Delta并联机器人的机构设计1
Delta并联机器人本体尺寸及结构参数优化设计研究
总723期第二十五期2020年9月河南科技Henan Science and TechnologyDelta并联机器人本体尺寸及结构参数优化设计研究张萌（辽宁装备制造职业技术学院机械工程系，辽宁沈阳110161）摘要：本文主要对Delta并联机器人本体尺寸及结构参数优化设计进行分析，在尺寸参数优化的基础上运用机器人学、多体动力学和结构拓扑优化方法进行综合分析，对机器人本体结构进行轻量化设计，以最大工作空间为优化目标，把工作空间内的全域工作灵活性作为约束条件，采用随机搜索的方法求解到最优结构参数。
关键词：Delta机器人；结构设计；参数优化中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）25-0027-02 Research on the Optimal Design of Body Size and StructuralParameters of Delta Parallel RobotZHANG Meng（Department of Mechanical Engineering,Liaoning Equipment ManufacturingVocational and Technical College，Shenyang Liaoning110161）Abstract:This paper mainly analyzed the size and structural parameter optimization design of delta parallel robot. On the basis of size parameter optimization,it used robotics,multi-body dynamics and structural topology optimiza⁃tion methods to carry out a comprehensive analysis.The lightweight design of the robot body structure was carried out with the maximum working space as the optimization objective and the global working flexibility in the workspace as the constraint the optimal structural parameters were obtained by random search.Keywords:Delta robot；structure design；parameter optimizationDelta机器人是一种具有3个平动自由度的高速并联机器人［1］，也是目前商业应用最成功的并联机器人之一。
并联delta机器人算法演示
具有高刚度、高精度、高速度、高加 速度等优点，同时具有结构紧凑、占 用空间小、运动范围大等优点。
工作原理与结构
工作原理
并联delta机器人的工作原理是基 于并联机构的运动学和动力学特 性，通过控制各运动链的运动， 实现机器人的整体运动。
结构
通常由底座、主动臂、从动臂和 末端执行器等部分组成，其中主 动臂和从动臂通常采用平行四边 形机构或正弦机构。
05
并联delta机器人的未来发展
技术发展趋势
智能化
随着人工智能和机器学习技术的进步，并联delta机器人将更加智 能化，能够自主进行任务规划和决策。
模块化设计
为了满足不同应用场景的需求，并联delta机器人的设计将趋向模 块化，使得机器人的结构和功能更加灵活多变。
新材料应用
新型材料如碳纤维、钛合金等将在并联delta机器人的制造中得到广 泛应用，提高机器人的强度和轻量化。
03
ห้องสมุดไป่ตู้并联delta机器人算法演示
演示准备
硬件设备
01
并联delta机器人、控制器、电源、电脑等。
软件工具
02
机器人算法演示软件、示波器等。
场地准备
03
宽敞的场地，以便于机器人移动和操作。
演示步骤
1. 连接硬件
将并联delta机器人与控制器、电脑等设备连接，确 保电源和信号线连接正确。
2. 启动软件
并联delta机器人算法演 示
汇报人： 202X-01-04
目录
• 并联delta机器人简介 • 并联delta机器人算法 • 并联delta机器人算法演示 • 并联delta机器人算法优化 • 并联delta机器人的未来发展
并联机器人构型方法 (1)
并联机器人机构构型方法研究
1-3-5基于集合的综合方法
高峰
[139]
使用复合铰链综合具有确定运动特征支链的方法综合了多种少自由度并联机构，并提出了
一种特殊的Plücker坐标，用于描述机构和支链的运动特征。在此基础上，宫金良、高峰
[140-142]
进的机器人机构构型分析方法，使用四种运动基（移动基、转动基、左螺旋基
定义并联机构中第j个分支总的自由度数为
j
C，则有下式成立
=1 =1
∑=∑
mg
j i
j i
C f (1.4)
将(1.4)代入(1.3)消去
i
f后得到
∑= +
m
j
j
C M d l (1.5)
对于分支运动链结构相同，且分支数等于机构自由度数的对称并联机构，又有以下条件成立
m = M且l = M−1 (1.6)
标记法、哈明数法、对称群理论、图论法等，这些理论研究积累了丰富的经验，综合并创新了多种机构
[77-83]
。到目前为止，已经形成了比较完善的平面机构构型理论和方法。
近年来，国内外机构型研究主要集中在并联机器人机构构型问题上。并联机构的结构属于空间多环
河北工业大学博士学位论文
11
度的非线性约束，才能确定动平台运动输出特性，而自由度的非线性约束增加了型综合的难度。
形统一描述基本运动副和串、并联机构末端执行器运动类型的理论框架。该方法可被认为是李群代数法
delta机器人结构设计说明书
摘要随着机器人技术的快速发展，并联机械手的应用领域越来越广，已成为当今机器人领域新的研究热点。
针对并联机械手机构比传统串联机械手更复杂的问题，本文以一种轻型高速的三自由度Delta并联机械手为例，在完成其运动学的基础上，对并联机械手进行了建模以及装配。
首先，本文介绍了三自由度并联机械手机构的工作原理，并对其进行了运动学分析。
其中，对机构的自由度进行的计算，采用几何法求得了其运动学正解以及其运动学逆解。
其次，对机构进行了速度模型及雅克比矩阵的分析。
