计不仅可以是加工变得容易，而且节省材料，减少了陈本费。

而且在其中也节约了空间，没一个位置是没有用的，这样就足以完成设计的目标。

但是，仅仅这样还不够，上底板必须要保证一定的平面度和粗糙度，这样才能达到装配的要求，实现整体和谐。

2.3上臂

上臂的设计是要其既可以实现对上臂及其以下部件的支撑，又可以实现电机的转矩传动。

因此，既要保证构件的刚度，也要实现重量较轻的目的，这样在高速运转中，不会因为较大的质量而产生过大的惯性力，导致整个机器的不稳定运行。

因此，在设计中我才用了如下的结构:

图2-4：

上臂

在如上的上臂中，我没有设计成直通的圆柱形的上臂。

因为，上臂在工作中所承担的力并不是一样的，每一个部分的作用也不是一致的，所以圆柱形是愚蠢的。

我在臂的下缘做成弧形。

因为上臂承担电动机转矩的部分处，承担着更大的支撑力，而在与小连杆接触的部分，这部分力是很小的，因此，力小的部分一定要把尺寸做小一些，过大完全没有必要。

在力大的部分一定要经尺寸做大，过小的尺寸很难达到足够的强度，这样会发生危险。

而弧形的结构就完全可以实现上面所说的要求，前大，后小，可以。

我们知道臂的转矩在机器人的设计中很是重要，在上臂上，受到的力是纵向的，若是将臂的两侧挖空一些，对转矩的影响是微乎其微的，但是此举可以很明显的减少上臂的重量耗费的材料，因此在设计是，我选在在臂的两侧加工的薄一点，这样就实现了轻质量，强度够，对于形状的选取，我选择那种较为容易加工的形状。

虽不美观，但是实用，这也是机械设计的一个小原则。

2.4L形板的设计

电机与上顶板的连接要保证精准与稳定，稳定的电机才能给出完整的输出，因此再设计上我选择了L形板。

L形板的设计如下

图2-5：

L形板

电机在设计上要采用悬挂的方式，因此在接触的稳定上一定要有较大的接触面积。

而L形板就可以满足如上的要求。

上表面设计的足够平整，这样有助于接触的稳定，增加链接的刚度。

在板上我设计了加强筋，因为L形板的缺点就是转折处过于窄小，容易产生力的集中，使L板断裂开。

因此在转折处，我们加入了加强筋，这样就增加了在转折处的强度，实现板稳定性的增强。

在板的上部分一个加工有定位销孔，且具有1:

