三自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真機(jī)械制造專業(yè)

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1、 設(shè)計(jì)(論文)題目： 三自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真 目錄 摘要 2 第1章 引言 3 1.1. 我國(guó)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 3 1.2. 工業(yè)機(jī)器人概述： 4 1.3. 本論文研究的主要內(nèi)容 4 第2章 機(jī)器人方案的設(shè)計(jì) 9 2.1. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 9 2.2. 與機(jī)器人有關(guān)的概念 10 2.3. 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 12 2.4. 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析 13 2.5. 方案設(shè)案 13 2.6. 自由度分析 14 2.7. 機(jī)械傳動(dòng)裝置的選擇 15 2.7.1. 滾珠絲杠的選擇 15 第3章 零部件設(shè)計(jì)與建模 18 3.1

2、. Croe軟件介紹 18 3.2. 關(guān)鍵零部件建模 18 3.3. 各部分的裝配關(guān)系 25 第4章 仿真分析 29 第5章 致謝 33 參考文獻(xiàn) 33 三自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真 摘要 工業(yè)技術(shù)水平是工業(yè)用機(jī)器人現(xiàn)代化水平的重要指標(biāo)，從研究和研究領(lǐng)域發(fā)展的結(jié)論，提高現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的要求，提高產(chǎn)業(yè)控制和控制任務(wù)的復(fù)雜性，提出了很高的要求。理論上，我國(guó)末期輸送能力和定位精確度高、小誤差、慣性誤差、反應(yīng)速度快、工業(yè)工作并行、快速準(zhǔn)確、現(xiàn)有工業(yè)工程預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)一步增加，本文將研究并行研究、實(shí)用化并行以企業(yè)工學(xué)實(shí)用化為目標(biāo)。從摩擦接口、外亂和不確定性來(lái)看，如果沒(méi)有連鎖和動(dòng)力學(xué)模型化

3、的負(fù)擔(dān)，傳統(tǒng)的控制戰(zhàn)略將難以得到基于控制有效性模型的預(yù)期。通常，與一系列平行于更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模型相比，動(dòng)態(tài)測(cè)試和控制機(jī)制將更加復(fù)雜。因此，有必要研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模及其控制問(wèn)題。 這是一個(gè)新的機(jī)器人，機(jī)器人的剛性。承載能力高。高精度。小負(fù)荷的重量。具有良好的性能和廣泛的應(yīng)用，是robotów.spokojnie系列的補(bǔ)充。有一個(gè)固定的一部分，在特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室條件下的動(dòng)力學(xué)加速度（重力加速度），.終端控制機(jī)制，原來(lái)的三角洲是最有效的機(jī)制平行安裝“電子項(xiàng)目機(jī)器人是機(jī)器人的控制和規(guī)劃動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)揮著重要的作用，在“.badania kinematyk?反向動(dòng)力學(xué)和由簡(jiǎn)單到przodu.o

4、dwrotnie相對(duì)平行前進(jìn)，kinematyk?相對(duì)skomplikowane.na結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，建立了三角洲機(jī)器人模型，機(jī)器人的機(jī)器人。stkich部分的位置，以確定在平臺(tái)和動(dòng)態(tài)方程的向量之間的關(guān)系，是平臺(tái)機(jī)構(gòu)的位置方程，這是在相反的位置移動(dòng)到正確的解決方案，給出了方程的基礎(chǔ)上，三角洲機(jī)器人的位置，是解決方案的一部分，在組織機(jī)構(gòu)的速度和加速度基于工業(yè)技術(shù)平行機(jī)制，工業(yè)工作認(rèn)同其多樣性，于是開(kāi)始使用并行機(jī)制，目前不構(gòu)成有效的控制方法，取得更好的結(jié)果，參照其機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，優(yōu)化基本工業(yè)技術(shù)用言及了。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人，方案，設(shè)計(jì)，仿真, :新型 3-DOF 并聯(lián)機(jī)構(gòu) Abstract

5、 The technical level of agricultural robots is an important symbol of a country's agricultural modernization level. With the continuous expansion of the research and application fields of agricultural robots, the requirements of modern agricultural operations are constantly improving, and the com

6、plexity of control tasks is increasing. Higher performance requirements are put forward for agricultural robots and their control. Compared with the series mechanism commonly used in general robots, in theory, parallel mechanism has many advantages, such as strong bearing capacity, high positioning

7、accuracy, small inertia of end components, no cumulative error and fast response speed. Agricultural robots based on parallel mechanism are expected to further improve the operation of existing agricultural robots in the need of high-speed and high-precision agricultural engineering applications. Pe

8、rformance. This paper focuses on the research of parallel mechanism, in order to lay a foundation for further realizing the practical application of parallel robot in agricultural engineering. From the point of view of control, parallel mechanism is a complex spatial multi-chain mechanism with multi

9、-variable and multi-parameter coupling. Influenced by uncertain factors such as mechanism parameters, unmodeled dynamics, load disturbance, mechanism joints, servo friction and external disturbance, traditional control strategies are difficult to achieve the desired control effect. The control based

10、 on dynamic model can meet the high performance of parallel mechanism. The dynamic model of parallel mechanism is usually more complex than that of series mechanism. Therefore, it is necessary to study the dynamic modeling and control of parallel mechanism. Parallel robot is a new kind of human ro

11、bot. It has a series of advantages, such as high stiffness, strong carrying capacity, high precision, low self-weight load ratio, good dynamic performance, and so on. It complements the series robot widely used at present, thus expanding the application field of robot. "Delta parallel robot is the m

12、ost typical three-degree-of-freedom mobile parallel mechanism in space, and the overall structure of Delta mechanism." Simple! Compact, the driving parts are all distributed on the fixed platform. These characteristics make it have good kinematics and dynamics characteristics. Under the experimental

13、 conditions, the terminal control acceleration can reach 5.09 - (gravity acceleration). "A lot of practice has proved that Delta mechanism is one of the most successful parallel mechanisms designed so far." At present, Delta parallel robot has been widely used in cosmetics packaging and pharmaceutic

14、als! The assembly of electronic products "Robot kinematics is the basis of robot dynamics! Robot control and planning, which plays an important role in robot research" Kinematics research includes forward kinematics and reverse kinematics. For parallel robot, its reverse kinematics is relatively sim

