并聯(lián)機器人設(shè)計論文

1、并聯(lián)機器人設(shè)計論文摘要：并聯(lián)機器人是一類全新的機器人 ,它具有剛度大、 承載能力強、 誤 差小、精度高、自重負荷比小、動力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點 , 在 21 世紀(jì)將有廣闊的發(fā)展前景。 文中從運動副分析入手，對一種運動解耦 的三自由度并聯(lián)機構(gòu)進行了構(gòu)型研究，該機構(gòu)由三個正交分布的支鏈組 成，且機構(gòu)的運動副均為轉(zhuǎn)動副，構(gòu)成了機構(gòu)動平臺 x、y、z 三個方向的 平動解耦； 在機構(gòu)構(gòu)型研究的基礎(chǔ)上， 對其進行了運動學(xué)分析， 推導(dǎo)出了 該并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)正反解，分析了機構(gòu)輸入 / 輸出的速度和加速度等， 驗證了該機構(gòu)運動解耦的特性。 這對該機構(gòu)的 動力學(xué)分析、控制策略、 機 構(gòu)設(shè)計和軌跡規(guī)劃等方

2、面的研究，具有一定的理論意義。關(guān)鍵詞：三自由度并聯(lián)機構(gòu)；并聯(lián)機器人；設(shè)計；1.課題國內(nèi)外現(xiàn)狀及研究的主要成果 少自由度并聯(lián)機器人 由于其驅(qū)動元件少、造價低、結(jié)構(gòu)緊湊而有較高的 實用價 值，更具有較好的應(yīng)用前景，因此少自由度的并聯(lián)機器人的設(shè)計 理論的研究和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展成為并聯(lián)機器人的 研究熱點之一。研究少 自由度并聯(lián)機構(gòu)最早的學(xué)者應(yīng)屬澳大利亞著名機構(gòu)學(xué)教授 Hunt , 在 1983 年, 他就列舉了平面并聯(lián)機 構(gòu)、空間三自由度 3-rps 并聯(lián)機構(gòu)，但對四， 五自由度并聯(lián)機構(gòu)未作詳細闡述。 在 Hunt 之后 , 不斷有學(xué)者提出新的少自 由度并聯(lián)機構(gòu)機型。在少自由度并聯(lián)機構(gòu)機型的研究中, 三

3、維平移并聯(lián)機構(gòu)得到廣泛的重視。 clavel 提出了一種可實現(xiàn)純 平運動三自由度 Delta 并聯(lián)機器人 ,在 Delta 機構(gòu)的支鏈中采用平行四邊形機構(gòu)約束動平臺的 3 個轉(zhuǎn)動自由度。 Tsai 提出的 Delta 機構(gòu)完全采用回轉(zhuǎn)副，并通 過轉(zhuǎn)軸 的偏移擴大了 Delta 機構(gòu)的工作空間。在 Tricept 并聯(lián)機床上采用的構(gòu) 型是由Neumann發(fā)明的一種具有3個可控位置自由度的并聯(lián)機構(gòu)，該機 構(gòu)的突出特點是帶有導(dǎo)向裝置 ,采用 3個內(nèi)副驅(qū)動支鏈并由導(dǎo)向裝置約束 動平臺。Tsai通過自由度分析提取支鏈的運動學(xué)特征，系統(tǒng)研究了并聯(lián)機 構(gòu)的綜合問題 , 特別研究了一類實現(xiàn)三自由度平動的并聯(lián)機

4、構(gòu)。 Rasim Alizade 于 2004 年提出基于平臺類型和聯(lián)接平臺的形式和類型進行分類 的一種并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合和分類的新方法和公式 ,并綜合出具有單平臺 和多平臺的純并聯(lián)和串并聯(lián)復(fù)聯(lián)機構(gòu) . 我國燕山大學(xué)的黃真教授及其團隊 除了研制出解耦微型 6 維力傳感器和微動機械， 設(shè)計出一種新的高精度 的機構(gòu)方案外 , 還率先對少自由度并聯(lián)機器人的基礎(chǔ)理靜剛度和精度 . 上 海交大的高峰教授 2002 年運用復(fù)合副的概念來組合已知自由度數(shù)和自由 度類型的支鏈 , 通過支鏈輸出桿特殊的 Plucker 坐標(biāo)來綜合 2- 自由度的機 器人。近幾年， 東南大學(xué)的楊廷力教授、 金瓊等以單開鏈 soc

