混合驱动机构研究综述(1)

万方数据 作者简介 ! 葛正浩 ! " 男" 上海人 " 工学博士 " 教授 " 研究方向 * 机构学 $ 材料成型 " 发表论文 , " . ,) # D ( S$ $ 余篇 %
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机"械"设"计
第# * 卷第 # 期
文中以伺服马达 所 需 的 动 力 最 小 作 为 确 定 机 构 初 始 位 置 的 依 据! 在国内关于混合驱动机构的 研 究 较 少 " 混合驱动机构的研
! 收稿日期 ! 修订日期 ! # $ $ +)$ !)# -+ # $ $ +)$ .)$ % 基金项目 ! 陕西省自然科学研究计划资助项目 ! # # $ $ * R " $ #
轮 % 往复移动输出机构上有一与 运 动 方 向 垂 直 的 导 槽 " 五杆机 构中连杆上的轨 迹 发 生 点 处 装 有 一 滚 子 与 从 动 件 上 的 导 槽 相 可使从动件实现不 配合 % 当五杆机构生成不同的轨 迹 曲 线 时 " 同的输出运动 % 五杆机构中的两 个 输 出 构 件 " 文中分别称为参 考输入 ! # 和控 制 输 入 ! # %参考输入 9 2 F 2 9 2 1 > 2 G : 1 5 I > 0 1 I 9 0 J G : 1 5 I H H 为单向连续整周转动 " 控制输 入 为 伺 服 马 达 输 入 % 控 制 输 入 由 参考输入及输出运动决定 % 对应 输 出 构 件 的 某 一 位 置 " 连杆上 的轨迹发生点可 在 导 槽 的 不 同 位 置 " 故 在 给 定 机 构$ 给定参考 输入构件角速度 的 情 况 下 " 五 杆 机 构 可 以 有 不 同 的 初 始 位 置"
# $" # "$ # #!# ,$ 上海交通大 学 的 周 洪 # & 周 双 林# 对混合输入型机
则建立目标函数 " 进行了七杆混 合 机 构 实 现 一 组 指 定 转 动 运 动
#.$ 规律输出的优 化 设 计 !( 应 用 混 合 驱 动 理 论" 设计了一个 J :#
混合驱动装置 " 两 个 输 入 分 别 由 常 速 电 机 和 伺 服 电 机 驱 动" 以 实现可变的转动输出运动 ! 并通 过 实 验 表 明 + 通过设计输出运 动规律 " 可以使得常速电机的功 率 需 求 是 伺 服 电 机 功 率 需 求 的 *U +倍 ! * $$ 上海交通大学的方 新 国 # 就平面两自由度七杆机构进行 型综合 " 得到七杆 机 构 的 , 种 运 动 链 " 分析得出适合于混合驱 动器的一种运 动 链 ! 为 混 合 驱 动 七 杆 机 构 的 分 析 和 设 计 打 下 了基础 ! 文献 # $ 基于机构输入输出的速度/ * "" * # = > 0 8 : = 1 矩阵 " 提出了求解平 面 多 环 多 自 由 度 机 构 奇 异 位 形 的 一 般 方 法 ! 得 到了平面两自由度七杆机构的 + 种 奇 异 位 形 " 基于平面单环 ! 杆机构的 可 装 配 性 " 得 出 了 避 免 奇 异 位 形 的 几 何 条 件! 文 献 # $ 提出了 闭 链 机 构 节 点 空 间 内 运 动 规 划 的 步 骤 ! 基 于 改 进 * * 遗传算法 " 提出了 在 闭 链 机 构 关 节 空 间 内 处 理 具 有 运 动 学 & 动 力学约束的最优运动规划的新策略 ! 从上面的分析可以看出 " 混合 驱 动 七 杆 机 构 相 对 于 混 合 五 杆机构来说 " 并未建立起完善 的 理 论 系 统 ! 当 前 对 混 合 驱 动 五 而对轨迹 杆机构的研究只限于型综合和 运 动 规 律 的 实 现 问 题 " 的实现和刚体 导 引 问 题 还 未 有 研 究 ! 对 于 混 合 驱 动 七 杆 机 构 动力学 & 功率分配 & 控制系统的研究等方面还未有很成熟的报 道!
