hi多功能平面并聯(lián)機(jī)械手示教儀 設(shè)計(jì)說明書

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1、assessment; 2, for employees working in this sector allocation, performance evaluation and reward (or punishment recommendations) authority; 3, within the limits of responsibility according to the system of ownership of the work of the authority; 4, the right to confidentiality in the company archiv

2、es; 5, the right to the assessment of departments; 6, request other departments within the Department be reasonable coordination authority; 7, the right to review of the fees; 8, urging implementation of the personnel management system, and corresponding punishment for violations of the system recom

3、mended by the authority; Department: General Office two superiors: jobs covered by the Manager and the subordinate departments: Director, General Accounting, Treasury, material accounting, appraisal, asset manager departments job: responsible for development, audit, inspection, evaluation, managem

4、ent regulations, and the companys financial and material management. Main functions: 1, common functions, in charge of the annual, quarterly and monthly work plan and report, with regular work, looking for a job gap, improve the quality of work; 2, responsible for the companys rules and regulations,

5、 provisions, arrangements, notices and other documents of implementation in this sector; 3, responsible for the internal management rules of construction, implementation and improvement of work; 4, in charge of the departments and agencies post functions, running processes, the development of assess

6、ment methods and assessment work; 5, responsible for the 多功能平面并聯(lián)機(jī)械手示教儀 設(shè)計(jì)者：王旭東，趙 宣，趙 彬、周長(zhǎng)興，張百齊 指導(dǎo)教師：趙衛(wèi)軍，金 悅 （西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安710049） 作品內(nèi)容簡(jiǎn)介 本作品是一種新的教學(xué)型平面并聯(lián)機(jī)械手示教實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其基于平面五連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行教學(xué)演示，既可用于《工業(yè)機(jī)器人》課程的實(shí)驗(yàn)和《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的機(jī)構(gòu)演示教學(xué)，也可幫助學(xué)生進(jìn)一步理解并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其工業(yè)應(yīng)用。本作品的基本原理是通過與上位機(jī)通信，獲取在控制界面上鼠標(biāo)當(dāng)前有效位置，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)位置逆解方程將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成兩電

7、機(jī)轉(zhuǎn)角，從而驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行末端的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)可以通過上位機(jī)的配套軟件改變與檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將參數(shù)實(shí)時(shí)反映在上位機(jī)的控制界面中。本作品機(jī)構(gòu)上除了基本的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)外，還增加了不完全齒輪機(jī)構(gòu)和直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)抓取和繪畫功能，具有演示復(fù)雜軌跡曲線的功能與復(fù)現(xiàn)軌跡曲線，還可以演示工業(yè)機(jī)器人在工廠的分揀動(dòng)作，這提高了實(shí)驗(yàn)儀器的趣味性與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的豐富性。本示教儀具有較大的開放性，學(xué)生可以從機(jī)構(gòu)學(xué)、力傳遞特性、運(yùn)動(dòng)學(xué)與控制策略等多方面自主實(shí)踐探究，提高學(xué)生獨(dú)立思考的能力與創(chuàng)造力。本示教儀不僅將機(jī)械類學(xué)生所學(xué)理論與前沿科學(xué)緊密相聯(lián)，使學(xué)生能直觀地學(xué)習(xí)并深入了解并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特性，同時(shí)提高學(xué)生自主創(chuàng)

8、新實(shí)驗(yàn)的能力，對(duì)機(jī)械類學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)具有重要的意義。 本作品經(jīng)調(diào)試達(dá)到了預(yù)期的效果與功能。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查與分析，現(xiàn)有市場(chǎng)并無此類儀器設(shè)備，在量產(chǎn)的情況下，可將成本控制在2000-3000元，在高校機(jī)械類課堂內(nèi)具有一定的推廣價(jià)值。 圖1 機(jī)械手模型渲染圖 圖2 并聯(lián)機(jī)械手實(shí)物圖 聯(lián)系人：王旭東 聯(lián)系電話：18710436390 Email:wangxudong@ 1. 研究背景與設(shè)計(jì)目標(biāo) 1.1 研究背景 自09年以來，中國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)面臨著經(jīng)濟(jì)模式轉(zhuǎn)型與勞動(dòng)成本提高的困

