毕业设计（论文）-快递自动分拣机器人设计

快递自动分拣机器人设计摘要基于视觉的快递分拣机器人在当今自动化生产线上，作为工业机器人的一员起着重大的作用，在国内外相当多物流业内都有使用。随着我国工业的不断发展， 机器人在工业领域运用的十分广泛，这次毕业设计主要进行的机械设计和电气控制，辅助以工业相机配套的视觉识别功能，对部分非标零件进行设计，并进行有限元分析与优化。并且，绘制出与之对应的电气原理图，实现机械与电气的一体化，是机器人更好地完成指定的工作。 本次毕业设计的重点除了机器人本体的非标件设计之外，还包括末端执行器机械手爪的结构设计，主要包括齿轮臂、手掌等设计。末端执行器具有两个自由度，一个是旋转自由度，另一个是夹取的自由度，可以使机器人的路径规划更为灵活多选，二者均是由舵机驱动。在电路原理图中均有体现。 机器人本体以及传送带，相机调整机构，承载平台之间的配合组成了这个快递分拣系统，传送带运送物件到相机调整机构下拍照，将获得的信息发送至控制柜，再由机器人本体负责执行工作。系统正常运转的情况下，可以有序地完成所指定的快递分拣的任务。 该论文有图 42 幅，表 9 个，参考文献 41 篇。 关键词：快递分拣；工业机器人；视觉；伺服电机；有限元分析 全套图纸加扣 3346389411或3012250582IVVision-based express sorting robots play an important role as members of industrial robots in todays automated production lines, and are used in many logistics industries at home and abroad. With the continuous development of Chinas industry, robots are widely used in the industrial field. This graduation project mainly carries out mechanical design and electrical control, assists with the visual recognition function of the industrial camera, and designs and performs some non-standard parts. Finite element analysis and optimization. And, drawing the corresponding electrical schematic diagram to realize the integration of machinery and electrical is better for the robot to complete the specified work.The focus of this graduation project is not only the design of the non- standard parts of the robot body, but also the structural design of the end effector manipulator claw, mainly including the design of the gear arm and palm. The end effector has two degrees of freedom, one is the rotation degree of freedom, and the other is the degree of freedom of gripping, which can make the robots path planning more flexible and multiple choices, both of which are driven by the servo. It is reflected in the circuit schematic diagram. The cooperation between the robot body, conveyor belt, camera adjustment mechanism, and carrier platform constitutes this express sorting