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畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書
設(shè)計(論文)題目： 三自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計與仿真
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指導(dǎo)教師：
職 稱：
目錄
摘要 2
第1章 引言 3
1.1. 我國機(jī)器人研究現(xiàn)狀 3
1.2. 工業(yè)機(jī)器人概述： 4
1.3. 本論文研究的主要內(nèi)容 4
第2章 機(jī)器人方案的設(shè)計 9
2.1. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計的特點 9
2.2. 與機(jī)器人有關(guān)的概念 10
2.3. 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 12
2.4. 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計分析 13
2.5. 方案設(shè)案 13
2.6. 自由度分析 14
2.7. 機(jī)械傳動裝置的選擇 15
2.7.1. 滾珠絲杠的選擇 15
第3章 零部件設(shè)計與建模 18
3.1. Croe軟件介紹 18
3.2. 關(guān)鍵零部件建模 18
3.3. 各部分的裝配關(guān)系 25
第4章 仿真分析 29
第5章 致謝 33
參考文獻(xiàn) 33
摘要
并聯(lián)機(jī)器人是人類全新的機(jī)器人,它具有剛度大!承載能力強!精度高!自重負(fù)荷比小!動力性能好等一系列優(yōu)點,與目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)機(jī)器人在應(yīng)用上構(gòu)成互補關(guān)系,因而擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域"Delta并聯(lián)機(jī)器人是最典型的空間三自由度移動的并聯(lián)機(jī)構(gòu),Delta機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡單!緊湊,驅(qū)動部分均布于固定平臺,這些特點使它具有良好的運動學(xué)和動力學(xué)特性,實驗條件下末端控制加速度可高達(dá)5.09-(重力加速度)"大量的實踐證明,Delta機(jī)構(gòu)是迄今為止設(shè)計最成功的并聯(lián)機(jī)構(gòu)之一"目前,Delta并聯(lián)機(jī)器人己經(jīng)廣泛應(yīng)用于化妝品!食品和藥品的包裝和電子產(chǎn)品的裝配"機(jī)器人的運動學(xué)是機(jī)器人動力學(xué)!機(jī)器人控制和規(guī)劃的基礎(chǔ),在機(jī)器人研究中占有重要的地位"運動學(xué)研究內(nèi)容包括正向運動學(xué)和反向運動學(xué),對于并聯(lián)機(jī)器人,其反向運動學(xué)相對簡單而正向運動學(xué)復(fù)雜"本文對三自由度Delta機(jī)器人運動學(xué)進(jìn)行了研究"通過對Delta機(jī)器人結(jié)構(gòu)的分析,建立了運動學(xué)模型,確定了各個構(gòu)件的空間位姿"基于動平臺與靜平臺之間的矢 量關(guān)系以及機(jī)構(gòu)的約束方程,建立了該機(jī)構(gòu)的運動學(xué)方程,推導(dǎo)出位置反解公式,同時給出了位置正解的數(shù)值解法"在位置反解方程的基礎(chǔ)上,分析了Delta機(jī)器人的工作空間,推導(dǎo)出該機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣,并對速度和加速度進(jìn)行了求解.。
關(guān)鍵詞： 機(jī)器人，方案，設(shè)計，仿真
第1章 引言
近二十年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國在機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面與工業(yè)化國家相比還有一定的差距，因此研究和設(shè)計各種用途的機(jī)器人特別是工業(yè)機(jī)器人、推廣機(jī)器人的應(yīng)用是有現(xiàn)實意義的。
1.1. 我國機(jī)器人研究現(xiàn)狀
機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程在自動控制下執(zhí)行某種操作或移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。機(jī)器人技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電子工程、計算機(jī)技術(shù)、自動控制及人工智能等多種科學(xué)的最新研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表，是當(dāng)代科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域。機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用正受到越來越多的國家的重視。近十幾年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國是從 20 世紀(jì)80 年代開始涉足機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計劃。1987 年，我國的“863”計劃將機(jī)器人方面的研究列入其中。目前，我國從事機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)的主要是高校和有關(guān)科研院所。最初我國在機(jī)器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后，我國在機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩足步行機(jī)器人，北京自動化研究所1993 年研制的噴涂機(jī)器人，1995 年完成的高壓水切割機(jī)器人，國家開放實驗和研究單位沈陽自動化研究所研制的有纜深潛300m 機(jī)器人，無纜深潛機(jī)器人，遙控移動作業(yè)機(jī)器人，2000 年國防科技大學(xué)研制的兩足類人機(jī)器人，北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華南理工大學(xué)研制的點焊、弧焊機(jī)器人，以及各種機(jī)器人裝配系統(tǒng)等。我國目前擁有機(jī)器人 4000 臺左右，主要在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用，而全世界應(yīng)用機(jī)器人數(shù)量為83 萬臺，其中主要集中在美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家。在機(jī)器人研究方面，我國與發(fā)達(dá)國家還有一定差距。機(jī)構(gòu)學(xué)形成并發(fā)展于十八世紀(jì)下半葉，迄今創(chuàng)造了各種新型機(jī)構(gòu)，被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及日常生活等諸多領(lǐng)域[1]。常用的機(jī)構(gòu)有連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、撓性機(jī)構(gòu)等[2-4]。其中，連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。按照構(gòu)件之間的相對運動為平面運動和空間運動，連桿機(jī)構(gòu)可以分為平面連桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu)。空間連桿機(jī)構(gòu)可分為開鏈機(jī)構(gòu)和閉鏈機(jī)構(gòu)。閉鏈機(jī)構(gòu)分為單閉環(huán)鏈和多閉環(huán)鏈機(jī)構(gòu)。無懸桿的單閉合運動鏈有相同數(shù)目的構(gòu)件和運動副，運動鏈?zhǔn)欠衲軌蜻\動決定于構(gòu)件及運動副的類型和數(shù)目[5]?？臻g單閉鏈連桿機(jī)構(gòu)運動巧妙，獲得許多學(xué)者的關(guān)注。機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)是機(jī)構(gòu)學(xué)研究的一個分支。兩足機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)研究的主要對象之一，其系統(tǒng)全面研究開始于二十世紀(jì)60年代[6-9]，研究主要集中在仿人機(jī)器人[10-18]、輔助行走機(jī)器人[19-21]和被動行走兩足機(jī)器人[22-26]領(lǐng)域。本文的研究動機(jī)是試圖將傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)應(yīng)用在兩足機(jī)器人領(lǐng)域，嘗試拓展機(jī)構(gòu)學(xué)的應(yīng)用空間，同時嘗試提出兩足機(jī)器人的新構(gòu)型和新應(yīng)用。以下分別介紹空間單閉鏈連桿機(jī)構(gòu)和兩足機(jī)器人的研究概況。
1.2. 工業(yè)機(jī)器人概述：
在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般指在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的定義為：“一種自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！辈僮鳈C(jī)定義為：“具有和人的手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置?！盵3]一個典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。一般多自由度串聯(lián)機(jī)器人具有4～6 個自由度，其中2～3 個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余2～3 個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。
1.3. 本論文研究的主要內(nèi)容