9、境，而解決這一困境的有效措施是企業(yè)使用工業(yè)機(jī)器人來代替人力勞動(dòng)降低成本，提高生產(chǎn)效益。隨著當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)代化的迅猛發(fā)展，以及加工工藝的不斷完善，控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景已被越來越多的企業(yè)認(rèn)可。工業(yè)機(jī)器人既保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，又減少了在特殊環(huán)境下工作的危險(xiǎn)性，同時(shí)降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度與技術(shù)熟練要求。如圖3所示中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的需求每年正逐步地增加，而我國(guó)工業(yè)機(jī)器人研究起步較晚，與西方國(guó)家存在一定的差距，且工業(yè)機(jī)器人多依賴進(jìn)口，這嚴(yán)重影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 圖3 中國(guó)工業(yè)機(jī)器人需求量 但高校機(jī)械教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備未及時(shí)與社會(huì)發(fā)展需求很好地接軌，經(jīng)過市場(chǎng)產(chǎn)品調(diào)研與分析，市場(chǎng)上并未存在較為

10、成熟且以應(yīng)用頗廣的并聯(lián)機(jī)器人為研究對(duì)象的教學(xué)型實(shí)驗(yàn)設(shè)備。并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由2個(gè)或者2個(gè)以上的驅(qū)動(dòng)器通過桿系同時(shí)作用于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的空間機(jī)構(gòu)。它的特點(diǎn)是所有的分支機(jī)構(gòu)可同時(shí)接受驅(qū)動(dòng)器的輸入，而最終同時(shí)給出輸出，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)學(xué)上屬于多路閉環(huán)機(jī)構(gòu)。本小組決定采用以五連桿為基礎(chǔ)的二自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為示教設(shè)備，其可以實(shí)現(xiàn)工作平面內(nèi)的任意移動(dòng)。雖然其為最簡(jiǎn)單的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，但是可以引導(dǎo)機(jī)械類學(xué)生了解并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程上的應(yīng)用價(jià)值，并進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法和控制技術(shù)等，促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在機(jī)械類學(xué)生內(nèi)的普及。 1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo) 1）學(xué)生上手快且易理解，作品采用圖形化界面，避免了繁雜的編程與函

11、數(shù)庫的學(xué)習(xí)。機(jī)械結(jié)構(gòu)與被亞克力透明盒包裝的電路結(jié)構(gòu)清晰可見，從學(xué)生認(rèn)知的角度講，學(xué)生能夠清晰地把握整個(gè)作品或?qū)嶒?yàn)儀器的結(jié)構(gòu)； 2）了解并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基本概念并對(duì)工業(yè)機(jī)器人有初步的認(rèn)識(shí)，學(xué)生能夠了解什么是并聯(lián)機(jī)構(gòu)，相比串聯(lián)機(jī)構(gòu)其具有什么優(yōu)勢(shì)，以及并聯(lián)機(jī)器人以及其在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的前景； 3）學(xué)生能綜合運(yùn)用機(jī)械各學(xué)科知識(shí)分析并聯(lián)機(jī)構(gòu)，能計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度并能簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)模型從而建立并求解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的數(shù)控編程方法與控制技術(shù)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)； 4）學(xué)生能積極探索并聯(lián)機(jī)構(gòu)的相關(guān)特性，如在此示教儀的基礎(chǔ)上探究平面五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性與機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的建立，最優(yōu)路徑策略的制定等。 2

12、. 方案設(shè)計(jì) 1 2 2.1 整體方案設(shè)計(jì) 本示教儀選用STM32作為主控，通過與上位機(jī)通信以及上位機(jī)的配套軟件改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；它也可以與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信，并通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。該控制為半閉環(huán)控制，雖然不能直接檢測(cè)桿末端的位置，但是當(dāng)整個(gè)機(jī)構(gòu)間隙比較小并且晃動(dòng)不大時(shí)，可以通過檢測(cè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算出桿末端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而進(jìn)行控制。圖4為控制系統(tǒng)整體方案。 圖4 整體方案設(shè)計(jì) 1. 2. 2.1. 2.2. 機(jī)械結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì) 作為實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，既要保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的清晰性，同時(shí)也保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)流暢。圖5是并聯(lián)機(jī)械手三維