system. The conveyor belt transports objects to the camera adjustment mechanism to take pictures, sends the obtained information to the control cabinet, and the robot body is responsible for performing the work. Under the normal operation of the system, the designated express sorting tasks can becompleted in an orderly manner.Keywords: express sorting; industrial robot; vision; servo motor; finite element analysis目录1 绪论 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 研究现状 . 1 1.3 国内外研究现状 . 2 1.4 本章小结 . 2 2 自动分拣机构整体方案设计 . 3 2.1 主要内容和拟解决的问题. 3 2.2 研究方法 . 3 2.3 并联机器人简介. 5 2.4 发展展望. 9 2.5.控制硬件的介绍. 9 2.6.相机标定. 10 2.7 有限元分析概述 . 10 2.8 本章小结. 11 3 快递分拣机器人的机械结构设计 . 11 3.1.关节参数的确定. 11 3.2 铰链的选型. 11 3.3 传动参数的确定. 14 3.4 并联机器人各部位形状设计. 18 3.5 机械手的选型. 21 3.6 关键零件模型的有限元分析. 23 3.7 装载机器人平台尺寸选定. 25 3.8 相机调整装置. 26 3.8 本章小结. 27 4 并联机器人电气系统设计 . 28 4.1 电气系统总体设计. 28 4.3 电气系统模块介绍. 28 4.4 本章小结. 30 5 并联机器人运动学分析 . 31 5.1 并联机器人自由度分析. 31 5.2 并联分拣机器人的正向运动学分析. 32 5.3 并联机器人逆向运动学分析. 33 5.4 并联机器人工作空间的解算. 34 5.5 机器人的动力学分析 . 36 6 并联分拣机器人的轨迹规划 . 37 6.1 两点间直线插补算法37 6.2 三点间圆弧插补算法. 38 6.3 本章小结. 39 7 快递分拣装置可行性分析 . 40 7.1 安全可行性分析. 40 7.2 绿色可行性分析. 40 7.3 经济可行性分析 . 40 8 总结 . 41 参考文献. 43 VICONTENTS1 Introduction . 1 1.1 Background. 1 1.2 Research Status. 1 1.3 Research status abroad. 2 1.4 Summary of The Chapter. 2 2 Overall scheme design . 3 2.1 Main content, and problems to be solved. 3 2.2 Research methods. 3 2.3 Introduction to parallel robots. 5 2.4 Development prospect. 9 2.5 Introduction of control hardware. 9 2.6 Camera calibration. 10 2.7 Overview of finite element analysis. 10 2.8 Chapter summary. 11 3 Mechanical structure design of express sorting robot . 11 3.1 Determination of joint parameters. 11 3.2 Selection of hinge. 11 3.3 Determination of transmission parameters. 14 3.4 Shape design of various parts of parallel robot. 18 3.5 Manipulator selection. 21 3.6 Finite element analysis of key parts model. 23 3.7 Loading robot platform size selection. 