一种新型伪四自由度并联机器人的设计与分析

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仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析随着人工智能和机器人技术的发展，仿人机器人在工业、医疗、服务等领域得到了广泛应用。

仿人机器人的机械臂部分是实现其运动和操纵功能的重要组成部分。

本文将对仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能进行分析。

仿人机器人的机械臂一般由多个自由度的关节连接而成。

四自由度机械臂指的是机械臂的关节个数为四个，每个关节都能绕特定轴向进行运动。

这样的设计可以实现机械臂在三维空间内的灵活运动。

在设计方面，首先需要确定机械臂的结构和尺寸。

机械臂的结构可以采用串联或并联结构。

串联结构是指将多个关节依次串联起来，其中每个关节都有一个自由度。

并联结构则是将多个关节通过某个平台连接在一起，各个关节之间可以同时进行运动。

根据具体应用需求和工作环境，选择合适的结构。

需要确定机械臂各个关节的类型和参数。

常见的关节类型有旋转关节和滑动关节。

旋转关节可以实现物体的旋转运动，滑动关节可以实现物体的平移运动。

通过确定关节的类型和参数，可以进一步确定机械臂的运动范围和灵活度。

在性能分析方面，主要包括静态和动态性能的分析。

静态性能分析是指对机械臂在不同位置和姿态下的稳定性进行评估。

评估方法可以采用力矩的计算和力学模型的建立，以确定机械臂能够承受的最大负载和最大力矩。

动态性能分析是指对机械臂的运动速度和加速度进行评估。

评估方法可以采用运动学和动力学模型的建立，以确定机械臂的最大运动速度和最大加速度。

还需要对机械臂的精度和重复定位精度进行分析。

精度是指机械臂能够达到的目标位置和姿态与实际位置和姿态之间的差距。

重复定位精度是指机械臂在多次运动中能够保持的位置和姿态的稳定性。

评估方法可以采用传感器测量和误差分析的方法，以确定机械臂的精度和重复定位精度。

仿人机器人四自由度机械臂的设计和性能分析是实现其灵活运动和操纵功能的重要工作。

通过合理的设计和精确的性能评估，可以提高机械臂的工作效率和可靠性，进而推动仿人机器人在各个领域的应用。

四自由度机器人设计及分析

四自由度机器人设计及分析首先，设计一个四自由度机器人需要考虑机器人的结构和运动方式。

机器人的结构可以采用串联结构或并联结构。

串联结构是将各个旋转关节按照顺序链接起来，形成一个连续链条；而并联结构是通过并联机构将多个旋转关节连接起来，共同作用于机器人的末端执行器。

接下来，需要确定机器人的关节类型和参数。

常见的关节类型包括旋转关节和剪切关节。

旋转关节可以实现绕一些固定轴旋转，而剪切关节可以实现平移和旋转的复合运动。

在确定关节类型后，还需要考虑各个关节的转动范围、转动速度和负载能力等参数。

在进行四自由度机器人的运动分析时，可以采用运动学方法和动力学方法。

运动学方法主要研究机器人的位置、速度和加速度等随时间变化的规律，可以通过矩阵运算和几何推导等方法求解。

动力学方法则关注机器人的力学特性和运动过程中的力、力矩等量，可以通过运动学和力学方程来描述机器人的运动。

在运动学分析中，可以通过正逆运动学求解机器人的位置和姿态。

正运动学是根据关节参数和关节角度求解机器人位姿的问题，可以通过矩阵变换和旋转矩阵等方法求解。

逆运动学则是根据机器人末端执行器的位姿求解各个关节的角度，可以通过三角函数和解方程等方法求解。

在动力学分析中，可以通过运动学和基本力学原理推导出机器人的运动方程。

运动学方程描述机器人各个关节的速度和加速度与末端执行器的位姿之间的关系；动力学方程则描述机器人的力、力矩与关节角度、角速度和角加速度之间的关系。

同时，还可以利用仿真软件对四自由度机器人进行仿真分析。

通过建立机器人的仿真模型，可以模拟机器人的运动轨迹和运动过程，验证设计参数的合理性以及对不同操作条件的响应。

总之，设计和分析四自由度机器人需要考虑机器人的结构和运动方式，确定关节类型和参数，并通过运动学和动力学方法来研究机器人的运动特性。

利用仿真软件可以对机器人进行仿真分析，验证设计参数的合理性。

一种新型四自由度并联机构设计与分析

摘
要：据放大尺原理构建具有大缩放比的六自由度菱形运动支链和四自由度菱形运动支链，根将
其作为并Biblioteka 机构组成支链，出一种具有结构紧凑、提工作空间大的新型四自由度并联机器人机构．
依据等效替换原理，菱形机构虚拟轴用传统串联运动支链的实轴替代，到新型四自由度并联机将得构的等效模型．利用螺旋理论分析了新型并联机构等效模型各支链的运动螺旋系和约束反螺旋系，
ａｄｂｓｄｏｈｓｏｅ４Ｄｏｐｒｌｌｎｐｌｔｒｗｉｏｐｃｔｕｔｒｎｒｅｗｏｋｐｃｎａｅｎｔｉ，ａｎｖｌ一Ｆａａｌｅｍａｉｕａｏｔａｃｍａｔｒｃｕｅａｄａｌｇｒｓａｅｈｓａ
的刚度，更好的精度和承载能力，被广泛应用到航天器对接装置雷达定向装置以及虚拟轴高速并联机床等领域… 尤其是少自由度并联机器人机构还具１．
ｐａｆｒ．ｌｔｏｍ
Ｋｅｏｄ：ａａｌｌｎｐｌｔｒ４ＩＯＦ；ｃｌｇｒｌｒｈｍｂｓｍｅｈｎｓｙｗｒｓｐｒｌｅｍａｉｕａｏ；一）ｓａｉｅ；ｒｏｕｃａｉｎｕｍ
并联机构比起传统的串联机器人机构具有更高
第３５卷第４期
北
京
交
通
大
学
学
报
Ｖ１５Ｎ．０．ｏ４３

