繩牽引平面并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析

1、 內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱1234研究背景研究背景1.1并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究和開(kāi)發(fā)并聯(lián)機(jī)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究和開(kāi)發(fā)并聯(lián)機(jī)床都非常重視。床都非常重視。 我國(guó)已在國(guó)家我國(guó)已在國(guó)家“九五九五”科技攻關(guān)計(jì)劃和科技攻關(guān)計(jì)劃和“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中對(duì)并聯(lián)機(jī)床的研究與開(kāi)發(fā)予以高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中對(duì)并聯(lián)機(jī)床的研究與開(kāi)發(fā)予以支持。支持。 研究背景研究背景1.2 繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人是一種特殊的并聯(lián)機(jī)器人由繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人是一種特殊的并聯(lián)機(jī)器人由Stewart Platform 發(fā)展而來(lái)。發(fā)展而來(lái)。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：大工作空間大工作空間 、低慣性低慣性 、簡(jiǎn)單的結(jié)

2、構(gòu)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu) 、重調(diào)整和可移動(dòng)性重調(diào)整和可移動(dòng)性 、完全分離的傳動(dòng)完全分離的傳動(dòng) 研究背景研究背景幾種不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)器人幾種不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)器人 BETA 機(jī)器人機(jī)器人 DISH 機(jī)器人機(jī)器人 DELTA 機(jī)器人機(jī)器人研究背景研究背景下圖是要研究的下圖是要研究的DeltaBot的的2D形式形式 ：特點(diǎn)：特點(diǎn)：并非采用絞盤(pán)做驅(qū)動(dòng)器, 而是用搖臂作為改變繩長(zhǎng)的方法, 雖然縮小了工作空間,但是使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度得以保證.研究背景研究背景1.3總結(jié)總結(jié): 機(jī)器人(機(jī)械臂)作為新興的學(xué)科，近幾十年有著很快的發(fā)展。從最初的多關(guān)節(jié)多自由度的串連機(jī)器人，到Stewart Platform， 到柔性連接的繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人

3、，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，性能也逐漸增強(qiáng)。 目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的研究主要集中于機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制策略研究等幾個(gè)領(lǐng)域。其中并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)學(xué)與運(yùn)動(dòng)分析主要研究并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題奇異位形、工作空間和靈巧度分析等方面。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 2.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析正向運(yùn)動(dòng)學(xué)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)-已知輸入操作臂的變量，求解運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)應(yīng)這些輸入的位置-已知的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位置參變量，求解對(duì)應(yīng)這些輸出的操作臂變量機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析坐標(biāo)系的建立坐標(biāo)系的建立 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析正向運(yùn)動(dòng)學(xué)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析逆向運(yùn)

4、動(dòng)學(xué)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)于這個(gè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，就是已知1 , 2 ，求解平臺(tái)的坐標(biāo)（x,y）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 2.1工作空間工作空間并聯(lián)機(jī)器人相對(duì)于串連機(jī)器人有著很多的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于工作空間，并聯(lián)機(jī)器人要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于串連機(jī)器人 最大工作空間的分析最大工作空間的分析限制條件下隨機(jī)參數(shù)的工作空間限制條件下隨機(jī)參數(shù)的工作空間 工作空間優(yōu)化設(shè)計(jì)工作空間優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析最大工作空間的分析對(duì)于每一條腿的最大工作空間就是以AC+PC 為半徑，以A 點(diǎn)為圓心的一個(gè)圓，而對(duì)于整個(gè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，最大工作空間就是兩個(gè)圓的相交部分 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析限制條件下隨機(jī)參數(shù)的工作空間限制條件下隨機(jī)參

5、數(shù)的工作空間 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析工作空間優(yōu)化設(shè)計(jì) 蒙特卡羅方法蒙特卡羅方法 :對(duì)于兩自由度機(jī)器人來(lái)說(shuō)，蒙特卡羅最優(yōu)化方法的應(yīng)用過(guò)程如下:1.隨機(jī)抽取 a，b，L，l 設(shè)定為初值2.在以 AC+PC 為半徑相交區(qū)域隨機(jī)抽取1000 個(gè)點(diǎn)(X，Y，Z)3.將每個(gè)點(diǎn)代入逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中檢驗(yàn)，保證可以求得實(shí)數(shù)解4.如果滿足就認(rèn)定這個(gè)點(diǎn)是工作空間中的一個(gè)點(diǎn)。5.記錄 2-4 過(guò)程中屬于工作空間點(diǎn)的個(gè)數(shù) 再進(jìn)行步驟 1， 隨機(jī)設(shè)定參數(shù)的值，進(jìn)行 2-4 的分析，上述過(guò)程進(jìn)行足夠多的次數(shù)， 選擇工作空間點(diǎn)最多的一組做為最終的最優(yōu)化參數(shù), 可以應(yīng)用 MATLAB 進(jìn)行編程計(jì)算。 因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)器人的弊端

