三脚机器人整体结构设计

文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---摘要本设计通过对国内外文献资料的查阅，了解了三脚机器人的国内外发展现状及、三脚机器人国内外主要研究内容及三脚机器人的主要应用方向。本设计通过对三脚机器人的机构结构的自由度分析、静力学分析，确定了三脚机器人的大致结构布局，本设计对机器人的驱动机构、主动臂结构、从动臂结构、动平台、静平台进行了结构设计和分析，确定了最近的机构设计方案，根据最佳的设计方案，使用三维制图软件，绘制了三维模型，模型模拟运动情况符合设计方案需求。关键词：三脚机器人；结构设计；机构分析；TheStructureDesignofTriangleRobotAbstractThisdesignunderstandsthedevelopmentstatusofthetrianglerobotathomeandabroad,themainresearchcontentofthetrianglerobotathomeandabroad,andthemainapplicationdirectionofthetrianglerobotbyreferringtothedomesticandforeignliterature.Thisdesigndeterminesthegeneralstructurallayoutofthetriangularrobotbyanalyzingthedegreeoffreedomandstaticanalysisofthetriangularrobot'smechanismstructure.Thisdesignperformstherobot'sdrivingmechanism,activearmstructure,drivenarmstructure,movingplatform,andstaticplatform.Afterthestructuraldesignandanalysis,thelatestmechanismdesignplanwasdetermined.Accordingtothebestdesignplan,athree-dimensionalmodelwasdrawnusingthree-dimensionaldrawingsoftware,andthesimulatedmovementofthemodelmettherequirementsofthedesignplan.Keywords:Trianglerobot;Structuraldesign;Mechanismanalysis;TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1前言 1\o"CurrentDocument"1.1课题研究背景及意义 1\o"CurrentDocument"1.2国内外研究现状及发展趋势 2\o"CurrentDocument"1.2.1国外发展现状 2\o"CurrentDocument"1.2.2国内发展现状 3\o"CurrentDocument"1.2.2国内外主要研究内容 3\o"CurrentDocument"1.2.3三脚机器人的应用 4\o"CurrentDocument"1.3本文主要内容 62三脚机器人的机构分析 7\o"CurrentDocument"2.1三脚机器人的机构描述 7\o"CurrentDocument"2.2三脚机器人自由度分析 7\o"CurrentDocument"2.3 三脚机器人静力学分析 8\o"CurrentDocument"3三脚机器人结构设计 11\o"CurrentDocument"3.1总体结构布局 11\o"CurrentDocument"3.2驱动机构的设计 15\o"CurrentDocument"3.3动臂机构的设计与仿真 16\o"CurrentDocument"3.3.1主动臂的设计与仿真 