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析一、引言随着人工智能和机器人技术的不断发展，仿人机器人已经成为了现实生活中不可或缺的一部分。

仿人机器人的机械臂是其重要的组成部分之一，可以实现多种任务，如工业生产、医疗协助、服务行业等。

设计和研究仿人机器人的机械臂具有重要的意义。

本文将对仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能进行分析和讨论，旨在为相关领域的研究者和开发人员提供参考和借鉴。

文章将从机械臂的设计原理、结构特点、性能参数等方面展开分析，以期为相关领域的研究和开发工作提供有益的启示。

二、仿人机器人四自由度机械臂的设计原理仿人机器人四自由度机械臂是一种具有四个独立运动自由度的机械装置，能够在三维空间内完成复杂的工作任务。

其设计原理主要是模拟人类手臂的动作和结构，实现对目标物体的抓取、移动、放置等操作。

机械臂的设计原理可以从多个方面来考虑，首先是运动特性的设计。

仿人机器人的机械臂通常采用直线运动和旋转运动相结合的设计，以实现多种不同的动作操作。

其次是结构特点的设计，包括连接结构、传动结构、关节结构等，需要考虑臂长、臂段间的柔性连接和刚性连接等因素。

最后是控制系统的设计，通过传感器和执行器来感知外部环境和实现机械臂的运动控制。

1. 关节结构2. 动力传递结构仿人机器人四自由度机械臂的动力传递结构采用传动装置和执行器相结合的设计，能够有效地实现动力传递和运动控制。

传动装置通常采用齿轮、皮带、链条等，能够实现高效的传动效果。

执行器则负责提供动力和控制机械臂的运动。

3. 结构刚度与柔度仿人机器人四自由度机械臂的结构刚度和柔度需要进行合理的设计，以适应不同的工作环境和任务要求。

结构刚度决定了机械臂的稳定性和精度，结构柔度则能够减小机械臂的质量和能量消耗。

1. 负载能力仿人机器人四自由度机械臂的负载能力是衡量其性能的重要指标之一。

负载能力决定了机械臂能够完成的工作任务的种类和范围。

通常来说，负载能力越大，机械臂的应用范围就越广泛。

新型移动并联机器人动力学分析与控制设计

新型移动并联机器人动力学分析与控制设计新型移动并联机器人动力学分析与控制设计一、引言近年来，机器人技术的发展取得了长足的进步，并被广泛应用于工业、医疗、军事等领域。

移动并联机器人因其具有高度机动性和灵活性的特点，成为研究的热点之一。

本文旨在对新型移动并联机器人的动力学进行分析与控制设计，以优化机器人的运动能力和工作效率。

二、新型移动并联机器人的基本结构新型移动并联机器人是指通过多个机械臂和轮式底盘结合而成的机器人系统。

其具有高度机动性，能够在不同地形环境下进行运动和工作。

新型移动并联机器人的基本结构包括机械臂部分和底盘部分。

机械臂部分是机器人的工作单位，负责完成各种任务。

通常由多个自由度的机械臂构成，每个机械臂上安装有各种工具和装置，以完成特定的工作。

机械臂的设计和动力学分析是新型移动并联机器人研究的重点之一。

底盘部分是机器人的移动单位，负责机器人的定位和导航。

底盘通常由多个封闭式回路构成，每个回路上配有一个轮子或履带，通过电机驱动实现运动。

底盘的设计和动力学分析对机器人的移动性能和稳定性至关重要。

三、新型移动并联机器人的动力学分析动力学分析是研究物体运动的一种方法，它借助于力学和数学工具，研究物体在外力作用下的运动规律。

对于新型移动并联机器人而言，动力学分析能够揭示机器人在不同工作状态下的力学特性，为机器人的运动控制提供关键参数。

1. 机械臂动力学分析机械臂的动力学分析是指研究机械臂在外力作用下的运动规律。

机械臂的运动可以分解为位置、速度和加速度三个方面。

通过分析机械臂各个关节的动力学特性，可以确定机械臂在特定工作状态下的力学性能。

动力学分析的结果可以用于机械臂的运动规划和控制。

2. 底盘动力学分析底盘的动力学分析是指研究底盘在外力作用下的移动规律。

底盘的移动可以分解为位置、速度和加速度三个方面。

通过分析底盘的运动特性和所受力的分布，可以确定底盘在不同地形环境和工作状态下的运动性能。

动力学分析的结果可以用于底盘的运动控制和路径规划。

一种新型的四自由度并联机器人机构[实用新型专利]