25 3.8 Camera adjustment device. 26 3.8 Chapter summary. 27 4 Design of electrical system of parallel robot . 28 4.1 Electrical system overall design. 28 4.3 Introduction to electrical system modules. 28 4.4 chapter summary. 30 5 Kinematics analysis of parallel robot . 31 5.1 Degree of freedom analysis of parallel robot. 31 5.2 Forward Kinematics Analysis. 32 5.3 Inverse kinematics analysis of parallel robot. 33 5.4 Solution of Workspace of Parallel Robot. 34 5.5 Robot Dynamics Analysis. 36 6 Trajectory planning of parallel sorting robot . 37 6.1 Linear interpolation algorithm between two points37 6.2 Circular interpolation algorithm. 38 6.3 Chapter summary. 39 7 Feasibility analysis of express sorting device . 40 7.1 Safety feasibility analysis. 40 7.2 Green feasibility analysis. 40 7.3 Economic feasibility analysis. 40 8 Conclusion . 41 REFENCES . 43 绪论 1 绪论1. Introduction 选题背景（Background）各个快递公司间的竞争越来越大，在对客户的竞争上就会越来越关注，而客户一般就会关注服务的态度和物流运输的速度上所以，如何能够快速准备地实现快递的分拣，就成为了大家对于快递行业所关注的问题。在国内乃至国际上，就形成了以提高效率的物流运输研究，其中快递分拣的过程包含其中，同时也就为快递分拣机器人的诞生提供了背景条件。 研究现状（Research Status）迄今为止，快递分拣中还没有实现无人化，一些环节不能完全抛弃人工的帮助。我们设计所需要尽可能实现的目标就是机械化，智能化，高度自动化，同时减小人工工作的强度，解放人的双手。目前并没有固定的自动分拣设备，不同的公司或者企业都在生产不同的产品，分拣的效率也在行业竞争中大大的提升，达到新的高度，世界领先的水准。图 1-1 工厂中常用的快递分拣设备Figure 1-1 express sorting machine in factory48此时，自动分拣机器人就应运而生。自动分拣技术的出现刚好既可以解放人力，又可以保证分拣过程中的工作效率。在视觉技术逐渐成熟的今天，自动分拣机器人更是如虎添翼。基于视觉的快递分拣机器人也即成为近些年来快递行业提高工作效率方案的最好选择。 国内外研究现状 (Research status abroad)视觉识别搭配自动技术在物流行业的应用有很多，以国内快递公司所使用的视觉分拣机器来说。自动化技术，例如自动扫描，机械处理和高效率，已成为快递公司关注的焦点。 基于视觉识别的自动化技术在快递公司中的应用，不仅在快递行业竞争中发挥着重要作用，而且在快递公司自身的转型中也发挥着重要作用。这类自动分拣系统的控制装置主要根据供应商或者货主提供快递所包含的众多因素，并根据这些因素确定分拣要求，随后按照快递种类、目的地进行自动化识别。举例来说，物流工作人员通过对快递上二维码进行检录，自动分拣系统收到账这些信息后，将会按照分拣系统给出的要求判断快递最终将会进入的分拣区域中。供应商提供的商品的总件数量一般会很大，大量商品按照客户各种各样的所在地区送到各个目的地。未来，智能化的趋势逐渐到来，如今大数据以及人工智能的迅速发展以及日渐一日完善化、快递所包含的信息也将变得标准起来，统一起来、系统智能控制的高度集成化，分拣系统将会成为快递行业由人力资源密集型产业向自动化与智能化转型很关键的一环。