三自由度并聯(lián)機(jī)械手的設(shè)計(jì)

1、 學(xué)號(hào)： 密級(jí)： 武漢東湖學(xué)院本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))三自由度并聯(lián)機(jī)械手的設(shè)計(jì) 院(系)名 稱(chēng)：機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師: 二一六年五月六日歡迎下載嚴(yán)峻聲明我嚴(yán)峻聲明：本人恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)，所呈交的學(xué)術(shù)論文是本人在老師的指導(dǎo)下 ，獨(dú)立進(jìn)行爭(zhēng)辯工作所取得的結(jié)果。除文中明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫(xiě)過(guò)得內(nèi)容。論文為本人親自撰寫(xiě)，并對(duì)所寫(xiě)內(nèi)容負(fù)責(zé) 。 本人簽名： 日 期：2016年5月7號(hào)歡迎下載摘 要 隨著機(jī)器人技術(shù)的快速進(jìn)展，并聯(lián)機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，已成為當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域新的爭(zhēng)辯熱點(diǎn)。針對(duì)并聯(lián)機(jī)

2、械手機(jī)構(gòu)比傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)械手更簡(jiǎn)單的問(wèn)題，本文以一種輕型高速的三自由度Delta 并聯(lián)機(jī)械手為例，在完成其運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，對(duì)并聯(lián)機(jī)械手進(jìn)行了建模以及裝配。 首先，本文介紹了三自由度并聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作原理，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。其中，對(duì)機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行的計(jì)算，接受幾何法求得了其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解以及其運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。其次，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了速度模型及雅克比矩陣的分析。實(shí)現(xiàn)了solidworks對(duì)機(jī)構(gòu)的零部件與裝配圖三維建模。最終，通過(guò)個(gè)零部件的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了三自由度并聯(lián)機(jī)械手的裝配。關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)械手；三自由度；3D建模 ABSTRACT With the rapid development of robot te

3、chnology, parallel manipulator used more and more widely, has become the hot spot in the field of new robots today. In view of the parallel manipulator mechanism more complex than the traditional serial manipulator problem, based on a lightweight high-speed three degree of freedom parallel manipulat

4、or as an example, the Delta at the completion of its kinematics, on the basis of the parallel manipulator has carried on the modeling and assembly. First, this paper introduces the working principle of three degrees of freedom parallel manipulator mechanism, and carries on the kinematics analysis. A

5、mong them, the institution of degree of freedom for the calculation of geometric method is used to obtain the positive kinematics solution and its inverse kinematics solution. Second, the institutions for the velocity model and the Jacobi matrix analysis. Implements the solidworks for spare parts an

6、d assembly drawing 3 d modeling of the organization. Finally, by a spare parts, implements the three degree of freedom parallel manipulator assembly. Keywords: Parallel manipulator；Three degrees of freedom；3D modeling歡迎下載名目 摘要.I ABSTRACT.II第1章 引言.1 1.1 課題背景.1 1.2 課題目的及意義.1 1.3 課題爭(zhēng)辯內(nèi)容.1 第2章 并聯(lián)機(jī)械手的概述.

7、3 2.1 關(guān)于并聯(lián)機(jī)械手.3 2.1.1 并聯(lián)機(jī)械手的定義與特點(diǎn).3 2.1.2 并聯(lián)機(jī)械手的爭(zhēng)辯現(xiàn)狀.4 2.2 并聯(lián)機(jī)械手的工業(yè)應(yīng)用.5 2.3 本章小結(jié).6 第3章 三自由度并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.7 3.1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介.7 3.2 自由度分析.7 3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.8 3.3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解.9 3.3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解.9 3.3.3 速度模型及雅克比矩陣.123.4 本章小結(jié).13 第4章 并聯(lián)機(jī)械手的建模與裝配.14 4.1 三維建模軟件solidworks簡(jiǎn)介.14 4.2 并聯(lián)機(jī)械手的三維建模.144.3 并聯(lián)機(jī)械手零件實(shí)體造型.14 4.4 并聯(lián)機(jī)械手裝配.16 4.5本章