&$’ 运用混合驱 动 理 论 " 采用一个差动轮系作为混 ’ 2 9 C = 1"
合驱动系统 " 该轮 系 驱 动 一 个 凸 轮 机 构 实 现 可 变 的 变 近 $ 远休 其 计 算 机 仿 真 结 果 表 明* 采用混合驱 止时间的柔性输 出 运 动 " 动系统比单独运用伺服电机驱 动 " 伺服电机的最大输出功率和 力矩减小 ! $B %
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摘要 ! 总结了混合驱动机构的发展状况 ! 评述了近期发表的文献 ! 并介绍了最新的研究动向 " 关键词 ! 混合驱动 # 五杆机构 # 七杆机构 # 压力机 中图分类号 ! " # &’ " " #"" 文献标识码 ! ("" 文章编号 ! " $ $ ")# * + , # $ $ $ #)$ $ $ ")$ * "" 传统的由普 通 电 机 驱 动 的 单 自 由 度 闭 链 机 构 普 遍 存 在 仅 能完成或近似完 成 单 一 任 务 的 不 足 " 而 且 在 实 现 函 数$ 运动轨 迹再现时的运 动 规 律 是 有 限 的 % 开 式 机 器 人 机 构 由 于 具 有 很 好的输出运动柔 性 " 目 前 在 不 少 场 合 都 有 了 应 用" 但却存在着 输出运动精度低 $ 运行速度慢 $ 承 载 能 力 小 等 弱 点" 难以适应多 数生产场合的 要 求 % 完 全 由 伺 服 电 机 驱 动 的 机 电 系 统 具 有 良 好的柔性 " 但造价和能耗较高 " 为 了 克 服 以 上 缺 点" 混合驱动机 构应运而生 % 混合 驱 动 机 电 系 统 的 执 行 机 构 是 一 类 多 自 由 度 机构 " 它由实时不可控的普通电 机 和 实 时 可 控 的 伺 服 电 机 混 合 驱动 " 具有可编程 的 运 动 输 出 " 整个系统是典型的机电一体化 系统 % 普通电机提供主要的转矩 和 运 动 " 伺服电机用于调控输 出运动 % 它是可控机构的一种类 型 " 是目前机构学研究的前沿
&’ 停歇 @ 9 2 2 1 0 5 ? 与/ 0 1 2 3. 为克服 & 0 4 5 6与 / 0 1 2 3 研究中 ( A
间" 既涉及到传统 机 构 学 理 论 及 机 构 创 新 设 计 理 论 " 还借鉴机 器人特别是并联 机 器 人 中 的 有 关 理 论 " 因 此" 混合驱动机构理 论具有明显的 学 科 交 叉 性 和 创 新 性 % 在 混 合 驱 动 机 构 的 研 究 中" 包括混合 驱 动 机 构 的 创 新 设 计 $ 机 构 的 可 动 性$ 运动学分 析$ 动力学建模 $ 机构的综合 $ 混合 驱 动 控 制 理 论 及 其 应 用 的 研 究等领域的研究 % 文中针对混合 驱 动 发 展 状 况 " 结合国内外文 献" 对该领域的研究现状和发展前景进行评述 %
&"!" *’ 建立了一种实 现 轨 迹 创 成 的 混 合 驱 动 五 杆 机 D 0 1 1 0 9"
"" 混合驱动五杆机构系统的研究
混合驱动机构系统的研究 是 从 # $世纪. $ 年 代 初 开 始 的% 英国利物浦科技大学的 / # $ 世纪 . $ 年代初 " 0 1 2 3和 & 0 4 5 6+!% 结合传统机构和可控机构的特 点 " 提出一套界于二者之间的机
第# * 卷第 # 期 #$$- 年 # 月
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混合驱动机构研究综述
葛正浩 ! 任子文 ! 李晓芳 ! 胡志刚
! 陕西科技大学 机电学院 " 陕西 咸阳 "! # " # $ % "
" -!" %$ 武汉科技大学的孔建 益 # 针对此类机械提出了受控机
#" 混合驱动七杆机构的研究
混合驱动机构毕竟是一种新 生 概 念 " 从其概念的提出到现 在不过十几年 的 时 间 ! 早 期 大 部 分 的 研 究 还 是 针 对 双 自 由 度 的五杆机构 " 对七杆机构的研究是近几年才开始的 ! 早在 # 混合驱动概念刚提出 来 时 !@ $ 世纪 . $ 年代初 " 9 2 2 G
"!,’ 领域 & % 它的研究范畴介于传统机构学和现代机器人理论 之
