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并联机器人设计论文

摘要：并联机器人是一类全新的机器人,它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点,在21世纪将有广阔的发展前景。文中从运动副分析入手，对一种运动解耦的三自由度并联机构进行了构型研究，该机构由三个正交分布的支链组成，且机构的运动副均为转动副，构成了机构动平台x、y、z三个方向的平动解耦；在机构构型研究的基础上，对其进行了运动学分析，推导出了该并联机构的运动学正反解，分析了机构输入/输出的速度和加速度等，验证了该机构运动解耦的特性。这对该机构的动力学分析、控制策略、机构设计和轨迹规划等方面的研究，具有一定的理论意义。
关键词： 三自由度并联机构；并联机器人；设计；

1.课题国内外现状及研究的主要成果
少自由度并联机器人 由于其驱动元件少、造价低、结构紧凑而有较高的实用价 值，更具有较好的应用前景，因此少自由度的并联机器人的设计理论的研究和应用领域的拓展成为并联机器人的 研究热点之一。研究少自由度并联机构最早的学者应属澳大利亚著名机构学教授 Hunt ,在1983年,他就列举了平面并联机 构、空间三自由度3-rps并联机构，但对四，五自由度并联机构未作详细阐述。在Hunt之后,不断有学者提出新的少自由度并联机构机型。在少自由度并联机构机型的研究中,三维平移并联机构得到广泛的重视。clavel提出了一种可实现纯 平运动三自由度Delta 并联机器人,在Delta机构的支链中采用平行四边形机构约束动平台的3个转动自由度。 Tsai提出的Delta机构完全采用回转副，并通 过转轴的偏移扩大了Delta机构的工作空间。在 Tricept并联机床上采用的构 型是由 Neumann发明的一种具有3个可控位置自由度的并联机构，该机构的突出特点是带有导向装置,采用3个内副驱动支链并由导向装置约束动平台。Tsai通过自由度分析提取支链的运动学特征,系统研究了并联机构的综合问题,特别研究了一类实现三自由度平动的并联机构。Rasim Alizade于2004年提出基于平台类型和联接平台的形式和类型进行分类的一种并联机构的结构综合和分类的新方法和公式,并综合出具有单平台和多平台的纯并联和串并联复联机构.我国燕山大学的黄真教授及其团队除了研制出解耦微型6维力传感器和微动机械， 设计出一种新的高精度的机构方案外,还率先对少自由度并联机器人的基础理静刚度和精度.上海交大的高峰教授2002年运用复合副的概念来组合已知自由度数和自由度类型的支链,通过支链输出杆特殊的Plucker坐标来综合2-自由度的机器人。近几年，东南大学的杨廷力教授、金琼等以单开链soc单元和并联机器人机构结构组成的某些规律性，以机构具有各支路结构相同且简单、不存在虚约束、工作空间较大等特点，尤其是其运动分析正、逆解数目小，且运动输入输 出具有一定解耦性为目标，综合出了一类新型三平移并联机器人机构。其中的 3-RRC型机型，江苏大学的马履中教授、尹小琴等对其运动学、动力学等特性上进行了深入的研究，并将其应用在多维减振平台主体机构中。马履中等还研制一种五自由度并联机构作为中医推拿机器人。 沈惠平等研制一种新型三维平移并联机构作为虚拟轴机床、坐标测量机及机器人等的新型实用机型。
2.并联机器人构型设计原则
1、在进行机构形式设计时，除了要满足规定的运动形式、运动规律或运动轨迹外，还应该遵循下面几项准则:
（l）机构的运动链要尽可能的短。完成同样的动作要求，应该优先选用机构构件数和运动副数少的机构，以简化其结构从而减轻重量、降低成本、减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差，运动链短有利于提高机构的刚度，减少振动。
（2）在运动副的选择上，优先选用低副。低副机构的运动元素加工方便，容易保证配合的精度以及有较高的承载能力。
（3）适当选择原动机，使机构有好的动力学性能。
2、并联机器人的尺度设计原则
以往，我们在设计阶段为了确定机器人操作手机构的尺寸和确定机器人操作手在工作空间内部的位置和姿态时多数是靠经验和直觉。现在，为了开发出高精度、高速度和高效率的并联机器人，我们在机构的综合设计时要考虑到它的工作空间的体积和形状、奇异位形、输出的各向同性等条件。但是，在全局最优的机构尺度综合设计中，顾全到上述的所有条件是十分困难的。国内外的学者提出了许多机构综合的标准，以便在满足指定的设计指标下，机构的性能达到最优。由于并联机器人与串联机器人相比，工作空间小。因此为实现作业要求，在设计时要先确定能够满足性能指标的工作空间是至关重要的。
另外，在并联机构的设计过程中必须要考虑要避免构型奇异。与串联机器人不同的是，并联机器人不仅有运动学奇异，还有由构型所导致的构型奇异。即奇异区域通常都扩张到整个工作空间或一些显著的子空间，而且是实际操作中最常用的区域。0.M给出了判定并联机构发生构型奇异的条件:
（l）如果动平台和定平台是相似的正多边形，则整个工作空间内雅戈比矩阵都是奇异的;
（2）如果动平台和定平台是相似的非正多边形，并且每一对相应的顶点通过一条连杆相连，则雅戈比矩阵在工作空间内的大部分区域都是奇异的。
这种设计上的奇异的存在，将使并联机器人由于无法平衡施加在动平台上的负载而不能工作。在构型奇异附近的区域，即使没有发生构型奇异，也有可能出现雅戈比矩阵条件数很大的情况，同样会导致运动和力的传递性能变的很差，我们称这种区域为病态条件区域。因此，进行并联机构尺度综合设计时必须考虑在满足工作空间要求、运动可传递性的要求以及负载能力要求的情况下，要避开构型奇异点及奇异点附近的病态区域
3.3-RPS机构
图1-1所示的是一个3自由度的并联机构，由3支RCS链连接一运动平台和一固定平台组成的，因为绕圆柱副轴线的转动是一局部自由度，所以圆柱副也可以用移动副来倒替，分支等效于RPS支链，该机构的分支结构是对称的，因此，这机构称为3-RPS平台机构，以3个移动副作为输入。（S是指球面副，球面副允许两构之间具有3个独立的，以球心为中心的相对转动，具有3个自由度；R是指转动副，允许两构件绕公共轴线作相对转动，描述了两构件之间的空间相对关系，具有一个自由度；P是指移动副，允许两构件沿公共轴线作相对直线移动，具有一个自由度）。
源于军工需求，将3-RPS并联机器人应用到火箭发射装置中可以改良传统火箭炮的平衡，射角，精确度等方面的问题。它的多自由度和便捷的数字控制方式是多年来火箭发射装置梦寐以求的。
由自由度的计算可知，该机构能够完成两个方向的回转和一个升降运动。这一系列运动都可以通过电机带动，经过三条RPS空间运动链的运动，从而促动上平台的各种运动姿势。
回转运动：在这种3-RPS并联机器人的机构中，下平台上的电动机带动丝杆传动。该丝杆为滑动丝杆，滑块的运动能带动其上的RSP链随球面副摆动，从而上平台绕转动副作回转运动，即有X与Y两方向的回转运动。
升降运动：三条RPS空间运动链的同时伸缩能促动上平台的升降运动。