5、 單元和并聯(lián) 機器人機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成的某些規(guī)律性，以機構(gòu)具有各支路結(jié)構(gòu)相同且簡單、 不存在虛約束、 工作空間較大等特點， 尤其是其運動分析正、 逆解數(shù)目小， 且運動輸入輸 出具有一定解耦性為目標(biāo)，綜合出了一類新型三平移并聯(lián) 機器人機構(gòu)。其中的 3-RRC 型機型，江蘇大學(xué)的馬履中教授、尹小琴等 對其運動學(xué)、 動力學(xué)等特性上進行了深入的研究， 并將其應(yīng)用在多維減振 平臺主體機構(gòu)中。馬履中等還研制一種五自由度并聯(lián)機構(gòu)作為中醫(yī)推拿機 器人。 沈惠平等研制一種新型三維平移并聯(lián)機構(gòu)作為虛擬軸機床、坐標(biāo) 測量機及機器人等的新型實用機型。2.并聯(lián)機器人構(gòu)型設(shè)計原則1、在進行機構(gòu)形式設(shè)計時， 除了要滿足規(guī)定的運動

6、形式、 運動規(guī)律 或運動軌跡外，還應(yīng)該遵循下面幾項準(zhǔn)則 :（l ）機構(gòu)的運動鏈要盡可能的短。 完成同樣的動作要求， 應(yīng)該優(yōu)先選 用機構(gòu)構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)少的機構(gòu)， 以簡化其結(jié)構(gòu)從而減輕重量、 降低成 本、減少由于零件的制造誤差而形成的運動鏈的累積誤差， 運動鏈短有利 于提高機構(gòu)的剛度，減少振動。（2）在運動副的選擇上， 優(yōu)先選用低副。 低副機構(gòu)的運動元素加工方 便，容易保證配合的精度以及有較高的承載能力。（3）適當(dāng)選擇原動機，使機構(gòu)有好的動力學(xué)性能。 2、并聯(lián)機器人的尺度設(shè)計原則 以往，我們在設(shè)計階段為了確定機器人操作手機構(gòu)的尺寸和確定機器 人操作手在工作空間內(nèi)部的位置和姿態(tài)時多數(shù)是靠經(jīng)驗和直覺

7、。 現(xiàn)在，為 了開發(fā)出高精度、 高速度和高效率的并聯(lián)機器人， 我們在機構(gòu)的綜合設(shè)計 時要考慮到它的工作空間的體積和形狀、 奇異位形、輸出的各向同性等條 件。但是，在全局最優(yōu)的機構(gòu)尺度綜合設(shè)計中， 顧全到上述的所有條件是 十分困難的。 國內(nèi)外的學(xué)者提出了許多機構(gòu)綜合的標(biāo)準(zhǔn)， 以便在滿足指定 的設(shè)計指標(biāo)下，機構(gòu)的性能達到最優(yōu)。 由于并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人相比， 工作空間小。 因此為實現(xiàn)作業(yè)要求， 在設(shè)計時要先確定能夠滿足性能指標(biāo) 的工作空間是至關(guān)重要的。另外，在并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計過程中必須要考慮要避免構(gòu)型奇異。 與串聯(lián) 機器人不同的是， 并聯(lián)機器人不僅有運動學(xué)奇異， 還有由構(gòu)型所導(dǎo)致的構(gòu) 型奇異。即奇

8、異區(qū)域通常都擴張到整個工作空間或一些顯著的子空間， 而 且是實際操作中最常用的區(qū)域。 0.M 給出了判定并聯(lián)機構(gòu)發(fā)生構(gòu)型奇異的 條件:（l ）如果動平臺和定平臺是相似的正多邊形，則整個工作空間內(nèi)雅 戈比矩陣都是奇異的 ;（2）如果動平臺和定平臺是相似的非正多邊形，并且每一對相應(yīng)的 頂點通過一條連桿相連， 則雅戈比矩陣在工作空間內(nèi)的大部分區(qū)域都是奇 異的。這種設(shè)計上的奇異的存在， 將使并聯(lián)機器人由于無法平衡施加在動平臺上 的負載而不能工作。 在構(gòu)型奇異附近的區(qū)域， 即使沒有發(fā)生構(gòu)型奇異， 也 有可能出現(xiàn)雅戈比矩陣條件數(shù)很大的情況， 同樣會導(dǎo)致運動和力的傳遞性 能變的很差， 我們稱這種區(qū)域為病態(tài)條