实现了solidworks对机构的零部件与装配图三维建模。
最后，通过个零部件的配合，实现了三自由度并联机械手的装配。
关键词：并联机械手；三自由度；3D建模ABSTRACTWith the rapid development of robot technology, parallel manipulator used more and more widely, has become the hot spot in the field of new robots today. In view of the parallel manipulator mechanism more complex than the traditional serial manipulator problem, based on a lightweight high-speed three degree of freedom parallel manipulator as an example, the Delta at the completion of its kinematics, on the basis of the parallel manipulator has carried on the modeling and assembly.First, this paper introduces the working principle of three degrees of freedom parallel manipulator mechanism, and carries on the kinematics analysis. Among them, the institution of degree of freedom for the calculation of geometric method is used to obtain the positive kinematics solution and its inverse kinematics solution. Second, the institutions for the velocity model and the Jacobi matrix analysis. Implements the solidworks for spare parts and assembly drawing 3 d modeling of the organization. Finally, by a spare parts, implements the three degree of freedom parallel manipulator assembly.Keywords: Parallel manipulator；Three degrees of freedom；3D modeling目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章引言 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 课题目的及意义 (1)1.3 课题研究内容 (1)第2章并联机械手的概述 (3)2.1 关于并联机械手 (3)2.1.1 并联机械手的定义与特点 (3)2.1.2 并联机械手的研究现状 (4)2.2 并联机械手的工业应用 (6)2.3 本章小结 (6)第3章三自由度并联机械手的运动学分析 (7)3.1 机构简介 (7)3.2 自由度分析 (7)3.3 运动学分析 (8)3.3.1 运动学逆解 (9)3.3.2 运动学正解 (9)3.3.3 速度模型及雅克比矩阵 (11)3.4 本章小结 (12)第4章delta机器人的结构设计.. ..... ..... ..... ..... ..... (14)4.1 delta机器人的总体结构设计 (14)4.2 上顶板 (14)4.3 电机座设计 (15)4.4 电机选取 (16)4.5 减速器选择与设计 (17)4.6 轴承校核 (18)4.7 本章小结 (19)第5章并联机械手的建模与装配 (21)5.1 三维建模软件solidworks简介 (21)5.2 并联机械手的三维建模 (21)5.3 并联机械手零件实体造型 (21)5.4 并联机械手装配 (22)5.5本章小结 (24)总结.....................................................................................,. (25)参考文献 (26)致谢 (27)第1章引言1.1课题背景翻开整个人类的历史，就会发现这是一部不断认识世界、改造世界的发展历史，一部伴随生产工具不断提高的生产力进步史。
delta型并联机器人运动学正解几何解法
delta型并联机器人运动学正解几何解法Delta型并联机器人是一种高速、高精度的机器人，广泛应用于工业生产线上的自动化生产。
在机器人的运动学中，正解几何解法是一种常用的方法，可以用来计算机器人的末端执行器的位置和姿态。
本文将介绍Delta型并联机器人运动学正解几何解法的原理和应用。
Delta型并联机器人由三个平行的臂构成，每个臂上都有一个关节，臂与臂之间通过球形关节连接。
机器人的末端执行器位于三个臂的交点处，可以在三个平面内自由移动。
Delta型并联机器人的运动学正解几何解法是通过计算机器人的三个臂的长度和末端执行器的位置和姿态来确定机器人的运动状态。
Delta型并联机器人的运动学正解几何解法可以分为两个步骤。
第一步是计算机器人的三个臂的长度，这可以通过测量机器人的关节角度和臂的长度来实现。
第二步是计算机器人的末端执行器的位置和姿态，这可以通过三角函数和向量运算来实现。
在计算机器人的末端执行器的位置和姿态时，需要使用三角函数来计算机器人的关节角度和末端执行器的位置。
同时，还需要使用向量运算来计算机器人的末端执行器的姿态。
通过这些计算，可以得到机器人的运动状态，从而实现机器人的自动化生产。
Delta型并联机器人运动学正解几何解法的应用非常广泛，可以用于机器人的轨迹规划、运动控制和姿态控制等方面。
在工业生产线上，机器人的运动学正解几何解法可以帮助企业提高生产效率和产品质量，降低生产成本和人力成本。
Delta型并联机器人运动学正解几何解法是一种重要的计算方法，可以帮助企业实现机器人的自动化生产，提高生产效率和产品质量。
随着机器人技术的不断发展，Delta型并联机器人运动学正解几何解法将会得到更广泛的应用。
并联机器人控制技术流程..