作者系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機(jī)器人技術(shù)的知識，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對國內(nèi)外機(jī)器人、主要是工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)的了解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合作者本人的設(shè)想，和設(shè)計工作中需要解決的任務(wù)，主要進(jìn)行以下幾項工作：
(1) 進(jìn)行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的方案創(chuàng)成、分析和設(shè)計
1.1 空間單閉鏈機(jī)構(gòu)研究概況
在機(jī)構(gòu)學(xué)中，通常采用符號表示運動副類型。運動副符號R、C、P、S、H分別表示轉(zhuǎn)動副、圓柱副、移動副、球面副、螺旋副?？臻g單閉鏈機(jī)構(gòu)通常用一串運動副符號來表示，例如RSSR。這不僅方便，而且反映了空間機(jī)構(gòu)的主要特點。第一位符號表示連接機(jī)架和輸入桿（主動件）的運動副，最后一個則是連接輸出件（被動件）的運動副[27]。
在空間機(jī)構(gòu)的研究過程中，提出了各類空間單閉鏈連桿機(jī)構(gòu)以及過約束機(jī)構(gòu)[5,27-33]，為連桿機(jī)構(gòu)研究提供理論基礎(chǔ)，也為該類連桿機(jī)構(gòu)的實際應(yīng)用提供了備選方案。張啟先[5]對自由度為1的空間單閉鏈的機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合，如表1-1所示。其中運動副類別是按照自由度數(shù)目進(jìn)行分類，由此表可知：在閉合約束數(shù)相同的機(jī)構(gòu)中，所含運動副的類別越高，組成機(jī)構(gòu)所需的構(gòu)件數(shù)越少；相同個數(shù)的構(gòu)件或運動副，只有滿足某些特殊的幾何條件，才能組成約束數(shù)不同的機(jī)構(gòu)[5]。空間單閉鏈機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用：1.在一些輕工業(yè)機(jī)械上（例如在縫紉機(jī)、紡織機(jī)、制鞋機(jī)等中有著廣泛的應(yīng)用）。2. 在農(nóng)業(yè)機(jī)械上。3.在一些飛機(jī)和汽車上（主要用來作為飛機(jī)的翼面操作、機(jī)輪縮放和汽車的傳動、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)）。4.作為軸向活塞機(jī)械（例如在活塞式壓氣機(jī)、發(fā)動機(jī)及軸向柱塞式油泵中應(yīng)用廣泛）。5.在其它機(jī)械和儀表中[5]。
1.1.1 空間三桿機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用
空間三桿機(jī)構(gòu)是最簡單的單閉鏈空間機(jī)構(gòu)。如圖1-1所示為典型的空間三桿CSS和CCS機(jī)構(gòu)[34]，其中圖1-1a為空間三桿CSS機(jī)構(gòu)，兩個球面副間有局部自由度。圖1-1b為空間三桿CCS機(jī)構(gòu)，能實現(xiàn)某種需要的球面軌跡[5]，可用于需要球面軌跡的場合。
1.1.2 空間四桿機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用
常見的空間四桿機(jī)構(gòu)有4R[35]、RCSR[36]、RSSP[37]、RCCC[38-45]、RCCR[44, 46-53]、RSCR[54]、RRSS[55-58]、RSSR[38, 59-66]、RSCP[54, 67]、RRSC[34, 67, 68]、RCCP[44, 69]、RPSC[28,70]、CSSP[54]、CSSP[54]、RSSP[37, 71, 72]。圖1-2所示為其中的四種，其中圖1-2a為球面4R機(jī)構(gòu)，圖1-2b為RCCC機(jī)構(gòu)，圖1-2c為RSSR機(jī)構(gòu)，圖1-2d為RSSP機(jī)構(gòu)。
空間四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用較為廣泛。RCCR和RSSR為雙曲柄機(jī)構(gòu)；球面4R機(jī)構(gòu)滿足特殊幾何條件時為萬向聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)；RCCC滿足特殊的幾何條件時，可以看做是萬向聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)；RSSP為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；PSSP為雙滑塊機(jī)構(gòu)；RSPC、RRSC、RSCC
為曲柄轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)。以下列舉了幾類四桿機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用示例。
(1) 空間四桿RSCS 機(jī)構(gòu)
如圖1-4所示，將空間RSCS機(jī)構(gòu)用作為一種飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)。當(dāng)桿2和桿3在液壓油作用下伸縮時，桿1繞斜軸擺動，從而達(dá)到收放機(jī)輪的目的。這里，桿2和桿3各有一個可繞自身軸線轉(zhuǎn)動的局部自由度[5]。
并聯(lián)機(jī)器人相對于目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)機(jī)器人來講， 具有剛度強、精度高、自重負(fù)荷比小、速度高等顯著的優(yōu)點；但也有其不足之處，如同樣的結(jié)構(gòu)尺寸，并聯(lián)機(jī)器人的工作空間小，存在桿件空間的干涉、奇異位置等問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計理論分析復(fù)雜。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)特性具有高度非線性、強耦合的特點，使其控制較為復(fù)雜。總體來講，并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人構(gòu)成互補的關(guān)系， 擴(kuò)大了整個機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)多種多樣，Clavel 提出了一種稱為Delta 的三維移動機(jī)構(gòu)。Delta 機(jī)構(gòu)是最典型的空間三自由度移動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，大多數(shù)空間三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)都是從Delta 機(jī)構(gòu)衍生的。Delta 機(jī)器人是一種具有3 個平動自由度的高速并聯(lián)機(jī)器人，也是商業(yè)應(yīng)用最成功的并聯(lián)機(jī)器人之一。目前，并聯(lián)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于飛行器對接、外科手術(shù)和數(shù)控加工等眾多領(lǐng)域。食品制藥領(lǐng)域普遍采用流水線生產(chǎn)，個別產(chǎn)品包裝環(huán)節(jié)還離不開人工操作。由于環(huán)境復(fù)雜、產(chǎn)品特殊，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)很難滿足靈活高效的要求，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)在這些場合能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。本文主要針對包裝堆垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行探討和分析。
由于結(jié)構(gòu)中有空間平行四邊形存在，限制了機(jī)構(gòu)的三個轉(zhuǎn)動自由度，僅僅留下三個平動自由度。于是設(shè)計了如下的并聯(lián)機(jī)器人，如圖
機(jī)構(gòu)的特點如下：
（1）并聯(lián)機(jī)器人采用四臂對稱結(jié)構(gòu)，每個臂為串并混聯(lián)分支。
（2）四個伺服電機(jī)和減速器安裝在上平臺上,主要的質(zhì)量和慣性集中在上部，末端執(zhí)行器由八桿相連，慣性小，速度快，效率高。
（3）上平臺為箱式結(jié)構(gòu)，在箱體的內(nèi)部可以安放驅(qū)動電路、控制電路等。
（4）末端執(zhí)行器由八桿球鉸聯(lián)接，安裝電控吸盤，用于抓取物體。
（5）球鉸由彈簧拉緊。
（6）上平臺為齒輪齒條機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)機(jī)器人整體移動。目的是擴(kuò)大并聯(lián)機(jī)器人工作范圍，也可根據(jù)情況不使用。
此機(jī)構(gòu)在運動過程中，末端執(zhí)行器只有平動自由度，沒有轉(zhuǎn)動自由度。
第2章 機(jī)器人方案的設(shè)計
2.4. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計的特點
