一种并联机器人设计与仿真

一种并联机器人设计与仿真

发表时间：2018-10-01T10:48:46.027Z 来源：《电力设备》2018年第16期作者：闫新华孟岳闫新兴

[导读] 摘要：本文提出了一种并联机器人设计方案，根据设计要求在soildworks2014中合理建模，在SimulationXpress中进行应力应变分析，在Adams中进行动力学仿真，优化了系统机械结构。

（诺伯特智能装备（山东）有限公司山东聊城 252059）

摘要：本文提出了一种并联机器人设计方案，根据设计要求在soildworks2014中合理建模，在SimulationXpress中进行应力应变分析，在Adams中进行动力学仿真，优化了系统机械结构。

关键词：并联机器人；设计；建模；分析

1.绪论

相对于串联机器人，并联机器人具备高强度刚度、更强的承载能力、优秀的动力性能、误差很小且无累计、精度高等一系列优点，串、并联机器人之间的关系为互补，应用的领域得到了开拓。近年来并联机器人受到广泛关注，在机器人领域中，国外早已着重研究并联机器人，并联机器人并联机构、并联平行机的分支，对于医学机器人、仿生机器人也具有相当重要的意义。

本文设计了一种并联机器人，对并联机械手的零部件进行了优化设计，在SoildWorks 2014中对关键结构件进行有限元分析，在Adams 2013中对关键机构进行动力学仿真分析。

2.结构设计与建模分析

2.1并联机器人的整体设计

并联机器人的整体设计如图1所示，机械系统包括驱动机构、底板，通过顶板、底板连接的主动臂、从动臂以及一些连接件。其中，顶板作为并联机器人的机械系统基座，通过主动臂、从动臂以及与之配合使用的其他连接件把驱动机构输出的动力转化成运动和动力传递到底板上；在顶板和底板之间，安装有三组驱动机构、主动臂、从动臂和其他连接件，每组独立工作，协同驱动底板进行动作、动力输出；底板连接末端执行器，共同完成特定的工作任务。

1－主动臂；2－顶板；3－底板；4－从动臂；

5－驱动机构；6－支撑架；

图1整机结构图

2.2并联机器人的机械系统设计

2.2.1并联机器人的顶板设计

并联机器人在运动过程中，机械臂保持空间平行四边形。末端是可知的螺钉系统限制轴的旋转，并联机器人没有转动自由度，共有三个方向的平移自由度[3]。顶板形状设计如同扇叶，保证结构强度的前提下用尽量少的材料，既减轻自重，又节省材料。同时节约了空间。因为此并联机械手有三条机械手臂，所以顶板形状设计如下，为三角形结构，这也是并联机器人被成为delta机器人的原因之一。顶板为静平台，所以上平面中间三个孔同时固定一个平面，达到固定整个机构的目的。周边的孔用来固定电机支架和主动臂支架。

本设计的目标抓取力为50N，在SoildWorks SimulationXpress中进行分析，使用SimulationXpress时，需要先设置零件装夹的位置，再对零件施加载荷，设定材料为铝合金，模拟运行分析，生成的报表中结果如图2所示，满足设计需求。

图2中颜色表示应力分布和变形比例等，色谱中深蓝色表示受力最小，红色反之。大面积蓝绿色证明零件强度没有问题。红色可能会产生疲劳或者断裂，上图是优化的结果，电机支架由两个丝孔固定，其中一个孔处于绿色带，所以可以保证机械手正常工作。

2.2.2并联机器人的臂设计

并联机构工作空间的影响因素：杆件其大小和形状结构的杆的长度，杆的长度必须小于最大杆长大于最小杆长；转动副限制，铰链的转角须小于最大转角；杆件在动平台和静平台之间有不同几何尺寸，不同维度之间会相互干扰。两相邻杆件轴线间距离应大于杆件直径。主动臂主要用来传递电机的转矩传动，承载主动臂以下部件的重量。因此，有必要确保刚度，还能保持质量较轻，这样在高速运转时，由于质量较大和产生大的惯性力大，造成整机操作稳定。主动臂的下缘做成弧形。因为主动臂承担力矩马达部分，承担更大的支撑，并与支撑力杆接触部分相对较小。在SoildWorks SimulationXpress中进行分析，材料选取铝合金，生成的报表中结果如图3所示。

图2 顶板应力和位移分析

图3 主动臂应力和位移分析从动臂纵向受力，将臂的中间镂空，对转矩影响甚小，保持强度的同时有效减少主动臂的重量，尽可能小的重量对于并联机械手高速运作有非常重要的作用，同时又减少了材料的耗费。底板动平台的三条边由三个平行四边形结构的机械臂连接到动平台的三条边上，四边形是闭环，由四个球铰和从动臂杆件必合而成，四边形闭环与主动臂连在一起，由电机提供动力。在SoildWorks SimulationXpress中进行应

