solidworks两自由度机械臂系统结构设计(2)
1.2 课题研究背景及应用
类似这种不同自由度的机械臂在国内外早就有了深远的研究，根据机械臂的连接方式可以分为串联机械臂和并联机械臂以及串并联混合机械臂[3]。其中并联机械臂是指动平台或定平台至少还有两个独立的运动链，串联机械臂（如图1.1所示）则指只包含一个运动链的机械臂通过关节连接构成不同自由度的机器人，这种机械臂可执行诸如搬运、探测等各种任务。机械臂的自由度不同，可以运动的空间也不同。其中串联机械臂具有结构简单，无干涉，简单易控等优点。而并联机械臂具有结构刚度大,承载能力高,运动惯性小,无误差积累或误差积累较小,运动精度高,动态性能好,结构紧凑,能重比高,位置反解简单,力和运动反馈控制容易,并且对称式结构具有很好的各项同性等许多优点[4]。因此并联机械臂在探测、搬运、扫描等多个领域有着广泛的应用，它与串联机械臂相结合也能弥补串联机械臂的不足从而有着更多的功用，因此现在也有串并联相结合的串并联混合机械臂。
对于本课题所研究的两自由度机械臂以实现末端执行器按规定轨迹运动的的课题研究也有很多，这种机械臂可以实现搬运、测量等多种任务。图1.2所示是2007年华南理工大学的袁剑锋所设计的一种新型两自由度并联机械臂[5]，图1.3所示是南京理工大学的彭斌彬发明的一种转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构[6]。类似这种结构的设计关键是设计出正确的杆件外形，其次是能保证末端平台的运动轨迹所设想的一致。
类似这类的串并联机械臂在工业、生活以及科学研究中有着广泛的应用，类如简单的平动机械臂可以完成物体的抓放、移动；而由平动副与转动副相结合的机械臂可以让机械
图1.1 三自由度AS一MRobot的简化模型 图1.2 含两个平行四边形支链机构
图1.3 两平动二自由度高速并联机器臂 图1.4两平动二自由度高速并联机械臂
臂的末端的运动通过设计机械臂的尺寸与形状进行控制，可以走出球面、桶面等多种形状，这就可以完成探测、焊接、搬运等任务，这对于复杂环境中一些人工无法完成的搬运、测量有着巨大的研究意义。同时作为机器人的重要组成部分机器人的手臂关节也属于机械臂的研究范畴，由此可以看出机械臂的设计在机器人的研究中也属于及其重要的部分。
1.4 本文的研究内容
本论文设计的是两自由度串联机械臂，整个机构要求能实现四分之一球面空间的探测，以满足装在机械臂末端的噪声测量装置的测量要求。设计分为系统设计和结构设计两部分，系统设计是对整个系统进行模块化设计，包括选择电机，选择声级计等仪器。结构设计主要是针对两自由度机械臂进行设计，最终要求实现目标探测器能实现四分之一球面的测量。其中结构设计中主要采用solid works绘图软件绘制出机械臂的三文结构模型，最后装配，利用有限元的分析手段，利用有限元分析软件对机械臂的结构受力，变形进行分析，最终验证设计方案的合理性。其中电机选型主要是依据机械臂的扭矩，选择合适的动力源，而且电机的尺寸及安装都必须考虑在其中。最后对于机械臂的控制系统进行了简单的分析与设计，并用简单的图绘法对机械臂的工作空间也进行了简单的验证，证明了机械臂功能设计的正确。