气动系统设计
气动系统设计方案如右图 所示，气源泵（空气泵） 产生压缩气体，经过滤减 压阀过滤、定压，分为两 支路，一路气体通过真空 发生电磁阀到达真空发生 器用于产生真空；另一路 气体经过真空破坏电磁阀 直接与吸盘相通。 两个电磁阀的通断信号来自控制器的开关量信号，当吸盘到达待抓取物体 的正上方时，真空发生电磁阀打开，真空发生器产生真空，吸盘将物体吸 住；到达放置位置时，真空破坏电磁阀打开，吸盘气压高于大气压，物体 被“放下”。
(2)PLC控制器。对控制器的要求，主要是能够实现多轴
运动控制和一些开关量的控制，市场上很多运动控制卡 及PLC都能满足要求，这里介绍一种大工计控生产的 PEC6000控制器。该控制器采用高速总线通讯，具有直 线、圆弧和样条三种插补算法支持单轴、多轴和轴组运 动控制，并且支持G代码。主要参数如下： • 2路RS485通讯，1路以太网通讯； • 16路普通／8路高速(4路AB相)数字量输入，12路普通 ／4路高速数字量输出。
图1.2 机器人控制系统整体框图
上位机
上位机是指可以 直接发出操控指令 的计算机。其屏幕 上显示各种信号变 化（角度，压力， 温度 等）
图1.3 上位机屏幕显示
图1.4 机器人系统及视觉系统示意图
机器人视觉系统
机器视觉系统大多是指通过机器视觉产品(即图 像摄取装置，分CCD和CMOS两种)把图像抓 取到，然后将该图像传送至处理单元，通过数 字化处理，根据像素分布和亮度、颜色等信息 ，来进行尺寸、形状、颜色等的判别。进而根 据判别的结果来控制现场的设备动作。
1.控制系统设计
在前面机械系统 的基础上，要想 实现机器人的抓 取操作，还必须 有控制系统
图1.1 Delta并联机器人本体与控制柜
机械原理课程设计-Delta-ahut并联机械手设计
(IT)
式中，
由
F——机构的自由度
n——机构的构件数
g--- 运动副数
Z ——第i个运动副的相对自由度
这就是著名的Kutzbach Grubler公式。
通过分析Delta-ahut并联机械手可知，可以考虑将与每一个支链从动臂相连
接的创新皎链当成两个虎克皎，再根据式(1-1)来计算该并联机构的自由度个
(2-4)
展开后，有
(r-cz.)r(r-q)-2Z1(r-q)ruz. +1；-l；=0
(2-5)
将", =(cos&cosQ m&.cosQ -sinQ)『代入上式，并转变成三角函数式
A. sin + B. cos+ Cz = 0 的形式。式中，
A=2L(r — q)W
Bj= 一2« (r-q)r (e1 cos R + e2 sin x(w. x wz) 3 vzr x(w. x wz) (vzr x(w. x wz))2
将式(2-16)两边右叉乘螺，整理得第，个支链的角加速度：
.r
.2
)
绥=| 明. x 1 - 4 Q (叫 x(V- X % )) - /]耳(叫 x % ) 〃2
X (、. X )) - 0：)(叫 X〃z)]〃2
1机构运动简图的测绘与自由度的计算
1.1机构运动简图的测绘
Delta-ahut高速并联机械手参数测算结果如下表所示：
表1T几何参数
（单位：m）
k
4
rb
h
R
H
0
0.245 0.950 0.082 0.212 0.200 0.880 0.8060 36
76
delta机器人
一、Delta并联机器人1. Delta并联机器人概述Delta机器人属于高速、轻载的并联机器人，一般通过示教编程或视觉系统捕捉目标物体，由三个并联的伺服轴确定抓具中心（TCP）的空间位置，实现目标物体的运输，加工等操作。
Delta机器人主要应用于食品、药品和电子产品等加工、装配。
Delta机器人以其重量轻、体积小、运动速度快、定位精确、成本低、效率高等特点，正在市场上被广泛应用。
2. Delta并联机器人特点Delta机器人是典型的空间三自由度并联机构，整体结构精密、紧凑，驱动部分均布于固定平台，这些特点使它具有如下特性：承载能力强、刚度大、自重负荷比小、动态性能好。
并行三自由度机械臂结构，重复定位精度高。
超高速拾取物品，一秒钟多个节拍。