串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計與一般的機(jī)械設(shè)計相比，有很多不同之處。首先，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動關(guān)節(jié)）連接起來的開式運動鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運動分析和靜力分析復(fù)雜，兩相鄰桿件坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、末端執(zhí)行器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端執(zhí)行器的受力和各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩（或力）之間的關(guān)系等，都不是一般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，需要建立一套針對空間開鏈機(jī)構(gòu)的運動學(xué)、靜力學(xué)方法。末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度和各個關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩之間的關(guān)系是動力學(xué)分析的主要內(nèi)容，在手臂開鏈結(jié)構(gòu)中，每個關(guān)節(jié)的運動受到其它關(guān)節(jié)運動的影響，作用在每個關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)載隨手臂位姿變化而變化，在高速情況下，還存在哥氏力和離心力的影響。因此，機(jī)器人是一個多輸入多輸出的、非線性、強耦合、位置時變的動力學(xué)系統(tǒng)，動力學(xué)分析十分復(fù)雜，因此，即使通過一定的簡化，也需要使用不同于一般機(jī)構(gòu)分析的專門分析方法。其次，由于開鏈機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起，機(jī)械誤差和彈性變形的累積使機(jī)器人的剛度和精度大受影響。因此在進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械設(shè)計時特別要注意剛度和精度設(shè)計。再次，機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須要考慮到驅(qū)動、控制等方面的問題，這和一般的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計是不同的。另外，與一般機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計在結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性方面有更高的要求。
2.5. 與機(jī)器人有關(guān)的概念
以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。
1 自由度：工業(yè)機(jī)器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運動副通常有移動副和轉(zhuǎn)動副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。以移動副相連的關(guān)節(jié)稱為移動關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨驅(qū)動的關(guān)節(jié)稱為主動關(guān)節(jié)。主動關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)器人的自由度。
2 機(jī)器人的分類
機(jī)器人分類方法有多種。
(1) 按機(jī)器人的控制方法的不同，可分為點位控制型（PTP），連續(xù)軌跡控制型（CP）：
（a）點位控制型（Point to Point Control ）：機(jī)器人受控運動方式為自一個點位目標(biāo)向另一個點位目標(biāo)移動，只在目標(biāo)點上完成操作。例如機(jī)器人在進(jìn)行點焊時的軌跡控制。
（b）連續(xù)軌跡控制型（Continuous Path Control ）：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時做受控運動，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機(jī)的角位移和角速度信號，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。
(2) 按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類：
（a）直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運動方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，不會產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點是占地面積大、工作空間小。
（b）圓柱坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，以q, r, z為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P = f (q, r, z) ,其中，r 是手臂徑向長度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。
（c）球坐標(biāo)型：具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。以q,f, y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P = f (q ,f, y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。
（d）關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型（SCARA 型）機(jī)器.人。前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點是動作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點是剛度和精度較差。
(3) 按驅(qū)動方式分類：
按驅(qū)動方式可分為：（a）氣壓驅(qū)動；（b）液壓驅(qū)動；（c）電氣驅(qū)動。電氣驅(qū)動是 20 世紀(jì)90 年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。它有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用方便、運動精度高、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點。
(4) 按用途分類：
可分為搬運機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。
2.6. 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述
圖2-1 工業(yè)機(jī)器人的組成圖
它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。
A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。
（1） 手部：又稱手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。
（2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。
（3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。
（4） 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。
B、 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的機(jī)械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。
C、 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。
D、 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運動符合要求。
圖2-2 各部分關(guān)系圖
2.7. 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計分析
2.2.1 設(shè)計要求
綜合運用所學(xué)知識,搜集有關(guān)資料獨立完成三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)和驅(qū)動單元的設(shè)計工作。
原始數(shù)據(jù)：自動線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設(shè)計工業(yè)機(jī)器人將一零件從A帶送到B帶。
零件尺寸：內(nèi)孔 ￠100，壁厚 10，高 100。
零件材料：45鋼。
2.2.2 總體方案擬定
在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動；考慮到本設(shè)計中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊。
2.8. 方案設(shè)案
設(shè)計一種直線型Delta并聯(lián)機(jī)器人，動平臺與靜平臺之間通過三條支鏈連接。通過安裝在固定框架上的三個直流電機(jī)結(jié)合滾珠絲杠副產(chǎn)生的直線運動，使動平臺具有一個平動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。每個電機(jī)安裝有編碼器用于檢測其轉(zhuǎn)角，通過機(jī)構(gòu)運動學(xué)建?？捎嬎愠鰟悠脚_的位姿信息，并用于實現(xiàn)對機(jī)器人的控制。
設(shè)計要求：
?1.外形尺寸600x600x800；
?2.豎直方向平移范圍：±100mm，水平方向轉(zhuǎn)動范圍：±15°；
?3.動平臺最大承載5kg；
2.9. 自由度分析
在自由度的分析中，一般涉及閑置自由度、冗余自由度、過約束、公共約束等問題。對較復(fù)雜的并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度分析，一般用螺旋理論進(jìn)行分析。delta 型并聯(lián)器人，在運動過程中，四個支臂始終保持空間平行四邊形。根據(jù)螺旋理論分析末端執(zhí)行器運動，可知螺旋系約束了繞三個軸的轉(zhuǎn)動，說明此機(jī)構(gòu)只有三個方向的平動自由度，沒有轉(zhuǎn)動自由度。
機(jī)器人方案圖
機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖
2.10. 機(jī)械傳動裝置的選擇
2.10.1. 滾珠絲杠的選擇
估算：等效載荷 Fm = 1000 N , 絲桿有效行程420 mm , 等效轉(zhuǎn)速 nm = 1500 r/min , 要求使用壽命Lh = 15000 h 左右，工作溫度低于100℃，可靠度95%，精度為3級精度。
A、 計算載荷
Fc =
查<機(jī)電液設(shè)計手冊> 上冊，表15-21得
= 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1
Fc =
= 1.11.01.6111000
