三自由度并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)分析【說明書+CAD+SOLIDWORKS】
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機械手的給定工作區(qū)內(nèi)的一種 6 自由度并聯(lián)關(guān)鍵點三維設(shè)計方法
摘要：本文提出了在給定工作區(qū)內(nèi)一種6自由度的新三維設(shè)計新方法 。許多關(guān)鍵特性已經(jīng)進行運動學(xué)分析和拉格朗日乘數(shù)法。此外，在整個機械手的直接幾何關(guān)系中導(dǎo)出了參數(shù)。提出了設(shè)計方法，關(guān)于這些關(guān)鍵點特性具有很高的效率和準(zhǔn)確性。此外，避免了復(fù)雜機械手的工作空間和無量綱化推導(dǎo)分析從而可能讓這種方法的廣泛應(yīng)用。
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1 .導(dǎo)言
對并聯(lián)機器人的關(guān)注主要是發(fā)現(xiàn)他們有更好的承載能力，更好的剛度，和比串聯(lián)機器人更好的精度[1-4]。因此并聯(lián)機器人的研究已成為一個熱門的國際機器人研究領(lǐng)域?[5-9]。并聯(lián)機器人的設(shè)計過程是機械產(chǎn)品中最具有挑戰(zhàn)性的問題。設(shè)計機器人[10-12]的配置，機械臂的幾何參數(shù)應(yīng)由三維設(shè)計決定。引用?[13，14]?中提出的參數(shù)設(shè)計方法分別用于6 自由度歌賦型機器人和3自由度并聯(lián)機器人。
一般來說，最重要的設(shè)計目標(biāo)之一是讓機器人在給定工作區(qū)工作。到目前為止，有主要有兩種方法，根據(jù)給定的工作區(qū)的并聯(lián)機器人的幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。第一次使用多點來描述給定工作區(qū)，然后檢查機械手的每個點的設(shè)計要求是否符合參數(shù)[15-17]，與另一個邊界的機械手之間建立參數(shù)和工作區(qū)中的函數(shù)，然后確保給定工作區(qū)是機械手的工作空間邊界內(nèi)[18-22]?；谖覀冊谶@項研究發(fā)現(xiàn)的幾個關(guān)鍵問題，本文試圖探索給定的工作區(qū)6自由度并聯(lián)機器人新的三維設(shè)計方法。這種設(shè)計方法是快速的，它的結(jié)果是準(zhǔn)確的。
在我們以前的工作中，這種新型的6自由度并聯(lián)機構(gòu)中用到了?3-3'-PSS?配置。
與傳統(tǒng)?6-SPS?并聯(lián)機器人相比這?3-3'-PSS?并聯(lián)的機械臂性能允許更高的各向同性的、更大的旋轉(zhuǎn)范圍移動平臺，減少了身體慣性。
若要開始設(shè)計，應(yīng)清楚的描述所需的工作區(qū)。因為不能以圖形方式表示?6 維工作區(qū)，以人類可讀的方式，沒有一般的方法來分析確定的?6-D?工作區(qū)的邊界6 自由度并聯(lián)機器人，大多數(shù)文獻?[23-27]?將?6-D?區(qū)劃分為工作區(qū)的位置和方位工作空間。工作區(qū)的位置是指機械手的移動平臺可以達(dá)到一定的取向的空間。它可以容易地描述。方位工作空間是移動平臺可以實現(xiàn)在某一時刻的所有方向的集合。然而，由于旋轉(zhuǎn)角度的復(fù)雜性，方位工作空間很難確定和代表。考慮到我們并聯(lián)機械手的對稱性，簡明描述?6-D?區(qū)找到了種的三維設(shè)計。
本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)介紹了建模的設(shè)計問題及運動學(xué)分析。第3節(jié)介紹如何找到關(guān)鍵點特征。第4節(jié)中，討論了設(shè)計方法及應(yīng)用。最后，第5節(jié)中總結(jié)發(fā)言。