3. Delta并联机器人应用系统Delta并联机器人应用系统主要由三个部分组成：机器人、输送线及机器人安装框架。
其布局如下图1。
3.1 组成机器人由基板、电机罩、旋转轴、主机械臂、副机械臂、抓具中心等组成，如下图2所示。
图1 Delta机器人整体布局图2 Delta机器组成图3 Delta机器人输送装置3.2 输送线机器人配套输送线采用电机输送带方式，输送线如图3所示。
通过机器人视觉系统定位与输送线编码器反馈位置的方式，实现机器人对目标工件的位置、姿态识别和准确抓取。
根据节拍与现场需要，可并行多条输送线同时操作。
3.3 机器人安装框架机器人安装框架用来固定机器人机构，其结构及安装方式根据现场应用进行定制。
4. Delta并联机器人工作空间Delta机器人的工作空间由主机械臂及副机械臂的长度、动平台与静平台半径，以及主动臂活动角度范围这几个参数来确定。
以负载为一公斤的delta机器人工作空间为例，如下图所示。
5. Delta并联机器人运动轨迹Delta机器人基本的运动轨迹如下图，由S1、S2、S3构成门字形的三部分轨迹组成，分别为拾取、平移、放置三个阶段。
Delta机器人进行抓取目标工件时主要以走门字形运动轨迹，也可根据不同的应用要求，规划不同的运动轨迹。
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零件的设计与选型
1 定平台的设计
定平台又称基座，在结构中属于固定的，具体的参数见图一，厚度20cm。
定
平台的等效圆半径为210mm。
材料选用铸铁，铸造加工，开口处磨削加工保证精度。
最后进行打孔的工艺。
图一定平台设计图
具体参数为长* 厚* 宽：880mm*10mm*20mm。
孔的参数为φ10*10mm。
材料用铝合金，设计为杆式，质量小，经济，同时也满足载荷条件。
图二驱动杆的设计图
3 从动杆的设计
具体参数为长* 宽* 高：620*20*10mm。
孔参数为φ10*10mm。
材料选用铝合金。
图三从动杆的设计图
参数如下图，考虑到重量因素，采用铝合金，切削加工。
动平台的等效圆半径为50mm，分布角为21.5°。
图四动平台的设计图
5 链接销的设计
45号钢，为主动杆和定平台的连接销：φ9*66mm。
6 球铰链的选型
目前，大多数的Delta机构的主动杆与从动杆的链接方式为球铰链的链接。
球型连接铰链是用于自动控制中的执行器与调节机构的连接附件。
它采用了球型轴承结构具有控制灵活、准确、扭转角度大的优点，由于该铰链安装、调整方便、安全可靠。
所以，它广泛地应用在电力、石油化工、冶金、矿山、轻纺等工业的自动控制系统中。
球铰链由于选用了球型轴承结构，能灵活的承受来自各异面的压力。
本文选用球铰链设计，是主要因为球铰链的可控性，以及结构简单，易于装配。
且有很好的可维护性。
本文选用了伯纳德的SD 系列球铰链，相对运动角为60°。
7 垫圈的选型
此处我们选用标准件。
GB/T 97.1 10‐140HV ，10.5*1.6mm。
8 电机的选型
本设计的Delta 机器人，主要面向工业中轻载的场合，比如封装饼干等。
因此，以下做电动机的选型处理。
由于需要对角度的精确控制，因此决定选用伺服电机。
交流伺服电机有以下特点：启动转矩大，运行范围广，无自转现象，正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转，这也是Delta 机构需要的。
交流伺服电动机运行平稳、噪音小。
但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W 的小功率控制系统。
在本设计中，电动机的功率计算如下：机构的最高速度不超过2m/s，考虑到运动杆件重量，摩擦力等。
综合载重5kg。
则，P=FV=5kg*10m/s2*2m/s=100W。
取安全因子为1.2，则每个电机的功率为 1.2*100W/3=40W。
故初步选用下面下表两款：
考虑到经济原因，在其它参数相似的情况下，我们在这里选择三菱的HC-MFS/kfso53k。
9 执行器的设计与选型
考虑选用电控吸盘或机械手。