传统物流行业在智能快递分拣设备的引导之下进入了新的发展阶段智能化阶段，设计出众的自动分拣设备能够适用于各种各样的分拣任务，成为了物流科技发展的明珠，得到快递物流公司的喜爱。与此同时，客户越来越多，物流服务需求越来越大的大坏境的面前，自动分拣效率变得越来越高，更智能的分拣、更人性化的技术也都会相继出现。 本章小结（Summary of The Chapter）本章从视觉机器人的基本介绍讲起，对比传统机器人突出其灵活稳定的特点， 并说明了视觉机器人在当今社会的现实意义，研究意义；对国内外工业机器人的 研究现状进行大致介绍，指出我国机器人研究的成就和不足之处。整体方案设计 2. 自动分拣机构整体方案设计1. Overall scheme design1.1 主要内容和拟解决的问题(Main content, and problems to be solved)查阅资料了解的自动分拣机器人现状及发展趋势，可以了解其工作原理。标准合理的类型和尺寸选择，使稳定性有保障； 工作时要求可靠，结构要求简单， 装卸时要方便，易于维护和调节。机器人自身系统与工业相机相结合，利用其快速读码以及智能分拣系统的功能，完成包装，称重，读码等工作，从而实现快速的分拣和信息记录交互，以及设计自动抓取快递装置和整体自动分类系统装置。1.2 研究方法(Research methods)随着科学的发展，如今自动化程度越来越高。而自动分拣系统就是其中的代表产品。整个自动分拣装置之中主要包含着分拣机器人本体、分拣平台、工业相机、传送带四部分组合在一起，在一些特殊情况中，如快递卡件，出现过于庞大的快递件，可能还需要人工处理这些问题的形式以让这个快递分拣系统正常的运作起来。另外，这个带有图像识别的快递分拣系统在实现高自动化的前提下，还可以在快递分拣的正确与错误的概率之间有保障率，可以真正地应用到实际产品之中。中国物流行业发展突飞猛进，如果真的可以在物流行业加以应用，可以解决现在国内快递分拣效率不够高的问题，也正是因为这个原因，快递行业需要大量的人力，人在分拣的过程中，受到自身状态的影响，正确的概率难以得到保障。首先，在毕业实习中了解到了相似产品的设计，这篇设计的主体部分在于机械结构的设计。在毕业实习兼调研完成后，对所选题目已经有了初步的想法。机械结构部分图纸的绘制采用 SolidWorks2017 绘制，逐一绘制出零件图并完成装配。再使用软件中自带的转换为工程图纸的方法，最后得到二维图纸，再使用CAD 进行细致的二维图纸的修改与标注工作。除机械结构部分的设计之外，自动化分拣必不可少的问题还有自动分拣装置的控制问题。选用工业相机可以将图片拍摄，对快递件上的码进行扫描读取，获取所包含的信息。将获得信息传送给控制装置，经过编程等方式，将所获得的信息作为输入信号转换为相应的输出，这就实现了机械结构的控制工作。分拣信号的捕获有很多种方式，这里采用工业相机识别的方式，既不会成本太高，又可以读取出所包含的信息。这里不采取条形码，而采取二维码作为扫描码，下文中也将会介绍原因。 图 2-1 物流工厂的快递分拣流水线在图像处理以及识别的过程之中，采取读取二维码的方式。相比于条形码， 二维码所包含的信息更多，扫描速度也不会由于信息量的变大而变慢。在未来的快递行业之中，我们打算在快递的二维码之中包含着各种各样的信息，从而实现快递信息的多样化，实时化以及便捷化。但是，二维码也有可能出现无法检测的情况，比如二维码的磨损问题；这些问题的解决需要二维码的提取算法， 其中一个比较重要的环节就是预处理。预处理的步骤大概分为图像灰度化，降低图片的维度等五个步骤；二维码的提取算法则包括定位和变形的矫正，使真实状况之中发生畸变的二维码之中的信息仍然可被提取出来。下图表示的二维码中包含的各类信息，相比于条形码，二维码包含着更多功能，也存储更大的信息量。条形码一旦弯折或者损坏，就可能造成无法读码的情况，相比之下，二维码就显得更加智能，更适用于作为物流分拣的标识码。在分拣控制系统之中，如果通过传感器检测到没有快递在运动，将以低能耗的形式进行运动。若检测到有物体在平台运动，就会对其所带有的标识码进行扫描，根据条码里所包含的结果决定如何分拣。如果检测不出结果，将其放入单独的分错的快递中，匹配成功，将进行快递的抓取，移动。为保证快递分拣的高速， 灵活，采取并联机器人。图 2-2 二维码各部分的功能介绍1.3 并联机器人简介(Introduction to parallel robots) 并联机构的提出、特点 20 世纪 60 年代，德国人斯徒尔特绘制并制造出第一台了并联机构（具有六个自由度）。到了 70 年代，澳洲颇负盛名的机构研究专家亨特（Hunt）提出了对机械臂可以使用并行机制的想法。