= 1771 N
=
=
= 19559 N
B、 選擇滾珠絲桿副的型號
主要尺寸為：
按= 19559N，查《機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》表2-9，選用漢江機(jī)床廠C1型滾珠絲杠，系列代號為FYC1-4008-2.5。
= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滾珠直徑d0=3.969mm
滾道半徑 R=
偏心距 e==
絲杠內(nèi)徑
≤27 mm , =24000 N , =1880 N
螺旋導(dǎo)程角 γ = arctan = arctan = 3o38′
螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。
C、剛度驗算
按最不利情況考慮，即在螺距(導(dǎo)程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為：
= +
式中 T1 = ··tan( γ+)
= 1000tan(+)
= 1321 N·mm
磨擦系數(shù)f = 0.025, 當(dāng)量磨擦角 = ，
剪切彈性模量 G=8.33 N/mm2
所以：= +
= 0.0387 μm
其中，危險截面= 35.76，E = 2.06
每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形
= = 6.6 /m < ()p = 15/m
因為滾球絲桿精度要求為3級精度，由表15-8查得
()p = 15/m
所以其剛度滿足要求。
D、計算效率
η= = = 0.960 = 96%
第3章 零部件設(shè)計與建模
3.11. Croe軟件介紹
3.12. 關(guān)鍵零部件建模
下面介紹了一些關(guān)鍵部件的三維幾何體和二維結(jié)構(gòu)尺寸圖。
機(jī)器人大臂
機(jī)器人大臂端
機(jī)器人固定端
電機(jī)固定座
電機(jī)固定座
動盤座
帶輪
3.13. 各部分的裝配關(guān)系
在個關(guān)節(jié)出使用球約束使得他們之間有相對運動。
關(guān)節(jié)之間創(chuàng)建萬向約束
皮帶輪之間參與銷釘連接
總裝配圖
第4章 仿真分析
首先進(jìn)入到仿真界面中：
對電動機(jī)軸添加伺服電機(jī)，產(chǎn)生動力。
設(shè)置位置做為電動機(jī)的變化量
選擇運行分析
創(chuàng)建測量項目
第5章 致謝
參考文獻(xiàn)
[1] 吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊第二版[M].北京:高等教育出版社,1999.
[2]廖念釗,莫雨松,李碩根,楊興駿.互換性與技術(shù)測量第四版[M].北京:中國計量出版社,2000.
[3]陳錦昌,劉就女,劉林.計算機(jī)工程制圖[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,1999.
[4]馮辛安,黃玉美,杜君文.機(jī)械制造裝備設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[5]周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.
[6]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,1995.
[7]龔振幫.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,1995.
[8] 何立民.單片機(jī)高級教程:應(yīng)用與設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000.
[9]吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M].北京:高等教育出版社,2002.
[10]鄭堤,唐可洪.機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.
[11]張鐵,謝存禧.機(jī)器人學(xué)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2001.
[12]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1997.
[13]余達(dá)太,馬香峰.工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001.
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
設(shè)計（論文）題目：
三自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計與仿真
?
學(xué)生姓名：
專????業(yè)：
所在學(xué)院：
指導(dǎo)教師：
職????稱：
?
?年? ?月??日 ?
開題報告填寫要求
?
1．開題報告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；
2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的框架成文，并直接書寫（或打印）在本開題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。
5、開題報告（文獻(xiàn)綜述）字體請按宋體、小四號書寫，行間距1.5倍。
?
畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫不少于1000字左右的文獻(xiàn)綜述：
自從1961年美國Unimation公司推出第一臺工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人得到了十分迅速的發(fā)展。如今機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如噴氣、焊接。搬運。裝配等工作，在汽車工業(yè)、電子工業(yè)、核工業(yè)、服務(wù)業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等許多方面都有應(yīng)用?，F(xiàn)在所說的機(jī)器人多指串聯(lián)機(jī)器人。1965年，英國高級工程師Stewart首先提出了一種6自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為飛行模擬器用于訓(xùn)練飛行員，到1978年，澳大利亞的Hunt教授指出這種機(jī)構(gòu)更接近于人體的結(jié)構(gòu)，可以將此平臺作為機(jī)器人機(jī)構(gòu)。80年代中期，國際上研究并聯(lián)機(jī)器人的學(xué)者還寥寥無幾，出的成果也不多，到80年代末期特別是90年代以來，并聯(lián)機(jī)器人才被廣為關(guān)注，并成為新的熱點，許多大型會議都設(shè)有專題進(jìn)行討論。1985年，Clavel提出了一種成為Delta的三維移動機(jī)構(gòu)。Delta機(jī)器人是最經(jīng)典的空間三自由度移動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，大多數(shù)空間三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)都是從Delta機(jī)構(gòu)衍生的。Delta機(jī)器人是一種具有3個平動自由度的告訴并聯(lián)機(jī)器人，也是目前商業(yè)應(yīng)用最成功的并聯(lián)機(jī)器人之一。
目前，國內(nèi)外對于并聯(lián)機(jī)器人的研究主要集中于機(jī)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)和控制策略等幾個領(lǐng)域。其中機(jī)構(gòu)學(xué)和運動學(xué)分析主要研究并聯(lián)機(jī)器人的運動學(xué)。奇異形位。工作空間和靈巧度分析等方面，這些研究是實現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人控制和應(yīng)用的基礎(chǔ)。動力學(xué)和控制策略的研究主要是對并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行動力學(xué)分析和建模，研究各種可能的控制算法，對并聯(lián)機(jī)器人實時控制，以達(dá)到預(yù)期的控制效果。
隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，并聯(lián)機(jī)器人得到了越來越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)上，并聯(lián)機(jī)器人可以用在汽車總裝線上安裝輪胎，汽車發(fā)動機(jī)，還可以用作飛船對接器，潛艇救援中的對接器，飛行模擬器、空間飛行器對接機(jī)構(gòu)及其地面試驗設(shè)備，天文望遠(yuǎn)鏡跟蹤元位系統(tǒng)等，其中Delta機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于食品與藥品的包裝與機(jī)械自動生產(chǎn)線上。對于困難的地下工程，也可以利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)器人的一個重要應(yīng)用就是被稱為“21世紀(jì)的機(jī)床”的虛擬軸機(jī)床。并聯(lián)機(jī)床的中心結(jié)構(gòu)簡單，傳動鏈極短，剛度大，質(zhì)量輕，切削效率高，成本低，很容易實現(xiàn)6軸聯(lián)動，因而可以加工非常復(fù)雜的三維曲面。1994年美國芝加哥IMTS博覽會上GIDDING&LEWIS公司推出了新開發(fā)的并聯(lián)式VARJAX“虛擬軸機(jī)床”，硬氣廣泛關(guān)注。
并聯(lián)機(jī)器人的另一個重要的應(yīng)用方面是作為微動機(jī)構(gòu)或微型機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮了并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間不大、精度和分辨率高的特點，在三維空間內(nèi)微小移動在2-20微米之間、如在眼科手術(shù)、微細(xì)外科手術(shù)中的細(xì)胞操作、心臟冠狀動脈移植等中都得到了很好的應(yīng)用。
l?參考文獻(xiàn)
[1]蔡自興．機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ) [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.