9、件區(qū)域。 因此，進行并聯(lián)機構(gòu)尺度 綜合設(shè)計時必須考慮在滿足工作空間要求、 運動可傳遞性的要求以及負載能力要求的情況下，要避開構(gòu)型奇異點及奇異點附近的病態(tài)區(qū)域3.3-RPS 機構(gòu)圖1-1所示的是一個3自由度的并聯(lián)機構(gòu)，由3支RCS鏈連接一運動平臺和一固 定平臺組成的，因為繞圓柱副軸線的轉(zhuǎn)動是一局部自由度，所以圓柱副也可以用移動 副來倒替，分支等效于RPS支鏈，該機構(gòu)的分支結(jié)構(gòu)是對稱的，因此，這機構(gòu)稱為3-RPS 平臺機構(gòu)，以3個移動副作為輸入。（S是指球面副，球面副允許兩構(gòu)之間具有3個獨 立的，以球心為中心的相對轉(zhuǎn)動，具有 3個自由度；R是指轉(zhuǎn)動副，允許兩構(gòu)件繞公 共軸線作相對轉(zhuǎn)動，描述了兩構(gòu)件

10、之間的空間相對關(guān)系，具有一個自由度； P 是指移 動副，允許兩構(gòu)件沿公共軸線作相對直線移動，具有一個自由度） 。源于軍工需求，將3-RPS并聯(lián)機器人應(yīng)用到火箭發(fā)射裝置中可以改良傳統(tǒng)火箭炮 的平衡，射角，精確度等方面的問題。它的多自由度和便捷的數(shù)字控制方式是多年來 火箭發(fā)射裝置夢寐以求的。由自由度的計算可知， 該機構(gòu)能夠完成兩個方向的回轉(zhuǎn)和一個升降運動。 這一系 列運動都可以通過電機帶動，經(jīng)過三條RPS空間運動鏈的運動，從而促動上平臺的各 種運動姿勢?；剞D(zhuǎn)運動：在這種3-RPS并聯(lián)機器人的機構(gòu)中，下平臺上的電動機帶動絲桿傳 動。該絲桿為滑動絲桿，滑塊的運動能帶動其上的 RSP鏈隨球面副擺動，從而

11、上平臺 繞轉(zhuǎn)動副作回轉(zhuǎn)運動，即有 X與丫兩方向的回轉(zhuǎn)運動。升降運動：三條RPS空間運動鏈的同時伸縮能促動上平臺的升降運動3-RPS圖1-1 3-RPS結(jié)構(gòu)1. 4并聯(lián)機構(gòu)工作空間的分析工作空間(Workplace)：設(shè)給定參考點C是動平臺執(zhí)行器的端點，工作空間是該 端點在空間可以達到的所有點的集合。完全工作空間(Complete workplace ):動平臺上執(zhí)行器端點可從任何方向(位 姿)到達的點的集合。定向工作空間(Constant workplace ):動平臺在固定位姿時執(zhí)行器端點可以到 達的點的集合。最大工作空間(Maximal workplace):動平臺執(zhí)行器端點可到達的點的最

12、大集合， 并考慮其具體位姿。完全工作空間和定向工作空間都是最大工作空間的子集.另外，工作空間是并聯(lián)機構(gòu)的重要特性，影響它的大小和形狀的因素主要有以下 三個： 桿長的限制，桿件長度的變化是受到其結(jié)構(gòu)限制的，每一桿件的長度必須小 于最大桿長，大于最小桿長。 轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)角的限制，各種鉸鏈，包括球鉸接和萬向鉸接的轉(zhuǎn)角都受到結(jié)構(gòu)研 制的，每一鉸鏈的轉(zhuǎn)角都應(yīng)小于最大轉(zhuǎn)角。 桿件的尺寸干涉，連接動平臺和固定平臺的桿件都具有幾何尺寸，因此各桿 件之間在運動過程中可能發(fā)生相互干涉。設(shè)桿件是直徑為 D的圓柱體，兩相 鄰桿件軸線之間的距離為 Di,則Di Do15 設(shè)計簡介與設(shè)計要求本設(shè)計是在3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的內(nèi)部