并联机构相比较于串联机构，并联机构结构十分稳固，且材料更结实；除此之外，其可以承受较大的重量的同时，又具有很高的精度。 整体方案设计 并联机构的分类图 2-3 典型并联机构结构图并联机构分类一般按照自由度分类，可以划分为三到六自由度的并联机构。其中不同自由度的并联机构又具有不同的样式，同自由度的种类也可能不同，种类众多，特点不一。我们可以根据不同的需要，去选用不同类型的并联机器人和机构。 并联机器人的发展现状典型产品介绍并联型运动机器人,英文名称为 parallel mechanism,也可以简称叫 pm,通过动平台和并联定位器将动平台以及两个以上独立的闭环运动支链连一起,该闭环机构可以具有两个或者两个以上的自由度,并且实际上是一种并行驱动的通用型封闭装置。这种机器人产品具备的主要特点之一是部件无需消除累积的运动误差,精度高。并联驱动支链装置部件可以直接放置在一个固定的平台上或者放置在靠近固定平台的任何位置,使得并联运动支链部件的重量轻,速度快,动态控制和响应好。 FANUC 并联机器人图 2-4 ABB 并联机器人各部位 图 2-5 ABB 并联机器人实物图 FANUC 公司所研究的并联机器人是四轴控制的机器人，安装方式较多，比较常用的有两种：它可以悬挂着安装，也可以在地面上安装进行工作。不过因为其尺寸以及结构设计较为轻巧，承载能力较差，仅仅 0.5 千克，通过伺服电机驱动，重复定位精度可以达到 0.02mm，精度十分高。表 2-1 FANUC 机器人相关参数 ABB 并联机器人图 2-6 adept 机器人结构详情 相比较于 FANUC 公司产品，这个产品承载能力大大增强，但与此同时所付出的代价就是重复定位精度的变低，重复定位精度为 0.1 毫米。整体显得更为庞大，工作范围更为宽泛，可实现更大范围内的物品分拣与抓取。 图 2-7 adept 机器人产品规格 与上述两种机器人知名大公司产品作为参考，设计中应采取更接近于第二种并联机器人的结构设计，也就是能够实现一定重量物体的搬运，同时不需要太高的重复定位精度。1.4 发展展望 Development prospect并联机器人因为其本身的优点注定将会于未来某些行业的发展之中大显身手，高速灵活是主要的优势，也使其非常适用于某些行业，尤其是分拣。近些年来，并联机器人的逐渐热门也证明了这一点。在未来，包装行业，物流分拣行业的发展，并联机器人的高速，灵巧，轻型优点也将尤其显露出来，未来的发展中， 并联机器人可能会发展得比六轴关节型机器人和 scara 型机器人更加迅速。目前， 很多公司也很注意并联机器人的研发工作，国内的发展注重技术的研发，虽现在不及国际水平，但在不远的将来，技术一定可以得到发展，出于世界高水准。1.5 .控制硬件的介绍 Introduction of control hardware经常选用的控制硬件可以分为 plc 和单片机两种。与单片机相比,PLC 优点就十分突出，PLC 的故障率低在万分之一左右。S7-1200 的工作方式PLC 工作流程图如下： 图 2-8 plc 运行流程图 1.6 .相机标定 Camera calibration在工业机器人的视觉中,标定的问题主要是涉及两个基本方面,目的之一是为了建立一个相机的坐标与所获取的世界坐标之间的准确对应和相互关系。机器人视觉系统的标定原理可以用来直接确定一个相机和视觉处理机构之间的关系,将一个相机坐标所获取的世界空间坐标直接转换为一个工业机器人的手臂可以移动的世界空间坐标。在视觉工业和机器人的应用中,相机的标定是一个非常重要的技术环节,也是我们用来衡量一个工业应用的机器人及其视觉处理系统的性能优劣的一个关键点,是保证后续的工作准确执行的一个重要前提,会直接地影响整个工业机器人的工作和运动。根据工业相机标定和成像的原理,对于一个单目的机器人视觉来说,二维空间点像素的特征点坐标和对应整个三维世界的空间坐标是一条线,通过世界空间坐标的变换就是可以直接求出整个相机的特征点和相关世界坐标数据。所以工业相机视觉系统标定的主要技术基础就是如何获得二维空间特征点的像素世界坐标和三维空间点像素坐标的相互关系,并且系统需要确定的世界坐标精度直接决定了机器人视觉处理系统的效率和精度。1.7 有限元分析概述（Overview of finite element analysis）有限元就是对一个不可计算的物理模型整体进行划分，划分成很多块，块之间存在相互作用，那么就可以将已知条件在块上进行分解，通过相互作用关系就可以列出和块的个数正相关的数学方程式进行求解，其个数相当庞大，因此人不可能计算，得益于今天计算机技术的发展在计算机上可以进行快速的计算，因此使这种方法得以实现。