[2]叢爽，尚偉偉．并聯(lián)機(jī)器人：建模，控制優(yōu)化與應(yīng)用 [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2010.
[3]張利敏，梅江平，趙學(xué)滿，等．一種二平動自由度并聯(lián)機(jī)械手動力尺度綜合 [J]．天津大學(xué)學(xué)報， 2010， 43(8)：661-666.
[4]Bouri M, Clavel R. The linear Delta: Developments and applications[C]//The 41st International Symposium on Robotics.Frankfurt, Germany: VDE, 2010: 1198-1205.
[5]Milutinovic D, Slavkovic N, Kokotovic B, et al. Kinematic modeling of reconfigurable parallel robots based on Delta concept[J]. Journal of Production Engineering, 2012, 15(2): 71-74.
[6]Rey L, Clavel R. The Delta parallel robot[M]//Parallel Kinematic Machines. London, UK: Springer, 1999: 401-417.
[7]Pierrot F, Dauchez P, Fournier A. Fast parallel robots[J]. Journal of Robotic Systems, 1991, 8(6): 829-840.
[8]徐龍祥，歐陽祖行.機(jī)械設(shè)計[M]. 第二版，北京：航空工業(yè)出版社，1999.
[9]李柱.互換性與技術(shù)測量[M].北京：高等教育出版社，2004.
[10]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009
[11]王全景,張慶余.48小時精通CREO PARAMETRIC 3.0中文版零組件設(shè)計技巧[M].北京：電子工業(yè)出版，2013.
[12]范欽珊.材料力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.
[13]Kosinska A, Galicki M, Kedzior K. Designing and optimization of parameters of Delta-4 parallel manipulator for a given workspace[J]. Journal of Robotic Systems, 2003, 20(9): 539-548.
[14]楊斌久，蔡光起，羅繼曼，等．少自由度并聯(lián)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 [J]．機(jī)床與液壓， 2006， 34(5)： 202-205.
[15]黃真，孔令富，方躍法．并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1997. [16]付萌. 少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)尺度參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化研究[D]. 電子科技大學(xué)，2013.
畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告
2．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
l?主要研究內(nèi)容：
1.基座的設(shè)計
2.末端執(zhí)行器的設(shè)計
3.臂桿的設(shè)計
4.電動機(jī)的選型
5.傳動鏈的選擇
6.Delta型并聯(lián)機(jī)器人的布置形式及基本參數(shù)的確定
l?擬采用的研究手段：
設(shè)計一種直線型Delta并聯(lián)機(jī)器人，動平臺與靜平臺之間通過三條支鏈連接。通過安裝在固定框架上的三個直流電機(jī)結(jié)合滾珠絲杠副產(chǎn)生的直線運動，使動平臺具有一個平動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。每個電機(jī)安裝有編碼器用于檢測其轉(zhuǎn)角，通過機(jī)構(gòu)運動學(xué)建模可計算出動平臺的位姿信息，并用于實現(xiàn)對機(jī)器人的控制。在完成設(shè)計工作的同時，針對Delta型并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計進(jìn)行分析研究，以便確定其合理的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語：
對并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、設(shè)計原則、存在問題、未來發(fā)展方向作了較豐富的綜述，內(nèi)容充實、條理清晰、表述清楚。
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?
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2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：
本課題涉及一種三自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計，具有非?，F(xiàn)實的應(yīng)用背景。本設(shè)計主要包括三自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求設(shè)計者不僅掌握較扎實的機(jī)電一體化設(shè)計能力，還應(yīng)掌握較深的機(jī)器人專業(yè)理論基礎(chǔ)，因此本課題較難，工作量較大。本設(shè)計的成果應(yīng)包括三自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型、裝配圖、零件圖、運動仿真等內(nèi)容。
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3.是否同意開題：√ 同意 □ 不同意
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???????????????????????????????????????? 2016 年?? 03 月?? 17 日
所在專業(yè)審查意見：
同意
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畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）外 文 參 考 資 料 及 譯 文
譯文題目：由表面應(yīng)力引起的納米多孔金 懸臂梁的宏觀彎曲
學(xué)生姓名：
專 業(yè)：
所在學(xué)院：
指導(dǎo)教師：
職 稱：
Surface-Stress Induced Macroscopic
Bending of Nanoporous Gold
Cantilevers
Dominik Kramer,*,2 Raghavan Nadar Viswanath,2 and Jo1rg Weissmu1ller2,3
Institut fuè r Nanotechnologie, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76021 Karlsruhe, Germany, and Fachrichtung Technische Physik, UniVersitaè t des Saarlandes, 66041 Saarbruè cken, Germany
Received January 13, 2004
ABSTRACT
NANO
LETTERS
2004 Vol. 4, No. 5
793-796
We report the preparation of composite foils consisting of two layers, one solid gold and one nanoporous gold. Tip displacements of several millimeters are observed when the foils are immersed in aqueous electrolytes and the electrochemical potential varied. This suggests that nanoporous metals could be used as the active component in actors, and it demonstrates for the first time that changes in the surface stress f of the metal-electrolyte interface can induce a macroscopic strain, orders of magnitude larger than the amplitudes which are reached in conventional cantilever bending experiments used to measure f.