8、小結(jié).17 歡迎下載 總 結(jié).,.18 參考文獻(xiàn).19 致 謝.20 附 錄.21 歡迎下載第1章 引言1.1課題背景 翻開(kāi)整個(gè)人類(lèi)的歷史，就會(huì)發(fā)覺(jué)這是一部不斷生疏世界、改造世界的進(jìn)展歷史，一部伴隨生產(chǎn)工具不斷提高的生產(chǎn)力進(jìn)步史。18世紀(jì)中葉，英國(guó)人瓦特創(chuàng)造了蒸汽機(jī)是工業(yè)革命的象征，也是人類(lèi)從體力勞動(dòng)到動(dòng)態(tài)機(jī)械制造變化的一次重大飛躍。20 世紀(jì)中葉之后，已開(kāi)頭消滅高度自動(dòng)化的機(jī)械設(shè)備，但由于市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，只有制造出既能不斷轉(zhuǎn)變產(chǎn)品適應(yīng)市場(chǎng)需要，又能具備高效的自動(dòng)化生產(chǎn)力量的柔性自動(dòng)化系統(tǒng)才能滿足當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)環(huán)境。在這種狀況下，人類(lèi)的長(zhǎng)幻想機(jī)器人消滅在歷史性時(shí)刻。 自世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)

9、，機(jī)器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域，如航空航海、汽車(chē)及汽車(chē)零部件、加工制造、食品工業(yè)、醫(yī)療器械、消遣設(shè)施等領(lǐng)域。其中，弧焊機(jī)器人，點(diǎn)焊分布機(jī)器人，焊接機(jī)器人，裝配機(jī)器人，噴漆機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線被廣泛接受，它大大降低了人類(lèi)的勞動(dòng)強(qiáng)度，也大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。1.2課題目的及意義 并聯(lián)機(jī)器人是一種空間多環(huán)結(jié)構(gòu)，其表現(xiàn)出剛度大、慣量低、精度高、負(fù)重比大、動(dòng)力性能好以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，這恰好彌補(bǔ)了串聯(lián)機(jī)器人在這些方面的不足，擴(kuò)寬了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，因而得到了機(jī)器人領(lǐng)域各學(xué)者的廣泛關(guān)注并成為機(jī)器人領(lǐng)域新的爭(zhēng)辯熱點(diǎn)。在各行各業(yè)中普遍存在的，由人工來(lái)完成的諸如抓取

10、、分揀以及包裝等大量的重復(fù)性高強(qiáng)度操作，通常此類(lèi)操作只需三個(gè)自由度。因此三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)空間上三個(gè)方向平動(dòng)方面受到極大的關(guān)注。具有三個(gè)平動(dòng)自由度的高速并聯(lián)機(jī)械手以其高速的特性較好的滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需求，同時(shí)避開(kāi)了人工操作給產(chǎn)品造成的不同程度污染。在這類(lèi)高速并聯(lián)機(jī)械手當(dāng)中最具有代表性的當(dāng)屬三自由度 Delta 機(jī)構(gòu)，它是由 R. Clavel 博士于 1985 年創(chuàng)造的，目前被廣泛地應(yīng)用在食品包裝、電子半導(dǎo)體、醫(yī)療等行業(yè)。1.3課題爭(zhēng)辯內(nèi)容 高速并聯(lián)機(jī)構(gòu)自Delta機(jī)構(gòu)創(chuàng)造以來(lái)，取得了長(zhǎng)期穩(wěn)定的進(jìn)展，在醫(yī)藥、電子、食品等生產(chǎn)線的后包裝領(lǐng)域取得了重要應(yīng)用。這種設(shè)計(jì)在該行業(yè)的應(yīng)用包裝生產(chǎn)線，不

11、僅實(shí)現(xiàn)了快速處理和包裝材料，而且實(shí)現(xiàn)位置放材料，在很大程度上提高生產(chǎn)效率，節(jié)省勞動(dòng)成本。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)展，生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化趨勢(shì)將漸漸顯露，對(duì)于生產(chǎn)效率的追求也必將越來(lái)越明顯。所以，該類(lèi)應(yīng)用型機(jī)械的開(kāi)發(fā)在將來(lái)將具備強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 本文分析了三自由度并聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作原理，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。其中，通過(guò)解析法獲得了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，并由幾何法求得了其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。實(shí)現(xiàn)solidworks建立模型并且對(duì)零件的裝配。 第2章 并聯(lián)機(jī)械手的概述2.1關(guān)于并聯(lián)機(jī)械手2.1.1 并聯(lián)機(jī)械手的定義及特點(diǎn)傳統(tǒng)意義的工業(yè)機(jī)械手一般都是串聯(lián)機(jī)構(gòu)，即開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)，串聯(lián)機(jī)構(gòu)在其末端執(zhí)行器與基座之間只有唯一的一