13、裝配模型渲染圖，圖6是最終設(shè)備的基本尺寸圖。 圖5 并聯(lián)機(jī)械手三維裝配模型渲染圖 圖6 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本尺寸 為確定各支鏈桿的尺寸，本小組將平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面五連桿機(jī)構(gòu)，在保證平面五連桿機(jī)構(gòu)的的運(yùn)動(dòng)軌跡域不存在死點(diǎn)，即存在雙曲柄條件時(shí)，應(yīng)滿足兩主動(dòng)桿之和最短且兩主動(dòng)桿與最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度和應(yīng)小于或等于其余兩桿之和。本小組選取的尺寸如下圖7所示： 圖7 平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿尺寸圖 在進(jìn)行平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)本小組對(duì)連桿材料進(jìn)行了分析，最終本小組選擇了性能優(yōu)異的碳纖維管作為連桿的主要材料，有效降低運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的慣性，同時(shí)通過增加副臂形成平行四邊形，保證末端平臺(tái)一直平行機(jī)架

14、的同時(shí)加強(qiáng)了整個(gè)連桿的強(qiáng)度與剛度。這不僅保證了機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能，同時(shí)減低了機(jī)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)源轉(zhuǎn)速與扭矩的要求。在肘架連接處由于需要承受較大的交變應(yīng)力，并且考慮方便制造加工的條件下，本小組選擇了鋁合金，肘架處爆炸圖如圖8所示。連桿機(jī)構(gòu)薄弱處在連接部分，但是該機(jī)構(gòu)自重極小，只有500克左右，經(jīng)過ANSYS受力分析（詳見說明書機(jī)械校核部分），機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度滿足產(chǎn)品要求。 圖8 肘架爆炸圖 1 2 2.1 2.2 2.3. 相關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) A. 抓取機(jī)構(gòu) 本示教儀有抓取與分揀功能，該抓取機(jī)械手主要是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，綜合考慮到末端運(yùn)動(dòng)平臺(tái)空間的大小與旋轉(zhuǎn)抓取扭矩的大小，本小組選用體積

15、較小但性能優(yōu)異特別是扭矩較大的舵機(jī)作為動(dòng)力源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手“手指”部分采用不完全齒輪機(jī)構(gòu)，可以精確傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度并能夾緊被抓物體。不完全齒輪模數(shù)，分度圓直徑。抓取機(jī)械手手指部分下圖9所示，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)與“手指”之間使用法蘭連接，法蘭是舵機(jī)配件中的標(biāo)準(zhǔn)件，“手指”使用線切割與數(shù)控銑床加工完成，保證了兩零件間的同軸度，使傳動(dòng)平穩(wěn)。 圖9 機(jī)械手手指部分模型 圖10 舵機(jī)實(shí)物圖 B. 畫筆機(jī)構(gòu) 考慮到畫筆需要抬筆動(dòng)作，該動(dòng)作為直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過對(duì)伺服電機(jī)加曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、直線電機(jī)、氣缸三個(gè)驅(qū)動(dòng)之間的對(duì)比，由于氣缸質(zhì)量輕，慣性小，不用增加運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，

16、我們選擇了氣缸作為驅(qū)動(dòng)。因?yàn)樘ЧP運(yùn)動(dòng)的行程極小，需要力也較小，為了節(jié)約空間，最終選擇了微型針孔氣缸。雖然使用氣缸需要提供外部氣源，但是由于針孔氣缸內(nèi)徑極小，對(duì)氣的需求也極小，所以氣源不需要經(jīng)常更換。為了改善運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，在氣缸兩側(cè)增加了直線導(dǎo)桿，減少由于筆的自重引起的晃動(dòng)。下圖為畫筆機(jī)構(gòu)的模型： 圖11 抬筆機(jī)構(gòu)示意圖 C. 減振設(shè)計(jì) 示教儀底座為保證其運(yùn)行的平穩(wěn)性，為其配備了較大的支撐座。但由于焊接熱變形等因素，底座不能與安放面保持良好的接觸，為此本小組采用了工業(yè)橡膠吸盤，通過四個(gè)橡膠吸盤與安放面接觸，不僅改善底座不平的問題，而且更好的隔離外界振動(dòng)對(duì)本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的影響。 2.4.