图1-1 3-RPS结构
1．4 并联机构工作空间的分析
工作空间（Workplace）：设给定参考点C是动平台执行器的端点，工作空间是该端点在空间可以达到的所有点的集合。
完全工作空间（Complete workplace）：动平台上执行器端点可从任何方向（位姿）到达的点的集合。
定向工作空间（Constant workplace）：动平台在固定位姿时执行器端点可以到达的点的集合。
最大工作空间（Maximal workplace）：动平台执行器端点可到达的点的最大集合，并考虑其具体位姿。
完全工作空间和定向工作空间都是最大工作空间的子集.
另外，工作空间是并联机构的重要特性，影响它的大小和形状的因素主要有以下三个：
① 杆长的限制，杆件长度的变化是受到其结构限制的，每一杆件的长度必须小于最大杆长，大于最小杆长。
② 转动副转角的限制，各种铰链，包括球铰接和万向铰接的转角都受到结构研制的，每一铰链的转角都应小于最大转角。
③ 杆件的尺寸干涉，连接动平台和固定平台的杆件都具有几何尺寸，因此各杆件之间在运动过程中可能发生相互干涉。设杆件是直径为D的圆柱体，两相邻杆件轴线之间的距离为Di,则Di＞D。
1．5 设计简介与设计要求
本设计是在3-RPS并联机构的内部设置一种平衡机，以使得上平台运动到任何位置时，电动推杆上的推力基本相等，给电机的控制创造条件。该平衡机的结构形式应能适应机构的工作空间。
本设计涉及到机构学、机械传动、电力拖动与控制等方面。通过设计工作的训练，可有效提高毕业生工程实践能力。
3-RPS并联机构的运动范围为：俯仰±20°，倾侧±20°，升降300㎜，载荷1.4T。平衡机要求能抵消总载荷的70%。
1．6 主要的研究方法和内容
首先研究电机的机械性能，对3-RPS并联机器人进行运动学描述和受力分析；然后着重研究如何实现机器的平衡问题，进行专用平衡机总体设计，并在此基础上作详细的计算与分析。
1． 了解并联机构，对已有的3-RPS并联机器人的工作空间进行分析；
2． 分析平衡力矩图，探讨平衡方案，选择平衡机的安装位置，进行平衡能力计算；
3． 关键零部件的设计与计算。