速度 $ 加速度 $ 力矩 $ 功率 等 方 面 的 对 比 得 到 * 全伺服驱动 位移 $ 机构的柔性较大 " 能 够 满 足 所 给 定 的 各 种 运 动 规 律 要 求" 并且 可以很容易地 满 足 停 歇 运 动 规 律 的 要 求 % 但 目 前 所 生 产 的 伺 服电机的功率较小 " 因此全伺服 驱 动 机 构 很 难 适 应 较 大 功 率 需 求的情况 % 混合驱动机构在实现 升 ) 降 输 出 运 动 时 " 其伺服电 机的功率需求比 全 伺 服 驱 动 机 构 中 伺 服 电 机 的 功 率 需 求 要 小 伺服电机的 得多 % 而对于升 ) 停 ) 降和升 ) 降 ) 停 输 出 运 动 " 功率需求不但没有减小 " 反而有显著的增加 % 在/ 国内外 0 1 2 3和 & 0 4 5 6 提 出 了 混 合 驱 动 机 构 的 思 想 后" 许多学者从不同的侧面对混合 驱 动 机 构 进 行 了 深 入 的 研 究 " 其 中较有价值的研究有 *
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构" 并用遗传算法优化研究了给 定 轨 迹 的 混 合 驱 动 五 杆 机 构 的 尺度综合 %
&,’ 用混合 驱 动 五 杆 机 构 的 运 动 输 出 代 替 变 廓 线 凸 E 2 3 ? ="
这种 机 械 同 时 具 有 两 类 机 构 的 特 点 " 因此他们称 械系统方案 " 之为 ( ) " 这就 奠 定 了 混 合 驱 动 机 构 的 思 想%然 ’ 8 9 : ;< = > ? : 1 2 7 后" 他们建立了完 整 的 系 统 模 型 和 实 验 方 案 " 通过理论和实验 结果验证了这类机构的一些预期特性 %" 为了 验 证 混 合 . . # 年" 针 对 变 规 律 的 输 出 运 动 要 求" 驱动机构的各项 性 能 及 其 特 点 " 在研究中采用了全伺服驱动和 混 合 驱 动 两 种 方 案 * 第一种方案 直接采用伺服 电 机 驱 动 一 个 连 杆 机 构 ! 曲 柄 滑 块 机 构# 产生所 需的输出运动 + 第二种方案常规 恒 速 电 机 和 伺 服 电 机 的 输 出 运 动经差动轮系合成后 " 驱动一个 曲 柄 滑 块 机 构 来 实 现 变 规 律 的 往复运动 % 通过对这两类机构在 模 型 $ 输出力矩及伺服电机的
段对伺服电机功 率 需 求 的 影 响 较 大 ) 的 问 题" 采用二自由度七 同样可以实现上述变规律输出运 杆机构作为 运 动 合 成 机 构 " 通过优化综合得 动 % 他们以减小伺服电机的功率 为 目 标 函 数 " 到七杆 机 构 的 尺 寸 参 数 " 可以把伺服电机的功率减小大约 + $B %
#$ 1 0 5 ?. 用两自由度七杆机构作为 混 合 驱 动 机 构 产 生 变 规 律 的 A 转动输 出 ! 他 以 M &( 马 达 所 需 的 驱 动 功 率 一 定 要 小 为 设 计 准
认为受控机构是指 一 个 或 若 干 个 原 动 件 受 计 算 机 构学的概念 " 控制 " 从而使机构可以精确实现 任 意 给 定 运 动 并 具 有 智 能 化 的 一类机构 ! 其受控 机 构 概 念 与 混 合 驱 动 机 构 有 一 定 的 相 似 之 但涉及面显 得 很 窄 ! 主 要 研 究 是 应 用 五 杆 机 构 " 并依靠可 处" 控电机驱动滑块 进 行 微 运 动 补 偿 和 调 节 " 实 现 精 确 运 动 规 律& 给定的函数等 方 面 ! 其 最 后 实 现 的 运 动 一 般 都 是 单 一 的 运 动 规律 ! 文献 # $ 对其提出的受控五杆机构模型进行了动力学 " . 分析 " 并采用了 V 运 动 控 制 器" 通过调 D 机 W& 5 9 8 0V<( D’ "( 节V Q S 参数实现交流伺服电机和直线电机的协调运动 !
" +$ 等人 究是从对四杆机构 进 行 变 形 开 始 的 ! 东 南 大 学 程 光 蕴 #
用的研究还尚 未 展 开 ! 这 些 将 是 今 后 混 合 驱 动 五 杆 机 构 的 主 要研究方向 !
提出用含移 动 副 的 混 合 驱 动 五 杆 机 构 实 现 精 确 轨 迹 的 输 出 ! 采用两步设计 " 即 先 将 调 节 滑 块 固 定" 则该机构就成为一个单 自由度四杆机构 " 通过优化综合 设 计 该 机 构 的 几 何 尺 寸 使 其 能 然后在该 四 杆 机 构 的 基 础 上 加 上 运 动 调 近似实现给定的轨迹 % 节滑块 " 依靠可控 电 机 进 行 微 运 动 补 偿 和 调 节 " 使该混合输入 双自由度五杆机构精确生成给定的轨迹 !