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1、動態(tài)優(yōu)化的一種新型高速，高精度的三自由度機械手 彭蘭（蘭朋）②，魯南立，孫立寧，丁傾永 （機械電子工程學院，哈爾濱理工學院，哈爾濱 150001，中國） （Robotics In stitute 。Harbin In stitute of Tech no logy ， Harbi n 150001 ， P。R。 Chi na） 摘要 介紹了一種動態(tài)優(yōu)化三自由度高速、高精度相結(jié)合，直接驅(qū)動臂平面并聯(lián)機構(gòu)和線 性驅(qū)動器，它可以提高其剛度進行了動力學分析軟件 ADAM仿真模擬環(huán)境中，進行仿真 模擬實驗?設(shè)計調(diào)查是由參數(shù)分析工具完成處理的，分析了設(shè)計變量的近似的敏感性， 包括影響參數(shù)的每道

2、光束截面和相對位置的線性驅(qū)動器上的性能 ?在適當?shù)姆绞较?，? 型可以獲得一個輕量級動態(tài)優(yōu)化和小變形的參數(shù)。 一個平面并聯(lián)機構(gòu)不同截面是用來改 進機械手的?結(jié)果發(fā)生明顯的改進后的系統(tǒng)動力學仿真分析和另一個未精制一個幾乎是 幾乎相等?但剛度的改進的質(zhì)量大大降低，說明這種方法更為有效的。 關(guān)鍵詞： 機械手、ADAMS、 優(yōu)化、動力學仿真 1 0簡介 并聯(lián)結(jié)構(gòu)機械手（PKM是一個很有前途的機器操作和裝配的電子裝置， 因為他們有 一些明顯的優(yōu)勢，例如：串行機械手的高負荷承載能力，良好的動態(tài)性能和精確定位的 優(yōu)點等.一種新型復合3 — DO臂的優(yōu)點和串行機械手，也是并聯(lián)機構(gòu)為研究對象， 三

3、自 由度并聯(lián)機器人是少自由度并聯(lián)機器人的重要類型。三自由度并聯(lián)機器人由于結(jié)構(gòu)簡單，控制相對 容易，價格便宜等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。但由于它們比六自由度并聯(lián)機器人更復雜的運動特 性，增加了這類機構(gòu)型綜合的難度，因此對三自由度并聯(lián)機器人進行型綜合具有理論意義和實際價 值。本文利用螺旋理論對三自由度并聯(lián)機器人進行型綜合，以總結(jié)某些規(guī)律，進一步豐富型綜合理 論，并為新機型的選型提供理論依據(jù)， 以下對其進行闡述。 如圖-1所示機械手組成的平面并聯(lián)機構(gòu)（PPM包括平行四邊形結(jié)構(gòu)和線性驅(qū)動器安 裝在PPM兩直接驅(qū)動電機c整合交流電高分辨率編碼器的一部分作為驅(qū)動平面并聯(lián)機械 裝置.線型致動器驅(qū)動的聲音

4、線圈發(fā)動機.這被認為是理想的驅(qū)動短行程的一部分.作為 一個非換直接驅(qū)動類，音圈電機可以提供高位置敏感和完美的力量與中風的角色，高精 密線性編碼作為回饋部分保證在垂直方向可重復性。 另一方面，該產(chǎn)品具有較高的剛度比串行機械手，因為它的特點和低封閉環(huán)慣性轉(zhuǎn) 矩。同時，該系統(tǒng)可以克服了柔性耦合力學彈性、齒輪、軸承、被撕咬支持，連接軸和 其他零件，包括古典驅(qū)動設(shè)備，因此該機械手是更容易得到動力學性能好、精度高。 mtchjiiism 圖-1 3自由度的混合結(jié)構(gòu)的機械手 當長度的各個環(huán)節(jié)的平面并聯(lián)機時，構(gòu)決定于運動學分析和綜合 [4-7]，機械優(yōu)化設(shè) 計的首要任務(wù)，應(yīng)加大僵硬、降低質(zhì)量

5、?關(guān)于幾個參數(shù)模型?這是它重要和必要的影響， 研究了各參數(shù)對模型表現(xiàn)以進一步優(yōu)化。本文就開展設(shè)計研究工具，通過參數(shù)分析亞當 斯，又要適當?shù)姆绞絹慝@得一個輕量級的優(yōu)化和小變形系統(tǒng)。 1仿真模型 ADAMS（Automatic Dyn amic An alysis Of Mecha nical System） 自動機械系統(tǒng)動力學 分析是一個完美的軟件，對機械系統(tǒng)動力學模擬可處理機制包括有剛性和靈活的部分， 仿真模型可以創(chuàng)造出機械手的亞當斯環(huán)境 如圖-2。OXY是全球性的參考幀，并OXY局 部坐標系，兩個直流驅(qū)動電機、交流和 02M O1A表示，與線性驅(qū)動器CH被視為剛性轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動慣量電機傳

6、動的120kg/cm2。大眾的線性驅(qū)動器是1.5kg，連接AB德、03F和LJ被 視為柔性體立柱、橫梁GK通用公司和公里，形成一個三角形，也被當作柔性傳動長度 的鏈接是決定提前運動學設(shè)計為 AB =QF = 7cm DE=IJ=7cm GK=7cm GM=11.66cm,= 8.338cm。其它維度，這個數(shù)字是 OiA = 0 2M =7cm CB=CD=HJ 2.5cm EF=EG=JK= 3cm 雖然總平面并聯(lián)機構(gòu)的運動都是在水平、垂直和水平剛度必須在豎向剛度特征通常 低于水平僵硬，因為它的角色在垂直懸臂梁的截面尺寸計算每一束平面并聯(lián)機構(gòu)和相對 位置的線性驅(qū)動器是兩個非常僵硬的影響因素的