12、條運(yùn)動(dòng)鏈。與串聯(lián)機(jī)構(gòu)比較，并聯(lián)機(jī)械手的末端執(zhí)行器是通過(guò)至少兩條運(yùn)動(dòng)鏈與基座相連接的，并且每一條運(yùn)動(dòng)鏈都是唯一的移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)。比較典型的并聯(lián)機(jī)械手，如圖 2.1 所示。綜上所述，可以對(duì)并聯(lián)機(jī)械手作以下定義：末端執(zhí)行器（動(dòng)平臺(tái)）通過(guò)至少兩條運(yùn)動(dòng)鏈聯(lián)接基座（靜平臺(tái)），并具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)，又稱(chēng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下面圖 2.2 。 圖2.1 經(jīng)典并聯(lián)機(jī)械手示意圖 圖2.2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)示意圖和傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)目相對(duì)較少，而且都是一些常見(jiàn)通用的零部件，如虎克鉸、球鉸、滾珠絲杠、伺服電機(jī)、伸縮桿件等零部件。由于這些通用的零部件可由專(zhuān)業(yè)的生產(chǎn)商模塊化大規(guī)模制

13、造，因此，其具有性能高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于并聯(lián)機(jī)械手的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)格外有利。 除了上述所描述在結(jié)構(gòu)上的突出特點(diǎn)以外，并聯(lián)機(jī)械手在實(shí)際應(yīng)用中還有其他更多的優(yōu)勢(shì)，主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）負(fù)重比大。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的每條運(yùn)動(dòng)鏈都要承受載荷，因此，在相同的自重狀況下，并聯(lián)機(jī)構(gòu)較串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有更大的承載力量。（2）剛度大。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的每條運(yùn)動(dòng)鏈可以共享載荷，同時(shí)大多數(shù)狀況下可以設(shè)計(jì)其只承受拉成僅受拉力與壓力載荷。高的剛度使得每條運(yùn)動(dòng)鏈上的變形都微小，確保了并聯(lián)機(jī)構(gòu)上末端執(zhí)行器的位置精度。（3）慣量低。大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器直接固定在基座上，如伺服電機(jī)是直接固定在機(jī)架上的，因此并聯(lián)機(jī)構(gòu)中需要運(yùn)動(dòng)的零部件質(zhì)量較小。（4）動(dòng)態(tài)性能好。并聯(lián)

14、機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)零部件慣性低，質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)。（5）運(yùn)動(dòng)精度高。并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的誤差是由各條運(yùn)動(dòng)鏈均分的，不像串聯(lián)機(jī)構(gòu)的誤差主要來(lái)自各個(gè)關(guān)節(jié)誤差的累積。因此，并聯(lián)機(jī)構(gòu)誤差相對(duì)較小并保證了運(yùn)動(dòng)精度。（6）成本低。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的大多數(shù)零部件都是標(biāo)準(zhǔn)件。 當(dāng)然并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為一種新型機(jī)構(gòu)，也有其自身的不足，比如，由于結(jié)構(gòu)的緣由，它的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)就比較小。綜上分析，并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)之間形成了鮮亮的對(duì)比。串聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)通常都成為了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，相反地，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)很多又恰好是串聯(lián)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)。它們之間的這種關(guān)系，有的學(xué)者將其稱(chēng)為串聯(lián)并聯(lián)間的“對(duì)偶”關(guān)系，并以這種“對(duì)偶”關(guān)系為切入點(diǎn)，來(lái)進(jìn)一步的深化爭(zhēng)辯串聯(lián)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)，

15、現(xiàn)將它們之間的特點(diǎn)比較如表2.1所示。表2.1 并聯(lián)與串聯(lián)機(jī)械手性能比較比較內(nèi)容并聯(lián)機(jī)械手串聯(lián)機(jī)械手精度高低工作空間小大剛度高低慣性小大速度高低運(yùn)動(dòng)學(xué)正解困難簡(jiǎn)潔運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解簡(jiǎn)潔困難動(dòng)力學(xué)格外簡(jiǎn)單比較簡(jiǎn)單2.1.2 并聯(lián)機(jī)械手的爭(zhēng)辯現(xiàn)狀隨著近幾年并聯(lián)機(jī)構(gòu)的爭(zhēng)辯熱潮，針對(duì)其各方面特性的爭(zhēng)辯也隨之開(kāi)放。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于并聯(lián)機(jī)械手的爭(zhēng)辯主要集中在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解與分析、動(dòng)力學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定、把握策略爭(zhēng)辯等方面。并聯(lián)機(jī)械手的性能從根本上取決于其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。至今為止，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)爭(zhēng)辯出多種對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合爭(zhēng)辯的方法，主要有群論方法、圖論方法、單開(kāi)鏈法以及螺旋理論。2.2并聯(lián)機(jī)械手的工業(yè)應(yīng)用 隨著并聯(lián)