15、ple and forward kinematics is complex. "This paper studies the kinematics of Delta robot with three degrees of freedom". The structure of Delta robot is analyzed, the kinematics model is established, and the spatial position and posture of each component are determined. Based on the vector relations

16、hip between the moving platform and the static platform and the constraint equation of the mechanism, the kinematics equation of the mechanism is established, the inverse position solution formula is deduced, and the numerical solution of the forward position solution is given. On the basis of the i

17、nverse position solution equation, the working space of Delta robot is analyzed. The Jacobian matrix of the mechanism is derived, and the velocity and acceleration are solved. The application of agricultural robots based on parallel mechanisms in agricultural engineering has just started. Due to t

18、he diversity of parallel mechanisms, there is no recognized effective control method. Considering that sliding mode control does not require precise mathematical model of the controlled object, is insensitive to external disturbances and parameter changes of the system, and is easy to implement, thi

19、s paper studies and explores a variety of sliding mode control methods for a new type of 3-DOF driven redundant parallel mechanism, in order to find a control scheme with better comprehensive performance, so as to lay a foundation for the practical application of the mechanism in agricultural engine

20、ering. Basics. Key words: robot, scheme, design, simulation,: new 3-DOF parallel mechanism 第1章 引言 。 在過(guò)去的20年里，由于各個(gè)領(lǐng)域的不同目的，機(jī)器人在各種領(lǐng)域都得到了飛速的發(fā)展，在我們國(guó)家，使用機(jī)器人的發(fā)達(dá)國(guó)家，因此與機(jī)器人的不同目的，有些差異，尤其是研究和設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)用的擴(kuò)展產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人、機(jī)器人具有實(shí)用意義。 文獻(xiàn)主要包括以下研究。 (1) 第一，設(shè)定分析機(jī)構(gòu)的特征、活動(dòng)和自由度的原則。第二，基于限制的機(jī)制參數(shù)，用于建立與機(jī)構(gòu)、代理商其工作的速度的模型；白矩陣最后分析為不

21、必要的平行并在空間內(nèi)的異點(diǎn)。 (2) 對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)，對(duì)于基于并行控制戰(zhàn)略的機(jī)構(gòu)，即使不考慮運(yùn)動(dòng)模型和非線性關(guān)節(jié)機(jī)制，也常常難以確保其控制機(jī)制迅速的操作，基于精度檢查之間的集中關(guān)系的動(dòng)力學(xué)、模型的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試；并行控制用于實(shí)施的機(jī)構(gòu)控制：結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)由分支鏈接關(guān)閉，分支鏈接難以建立精確模型的動(dòng)力學(xué)和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且必須根據(jù)控制方法有效性控制模型建立盡可能精確的控制方法。有。首先，根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)學(xué)建立記憶機(jī)制和工作崗位的方法，關(guān)于基于新標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)模型機(jī)制的不必要的試驗(yàn)實(shí)機(jī)以外的控制模式的動(dòng)態(tài)管理·實(shí)施研究，對(duì)相當(dāng)于約束的軸的整體的力量帶來(lái)優(yōu)化。在實(shí)時(shí)、機(jī)構(gòu)等中，在實(shí)時(shí)、機(jī)構(gòu)等中，為了確立

22、控制模型的動(dòng)態(tài)的機(jī)構(gòu)。通過(guò)模擬主要組件、模擬和解析，提出了基于通過(guò)創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和補(bǔ)償模型的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型的簡(jiǎn)單方法，最后驗(yàn)證模型的pd模擬控制系統(tǒng)是精度誤差簡(jiǎn)化補(bǔ)償?shù)挠行浴? (3) 考慮到基于動(dòng)力學(xué)計(jì)算負(fù)擔(dān)和運(yùn)動(dòng)模型、重量、高速實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)建立的條件，并且考慮到免除的影響，分支鏈和其他機(jī)構(gòu)可免除獨(dú)立執(zhí)行測(cè)試和控制測(cè)試；t可通過(guò)動(dòng)態(tài)控制來(lái)設(shè)置。計(jì)了。使用分支的碳鏈，使用分支的碳鏈，設(shè)計(jì)用于估計(jì)不確定性和外亂的大的系統(tǒng)，給與那個(gè)位置關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)的有效性帶來(lái)壞影響。在控制鏈動(dòng)力學(xué)的調(diào)查中，釋放出的控制鏈考慮到動(dòng)力學(xué)的高速平行，從而導(dǎo)致極端內(nèi)部生命干擾的結(jié)果，甚至造成損害，甚至引起重大變形。

23、 (4) 基于上述控制，使用動(dòng)態(tài)控制方式的冗余單元的欠缺，考慮到分支之間的相互作用的欠缺，由于所有的單元都是冗余的，因此沒(méi)有冗余性，進(jìn)一步改進(jìn)使處理速度和實(shí)時(shí)在一定程度上增加的精度控制系統(tǒng)基于簡(jiǎn)化控制誤差和同步法的動(dòng)態(tài)模式試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?，顯示了由于控制誤差的基礎(chǔ)和動(dòng)態(tài)的增加而設(shè)計(jì)的精度。各部門，用于準(zhǔn)確地通過(guò)前列諾夫改善并行性的機(jī)構(gòu)之間的同步、其穩(wěn)定性的方法。 (5) 上述基于同步耦合誤差的動(dòng)力學(xué)滑?？刂品椒?，可進(jìn)一步提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控 制精度，但其快速性和實(shí)時(shí)性有所降低。為尋求一種綜合性能較優(yōu)的控制方案，本文提出 一種解耦非奇異終端滑模控制方法，即：針對(duì)所建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，提取

24、出各支路 間的耦合作用力和重力項(xiàng)，將整體系統(tǒng)解耦為三個(gè)基于笛卡爾空間的完全獨(dú)立的線性子?；谏鲜鰪?fù)合誤差法的動(dòng)力學(xué)，并行控制可提高業(yè)務(wù)控制的精度，并行控制可迅速且實(shí)時(shí)地削減。為了導(dǎo)出重力和全系統(tǒng)協(xié)調(diào)的模型和從生產(chǎn)到支付的分離模型，在與各分支平行地、基于長(zhǎng)笛獨(dú)立的三個(gè)空間中，分別控制線性系統(tǒng)和子系統(tǒng)，改善控制系統(tǒng)。迅速且實(shí)時(shí)。適當(dāng)?shù)?，以快速和?shí)時(shí)方式完善每個(gè)項(xiàng)目的控制子系統(tǒng)和機(jī)制控制系統(tǒng)。同時(shí)，考慮到上述免除，通過(guò)引進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在連接線和重力補(bǔ)償?shù)慕稽c(diǎn)上，提高免除系統(tǒng)的效率，采用了分支力學(xué)的分支鏈缺乏系統(tǒng)的油動(dòng)力學(xué)，控制系統(tǒng)為了改善收斂的控制，終端控制算法并不能從終端的研究和設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，在有

