1、并聯機器人設計論文摘要：并聯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點,在21世紀將有廣闊的發展前景。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、機構設計和軌跡規劃等方面的研究，具有一定的理論意義。 關鍵詞： 三自由度

2、并聯機構；并聯機器人；設計；1.課題國內外現狀及研究的主要成果少自由度并聯機器人 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機器人的設計理論的研究和應用領域的拓展成為并聯機器人的 研究熱點之一。研究少自由度并聯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機 構、空間三自由度3-rps并聯機構，但對四，五自由度并聯機構未作詳細闡述。在Hunt之后,不斷有學者提出新的少自由度并聯機構機型。在少自由度并聯機構機型的研究中,三維平移并聯機構得到廣泛的重視。clavel提出了一種可實現純 平運動三自由度Del

3、ta 并聯機器人,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并聯機床上采用的構 型是由 Neumann發明的一種具有3個可控位置自由度的并聯機構，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,系統研究了并聯機構的綜合問題,特別研究了一類實現三自由度平動的并聯機構。Rasim Alizade于2004年提出基于平臺類型和聯接平臺的形式和類型進行分類的一種并聯機構的結構綜合和分類的新方

4、法和公式,并綜合出具有單平臺和多平臺的純并聯和串并聯復聯機構.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單元和并聯機器人機構結構組成的某些規律性，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、逆解數目小，且運動輸入輸 出具有一定解耦性為目標，綜合出了

5、一類新型三平移并聯機器人機構。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機構作為中醫推拿機器人。 沈惠平等研制一種新型三維平移并聯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，除了要滿足規定的運動形式、運動規律或運動軌跡外，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，應該優先選用機構構件數和運動副數少的機構，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

6、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時多數是靠經驗和直覺?，F在，為了開發出高精度、高速度和高效率的并聯機器人，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

7、便在滿足指定的設計指標下，機構的性能達到最優。由于并聯機器人與串聯機器人相比，工作空間小。因此為實現作業要求，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，在并聯機構的設計過程中必須要考慮要避免構型奇異。與串聯機器人不同的是，并聯機器人不僅有運動學奇異，還有由構型所導致的構型奇異。即奇異區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域。0.M給出了判定并聯機構發生構型奇異的條件:（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

8、在工作空間內的大部分區域都是奇異的。這種設計上的奇異的存在，將使并聯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域，即使沒有發生構型奇異，也有可能出現雅戈比矩陣條件數很大的情況，同樣會導致運動和力的傳遞性能變的很差，我們稱這種區域為病態條件區域。因此，進行并聯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區域3.3-RPS機構圖1-1所示的是一個3自由度的并聯機構，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R

9、PS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并聯機器人應用到火箭發射裝置中可以改良傳統火箭炮的平衡，射角，精確度等方面的問題。它的多自由度和便捷的數字控制方式是多年來火箭發射裝置夢寐以求的。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

10、通過電機帶動，經過三條RPS空間運動鏈的運動，從而促動上平臺的各種運動姿勢。 回轉運動：在這種3-RPS并聯機器人的機構中，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，從而上平臺繞轉動副作回轉運動，即有X與Y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。 圖1-1 3-RPS結構14 并聯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）：動平臺上執行器端點可從任何方向（位姿）

11、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

12、有幾何尺寸，因此各桿件之間在運動過程中可能發生相互干涉。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DiD。15 設計簡介與設計要求 本設計是在3-RPS并聯機構的內部設置一種平衡機，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，可有效提高畢業生工程實踐能力。3-RPS并聯機構的運動范圍為：俯仰20，傾側20，升降300，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并聯機

13、器人進行運動學描述和受力分析；然后著重研究如何實現機器的平衡問題，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 了解并聯機構，對已有的3-RPS并聯機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，進行平衡能力計算；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的火箭發射裝置中，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。這在傳統的火箭發射裝置上比較易于實現，但在新提出的3-RPS并聯機器人中，為了避免上平臺越過其極限位置和RPS連

14、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。此外，對平衡機的要求還有結構要簡單，重

15、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

16、式平衡機是利用氣體來作為彈性元件的，平衡機內充有數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機器人上，所以

17、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，還會引起不必要的許多問題。有一種新型的3-RPS并聯機器人，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。本課題將繼續研究該種平衡機的具體設計方案。第三章 機電傳動系統機電傳動系統里，電動機與生產機械連成一體，為了使

18、系統運行合理，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要能穩定運行。機電傳動系統的穩定運行包含兩重含義:一是系統應能以一定速度勻速運轉，二是系統受某種外部干擾(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能恢復到原來的運行速度。由分析可知，機電傳動系統穩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(TM)和n= f(TL)有交點（即拖動系統的平衡點）；再由公式知，。6.1.2 計算簧圈直徑彈簧圈內徑D11=D1-d1=C1d1-d1=（6-1）6.4=32mm，D12=D2-d2=C2d2-d2=（8-

19、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 計算彈簧圈數選取K1=9N/mm，K2=11N/mm，則（梳狀六根），（梳狀五根）。6.2 驗算平衡力1上平臺加載1.4t,從中間位置上升150。 X1= X2X2X2 實際抵消2上平臺加載1.4t,從中間位置下降150。 X1= X2X2= 實際抵消3平衡機上平臺處于中間位置加載1.4t，右端上仰20。 X1= X2= 實際抵消4平衡機上平臺處于中間位置加載1.4t，右端向上傾側20。 X1= 實際抵消參 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. 并聯機器人機構學理論及控制. 北京：機械工業出版社，1997；3. 吳秉賢，嚴世澤，龔龍興. 火箭發射裝置機構分析. 國防工業出版社，1988.7；4. 賀北斗，林永明，曹聽榮. 火箭發射裝置設計. 國防工業出版社，1988.7；5. 華東工程學院102教研室. 火箭