16、機(jī)械手爭(zhēng)辯的一步步進(jìn)展與深化，其應(yīng)用領(lǐng)域也延長(zhǎng)到人類(lèi)生產(chǎn)與生活的各個(gè)方面，越來(lái)越廣泛，目前其主要應(yīng)用集中在以下兩個(gè)方面。 在運(yùn)動(dòng)模擬器方面，早在 1928 年，Gwinnett 就設(shè)計(jì)了接受球形并聯(lián)機(jī)構(gòu)的消遣裝置，如圖 2.3 所示。雖然該裝置沒(méi)有能制造出來(lái)，但其卻是有史以來(lái)第一個(gè)被記錄在案的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。1962 年 Gough 創(chuàng)造了基于六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)了輪胎檢測(cè)裝置，如圖 2.4 所示。之后Stewart對(duì)Gough創(chuàng)造的這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的爭(zhēng)辯，并成功把并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于飛行模擬器。Gough 與Stewart 在并聯(lián)機(jī)構(gòu)爭(zhēng)辯領(lǐng)域做出杰出的貢獻(xiàn)，為后面爭(zhēng)辯并聯(lián)機(jī)

17、構(gòu)供應(yīng)了理論的依據(jù)，為了紀(jì)念他們的成果，把六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)稱(chēng)為“Gough 平臺(tái)”或“Stewart 平臺(tái)”。美國(guó) Air Bus A320 創(chuàng)造的飛行運(yùn)動(dòng)模擬器如圖 2.5 所示。由于飛行模擬器在培訓(xùn)飛行員上面的成功應(yīng)用，很快就被推廣到了汽車(chē)、船舶、坦克的駕駛員培訓(xùn)與動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)中。同時(shí)，也被廣泛應(yīng)用在公眾消遣設(shè)施上，如玩耍動(dòng)感椅，如圖2.6所示。 圖2.3 Gwinnett的消遣并聯(lián)結(jié)構(gòu) 圖2.4 Gough輪胎檢測(cè)裝置 圖2.5 A320飛行模擬器 圖2.6 玩耍動(dòng)感椅 在操作器方面，最早是在1978 年，澳大利亞Hunt首次提出可以把并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)器人操作器上面的思想，最終成功實(shí)現(xiàn)了

18、，從而拉開(kāi)了并聯(lián)機(jī)器人爭(zhēng)辯的序幕。1979 年，McCallion等人將并聯(lián)機(jī)構(gòu)成功應(yīng)用于裝配機(jī)器人上，進(jìn)一步推動(dòng)了機(jī)器人的進(jìn)展，因而制造出了首臺(tái)真正意義的并聯(lián)機(jī)器人。1991 年，燕山高校黃真教授研制出了我們國(guó)家的第一臺(tái)六自由度并聯(lián)機(jī)器人。并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為操作器的另一典型應(yīng)用就是并聯(lián)機(jī)床。1994 年，在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上，美國(guó)Giddings & Lewis公司和Ingersoll公司展出了史無(wú)前例的兩臺(tái)并聯(lián)機(jī)床。同時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)也用做宇宙飛船或潛艇救援中對(duì)接器的對(duì)接機(jī)構(gòu)。 此外，并聯(lián)機(jī)構(gòu)可廣泛用于醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、微動(dòng)機(jī)構(gòu)、飛船對(duì)接機(jī)構(gòu)等各方面。對(duì)于工作環(huán)境簡(jiǎn)單難度大的地下工程，比如

19、土方挖掘、煤礦開(kāi)采，都可以接受這種高效有用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。2.3本章小結(jié) 本章主要介紹本課題的爭(zhēng)辯背景及意義，然后具體調(diào)研了并聯(lián)機(jī)械手的爭(zhēng)辯，舉例講解了一些工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀以及進(jìn)展史。第3章 三自由度并聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 通常，并聯(lián)機(jī)械手是由多條的運(yùn)動(dòng)鏈組成的閉環(huán)機(jī)構(gòu)，所以，并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能與把握都顯得格外簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)械手存在著本質(zhì)的區(qū)分。首先，由于多條運(yùn)動(dòng)鏈的存在，本身就使得并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析格外簡(jiǎn)單，若在其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上再實(shí)現(xiàn)工作空間等的分析就更加困難了。另外，由于多條運(yùn)動(dòng)鏈所產(chǎn)生的閉鏈約束存在，使得并聯(lián)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型為簡(jiǎn)單的非線性系統(tǒng)，如此更加大了在基于動(dòng)力學(xué)模型的把握器