专利名称：一种新型的四自由度并联机器人机构
专利类型：实用新型专利
发明人：王汪林,伞红军,陈久朋,胡琼琼,李鹏宇,徐洋洋,陈佳申请号：CN202023141126.0
申请日：20201222
公开号：CN215618060U
公开日：
20220125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种新型的四自由度并联机器人机构，包括横板，所述横板的下侧固定连接有多个竖板，所述横板的上侧固定连接有多个电机，所述横板的下方设置有连接板，所述连接板与多个竖板之间通过多个连接机构相连接，所述竖板的下侧固定连接有安装板，所述安装板的前侧设置有用于夹持物料的夹持机构。

本实用新型结构设计合理，实现了利用四个连杆带懂连接板移动，具有较高的灵敏度与精准度，其次可对不同位置的物料进行夹持，并对物料进行搬运。

申请人：昆明理工大学
地址：650504 云南省昆明市呈贡区吴家营街道昆明理工大学怡园
国籍：CN
代理机构：郑州芝麻知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：李琼
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仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析一、引言随着科技的发展，机器人技术不断地得到突破和进步，而仿人机器人的研究也成为了当前的热点之一。

仿人机器人四自由度机械臂作为仿人机器人的重要组成部分，其设计与性能分析显得尤为重要。

本文将对仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能进行详细分析。

1. 结构设计仿人机器人四自由度机械臂的结构设计需要考虑到其在模仿人体手臂动作的具有较好的稳定性和灵活性。

一般来说，仿人机器人四自由度机械臂包括基座、肩部关节、肘部关节和手部末端执行器。

基座用于支撑整个机械臂，肩部关节连接基座和肘部关节，肘部关节连接肩部关节和手部末端执行器。

这样的结构设计使得仿人机器人四自由度机械臂可以模仿人体手臂的运动轨迹和姿态。

2. 关节设计仿人机器人四自由度机械臂的关节设计需要兼顾其运动范围和受力情况。

一般来说，仿人机器人四自由度机械臂的关节设计包括电机、减速器和传动装置。

电机用于驱动机械臂的运动，减速器用于降低电机的转速，并且增加扭矩输出，传动装置用于将电机的转动转化为机械臂的运动。

通过合理的关节设计，能够使得仿人机器人四自由度机械臂具有良好的动作稳定性和较大的运动范围。

3. 控制系统设计1. 运动精度仿人机器人四自由度机械臂的运动精度是其性能的重要指标之一。

一般来说，运动精度可以通过机械臂的姿态误差和末端执行器的定位误差来衡量。

姿态误差是机械臂实际姿态与期望姿态之间的偏差，而末端执行器的定位误差是指实际位置与期望位置之间的偏差。

通过对仿人机器人四自由度机械臂的运动精度进行分析，能够评估其在不同工作条件下的运动表现。

2. 负载能力仿人机器人四自由度机械臂的负载能力是指其能够承受的最大负载。

一般来说，负载能力直接影响机械臂的实际应用范围和工作效率。

通过对仿人机器人四自由度机械臂的负载能力进行分析，能够评估其在不同工作条件下的负载承受能力，为实际工程应用提供参考。

《计算机控制技术》新型4自由度空间并联机构自动分拣不同重量的水果

4.计算机控制系统硬件部分原理图下位机控制器选择：本次选用TMS320F28335芯片TMS320F28335数字信号处理器是属于C2000系列的一款浮点DSP控制器。

与以往的定点DSP相比,该器件的精度高,成本低,功耗小,性能高,外设集成度高,数据以及程序存储量大,A/D转换更精确快速等。

其主要有8个部分组成，由32位的cpu内核、集成内存、总线、DMA、DMA总线、中断管理、控制率加速器、外设总线、外设等部分。

总线为哈佛结构，cpu可在一个时钟周期完成对数据存储器与程序存储器的访问。

DMA总线，可以使特定模块直接与内存交换数据，不过cpu。

F28335属于C28x+FPU （Floating Point Unit，浮点运算单元）的C28x 系列增强型DSP 控制器（Digital Signal Controllers，DSC），包括一个32位定点cpu一个32位浮点运算单元。

浮点数格式遵循ieee-754标准。

得益于其浮点运算单元,用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力,与前代DSP相比,平均性能提高50%,并与定点C28x控制器软件兼容,从而简化软件开发,缩短开发周期,降低开发成本。

28335的功能框图。

特性：•高性能静态CMOS 技术o高达150MHz（6.67ns 周期时间）o 1.9V/1.8V 内核、3.3V I/O 设计28335芯片主要包括以下部分：⑴中央处理器(CPU)⑵内部总线结构⑶特殊功能寄存器⑷数据存储器（RAM）⑸程序存储器（ROM）⑹I/O接口（拓展功能）⑺串行口⑻主机接口（HPI）⑼定时器⑽中断系统2.计算机控制系统结构：3.控制系统硬件结构框图：三、软件程序设计1.控制任务过程分析本次设计要求是通过新型4自由度空间并联机构来实现对水果的辨别，挑选与分类。

大致流程是通过相机或摄像头读取物品信息，进行图像的处理，将产品定位后将其进行分类，再用机械手将目标抓取运送到相应位置。

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
随着机器人技术的发展，人类对机器人的要求也越来越高，因此仿人机器人受到越来
越广泛的关注。