16\o"CurrentDocument"3.3.2从动臂的设计与仿真 17\o"CurrentDocument"3.4动平台的结构设计 20\o"CurrentDocument"3.5静平台的结构设计 20\o"CurrentDocument"3.6三脚机器人整体结构设计 21\o"CurrentDocument"4结论 21\o"CurrentDocument"参考文献 22谢辞 241前言1.1课题研究背景及意义机器人，是人类近代非常重要的发明，机器人的发明，极大的解放了人类的双手，大幅提高了社会的生产力水平。现在，机器人在各行各业的渗透越来越深入，在加工制造业中，机器人已经占据着举足轻重的分量，且机器人在工业生产中的分量任然随着科技水平的需求的发展不对扩大。除了传统的加工制造行业，机器人的应用方向也在不断的扩展，根据人类的不同需求，机器人的高度集成和自由的特点得到了充分的发挥，不同类型的机器人得以发明和创造，可以使用其不同的功能满足社会的需求。现在，无论是军事、医疗、娱乐、生活等行业，机器人都在不断的应用和深入，机器人已经融入到社会生产和人类生活的各个方面［1］。在并联机器人中，三脚机器人是重要的部分之一，并联机器人从研发出来就因为其自身的特点得到了社会的广泛的应用。根据并联机器人的自由度来划分，并联机器人可以分为多自由度的机器人和少自由度机器人。其中，最常用的并联机器人就是三脚机器人。在实际的应用场景中，由于多自由度机器人构造复杂、成本较高、工作空间限制较多，所以多自由度机器人应用十分受限，与之相比，三脚机器人具有构造简单、成本较低、控制方便、机构载荷较低、工作速度快等各种优势，因此三脚机器人的应用十分广泛，三脚机器人通过集成不同的功能，可以适用于各种场景，三脚机器人的研究也更为广泛［2］。通常所说三脚机器人，为三自由度并联机器人，三脚机器人可以具体描述为：以并联的机构方式运动，静平台与动平台之间通过三组动臂机构连接，拥有三个自由度的机器人。三脚机器人拥有以下的优点：（1） 工作误差小三脚机器人的定平台与动平台与动臂机构通过铰链相连接，运动过程中便于误差的调整，同时三脚机器人的误差并非是各个系统误差的线性叠加，因此三脚机器人相较于串联机器人来比积累误差更小［3］。同时三脚机器人的结构相对简单，自由度较少，与其他的并联机器人相比，所产生的误差更少。（2） 负载能力较好三脚机器人整体结构相对于其他机器人更为简单，机器人自身载荷较少，同时三脚机器人定平台和动平台之间通过平行的铰链形式连接，动平台在工作过程中产生的作用力被各部分铰链分布，因此整体的负载能力更强囹。（3） 运动速度快三脚机器人的运动由动臂结构完成，既主动臂和从动臂结构与同一个静平台和同一个动平台形成的所平行四边形提供，同时三脚机器人的结构较轻，运动惯性小，整体结构动态响应好，三脚机器人能够快速的执行运动［5］。（4） 运动学分析容易机器人在实际应用的过程，一般都需要根据实际的应用情况计算机器人的运动学数据情况，三脚机器人的运动学分析已经十分成熟，有利于三脚机器人的应用。（5） 各向同性。三脚机器人在空间中具有对称性，能够很方便的安装和使用。同时三脚机器人相较于其他并联机器人以及串联机器人，也存在着一些不足，比如三脚机器人的工作空间不如串联机器人灵活，三脚机器人由于自由度的限制，在其应用中同样也会遇到各种问题，限制了三脚机器人的应用［6］。但是通过不同机器人的配合和弥补，三脚机器人的应用前景仍然是十分广阔的。1.2国内外研究现状及发展趋势三脚机器人是应用前景十分广阔的一种机器人，三脚机器人自诞生以来，也受到了广泛的关注，三脚机器人因为其广泛的应用场景，机器人技术一直是研发的热点，三脚机器人与其他并联机器人相比，结构较为容易，生产的成本并不高，在工业生产上的应用十分广泛，同时在其他领域的应用也逐渐深入。1.2.1国外发展现状上世纪80年代，法国科学家Clavel率先公布了一种三脚并联机器人，同时对其铰链连接及移动副等提出了多种形式，每种形式对应不同的应用场景［7］。