20、設(shè)計(jì)的難度。正因如此，本章將以三自由度Delta并聯(lián)機(jī)械手為爭(zhēng)辯對(duì)象，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解、逆解問(wèn)題分析，旨在為后文的把握系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析供應(yīng)必要的理論依據(jù)。3.1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 三自由度并聯(lián)機(jī)械手的主要零部件有很多，如靜平臺(tái)，吸盤(pán)，動(dòng)平臺(tái)，3個(gè)主動(dòng)臂，3個(gè)從動(dòng)臂等。通過(guò)3條軸對(duì)稱(chēng)均勻分布的運(yùn)動(dòng)鏈的對(duì)應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)了靜平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)的連通，同時(shí)每條運(yùn)動(dòng)鏈都是由一個(gè)主動(dòng)臂和一個(gè)從動(dòng)臂組成。其中，從動(dòng)臂是閉環(huán)機(jī)構(gòu)，由4個(gè)球形副和桿件組成，并且使閉環(huán)機(jī)構(gòu)直接與主動(dòng)臂串聯(lián)固定。因此，通過(guò)把握伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)在空間內(nèi)的三自由度運(yùn)動(dòng)。 如下圖所示。 圖3.1 機(jī)械手模型 圖3.2 機(jī)械手各零件名稱(chēng)

21、3.2 自由度分析 空間中任意不受任何約束的剛體都具有3個(gè)平動(dòng)自由度與3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，總共有6個(gè)自由度。但當(dāng)這些剛體通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接組成機(jī)構(gòu)后，由于它們之間的相互約束，其自由度自然而然會(huì)隨之削減?？臻g機(jī)構(gòu)可以分為開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)和閉環(huán)機(jī)構(gòu)，其中閉環(huán)機(jī)構(gòu)又可以依據(jù)閉環(huán)數(shù)目分為單閉環(huán)機(jī)構(gòu)和多閉環(huán)機(jī)構(gòu)，另外還有一種混合機(jī)構(gòu)，也就是開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)與閉環(huán)機(jī)構(gòu)的混合。由于開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)潔，這里主要描述下閉環(huán)機(jī)構(gòu)的自由度問(wèn)題。 目前，機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域在計(jì)算空間閉環(huán)機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，主要接受的是經(jīng)典的Kutzbach Grubler公式： （3.1）式中，M 為機(jī)構(gòu)的自由度，n為機(jī)構(gòu)總的構(gòu)件個(gè)數(shù)，g 為總的運(yùn)動(dòng)副個(gè)數(shù)，fi

22、為第 i 個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度個(gè)數(shù)。 通過(guò)分析，三自由度Delta并聯(lián)機(jī)械手的從動(dòng)臂中兩球面副之間的連桿可以繞自身軸旋轉(zhuǎn)，因此可得出一結(jié)論，此并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有局部冗余自由度。為了消退局部冗余自由度的影響，可以考慮將每一個(gè)從動(dòng)臂中的四個(gè)球面副中的兩個(gè)當(dāng)成虎克鉸，再依據(jù)式（3.1）來(lái)計(jì)算該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度個(gè)數(shù)。由圖3.1可知，可得n =11，g =15，由圖得該機(jī)構(gòu)具有3個(gè)自由度的球面副有6個(gè)，具有2個(gè)自由度的虎克鉸有6個(gè)，具有1個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)副有3個(gè)，所以該機(jī)構(gòu)的自由度M=6×（11-15-1）+33=3。3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖3.3 并聯(lián)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析之前，首先建立如上圖所示

23、的坐標(biāo)系。基座以O(shè)為中心，并在基座上建立以O(shè)為原點(diǎn)的靜坐標(biāo)系 O -XYZ，其中OY 垂直于A1A2， OZ 垂直于平面A1A2A3；末端執(zhí)行器以 O'為中心，并在末端執(zhí)行器上建立以 O'為原點(diǎn)的動(dòng)坐標(biāo)系 O-X YZ，其中 O 'Y '垂直于C1 C2，O 'Z '垂直于平面C1C2C3。同時(shí)，兩坐標(biāo)系的建立都滿足右手法則。 設(shè)基座中心O到主動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)中心的距離，末端執(zhí)行器中心O'與的距離，主動(dòng)臂長(zhǎng)為，從動(dòng)臂長(zhǎng)為，其中i=1，2，3。主動(dòng)臂與基座平面的夾角為。3.3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解本文設(shè)定三自由度 Delta 并聯(lián)機(jī)械手相關(guān)的尺寸參數(shù)分別為

24、 R=150mm，r =50mm， La=300mm，Lb=800mm，在其運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)給定末端執(zhí)行器中心的空間位置即可得到主動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，依據(jù)以上計(jì)算所得的計(jì)算公式，在 MATLAB平臺(tái)下編寫(xiě)該并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解函數(shù)即可求解。為此，給出幾個(gè)典型位置的逆解算例如下：表3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算例末端執(zhí)行器位置（mm）三個(gè)主動(dòng)臂轉(zhuǎn)角（°）（100，100，-700）（-10.8265，8.0042，14.6336）（100，-100，-700）（0.0979，18.3292，-6.8371）（-100，-100，-700）（18.3292，0.0979，-6.8371）（-100，100

