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1、繩牽引平面并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析,答辯人: 程小勇 導(dǎo) 師: 吳洪濤 教授 專 業(yè): 機(jī)械工程及自動(dòng)化,內(nèi)容提綱,,1,,2,,3,,4,研究背景 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 機(jī)構(gòu)的建模 總結(jié)與展望,研究背景,1.1并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究和開發(fā)并聯(lián)機(jī)床都非常重視。 我國(guó)已在國(guó)家“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃和“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中對(duì)并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)予以支持。,研究背景,1.2 繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人 繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人是一種特殊的并聯(lián)機(jī)器人由Stewart Platform 發(fā)展而來。,,優(yōu)點(diǎn)：大工作空間 、低慣性 、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu) 、重調(diào)整和可移動(dòng)性 、完全分離的傳動(dòng),研究背景,幾種不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)器人
2、 BETA 機(jī)器人 DISH 機(jī)器人 DELTA 機(jī)器人,研究背景,下圖是要研究的DeltaBot的2D形式 ：,特點(diǎn)：并非采用絞盤做驅(qū)動(dòng)器, 而是用搖臂作為改變繩長(zhǎng)的方法, 雖然縮小了工作空間,但是使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度得以保證.,研究背景,1.3總結(jié): 機(jī)器人(機(jī)械臂)作為新興的學(xué)科，近幾十年有著很快的發(fā)展。從最初的多關(guān)節(jié)多自由度的串連機(jī)器人，到Stewart Platform， 到柔性連接的繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，性能也逐漸增強(qiáng)。 目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的研究主要集中于機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制策略研究等幾個(gè)領(lǐng)域。其中并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)學(xué)與運(yùn)動(dòng)分析主要研究并
3、聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題奇異位形、工作空間和靈巧度分析等方面。,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析, 2.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,正向運(yùn)動(dòng)學(xué),逆向運(yùn)動(dòng)學(xué),-已知輸入操作臂的變量，求解運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)應(yīng)這些輸入的位置,-已知的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位置參變量，求解對(duì)應(yīng)這些輸出的操作臂變量,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,坐標(biāo)系的建立,,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,正向運(yùn)動(dòng)學(xué),,,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,逆向運(yùn)動(dòng)學(xué),對(duì)于這個(gè)機(jī)器人來說，就是已知1 , 2 ，求解平臺(tái)的坐標(biāo)（x,y）,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析, 2.1工作空間,并聯(lián)機(jī)器人相對(duì)于串連機(jī)器人有著很多的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于工作空間，并聯(lián)機(jī)器人要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于串連機(jī)器人,最大工作空間的分析,限制條件下隨機(jī)參數(shù)的工作空間,工作空間優(yōu)化設(shè)計(jì),機(jī)
4、構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,最大工作空間的分析,對(duì)于每一條腿的最大工作空間就是以AC+PC 為半徑，以A 點(diǎn)為圓心的一個(gè)圓， 而對(duì)于整個(gè)機(jī)器人來說，最大工作空間就是兩個(gè)圓的相交部分,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,限制條件下隨機(jī)參數(shù)的工作空間,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,工作空間優(yōu)化設(shè)計(jì),蒙特卡羅方法 :,對(duì)于兩自由度機(jī)器人來說，蒙特卡羅最優(yōu)化方法的應(yīng)用過程如下: 1.隨機(jī)抽取 a，b，L，l 設(shè)定為初值 2.在以 AC+PC 為半徑相交區(qū)域隨機(jī)抽取1000 個(gè)點(diǎn)(X，Y，Z) 3.將每個(gè)點(diǎn)代入逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中檢驗(yàn)，保證可以求得實(shí)數(shù)解 4.如果滿足就認(rèn)定這個(gè)點(diǎn)是工作空間中的一個(gè)點(diǎn)。 5.記錄 2-4 過程中屬于工作空間點(diǎn)的個(gè)數(shù) 再進(jìn)行