13、設(shè)置一種平衡機，以使得上平臺運動到任何位 置時，電動推桿上的推力基本相等，給電機的控制創(chuàng)造條件。該平衡機的結(jié)構(gòu)形式應(yīng) 能適應(yīng)機構(gòu)的工作空間。本設(shè)計涉及到機構(gòu)學(xué)、機械傳動、電力拖動與控制等方面。通過設(shè)計工作的訓(xùn)練, 可有效提高畢業(yè)生工程實踐能力。3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的運動范圍為：俯仰土 20,傾側(cè)土 20,升降300伽，載荷1.4T 平衡機要求能抵消總載荷的 70%。16 主要的研究方法和內(nèi)容首先研究電機的機械性能，對3-RPS并聯(lián)機器人進行運動學(xué)描述和受力分析；然 后著重研究如何實現(xiàn)機器的平衡問題，進行專用平衡機總體設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上作詳 細的計算與分析。1了解并聯(lián)機構(gòu)，對已有的3-RPS并聯(lián)機

14、器人的工作空間進行分析；2分析平衡力矩圖，探討平衡方案，選擇平衡機的安裝位置，進行平衡能力計3關(guān)鍵零部件的設(shè)計與計算第二章 平衡機的概念與作用機理在傳統(tǒng)的火箭發(fā)射裝置中，由于其所承載的重量十分沉重，所以在設(shè)計其方向機 和回轉(zhuǎn)機的時候需要考慮平衡承載力矩。由此，平衡機被提出，用來平衡起落部分的 重量對耳軸產(chǎn)生的重力矩。這在傳統(tǒng)的火箭發(fā)射裝置上比較易于實現(xiàn)，但在新提出的 3-RPS并聯(lián)機器人中，為了避免上平臺越過其極限位置和 RPS連桿在伸縮時承受到太 大的重力矩。需要在上下平臺間設(shè)計一個平衡機， 在上下平臺間提供一個推力或拉力， 從而提供對RPS連桿的平衡力矩，用以平衡伸縮時對連桿的重力矩，這就

15、需要重新考 慮其平衡機的設(shè)計了。平衡機的作用就是對起落部分提供一個力（推力或拉力） ，此力對鉸接點之矩稱 為平衡力矩，它與俯仰部分的重力矩大小相近，方向相反，以此來減小驅(qū)動RPS連桿的電機產(chǎn)生的力，同時消除撞擊現(xiàn)象。2.1 對平衡機的要求對平衡機的主要要求是平衡性要好。由于重力矩是隨俯仰角的大小而變化的，所 以平衡機提供的平衡力矩也應(yīng)作相應(yīng)的變化。這樣才能使平衡機的平衡性能好，保證 仰角時輕便，俯角時平穩(wěn)。此外，對平衡機的要求還有結(jié)構(gòu)要簡單，重量要輕，工作 可靠，拆裝方便，制造容易等。2.2 平衡機的分類平衡機按平衡力的方向來分，可以分為推式和拉式兩種。對于推式平衡機，平衡 機對俯仰部分的推力

16、作用在鉸接點的前方。對于拉式平衡機，當(dāng)其拉力作用在鉸接點 前方時稱為上拉式， 當(dāng)其拉力作用在鉸接點后方時稱為下拉式。 推式平衡機結(jié)構(gòu)簡單， 布置容易，但配置位置較暴露，易受損傷，一般用在最大仰角小于 60的裝置上。下 拉式平衡機配置較隱蔽，結(jié)構(gòu)緊湊，但不易布置，一般用于仰角大于60的裝置上。平衡機按彈性元件種類分，有彈簧式和氣壓式。彈簧式平衡機又分為圓柱螺旋彈 簧式和扭力式。螺旋彈簧按其截面不同又有圓截面和矩形截面兩種。扭力式又扭筒 - 扭桿式和疊板扭桿式之分。氣壓式平衡機是利用氣體來作為彈性元件的，平衡機內(nèi)充 有數(shù)十個氣壓的空氣或氮氣，用液體密封，其液量須保證在任何俯仰角時液體都能蓋住緊塞具

17、。有的為了防止液體流入內(nèi)筒，在內(nèi)筒上部焊有細管，這樣可以充分利用內(nèi) 筒空間，減小平衡機體積。平衡機外筒上的注氣器，不應(yīng)被其它機構(gòu)遮蔽，并應(yīng)保證 在任何狀態(tài)時注氣孔均在液面之下。氣壓式平衡機與彈簧式平衡機相比，結(jié)構(gòu)可以做 得非常緊湊，體積小，重量輕，氣壓的調(diào)整也很簡單。為了防止氣體的泄漏，通常是 利用液體來密封，而液體又靠緊塞裝置來密封。所以緊塞裝置的摩擦力的大小對平衡 機影響較大，而且氣壓式平衡機對加工精度要求較高。2.3 一種特別的平衡機考慮到平衡機是安裝到并聯(lián)機器人上，所以合理的選擇其最佳位置是極其重要的。對其性能而言，平衡機起到的輔助作用十分大，但若安裝不當(dāng)，就不會產(chǎn)生理想 的效果，相反