25、限的時(shí)間內(nèi)，它們不能從生產(chǎn)量中分離出來(lái)（方法，終端管理模擬，比大學(xué)Doctorate Controller IIII）更好基于動(dòng)態(tài)控制，基于業(yè)務(wù)控制采用的冗余分支不存在，檢查同步和故障分離的動(dòng)態(tài)學(xué)的方法不是終端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證表 明：與冗余支鏈采用動(dòng)力學(xué)控制、非冗余支鏈采用運(yùn)動(dòng)學(xué)控制的控制方法和基于同步耦合 誤差的動(dòng)力學(xué)滑?？刂破飨啾?，所提出解耦非奇異終端滑?？刂破骶哂休^優(yōu)的綜合性能。 本文的研究工作為工業(yè)并聯(lián)機(jī)器人的控制理論研究及并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工業(yè)工程中的實(shí)際 應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 1.1. 我國(guó)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 程序設(shè)計(jì)是基于自動(dòng)控制來(lái)執(zhí)行操作或移動(dòng)機(jī)械裝置的工作。最新科研、力學(xué)成果，是現(xiàn)代技術(shù)開(kāi)

26、發(fā)領(lǐng)域最為活躍的國(guó)家機(jī)器人研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用，吸引了更多的關(guān)注。從1980年代初開(kāi)始。機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的年代，各種用途的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國(guó)是從 20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始涉足機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開(kāi)展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃。1987 年，我國(guó)的“863”計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究列入其中。目前，我國(guó)從事機(jī)器人的應(yīng)用開(kāi)發(fā)的主要是高校和有關(guān)科研院所。最初我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后，我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩足步行機(jī)器人，北京自動(dòng)化研究所1993 年研制的噴涂機(jī)器人，199

27、5 年完成的高壓水切割機(jī)器人，國(guó)家開(kāi)放實(shí)驗(yàn)和研究單位沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的有纜深潛300m 機(jī)器人，無(wú)纜深潛機(jī)器人，遙控移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，2000 年國(guó)防科技大學(xué)研制的兩足類人機(jī)器人，北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華南理工大學(xué)研制的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人，以及各種機(jī)器人裝配系統(tǒng)等。我國(guó)目前擁有機(jī)器人 4000 臺(tái)左右，主要在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用，而全世界應(yīng)用機(jī)器人數(shù)量為83 萬(wàn)臺(tái)，其中主要集中在美國(guó) 那個(gè)從80年代初期開(kāi)始在中國(guó)。中國(guó)的研究計(jì)劃，占據(jù)了中國(guó)的機(jī)器人863的研究計(jì)劃。首要目標(biāo)是跟隨國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人工程，并在中國(guó)工作、技術(shù)、應(yīng)用方面取得了巨大的成功。由Radio、汽車研究所開(kāi)發(fā)的國(guó)立研究實(shí)

28、驗(yàn)單位，沈陽(yáng)的工作開(kāi)幕深藏電纜潛艇機(jī)器人無(wú)電纜、300、機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、2000國(guó)防部。航空宇宙大學(xué)機(jī)器人保留著雙手的屏蔽空間，機(jī)器人有自動(dòng)化的收藏系統(tǒng)等。目前，機(jī)器人主要應(yīng)用于工業(yè)地區(qū)、工作領(lǐng)域、以及世界各地，在美國(guó)、日本等工業(yè)國(guó)家中，主要工作和工作都不好。發(fā)達(dá)國(guó)家還是有差距的。到目前為止，一般產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)業(yè)、國(guó)家防衛(wèi)、日常生活等多個(gè)領(lǐng)域都創(chuàng)建了[ 1 ]。相對(duì)的交通和空間可以分為鏈接、表面和空間的機(jī)制之間的鏈接。您可以將該連接分割為開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)的機(jī)構(gòu)和關(guān)閉電路。運(yùn)動(dòng)。鏈子和情侶的封閉部分的數(shù)量是不一樣的。機(jī)器人的研究機(jī)制，是機(jī)器人的研究機(jī)制。機(jī)器人是60年代開(kāi)始系統(tǒng)的研究的主要目標(biāo)之一。這個(gè)研

29、究在機(jī)器人領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)組織上被非常傳統(tǒng)地決定。當(dāng)您想要擴(kuò)展應(yīng)用程序時(shí)，是“機(jī)器人空間”將嘗試在新配置中提示新的應(yīng)用程序。 在發(fā)展中國(guó)家，關(guān)于發(fā)達(dá)國(guó)家的工作和研究在中國(guó)，還有一些落差。到目前為止，一般產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)業(yè)、國(guó)家防衛(wèi)、日常生活等多個(gè)領(lǐng)域都創(chuàng)建了[ 1 ]。相對(duì)的交通和空間可以分為鏈接、表面和空間的機(jī)制之間的鏈接。您可以將該連接分割為開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)的機(jī)構(gòu)和關(guān)閉電路。運(yùn)動(dòng)。鏈子和情侶的封閉部分的數(shù)量是不一樣的。機(jī)器人的研究機(jī)制，是機(jī)器人的研究機(jī)制。機(jī)器人是60年代開(kāi)始系統(tǒng)的研究的主要目標(biāo)之一。這個(gè)研究在機(jī)器人領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)組織上被非常傳統(tǒng)地決定。當(dāng)您想要擴(kuò)展應(yīng)用程序時(shí)，是“機(jī)器人空間”將嘗試在新配置中提示