机器人的机械臂是实现机器人操作的重要组成部分，因此对机械臂的设计
和性能分析至关重要。

本文设计了一种四自由度仿人机器人机械臂，并对其进行了性能分析。

一、机械臂的结构设计
本文设计的仿人机器人机械臂采用直线型结构，共有四个关节，每个关节都由电机、
减速机、编码器、传感器等组成。

机械臂的末端装有夹具，可以完成物体的抓取和放置。

二、机械臂的性能分析
1. 运动学分析
机械臂的运动学分析是机械臂设计中十分重要的一环，决定了机械臂的运动范围和精
度等性能。

本文采用DH参数法进行运动学建模，建立了机械臂的正运动学和逆运动学模型。

我们可以通过模型求解机械臂的任意位置、姿态等信息。

机械臂的动力学分析是分析机械臂运动状态下的力学性能，其中包括机械臂负载、加
速度、速度、动量等参数。

本文采用拉格朗日方程法对机械臂进行动力学模拟，将机械臂
与负载视为一个整体进行分析。

3. 控制系统设计
机械臂的控制系统是指控制机械臂运动的硬件和软件系统，包括控制算法、控制器、
传感器等。

本文采用PID控制算法进行机械臂的控制，将机械臂的位置、速度等参数输入
控制器进行控制。

三、结论
本文设计的四自由度仿人机器人机械臂具有较好的性能表现，在运动学分析、动力学
分析和控制系统设计方面均具有优秀的性能表现。

本文的研究成果为仿人机器人的研究和
发展提供了有益的参考和借鉴。

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析一、引言1. 结构设计仿人机器人四自由度机械臂的结构设计是其设计的核心，直接影响了机械臂的性能和功能。

一般而言，仿人机器人四自由度机械臂的结构设计主要包括四个方面：机械臂的关节结构、连杆结构、末端执行器以及传动系统。

首先是机械臂的关节结构，一般采用旋转关节和直线关节相结合的方式，使得机械臂能够在不同方向上做出灵活的运动；其次是连杆结构，通常采用轻质、高强度的材料制造，以保证机械臂的刚性和稳定性；再次是末端执行器，根据机械臂的实际应用需求，可以选择不同的末端执行器，如夹持器、激光切割头等；最后是传动系统，一般采用电机和减速器相结合的方式，以保证机械臂具有较高的运动精度和稳定性。

2. 控制系统仿人机器人四自由度机械臂的控制系统是其设计的另一个重要组成部分，其设计主要包括控制算法的设计和实现、传感器系统的设计和实现以及执行系统的设计和实现。

首先是控制算法的设计和实现，其主要目的是根据外部输入的控制信号，计算出机械臂各个关节的运动轨迹，并将其转化为相应的控制信号；其次是传感器系统的设计和实现，通常包括位置传感器、力传感器等，用于实时监测机械臂的运动状态和外部环境的信息；最后是执行系统的设计和实现，主要包括电机、减速器等，用于实现机械臂的各种运动。

1. 运动性能仿人机器人四自由度机械臂的运动性能是其重要的性能指标之一，主要包括运动范围、运动速度、加速度以及动态性能。

首先是运动范围，通常根据机械臂的实际应用需求确定，一般要求机械臂能够在一定的空间范围内进行灵活的运动；其次是运动速度，通常要求机械臂具有较高的运动速度，以提高工作效率；再次是加速度，一般要求机械臂具有较高的加速度，以保证机械臂在短时间内能够完成快速的运动；最后是动态性能，一般要求机械臂具有较好的动态性能，以保证机械臂在运动过程中能够具有较好的稳定性和精度。

2. 精度性能3. 负载能力仿人机器人四自由度机械臂的负载能力是其另一个重要的性能指标，主要包括静态负载能力和动态负载能力。

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析1. 引言1.1 研究背景随着工业自动化技术的不断发展，机器人在生产制造领域的应用越来越广泛。

机械臂作为机器人的重要组成部分，承担着各种复杂任务的执行。

在仿人机器人领域，为了更好地模拟人类的运动和动作，研究人员开始关注仿人机器人四自由度机械臂的设计和性能分析。

传统的机器人臂多采用三自由度或五自由度的结构，而仿人机器人四自由度机械臂则更贴近人类的生理结构和运动特点。

通过设计一个具有四个关节的机械臂，可以更好地模拟人类的肩、肘和手腕关节的运动，实现更加灵活和精准的动作。

研究仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析，不仅可以提高机器人在工业生产中的效率和灵活性，还可以为未来的智能机器人领域带来更多的创新和发展。

本文旨在探讨该领域的相关研究现状，为进一步深入研究提供理论基础和技术支持。

1.2 研究目的本研究的目的是通过设计和性能分析仿人机器人四自由度机械臂，探讨机器人在工业自动化领域中的应用潜力。

通过对机械臂的结构设计和性能分析，探讨如何提高机械臂的精确度、速度和稳定性，以满足工业生产中对高效、精准操作的需求。

通过研究机械臂的控制方式和优缺点分析，进一步完善机械臂的设计，提高机器人的自主操作能力和适应性。

通过本研究，将为机器人技术在工业制造领域的应用提供参考，促进机器人技术的发展和应用。

通过对仿人机器人四自由度机械臂的工程应用前景和未来发展方向的探讨，为进一步研究和开发更先进的机器人技朧提供指导和启示。

1.3 研究意义仿人机器人四自由度机械臂的研究具有重要的意义。

该技术的研究可以推动机器人技术的发展，提高机器人的操作灵活性和智能化程度，使机器人在各种复杂任务中的应用更加广泛。

仿人机器人四自由度机械臂可以在医疗领域得到广泛应用，例如手术机器人可以通过仿人机器人四自由度机械臂进行精确操作，减少手术过程中的误差，提高手术成功率。

仿人机器人四自由度机械臂的研究也可以在工业领域发挥重要作用，提高生产效率，减少人力成本，实现自动化生产。

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析仿人机器人是一种模仿人类行为和外貌的智能机器人系统，具有广泛的应用前景。

