并聯(lián)機器人設計論文

1、并聯(lián)機器人設計論文摘要：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)機構進行了構型研究，該機構由三個正交分布的支鏈組 成，且機構的運動副均為轉動副，構成了機構動平臺 x、y、z 三個方向的 平動解耦； 在機構構型研究的基礎上， 對其進行了運動學分析， 推導出了 該并聯(lián)機構的運動學正反解，分析了機構輸入 / 輸出的速度和加速度等， 驗證了該機構運動解耦的特性。 這對該機構的 動力學分析、控制策略、 機 構設計和軌跡規(guī)劃等方

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

3、維平移并聯(lián)機構得到廣泛的重視。 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 機構的支鏈中采用平行四邊形機構約束動平臺的 3 個轉動自由度。 Tsai 提出的 Delta 機構完全采用回轉副，并通 過轉軸 的偏移擴大了 Delta 機構的工作空間。在 Tricept 并聯(lián)機床上采用的構 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，該機 構的突出特點是帶有導向裝置 ,采用 3個內副驅動支鏈并由導向裝置約束 動平臺。Tsai通過自由度分析提取支鏈的運動學特征，系統(tǒng)研究了并聯(lián)機 構的綜合問題 , 特別研究了一類實現(xiàn)三自由度平動的并聯(lián)機

4、構。 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)機構的結構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)復聯(lián)機構 . 我國燕山大學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， 設計出一種新的高精度 的機構方案外 , 還率先對少自由度并聯(lián)機器人的基礎理靜剛度和精度 . 上 海交大的高峰教授 2002 年運用復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 坐標來綜合 2- 自由度的機 器人。近幾年， 東南大學的楊廷力教授、 金瓊等以單開鏈 soc

5、 單元和并聯(lián) 機器人機構結構組成的某些規(guī)律性，以機構具有各支路結構相同且簡單、 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，綜合出了一類新型三平移并聯(lián) 機器人機構。其中的 3-RRC 型機型，江蘇大學的馬履中教授、尹小琴等 對其運動學、 動力學等特性上進行了深入的研究， 并將其應用在多維減振 平臺主體機構中。馬履中等還研制一種五自由度并聯(lián)機構作為中醫(yī)推拿機 器人。 沈惠平等研制一種新型三維平移并聯(lián)機構作為虛擬軸機床、坐標 測量機及機器人等的新型實用機型。2.并聯(lián)機器人構型設計原則1、在進行機構形式設計時， 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，還應該遵循下面幾項準則 :（l ）機構的運動鏈要盡可能的短。 完成同樣的動作要求， 應該優(yōu)先選 用機構構件數(shù)和運動副數(shù)少的機構， 以簡化其結構從而減輕重量、 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）適當選擇原動機，使機構有好的動力學性能。 2、并聯(lián)機器人的尺度設計原則 以往，我們在設計階段為了確定機器人操作手機構的尺寸和確定機器 人操作手在工作空間內部的位置和姿態(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， 我們在機構的綜合設計 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)的機構尺度綜合設計中， 顧全到上述的所有條件是 十分困難的。 國內外的學者提出了許多機構綜合的標準， 以便在滿足指定 的設計指標下，機構的性能達到最優(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， 在設計時要先確定能夠滿足性能指標 的工作空間是至關重要的。另外，在并聯(lián)機構的設計過程中必須要考慮要避免構型奇異。 與串聯(lián) 機器人不同的是， 并聯(lián)機器人不僅有運動學奇異， 還有由構型所導致的構 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)機構發(fā)生構型奇異的 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，并且每一對相應的 頂點通過一條連桿相連， 則雅戈比矩陣在工作空間內的大部分區(qū)域都是奇 異的。這種設計上的奇異的存在， 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。 在構型奇異附近的區(qū)域， 即使沒有發(fā)生構型奇異， 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)機構尺度 綜合設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，要避開構型奇異點及奇異點附近的病態(tài)區(qū)域3.3-RPS 機構圖1-1所示的是一個3自由度的并聯(lián)機構，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，該機構的分支結構是對稱的，因此，這機構稱為3-RPS 平臺機構，以3個移動副作為輸入。（S是指球面副，球面副允許兩構之間具有3個獨 立的，以球心為中心的相對轉動，具有 3個自由度；R是指轉動副，允許兩構件繞公 共軸線作相對轉動，描述了兩構件

10、之間的空間相對關系，具有一個自由度； P 是指移 動副，允許兩構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， 該機構能夠完成兩個方向的回轉和一個升降運動。 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運動：在這種3-RPS并聯(lián)機器人的機構中，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 繞轉動副作回轉運動，即有 X與丫兩方向的回轉運動。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結構1. 4并聯(lián)機構工作空間的分析工作空間(Workplace)：設給定參考點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構限制的，每一桿件的長度必須小 于最大桿長，大于最小桿長。 轉動副轉角的限制，各種鉸鏈，包括球鉸接和萬向鉸接的轉角都受到結構研 制的，每一鉸鏈的轉角都應小于最大轉角。 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 設計簡介與設計要求本設計是在3-RPS并聯(lián)機構的內部

13、設置一種平衡機，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。該平衡機的結構形式應 能適應機構的工作空間。本設計涉及到機構學、機械傳動、電力拖動與控制等方面。通過設計工作的訓練, 可有效提高畢業(yè)生工程實踐能力。3-RPS并聯(lián)機構的運動范圍為：俯仰土 20,傾側土 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計，并在此基礎上作詳 細的計算與分析。1了解并聯(lián)機構，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關鍵零部件的設計與計算第二章 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，所以在設計其方向機 和回轉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，以此來減小驅動RPS連桿的電機產生的力，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作相應的變化。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構要簡單，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，當其拉力作用在鉸接點 前方時稱為上拉式， 當其拉力作用在鉸接點后方時稱為下拉式。 推式平衡機結構簡單， 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，結構緊湊，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筒，在內筒上部焊有細管，這樣可以充分利用內 筒空間，減小平衡機體積。平衡機外筒上的注氣器，不應被其它機構遮蔽，并應保證 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，結構可以做 得非常緊湊，體積小，重量輕，氣壓的調整也很簡單。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，就不會產生理想 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機構及其平衡機它采用交叉式立體平衡機，對并聯(lián)機構的運動性能帶來了很大的改善。其中，它 加強了機構的升降、俯仰這兩方向上自由度的運動，能準確、快捷地提供機構所需的 平衡力矩，但是在傾側的時候，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)應能以一定速度勻速運 轉，二是系統(tǒng)受某種外部干擾(如電壓波動、負載轉矩波動等)而使運行速度稍有 變化時，應保證在干擾消除后系統(tǒng)能恢復到原來的運行速度。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.華中理工大學出版社；2. 黃真，孔令富，方躍法并聯(lián)機器人機構學理論及控制北京：機械工業(yè)出 版社，1997；3. 吳秉賢，嚴世澤，龔龍興火箭發(fā)射裝置機構分析國防工業(yè)出版社，1988.7 ；4.

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