2．模型的設(shè)計問題和力學(xué)分析
新的PSS '3-3并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由一個移動的平臺，一個固定基座，
和六個具有相同的幾何結(jié)構(gòu)支撐臂組成。四肢編號從1到6的每個肢體由一個棱柱形接頭，一個球形接頭和聯(lián)合空間綜合信息網(wǎng)絡(luò)球系列連接到固定基地到所述移動平臺。一個線性執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動的棱柱沿著固定軌道各肢的關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)Bi和關(guān)節(jié)Ai之間是長為Li的剛性連桿（I =1，...，6）
1，2，和3被設(shè)置成位于一水平面的PB它們的軸線四肢的三個線性致動器，且當(dāng)這些軸不交于一點時它們的軸之間的夾角為120°。這些軸與操縱器的對稱軸之間的距離是相同的，在這里我們使用一個參數(shù)來表示該距離。其他三個線性執(zhí)行器四肢4,5，和6被設(shè)置成垂直的軸線。關(guān)節(jié)的移動平臺A1?A6分布在中心對稱的半徑為a的一個圓上。這種操縱器的中心在平面PB的交叉點和操縱器的對稱軸上，在其上連接有固定笛卡爾參考幀-O {X，Y，Z}。固定框架y軸和z軸都在平面PB上，并且與操縱器的對稱軸的X軸重合。移動框架O'{X'，Y'，Z'}連接移動平臺O點“，這是指向位于圓心上的A1?A6。關(guān)于機械手是軸對稱的事實，移動臺處于初始位置時讓點O'與點O重合，從而操縱器的工作空間相對于固定框ò也是軸對稱。
設(shè)計的操縱器的幾何參數(shù)前，所需的工作空間應(yīng)明確說明。從前面的討論中可以看出，簡明地描述所需6-D的工作區(qū)是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。在這個研究中，對移動臺的方向的說明，僅指示向量（顯示在圖2中），而不是繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)而言。事實上，這是許多機床有著的同樣的情況。在此基礎(chǔ)上，我們使用一組特殊的歐拉角來表示的移動平臺的方向。移動平臺的首先由一個角度φ固定x軸，然后由角度θ固定z軸，最后由角φ固定x軸（圖2）。我們可以把旋轉(zhuǎn)矩陣簡單的寫成這種情況：
3.在給定的工作空間機器人的關(guān)鍵特征
在這項研究中，通過大量的計算，我們發(fā)現(xiàn)在qi最大范圍內(nèi)，盡管給定的工作區(qū)和操縱器的尺寸在改變，αBi和αAi總是發(fā)生在一定位置。這一特點對尺寸設(shè)計非常有幫助，所以我們稱這些位置為關(guān)鍵點。本節(jié)將證明理論上使用拉格朗日乘子的方法，建立關(guān)鍵點。
為了推廣，我們做了三維設(shè)計的相關(guān)參數(shù)量通過讓他們每個人用鋼筋混凝土進行劃分。因此，工作空間汽缸的無量綱半徑為1，并且其無量綱高度為2H。其中，H= HC / Rc。因此，基于該無量綱工作空間的尺寸設(shè)計的結(jié)果不能被直接當(dāng)作操縱器的幾何參數(shù)，除非由RC乘以它們所有（應(yīng)當(dāng)注意的是，在此過程中角度不影響）。由于機械手的配置兩肢體的人群有不同的關(guān)鍵特征。因此，兩肢組的特性，應(yīng)分別研究。
4.基礎(chǔ)的三維設(shè)計方法的關(guān)鍵點及其應(yīng)用
在上一節(jié)找到對應(yīng)的工作空間內(nèi)操縱的一些重要關(guān)鍵點的特征。其要點是極端位置，這將導(dǎo)致在給定的工作空間中操縱器的最壞運動學(xué)條件。如果操縱器可在關(guān)鍵點達(dá)到所需的運動學(xué)性能，那么這個運動性能將在給定的工作空間中保證每個點。這些特性可以被用于確定所述操縱器的幾何參數(shù)，從而在三維設(shè)計將具有非常高的效率和準(zhǔn)確性。對于這個關(guān)鍵點的設(shè)計方法的主要步驟如下：