因为是将一个不规则的东西划分成规则的东西，因此划分的过程其实本身就是不准确的，就是一个近似的过程，划分网格时划分的网格越密，所计算得的解越接近模型的实际情况，但是网格数量的增多使列出的数学方程也增加，计算机的工作量增加，计算的时间相应也会增加。因此在解决实际问题时，只需自行调节分解单元的大小，满足需要的精度要求即可。在进行机械设计或想要分析某一复杂结构的应力、应变或位移时，往往只需要某一个精度层次上的结果，这种分析方法可以根据自身需求划分网格求出一个满足我们要求的结果，因此在现代工程分析中应用广泛。 机械结构设计 1.8 本章小结（Chapter summary）本章从系统功能出发，确定了设计任务的基本要求与解决方案。通过各类型 机器人的对比并结合本系统的工作要求选择了并联型机器人，并对机器运动范围、机身大小初步确定。根据机械臂的工作方式以及本系统的功能设计了总体工作方 案、总体布局和总体控制流程。完成控制硬件 PLC 的选择并进行简单的介绍。最后补充了有关相机标定的相关内容。 2. 快递分拣机器人的机械结构设计1. Mechanical structure design of express sorting robot .关节参数的确定（Determination of joint parameters）根据真实快递分拣的情况，另外参考上述 FANUC 机器人的尺寸以及负载大小，可以初步先进行基本关节参数的拟定。为方便描述，定位下列几个结构的重要参数，更加方便确定机器人结构的整体大小。表 3-1 并联机器人的尺寸拟定表 铰链的选型 Selection of hinge铰链是并联机器人动静平台之间连接的关键连接件， 最常见的有下列几种： 1.虎克铰虎克铰中间通过一个十字形状的轴，从而实现两杆之间的立体空间的运动， 实现两者空间的夹角变化，但虎克铰所做的是空间运动。通常，虎克铰一共有 2 个自由度，为了方便理解，我们可以将其想象为两轴线相交的转动副的连接体。2.万向节图 3-1 虎克铰结构实物图 万向节也可用于改变轴线的方向。在结构上与虎克铰很是接近，出路可以实现虎克铰的功能之外，既可以实现角度变化，又可以实现动力的传递。万向节和虎克铰相同，同样也能够提供两个回转自由度。图 3-2 万向节的爆炸视图 3.球铰链球铰链是在自动控制系统中连接执行器件和调节机构的附件，通过灵活的球形轴承结构来达到控制准确，扭转幅度大的目的。优点是该球形铰链安装，拆卸、调整都很方便，又安全可靠，所以被大量的用于电力行业，石油与地质，矿山机械，食品加工等工业自动化控制系统里。图 3-3 应用于真实结构中的球铰装置 4.关节轴承关节轴承由两部分组成，一部分是内球面，也叫内表面；一部分叫外球面， 也叫外表面。用于机构中，所连接的机构运转时可以任意角度转动，一般其表面会采取喷漆，氮化等特殊工艺处理。图 3-4 关节轴承实物图 根据前人的设计而改进，为求美观以及其他工作需求，以球铰链代替虎克铰。且两端各安装一下压紧弹簧，以便于保持两个从动轴能够保持平行，而且方便拆卸。根据球铰链所具备的若干优点，1.选用球形结构 2.能够灵活承受各个面的压力 3.可控性良好 4.易于装配 具有很好的维护性 关节转角为 120 度，因此选用球铰链。其中 SolidWorks 中球铰链的绘制步骤为球形面使用同心约束，两个零件的中心轴需要使用高级约束里的线性/线性耦合，其中给定角度即可。 传动参数的确定（Determination of transmission parameters） 电动机的分类目前，电机的种类丰富，设计者需要根据场合以及要求选用最为合适的电机作为驱动控制。电机分类方式很多，根据制定的标准，电机的分类也不一样。电机是装置驱动提供动力的主要部件。因此，在电机选型过程中需要综合考虑电机的成本、能耗、装配性能、承载、控制要求，输出形式等，同时，机器人选用的电机还应该尽可能满足：空间小，轻盈、较小的转动惯量和调速范围大这些条件。可选电动机介绍主要考虑两类电动机，伺服电机（包括直流以及交流）和步进电机。伺服电机所具有的优点众多：1.没有电刷，无换向器2.定子绕组散热比较方便3.工作可靠，维护要求不高4.适应于高速大力矩工作状态图 3-5 伺服电机实物图步进电机存在下列的缺陷：步进电机实现半闭环控制较为复杂，相比于伺服电机精度不够。另外，可能出现共振现象，运转时，速度很难很高，而且难以得到大的转矩。除此之外，并联机器人整体轻巧，而步进电机并不满足轻巧的要求，能量损耗大。