Changes of the shape of liquid mercury electrodes in response to changes of the electrical potential have been observed as early as the 19th century. In 1872, Gabriel Lippmann invented his capillary electrometer in which small voltage differences can be measured by observation of the displacement of a mercury meniscus. The Lippmann equation relates the surface tension of a liquid electrode to the electrode potential, and it is
also a good approximation for solids.1 However, the surface stress f of a solid is not even approximately equal to its surface tension γ , and it exhibits a different (generally, stronger)2
dependence on the potential.1 Furthermore, due to the stiffness of solids, potential-dependent changes in the position or shape of solid surfaces are much smaller than those of liquid
electrodes. Highly sensitive extensometers3 were used to monitor the strain, and in the past decade, surface stress changes have been measured using atomic force microscope type techniques: thin metal films on the cantilevers are used as electrodes, and techniques as, for instance, laser beam deflection allow the tip displacement (in the lower nanometer range, e.g., in ref 4) induced by changes in the surface stress to
be measured.5-10 Because the surface stress in solids could hitherto only be detected in a laboratory environment using sophisticated equipment, it might be considered as an “exotic” phenomenon of little practical relevance. Even in thin film growth, where the
* Corresponding author. E-mail: Dominik.Kramer@int.fzk.de. Ad-dress: Dr. Dominik Kramer, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Institut fuè r Nanotechnologie, PO Box 3640, D-76021 Karlsruhe, Germany, Tel. +49-(0)7247 82 6379, Fax +49-(0)7247 82 6369.
2 Forschungszentrum Karlsruhe. 3 Universitaèt des Saarlandes.
10.1021/nl049927d CCC: $27.50 ? 2004 American Chemical Society
interface-induced stress may be large, its importance
remains the subject to current research.11
More recently, surface stress induced length changes of 1.5 ím have been observed in nanoporous mm-sized platinum cubes, an indication that the capillary effects can be enhanced
by increasing the surface-to-volume ratio α,12 which takes on exceptionally large values in porous nano-structures. Since the pressure in the bulk required to balance the surface stress scales with α independent of the geometry of the
microstructure,13 large volume changes and a considerable mechanical work density result from changes in the surface stress of the nanoporous metal.12 Therefore, it has been suggested that such materials may be attractive for use as actuators.14 However, integration of the porous metal into a device requires that it can be precisely and reproducibly shaped, and that it can be bonded to the parts of the device that transmit displacement and load. It has not been demonstrated so far how this can be achieved using nano-powder compacts; furthermore, while powder compacts support a considerable hydrostatic pressure, their resistance to shear stress may be poor. Here, we show that nanoporous metals prepared by dealloying a bulk solid solution exhibit similarly large strain amplitudes as nanopowder compacts, and that the porous material can be joined to solid metal foils to form a composite cantilever beam actuator. The charge-induced expansion or contraction of the porous metal gives rise to a biaxial stress component that results in a large bending of the foil. In this way, the effect of the interface-induced stress is amplified so that the deflection becomes visible to the naked eye: the tip moves by 3 mm, an increase
Published on Web 03/31/2004
Figure 1. Scanning electron micrograph of the nanoporous gold structure obtained by etching silver-gold alloy in perchloric acid.
by the factor 106 compared to previous cantilever bending experiments using a planar surface. This demonstrates that changes in the surface stress of nanoporous metals can be exploited to do work in cantilever bending, analogously to
what was recently reported for carbon nanotubes,15 vanadium oxide nanofibers,16 and conducting polymers.17
Dealloying, the selective dissolution of the less noble component from a solid solution, is well-known to result in
nanoporous structures.18 Dealloying is attractive as a tech-nique for preparing nanoporous solids since it can be applied irrespective of the shape of the active part of a device - including, conceivably, lithographically shaped miniaturized
components. Our samples were obtained by the dealloying
of Ag75Au25 master alloy sheets (see Methods). Figure 1 shows a scanning electron microscopy image of the nano-porous gold microstructure. The ligament size is ca. 20 nm.
Cuboids of porous gold of dimension 1.2×1.2× 1 mm3 were investigated in a commercial dilatometer equipped with an in-situ electrochemical cell. Figure 2A is the cyclic voltammogram (current vs potential curve) of a nanoporous gold sample immersed in 50 mM sulfuric acid, recorded in-situ in the dilatometer cell. The potential limits are given by the onset of hydrogen evolution (ca. -0.25 V) and gold oxidation (above 1 V). The voltammogram in Figure 2A is typical of a polycrystalline gold surface: The current is almost constant over the entire potential range, indicating a continuous capacitive double-layer charging and
discharging, in agreement with the known tendency of SO4-anions to interact only weakly with Au.19
Figure 2B shows the change L in sample length versus the time as the potential is cycled between -0.26 and +1.05 V in 50 mM H2SO4. The length changes periodically and reversibly with the potential, with a small irreversible shrinking superimposed to that. When the reversible part of ￠L is plotted versus the potential (Figure 2C), it is apparent that the length of the sample can be changed reproducibly by controlling the potential, with a small hysteresis of 0.1 V (or 0.02 μ m). The charge was obtained by integration of the current of Figure 2A and by setting the potential of zero charge (pzc) to 0.25 V [compare ref 20]. The graph of strain versus charge (Figure 2E) is highly reversible and linear both
Figure 2. In-situ dilatometry using 15 succesive cycles of the potential of a cuboid nanoporous gold sample in 50 mM sulfuric acid. (A)
Cyclic voltammogram (current I versus the electrochemical potential E). (B) Length change ￠L versus time t during the 15 cycles of (A).
(C) Reversible part of ￠L versus E, obtained by subtraction of an constant arbitrary value for each cycle. (D) Total charge Q versus E.
(E) ￠L/L0 versus Q. (A) and (C)-(E) display results of all 15 cycles superimposed.
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in the negatively and positively charged regimes; it exhibits a change in slope near the pzc. A similar linear correlation has been observed for a Au(111) surface by STM,21,22 but the break near the pzc of Figure 2E was not resolved there.
It is a matter of debate in how far the potential dependence of the surface stress reflects the details of the bonding of adsorbates to the surface (see ref 10 and references therein). We have carried out experiments using perchloric acid as the electrolyte, and found the results to be in qualitative agreement with Figure 2 (see Supporting Information). Since
the ClO4- ion adsorbs even more weakly than SO4-, this finding is compatible with the notion that the potential-induced strain does not intrinsically require the formation of the chemical bonds involved in specific adsorption; this would imply that the change in surface stress reflects the modified
bonding in the space-charge layer within the metal surface.2,12 Two further observations in support of this notion are: (i) whereas we find Au to contract at negative potential, carbon nanotubes show the opposite effect, expansion upon negative
charging,15 which indicates that the change in surface stress is strongly related to the nature of the bonding in the solid; and (ii) in-situ X-ray adsorption near edge spectroscopy (XANES) data show a significant change in d-band occupancy in Pt nanoparticles as the Pt-electrolyte interface is charged, confirming that the superficial electronic structure of the solid
can be changed.23 If the change in surface stress and the surface-induced strain in our samples are indeed a consequence of the modified bonding in the metal, then the
results provide support for a more general concept:24 by controlling the net charge in space-charge layers at metal surfaces, one can modify the electronic density of states and, thereby, the local properties of the matter at the surface. In nanomaterials, which have a large surface-to-volume ratio, this will result in changes of the overall properties, opening a way for tuning all those materials properties that depend on the density of states.