在这之后，国外的厂家开始将三脚机器人应用于自动化设备生产线中，三脚机器人的应用逐渐商业化，这也极大的推动了三脚机器人的研究与生产。20世纪80年代，瑞士的Dmeaurxex厂家公布了其三脚机器人的专利，基于这一专利，该公司生产了一系列的三脚机器人，最早的三脚机器人主要应用于工业领域，其动平台主要为机械手，用于食品包装、工业产品包装领域，第一批的三脚机器人一般具有较大的体型［8］。20世纪90年代，瑞士ABB公司也开始进行三脚机器人的生产和研发［9,10］，其生产的三脚机器人开始向较为精密的行业进军，其公司生产的三脚机器人，可以应用于电子产品行业，食品将行业，医药行业等，这是的三脚机器人已经具有较高的精度，同时集成了视觉系统，三脚机器人上集成的各种传感器，可以让其进行物品的识别，实现了自动化集成的部分功能。21世纪初期，德国BOSCH公司获得了三脚机器人的相关专利［11］，同时生产了多系列的三脚机器人，此时的三脚机器人已经能够高速运动，其动平台执行机构的最大加速度能够达到13g［12］，高速运动的三脚机器人开始快速在更多的领域应用。随着时间的推移，三脚机器人的相关专利逐渐开始超过专利保护期限，国内外的相关厂家开始大规模研发生产三脚机器人，三脚机器人的末端执行机构也更加丰富，三脚机器人的精度、速度、载荷量都有了较大的提升。总体而言，三脚机器人最早由国外公司发明，且国外对于三脚机器人的研究和应用都较早，由于其广阔的前景，各大厂商仍然不断对三脚机器人进行优化和研发。1.2.2国内发展现状国内虽然对三脚机器人的研究较晚，但是国内对三脚机器人的研究和应用发展十分迅速，20世纪90年代末，国内高校开始了三脚机器人的研究，天津大学、哈尔滨工业大学等高校开发了一系列的三脚机器人并申请了相关专利［13］，清华大学刘新军提出了新型的三自由度三脚机器人，能够在工作空间内实现转动。同时三脚机器人专利保护到期，国内的厂商开始大规模的研发和生产三脚机器人，新松机器人开发的SRBD机器人系列就是基于三脚机器人构造的机器人，广州数控也生产了应用于食品行业的三脚机器人［14］。虽然国内在三脚机器人的研究领域发展迅速，成果显著吗，但是国内的三脚机器人基础领域的研究已经超高精度、超高速机器人的产品领域，仍让有这较大的差距。1.2.2国内外主要研究内容三脚机器人是机器人研究领域的热点，国内对于三脚机器人的研究主要集中在以下的领域：（1） 结构设计三脚机器人的结构设计是三脚机器人的基础，三脚机器人需要根据不同的场景，进行结构的调整，其中包括三脚机器人的结构形式的确定，三脚机器人主要的一些参数的确定，三脚机器人主要结构件的尺寸，三机器人的零部件材料参数等。三脚机器人的结构设计决定了三脚机器人的应用是否成功，是三脚机器人研究的技术和前提。（2） 运动学分析三脚机器人的运动学分析是分析三脚机器人在工作过程中的工作空间，个性运动参数，三脚机器人的运动学分析包括对其奇异性分析、自由度分析、工作范围分析，是研究其工作条件和工作参数的分析。三脚机器人的运动学分析相较于其他多自由度的并联机器人的运动学分析更为简单，由于三脚机器人的结构相对固定，其运动学分析也较为成熟，通过固定的运动学公式即可计算出三脚机器人的运动学最优解。三脚机器人的运动学参数分析包括有正解分析和逆解分析，三脚机器人的正解释通过工作条件进行数值求解，其分析过程较为复杂，三脚机器人的逆解分析是通过公式表直接进行解析计算，推导更为简单。（3） 动力学分析三脚机器人的动力学分析主要是对其驱动输入及执行机构运动之间的联系，三脚机器人的动力学分析也是有一种正解分析和一种逆解分析。三脚机器人的逆解分析是根据执行结构的运动要求，求解出机构所学的驱动输入情况，正解是已知三脚机器人的动力输入情况，求解出三脚机器人的执行结构的运动情况。三脚形的动力学分析主要有牛顿欧拉求解、拉格朗日求解、凯恩方程求解等方式。其中，牛顿欧拉求解是根据各动臂的受力情况，建立方程求解，其求解过程较为复杂。