30、新的應(yīng)用程序。 1.2. 工業(yè)機(jī)器人概述： 產(chǎn)業(yè)界廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人工廠。在環(huán)境中的工業(yè)用機(jī)器人工廠，一般指代替材料，進(jìn)行自動(dòng)化，或者零部件的一部分，或者零部件的一部分搬運(yùn)，加工，組裝，機(jī)器人。JSCU可編程、多功能機(jī)器操作自由。機(jī)器人操作、機(jī)械、設(shè)備或其他操作對(duì)象功能的空間內(nèi)，可以保存各種任務(wù)的材料、零件和工具，并且通常定義為4-6自由度的運(yùn)動(dòng)手臂?？臻g2～3自由度決定效果的位置和效果空間的2～3自由度。與世界上最具發(fā)展中國(guó)家產(chǎn)業(yè)機(jī)器人相比，我國(guó)的研究更注重對(duì)四位產(chǎn)業(yè)政策和工作模式的研究，與帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)機(jī)械國(guó)家一起推出動(dòng)態(tài)建模的新機(jī)制國(guó)家發(fā)展迅速，第一所中國(guó)研究所是工業(yè)機(jī)器人之一，是開(kāi)

31、發(fā)單位、蔬菜、預(yù)防接種水果、技術(shù)領(lǐng)域[ 23 ]（南京大學(xué)，此后在上海、Jiaotong大學(xué)進(jìn)行研究-大學(xué)森林研究所、研究所、研究所這是因?yàn)?，該研究機(jī)構(gòu)正在開(kāi)發(fā)機(jī)器人戰(zhàn)爭(zhēng)[ 25 ]、受精、機(jī)器人預(yù)防接種、崗位作業(yè)、水果、蔬菜[ 26 ][ 28 ][ 28 ]的農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品分類、或者機(jī)器人材料分類、機(jī)器人材料移植等。從哪個(gè)分析的結(jié)果得到的結(jié)果。更成熟的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人不能用GANIA . Robot系列的機(jī)器人和機(jī)器人分類，從理論上來(lái)說(shuō)，強(qiáng)有力的運(yùn)輸能力，與國(guó)家末期平行、定位精度、小精度、小精度、小精度交通等障礙慣性。另外，由于產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人的機(jī)構(gòu)（10）并行化的反應(yīng)速度，要求產(chǎn)業(yè)用工程機(jī)器人迅速

32、準(zhǔn)確地改善現(xiàn)有應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)工程專業(yè) 。 1.3. 本論文研究的主要內(nèi)容 作者系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機(jī)器人技術(shù)的知識(shí)，工作內(nèi)容多參照國(guó)內(nèi)外尤其是現(xiàn)在的情況、產(chǎn)業(yè)機(jī)器人。這個(gè)基礎(chǔ)和項(xiàng)目的作者，在前提下，主要需要工作來(lái)解決以下任務(wù)。 (1) 進(jìn)行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的方案創(chuàng)成、分析和設(shè)計(jì) 1.1 空間單閉鏈機(jī)構(gòu)研究概況 在機(jī)構(gòu)學(xué)中，一般使用符號(hào)來(lái)表示運(yùn)動(dòng)副種類。運(yùn)動(dòng)副符號(hào)R、C、P、S、H分別表示旋轉(zhuǎn)副、圓筒副、移動(dòng)副、球面副、螺旋副。空間單個(gè)封閉機(jī)構(gòu)通常由諸如RSR之類的運(yùn)動(dòng)子符號(hào)的一列來(lái)表示。這不僅反映了便利，還反映了空間機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)。第一符號(hào)表示連接機(jī)架和輸入桿的運(yùn)動(dòng)副，最后是連接輸出部件(被動(dòng)

33、部件)的運(yùn)動(dòng)副[27]。 在空間機(jī)構(gòu)的研究中，提出了各種空間單閉鏈機(jī)構(gòu)和超張緊機(jī)構(gòu)[5,27-33]，并提出了連桿機(jī)構(gòu)的理論依據(jù)，為連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供了一種替代方案。如表1-1所示，張毅（5）合成了一種簡(jiǎn)單地相對(duì)于自由空間1閉合鏈的機(jī)制。因此，根據(jù)自由度對(duì)運(yùn)動(dòng)的子類別進(jìn)行分類，從這個(gè)表中可以看出，由于同一機(jī)構(gòu)中閉合約束的數(shù)量相同，運(yùn)動(dòng)的子類別越高，配置機(jī)構(gòu)所需的成員數(shù)量越少，成員數(shù)量越多，并且運(yùn)動(dòng)子是一種特殊的運(yùn)動(dòng)子，通過(guò)滿足條件，可以構(gòu)造出具有不同約束數(shù)的機(jī)構(gòu)[5]。主要采用空間單封閉機(jī)構(gòu)。1。廣泛應(yīng)用于輕工機(jī)械（如縫紉機(jī)、紡紗機(jī)、鞋等）2。三。一些飛機(jī)和汽車，主要用于飛機(jī)機(jī)翼操作，車

34、輪縮放和車輛傳動(dòng)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。4。5。其他機(jī)器和儀器。 1.1.1 空間三桿機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用 空間三桿機(jī)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的單鏈空間機(jī)構(gòu)。如圖1-1所示，為典型的空間三桿CSS和CCS機(jī)構(gòu)34，圖1-1a為空間三桿CSS機(jī)構(gòu)，兩個(gè)球面沉降之間存在局部自由度。圖1-1b是一個(gè)空間三桿CCS機(jī)構(gòu)，可在需要球形軌道時(shí)使用。 1.1.2 空間四桿機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用 常見(jiàn)的空間四桿機(jī)構(gòu)有4R[35]、RCSR[36]、RSSP[37]、RCCC[38-45]、RCCR[44, 46-53]、RSCR[54]、RRSS[55-58]、RSSR[38, 59-66]、RSCP[54, 67]、RRSC[34, 67,

35、 68]、RCCP[44, 69]、RPSC[28,70]、CSSP[54]、CSSP[54]、RSSP[37, 71, 72]。圖1-2所示為其中的四種，其中圖1-2a為球面4R機(jī)構(gòu)，圖1-2b為RCCC機(jī)構(gòu)，圖1-2c為RSSR機(jī)構(gòu)，圖1-2d為RSSP機(jī)構(gòu)。 空間4根桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用比較廣泛。RCCR和RSSR是雙曲軸機(jī)構(gòu)，在球面4 R機(jī)構(gòu)滿足特殊的幾何條件時(shí)是通用耦合機(jī)構(gòu)，在RCC滿足特殊的幾何條件時(shí)可視為通用耦合機(jī)構(gòu)，RSP是曲軸塊機(jī)構(gòu)，PSSP是雙滑動(dòng)器機(jī)構(gòu)，RSPC、RRSC、RSCC是曲軸轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)。下面列舉一些四個(gè)桿機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用例子。 (1) 空間四桿RSCS 機(jī)構(gòu) 如

