偽四自由度并聯(lián)機器人設計與運動仿真

偽四自由度并聯(lián)機器人設計與運動仿真

1自由度串聯(lián)機器人隨著傳統(tǒng)制造業(yè)結構從技術難度的提高到自動化和計算機科學的先進水平，工業(yè)機器人在汽車制造、機械工程、焊接、上下材料、研磨、研磨、研磨、噴漆等方面得到了廣泛應用。在實際工廠生產(chǎn)應用中,多數(shù)機器人的應用環(huán)境不需要六個自由度,如電子、食品和醫(yī)藥等工業(yè)產(chǎn)品高速拾取及分揀過程。因此具有少自由度的并聯(lián)機器人逐漸受到工業(yè)與研究所的重視由此可見,目前對于四自由度并聯(lián)機器人的研究取得一些成果,但是主要體現(xiàn)在結構參數(shù)與性能優(yōu)化等方面,并未解決機器人成本較高的問題。傳統(tǒng)的機器人驅(qū)動電機數(shù)量和機器人自由度數(shù)量相等。為了解決這一問題,以五桿并聯(lián)機構為基礎設計新型偽四自由度并聯(lián)機器人,分析其結構特征與工作原理,并建立動力學模型進行動態(tài)仿真,最后搭建硬件平臺進行實驗測試,驗證此偽四自由度并聯(lián)機器人系統(tǒng)的可行性,能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。2偽四粒度聯(lián)合機器人結構2.1旋轉機構的組合偽四自由度并聯(lián)機器人由旋轉軸、靜平臺、動平臺、主動臂、從動臂、輔助運動臂和末端執(zhí)行機構組成,如圖1所示。旋轉軸由驅(qū)動電機與彎頭減速機組成,固定于靜平臺上。兩根主動臂與從動臂組成二自由度并聯(lián)機構,固定于動平臺上。當兩主動臂旋轉角度相同時,旋轉軸與末端機構在同一直線上。偽四自由度并聯(lián)機器人共有三個運動軸,其中兩輸出軸驅(qū)動兩根主動臂旋轉,帶動末端執(zhí)行機構在二維平面內(nèi)運動,而旋轉軸可以驅(qū)動動平臺進行旋轉,實現(xiàn)末端執(zhí)行機構在三維平面內(nèi)的運動。偽四自由度并聯(lián)機器人采用并聯(lián)結構,運動速度快,結構簡單,由于比傳統(tǒng)四軸機器人少了一臺驅(qū)動電機及其相關部件,所以大大減少了制造成本,同時由于其運動方式較為特殊,在需要經(jīng)?；氐焦潭c進行檢測的情況下可以廣泛應用,提高執(zhí)行效率。2.2輔助短桿和長桿為了保證末端機構始終豎直向下,在機器人一側引入輔助臂,輔助臂由輔助短桿、輔助長桿和L型連接件組成。輔助短桿一端固定于動平臺上,另一端固定于L型連接件上,使其與主動臂、L型連接件和動平臺組成平行四邊形。輔助長桿兩端分別固定在兩個L型連接件上,使其與從動臂和L型連接件組成平行四邊形。使用兩個平行四邊形結構可以使末端機構始終豎直向下,如圖2所示。2.3前四自由度旋轉偽四自由度并聯(lián)機器人以三個驅(qū)動自由度實現(xiàn)四個自由度運動的關鍵在于兩主動臂旋轉角度相同時,旋轉軸與末端執(zhí)行機構在同一豎直直線上。機器人首先將物體抓取到旋轉軸正下方,旋轉至所需角度,然后放下,再次旋轉至目的方向,最后重新抓取物體放置到目的位置,即可完成XYZ和繞Z軸旋轉四個方向的運動。四自由度運動過程,如圖3所示。(1)物體放置在PA處,將主動臂和從動臂所在平面旋轉至與PA、PB、PC、PD平行,將物體由PA經(jīng)過PB、PC運送至PD處;(2)將物體旋轉一定的角度,該角度即為物體所需旋轉角度;(3)將物體放置于PF點,調(diào)整主動臂與從動臂所在平面與PE、PG、PH、PI平行,其中PI為目的位置,然后再將物體提升至PE處;(4)將物體由PE經(jīng)過PG、PH、運送至PI處,完成四個自由度的搬運工作。3運動分析3.1輔助坐標系以主動臂和從動臂形成的五桿平面建立KZ輔助坐標系,如圖4所示。左側為KZ平面輔助坐標系,右側為XY平面坐標系,Z軸垂直紙面向外。XYZ坐標系遵守右手定則。桿長為l3.2運動理論的正解分析由圖4,已知l由上式解得:通過分析幾何結構,由先驗知識可確定真解。再將φ3.3運動理論的逆解分析已知l解算得:取其中較大者。同理可求得θ4實驗與分析4.1驅(qū)動軸實驗平臺偽四自由度并聯(lián)機器人硬件實驗平臺,如圖5所示。該實驗平臺使用三臺安川伺服電機作為驅(qū)動軸,其中一臺安裝在靜平臺上作為旋轉軸,另外兩臺安裝在動平臺上驅(qū)動主動臂,末端安裝吸盤以進行抓取測試。4.2運行誤差設置機器人臂長:l逆解輸出角度與正解輸入角度之差,如表8所示。即偽四自由度并聯(lián)機器人的運行誤差。由圖可知,該偽四自由度并聯(lián)機器人的整體運行精度較高,但也存在部分采樣點誤差較大的情況(根據(jù)輸入數(shù)據(jù)分析,可能由于角度θ表1中執(zhí)行一次只進行一次正解運算和一次逆解運算,執(zhí)行速度在每秒9000次左右,表明該偽四自由度機器人穩(wěn)定性高,實時性好。5偽四自由度串聯(lián)機器人動力學模型分析與實驗驗證從機器人成本與工作空間角度考慮,設計出一種新型偽四自由度并聯(lián)機器人。該機器人結構設計合理,以五桿并聯(lián)機構為基礎實現(xiàn)三自由度的平移與一個自由度的旋轉,且驅(qū)動機構的自由度數(shù)量小于其真實的運動自由度數(shù)量。分析其結構特征與工作原理,并建