拉个朗日求解是根据机器人的运动情况建立动力学模型，由拉格朗日方程求解，虽然其方程形式简单，但是求解的过程较为繁琐。凯恩求解是根据动力学参数，建立动力学模型，进行矢量的点积，求解相对简单。（4） 工作空间分析三脚机器人的这一个研究，是对三脚机器人的执行机构的可工作范围的分析，通常通过三脚机器人的主动臂、从动臂、动平台以及静平台的相关参数进行计算，一般情况是利用机器人的约束条件的情况来确定静平台上执行机构的运动范围，确定三脚机器人的工作空间。（5） 奇异性分析三脚机器人作为并联机器人的一种，其形成的平行四边形机构，是存在死点的，当三脚机器人位于该位置时，整体机构将无法移动而卡死，甚至对机器人的部件造成损坏造成严重的后果，因此三脚机器人的奇异分析十分重要。对三脚机器人的奇异分析主要有雅克比矩阵分析、格曼斯分析以及运动学分析这三种方式，其中雅克比分析计算较为繁琐，但是对奇异性死点的位置更容易形成规律公式，运动学分析计算较为容易，但是不容易得到奇异性分析的规律性公式。1.2.3三脚机器人的应用在三脚机器人研究的慢慢成熟和发展，三脚机器人的应用的方向也变得更多。目前，三脚机器人的主要应用方向有运动模拟器、并联机床、操作器、微动机构等方向。（1） 运动模拟器三脚机器人也是在运动模拟器中的应用十分广泛，运动模拟器主要是应用于飞行员训练、飞机研发、建筑抗震研究等方面。飞行模拟器可以为分析员的训练提供帮助，同时可以为飞机的研发提供重要的参数。地震模拟器能够模拟地震的情况，为建筑的抗震效果提供直观的数据分析，检测不同结构的抗震效果。同时，运动模拟器还应用于坦克、汽车的运动模型等。图1.1所示AWE公司生产的应用于飞行训练的运动模拟器［15。（2） 并联机床并联机床也称虚拟轴机床。与传统形式的机床相比，三脚机器人结构的并联机床，刚度更大，速度更快，精度相对较高，且成本较低。由美国Giddings&Lewis公司于1994年研发生产的VARIAX虚拟轴机床是并联机构进入机床领域的标志，此后并联机床结构不断变革和创新并得到广泛应用［16］。图1.2所示为20世纪90年代，清华大学和天津大学共同开发的MAMT1Y为三脚结构的并联机床［17］。（3） 操作器操作器是三脚机器人的主要应用方向，三脚机器人的动平台上可以根据不同的应用场景安装各种执行机构，三脚机器人的快速性、低成本等特性，使其成为优秀的操作器平台，在工业生产线上，三脚机器人大规模的应用。例如安装点胶头等进行电子产品的封装，安装机械手和传感器等进行货物的识别与搬运等等。如图1.3所示为瑞典公司生产的操作机器人，其能够进行产品的快速识别与拾取［18］。（4） 微动机构微动机构也称作微动器，三脚机器人在微动机构上的应用十分广泛。三脚机器人其本身结构较为简单，工作精度很高，自身重量较小所以惯性较小，因此三脚机器人十分适合作为微动机构。三脚机器人作为微动机构，在精密仪器生产，手术操作，电子行业等精密行业有这大量的应用。如图1.4所示为三脚机器人在手术中的应用，其较高的精度配合视觉识别系统，能够很大程度上提高手术的精度，降低医生的工作强度［19］。图1.1CAE飞行模拟器 图1.2VAMT1Y并联机床

图1.3IRB340FlexPicker图1.3IRB340FlexPicker机器人图1.4外科手术机器人1.3本文主要内容本文主要的研究内容如下：（1） 通过文献调查国内与国外三脚机器人的研究现状，国内与国外三脚机器人的主要研发内容以及三脚机器人的应用方向。（2） 对三脚机器人进行机构分析，描述三脚机器人的机构结构，对三脚机器人的自由度进行分析，对三脚机器人进行静力学分析。（3） 对三脚机器人进行整体结构设计，包括总体结构布局、驱动机构设计、动臂机构设计、动平台设计、静平台设计，其中，对三脚机器人的主动臂和从动臂进行了设计和分析。（4） 通过对三脚机器人的分析和设计，确定最终三脚机器人结构，绘制了三脚机器人的三维模型及二维图纸。1/UHHXVH1/UIJ/J1/I2.1三脚机器人的机构描述三脚机器人属于并联机构的机器人，三脚机器人有以下的主要优点：整体机构载荷较小、整体机构控制相对容易，工作速率较快、工作范围较大。