在仿人机器人中，机械臂的设计和性能对于实现人机交互和执行各种复杂任务具有重要的影响。

一、四自由度机械臂的设计四自由度机械臂是指机械臂具有四个关节，可以实现在三维空间内的四个方向的运动。

在仿人机器人系统中，四自由度机械臂可以用来模拟人类的肢体动作，完成各种复杂任务。

1. 关节设计四自由度机械臂的关节设计需要满足以下要求：（1）轻量化：为了使机械臂具有较好的灵活性和机动性，关节的设计应尽量减小重量，提高机械臂的响应速度。

（2）刚性：在执行任务过程中，机械臂需要保持一定的刚性，避免因外界干扰导致的形变和抖动。

（3）精度：机械臂关节的设计应保证精确的位置控制，具有优良的重复性和定位精度。

2. 结构设计四自由度机械臂的结构设计需要满足以下要求：（1）连杆长度：结构设计需要考虑到机械臂在不同任务场景下的工作空间，保证机械臂能够完成所需的各种动作。

（2）连接方式：机械臂的连接方式应该灵活可靠，可以通过各个关节的转动实现多种姿态的变化。

（3）阻尼装置：为了减小关节运动过程中的冲击和振动，可以在机械臂关节中加入适当的阻尼装置。

二、性能分析机械臂的性能对于仿人机器人系统的功能实现和工作效率具有重要的影响。

1. 动作速度机械臂的动作速度直接影响到任务的执行效率。

通过提高机械臂的响应速度和运动速度，可以缩短任务执行的时间。

机械臂的动作速度也需要根据具体任务的需求进行调整，避免过快或过慢的动作对任务的影响。

2. 负载能力机械臂的负载能力是指机械臂能够承受的最大负载重量。

在设计机械臂结构时，需要考虑到机械臂在执行任务时所需携带的物体的重量，确保机械臂能够承受相应的负载。

3. 精度和稳定性机械臂的精度和稳定性是指机械臂在执行任务时的位置控制精度和运动中的稳定性。

在设计机械臂时，需要选择合适的传感器和控制算法，提高机械臂的位置控制精度和运动平稳性，避免在任务执行过程中出现偏差和抖动。

一种新型四自由度混联机器人的设计与分析

一种新型四自由度混联机器人的设计与分析
李伟;王权;何兵;管健
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2015(000)005
【摘要】通过对机器人串并联结构的分析,设计了一种新型的四自由度混联机器人,克服了同类机器人腕部俯仰电机不容易被安放在机架上的困难.将控制电机都设计在机架上,大小臂电机不同轴,腕部俯仰电机与大臂电机同轴,通过一种双平行四边形机构实现腕部俯仰动作,结构简单、俯仰角容易控制,俯仰运动不受大小臂运动的影响而发生牵连运动.腕部俯仰驱动的传动件为连杆,与大小臂以并联的形式进行连接,对机器人模型进行静力学分析,分析结果表明这种腕部俯仰机构能够提高机械臂的抗弯刚度.
【总页数】4页(P168-170,174)
【作者】李伟;王权;何兵;管健
【作者单位】郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州450002
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TP24
【相关文献】
1.一种新型伪四自由度并联机器人的设计与分析 [J], 樊启高;孙璧文;于振中;武亚恒
2.一种新型的五自由度混联抛光机器人的分析 [J], 李提伟;赵一杰;曹凯
3.考虑工作空间与力传递效率的新型五自由度混联机器人设计与分析 [J], 许允斗; 徐郑和; 杨帆; 赵云; 梅有恩; 周玉林; 姚建涛; 赵永生
4.一种新型非对称五自由度混联机器人的尺度综合 [J], 董成林;刘海涛;杨俊豪
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一种新型四自由度并联机器人