第二章 平衡机的概念与作用机理
在传统的火箭发射装置中，由于其所承载的重量十分沉重，所以在设计其方向机和回转机的时候需要考虑平衡承载力矩。由此，平衡机被提出，用来平衡起落部分的重量对耳轴产生的重力矩。这在传统的火箭发射装置上比较易于实现，但在新提出的3-RPS并联机器人中，为了避免上平台越过其极限位置和RPS连杆在伸缩时承受到太大的重力矩。需要在上下平台间设计一个平衡机，在上下平台间提供一个推力或拉力，从而提供对RPS连杆的平衡力矩，用以平衡伸缩时对连杆的重力矩，这就需要重新考虑其平衡机的设计了。
平衡机的作用就是对起落部分提供一个力（推力或拉力），此力对铰接点之矩称为平衡力矩，它与俯仰部分的重力矩大小相近，方向相反， 以此来减小驱动RPS连杆的电机产生的力，同时消除撞击现象。
2.1 对平衡机的要求
对平衡机的主要要求是平衡性要好。由于重力矩是随俯仰角的大小而变化的，所以平衡机提供的平衡力矩也应作相应的变化。这样才能使平衡机的平衡性能好，保证仰角时轻便，俯角时平稳。此外，对平衡机的要求还有结构要简单，重量要轻，工作可靠，拆装方便，制造容易等。
2.2 平衡机的分类
平衡机按平衡力的方向来分，可以分为推式和拉式两种。对于推式平衡机，平衡机对俯仰部分的推力作用在铰接点的前方。对于拉式平衡机，当其拉力作用在铰接点前方时称为上拉式，当其拉力作用在铰接点后方时称为下拉式。推式平衡机结构简单，布置容易，但配置位置较暴露，易受损伤，一般用在最大仰角小于60°的装置上。下拉式平衡机配置较隐蔽，结构紧凑，但不易布置，一般用于仰角大于60°的装置上。
平衡机按弹性元件种类分，有弹簧式和气压式。弹簧式平衡机又分为圆柱螺旋弹簧式和扭力式。螺旋弹簧按其截面不同又有圆截面和矩形截面两种。扭力式又扭筒-扭杆式和叠板扭杆式之分。气压式平衡机是利用气体来作为弹性元件的，平衡机内充有数十个气压的空气或氮气，用液体密封，其液量须保证在任何俯仰角时液体都能盖住紧塞具。有的为了防止液体流入内筒，在内筒上部焊有细管，这样可以充分利用内筒空间，减小平衡机体积。平衡机外筒上的注气器，不应被其它机构遮蔽，并应保证在任何状态时注气孔均在液面之下。气压式平衡机与弹簧式平衡机相比，结构可以做得非常紧凑，体积小，重量轻，气压的调整也很简单。为了防止气体的泄漏，通常是利用液体来密封，而液体又靠紧塞装置来密封。所以紧塞装置的摩擦力的大小对平衡机影响较大，而且气压式平衡机对加工精度要求较高。
2.3 一种特别的平衡机
考虑到平衡机是安装到并联机器人上，所以合理的选择其最佳位置是极其重要的。对其性能而言，平衡机起到的辅助作用十分大，但若安装不当，就不会产生理想的效果，相反，还会引起不必要的许多问题。有一种新型的3-RPS并联机器人，它所采用的平衡装置别具一格，安装位置非常独特（如图1-2）。

图1-2 3-RPS机构及其平衡机
它采用交叉式立体平衡机，对并联机构的运动性能带来了很大的改善。其中，它加强了机构的升降、俯仰这两方向上自由度的运动，能准确、快捷地提供机构所需的平衡力矩，但是在倾侧的时候，它不能和其他两方向上一样提供合适的平衡力矩。本课题将继续研究该种平衡机的具体设计方案。

第三章 机电传动系统
机电传动系统里，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的机械特性尽量相配合。特性配合好的一个起码要求就是系统要能稳定运行。
机电传动系统的稳定运行包含两重含义:一是系统应能以一定速度匀速运转，二是系统受某种外部干扰(如电压波动、负载转矩波动等)而使运行速度稍有变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。
由分析可知，机电传动系统稳定运行的必要充分条件是：
⑴电动机和生产机械的机械特性曲线n=f(TM)和n= f(TL)有交点（即拖动系统的平衡点）；

再由公式知，，。
6.1.2 计算簧圈直径
弹簧圈内径D11=D1-d1=C1d1-d1=（6-1）﹡6.4=32mm，D12=D2-d2=C2d2-d2=（8-1）﹡7.1=49.7mm。弹簧圈外径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 计算弹簧圈数
选取K1ˊ=9N/mm，K2ˊ=11N/mm，则（梳状六根），（梳状五根）。
6.2 验算平衡力
1．上平台加载1.4t,从中间位置上升150㎜。
△X1=
△X2△X2△X2

实际抵消
2．上平台加载1.4t,从中间位置下降150㎜。
△X1‘=
△X2‘△X2‘=

实际抵消
3．平衡机上平台处于中间位置加载1.4t，右端上仰20°。
△X1‘’=
△X2‘’=

实际抵消
4．平衡机上平台处于中间位置加载1.4t，右端向上倾侧20°。
△X1‘‘’=

实际抵消

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