力应变分析，材料选取铝合金，生成的报表中结果如图4所示，满足设计需求。

2.2.3支撑架的设计

支撑架用于连接从动臂和下底板，通过驱动底板使吸盘组运动，设计精度要求高。为了保证下底板的安装精度，确保对轴承的固定，除了使用凸底托架，又增加一个挡圈，其可以很容易地阻止轴承左右移动，轴承固定并实现定位功能。

2.2.4底板的设计

作为动平台，末端执行器的连接件，底板的设计遵循以下原则。保证一定刚度和高加工精度，由此保证运动精度。质量不能太大，整个静平台需要承受末端执行器的重量，其应力色谱图如图5所示。

图4 从动臂应力和位移分析

图5 底板应力色谱图 2.3并联机器人的传动系统设计 2.3.1电机的选取

并联机械手电机的选择，要求启动、制动精准，噪声小，灵活方便。步进电机，转子磁场由永磁体构成，转角由脉冲信号转化而来。两者成正比，调速通过控制脉冲频率来实现。在开环控制电路中，多使用步进电机伺服系统，结构比较简单，适用于高速运转，定位精准且响应时间短，承载负荷能力强，响应快，可频繁运动、制动，工作稳定[5-6]。

2.3.2减速器的选择

电动机输出的转速比较高，车轮轴无法直接连接，实际使用需要将低转速提高转距，所以选择减速器来与其配合。减速机选取齿轮传动，其结构紧凑，稳定可靠，效率高，体积小便于安装在机械手臂上。缺点是精度要求高，价格昂贵[8,9]。

3.动力学仿真

将装配好的SoildWorks源文件另存为Parasolid格式，把模型导入Adams，并创建模型、创建固定约束副，固定约束既是相对静止的部件，在并联机械手中为顶板静平台；将零件进行布尔算法，一体的零件运用布尔加法叠加在一起得到新的构建；对机械臂中的主动臂创建圆柱副，并联机械手中都是依靠轴承连接的铰链，没有滑移副；在运动副上给电机驱动轴添加驱动，核查自由度，系统构成和过度约束的情况。根据运动副和驱动设定时间和步数进行仿真，仿真结果如图6-8所示。

图6 电机1驱动转速

图7 电机2驱动转速

在动力学模型中，并联机械手机构的三个边界约束条件一致，转矩通过在转动副上给定驱动模拟，曲线来确定给定驱动。电机1、2和3的转速信号如图9-11所示。

图8 电机3驱动转速

图9 末端执行器X方向加速度

图10 末端执行器Y方向加速度

图11 末端执行器Z方向加速度

根据图7-9的计算结果得出，来自末端执行器Y方向的位移从动臂的柔性的影响远大于X方向。X向的影响只存在于某时刻，随着时间的增长，影响趋势随之而变。

4.结论

本文设计的并联机器人的机械系统包括驱动机构、顶板、底板，通过顶板、底板连接固定的主动臂、从动臂。在SoildWorks 2014中合理建模，利用SimulationXpress进行有限元分析，验证可行性，并优化结构。

致谢

本文受山东省重点研发计划（重大关键技术）（编号：2016ZDJS02A02）资助。

参考文献

[1]冯李航，张为公，龚宗洋，林国余，梁大开，Delta系列并联机器人研究进展与现状[J]，机器人，Robot，2014.03，1-7

[2]洪帅华，白国振，全松，刘淼，两自由度并联机械手的参数化设计与研究[J]，Mechanical Engineering & Automation，2015.01，3-5

[3]宫赤坤，，熊吉光，黄成林，Delta并联机器人运动学与动力学仿真分析[J]，制造业自动化，2013.05，1

[4]王殿君，冯玉倩，高锦宏，刘占民，王伟，并联机械手运动学分析及仿真[J]，机械设计与制造，2013.06，1-3

[5]宫赤坤，蓝黎恩，基于运动学的Delta机器人优化设计[J]，现代制造工程，2013.05，2

[6]宫赤坤，蓝黎恩，Delta并联机器人的动力学研究[J]，机械科学与技术，2013.12

[7]宫赤坤，蓝黎恩，熊吉光，黄成林，Delta并联机器人设计分析与实现[J]，机械传动，Journal of Mechanical Transmission，2014.05，3

[8]杨冬，李铁军，刘今越，刘智光，3-UPS/S并联平台结构设计与运动学分析[J]，机械设计，Journal of Machine Design，2014.03，1-10