一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法技术

本发明专利技术公开一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法，该设计方法首先将机器人产品分成四种通用的功能模块，即执行器模块、绕xy轴俯摆臂模块、绕z轴旋转臂模块和底座平台模块，并匹配三种标准接口；然后通过选定机器人的一级参数系列，包括负载质量、负载长、宽、高、机器人最小工作半径、最大工作半径、机器人自由度；确定模块种类、数量及装配方式；逐级选定机器人的二级参数以及三级参数，从而确定机器人各组成模块零部件模型，模型之间通过标准接口进行装配，从而确定机器人的机械结构，不同的系列参数、模块种类和数量对应结构相似、尺寸功能不同的机器人。

【技术实现步骤摘要】
一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法
本专利技术涉及一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法。
技术介绍
《中国制造2025》提出，要围绕工业机器人的应用要求，积极研发新产品，促进机器人标准化、模块化发展，扩大市场应用；据推测，未来30年内机器人技术将处于高速增长阶段，多样化的工业机器人将有大量的社会需求；而目前国内设计出的工业机器人存在结构形式复杂、通用性差、适应性差、设计周期长、价位高、不能满足柔性自动化生产要求等诸多问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中人工设计机器人效率较低、结构形式复杂、通用性差、适应性差等缺陷，提供一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术解决方案是：一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法，包括以下步骤：第一步：对工业机器人进行市场调查与功能分析，把机器人产品分成四种通用的功能模块，即执行器模块、绕xy轴俯摆臂模块、绕z轴旋转臂模块和底座平台模块；第二步：构建四种模块之间连接的标准接口；第三步：将机器人参数分为三级，一级参数驱动机器人总体结构尺寸，由用户确定，二级参数驱动机器人各模块的结构尺寸，由拓扑函数确定，三级参数驱动机器人各零件的结构尺寸，由一、二级参数确定或取定值；第四步：对机器人产品的工作空间可达性及结构静力学特性进行验证，并对机器人产品进行动力学正逆学分析；第五步：对符合第四步条件的机器人产品进行参数系列确定，最终得到符合用户需求的机器人产品。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法，大大方便了用户根据工作环境进行机器人机械结构设计，用户通过查找表格的方式即可完成符合工况的工业机器人的机械结构设计，设计方法简单、加工周期短、产品质量高、维护保养方便、产品成本低，更能适应如今迅速变化的机器人工作环境。附图说明图1为本专利技术所述的一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法流程示意图；图2为本专利技术所述的一种工业机器人机械结构的用户设计流程示意图；图3为本专利技术所述的执行器模块结构示意图；图4为本专利技术所述的绕xy轴俯摆臂模块结构示意图；图5为本专利技术所述的绕z轴旋转臂模块结构示意图；图6为本专利技术所述的底座平台模块结构示意图；图7为本专利技术模块化工业机器人的三种优选模块标准接口示意图；图8为本专利技术实施例1中所述的模块化工业机器人的结构示意图；图中，1为电动夹爪，2为执行器连接板，3为绕xy轴俯摆臂模块阶梯轴，4为绕xy轴俯摆臂模块轴承盖板，5为绕xy轴俯摆臂模块一号连杆，6为绕xy轴俯摆臂模块连杆连接轴，7为绕xy轴俯摆臂模块二号连杆，8为绕xy轴俯摆臂模块减速电机，9为绕xy轴俯摆臂模块电机连接板，10为绕xy轴俯摆臂模块下锥齿轮，11为绕xy轴俯摆臂模块上锥齿轮，12为绕z轴旋转臂模块旋转板，13为绕z轴旋转臂模块轴承套，14为绕z轴旋转臂模块电机连接板，15为绕z轴旋转臂模块减速电机，16为绕z轴旋转臂模块一号连杆，17为绕z轴旋转臂模块连杆连接轴，18为绕z轴旋转臂模块二号连杆，19为绕z轴旋转臂模块电机固定轴，20为右侧支架，21为底座模块减速电机，22为底座平台，23为底座支架，24为万向轮，25为底座模块立式电机、26为底座模块底板，27为左侧支架，28为底座模块阶梯轴。