一种新型四自由度并联机器人陈文家1　张剑峰1　杨　玲2　赵明扬2(1.扬州大学工学院机械工程系,江苏扬州,225009;2.中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁沈阳,110016)摘　要:提出一种用铅垂导轨上4个滑块作为原动件的新型四自由度并联机器人.该并联机器人的动平台能够实现两个方向的移动以及绕两个方向轴线的转动.研究了该并联机器人的运动学建模方法,给出了运动学正、逆解,用Grass m ann 几何法分析了该并联机器人在其工作空间内不会出现奇异形位.基于该四自由度并联机器人可以非常方便地开发具有大工作空间的五轴联动数控机床.关键词:并联机器人;四自由度;滑块驱动;运动学建模;奇异形位中图法分类号:T P 242.2;TH 132 文献标识码:A 文章编号:1007824X (2002)02004105自从Gough 以及Stew art 提出并联机构概念以来,并联机构在机器人、机床制造、飞船对接器、仿真平台等领域获得了广泛的应用[1～4].过去20多年中,许多研究工作者提出了各种形式的并联机构,但大多数研究工作主要集中在六自由度和三自由度的并联机构以及并联机器人[5～11].在实际应用中,许多应用场合需要提供多于3个自由度而又比六自由度机构更简单的并联机构(或并联机器人).例如,一般切削过程只需控制5个轴的进给运动,外加主轴本身的转动就可以加工其工作空间内的任意自由曲面.可以设想用四自由度并联机器人给主轴提供4个自由度的进给运动,同时由装夹工件的工作台实现一个方向的移动,可以很方便地做成结构简单、易于控制的五轴联动数控机床.本文介绍一种新型四自由度并联机器人,其动平台能够实现两个方向的移动以及绕两个方向轴线的转动,基于该四自由度并联机器人可以非常方便地开发具有大工作空间的五轴联动数控机床.图1　新型四自由度并联机器人F ig .1　A novel 4degree of freedo m parallel man ipulator1　机构设计四自由度并联机器人机构如图1所示,动平台在T 1(T 2);T 3,T 4分别用铰链与4个连杆相连,4个连杆的另一端分别在S 1,S 2,S 3,S 4用铰链与沿机架移动的4个滑块相连,其中S 3,S 4处的运动副为1自由度的转动副;S 1,S 2处的运动副为2自由度的万向铰链;T 1,T 2,T 3,T 4处的运动副为球副(T 1与T 2为复合球铰).根据Ku tzbach Grub ler 公式,机构自由度为M =d (n -g -1)+∑gi =1fi ,(1)式中M 为机构的自由度数;d 为环路的阶数;n 为构件数;g 为运动副数;f i 为第i 个运动副的自由度数.该机构的自由度M =6(10-12-1)+(1×6+2×2+3×4)=4.因此,给4个滑块S 1,S 2,S 3,S 4确定的输入,该机构则具有确定的相对运动.由于该机构独特的结构设计,其动平台的运动自由度可收稿日期:20010330基金项目:国家“九五”攻关课题资助项目(96A 220103);中国科学院机器人学开放研究实验室资助项目(RL 199811)第5卷第2期扬州大学学报(自然科学版)V o l .5N o.22002年5月JOU RNAL O F YAN GZHOU UN I V ER S IT Y (NA TU RAL SC IEN CE ED IT I ON )M ay 2002以直观地加以判别:S3T3T4S4相当于构成一个Oy z平面内的单环路平面六杆机构,其中连线T3T4具有3个运动自由度,分别为沿y,z方向的移动以及绕x方向的转动,而动平台T1T2T3T4可以绕T3T4轴线转动,所以动平台的4个自由度为两个移动以及两个转动.2　运动学逆解逆运动学问题可描述为:给定动平台的位置和姿态,求能实现该位置、姿态的驱动关节位移[12].首先建立坐标系,仿照一般机器人,定义一个基础坐标系以及一个活动坐标系,参见图1.活动坐标系(O′x′y′z′)位于动平台上,原点O′位于T3,T4连线中点处,x′轴通过T1与T2的复合球铰中心,显然以动平台中心为原点的工具坐标系相对该动坐标系的描述是一移动量为常数的移动变换矩阵,下文对这一变换关系不再赘述;基础坐标系(O xy z)设在机座上,其方向与动平台处于水平位置时活动坐标系(O′x′y′z′)的方向相同,原点O位于动平台处于水平位置时活动坐标系(O′x′y′z′)的z′轴上.显然,动平台可以相对基础坐标系作y向或z向移动以及绕活动坐标系的x′方向的轴或y′方向的轴转动.以P和R分别表示动坐标系(O′x′y′z′)相对基础坐标系(O xy z)的位置和姿态,P为一个3×1矢量,R为一个3×3矩阵,由于该操作机的特殊结构,P及R可表示为P=[p x,p y,p z]T=[0,p y,p z]T,(2)R=R x′R y′,(3)式中R x′代表动平台绕x′轴旋转A角的旋转矩阵,Ry′为动平台绕y′轴旋转B角的旋转矩阵:R x′=1000c A-s As A c A,　R y′=c B0s B010-s B0c B.因此R=R x′R y′=c B0s Bs A s B c A-s A c B -s B c A s A c A c B.设动平台上的4个铰链T1,T2,T3,T4在各自动坐标系中的坐标值用如下矢量表示:T′i=[x i,y i,z i]T　(i=1～4),(4)则T i(i=1,2,3,4)在基础坐标系(O xy z)中的坐标可表示为T i=R T′i+P　(i=1～4),(5)或写为t ixt iy t iz =Rx iy iz i+p yp z　(i=1～4).设4个连杆的长度分别用L1,L2,L3,L4表示,则以下约束方程即为该操作机的运动学逆解方程:L2i=‖S i-T i‖2　(i=1～4),(6)或写成分量形式:L2i(S ix-t ix)2+(S iy-t iy)2+(S iz-t iz)2,其中S iz=H i.因此,各滑块位移可表示为24扬州大学学报(自然科学版)第5卷H 1=t 1z +L 21-(S 1x -t 1x )2-(S 1y -t 1y )2,H 2=t 2z +L 22-(S 2x -t 2x )2-(S 2y -t 2y )2,H 3=t 3z +L 23-(S 3x -t 3x )2-(S 3y -t 3y )2,H 4=t 4z +L 24-(S 4x -t 4x )2-(S 4y -t 4y )2.(7)3　运动学正解该四自由度并联平台机构的运动学正解问题可描述为:已知驱动分支的行程H i (i =1～4),求动平台的位置(0,p y ,p z )和姿态(A ,B ).将T i 的坐标代入式(6),得关于p y ,p z ,A ,B 4个未知数的方程组:f i (p y ,p z ,A ,B )=0　(i =1～4),(8)式中f 1=-L 21+S 21x +S 21y +H 21+x 21+y 21+z 21-2S 1y p y -2H 1p z +p 2y +p 2z -2S 1x x 1c B -2S 1x z 1s B -2S 1y y 1c A -2H 1y 1s A -2S 1y x 1s A s B +2S 1y z 1s A c B +2H 1x 1c A s B -2H 1z 1c A c B +2y 1p y c A +2p z y 1s A +2x 1p y s A s B -2p y z 1s A c B -2p z x 1c A s B +2p z z 1c A c B =0,f 2=-L 22+S 22x +S 22y +H 22+x 22+y 22+z 22-2S 2y p y -2H 2p z +p 2y +p 2z -2S 2x x 2c B -2S 2x z 2s B -2S 2y y 2c A -2H 2y 2s A -2S 2y x 2s A s B +2S 2y z 2s A c B +2H 2x 2c A s B -2H 2z 2c A c B +2y 2p y c A +2p z y 2s A +2x 2p y s A s B -2p y z 2s A c B -2p z x 2c A s B +2p z z 2c A c B =0,f 3=-L 23+S 23x +S 23y +H 23+x 23+y 23+z 23-2S 3y p y -2H 3p z +p 2y +p 2z -2S 3x x 3c B -2S 3x z 3s B -2S 3y y 3c A -2H 3y 3s A -2S 3y x 3s A s B +2S 3y z 3s A c B +2H 3x 3c A s B -2H 3z 3c A c B +2y 3p y c A +2p z y 3s A +2x 3p y s A s B -2p y z 3s A c B -2p z x 3c A s B +2p z z 3c A c B =0,f 4=-L 24+S 24x +S 24y +H 24+x 24+y 24+z 24-2S 4y p y -2H 4p z +p 2y +p 2z -2S 4x x 4c B -2S 4x z 4s B -2S 4y y 4c A -2H 4y 4s A -2S 4y x 4s A s B +2S 4y z 4s A c B +2H 4x 4c A s B -2H 4z 4c A c B +2y 4p y c A +2p z y 4s A +2x 4p y s A s B -2p y z 4s A c B -2p z x 4c A s B +2p z z 4c A c B =0.