The action of the surface stress can be amplified by use of bilayer foils. Each of the foils consists of a layer of porous Au bonded to a layer of solid Au, see the cross-sections in Figure 3A. When the foil is immersed in an electrolyte, and its potential varied, then the porous layer will tend to expand or contract, whereas the solid layer will tend to maintain its dimensions. This will result in shear stress at the interface between the two layers, and in a bending of the foil, quite analogous to the effect of the differential thermal expansion used in bimetal thermometers. A similar arrangement has also
been used to produce carbon nanotube actuators.15
To make the bilayer foils, a 2 mm thick sheet of silver-gold alloy was cold-welded to a 0.5 mm thick sheet of pure gold by rolling. After reducing the thickness of the stack to 30 ím by further rolling, the resulting foil was annealed for stress relief and strips 35-40 mm long and 2 mm wide cut from it. Dealloying resulted in a composite foil consisting of a 6 ím thick layer of solid Au covered with 24 ím of porous Au. Two
foils were immersed in 1 M HClO4 and wired as the working and the counter electrodes, respectively. Figures 3A and 3B show a schematic drawing and a photograph of the experimental setup. Both foils undergo a
Nano Lett., Vol. 4, No. 5, 2004
Figure 3. Illustration of the operation of the composite foils. (A) schematic cross-section through an electrochemical cell comprising two identical foils that serve (interchangeably) as working electrode and counter electrode. (B-D) photographs of an electrochemical cell with two bimetallic stripes (nanoporous gold on gold), similar to the schematic in (A). The electrolyte is 1 M perchloric acid. The lower scale of the ruler is calibrated in mm. (C, D) Two enlarged views of the cell in (B), showing the tip of one of the foils with two different voltages applied between the two foils, +1 V (C) and -1 V (D). It is seen, that when the voltage is inversed, the tip moves by ca. 3 mm. The arrows serve as reference markers, emphasizing the tip displacement.
reversible bending as the voltage is changed. Figures 3C,D show enlarged views of the tip of one of the foils before and after inverting the applied voltage. When the potential difference between the electrodes is switched from -1 V to +1 V, the tip moves by as much as 3 mm. Thus, compared to cantilever bending experiments using planar surfaces, the displacement resulting from surface stress changes has increased from few nanometers to the millimeter regime,
that is, by about a factor of 106. A video clip showing the actuator operation is displayed as Supporting Information. For the first time, the effects potential-induced changes of the interface stress, which had previously required sophisticated experimental equipment, have become visible to the naked eye.
For actuator applications, the response time is important. Figure 4A shows the time-dependent ￠L during a series of
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Figure 4. (A) Length change ￠L of the sample in 50 mM sulfuric acid versus time, measured in the dilatometer during a series of potential jumps from -0.2 to 1 V and back (dashed line: potential).
(B) Frequency dependence of the amplitude during potential jumps (rectangular wave) in sulfuric acid. Large squares: Amplitude of the charge curve. Small circles: Amplitude of the length change as measured in the dilatometer. The dilatometers
maximum sampling rate of 10 s-1 limits the experimental strain amplitude at high frequency.
potential jumps from -0.2 V to 1 V and back. The half-times of the jumps in current and strain are 220 and 270 ms.
Because of the limited sampling rate (10 s-1) of the dilatometer, the time constant obtained from the charging curves is considered more accurate. The strain amplitude at a frequency of 0.3 Hz is almost identical to that during slower switching (Figure 4B), which is consistent with the response time given above. The bilayer foils react similarly fast, despite the drag of the electrolyte. The intrinsic time scale is given by the time constant of the charging current, which was determined as 25 ms, considerably faster than in the thicker dilatometer samples. This agrees qualitatively with the expectation that the drift of ions into the pores will be accelerated as the path is shortened.
The large mechanical response induced by changes in the surface stress predestines porous gold as an active component in sensors, especially if its surface is modified by adsorption, e.g., of molecules functionalized by thiol groups. These can be chosen to react selectively with specific molecules, for instance, antibodies; the reaction changes the surface stress, e.g., by steric repulsion of the product, and sensors detecting
these changes have been proposed and tested.8,25-27 Their sensitivity may be significantly enhanced by using nano-porous layers instead of planar surfaces.
In addition to its performance as a simple actor producing reversible strain controlled by an applied voltage, the device
shown in Figure 3 can also be regarded as a primitive voltmeter. If the tip displacement was observed with an optical microscope as in Lippmann's device, it would be suited to measure small voltage differences. Thus, Lipp-mann's 19th century voltmeter based on changes of the surface tension of liquid mercury interface has found a modern equivalent based on changes in the surface stress of a solid metal.
Acknowledgment. Stimulating discussions with H. Gle-iter and support by DFG (Center for Functional Nanostruc-tures) are gratefully acknowledged.
Supporting Information Available: Experimental de-tails, two additional Figures (S1, S2), and a video showing the movement of the bilayer foils. This material is available free of charge via the Internet at http://pubs.acs.org.
References
(1) Lipkowski, J.; Schmickler, W.; Kolb, D. M.; Parsons, R. J. Elec-troanal. Chem. 1998, 452, 193-197.
(2) Schmickler, W.; Leiva, E. J. Electroanal. Chem. 1998, 453, 61-67.
(3) Lin, K. F.; Beck, T. R. J. Electrochem. Soc. 1976, 123, 1145-1151.
(4) Haiss, W.; Sass, J. K. J. Electronanl. Chem. 1995, 386, 267-270.
(5) Ibach, H. Surf. Sci. Rep. 1997, 29, 195-263. Ibach, H. Surf. Sci. Rep.
1999, 35, 71-73.
(6) Raiteri, R.; Butt, H.-J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 15728-15732.
(7) Miyatani, T.; Fujihira, M. J. Appl. Phys. 1997, 81, 7099-7115.
(8) Ibach, H.; Bach, C. E.; Giesen, M.; Grossmann, A. Surf. Sci. 1997, 375, 107-119.
(9) Raiteri, R.; Butt, H.-J.; Grattarola, M. Electrochim. Acta 2000, 46, 157-163.
