并联机器人开题报告

目录

1 课题的背景和来源 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 课题来源....................................错误！未定义书签。

2 国内外研究现状和发展趋势 (1)

2.1 国外研究现状 (1)

2.2 国内研究现状 (1)

3 课题研究的目的和意义 (2)

4 主要研究内容 (2)

4.1 总体方案 (2)

4.1.1 设计要求 (2)

4.1.2欠驱动手腕方案一 (3)

4.1.3欠驱动手腕方案二 (6)

4.1.4欠驱动手腕方案三 (8)

5 研究方法 (9)

5.1 位姿描述 (9)

5.2 运动学分析 (9)

5.3 动力学分析 (9)

5.4 仿真分析 (10)

6 时间进度安排 (10)

7 参考文献 (11)

三自由度欠驱动机器人手腕的设计与分析

1 课题的背景和来源

1.1 课题背景

由于多关节机械手臂具有常规机器人所不具有的特殊性质(比如进入一个窄小的空间进行工作，并且能够有效地避开障碍)而引起许多学者的兴趣，但是对多关节机械手臂的研究碰到了许多困难，其中最重要的就是手臂的重量问题，而重量问题中的瓶颈问题是驱动单元问题。从应用层面上看，形状记忆合金，磁致伸缩，气动伸缩驱动单元的应用范围很有限，驱动主体还是电机，而电机的重量又是一个待解决的问题。在传统的多关节机械手臂设计中，都是把电机固定在关节上，如美国的尤尼梅特公司生产的PUMA750机器人，法国生产的U-80机器人，还有斯坦福机器人Scheinman等。然而对于一个长而且较重的多关节机械手臂，若加上多个电机的重量，这样一种结构是很难获得应用的，并且由于运动惯性和冲量的加大，在运动规划中，必将造成控制器的设计复杂。因此在有一段时间内，部分学者认为在超小型，超轻型，大功率的驱动器未研究成功之前，这样一种多关节机械手臂是很难实现的。

针对这种情况，本文提出一种缺少某些驱动单元却能达到足够自由度的机器人手腕。

2 国内外研究现状和发展趋势

2.1 国外研究现状

欠驱动系统是一种利用少于自由度数目的动力源来驱动机械装置的系统。

自1991年Oriolo证明欠驱动系统非完整性定理之后，欠驱动机器人开始得到关注，因其难度较大而进展缓慢。2003年Laliberte 和Gosselin等人研制了一高欠驱动的机械手SARAH[14]，该机械手由3个三节手指构成，并作为国际空间站中加拿大机械手臂的末端执行器。2004年Carrozza等人研制了另一高欠驱动的机械手SPRING Hand[19]，该机械手由3个三节手指构成，通过肌腱驱动。

2.2 国内研究现状

2004年清华大学研制出了欠驱动机器人手指，可以小范围的抓取各种形状

的物体[2]。2007年上海交通大学研制出了肌电控制欠驱动仿人假肢手[1][3]。2005年武汉理工大学谭跃刚等人利用摩擦盘和摩擦轮的性质设计了一种欠驱动机械手[4],该机械手只需两个驱动源，即可驱动五个自由度，但在实际上，由于摩擦传动的局限性，该机械手控制精度较低。

综上可知，目前国内外欠驱动系统主要用于机器人手掌和手指等方面，且在精度较低。而基于欠驱动原理的机器人手腕未见报道。

3 课题研究的目的和意义

欠驱动机器人由于驱动器的减少，具有重量轻、成本低、能耗低，同时可以增加系统灵巧性，驱动电机失灵而又无法更换的，欠驱动关节可以满足应急使用等众多优点，因此引起学者的广泛关注，成为机器人研究领域的新热点。三自由度欠驱动机器人手腕的研究，有助于丰富欠驱动系统的控制理论，有助于解决机器人体积较大、重量较大、成本较高的现实问题，所以本研究具有很大的理论和实践意义。

4 主要研究内容

（1）欠驱动手腕的方案设计与结构设计；

（2）欠驱动手腕的自由度分析，运动学和动力学分析（研究手腕末端输出量与驱动源输入量之间的关系），仿真分析；

（3）运用ADAMS对欠驱动机器人手腕进行了运动学和动力学仿真，运用ADAMS对欠驱动机器人手腕进行了可控性仿真。运用MATLAB对欠驱动机器人手腕进行运动学验证、工作空间分析和误差分析；

4.1 总体方案

4.1.1 设计要求

腕关节由桡腕关节、腕骨间关节和下尺桡关节及腕掌关节组成,如图4-1所示。主要作用使腕背伸、屈腕及前臂旋转，如图4-2所示。

前臂

旋转

屈腕

腕背伸

图4-1 腕关节的组成图4-2 腕的三个作用通过分析人类的腕关节的运动特性，可知腕关节具有三个自由度，腕关节对人类完成手工劳动具有非常重要的作用。由于灵活性是机器人性能的重要指标，它是指机器人末端的参考点(通常是手腕坐标系的原点)在工作空间内某一点时，末端工具可能取得的姿态的多少。而手腕的机械结构决定了手腕的灵活度，以往三自由度手腕的驱动方式均采用三个驱动源驱动，因此机构复杂，灵活性较差。

针对上述问题，提出以下设计要求：自由度数：3个；驱动源个数：2个；额定负载（含末端执行器）：2kg；总体积：≤200*200*250mm；总重：≤5kg。

本章接下来提出三种欠驱动机器人手腕结构方案，并分析其优缺点。

4.1.2欠驱动手腕方案一

三自由度欠驱动机器人手腕方案一为一兼容机构。

图4-3是方案一的机构简图，图4-4是方案一正面外观图，图4-5是图2-4的仰视图，图4-6是图4-4的左视图，图4-7是图4-4的A-A剖视图，图4-8是图4-7的B-B 剖视图，图4-9是图4-8的C-C剖视图，图4-10是方案一的滑动导轮装置（图4-7的D-D剖视图），图4-11是方案一的固定导轮装置（图4-7的E-E剖视图）。

在图4-3至图4-11中：

a、c、d、e、g是固定导轮部件，

b、f是滑动导轮部件。

1 箱体，

2 末端连杆，

3 旋转连杆，

4 大螺母，

5 导轮，

6 拉伸弹簧一，

7 压缩弹簧，

8 拉伸弹簧二，

9 滑动导轮轴，10滑槽，11滑动导轮轴套，12滑动导轮，13小螺母，14 绳子一，15绳子二，16绳子三，17关节轴，18固定导轮轴,19电机,20丝杆,21螺母套筒。

下面采用基于约束螺旋的自由度计算原理和方法[50]。

自由度计算公式：