36、圖1-4所示，將空間RSCS機(jī)構(gòu)用作為一種飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)。當(dāng)桿2和桿3在液壓油作用下伸縮時(shí)，桿1繞斜軸擺動(dòng)，從而達(dá)到收放機(jī)輪的目的。這里，桿2和桿3各有一個(gè)可繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的局部自由度[5]。 并聯(lián)機(jī)器人相對(duì)于現(xiàn)在廣泛使用的直列機(jī)器人，有著剛性強(qiáng)、精度高、自負(fù)荷小、速度高的優(yōu)點(diǎn)，但是正如同樣結(jié)構(gòu)大小，并列機(jī)器人的工作空間小、桿的空間干涉、特異位置等問(wèn)題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的分析很復(fù)雜。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性是具有高非線性和強(qiáng)耦合的特征，使其控制更加復(fù)雜?？傮w來(lái)說(shuō)，并列機(jī)器人和串聯(lián)機(jī)器人形成了互補(bǔ)的關(guān)系，擴(kuò)大了整個(gè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。并列機(jī)器人的機(jī)構(gòu)多種多樣，Claavel提出了Delta這個(gè)

37、三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)。三角洲機(jī)構(gòu)是最典型的空間，是三自由度移動(dòng)的并行機(jī)構(gòu)，大部分空間三自由度并行機(jī)構(gòu)是由三角洲機(jī)構(gòu)派生的。三角機(jī)器人是擁有3個(gè)平動(dòng)自由度的高速并列機(jī)器人，是商業(yè)應(yīng)用最成功的并列機(jī)器人之一。目前，并行機(jī)器人已應(yīng)用于飛機(jī)對(duì)接、外科手術(shù)、數(shù)控加工等多個(gè)領(lǐng)域。食品制藥領(lǐng)域一般都是在流水線生產(chǎn)，但個(gè)別產(chǎn)品的包裝部分還需要人工操作。由于環(huán)境復(fù)雜、產(chǎn)品特殊，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)不能滿足靈活高效的要求，并行機(jī)制能在這些地方充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。本文主要研究和分析包裝層機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于結(jié)構(gòu)中有空間平行四邊形存在，限制了機(jī)構(gòu)的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，僅僅留下三個(gè)平動(dòng)自由度。于是設(shè)計(jì)了如下的并聯(lián)機(jī)器人，如圖 機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)如

38、下： （1）并聯(lián)機(jī)器人采用四臂對(duì)稱結(jié)構(gòu)，每個(gè)臂為串并混聯(lián)分支。 （2）四個(gè)伺服電機(jī)和減速器安裝在上平臺(tái)上,主要的質(zhì)量和慣性集中在上部，末端執(zhí)行器由八桿相連，慣性小，速度快，效率高。 （3）上平臺(tái)為箱式結(jié)構(gòu)，在箱體的內(nèi)部可以安放驅(qū)動(dòng)電路、控制電路等。 （4）末端執(zhí)行器由八桿球鉸聯(lián)接，安裝電控吸盤，用于抓取物體。 （5）球鉸由彈簧拉緊。 （6）上平臺(tái)為齒輪齒條機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體移動(dòng)。目的是擴(kuò)大并聯(lián)機(jī)器人工作范圍，也可根據(jù)情況不使用。 此機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，末端執(zhí)行器只有平動(dòng)自由度，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。 第2章 機(jī)器人方案的設(shè)計(jì) 2.4. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 2.5. 從一系列

39、的機(jī)器和機(jī)械的建設(shè)來(lái)看，機(jī)器人與設(shè)計(jì)有許多不同。除位置坐標(biāo)、效果變量、關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)力矩（關(guān)節(jié)）的關(guān)系之外，字段與分析機(jī)構(gòu)無(wú)關(guān)。各關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)解析，軸承、速度、加速度、扭矩，基本都是雙手開(kāi)放結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與其他關(guān)節(jié)相關(guān)的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，對(duì)各肩負(fù)重力的影響，以及在快速變化位置上的負(fù)荷慣性關(guān)系。從一點(diǎn)來(lái)看，由于動(dòng)態(tài)變化的分析提供了很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，非常復(fù)雜，即使有一些單純化，為了解析，鏈條的開(kāi)口部是串聯(lián)的，因此僅用于解析。國(guó)家機(jī)關(guān)負(fù)責(zé)機(jī)械懸架、變形、剛性、損傷機(jī)器人的精度積累。因此，設(shè)計(jì)要特別注意準(zhǔn)確性和剛性。另外，機(jī)器人的機(jī)械技術(shù)是典型的，設(shè)計(jì)一般需要考慮轉(zhuǎn)向、控制的一般問(wèn)題，機(jī)器的建設(shè)，不同結(jié)構(gòu)要求更高。

40、與機(jī)器人有關(guān)的概念。 以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。 1一般自由度：工業(yè)用機(jī)器人，在許多關(guān)節(jié)空間，通常都有一對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)制。作為替換關(guān)節(jié)，按順序進(jìn)行關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。自由度數(shù)。 2 機(jī)器人的分類 機(jī)器人分類方法有多種。 (1) 按機(jī)器人的控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型（PTP），連續(xù)軌跡控制型（CP）： （a）點(diǎn)位控制型（Point to Point Control ）：機(jī)器人受控運(yùn)動(dòng)方式為自一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移動(dòng)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)的軌跡控制。 （b）連續(xù)軌跡控制型（Continuous Path Control ）：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同

41、時(shí)做受控運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動(dòng)機(jī)的角位移和角速度信號(hào)，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時(shí)的軌跡控制。 （a）直角坐標(biāo)型：在最初的3個(gè)關(guān)節(jié)中，機(jī)器人與關(guān)節(jié)、數(shù)控機(jī)床的控制程序一樣，垂直于運(yùn)動(dòng)、關(guān)節(jié)移動(dòng)。 （b）圓柱坐標(biāo)型：在第三關(guān)節(jié)中，機(jī)器人從垂直方向臂、P、Q、R、R、Z的位置與坐標(biāo)Q(R、Q、R、R、R、Z)以共同的一個(gè)旋轉(zhuǎn)和兩個(gè)關(guān)節(jié)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。 （c）球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。以q,f, y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P = f (q ,f, y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 （d）關(guān)