不失一般性,将z 1=z 2=z 3=z 4=0,y 1=y 2=0,x 3=x 4=0,s 3x =s 4x =0代入上式,得f 1=-L 21+S 21x +S 21y +H 21+x 21-2S 1y p y -2H 1p z +p 2y +p 2z -2S 1x x 1c B -2S 1y x 1s A s B +2H 1x 1c A s B +2x 1p y s A s B -2p z x 1c A s B =0,f 2=-L 22+S 22x +S 22y +H 22+x 22-2S 2y p y -2H 2p z +p 2y +p 2z -2S 2x x 2c B -2S 2y x 2s A s B +2H 2x 2c A s B +2x 2p y s A s B -2p z x 2c A s B =0,f 3=-L 23+S 23y +H 23+y 23-2S 3y p y -2H 3p z +p 2y +p 2z -2S 3y y 3c A -2H 3y 3s A +2y 3p y c A +2p z y 3s A =0,f 4=-L 24+S 24y +H 24+y 24-2S 4y p y -2H 4p z +p 2y +p 2z -2S 4y y 4c A -2H 4y 4s A +2y 4p y c A +2p z y 4s A =0.式(8)即为该操作机的运动学正解模型.分别以k ,l ,m ,n 代表s A ,c A ,s B ,c B 代入f i 中,考虑到k 2+l 2=1,(9)m 2+n 2=1.(10)则联立(8)(9)(10)式得到关于p y ,p z ,k ,l ,m ,n 6个未知数的高次非线性方程组,可用N ew tonR ap h son 方法求解[13].4　特殊形位分析当并联机器人机构处于某些特定的形位时,其Jacob ian 矩阵成为奇异阵,对应的行列式为0,这34第2期陈文家等:一种新型四自由度并联机器人时机构的速度反解不存在,这种机构的形位就称为奇异形位或特殊形位.当并联机器人处于特殊形位时,其操作平台具有多余的自由度,这时机构就失去了控制[14],因此在设计和应用并联机器人时应避开特殊形位.并联机器人的特殊形位可以通过分析机构的Jacob ian矩阵是否奇异进行判别,也可以用Grass m ann线几何法通过线丛和线汇的特性来判别.由于本文所讨论的并联机器人只含有4个分支链,故使用Grass m ann线几何法进行分析相当方便.该并联机器人的4个分支对应4个线矢量,若其中的任意n(2≤n≤4)个线矢量所构成的子空间的秩少于n,则该并联机器人处于特殊形位[2,15].线矢在不同几何子空间下的秩的数目如表1[2].表1　线矢在不同几何空间下的最大线性无关数Tab.1　Nu m bers of li nearly i ndependen tli ne vectors i n var ious sub-spaces序号几何特点线矢数1共　轴12共面平行23平面汇交24空间平行35共　面36空间共点37汇交点在两面交线上的两平面汇交线束3显然,在该并联机器人4个支链对应线矢中:1)不会出现任意两线矢共轴情况;2)不会出现任意3线矢共面情况;3)不会出现任意3线矢平面汇交情况;4)不会出现4线矢空间平行、共面、空间共点情况;5)4线矢不会出现第7种情况.所以,该并联机器人在其工作空间内不会出现特殊形位.5　应用在四自由度并联机器人的动平台下方放置装夹工件的工作台并实现x方向的移动,在动平台上安装电主轴,可以非常方便地实现主轴相对工件之间的五坐标进给运动,5个坐标分别为x,y,z,A,B(其中A代表绕x轴的转动,B代表绕y轴的转动),其工作空间描述与传统机床非常接近.工作空间在工作台移动方向以及滑块导轨方向的尺寸可以按需要匹配,整个系统可以在标准组件的基础上构成.这种系统不仅可以用作铣床,将主轴代之以其他加工单元(如激光、水束、装配器械等),还可以扩大机床的应用范围.若应用于大负载场合,为了平衡x方向的负载,可以将T4S4杆以及T3S3杆制成在x方向分叉的结构或参照文献[13]的方法,增加一个约束机构.6　参考文献[1]　汪劲松,黄　田.并联机床机床行业面临的机遇与挑战[J].中国机械工程,1999,10(10):1103～1107[2]　黄　真,孔令富,方跃法.并联机器人机构学理论及控制[M].北京:机械工业出版社,1997.228～235[3]　W ECK M,DAM NO ER M.D esign,calculati on and contro l of m ach ine too ls based on parallel k inem atics[J].P roc T he A S M E,1998,8:715～721[4]　L I N L C,T SA Y M U.M odeling and contro l of m icro2po siti oning system s using stew art p latfo r m s[J].JRobo tic System s,2000,17(1):17～52[5]　黄　田,汪劲松,W H IT EHOU SE D J.Gough2stew 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m of the m an i p u lato r can tran slate along tw o directi on s and ro tate around tw o axes respectively .T he k inem atics m odel is fo r m u lated ,w h ich describes the inverse k inem atics and fo r w ard k inem atics .It is very easy to develop a 5ax is N C m ach ine 2too l w h ich is of larger 2w o rk space based on the 4degree of freedom p arallel m echan is m p resen ted inth is p aper .Keywords :p arallel m an i pu lato r ;4degree of freedom ;slider 2actuated ;k inem atic m odeling ;singu lar configu rati on s(责任编辑　晓　文) (上接第40面)THE APPL I CAT I ON OF COM PUTER PROBAB I L IT YSI M ULAT I ON ON SETT ING UP STAT IST I CAL FOR M ULAS OFTRANS M ISSI ON ACCURACY OF WOR M GEAR PA IRSZHAO Q ing 1　HU AN G Yue 2guang2(1.D ep t of A ut ,T ech Inst ,Yangzhou U niv ,Yangzhou ,225009,Ch ina ;2.CAD Cen ,Yangzhou V ocat Co ll ,Yangzhou ,225002,Ch ina )Abstract :Seting up the statistical fo r m u las of tran s m issi on accu racy of w o r m gear pairs ,a com p u ter can si m u late the distribu ti on p attern of a erro r and give the values of the erro r random ly .So a certain m esh p rocess can be si m u lated by the com p u ter .T he co rrecti on coefficien ts can be go tten and it can be u sed to m odify the statistical fo r m u las .Keywords :s m all m odu le cylindrical w o r m gear pair ;statistical fo r m u las of tran s m issi on accu racy ;com p u ter p robab ility si m u lati on ;co rrecti on coefficien ts(责任编辑　晓　文)54第2期陈文家等:一种新型四自由度并联机器人。