三脚机器人凭借其优点，在食品机械行业、电子产品生产线等场景中广泛应用。图2-1为三脚机器人的机构简图，其中三脚机器人的静平台是整体机构的基准，静平台上有三组铰链，与主动臂连接。三脚机器人的主动臂与驱动机构相连接，三组主动臂共同运动，将动作传递给从动臂，每组连接中，一条主动臂由两对球轴承与两条从动臂连接。三脚机器人的从动臂的一端用铰链和主动臂相连接，从动臂的另一端用铰链和动平台连接。动平台上有三组铰链，每组铰链由一对球轴承连接，每组铰链分别与两条从动臂相连接。三脚机器人的动平台是三脚机器人的末端执行机构平台，三脚机器人的功能性部件，例如机械手、喷嘴、传感器等，将安装在动平台上，动平台根据需要在空间内运动，动平台上的功能性部件执行机器人的具体操作。静平台从动臂 f静平台从动臂 f动平台图2.1机构简图2.2三脚机器人自由度分析三脚机器人的自由度的计算，一般使用KutzaolhGrumler公式进行计算［19：（式2.1）M=6（n-g-1）（式2.1）式（2.1）中，各参数的具体含义如下:M是三脚机器人的自由度数;n是三脚机器人的构件总数；g是三脚机器人中运动副总数;if是第i个运动副的自由度数。通过分析并联机器人的结构可知，该机构的总构件数n=11，总运动副数g=15,其中球面副有12个，每个球面副具有3个自由度；移动副有3个，每个移动副具有1个自由度；由于连杆通过两端的球面副与动平台和滑块链接，因此连杆可绕自身轴旋转，机构具有局部冗余自由度，总数为6个。由式(2-1)求得，并联机器人具有三个自由度，即并联机器人动平台只能沿X、Y、Z三个方向作平动运动。M=6(n-g-1)+E/i

i=1=6X(11-15-1)+(3X12+1X3)-6=32.3三脚机器人静力学分析首先在该机构的固定平台建立一个坐标系XOY，在活动平台上建立坐标系X'O'Y'。机构上下平台均为等边三脚形，边长分别为a、b,对应边分别平行，两平台相对位置在运动中保持平行。三脚机器人的静力学分析坐标如图2.2所示［25。本设计中，设三个边分别为11、12、13，活动平台受力为F作用点p,在XOY中P坐标为(x,y,z)在X'O'Y'中为(x',y',z')。D点坐标为(x0'y0'z0'),、图2.2静力学分析坐标系12+12+212+C22C2C(式2.3)<6C(12+12+12+C2)2-3(14+14+14+C4)<6C式中：c=b-a上下平台边长之差。可以证明活动平台上任意一点的雅可比矩阵J相同。设J0为D点的雅可比矩阵。根据雅可比矩阵定义我们可求得活动平台的雅可比矩阵为:J=J=011安—=2:v3cJ=J=011安—=2:v3c11十一Tcc(式2.4)2(12+12+212+C2)1

□2_— <6cd2(12+12一212+C2)l 1■3~ 2v'6cd2(12+12一212+C2)12<6cd式中d=(12+12+12+C2)2-3(14+14+14+C4)A1 2 3 1 2 32011l2011lJl=Cd|J|。0，该机构不存在奇导形位。根据虚位移原理，考虑到平台只作平动，对于活动平台有：Fx^x+Fy^y+Fz^z+FE11+F2^l2+F3^l3=0式中:Fx、Fy、Fz分别为活动平台受的切削力F的分力；6x、6y、6z分别为在对应力作用下的虚位移,F1、F2、F3分别三个杆的驱动力，51、51、81分别在对应力作1 2 3用下的虚位移，由于虚位移的任意性，可令511、5七=0得Fx6x+Fy6y+Fz6z+F1611=0(式2.5)由此可给出杆1的驱动力与外力间的关系为:F1=-(Fxx11+Fyy11+Fzz11)同理可得杆2、杆3的驱动力与外力间的关系为：(式2.6)F2=-(Fxx12+Fyy12+Fzz12)(式2.7)F3=-(Fxx13+Fyy13+Fzz13)(式2.8)静力学正解为:

■fF；=-fE巳HF2K（式2.9）JT为雅可比矩阵的位置。静力学逆解为HF2K（式2.9）我们利用（式2.9）可由机器人所受外力求出各个动臂的驱动力，从而可对动臂进行受力设计和驱动功率设计。利用（式2.10）则可由已知杆的驱动力求出机器人在不同的位置时的承载能力，从而对机器人作业进行合理规划，另外，我们由式（式2.9）还可以看到驱动杆只受轴向力，受力合理。3三脚机器人结构设计3・1总体结构布局三脚机器人机构如图3.1所示，通常有以下主要结构组成：静平台、动平台、主动臂、从动臂。根据对现有三脚机器人的分析，确定机器人整体结构如图3.2所示。当三脚机器人工作时，由电机带动主动臂转动，主动臂通过球铰链带动从动臂移动，从动臂又通过铰链带动动平台移动。三组主动臂分别由三个电机控制，控制系统通过控制不同电机工作，从而控制动平台在空间范围内运动，从而实现三脚机器人的运动功能。图3.1机构简图1-静平台2-主动臂3-从动臂4-动平台图3.2三脚机器人总体结构示意图本设计中的三脚机器人机械结构由静平台、主动臂、从动臂、动平台四大部分构成，

静平台上安装有电机及控制系统的硬件结构，三组电机系统间距脚度120°均匀分布在静平台上，每组电机有一条主动臂通过铰链与电机连接，每条主动动臂有两条从动臂与主动臂相连接，三组从动臂通过铰链与动平台相连接。本设计限定货物1kg.本文设计的三脚机器人总体参数如下表所示：静平台有效半径示意图，静平台铰链边长，动平台有效半径，动平台铰链边长，主静平台有效半径示意图，静平台铰链边长，动平台有效半径，动平台铰链边长，主表3.1总体结构参数表结构参数静平台有效半径动平台有效半径主动臂长度从动臂长度静平台铰链边长动平台铰链边长R1R2A1B1B1C1A1A2C1C2长度（mm）1004510035018080动臂长度及从动臂长度如图所示。图3.3静平台有效半径示意图图3.4静平台铰链边长示意图图3.6动平台有效半径示意图图3.7动平台铰链边长示意图图3.8动平台图3.9主动臂长度及从动臂长度示意图图3.3一图3.9中：A1、A2、A3为主动臂与电机相连接接触的球铰链中心位置；B1、B1、B1为主动臂与从动臂相连接接触的球铰链中心位置;C1、C2、C3为从动臂与静平台相连接接触的球铰链中心位置;R1为动平台有效半径；R2为静平台有效半径。

3.2驱动机构的设计常用的三脚机器人驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等方式。考虑到本设计的三脚机器人平台尺寸较小，工作载荷较低，本设计采用电机驱动方式。本文选用57系列两相步进电机，步进电机控制方便，可靠性好，精度较高，适合本设计的实际使用情况，电机及安装尺寸图如图所示，电机参数如表所示。图3.10所选电机三维模型及安装尺寸图表3.2电机参数表型号步距角电机长度(mm)保持转矩(Nm)额定电流(A)相电阻(Q)相电感(mH)转子惯量(g•cm2)电机重量(kg)2H57-761.8°761.353.01.01.64801.7为保证电机的平稳工作，使用电机支架将步进电机固定在静平台上，电机支架及安装示意图如图所示。电机支架通过定位孔与步进电机确定位置，电机支架上开有螺纹孔与通孔，分别与电机和静平台相连接。图3.11电机支架三维模型 图3.12电机安装示意图3.3动臂机构的设计与仿真三脚机器人的动臂机构由主动臂、从动臂组成，是三脚机器人的重要组成部分，三脚机器人的工作空间主要由主动臂及从动臂的参数决定，主动臂由驱动机构提供动力，通过球铰链带动从动臂运动，从动臂又通过球铰链带动动平台运动。三条主动臂带动三条从动臂，从而实现动平台在空间内的三自由度运动，因此，动臂机构的设计师三脚机器人整体结构设计中的关键。3.3.1主动臂的设计与仿真三脚机器人的主动臂是动臂机构的动力来源，为实现动力的高效率传递，本设计中将步进电机输出轴直接与主动臂相连接，降低了动力传递的复杂程度，提高了整体机构的稳定性。同时，主动臂另一端通过球铰链结构与从动臂相连接，能够高效率的将动作传动到从动臂。