42、節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型（SCARA 型）機(jī)器.人。前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。 (3) 按驅(qū)動(dòng)方式分類： 空倉(cāng)式（A）、（B）、油倉(cāng)式（C）、90年代。在XX時(shí)代，電力波動(dòng)、自動(dòng)化、自動(dòng)化和自動(dòng)化是最重要的。 (4) 按用途分類： 可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。 2.6. 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 圖2-1 工業(yè)機(jī)器人的組成圖 它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、控制檢測(cè)系統(tǒng)及

43、智能系統(tǒng)組成。 A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。 （1） 手部：又稱手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。 （2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。 （3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。 （4） 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。 B、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。 C、 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要

44、求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 D、 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。 圖2-2 各部分關(guān)系圖 2.7. 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析 2.2.1 設(shè)計(jì)要求 綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),搜集有關(guān)資料獨(dú)立完成三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)和驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)工作。 原始數(shù)據(jù)：自動(dòng)線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人將一零件從A帶送到B帶。 零件尺寸：內(nèi)孔 ￠100，壁厚 10，高 100。 零件材料：45鋼。 2.2.2 總體方案擬定 在工業(yè)機(jī)

45、器人的諸多功能中，抓取和移動(dòng)是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開(kāi)的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊。 2.8. 方案設(shè)案 設(shè)計(jì)一種直線型Delta并聯(lián)機(jī)器人，動(dòng)平臺(tái)與靜平臺(tái)之間通過(guò)三條支鏈連接。通過(guò)安裝在固定框架上的三個(gè)直流電機(jī)

46、結(jié)合滾珠絲杠副產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)平臺(tái)具有一個(gè)平動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。每個(gè)電機(jī)安裝有編碼器用于檢測(cè)其轉(zhuǎn)角，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建?？捎?jì)算出動(dòng)平臺(tái)的位姿信息，并用于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。 設(shè)計(jì)要求： ?1.外形尺寸600x600x800； ?2.豎直方向平移范圍：±100mm，水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：±15°； ?3.動(dòng)平臺(tái)最大承載5kg； 2.9. 自由度分析 在自由度的分析中，一般涉及閑置自由度、冗余自由度、過(guò)約束、公共約束等問(wèn)題。對(duì)較復(fù)雜的并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度分析，一般用螺旋理論進(jìn)行分析。delta 型并聯(lián)器人，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，四個(gè)支臂始終保持空間平行四邊形。根據(jù)螺旋理論分析末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，可

47、知螺旋系約束了繞三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明此機(jī)構(gòu)只有三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。 機(jī)器人方案圖 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 2.10. 機(jī)械傳動(dòng)裝置的選擇 2.10.1. 滾珠絲杠的選擇 估算：等效載荷 Fm = 1000 N , 絲桿有效行程420 mm , 等效轉(zhuǎn)速 nm = 1500 r/min , 要求使用壽命Lh = 15000 h 左右，工作溫度低于100℃，可靠度95%，精度為3級(jí)精度。 A、 計(jì)算載荷 Fc = 查<機(jī)電液設(shè)計(jì)手冊(cè)> 上冊(cè)，表15-21得 = 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1

48、 Fc = = 1.11.01.6111000 = 1771 N = = = 19559 N B、 選擇滾珠絲桿副的型號(hào) 主要尺寸為： 按= 19559N，查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表2-9，選用漢江機(jī)床廠C1型滾珠絲杠，系列代號(hào)為FYC1-4008-2.5。 = 40 mm , =8 mm , =4 mm ,

49、d = 39mm，滾珠直徑d0=3.969mm 滾道半徑 R= 偏心距 e== 絲杠內(nèi)徑 ≤27 mm , =24000 N , =1880 N 螺旋導(dǎo)程角 γ = arctan = arctan = 3o38′ 螺桿不長(zhǎng)，無(wú)需驗(yàn)算穩(wěn)定性。 C、剛度驗(yàn)算 按最不利情況考慮，即在螺距(導(dǎo)程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時(shí)變形量為最大，計(jì)算公式為： = + 式中 T1 = ··tan( γ+)

50、 = 1000tan(+) = 1321 N·mm 磨擦系數(shù)f = 0.025, 當(dāng)量磨擦角 = ， 剪切彈性模量 G=8.33 N/mm2 所以：= + = 0.0387 μm 其中，危險(xiǎn)截面= 35.76，E = 2.06 每米螺桿長(zhǎng)度上的螺矩的彈性變形 = = 6.6 /m < ()p = 15/m 因?yàn)闈L球絲桿精度要求為3級(jí)精度，由表15-8查得 ()p = 15/m 所以其剛度滿足要求。 D、計(jì)算效率 η= = = 0.96

51、0 = 96% 第3章 零部件設(shè)計(jì)與建模 3.11. Croe軟件介紹 creo2.0/proe5.0是美國(guó)PTC公司開(kāi)發(fā)的三維建模軟件Pro/Engineer的兩個(gè)版本，類似CAD軟件，以其參數(shù)化建模著稱。proe廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)，是國(guó)內(nèi)主流的三維設(shè)計(jì)軟件。 造型設(shè)計(jì)師、建模師、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)師、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師、模具設(shè)計(jì)師等都應(yīng)該熟練掌握的一款軟件。 3.12. 關(guān)鍵零部件建模 3.12.1拉格朗日動(dòng)力學(xué)建模 非保守系統(tǒng)拉格朗日方程 由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一個(gè)多變量、時(shí)變、多參數(shù)耦合的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)力 學(xué)模型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)高性能控制，需要構(gòu)建盡可能準(zhǔn)確的動(dòng)

52、力學(xué)模型。參考文獻(xiàn)可知，目前 比較成熟的動(dòng)力學(xué)建模方法有牛頓-歐拉法、拉格朗日法、虛功原理法、凱恩方程法等， 上述各種建模方法殊途同歸，在構(gòu)建機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型時(shí)各有側(cè)重點(diǎn)，難易程度也會(huì)隨著 建模對(duì)象的不同而變化。其中，拉格朗日法基于系統(tǒng)動(dòng)能和勢(shì)能，采用純粹的分析方法進(jìn) 行動(dòng)力學(xué)建模，采用廣義坐標(biāo)描述非自由質(zhì)點(diǎn)系的運(yùn)動(dòng)，得到一組獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方程，而這組 運(yùn)動(dòng)方程表現(xiàn)為系統(tǒng)的動(dòng)能和廣義力的變化關(guān)系，方程數(shù)目較少。與其它動(dòng)力學(xué)建模方法 相比較，該方法具有系統(tǒng)性強(qiáng)、建模過(guò)程規(guī)范、動(dòng)力學(xué)方程中不出現(xiàn)理想約束力、表達(dá)式 相對(duì)簡(jiǎn)單緊湊等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)建模研究。針對(duì)所研究的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，采 新型 3-