18、，還會引起不必要的許多問題。有一種新型的3-RPS并聯(lián)機器人，它所采用的平衡裝置別具一格，安裝位置非常獨特（如圖1-2 ）。圖1-2 3-RPS機構(gòu)及其平衡機它采用交叉式立體平衡機，對并聯(lián)機構(gòu)的運動性能帶來了很大的改善。其中，它 加強了機構(gòu)的升降、俯仰這兩方向上自由度的運動，能準(zhǔn)確、快捷地提供機構(gòu)所需的 平衡力矩，但是在傾側(cè)的時候，它不能和其他兩方向上一樣提供合適的平衡力矩。本 課題將繼續(xù)研究該種平衡機的具體設(shè)計方案。第三章機電傳動系統(tǒng)機電傳動系統(tǒng)里，電動機與生產(chǎn)機械連成一體，為了使系統(tǒng)運行合理，就要 使電動機的機械特性與生產(chǎn)機械的機械特性盡量相配合。特性配合好的一個起碼 要求就是系統(tǒng)要能穩(wěn)定

19、運行。機電傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行包含兩重含義：一是系統(tǒng)應(yīng)能以一定速度勻速運 轉(zhuǎn)，二是系統(tǒng)受某種外部干擾(如電壓波動、負載轉(zhuǎn)矩波動等)而使運行速度稍有 變化時，應(yīng)保證在干擾消除后系統(tǒng)能恢復(fù)到原來的運行速度。由分析可知，機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要充分條件是：電動機和生產(chǎn)機械的機械特性曲線 n=f(T m)和n= f(T l)有交點(即拖動系 統(tǒng)的平衡點)；d2 -1.6再由公式d _1 知，4 _1 .2:82 川衛(wèi) 6 0 0m6m . 4.187 1.4 103 8680:7.1mm。6.1.2計算簧圈直徑彈簧圈內(nèi)徑 D1=D-d1=Cd1-d1= (6-1 )* 6.4=32mm D2=D-d2

20、=C2d2-d2= (8-1 )* 7.1=49.7mm。彈簧圈外徑 0=D+d1=Cd1+d1= ( 6+1 )* 6.4=44.8 ，D2=D+d2=Cd2+d2= (8+1 )* 7.1=63.9mm。6.1.3計算彈簧圈數(shù)選取=9N/mm& =11N/mm 則 n1繆1 ,二 |_ 33 (梳狀六根)，n2Gd 28C23K28C1 K18 匯 6 匯 9800。0 7.1 L 13 (梳狀五根)8 83 116.2驗算平衡力1. 上平臺加載1.4t,從中間位置上升150伽。F16K1 Xi=6 9 116.6 =6296.4NF2,=5K2A%二 6296.4 =5 11 X2 ：

21、XL 114.5mm2 6296.4Sin52.1 =9936.8N實際抵消9936衛(wèi)100% L 71%140002. 上平臺加載1.4t,從中間位置下降150伽。F： =6心厶X =6 9 241.9 =13062.6 N，”一 13062.6F2 - F1 -5 K2茨二 X2 =237.5mm5 1113062.6 2Sin(90 -49.8) =16862.7N實際抵消 16862.7 100% L 120%140003. 平衡機上平臺處于中間位置加載1.4t，右端上仰20 。HlIF1 6K1 X =6 9 206.6 =11156.4NF2 5K2 X2=5 11 249.3 =

22、13711.5NF1 Sin40 F2 Sin60 L 19045.7N實際抵消 19045.7 100% L 136%140004. 平衡機上平臺處于中間位置加載1.4t，右端向上傾側(cè)20F X =9 556.8 =5011.2N6FCos10 =6 5011.2 Cos10 = 29610.4N實際抵消 29610.4 100%L 211.5%14000參考文獻1. 鄧星鐘，周祖德，鄧堅.機電傳動控制.華中理工大學(xué)出版社；2. 黃真，孔令富，方躍法并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制北京：機械工業(yè)出 版社，1997；3. 吳秉賢，嚴(yán)世澤，龔龍興火箭發(fā)射裝置機構(gòu)分析國防工業(yè)出版社，1988.7 ；4.

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