为最大程度降低主动臂的重量，减少整体机构的负载，主动臂采用铝合金材料，同事主动臂采用肋结构，最大程度降低机构运动的动力损耗。主动臂与电机连接示意图及主动臂设计图如图所示。图3.13主动臂与电机连接示意图 图3.14主动臂设计图主动臂是三脚机器人的重要零部件，当三脚机器人工作过程中，三条主动臂需要承受动平台、小臂等零部件的重量以及动平台安装的执行机构的重量。为保证主动臂的强度满足机器人的工作要求，本设计在从动臂上添加了肋结构等，同时，本设计为保证主动臂结构设计的合理性，使用SolidWorks静力学分析模组，对本设计中的主动臂进行静力学分析。在本设计中，主动臂在极限位置如图所示是，承受最大的力，因此对该形态下的主动臂进行静力学分析。在SolidworksSimulation中设置对主动臂进行分析。设置大动臂材料为铝合金材料，材料具体参数如图所示。设置主动臂上孔为铰链固定，设置主动臂下孔承受力100N，对主动臂受力分析如图3.9所示，主动臂所受应力为158Mpa，主动臂材料屈服

强度为185Mpa,所受应力低于材料屈服强度，证明本设计主动臂结构合理。图3.15主动臂材料参数图图3.16主动臂受力分析姿态图图3.17主动臂应力仿真图解3.3.2从动臂的设计与仿真从动臂是与主动臂与动平台相连，整体机构通过6个从动臂的运动，控制动平台的运动，从而实现三脚机器人的工作效果。从动臂是通过球铰链与主动臂及动平台相连接的，球铰链中球头与球槽加工相对复杂，不易于长杆结构共同加工，因此被设计将从动臂设计为装配结构，从动臂部件由两个球头连接件，一个动臂杆及安装件共同组成，两个从动臂部件为一组，连接一组主动臂球铰链和动平台球铰链。本设计中的从动臂部件如图所示。其中，两端从动臂球头分别与主动臂及动平台的球铰链支杆相连形成球铰链，能够在规定的范围内自由转动，从动臂球头分别通过螺栓螺母结构与从动臂连接杆连接。从动臂连接杆两端设计有凹槽，从动臂球头末端设计有凸槽，凹槽与凸槽相配合，并通过螺栓固定。从动臂部件情况如图3.18从动臂部件二维图所示。从动臂连接杆与从动臂球头三维模型如图3.19从动臂球头、图3.20从动臂连接杆所示。1-从动臂连接杆2-从动臂球头3-螺母4-垫圈5-螺栓

图3.18从动臂部件二维图图3.19从动臂球头 图3.20从动臂连接杆三组从动臂是带动动平台运动的结构，从动臂连接杆在运动过程中承受了动平台运动的主要载荷，为保证从动臂连接杆结构设计的合理性，本设计对从动臂连接杆进行了应力仿真。利用SolidWorks中的Simulation插件，对从动臂连接杆进行设置。首先，设置从动臂连接杆材料为铝合金，材料属性如图所示。设置从动臂上部连接孔为铰链连接，在从动臂下部连接孔设置Z轴方向的力100N，用以模拟动平台运动过程中产生的力。设置后运行应力模拟，模拟结构动臂连接杆的应力图解如图所示，应力最小值为197Mpa，最大值为420Mpa，对应铝合金材料的屈服强度为505Mpa，仿真结果动臂连接杆的受力在材料范围内，因此证明本设计的动臂连接杆设计合理。

属性数值单位娜槿量7.2e+010泊松比「0.33丕话用食施撞呈2.69e+010牛输mW281。ka/niA3570000000牛4而/mW压缩漏度5050000002.36e-0D5/K130W/fm•心th热960j/(kaKl材料胴目比密不活用图3.21从动臂连接杆材料参数卜最大420,968,032.000最小：1976^90.000306,070,464.000]51」5祭&UWvonMises306,070,464.000]51」5祭&UW281r3Vf69b.OCO246.4CO_.112.CCO21b482.528.CCO176,564,926.000_141"341CC0105J260.00071.812..163CCOL卯研_141"341CC0105J260.00071.812..163CCOL卯研yo.cco:迎.gcmoco图3.22从动臂连接杆应力图解3.4动平台的结构设计三脚机器人的动平台是整体机构的最后移动目标，动平台的运动范围和运动轨迹，主要由从动臂、主动臂、动平台有效半径以及静平台有效半径等参数决定。三脚机器人的动平台通常是安装三脚机器人的功能性执行机构，如涂胶喷头、机械手、扫描器等，同时根据不同的功能需求，动平台也会安装各类传感器，因此三脚机器人的动平台会根据不同的工作要求进行定制加工。本设计的动平台根据设计要求，确定了动平台的有效半径为45,同时为保证功能性在动平台上预留了安装孔，安装孔可以根据实际应用场景