1.描述所需的工作空間。研究了操縱器的工作任務(wù)，并計算出所需要的空間和方向。然后選擇與可以只達(dá)到要求的給定的工作空間有一定指向靈巧指數(shù)缸。如果所需的工作空間是復(fù)雜的，它可以被描述為多個同軸圓柱體具有不同指向靈巧指數(shù)與圖4所示。在這種狀態(tài)下，下面的設(shè)計步驟2-5，對于每個氣缸都應(yīng)進行，其結(jié)果應(yīng)結(jié)合作為最終的解決方案。
2.給定的工作空間量綱。對于每個氣缸，讓其半徑和高度由它自己的半徑進行劃分。
3.明確額外的設(shè)計要求和使用表1中找到所有需要的關(guān)鍵點。如果關(guān)節(jié)角的范圍沒有限制，可以與工作區(qū)保證的關(guān)鍵點或相應(yīng)的直接關(guān)系建立所述幾何參數(shù)的約束關(guān)系。（參考表1）。如果接頭角度是有要求限制的，應(yīng)與最大αBi和最大αAi的關(guān)鍵點或相應(yīng)的直接關(guān)系建立所述幾何參數(shù)的約束關(guān)系。（參考表 1）
4.確定的幾何參數(shù)。找到能滿足前面建立的步驟中的約束關(guān)系的適當(dāng)?shù)膮?shù)。這些約束關(guān)系，a和Li有許多可能的解決方案可以找到。一般最小的a和Li將導(dǎo)致操作者的最小量應(yīng)被選擇。應(yīng)當(dāng)注意的是，只有一個肢需要被確定給每個組，因為操作者是對稱。在一些情況下，a和Li可能有具有因工作任務(wù)的額外的限制，并且步驟可用于進一步優(yōu)化設(shè)計的約束關(guān)系。
5.獲得的a和Li應(yīng)應(yīng)乘以圓柱的半徑得到維數(shù)。然后他們可以作為機器人的幾何參數(shù)。
6.確定其余的幾何參數(shù)。
如果有多于一缸用于工作區(qū)說明，在第?5?步中得到的結(jié)果應(yīng)該作為一個相結(jié)合
解決方案。那就是，選擇的最大值和李之間所有氣缸的結(jié)果作為最后的解決辦法。因此，聯(lián)合解決方案：
能滿足各種約束關(guān)系的每個氣缸。在那之后，αBi?和?αAi?的范圍應(yīng)當(dāng)重新計算與最終解決方案的關(guān)鍵點船帆齊和最低氣或?（請參閱表?1）?的直接對應(yīng)關(guān)系，可以確定李和練習(xí)場。應(yīng)當(dāng)指出：所有氣瓶必須檢查在此過程中，其結(jié)果應(yīng)作為最后的結(jié)果相結(jié)合。
在這里，我們的項目用來證明該設(shè)計方法的應(yīng)用。我們所需的工作區(qū)可以用描述
筒?（缸?1）?與半徑為?600?毫米，高度為?800?毫米和?0 °?時，指向靈巧和氣缸（缸?2）?與半徑
200?毫米、?高度為?400?毫米和?30 °?的指點靈巧。各關(guān)節(jié)角度被限制為小于?45 °。此外，參數(shù)
需求大于?350?毫米將在移動平臺放置對象的尺寸和接頭的尺寸。為缸?1，與最大值?αBi?和最大值?αAi?的關(guān)鍵點，可以獲得參數(shù)的最小的解作為Li=1050?毫米?（i?=?1 2、 3）?和Li?=?850?毫米?（i?=?4,5,6）?而不是參與。油缸2，最小的解的參數(shù)可以作為發(fā)現(xiàn)?a=?350?毫米，Li=?1050?毫米?（i?=?1 2、 3）?和Li=?1000?毫米（i=?4,5,6）?與要點船帆?αBi?和最大值?αAi。結(jié)合這兩項結(jié)果，可以得到該機械手的最終解，作為?a=?350?毫米，Li=?1050?毫米?（i=
1 2、 3）?和Li=?1000?毫米?（ia=?4,5,6）。最后，為每個氣缸帶有計算的?αBi、αAi?和駕駛中風(fēng)最后的范圍相應(yīng)的關(guān)鍵點，然后結(jié)合。設(shè)計結(jié)果如表?2?所示。和與該機械手的原型
這些設(shè)計的幾何參數(shù)如圖?5?所示。
為了驗證這些設(shè)計結(jié)果的正確性，設(shè)計的機械手性能在給定工作區(qū)中有