当超过额定载荷的时候，同步运动就会暂停，运转速度大的时候，也会运动不平稳，不稳定的同时还会产生噪声。步进电机存在的上述缺陷使其不适用于此系统，不能满足此机器人高速灵活的运动特点。综合以上所述，伺服电动机在许多方面表现得都更加优秀，所以选用伺服电动机。 传动方案的选择在并联机器人的结构设计之中，结构紧凑是其最明显的特点。可供选择的传动方案有很多，如链传动、带传动、齿轮传动等。经过对机器人整体抓取精度以及自身结构特点，所需要满足的要求的考量，齿轮传动是最适合于电机与主动臂之间的传动的。在末端执行器机械手爪的设计中，旋转动作以及抓取动作选用舵机操控。精确地实现其旋转动作以及夹取动作，是机器人更快更好地完成目标工作。 电机的选择电机分为好几处，下列将分别介绍各个电机的选择。1.与主动臂相连接的电机选用： 下列通过具体的计算来进行选型工作： 根据实际要求，设定主动臂的转速为 1m/s，总重力为 5 千克。 所以可以得到电机所承受的重力为：G = mg = 5 9.8 = 49N（ 3-1 ） 设电机功率为𝑃𝑚，则有：𝑃𝑚= 𝐺𝑣 = 24𝑤（ 3-2 ） 𝜂所以选择电机瓦数为 30w，减速比设定为 15。2.与底座相连接舵机的选择：经过与上述类似的计算可以得到：根据工作旋转的实际要求，设定机械手爪的最大转速为 1m/s，机械手以及物料的总重力为 4 千克。所以可以得到驱动舵机需要承受的重力为：G = mg = 4 9.8 = 40N（ 3-3 ）设电机功率为𝑃𝑚，则有：𝑃𝑚= 𝐺𝑣 = 20𝑤（ 3-4 ）𝜂3.负责驱动手爪的舵机选择根据工作旋转的实际要求，设定主动臂的转速为 1m/s，在竖直方向受力最大，总重力为 2.5 千克。所以可以得到电机所承受的重力为：G = mg = 2.5 9.8 = 24.5N（ 3-5 ）设电机功率为𝑃𝑚，则有：𝑃𝑚= 𝐺𝑣 = 12𝑤（ 3-6 ）𝜂综合上述计算过程，电机我们可以选用德马克公司的 GB3246-30，舵机可以选用 TD8120 型号，功率分别为 15w，20w。 齿轮的设计选择根据实际的情况设定，大齿轮与小齿轮的材料应选用不同的材料。根据传动的减速比可以确定选用材料。根据实际的情况设定，大齿轮与小齿轮的材料应选用不同的材料。根据传动的减速比可以确定选用材料。 所选用的材料均进行调质处理； 确定输入轴的齿轮硬度和输出轴的齿轮硬度； 1.输入轴的齿轮s B2.输出轴的齿轮s B= 700MPa s=ss= 650MPa s=500MPa ； 360MPa ； 3.两者所用制造材料的硬度差为 40HBS，选择 8 级精度； 4.输入轴的齿轮模数m = 4 ，齿轮齿数z = 40，齿宽b = 40mm ； 5.输出轴的齿轮模数𝑚 = 2，齿数齿数z =根据齿面接触疲劳强度校核 根据机械手册查找校核公式可得： 40, 齿宽b = 40mm ； Hs= 2.5KF1 u 1 Z s （3-7）bd1uEHu 1 = 1（3-8） uKFtbd1应该满足：s H = 2.5 ZE s H （3-9）下面开始求解转动时候的力矩：𝑇 = 95.5 105 𝑃1𝑛1 = 1.28 105𝑁 mm （3-10） 𝐹1 = 2 𝑇1𝑑1 = 1600𝑁（ 3-11 ） 下面开始𝜎𝐻的计算工作： 𝜎𝐻 = 𝐾𝑁1𝜎lim1 = 0.95 600 = 570MPa （3-12） 𝑆 𝜎 = 𝐾𝑁2𝜎lim2 = 1.18 550 = 649MPa （3-13） 𝐻 2𝑆 选定各个 k 值，可计算得总系数： K = K A KV KHa KHb校核得到：= 1.0 1.08 1.2 1.28 = 1.659 （3-14） 𝜎 = 2.5 𝐾𝐹1 𝑍= 352.8MPa 𝜎 = 570MPa（3-15）𝐻bd1𝐸𝐻 1从计算结果来看，上述的比较结果证明完全校核满足要求。 下面开始𝜎𝐹的计算工作 𝜎= 2𝐾𝑇2 𝑌𝑌= 231MPa 238.86MPa （3-16）𝐹2𝜑𝑑𝑚3𝑧2𝐹𝑎2sa2 根据上述计算结果，可以得到校 核的结果为安全。 并联机器人各部位形状设计（Shape design of various parts of parallel robot）并联机器人的机械结构设计中，主要包括上顶板（吊顶），静平台，主动臂， 从动臂以及底座五部分。其中动平台与静平台之间通过三条运动链相连接，所以称之为并联结构。各个形状的设计都有其设计的原因，选用的材料也有其原因， 遵循的设计原则是在保证校核满足情况的前提之下，尽可能的做到美观，省材。整个结构从上往下，依次是上顶板，静平台，三条运动链（包括主动臂以及从动臂的设计），动平台。 