5、步驟 1， 隨機(jī)設(shè)定參數(shù)的值，進(jìn)行 2-4 的分析， 上述過程進(jìn)行足夠多的次數(shù)， 選擇工作空間點(diǎn)最多的一組做為最終的最優(yōu)化參數(shù), 可以應(yīng)用 MATLAB 進(jìn)行編程計(jì)算。,因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)器人的弊端就是工作空間相對(duì)較小，所以最優(yōu)化參數(shù)使得工作 空間最大化就是非常重要的問題。,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析, 2.2數(shù)值實(shí)例,基本參數(shù)如下： a=300 b=340 l=420 L=1000,現(xiàn)假設(shè)移動(dòng)平臺(tái)的 P 點(diǎn)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡為: （50，-350）（100，-400）（50，-450）（0，-500）(-50,-550) (-100,-600),機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,三次樣條插值（簡(jiǎn)稱Spline插值）,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,
6、 2.3繩的張緊性以及支架力的分析,外力容量,對(duì)于一個(gè)繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人來說，使其保持剛性的臨界外部負(fù)載(力和轉(zhuǎn)矩),因?yàn)槔K是柔性物體，所以要保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的剛性就必須使繩處處張緊,張緊性： 一個(gè)繩驅(qū)動(dòng)控制器可以被稱作張緊在一個(gè)給定的姿態(tài)當(dāng)且僅當(dāng) 任意的外部負(fù)載存在一個(gè)有限的支架力和一組有限的繩張力來 使控制器剛性。,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,外力及支架力和繩中力的示意圖,,平衡方程為:,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,力容量以及外力圓的示意圖,力容量就是移動(dòng)平臺(tái)可以提供的一組使得所有繩都處于張緊狀態(tài)的的集合。即:,最終計(jì)算：,,,得到：,其中 n是面的指向外部的法向向量， 是使得圓與三角形第i 個(gè)邊相切的支架力,機(jī)
7、構(gòu)設(shè)計(jì)與分析, 2.4機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析,目的,在給定的軌跡下，通過控制輸入轉(zhuǎn)矩來使得移動(dòng)平臺(tái)按照需要的加速度移動(dòng),首先，設(shè)計(jì)機(jī)器人部件的時(shí)候需要用到動(dòng)力學(xué)分析，因?yàn)槿绻麤]有動(dòng)力學(xué)模型，很難知道轉(zhuǎn)矩的大小，因此就很難選擇電機(jī)，設(shè)計(jì)主軸等，選擇軸承等。 其次，動(dòng)力學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)控制的最基本的理論。知道了動(dòng)力特性才能設(shè)計(jì)控制方案。,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,牛頓-歐拉方程,,f = mVc,能量守恒定律的應(yīng)用,令,,為機(jī)器人的輸出力(只有移動(dòng)自由度)。令,,為相應(yīng)的關(guān)節(jié)輸入轉(zhuǎn)矩。,,輸出力的虛位移,,為輸入轉(zhuǎn)矩的虛角位移。,,,,,機(jī)構(gòu)的建模,本設(shè)計(jì)利用Solidworks建模，繪制零件三維圖。Solidwor
8、ks是美國(guó)Solidworks公司基于Windows平臺(tái)開發(fā)的全參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件，具有強(qiáng)大的零件設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、管理設(shè)計(jì)、繪制二維工程圖、支持異地協(xié)同工作等功能，可以實(shí)現(xiàn)由三維實(shí)體造型向二維工程圖的轉(zhuǎn)化，能夠使零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖保持全時(shí)間的相關(guān)和同步。,三維建模：,機(jī)構(gòu)的建模,仿真圖：,總結(jié)與展望, 4.1 總結(jié) 在對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解中，得到了運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解的解析解 機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)問題 研究了機(jī)器人的弊端-工作空間問題 最優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)、對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)做了數(shù)值實(shí)例分析,總結(jié)與展望, 4.2展望 動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析 奇異性分析 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)與制造,Thank you ！,
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