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析

仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
机械臂是一种能够模仿人类手臂动作的机械设备，可以用于工业自动化领域的装配、搬运、焊接等任务。

本文将介绍一种四自由度机械臂的设计与性能分析。

需要确定机械臂的四自由度。

通常，机械臂的自由度由其可自由运动的关节数确定。

四自由度机械臂通常由一个旋转关节、两个平移关节和一个再次旋转关节组成。

这些关节可以使机械臂在三维空间内进行各种运动。

根据机械臂的设计要求，需要确定机械臂的尺寸和结构。

机械臂的尺寸应根据任务的需要进行选择，同时需要考虑到机械臂的承重能力和工作空间。

机械臂的结构应具有足够的刚度和稳定性，以确保机械臂在运动过程中不会发生过大的振动。

为了实现机械臂的运动，需要选择适当的驱动方式和控制系统。

常见的机械臂驱动方式包括液压驱动、气动驱动和电动驱动。

在设计中需要考虑到驱动方式的性能和成本，以及控制系统的精度和稳定性。

性能分析方面，可以从以下几个方面进行评估。

首先是运动灵活性，即机械臂能够完成的运动范围和速度。

其次是运动精度，即机械臂运动的精确度和稳定性。

还需要考虑机械臂的负载能力，即机械臂能够承载的最大重量。

还需要考虑机械臂的可靠性和安全性。

四自由度机械臂的设计与性能分析是一个复杂的过程，需要考虑到任务要求、结构设计、驱动方式和控制系统等多个因素。

通过合理的设计和性能分析，可以实现机械臂的高效、稳定和可靠的运动。