17、電路控制分析 1) 控制部分硬件選擇 機(jī)械手的控制包含了接收上位機(jī)命令，位置解算，通過CAN總線給電機(jī)控制盒發(fā)角度命令等。控制芯片采用ST公司的STM32F407RGT6，其主要特性有： 1.集成了新的DSP和FPU指令，而其精簡(jiǎn)的cortex-M4結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)存加速器可以提升代碼效率，而高速的主頻可以提升控制算法的執(zhí)行速度； 2.存儲(chǔ)加速器：自適應(yīng)的實(shí)時(shí)控制加速器； 3.多重的AHB總線矩陣架構(gòu)配合多通道的DMA傳輸：采用的哈佛結(jié)構(gòu)使得程序的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的傳輸達(dá)到并行處理模式，使得數(shù)據(jù)的傳輸并不需要主控來進(jìn)行搬運(yùn)，大大加速了傳輸速度和執(zhí)行代碼的效率； 4.高速USART，可達(dá)10.5M

18、bits/s； 5.高速CAN總線接口，速度可達(dá)1Mbits/s。 總體電路如下： 圖12 電路總圖 2) 通信部分電路設(shè)計(jì) ①CAN總線接口電路 CAN總線的接口電路選擇TI公司的ISO1050，ISO1050是一個(gè)自帶隔離的CAN總線收發(fā)器，其速度可以達(dá)到1M，這里利用了B0505S-1W作為隔離的DC-DC來對(duì)隔離后的CAN總線進(jìn)行通信，電路如下： 圖13 CAN總線接口電路 ②UART通信電路 UART采用TI的MAX3232E電平轉(zhuǎn)換電路。其中MAX3232E是一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片，其外設(shè)電路僅需要4個(gè)0.1uf的電容即可。其電路如下： 圖14 UART

19、電路 3) 控制部分整體思路 二自由度平面并聯(lián)機(jī)械手采用以STM32F407RGT6為核心的控制中心，其實(shí)現(xiàn)的功能包括： 1. 對(duì)PC上位機(jī)傳輸?shù)拿钸M(jìn)行相應(yīng)的解碼； 2. 對(duì)傳輸?shù)男畔⑺淖鴺?biāo)信息進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解得到PC上位機(jī)所要求的直流有刷電機(jī)所要轉(zhuǎn)的角度； 3. 對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解后獲取的電機(jī)轉(zhuǎn)角進(jìn)行再編碼通過PCB上自制的CAN總線模塊傳輸?shù)阶灾频碾姍C(jī)控制盒； 圖16 電機(jī)控制盒實(shí)物圖 其中STM32利用自帶的UART配合max3232轉(zhuǎn)電平后與PC上位機(jī)進(jìn)行通信，獲取PC上位機(jī)編碼后的信息。PC上位機(jī)獲取鼠標(biāo)的當(dāng)前位置換算成實(shí)際的位置并通過自定義的通信格式編碼后傳

20、輸給STM32，當(dāng)STM32收到信息后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的譯碼解算出相應(yīng)的角度。 同時(shí)STM32將信息編碼后，利用PCB板上的ISO1050轉(zhuǎn)成差分電平后通過CAN總線將編碼后的信息發(fā)送給自制的電機(jī)控制盒。自制電機(jī)控制盒收到信息后，對(duì)命令進(jìn)行相應(yīng)的譯碼操作后獲取PC上位機(jī)所要求的轉(zhuǎn)速和角度，電機(jī)控制盒采用位置、速度、電流閉環(huán)模型對(duì)直流有刷電機(jī)進(jìn)行伺服的調(diào)節(jié)控制，從而使直流有刷電機(jī)以要求的速度運(yùn)轉(zhuǎn)到要求的角度，以達(dá)到PC上位機(jī)對(duì)平面二自由度并聯(lián)機(jī)械手的控制。 2.5. 產(chǎn)品相關(guān)理論參數(shù) 下表為本小組所選選用產(chǎn)品的部分參數(shù) 表1 MAXON電機(jī)電機(jī)參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 工作電壓 24V