53、DOF 驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模及其滑模控制研究 40 用 Lagrange 法建立其基于工作空間的動(dòng)力學(xué)模型。 該驅(qū)動(dòng)冗余三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)，采用的是清華大學(xué)的發(fā)明專利技術(shù)汪勁松，謝福貴，一種多軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)裝置，。該驅(qū) 動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)通過(guò)三個(gè)支鏈與定平臺(tái)相連，如圖 6 所示，其中前兩個(gè) 分支（或稱為第一、二分支）是相同的，采用的是 PRU 或者 PR(RR)運(yùn)動(dòng)鏈，這 兩個(gè)分支位于同一個(gè)平面內(nèi)，后面的分支或者稱為第三分支采用的是 PPRR 運(yùn)動(dòng) 鏈，這個(gè)分支所在的平面與前兩個(gè)分支所在的平面是相互垂直的。三個(gè)分支中的 P 運(yùn)動(dòng)副是驅(qū)動(dòng)的，不能看出該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)有三個(gè)主動(dòng)輸出，

54、即兩個(gè)移動(dòng) 和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于其驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副有四個(gè)，而輸出自由度只有三個(gè)，因此，該機(jī)構(gòu) 是驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)。 該機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、 第三分支有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)（或稱驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副）； 2、 每個(gè)分支只有四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)分支運(yùn)動(dòng)副數(shù)達(dá)到 最少化，大大減少了由于運(yùn)動(dòng)副誤差累積導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)精度降 低的可能性，因此該機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)精度較高； 3、 由于參與動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度輸出的運(yùn)動(dòng)副全部是單自由度運(yùn)動(dòng)副，這 極大地提高了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，使該機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn) 動(dòng)更加靈活，擴(kuò)大了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍。 根據(jù)拉格朗日方程有 d L L dt ? ? - = ? ? ? ? ? ÷

55、 è ?& τ q q (3.1) 式中，L=T?U 為拉格朗日函數(shù)；T 和 U 分別為系統(tǒng)動(dòng)能和勢(shì)能；q 為廣義坐標(biāo)；τ為非保 守廣義力。 為了便于平臺(tái)的移動(dòng)，模型化了覆蓋該組織原點(diǎn)的坐標(biāo)系的動(dòng)態(tài)中心，包括機(jī)關(guān)210名成員的對(duì)應(yīng)計(jì)算在內(nèi)的各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性，而不是機(jī)關(guān)的其他要素的設(shè)計(jì)質(zhì)量的摩擦力?？紤]到潛在性，將準(zhǔn)確平行的模型代理、移動(dòng)平臺(tái)平行、軟木和三個(gè)指導(dǎo)系統(tǒng)分開(kāi)的機(jī)構(gòu)免除的機(jī)構(gòu)實(shí)施的研究時(shí)效法，以職場(chǎng)為基礎(chǔ)的方法、動(dòng)力學(xué)和最小兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等價(jià)機(jī)構(gòu)使用的測(cè)試方法不限于職場(chǎng)。推動(dòng)力的測(cè)定，優(yōu)化力的一般動(dòng) 平臺(tái)的位姿描述采用前面所述的形式，即 T q= y,z, [ ] 3.3 動(dòng)

56、力學(xué)模型簡(jiǎn)化與分析 上述方法直接推導(dǎo)出的并聯(lián)機(jī)構(gòu)完整動(dòng)力學(xué)方程是動(dòng)平臺(tái)位姿的復(fù)雜非線性耦合函 數(shù)， 將上述動(dòng)力學(xué)模型直接用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制存在計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題[91,212]，因此需要 在保證建模精度的前提下，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。 3.3.1 模型簡(jiǎn)化方案 查閱文獻(xiàn)可知，關(guān)于對(duì)設(shè)施文檔的訪問(wèn)，并行程序的簡(jiǎn)化從設(shè)計(jì)階段考慮的簡(jiǎn)單的組織方法的機(jī)制最初的設(shè)計(jì)分成以下的類型?？紤]到帳戶控制、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、模型動(dòng)態(tài)的開(kāi)發(fā)和實(shí)施，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)繼續(xù)是動(dòng)態(tài)的，從而減輕計(jì)算負(fù)擔(dān)。第二種方法是基于同一模型的想法進(jìn)行二次比較，一些研究人員相信平臺(tái)與領(lǐng)導(dǎo)平行比較。每個(gè)樹(shù)枝、重力和慣性力都與動(dòng)力學(xué)的

57、重要性聯(lián)系在一起，使計(jì)算資源豐富，從而不影響實(shí)時(shí)控制運(yùn)動(dòng)能源模型，使運(yùn)動(dòng)能量非移動(dòng)平臺(tái)的個(gè)別部分機(jī)制的主要構(gòu)成要素對(duì)精度有很大的影響。各自的運(yùn)動(dòng)能量是忽略 各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)滑塊的動(dòng)能可分別表示為： 分析式(3.30)-(3.32)所示機(jī)構(gòu)各部件動(dòng)能表達(dá)式，提出如下動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化方案：將三個(gè)連 桿質(zhì)量的二分之一轉(zhuǎn)入與之相連的滑塊，而剩余二分之一的質(zhì)量則轉(zhuǎn)入機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)，由于 機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)滑塊的運(yùn)動(dòng)較為單一，因此采用上述方法，機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型可得到有 效簡(jiǎn)化。機(jī)構(gòu)連桿簡(jiǎn)化示意圖如圖 3.1 所示。 3.3.2 簡(jiǎn)化模型誤差補(bǔ)償 根據(jù)式(3.12)所示各連桿質(zhì)心的線速度可