具体实施方式一种工业机器人的模块化参数化设计方法(简称设计方法)，包括以下步骤：第一步：对工业机器人进行市场调查与功能分析，把机器人产品分成四种通用的功能模块，即执行器模块、绕xy轴俯摆臂模块、绕z轴旋转臂模块和底座平台模块；第二步：为了便于四种模块之间进行任意连接组装，所述的模块之间通过三种标准接口连接；a接口用于执行器模块和绕xy轴俯摆臂模块之间、执行器模块与底座平台模块之间、绕xy轴俯摆臂模块和绕xy轴俯摆臂模块之间的连接，中间的阶梯孔用于连接轴、轴承的连接，方形排列的小孔用于连接连杆、轴承盖板的连接；b接口用于执行器模块和绕z轴俯摆臂模块之间、绕xy轴俯摆臂模块与绕z轴俯摆臂模块之间、绕z轴俯摆臂模块与绕z轴俯摆臂模块之间的连接；c接口用于绕z轴俯摆臂模块与xy轴俯摆臂模块之间、绕xy轴俯摆臂模块与底座平台模块之间、绕z轴俯摆臂模块与底座平台模块之间的连接；所述的三种标准接口为：一号接口a为四个呈矩形布置的螺纹孔、中部设置有一个阶梯孔的结构，二号接口b为两个间隔分布的螺纹孔的结构，三号接口c为一个阶梯孔的外周均布有四个螺纹孔的结构。第三步：将机器人参数分为三级，一级参数驱动机器人总体结构尺寸，由用户确定，作为优选，一级参数为负载质量ma，负载长L、宽W、高H，机器人最小工作半径r，最大工作半径R，机器人自由度ν；二级参数驱动机器人各模块的结构尺寸，由拓扑函数确定，作为优选，二级参数为执行器的工作尺寸La，连杆刚度Ei、连杆长度Li，电机型号mo，底座平台半径Rb、底座平台高度h；三级参数驱动机器人各零件的结构尺寸，由一、二级参数确定或取定值，作为优选，三级参数为连接孔径dp，电机连接板的长Lp、宽Wp、厚Tp，高Hp，轴承内径c，阶梯轴各段的轴径di和轴长Ldi，锥齿轮大端模数m、大端齿数z、大端分度圆直径D，轴承盖板长Lb、宽Wb、厚Tb，支架连接孔径ds，支架长Ls、宽Ws、高Hs；表1本专利技术模块化工业机器人的二级参数拓扑函数表2本专利技术模块化工业机器人的三级参数拓扑函数第四步：对机器人产品的工作空间可达性及结构静力学特性进行验证，并对机器人产品进行动力学正逆学分析；第五步：对符合第四步条件的机器人产品进行参数系列确定，最终得到符合用户需求的机器人产品。作为优选，其中一级参数的负载质量ma为等比数列，该等比数列的第一项ma1为0.5kg，公比为10；最大工作半径R为等差数列，该等差数列的第一项R1为1800mm，公差为400mm；二级参数连杆长度Li为等比数列，公比为8/ν，与底座连接的大臂长度为L1＝(R-r)/(ν-1)(1)实施例1以一种搬运机器人为例进行模块化机器人设计，一级参数为负载长50mm×宽60mm×高50mm，质量为0.5kg，经计算，机器人的最大工作半径为1740mm，据此，对照机器人参数系列，选择最大工作半径为1800mm的产品参数系列。表3本专利技术实施例1中机器人产品参数优选系列为完成搬运任务，选择五个模块组成机器人，分别是执行器模块、绕z轴旋转关节模块、两个绕xy轴俯摆关节模块及底座平台模块。查二级参数系列表可得，执行器为电动夹爪，其工作尺寸为60mm；从执行器末端开始，机器人连杆的长度分别为100mm，160mm，250mm，410mm；所选某品牌减速电机型号分别为两个YN80-40，一个ZL28-0.75-15S，两个ZF32-0.75-30S，电机轴径分别为10mm，10mm，28mm，32mm，32mm，同理，其他参数可以从电机样本图中查得；底座平台半径为320mm，底座平台距离底座底板距离为380mm；用表格的方式将各个模块中组成零部件的三级参数列出来。表4本专利技术实施例1中绕xy轴俯摆关节模块各零部件三级参数拓扑函数根据零部件三级参数表，选择对应零部件的形状尺寸；将各部分模块装配成五自由度的搬运机器人，对所述机器人进行工作空间可达性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：对工业机器人进行市场调查与功能分析，把机器人产品分成四种通用的功能模块，即执行器模块、绕xy轴俯摆臂模块、绕z轴旋转臂模块和底座平台模块；第二步：构建四种模块之间连接的标准接口；第三步：将机器人参数分为三级，一级参数驱动机器人总体结构尺寸，由用户确定，二级参数驱动机器人各模块的结构尺寸，由拓扑函数确定，三级参数驱动机器人各零件的结构尺寸，由一、二级参数确定或取定值；第四步：对机器人产品的工作空间可达性及结构静力学特性进行验证，并对机器人产品进行动力学正逆学分析；第五步：对符合第四步条件的机器人产品进行参数系列确定，最终得到符合用户需求的机器人产品。