25、，-700）（8.0042，-10.8265，14.6336）（200，200，-600）（-40.4771，2.9342，17.9919）（200，-200，-600）（-15.9929，25.7402，-32.0190）（-200，-200，-600）（25.7402，-15.9929，-32.0190）（-200，200，-600）（2.9342，-40.4771。17.9919）3.3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 對(duì)于三自由度 Delta 并聯(lián)機(jī)械手而言，其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解就是在已知主動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的狀況下，求得末端執(zhí)行器位姿。相對(duì)于串聯(lián)機(jī)械手正解簡(jiǎn)潔的特性，求解并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解往往格外困難，一般

26、都難以得到其解析解，通常是直接接受數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)求得運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。目前，也有學(xué)者提出了接受冗余傳感器的方法來(lái)獵取額外的關(guān)節(jié)信息，從而降低在進(jìn)行并聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正解時(shí)所消滅的問(wèn)題難度。實(shí)際上，該方法不僅可以有效掛念爭(zhēng)辯人員得到并聯(lián)機(jī)械手的解析解，還可以加快求解速度，并且還可以使得關(guān)節(jié)位置誤差最小化從而提高求解精度。 由于三自由度 Delta 并聯(lián)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)的特殊結(jié)構(gòu)形式，因此接受空間解析幾何的方法求其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的解析解相對(duì)比較簡(jiǎn)潔，如圖3.4所示。將分別沿Ci O平移交基座中心O點(diǎn)處，其中Bi點(diǎn)沿向量 Ci O平移后的點(diǎn)為Pi。當(dāng)給定三個(gè)主動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角1，2，3，格外簡(jiǎn)潔求得點(diǎn)P1，P

27、2，P3三點(diǎn)的坐標(biāo)。由平行四邊形的性質(zhì)可知 PiO與從動(dòng)臂的長(zhǎng)度相等，即Pi O=Lb，因此該 Delta 三自由度并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解問(wèn)題可以等效為：已知三棱椎的三頂點(diǎn) Pi(i=1,2,3)的坐標(biāo)與全部棱邊的長(zhǎng)度，求三棱錐O-P1P2P3中頂點(diǎn)O'的坐標(biāo)問(wèn)題。圖3.4幾何法正解求解示意圖得到點(diǎn)Pi 的坐標(biāo)如下： （3.2）分別將=，=，=代入式(3.2)中，即可分別得到，三點(diǎn)的坐標(biāo)，并通過(guò)兩點(diǎn)間的距離公式可以求得，的長(zhǎng)度。這里令三邊長(zhǎng)度分別為a，b ，c。K 為三棱錐棱邊的中點(diǎn)， H 為頂點(diǎn)O'到底面三角形的垂足，由空間幾何學(xué)問(wèn)可知底面垂心 H 即為底面三角形外接圓圓心。

28、由平面幾何學(xué)問(wèn)可知的長(zhǎng)度即為底面三角形外接圓半徑p： P=H = （3.3）其中s=，其中，由向量相關(guān)運(yùn)算可知： （3.4）由該式可知，求得向量OH和H O'即可求得機(jī)械手末端執(zhí)行器中心O'坐標(biāo)。（1） 為了求解向量OH ，由向量相關(guān)運(yùn)算可得： （3.5）又由于K 為中點(diǎn)，則有HK 垂直于，故可求得向量 OK ： （3.6）又由于任意一個(gè)向量都可以用其模與同方向的單位向量來(lái)表示，那么向量KH 即可求得：KH=其中有：， 聯(lián)立（3.5），（3.6）可求解向量OH。同理可得HO'HO'=其中有：，。如此，便可將所求得的向量OH 和HO 代入上式中，則可得到向量 OO

29、 '，即得到機(jī)械手末端執(zhí)行器中心O'的坐標(biāo)，因此通過(guò)空間幾何法可在給定該并聯(lián)機(jī)械手主動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的狀況下，求得末端執(zhí)行器位姿的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解問(wèn)題。3.3.3 速度模型與雅克比矩陣 為了得到三自由度 Delta 并聯(lián)機(jī)械手的雅克比矩陣，本文首先來(lái)分析并聯(lián)機(jī)械手的輸入速度與輸出速度的關(guān)系式，也就是速度模型。一般而言，機(jī)械手的速度模型可以用如下公式（3.6）表示： （3.7）其中，v為機(jī)械手末端執(zhí)行器的輸出速度，q為機(jī)械手關(guān)節(jié)的輸入速度，W（q）為雅克比矩陣。通常，一般的六自由度并聯(lián)機(jī)械手的雅克比矩陣為 6×6的矩陣形式，以此來(lái)表示機(jī)械手末端執(zhí)行器的角速度及線速度與機(jī)械手上的