(10) Friesen, C.; Dimitrov, N.; Cammarata, R. C.; Sieradzki, K.
Langmuir 2001, 17, 807-815.
(11) Cammarata, R. C.; Trimble, T. M.; Srolovitz, D. J. J. Mater. Res. 2000, 15, 2468-2474.
(12) Weissmuè ller, J.; Viswanath, R. N.; Kramer, D.; Zimmer, P.; Wuè rschum, R.; Gleiter, H. Science 2003, 300, 312-315.
(13) Weissmuè ller, J.; Cahn, J. W. Acta Mater. 1997, 45, 1899-1906.
(14) Baughman, R. H. Science 2003, 300, 268-269.
(15) Baughman, R. H.; Cui, C.; Zakhidov, A. A.; Iqbal, Z.; Barisci, J. N.; Spinks, G. M.; Wallace, G. G.; Mazzoldi, A.; De Rossi, D.; Rinzler, A. G.; Jaschinski, O.; Roth, S.; Kertesz, M. Science 1999, 284, 1340-1344.
(16) Gu, G.; Schmid, M.; Chiu, P.-W.; Minett, A.; Fraysse, J.; Kim, G.-T.; Roth, S.; Kozlov, M.; Mun? oz, E.; Baughman, R. H. Nature Mater. 2003, 2, 316-319.
(17) Baughman, R. H. Synth. Met. 1996, 78, 339-353.
(18) Erlebacher, J.; Aziz, M. J.; Karma, A.; Dimitrov, N.; Sieradzki, K.
Nature 2001, 410, 450-453.
(19) Kolb, D. M. Prog. Surf. Sci. 1996, 51, 109-173.
(20) Kramer, D., Thesis, University of Ulm, Germany, 2000.
(21) Haiss, W.; Nichols, R. J.; Sass, J. K.; Charle, K. P J. Electroanal. Chem. 1998, 452, 199-202.
(22) Nichols, R. J.; Nouar, T.; Lucas, C. A.; Haiss, W.; Hofer, W. A.
Surf. Sci. 2002, 513, 263-271.
(23) Mukerjee, S.; Srinivasan, S.; Soriaga, M. P.; McBreen, J. J. Electrochem. Soc. 1995, 142, 1409-1422.
(24) Gleiter, H.; Weissmuè ller, J.; Wollersheim, O.; Wuè rschum, R.
Acta Mater. 2001, 49, 737-745.
(25) Berger, R.; Delamarche, E.; Lang, H. P.; Gerber, Ch.; Gimzewski, J. K.; Meyer, E.; Guè ntherodt, H.-J. Science 1997, 276, 2021-2024.
(26) Chen, G. Y.; Thundat, T.; Wachter, E. A.; Warmack, R. J. J. Appl. Phys. 1995, 77, 3618-3622.
(27) Fritz, J.; Baller, M. K.; Lang, H. P.; Strunz, T.; Meyer, E.; Guè ntherodt, H.-J.; Delamarche, E.; Gerber, Ch.; Gimzewski, J. K. Langmuir 2000, 16, 9694-9696.
NL049927D
796 Nano Lett., Vol. 4, No. 5, 2004
本文研究了一種雙層復(fù)合材料箔的制備，其中一層為固體金，另一層為納米多孔金。當(dāng)箔浸入電解質(zhì)水溶液中，并改變?nèi)芤旱碾娀瘜W(xué)勢，可以觀察到數(shù)毫米大小的端部位移。這一現(xiàn)象表明納米多孔金屬可以作為作動器中的應(yīng)激組件，還首次揭露了金屬-電解液界面上表面應(yīng)力f的改變將引起宏觀應(yīng)變，該應(yīng)變的大小比用于測量表面應(yīng)力f的傳統(tǒng)懸臂梁彎曲實驗中所能達(dá)到的振幅要高幾個數(shù)量級。
早在19世紀(jì)，人們就已觀察到，在電勢改變時液態(tài)汞電極將會產(chǎn)生形狀改變。1872年，Gabriel Lippmann（加布里埃爾·李普曼，外國人的名字不必翻譯）發(fā)明了毛細(xì)靜電計，可通過觀察一個水銀彎曲面的位移來測得微小的電壓改變。李普曼方程建立了液態(tài)電極的表面張力和電極電勢的相關(guān)關(guān)系，而且對固體電極也可以獲得令人滿意的近似結(jié)果1。然而，固體的表面應(yīng)力f并不近似等于其表面張力γ，并表現(xiàn)出對電勢的不同依賴性1（一般而言依賴性更強）2。進(jìn)一步講，由于固體具有一定的剛度，其表面依賴于電勢的位置和形狀改變遠(yuǎn)小于液體電極。高敏延展計3用于監(jiān)測應(yīng)變，在過去的十年間，利用原子力顯微鏡技術(shù)已可測量表面應(yīng)力的改變：將薄金屬片置于懸臂梁上作為電極，然后采取激光束偏轉(zhuǎn)分析技術(shù)，就可以得到由表面應(yīng)力改變引起的懸臂梁末端位移（可達(dá)到納米級，如參4）5-10。然而由于目前僅能在實驗室環(huán)境內(nèi)依托精密儀器檢測到固體的表面應(yīng)力，所以這一發(fā)現(xiàn)還只被視作一種缺少實用價值的“獨特”現(xiàn)象。即使在界面導(dǎo)致應(yīng)力較大的薄膜生長方面，其重要性也有待進(jìn)一步研究11。
最近，在具有毫米量級尺寸的納米多孔鉑立方體上觀測到了由于表面應(yīng)力引起的長度變化，達(dá)到1.5μm。這說明提高表體比α能夠放大毛細(xì)管效應(yīng)12，而多孔納米結(jié)構(gòu)的表體比非常大。由于塊體材料中平衡表面應(yīng)力所需的體積應(yīng)力會隨α變化，而α不依賴于微觀結(jié)構(gòu)的幾何特性，所以納米多孔金屬的表面應(yīng)力變化將引起可觀的機(jī)械功密度及大的體積改變12。因此，這類金屬被認(rèn)為在作動器制造方面前景誘人14。然而，將多孔金屬集成在設(shè)備上需要精確且可重復(fù)化的多空金屬成型工藝，并且能與設(shè)備上傳遞位移和荷載的部分緊密聯(lián)結(jié)。目前為止，使用納米粉末一體化壓實技術(shù)還不能達(dá)到這些要求，因為雖然一體化納米粉末抗壓能力優(yōu)良，但其抗剪能力很差。本文中展示了利用固熔塊體脫合金法制備的納米多孔金屬不僅具有與一