21、 空載轉(zhuǎn)速 10700r/min 減速后速 46r/min 堵轉(zhuǎn)扭矩 5.7Nm 連續(xù)扭矩 1.4Nm 減速箱型號(hào) 精密行星金屬減速箱（輸出滾珠軸承） 減速比 231:1 表2 藍(lán)箭舵機(jī)參數(shù) 電壓 扭矩 速度 4.8V 4.2kg.cm/58.32oz.in 0.13s/60deg 6.0V 5.0kg.cm/69.43oz.in 0.11s/60deg 3. 理論計(jì)算 1. 2. 3. 3.1. 氣缸力計(jì)算 本作品采用的是SMC針形氣缸，由氣缸壓力計(jì)算公式： 其中：：氣缸截面積（） ，氣缸直徑為4； ：使用氣壓壓力 ,本作

22、品使用氣壓為0.7； ：摩擦阻力與彈簧力（），測(cè)得真實(shí)值為7.0N； 由此看出當(dāng)氣缸重啟，標(biāo)記筆對(duì)白板的沖擊較小，且小于標(biāo)記筆筆芯變形的最小5N力 。 1 2 3 3.1 3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與校核 本小組設(shè)計(jì)的示教儀，作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，其本身的結(jié)構(gòu)安全性能是非常重要的，為此本小組針對(duì)機(jī)構(gòu)中受力較大的重要但薄弱的部件進(jìn)行分析。本小組采用的是商業(yè)化比較成熟的CAM分析軟件ANSYS. 下圖所示為示教儀底座的受力分析圖: 從安全系數(shù)考慮，所加載荷為實(shí)際載荷的3倍即30N，從分析結(jié)果看出最大變形量為，滿足強(qiáng)度與剛度要求。 圖17 示教儀整體框架的受力分析 下圖

23、零件受力比較復(fù)雜，是連接主動(dòng)臂與從動(dòng)臂的重要零件，本小組對(duì)其進(jìn)行尺寸計(jì)算后，進(jìn)行了受力分析。從分析結(jié)果中可以看到最大變形量只有能夠滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的強(qiáng)度與剛度要求。 圖18 桿連接三角件的受力分析 運(yùn)用同種方法對(duì)電機(jī)座進(jìn)行受力分析，對(duì)受力面施加30N局部載荷，電機(jī)座的最大變形量也在合理范圍內(nèi)，說明安全性能符合要求。 圖19 電機(jī)座變形分析 最后對(duì)整個(gè)架子進(jìn)行模態(tài)分析，以確定機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中是否存在振動(dòng)。最后本小組也采用隔振的技術(shù)，在機(jī)架底座上安放工業(yè)橡膠吸盤，整個(gè)機(jī)架的抗震性能大幅提高。 圖20 機(jī)架的模態(tài)分析 圖21 機(jī)架模態(tài)分析10階模態(tài)

24、圖譜 3.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)化 本作品所使用的并聯(lián)機(jī)械手由兩組支鏈和執(zhí)行末端動(dòng)平臺(tái)組成。而各組支鏈包含兩個(gè)鉸鏈平行四邊形桿結(jié)構(gòu)，分別有機(jī)架-主動(dòng)臂-連架-副主動(dòng)臂-支架；支架-從動(dòng)臂-動(dòng)平臺(tái)組成，而各構(gòu)件件采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。通過電機(jī)控制主動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)在平面內(nèi)的2自由度純平動(dòng)。 由于平面并聯(lián)機(jī)械手桿數(shù)過多，分析不便，本小組對(duì)模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：由平行四邊形機(jī)構(gòu)的性質(zhì)可知，其連接的機(jī)構(gòu)或者桿之間始終具有平行關(guān)系，從圖中易看出并聯(lián)機(jī)械手執(zhí)行末端的動(dòng)平臺(tái)總是平行于固定架，即執(zhí)行末端總為一剛體的純平動(dòng)，每一時(shí)刻動(dòng)平臺(tái)相對(duì)固定平臺(tái)的姿態(tài)是不變的。因此本小組將考慮到主動(dòng)桿與連架從動(dòng)桿及三根從動(dòng)