30、六個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)速度的線性變換關(guān)系。該并聯(lián)機(jī)械手主動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度（輸入量）與末端執(zhí)行器的位姿（輸出量）間的函數(shù)關(guān)系，又設(shè)主動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度1，2，3和末端執(zhí)行器的位姿 x ，y，z均為時(shí)間t的函數(shù)，分別將上式中的 3 個(gè)等式對(duì)時(shí)間t 求導(dǎo)，整理成矩陣形式即可得： （3.8）其中與的值分別如下可得 （3.9） （3.10） （3.11） （3.12）對(duì)方程3.8兩邊乘以系數(shù)矩陣的逆，即可得 （3.13）其中有： ， （3.14）所以3.13可以化簡(jiǎn)為：由上式分析可得，我爭(zhēng)辯的三自由度并聯(lián)機(jī)械手末端執(zhí)行器的輸出速度可表示為，主動(dòng)臂輸入轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可表示為，由此可求得該機(jī)械手的雅克比矩陣。3.4 本章小結(jié)

31、本章首先對(duì)三自由度Delta并聯(lián)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，描述了其工作原理。然后，對(duì)該并聯(lián)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。其中，簡(jiǎn)潔介紹了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，而其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解則由幾何法解得，對(duì)速度模型與雅克比矩陣的簡(jiǎn)潔分析。第4章 并聯(lián)機(jī)械手的建模與裝配4.1 三維建模軟件solidworks簡(jiǎn)介 SolidWorks是一種三維建模軟件，特地負(fù)責(zé)研發(fā)與銷(xiāo)售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。Solidworks適合機(jī)械設(shè)計(jì)，里面有鈑金設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)。SolidWorks軟件是一款功能強(qiáng)大且易學(xué)易用，同時(shí)高效創(chuàng)新的三維CAD系統(tǒng)。在機(jī)械設(shè)計(jì)快速、有力、高效的三維設(shè)計(jì)方面，Solidworks具有很大的優(yōu)勢(shì)。在一些工程圖上

32、可以實(shí)現(xiàn)三維建模，可以直觀形象的表示零部件圖以及一些組裝圖。在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的使用。 Solidworks軟件世界上第一個(gè)基于Windows的三維CAD畫(huà)圖軟件。在所以三維畫(huà)圖軟件里，只有Solidworks可以供應(yīng)一套完整的動(dòng)態(tài)界面與鼠標(biāo)拖動(dòng)。在配置管理方面，Solidworks涉及到零件圖、裝配設(shè)計(jì)、裝配圖。Solidworks可以與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同工作。同時(shí)可以制工程圖，可以進(jìn)行零件建模，可以進(jìn)行曲面建模等功能。并且，Solidworks軟件還能讓更多的開(kāi)發(fā)人員同時(shí)參與到機(jī)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)任務(wù)中，真正實(shí)現(xiàn)所謂的并行工程。目前，Solidworks軟件已在航空航天、船舶、汽車(chē)、工程機(jī)械、家電、模具

33、等各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。4.2 并聯(lián)機(jī)械手的三維建模 本文所爭(zhēng)辯的三自由度并聯(lián)機(jī)械手的建模過(guò)程主要分為三大步驟：（1）完成并聯(lián)機(jī)械手各零部件的設(shè)計(jì)，即實(shí)體造型；（2）完成并聯(lián)機(jī)械手的總裝配；（3）由于該三自由度并聯(lián)機(jī)械手的零部件還比較簡(jiǎn)單，為了提高工作效率且更好管理零部件，在建模工作中要留意以下兩點(diǎn)事項(xiàng)。第一，在建立三維模型前，設(shè)定好工作名目，并為每個(gè)零部件選擇具有其特點(diǎn)的名字，便利文件的查找與修改；其次，依據(jù)建仿照真的目的，只需依據(jù)零部件外形尺寸建模其模型，一些諸如螺紋、倒角的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)作簡(jiǎn)化處理。下面將分兩個(gè)小節(jié)分別簡(jiǎn)潔介紹該并聯(lián)機(jī)械手的三維建模流程。4.3 并聯(lián)機(jī)械手零件實(shí)體造型 在基于