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：对工业机器人进行市场调查与功能分析，把机器人产品分成四种通用的功能模块，即执行器模块、绕xy轴俯摆臂模块、绕z轴旋转臂模块和底座平台模块；第二步：构建四种模块之间连接的标准接口；第三步：将机器人参数分为三级，一级参数驱动机器人总体结构尺寸，由用户确定，二级参数驱动机器人各模块的结构尺寸，由拓扑函数确定，三级参数驱动机器人各零件的结构尺寸，由一、二级参数确定或取定值；第四步：对机器人产品的工作空间可达性及结构静力学特性进行验证，并对机器人产品进行动力学正逆学分析；第五步：对符合第四步条件的机器人产品进行参数系列确定，最终得到符合用户需求的机器人产品。2.根据权利要求1所述的一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法，其特征在于，第二步中所述的标准接口为三种：一号接口为四个呈矩形布置的螺纹孔、中部设置有一个阶梯孔的结构，二号接口为两个间隔分布的螺纹孔的结构，三号接口为一个阶梯孔的外周均布有四个螺纹孔的结构。3.根据权利要求1所述的一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法，其特征在于，所述第三步中所述的机器人一级参数为负载质量（ma），负载长（L）、宽（W）、高（H），机器人最小工作半径（r），最大工作半径（R），机器人自由度（ν）。4.根据权利要求1所述的一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法，其特征在于，所述第三步中所述的机器人二级参数为执行器的工作尺寸（La），连杆刚度（Ei）、连杆长度（Li），电机型号（mo），底座平台半径（Rb）、底座平台高度（h）。5.根据权利要求1所述的一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法，其特征在于，所述第三步中所述的机器人三级参数为连接孔径（dp），电机连接板的长（Lp)、宽(Wp)、厚(Tp)，高(Hp)，直线轴承内径(c)，阶梯轴各段的轴径(di)和轴长(Ldi)，锥齿轮大端模数(m)、大端齿数(z)、大端分度圆直径(D)，轴承盖板长(Lb)、宽(Wb)、厚(Tb)，支架连接孔径(ds)，支架长(Ls)、宽(Ws)、高(Hs)。6.根据权利要求1所述的一种工业机器人机械结构的模块化参数化设计方法，其特征在于，根据所述设计方法所得的一种搬运机器人具有以下机械结构：包括执行器模块、上绕xy轴俯摆臂模块、绕z轴旋转臂模块、下绕xy轴俯摆臂模块、底座平台模块五个模块；所述的执行器模块由电动夹爪、执行器连接板组成，执行器连接板通过螺钉与电动夹爪连接；所述的下绕xy轴俯摆臂模块由绕xy轴俯摆臂模块阶梯轴、绕xy轴俯摆臂模块轴承盖板、绕xy轴俯摆臂模块一号连杆、绕xy轴俯摆臂模块连杆连接轴、绕xy轴俯摆臂模块二号连杆、绕xy轴俯摆臂模块减速电机、绕xy轴俯摆臂模块电机连接板、绕xy轴俯摆臂模块下锥齿轮、绕xy轴俯摆臂模块上锥齿轮组成；绕xy轴俯摆臂模块阶梯轴有七个轴肩，两端轴径小于里侧轴径，其尺寸与安装在其上的部件相匹配；所述绕xy轴俯摆臂模块轴承盖板和绕xy轴俯摆臂模块一号连杆安装在绕xy轴俯摆臂模块阶梯轴的一端，绕xy轴俯摆臂模块轴承盖板通过螺钉与绕xy轴俯摆臂模块一号连杆连接；所述绕xy轴俯摆臂模块电机连接板为“L”型板材，其一分支与xy轴俯摆臂模块二号连杆依次套装在绕xy轴俯摆臂模块阶梯轴的另一端上，绕xy轴俯摆臂模块阶梯轴的该端的末端上通过键槽安装有绕xy轴俯摆臂模块上锥齿轮；绕xy轴俯摆臂模块电机连接板的另一分支的上表面安装有绕xy轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯慧娟，苗青，樊胜秋，苗双，王海龙，李世杰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12