论文总字数：23915字

摘 要

近几十年，机器人技术的研究迅猛展开。机器人的使用在人们生产及生活过程中越来越普遍。尤其是工业生产中对机器人的需求日益强烈，包括使用机器人喷涂、焊接、装配、加工等。然而，目前的机器人几乎全部是用于工业场合，其大部分机器人重量和体积都很庞大，这类机器人及相关技术很难在人们日常生活中得到应用。于是，如何开发制造出体积适中、能耗较低、轻质的机器人成为新一代机器人技术话题之一。

本文意在设计一套用于实验测试的柔性机械臂来对其相关方面技术进行学习，并尝试对柔性机械臂进行位置、速度等相关量的控制与测试。同时，通过柔性机械臂的课题来研究、设计一种静平衡装置，使用该装置平衡由机械臂重力给机械臂关节带来的扭矩。以期能够减小电机功率、能耗，并在其他相关领域得到应用及发展。

本次课题主要工作是设计了一副拥有较强应用性与通用性的柔性机械臂机架，机架主体为槽钢，两端焊接钢板分别与基座及角钢通过螺栓连接固定。机架零件少、质量大、刚度强度高，固有频率低且简单，在工作中不易发生共振。机架与大臂关节易于拆装且能够适应不同型号尺寸关节。同时，对机械臂进行了选材与设计，分析方案可行性及其优缺点。最后，提出两种较为新颖的静平衡方法，并对凸轮静平衡方法进行详尽的误差分析以及结构设计。对于杠杆静平衡法也作出了详尽的原理解释，对该方法的优缺点作出了简单的评定。

关键词：柔性机械臂；静平衡；凸轮

DESIGN AND ITS KEY TECHNOLOGY RESEARCH

OF FLEXIBLE ROBOTIC ARM

Abstract:

In recent decades, the robot technology research on rapid expansion. Robots used in the process of production and lives becoming more and more common. Demand for robots in industrial production has become increasingly intense, including the use of robot to spraying, welding, assembling, processing, and so on. However, at present, almost all of robot used in industrial applications, most of robots are weight and large, these robots and related technologies is difficult to be applied in daily life. So, how to design a moderate size, lower power, lightweight robots have become one of next-generation robot technology topics.

This paper aims to design a flexible robotic arm to test aspects of their related technologies for learning, and to try to position the flexible arm, speed control and testing. Meanwhile, by the flexible arm subject to study, design a static balancing device , use this device to balance the torque caused by the robotic arm"s gravity to the arm"s joint.Expect to reducing motor power, energy consumption, and in the other relevant fields of application and development.

This thesis work is to design a pair have strong applicability and versatility of flexible arm racks, rack main body for channel steel, welded steel plates at both ends and the base and fixed angle iron bolted. Rack have less parts, high quality, high strength, low natural frequencies , not easily resonate in their work. Rack and arm joints are easy to disassemble and can adapt to different types of joints. Meanwhile, the material selection and design of the arm, analysis of feasibility, advantages and disadvantages, trying to produce a high stiffness and strength and lighter robotic arm. Finally, we propose two new static balancing methods, and static balancing method of cam for detailed error analysis and structural design. Lever principle of static balancing method is also given a detailed explanation, assessed the advantages and disadvantages of the method.

Key words: flexible robotic arm; balance; cam

目录

摘 要………………………………………………………………………………………………….Ⅰ

1

Abstract………………………………………………………………………………………………….Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2柔性机械臂研究与发展 1

1.3本文主要研究内容 2

第二章 机架及大小臂结构设计 3

2.1引言 3

2.2门式结构机架 3

2.3悬臂梁结构机架 4

2.3.1铝型材组装机架 4

2.3.2槽钢焊接机架 5

2.4大小臂选材及结构 6

2.5本章小结 8

第三章 静平衡机构设计 9

3.1引言 9

3.2凸轮静平衡分析 10

3.2.1设计原理 10

3.2.2凸轮形状设计 12

3.2.3确定凸轮形状 13

3.2.4凸轮绘制 14

3.2.5凸轮选择 15

3.2.6加入滚子后误差分析 16

3.3凸轮静平衡机构设计 18

3.3.1凸轮零件设计 19

3.3.2弹簧静平衡装置设计 20

3.4杠杆静平衡分析 21

3.4.1设计原理 21

3.4.2弹簧设计 23

3.4.3误差分析 23

3.5 本章小结 24

第四章 总结 25

致谢 26

参考文献 27

附录 28

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

近几十年，机器人技术的研究迅猛展开。机器人的使用在人们生产及生活过程中越来越普遍。尤其是工业生产中对机器人的需求日益强烈，包括使用机器人喷涂、焊接、装配、加工等。机器人的使用不但解放了生产线上诸多劳动力，使工人脱离了枯燥乏味的重复机械式运动，还很大程度上提高了加工生产的速度与效率。同时，高质量高精度的机器人保证了产品的一致性，大大降低了生产制造过程中的废品率，节约了资源。机器人的使用还极大的提高了生产线自动化程度，真正使工厂无人化成为可能。可以说，机器人技术是现代社会发展与进步的支撑性技术之一。

然而，目前的机器人几乎全部是用于工业场合，其大部分机器人重量和体积都很庞大，这类机器人及相关技术很难在人们日常生活中得到应用。于是，如何开发制造出体积适中、能耗较低、轻质的机器人成为新一代机器人技术话题之一。

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