上顶板上顶板主要起到固定支撑，以及连接平台的作用，是负责将并联机器人悬挂在平台的连接装置，这里将其设计为空心圆柱形，方便连接和拆卸，便于加工， 也比较美观省材。上顶板选用的材料为铝材。 静平台在本设计中，静平台主要负责连接主动臂以及盛放电机以及减速器，另外可能还需要电路孔的留白。静平台设计为简单的长方体板状结构，形状容易生产制造的同时，也能够满足强度的要求。整个平台的结构设计为了美观是使用对称分布的，静平台与电机固定板连接的螺纹孔，四个螺纹孔一组呈现等边三角对称分布。设置在平台的几何中心处的工艺孔是为了其他安装孔的定位，还有电气线路和气路孔的设计，3 个空位在圆周上均匀分布。设计原则即为满足强度要求的前提，尽可能地做到省材与美观的要求。采用悬挂电机的方式安装并联机器人，为了实现悬挂，将需要一定的接触空间用于安装，因此设计为 L 型支撑板。在支撑板过渡处安装一个加强筋可以避免转角较小而造成的应力集中现象。除此之外，将上表面的设计足够平整，有利于安装的稳定性，安装刚度也随之增大，另外，支撑板另外一侧机械孔还有限位孔，主要用来限制大臂的摆动角，避免过大的转动。 主动臂主动臂在机构里起着重要作用，可以说是关键的部位设计。其主要作用就是与减速器相连接传递扭矩，又与小臂相连接，将动力传动给小臂，从而驱动动平台的运动。主动臂的设计既保证主动臂对其以下部件的支撑作用，又可以实现传动由减速器带来的扭矩。因此不但要满足强度上的要求，也要使质量尽可能的轻。在高速的转动之中，由于质量小，不会产生较大的惯性力，从而导致机构运转中的不稳定。主动臂设计的另外的原则是美观省材，另外因为主动臂每一部分所受转矩大小不同，每一个部分的作用也是不同的，根据每个部位所受转矩大小不一样， 抛弃传统的圆柱式设计，采用新式的样式设计，可以实现物尽其用，主动臂较大端承担电机的较大转矩和更大的支撑力，小端则不与减速器相连，与从动臂相连接，无需较大的刚度，承担的惯性力也不如大端。最大化的在满足要求的前提之下，使用料达到最少，同时可以在保证主动臂强度的前提之下，大幅度减少大臂的重量和旋转时候的转动惯量，使其在机器运动的时候中具备更灵活的运动。 从动臂从动臂在机构运转的过程之中，受力较小。可以采取较细的圆柱形。将从动臂设计成为平行四边形的样式，使动平台在空间中始终保持平动，并在杆件之间加有弹簧构建，不但可以保持从动臂平行，而且可以方便拆卸与安装工作的进行。从动臂的设计所采用得平行四边形结构之中，每一根杆采取长圆柱设计， 可同时具备灵活，省材，拆卸方便等优点，分别通过球铰与主动臂和动平台相连接。图 3-7 单根从动臂实物图图 3-8 平行四边形结构 动平台动平台是连接从动件和末端执行器的装置，其作用是支撑末端执行器，改变其运动的姿态。采取下图样式设计，形状美观轻巧，节省材料，减轻装置整体负载。这种类似扇形的结构设计，可避免过于浪费材料和显得过于笨重。机械结构设计 图 3-9 动平台设计图3.5 机械手的选型（Manipulator selection）3.5.1 机械手的设计和工作原理本设计中末端执行器采取机械手的设计，具体工作原理如下所示。首先，与法兰相连接处有一个旋转自由度，设置这个自由度的原因是因为在路径的规划之中，机械手会更加灵活，路径的规划会更具有合适的选择。这个旋转的自由度的驱动是依靠其中一个舵机工作，控制的是整个机械手的旋转工作。除了旋转自由度之外，另外一个自由度是负责夹取的夹取自由度，夹取自由度的工作原理是：另外一个舵机带动所设计的非标设计零件运动，之间再通过齿的连接，带动另外一个非标件的运动，从而实现夹取的动作。其中，齿数和齿轮上下转动的齿数决定了手爪能够开合的程度。这个机械手的设计的重点就是非标件齿轮臂的设计，它决定着手爪的开合程度和夹取动作是否能够完成。运用所学习力学知识进行相关分析：如图，其中 F1 和F2 是两个反作用力，反作用力的方向如图所示：机械结构设计 图 3-10 机械手爪运动简图 机械手沿着水平方向的力 x = 0,（3-17）即：F1 = F2（3-18）机械手沿着竖直方向的力即： y = 0 ，（3-19）𝐹 = 𝐹（3-20）对 O1 点出的合力矩为 0所以：𝐹 = 𝐹𝑁 𝑙（3-21）𝐹 = 𝑏 𝑐𝑜𝑠2 𝜃 𝐹（3-22）𝑙𝑁其中 a 表示手爪的对称中心到其旋转的中点的距离。通过上述分析结果：当力 F 为定值时，a 角扩大，则夹取物品的力 FN 也随着齿轮臂旋转的角度度的运动而变化，a 角需要有一定的范围，手爪不能过度开合，会引起机构运动的碰撞以及不稳定性，经过过往产品，确定其工作