34、對(duì)了解機(jī)構(gòu)的工作原理之后，再對(duì)該并聯(lián)機(jī)械手零件實(shí)體造型進(jìn)行建模，機(jī)構(gòu)的工作原理在本文上章已作闡述過(guò)，在此我給出設(shè)計(jì)的Delta 并聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸參數(shù)，如下表4.1所示；其中主要用到的solidworks操作命令有拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等，依據(jù)并聯(lián)機(jī)械手各零件的基本外形尺寸，在solidworks界面創(chuàng)建所繪零件的基本特征；然后就是進(jìn)行細(xì)節(jié)特征設(shè)計(jì)，通過(guò)倒角、陣列、鏡像等操作將零件實(shí)體模型進(jìn)一步完善；最終進(jìn)一步調(diào)整所創(chuàng)建的特征參數(shù)，并檢測(cè)所繪零件是否合格，若合格即完成該零件的實(shí)體造型，否則連續(xù)添加特征與修改特征以滿足設(shè)計(jì)要求。表4.1 機(jī)械手相關(guān)尺寸參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)基座R末端執(zhí)行器r主動(dòng)臂La從動(dòng)

35、臂Lb長(zhǎng)度（mm據(jù)上述零件實(shí)體造型流程，在solidworks軟件中完成該并聯(lián)機(jī)械手的全部零件的設(shè)計(jì)，這里忽視了諸如螺母、螺栓類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)件，所建立的該并聯(lián)機(jī)械手的部分零件三維模型分別如圖4.1所示。 圖4.1 并聯(lián)機(jī)械手部分零件三維模型4.4 并聯(lián)機(jī)械手的裝配 該并聯(lián)機(jī)械手的零部件個(gè)數(shù)還不算太多，且機(jī)械手每條支鏈上主動(dòng)臂與從動(dòng)臂尺寸都是一樣的，因此可以將整個(gè)機(jī)械手模型分解成很多個(gè)子裝配體，從而可以格外精確快速地完成整個(gè)機(jī)械手的裝配。虛擬裝配分為自頂向下和自底向上兩種設(shè)計(jì)方式。前者是在裝配環(huán)境下直接進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)，而后者則指對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的零部件先實(shí)現(xiàn)部分裝配，再實(shí)現(xiàn)整體

36、裝配。本文將接受自底向上的裝配方式完成該并聯(lián)機(jī)械手的三維模型，具體步驟如下： （1）確定裝配層次，即確定該并聯(lián)機(jī)械手各子裝配體的劃分； （2）確定裝配挨次，這里首先要選擇一個(gè)零件作為其他零部件的約束基準(zhǔn)，對(duì)于該并聯(lián)機(jī)械手而言，可以將固定機(jī)架作為其基準(zhǔn)零件，然后確定該裝配體中各零部件裝配的次序； （3）確定裝配約束，即通過(guò)并聯(lián)機(jī)械手中各零部件之間的定位與約束關(guān)系，依次裝配成一個(gè)完整的裝配體。其中，約束關(guān)系是指在對(duì)每個(gè)零部件進(jìn)行裝配時(shí)所需要知道的零部件約束形式及限制自由度，還有各零部件相對(duì)位置關(guān)系。 本文在分別完成固定機(jī)架相關(guān)零部件的裝配、主動(dòng)臂相關(guān)零部件的裝配、從動(dòng)臂相關(guān)零部件的裝配后，再來(lái)總裝

37、整個(gè)并聯(lián)機(jī)械手，最終完成的三自由度并聯(lián)機(jī)械手的裝配，即實(shí)現(xiàn)了基于solidworks的并聯(lián)機(jī)械手三維模型的建立，如圖5.2所示。簡(jiǎn)潔模擬并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，以檢驗(yàn)各零部件相互間是否會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象，進(jìn)而把加工制造中可能消滅的問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)階段。 圖5.2 并聯(lián)機(jī)械手三維模型4.5 本章小結(jié) 本章建立了基于solidworks的并聯(lián)機(jī)械手三維實(shí)體模型。首先對(duì)solidworks軟件的簡(jiǎn)介，然后對(duì)零部件的三維建模，最終完成并聯(lián)機(jī)械手的裝配，并且對(duì)總裝配圖進(jìn)行三維建模。 總 結(jié) 隨著并聯(lián)機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，本文充分調(diào)研了并聯(lián)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀，發(fā)覺(jué)各行各業(yè)中大量重復(fù)性高強(qiáng)度的操作只需三個(gè)自由度即可完成。本文以具有三自由度的 Delta 輕型高速并聯(lián)手為爭(zhēng)辯對(duì)象，并對(duì)其開(kāi)放了各項(xiàng)爭(zhēng)辯及一些相關(guān)分析。 首先，本文介紹了三自由度并聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作原理，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。其中，對(duì)機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行的計(jì)算，接受幾何