25、桿等長(zhǎng)且平行。在此做運(yùn)動(dòng)特性分析時(shí)，將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為二自由度5桿鉸接結(jié)構(gòu)，如下圖23所示。但平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)與五連桿存在一定的區(qū)別，平面并聯(lián)機(jī)械手由于虛約束的加入，比五連桿具有更好的剛度，此外平面并聯(lián)機(jī)械手有一個(gè)作純平動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。 圖22 二自由度平面并聯(lián)機(jī)械手 圖23 簡(jiǎn)化為五桿機(jī)構(gòu)示意圖 3.4 機(jī)構(gòu)位置逆解分析 假設(shè)主動(dòng)桿回零是動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)的重復(fù)定位誤差很小，因此我們可在機(jī)構(gòu)零點(diǎn)位置建立坐標(biāo)系，其中動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)的位矢，主動(dòng)桿與軸正方向的轉(zhuǎn)角 已知點(diǎn)位置，求兩主動(dòng)桿的轉(zhuǎn)角，首先我們?cè)诠潭▍⒖枷聵?gòu)造閉環(huán)方程： 上述矢量具體表達(dá)為： 式中：分別表示支鏈

26、中主、從動(dòng)桿桿長(zhǎng)和單位矢量；表示兩主動(dòng)桿軸線間距與動(dòng)平臺(tái)兩側(cè)兩鉸點(diǎn)間距之差。 由Mathematica符號(hào)運(yùn)算功能，可解出： 公式中： 據(jù)此可以得到的關(guān)系式： 由簡(jiǎn)化后五連桿的尺寸，將代入中運(yùn)動(dòng)學(xué)解析中得到公式： 可得出如下兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方程： 本小組利用電機(jī)轉(zhuǎn)角與平面內(nèi)坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系，為機(jī)械手繪圖提供理論基礎(chǔ)。 3 3.1 3.2 3.3 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5 齒輪連桿機(jī)構(gòu)分析 從以上分析我們可以知道，平面并聯(lián)機(jī)械手可以看成是平面五連桿機(jī)構(gòu)，通過控制兩電機(jī)轉(zhuǎn)速比為定值時(shí)，形成類似定傳動(dòng)比的齒輪連桿機(jī)構(gòu)

27、。通過查詢齒輪連桿機(jī)構(gòu)軌跡圖圖譜可知，改變傳動(dòng)比可以得到不同的類型的圖形，如當(dāng)時(shí)且初始相位相同，本作品末端畫筆機(jī)構(gòu)在平面內(nèi)的繪制的圖形為圓。這為本作品繪圖提供了理論基礎(chǔ)同時(shí)提高了學(xué)生對(duì)齒輪連桿機(jī)構(gòu)感性的認(rèn)識(shí)與對(duì)機(jī)械的興趣。 圖24 齒輪連桿繪圓 4. 作品性能 根據(jù)前面的理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析與電路，本小組設(shè)計(jì)并制造了圖26所示的作品同時(shí)也完成了圖25所示的UI人機(jī)交互界面，并完成了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本作品基本能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的實(shí)驗(yàn)功能。本作品中電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)角由于兩電機(jī)通過連桿相互耦合，實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)角在之間而在范圍內(nèi)。通過測(cè)試運(yùn)動(dòng)平臺(tái)最大的運(yùn)動(dòng)速度為，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)平臺(tái)末端位置精度。這已基本能夠滿足正

28、常的教學(xué)需求。 圖25 作品UI人機(jī)交互界面 圖26 實(shí)物作品 5. 創(chuàng)新點(diǎn)與前景 1 2 3 4 5 5.1 創(chuàng)新點(diǎn) 1、 集機(jī)械繪畫、分揀零件等功能，趣味性高； 2、 通過控制界面鼠標(biāo)位置的移動(dòng)改變機(jī)械手的在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，操作界面直觀、學(xué)生實(shí)驗(yàn)上手快； 3、 本作品可轉(zhuǎn)化為齒輪連桿機(jī)構(gòu)，通過控制兩電機(jī)轉(zhuǎn)速比的不同，實(shí)現(xiàn)不同的軌跡； 4、連接上位機(jī)控制，可以進(jìn)行數(shù)控編程； 5、可以記錄軌跡并重復(fù)實(shí)現(xiàn)，減少運(yùn)動(dòng)求解難度，體現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用方法。 本示教設(shè)備集機(jī)械設(shè)計(jì)，數(shù)控編程技術(shù)為一體，非常適合機(jī)械專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)儀器既可以用于《工業(yè)機(jī)器人》課程的實(shí)驗(yàn)、

