并聯(lián)機器人設(shè)計論文設(shè)計

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)動平臺幺人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)劃等方面的研究，具有一定的理論意義。關(guān)鍵詞：三自

2、由度并聯(lián)機構(gòu)；并聯(lián)機器人；設(shè)計；1課題國夕卜現(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

3、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

4、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.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)的廷力教授、金瓊等以單開鏈soc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

5、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，大學(xué)的馬履中教授、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。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：（1）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

6、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部的位置和姿態(tài)時多數(shù)是靠經(jīng)驗和直覺?，F(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。國外的

7、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。即奇異區(qū)域通常都擴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:（1）如果動平臺和定平臺是相似的正多邊形，則整個工作空間雅戈 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

8、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

9、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

10、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，從而上平 臺繞轉(zhuǎn)動副作回轉(zhuǎn)運動，即有X與Y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

11、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

12、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 D。1.5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)的部設(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)的運動圍為：俯仰20，傾側(cè)20，升降300頗，載荷1.4T。 平衡機

13、要求能抵消總載荷的70%。1.6主要的研究方法和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。.了解并聯(lián)機構(gòu)，對已有的3-RPS并聯(lián)機器人的工作空間進行分析;.分析平衡力矩圖，探討平衡方案，選擇平衡機的安裝位置，進行平衡能力計算；.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

14、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

15、。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

16、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。有的為了防止液體流入筒，在筒上部焊有細管，這樣可以充分利用筒空間， 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

17、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，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

18、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(TM)和n= f(TL)有交點(即拖動系 統(tǒng)的平衡點)；聲 由 刀、p-,

19、1 火KPCe r 、 r 11.282 x1.4 x103 x 6冉田 公式d L6，矢口， d 1.6、,680 n 6.4mm，1.187 x1.4 x103 x 8 d 1.6,680n 7.1mm。6.1.2計算簧圈直徑彈 簧圈徑 D11=D1-d1=C1d1-d1= ( 6-1 )* 6.4=32mm ,D12=D2-d2=C2d2-d2= ( 8-1 )* 7.1=49.7mm。彈簧圈外徑D21=D1+d1=C1d1+d1=(6+1) *6.4=44.8, D22=D2+d2=C2d2+d2=(8+1) *7.1=63.9mm。6.1.3計算彈簧圈數(shù)選取 K=9N/mm,K廣11

20、N/mm，則 n - Gdi = 80000旭4 33 （梳狀1i 8C%8 x 63 x 9六根），n - Gd - 80000X713 （梳狀五根2 8C23K28 x 83 x 116.2驗算平衡力上平臺加載1.4t，從中間位置上升150嘰F；= 6 KAX1= 6 x 9 X116.6 - 6296.4NF = f = 5k 3X2 n 6296.4 - 5 x11 AX2 n AX2 114.5mmx 6296.4Sin52.10 - 9936.8N=實際抵消 9936.8 x 100% 71% 140002 .上平臺加載1.4t，從中間位置下降150 oF；= 6K AX1 = 6

21、 x 9 x 241.9 -13062.6N匚 匚“，av , 13062.6-237.5mmF - F - 5K 3X2 n AX2 一 51113062.6 x 2Sin(900 -49.80)-16862.7N實際抵消 16862.7 x 100% 120% 14000.平衡機上平臺處于中間位置加載1.4t，右端上仰20。F- - 6K AX1 = 6 x 9 x 206.6 -11156.4NF- - 5K AX2 = 5 x 11x 249.3 -13711.5NFSin400 + FfSin600 19045.7 N實際抵消19045.7 x 100% 136%14000.平衡機上平臺處于中間位置加載1.4t，右端向上傾側(cè)20。F = K AX1 = 9x 556.8 = 5011.2N6 FCos100 = 6 x 5011.2 x Cos100 = 29610.4N實際抵消29610.4 x 100% 211.5%14000參考文獻鄧星鐘，周祖德，鄧堅.機電傳動控制.華中理