6、就是工作空間相對(duì)較小，所以最優(yōu)化參數(shù)使得工作空間最大化就是非常重要的問(wèn)題。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 2.2數(shù)值實(shí)例基本參數(shù)如下：a=300b=340l=420L=1000現(xiàn)假設(shè)移動(dòng)平臺(tái)的 P 點(diǎn)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡為:（50，-350）（100，-400）（50，-450）（0，-500）(-50,-550) (-100,-600) 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析三次樣條插值（簡(jiǎn)稱三次樣條插值（簡(jiǎn)稱Spline插值）插值） 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 2.3繩的張緊性以及支架力的分析繩的張緊性以及支架力的分析 外力容量對(duì)于一個(gè)繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，使其保持剛性的臨界外部負(fù)載(力和轉(zhuǎn)矩)因?yàn)槔K是柔性物

7、體，所以要保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的剛性就必須使繩處處張緊 張緊性：一個(gè)繩驅(qū)動(dòng)控制器可以被稱作張緊在一個(gè)給定的姿態(tài)當(dāng)且僅當(dāng)任意的外部負(fù)載存在一個(gè)有限的支架力和一組有限的繩張力來(lái)使控制器剛性剛性。 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析外力及支架力和繩中力的示意圖外力及支架力和繩中力的示意圖 平衡方程為: 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析力容量以及外力圓的示意圖力容量以及外力圓的示意圖 力容量就是移動(dòng)平臺(tái)可以提供的一組使得所有繩都處于張緊狀態(tài)的的集合。即: 最終計(jì)算：nwuuFis)(2f21max0,u/212211TTFuTTS2 , 1nf2 , 1f2 , 1nmaxmaxiiwFiFwnFisise得

8、到：其中 n是面的指向外部的法向向量， 是使得圓與三角形第i 個(gè)邊相切的支架力 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 2.4機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析目的目的 在給定的軌跡下，通過(guò)控制輸入轉(zhuǎn)矩來(lái)使得移動(dòng)平臺(tái)按照需要的加速度移動(dòng) 首先，設(shè)計(jì)機(jī)器人部件的時(shí)候需要用到動(dòng)力學(xué)分析，因?yàn)槿绻麤](méi)有動(dòng)力學(xué)模型，很難知道轉(zhuǎn)矩的大小，因此就很難選擇電機(jī)，設(shè)計(jì)主軸等，選擇軸承等。其次，動(dòng)力學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)控制的最基本的理論。知道了動(dòng)力特性才能設(shè)計(jì)控制方案。 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析牛頓牛頓- -歐拉方程歐拉方程 cVf = mVc能量守恒定律的應(yīng)用能量守恒定律的應(yīng)用令 yxeffF,為機(jī)器人的輸出力(只有移動(dòng)自由度)。令 21,為

9、相應(yīng)的關(guān)節(jié)輸入轉(zhuǎn)矩。 yx,X輸出力的虛位移 21,q為輸入轉(zhuǎn)矩的虛角位移。 0qXFWTiTXJqXJqeTiFJ1機(jī)構(gòu)的建模機(jī)構(gòu)的建模 本設(shè)計(jì)利用本設(shè)計(jì)利用Solidworks建模，繪制零件三維圖。建模，繪制零件三維圖。Solidworks是美國(guó)是美國(guó)Solidworks公司基于公司基于Windows平臺(tái)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的全參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件，具有強(qiáng)大的零件開(kāi)發(fā)的全參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件，具有強(qiáng)大的零件設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、管理設(shè)計(jì)、繪制二維工程圖、支持設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、管理設(shè)計(jì)、繪制二維工程圖、支持異地協(xié)同工作等功能，可以實(shí)現(xiàn)由三維實(shí)體造型向二異地協(xié)同工作等功能，可以實(shí)現(xiàn)由三維實(shí)體造型向二維工程圖的轉(zhuǎn)化，能夠使零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程維工程圖的轉(zhuǎn)化，能夠使零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖保持全時(shí)間的相關(guān)和同步。圖保持全時(shí)間的相關(guān)和同步。 三維建模：三維建模：機(jī)構(gòu)的建模機(jī)構(gòu)的建模仿真圖：仿真圖