58、計(jì)算出連桿總動(dòng)能為 而在簡(jiǎn)化過(guò)程中，每個(gè)支鏈的實(shí)際動(dòng)能見(jiàn)式(3.32)，由此可見(jiàn)，機(jī)構(gòu)支鏈總動(dòng)能簡(jiǎn)化誤差為 3 1 3 1 1 1 2 4 li l i m zz m y = - + ? && & ，上述動(dòng)能誤差直接決定了動(dòng)力學(xué)模型的建模精度，進(jìn)而影響系統(tǒng)的 控制精度，因此必須對(duì)模型簡(jiǎn)化所帶來(lái)的誤差進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。由于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度 快、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)確定、輸出與初始權(quán)值無(wú)關(guān)，且具有全局最優(yōu)和最佳逼近性能，在函 數(shù)逼近，時(shí)間序列預(yù)測(cè)，系統(tǒng)建模和控制中得到了廣泛應(yīng)用[218]，故采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線 新型 3-DOF 驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模及其滑?？刂蒲芯?50 補(bǔ)償動(dòng)力學(xué)模型

59、簡(jiǎn)化誤差，在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，最大限度的提高機(jī)構(gòu)的建模精度和 系統(tǒng)的控制精度。 由動(dòng)力學(xué)模型可知，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力與機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)位姿、速度和加速度有關(guān)，取并聯(lián)機(jī)構(gòu) 位姿量、位姿的一階導(dǎo)數(shù)和位姿的二階導(dǎo)數(shù)為輸入，驅(qū)動(dòng)力補(bǔ)償量為輸出，故所設(shè)計(jì)RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層結(jié)點(diǎn)數(shù)為9，輸出層結(jié)點(diǎn)數(shù)均為4，其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入 矢量表示為 ( ) T T = = , , , , , , , , , , é ù y z y z y z ? ? & && Q q q q & && b b b & && ，輸出矢量表示為 [ ] T 1 2 3 4 D = D D D D F f f f f , ,

60、 , ， 隱含層采用髙斯指數(shù)型函數(shù)， 3.4.3 機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件引入的驅(qū)動(dòng)力 為分析機(jī)構(gòu)各主要組成部分對(duì)總體驅(qū)動(dòng)力的影響，基于上述機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行平面圓周運(yùn) 動(dòng)，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，各主要部件所引入的驅(qū)動(dòng)力如圖 3.5 所示。 分析圖 3.5(a)-(c)可知，圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中(β=0)，連桿 1、2，滑塊 1、2 及動(dòng)平臺(tái)在 Z 軸方向的驅(qū)動(dòng)力由 f1和 f2承擔(dān)，其軸向驅(qū)動(dòng)力 f3幾乎為 0(最大 2×10-13N)，由于冗余驅(qū)動(dòng)的 存在，其在 Y 方向的驅(qū)動(dòng)力由 f1、f2和 f4共同承擔(dān)；由圖 3.5(d)和(e)可知，對(duì)于連桿 3 和滑 塊 3，由于 Y 方向的速度

61、和加速度較小，故各驅(qū)動(dòng)力較小(最大 2N)；圖 3.5(f)中，由于冗余 滑塊只有 Y 方向而無(wú) Z 軸方向運(yùn)動(dòng)，且其重力項(xiàng)跟機(jī)構(gòu)架的支撐力相抵消，故其引入的驅(qū) 動(dòng)力 f3為 0，而 Y 方向的驅(qū)動(dòng)力由 f1、f2和 f4共同承擔(dān)。由于冗余驅(qū)動(dòng)滑塊質(zhì)量較大(70kg)， 在不考慮重力項(xiàng)的情況下，冗余驅(qū)動(dòng)滑塊所引入的驅(qū)動(dòng)力 f4亦隨之增大。 3.4.4 動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證 為進(jìn)一步驗(yàn)證所構(gòu)建的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性及簡(jiǎn)化 補(bǔ)償方法的有效性。引入式(3.36)所示 PD 控制器構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 故并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定。 針對(duì)上述并

62、聯(lián)機(jī)構(gòu) PD 仿真控制系統(tǒng)，PD 控制器參數(shù)選為 Kp=diag[8000, 3800, 650]， Kd=diag[1500, 1500, 600]，選擇式(3.35)所示運(yùn)動(dòng)軌跡，仿真周期設(shè)為 20s。利用 MATLAB 中的“tic”和“toc”指令測(cè)試動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算時(shí)間，同時(shí)得到三種模型下各關(guān)節(jié)軸向驅(qū)動(dòng) 力變化曲線，如圖 3.6 所示。55 圖 3.6(a)-(d)為圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)各軸向驅(qū)動(dòng)力變化情況，圖中實(shí)際模型為式(3.23) 所示機(jī)構(gòu)完整動(dòng)力學(xué)模型，帶補(bǔ)償簡(jiǎn)化模型為式(3.34)所示基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)化 模型。分析圖 3.6 可知，基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償?shù)?/p>

63、簡(jiǎn)化模型的驅(qū)動(dòng)力與完整動(dòng)力學(xué)模 型的驅(qū)動(dòng)力基本一致，最大誤差不超過(guò) 10N。 此外，通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析可知，本文所設(shè)計(jì)的基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)化 動(dòng)力學(xué)方程的解算時(shí)間為 180ms，較完整動(dòng)力學(xué)方程的 260ms 的解算時(shí)間而言，時(shí)間縮短 了 30%，因此該簡(jiǎn)化模型具有較高的計(jì)算效率，能更好的滿足并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)控制要求。 基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型較簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型有較高的精度，適合 于計(jì)算力矩控制、增廣 PD 控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制等依賴于被控對(duì)象精確模型的控 制方法的設(shè)計(jì)[133,134,136]。 下面介紹了一些關(guān)鍵部件的三維幾何體和二維結(jié)構(gòu)尺寸

64、圖。 機(jī)器人大臂 機(jī)器人大臂端 機(jī)器人固定端 電機(jī)固定座 電機(jī)固定座 動(dòng)盤座 帶輪 3.13. 各部分的裝配關(guān)系 在個(gè)關(guān)節(jié)出使用球約束使得他們之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 關(guān)節(jié)之間創(chuàng)建萬(wàn)向約束 皮帶輪之間參與銷釘連接 總裝配圖 第4章 仿真分析 首先進(jìn)入到仿真界面中： 對(duì)電動(dòng)機(jī)軸添加伺服電機(jī)，產(chǎn)生動(dòng)力。 設(shè)置位置做為電動(dòng)機(jī)的變化量 選擇運(yùn)行分析 創(chuàng)建測(cè)量項(xiàng)目 參考文獻(xiàn) [1] 吳宗澤,羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版[M].北京:高等教育出版社,1999. [2]廖念

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