已檢查。我們采取了一系列圓筒截面和離散他們成均勻離散點。每個這些離散點的取向也進行離散化處理。
然后聯(lián)合角度的值記錄在移動平臺達(dá)到每個位置和方向。
為清楚起見，都會選擇一些典型的數(shù)據(jù)并繪制在這部分中。當(dāng)設(shè)計的機械手工作缸?2?頂塊、?分布的?αBi?和?αAi組?1?所示圖?6?和?7分別。圖?8?和圖?9?顯示了同樣的情況，αBi?和?αAi?2?組?？梢杂^察到所有關(guān)節(jié)角度都小于45 °，并只是接近?45 °?腿各關(guān)節(jié)角度的最大值出現(xiàn)在的關(guān)鍵點。所有這些結(jié)果都是一致的。
本文分析研究并滿足要求
5.結(jié)論
本文對此提出了新的三維設(shè)計方法，為我們的新?' 3-3'-PSS?并聯(lián)機構(gòu)根據(jù)給定提出了工作區(qū)。這種方法基于幾個關(guān)鍵點，避免了機械手的復(fù)雜分析自己?6-D?區(qū)實際上并沒有一個統(tǒng)一的描述人類可讀的方式。關(guān)鍵點建立簡單的關(guān)系機械臂的幾何參數(shù)與工作區(qū)的要求。在此基礎(chǔ)，提出的設(shè)計方法已
非常高的效率和準(zhǔn)確性。
很多關(guān)鍵點特征已發(fā)現(xiàn)并在表?1?中列出。
要點是極端的立場,將導(dǎo)致最嚴(yán)重的機械手的運動學(xué)條件給定的工作區(qū)。運動學(xué)性能可以保證在整個工作區(qū),讓機械手實現(xiàn)性能的關(guān)鍵點。此外,一些直接運動學(xué)和幾何參數(shù)之間的關(guān)系已經(jīng)建立的空間設(shè)計。簡明地描述6 d工作區(qū),使設(shè)計要求很明顯,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了對稱描述給定的工作區(qū)。這個描述很容易理解和接近機械手的操作條件。因此,這種方法可以很容易地用在許多不同的情況。關(guān)鍵點是會導(dǎo)致極端的立場。
機械手在給定工作區(qū)中的最差運動學(xué)條件。運動學(xué)性能可以保證內(nèi)
給定工作區(qū)，讓整個機械手實現(xiàn)性能的關(guān)鍵點。此外，一些直接的關(guān)系
之間的運動學(xué)和幾何參數(shù)已經(jīng)被為三維設(shè)計建造。
簡要描述?6-D?區(qū)和清楚的設(shè)計要求，對稱的描述找到了給定工作區(qū)。此描述是機械手的非常容易理解和接近工況。其結(jié)果是，這種方法可輕松用于許多不同的情況。這種方法推導(dǎo)了特定類型的并行機制，但找到關(guān)鍵點的想法可能會用于其它并聯(lián)機構(gòu)的類型。核心問題是找到其職位訂明的工作區(qū)中是獨立的關(guān)鍵點。
隨著規(guī)模的訂明的工作區(qū)和機制。這通常需要訂明的工作區(qū)的形狀和機制的工作區(qū)有一些相似的特征如本例中的軸向?qū)ΨQ。在此研究中，任何其他軸對稱的形狀可以用于描述形狀的除了氣缸的給定工作區(qū)。重寫的約束方程拉格朗日方法，以及這些形狀的關(guān)鍵點，可以發(fā)現(xiàn)與本文類似的程序?？赡芎茈y找到關(guān)鍵點，但三維設(shè)計的并行機制會變得非常方便一旦它做了。如果機制是不對稱的,那么它應(yīng)當(dāng)指出的關(guān)鍵點應(yīng)分別為每個肢體找到。
提出的設(shè)計方法基于運動學(xué)。其實，關(guān)節(jié)角?αBi?和?αAi，本文主要研究有直接
雅可比矩陣，然后動態(tài)的關(guān)系?；谶@項工作，在不久的將來，將研究基于動力學(xué)的設(shè)計方法。
確認(rèn)
這項工作部分支持主要國家基本研究中國的發(fā)展計劃?（973?計劃）
（第?2013CB035501?號），和國家自然科學(xué)基金?（批準(zhǔn)號：?51335007）。
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