安装不同的执行机构。动平台作为整体机构的运动目标，在满足设计要求的基础上，也应该尽量减少重量。本设计的动平台如图所示，动平台通过三组球铰链与从动臂相连接，动平台上留有孔位，安装球铰链的球支杆。动平台三维模型，动平台的具体安装方式如图3.23动平台安装方式示意图所示。1-从动臂球头2-动平台 3-球铰链图3.23动平台安装方式示意图3.5静平台的结构设计三脚机器人的静平台是整体机构的基座，三脚机器人的控制系统硬件及电机等相关部件，需要在静平台上进行安装，同时，静平台也是对三脚机器人整体运动范围的最初定位。另外，静平台的设计也很大程度上决定了设计的三脚机器人的外形。本设计中的静平台着重设计了电机安装位置及外机罩位置，并且为控制系统硬件预留了充分的空间，本设计的三脚机器人静平台如图3.24静平台安装示意图所示。

1-电机2-电机支架3-主动臂4-从动臂球头5-外机罩6-静平台

图3.24静平台安装示意图3.6三脚机器人整体结构设计完成对三脚机器人关键结构的设计后，为三脚机器人设计了静平台罩，保护机器人内部电机及控制系统硬件。通过对三脚机器人的整体机构设计及零部件的设计，得到了本设计的三脚机器人三维建模图，通过对三维建模图可以模拟出本设计的三脚机器人的机械位置，模拟情况如图3.18三脚机器人姿态模拟图所示。（b）右摆极限位置（a（b）右摆极限位置（a）下摆极限位置（c）上摆极限位置（d）左摆极限位置图3.18三脚机器人姿态模拟图4结论本设计通过对三脚机器人国内外研究现状及发展趋势的研究，以及对三脚机器人的结构进行分析，确定了本设计的三脚机器人总体布局、主动臂机构、从动臂机构、动平台、静平台、驱动机构的设计，从而确定了本设计的整体结构设计。通过三维软件使用本设计的参数进行建模，最终完成了整体结构的三脚机器人三维模型，对该模型进行了三维模型，本设计的三脚机器人能够实现设计要求。参考文献张续冲，张宪民，刘胜.小型三脚机器人理论建模及抓取实验研究[J].机床与液压,2020,48(03):5-8+4.⑵赖火生，陈新度,吴磊，吕思杰，徐学.三自由度欠驱动机器人系统的优化设计[J].机床与液压,2020,48(03):14-17.顾寄南，刘守.三自由度解耦并联机器人设计与轨迹规划[J].机械设计与制造,2019(11):224-227.刘卓韬,张祺,黄维安,张华信.Rostock型三脚并联机器人的运动学研究[J].工业控制计算机,2019,32(10):110-112.FatmaKutluGundodu,CengizKahraman.AnovelsphericalfuzzyQFDmethodapplicationtothelinear三脚robottechnologydevelopment[J].ElsevierLtd,2020,87.EfrainRodriguez,CristhianRiano,AlbertoAlvares,RenanBonnard.DesignanddimensionalsynthesisofaLinear三脚robotwithsinglelegsforadditivemanufacturing]」].SpringerBerlinHeidelberg,2019,41(11).LiLuquan,FangYuefa,GuoSheng,QuHaibo,WangLin.Typesynthesisofaclassofnovel3-DOFsingle-loopparallellegmechanis