50的斜度，孔的加工要有足够的的精度。

因为机器人的运动是精密的，如果定位不够准确直接影响机器人的运动精度，误差的累积就会是机器人的运动实现过大的错误，无法达到规定的运动范围。

2.5下底板支撑架的设计

下底板支撑架是用来固定下四连杆与下底板的，通过它来带动下底板以至于吸盘组的移动，设计精度是其中不可缺少的要求。

为了保证下底板的安装精度，我在支撑架的中间设计了一个如同轴肩作用的凸台，这样就可以达到定位的作用。

四连杆机构下半部分的轴是个通孔，无法达到精确定位的目的，因此，我们现在轴上加工出挡圈槽，这个槽的精度一定要高，这样才可以保证下底板支撑架处于中间的部位。

对轴承的固定，除了要用下底板支架的凸台外，还要增加一个挡圈的作用。

用它可以轻松的挡住轴承的左右移动，实现对轴承的固定，更是定位的作用。

我的设计形状如下：

图2-6：

下底板支撑架

为了保证装配的准确与安装的顺利，一定要将支撑架的下底板加工平整，保证一定的平面度，这样才可以实现装配的顺利。

为了使支架与下底板固定安稳，需要在螺丝孔上涂抹固定胶，这样才可以做到足够的安装平稳与精度。

2.6机械手的确定

根据老师的任务书，我是给与我们的要求是要可以抓取5KG的物品，而并没有要求具体的拾取方法，如果采用机械手抓取，结构太过于复杂，很难以实现。

就如同吸铁石可以吸起铁物品一样，我们可以通过吸盘来吸取物品，只不过这个吸盘要求较大的吸力。

经过多方面的比较，我决定采用PA系列真空吸盘这种吸盘越来越多的应用在自动化设备上，并在机械手上有广泛的应用。

在选取的过程中，应定要计算好所需的压力。

图2-7：

吸盘

压力的产生，是大气压和真空压的压差与大气压与大气所施加给真空压测的面积的乘积。

因此真空压力力量大也不会超过大气压的力，另外，大气压的变化也会引起吸附力的变化。

下面是洗盘组的安装结构图：

图2-8吸盘组的装配示意图

1：

吸盘，2：

气管，3：

三通，4：

吸盘支撑板，5：

M6螺钉，6：

M4螺钉。

使用吸盘还有一个好处，就是重量较轻。

若使用机械手，手臂的金属质量会很大，而且需要电气传动，附加的重量也会很大。

若使用吸气盘就可以很轻松的解决这个问题。

吸盘的动力来自于空气压缩机。

而压缩机可以游离在机械体之外，而不必安装在机器本身上，这样就减轻了机器本身的质量，将空气压缩机与地板上的吸盘组连接可以有较大的柔性，安装方便，且不会影响机器人本身的运动，具有很多的优点。

因此，在拥有足够的拉力时，选择吸盘是不错的。

装配的俯视剖面图：

图2-9吸盘组的俯视图

在选择吸盘时，先设定真空压力，设定时根据真空源的规格留出余量。

根据我的任务书中规定的任务，需要抓起大概5KG重物，我选取了40cm直径的吸盘，共需四组吸盘，这样就可以得到足够的拉扯力，每个吸盘均是通过三通来与其他的吸盘联系，其中靠气管来连接。

这样就确定了吸盘组的结构了，完成了对delta机器人机器手的计算与设计。

2.7电机的选取

电动机驱动不需要能量转换。

对于机器人来说，控制灵活，使用方便，噪音低，启动力矩大是其主要的要求。

目前在额定功率下的工业机器人大多采用这类驱动。

至于电机的类型我们有以下得出。

永磁式直流伺服电动机，它具有体积小，转矩大，输出力矩和电流成正比，伺服性能好，反应快速，功率重量比大，稳定性能好等优点。

印刷绕组永磁直流伺服电动机，这种伺服电机转动惯量小，快速反应性能和转换性能好，机械性能好，输出力矩平稳，低速运转性能好，寿命长，适用于频繁启动，制动，正反转工作的场合。

步进电动机，步进电动机转自无绕组，由永磁体构成转子磁场，他可将电脉冲信号直接转化为转角。

转角大小与输入脉冲成正比，通过改变脉冲频率来调速。

其旋转方向取决于输入脉冲的相序。

步进电机伺服系统多用于开环控制电路，因此结构简单，位置和速度易于控制，起响应速度快，输出力矩较大，能快速启动，反转和制动，可精确定位。

交流伺服电动机，交流伺服电动机和伺服驱动器组成了交流伺服系统，伺服电动机可以是异步型交流伺服电动机或同步行交流伺服电机，同步型交流伺服电动机是一台机组，由永磁式交流同步电机，转子位置传感器和速度传感器组成。

还可以配置提供位置反馈信息的位置传感器和安全制动器。

直接驱动电机即电机与其负载直接耦合在一起，中间不需要配置任何机械减速装置，但价格较高，其结构特点转子为较薄的圆环，放置在内外定子之间，这样可以减少转子质量，增大转矩。

通过以上比较，并考虑系统的控制精度，控制方式及其成本和难易程度，决定采用易于控制，定位准确的步进电机。

依据所选择的电动机额定功率应大于工作机所需的电动机功率

即：

（公式1）

式中

——电动机额定功率，Kw；

——工作机所需的电动机功率，Kw；