并联机器人设计论文设计

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。

尖键词:三自由度并联机构;并联机器人;设计;

1 •课题国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硏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'系统硏究了并联机构的综合问题，特别硏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LU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•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，大学的马履中教授、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。马履中等还硏制一种五自由度并联机构作为中医推皇机器人。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：

(I)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。

G)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尖重要的。

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：

(1)如果动平台和定平台是相似的正多边形,则整个工作空间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尖系，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z具有一个自由度1

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。