29、《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的機(jī)構(gòu)演示實(shí)驗(yàn)，也可以給對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)感興趣的同學(xué)提供開放實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋機(jī)構(gòu)應(yīng)用演示、機(jī)械原理分析、數(shù)控編程；實(shí)驗(yàn)過程包括了觀看演示、原理分析、運(yùn)動(dòng)求解與程序編寫。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器有多種演示教學(xué)模式且具有很大的開放性，能很好的適應(yīng)各種教學(xué)方法，對(duì)機(jī)械專業(yè)的學(xué)生將很大的使用價(jià)值，為機(jī)械工程專業(yè)研究型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)奠定一定的基礎(chǔ)。 5.2 產(chǎn)品應(yīng)用前景 對(duì)本產(chǎn)品稍加優(yōu)化，可得到更好的應(yīng)用。 1) 適量減少零件數(shù)量，可達(dá)到量產(chǎn)，更好在高校機(jī)械實(shí)驗(yàn)中推廣，增進(jìn)學(xué)生對(duì)機(jī)器人的興趣； 2) 改善加工工藝，提高零件的精度與互換性，學(xué)生能夠自主組裝機(jī)械結(jié)構(gòu)，更能鍛煉機(jī)械類學(xué)生的實(shí)

30、踐動(dòng)手能力； 3) 機(jī)械手執(zhí)行末端是一個(gè)開放性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以通過這一平臺(tái)，自行設(shè)計(jì)更多合理的機(jī)械手來達(dá)到自主探究的目的，從而提升機(jī)械類學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)造力。 參考文獻(xiàn) [1] 陳美鈺. 平面五桿并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性與控制系統(tǒng)研究[D]. 北京工商大學(xué), 2010. [2] 毛挺剛. 并聯(lián)搬運(yùn)機(jī)械手抓取執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制設(shè)計(jì)[D]. 安徽大學(xué), 2010. [3] 夏定玲. 雙自由度五桿機(jī)構(gòu)的軌跡綜合及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 華中科技大學(xué), 2007. [4] 徐淑靜, 黃田, 李占賢, 等. 2 自由度高速并聯(lián)機(jī)械手的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)制造業(yè)信息化: 學(xué)術(shù)版,

31、2004, 33(3): 81-83. [5] 陳曉楠,楊培林.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，2007.4 companys economic objectives, task breakdown, implementation, assessment work; 6, the company responsible for running the program as a whole, running prog

32、rams across departments of the implementation, follow-up, feedback, revision; 7, in charge of the internal "6S" management work; 8, is responsible for organizing this Conference and training within the Department; 9, responsible for the promotion of the cultural construction of enterprises in this s

33、ector; 10 and subordinate departments, in charge of the Departments assets management; 11, in charge of the internal statistical reports submitted work and cross examination table; 12, responsible for the sectors covered by the community relations and business relations coordination and liaison work

34、 with superior counterparts; 13, is responsible for the special inspections and routine checks of company organization; 14, are responsible for the establishment of business customers file; 15, responsible for safety within the jurisdiction of the Department of investigation and follow-up; 16 ratio

35、nalization activities, in charge of the Departments work, to collect, compile and report on a regular basis, implementation; 17, are responsible for the "three reduction" strategy and the "shuangzengshuangjie" working activity; 18, are responsible for the transfer of the information to be filed into

36、 the work; 19, is in charge of the Departments evaluation work; 20, is responsible for regular reporting on the progress of work in this sector to higher authorities; 21, functions and business are responsible for the custody of the seal, use; 22, are responsible for the material delivery acceptance; 23 to- 15 -