7、系統(tǒng)。 運動支鏈可分為三類："主動鏈（由驅(qū)動器賦予確定獨立運動的支鏈。 一般是單驅(qū)動 器控制一個自由度的運動），從動鏈（不帶驅(qū)動器、被迫作確定運動的支鏈。又分為以 下兩種：約束鏈：獨立限制機構(gòu)自由度的從動鏈。冗余鏈：重復限制機構(gòu)自由度的從動 鏈）復合鏈（有單驅(qū)動器、但限制一個以上的機構(gòu)自由度的支鏈，實際是主動鏈與約束 鏈的組合）-并聯(lián)機構(gòu)是由這幾種支鏈用不同形式組合起來的。動鏈中的約束鏈除了可 以提高機構(gòu)剛度和作為測量鏈外，其更主要的作用是用來約束動平臺的某一個或幾個自 由度，以使其實現(xiàn)預期的運動。 圖-2 仿真模型 2仿真模擬結(jié)果 在本節(jié)中，平均位移的末端是用來描述動態(tài)剛度

8、，這是在不同的配置在不同的線性 驅(qū)動器向前，從最初的位置的目的地，一般的豎向位移的機械手是作為目標來研究豎向 剛度，平均差別的橫坐標、縱坐標點之間有一個剛性數(shù)學模型，模型，作為目標來研究 水平剛度。 并聯(lián)機器人的構(gòu)型設(shè)計即型綜合是并聯(lián)機器人設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，其目的是在給定所 需自由度和運動要求條件下，尋求并聯(lián)機構(gòu)桿副配置、驅(qū)動方式和總體布局等的各種可 能組合。國內(nèi)的許多學者正致力于這方面的研究， 其中比較有代表性的有如下幾種方法: "黃真為代表的約束綜合法；楊廷力等人的結(jié)構(gòu)綜合法；代表的李代數(shù)綜合法。以上各 種方法自成體系，各有特點，都缺乏理論的完備性。本文提出添加約束法，是從限制自 由度的角

9、度出發(fā)，增加約束，去除不需要的自由度，因每條主動鏈只有一個驅(qū)動裝置， 讓其控制一個自由度，其余自由度通過純約束鏈去除，這樣可以使主、從動運動鏈的作 用分離，運動解耦，有利于控制。具有三自由度的并聯(lián)機床，當采用條主動支鏈作為驅(qū) 動時，機構(gòu)就需要約束另三個自由度，通過選擇無驅(qū)動裝置的從動鏈來完成，則整個機 構(gòu)成為有確定運動的三自由度的并聯(lián)機構(gòu)。 黃真等提出的約束綜合法對完全對稱的少自 由度并聯(lián)機器人機構(gòu)進行了型綜合，完全對稱的支鏈結(jié)構(gòu)相同，都屬于復合鏈，每條支鏈除都有一 個單驅(qū)動器，控制一個自由度外，還應(yīng)約束一個以上自由度才能使機構(gòu)的六個自由度全部受控，使 機構(gòu)有確定的運動。 2.1截面效應(yīng)

10、扭轉(zhuǎn)變形位移的連結(jié)將會引起的，所以，扭轉(zhuǎn)常數(shù)的橫截面，重力是研究裝系統(tǒng)來 研究，采取扭轉(zhuǎn)剛度的垂直切片Ixx不變的各個環(huán)節(jié)和梁作為設(shè)計變量的變化， 從0.1 x 105mrm 與 3.5 x 10 5 urn 石如& Cl WI4 -C.W1* 0.X1B 打ms 垃腳T ■COCH? 乜眇B(yǎng) OD fii S 1 S 28 /jfi 34 Torsional conatanUi (tO^mm4) :/ffl -3不斷的效果在垂直變形扭轉(zhuǎn) 圖-3顯示了平均位移與截面扭轉(zhuǎn)常數(shù)末端的各個環(huán)節(jié)和梁，根據(jù)它的變化速率的環(huán) 節(jié)，是最大的，AB是鏈接，LJ依次分別GI梁

11、和KM有在豎向剛度性能。其他的仿真結(jié)果表 明，水平位移之間的差異進行比較，結(jié)果表明該模型體育智力 H和剛性模型變化小就改 變了恒定不變的時候扭加載慣性力的線性驅(qū)動器，但是水平位移的變化，這意味著在這 種模擬豎向變形的生產(chǎn)水平位移系統(tǒng)機械手。 注意端面線性驅(qū)動器的主要原因是水平變 形、線性驅(qū)動器機器人是由兩個節(jié)點 C和H .所以，我們計算了不同的Z-coordinate攝 氏度之間，如圖所示，在圖4-扭轉(zhuǎn)常數(shù)的影響差別的鏈接德。其次是最有效的通用和 連接梁，連接O3F梁GK有效果。 因此，應(yīng)采取AE和連接區(qū)段大扭常數(shù)的免疫力，豎向剛度較大并行扭轉(zhuǎn)不變的鏈接德也使較少 的均勻性，降低線性驅(qū)

12、動器不可以降低水平變形。 Mint OjF 2—ink AB J—link DE 4—Link U 5—bum 0K 6—bewnGM 7 bam KM 圖-4 在不影響扭不變 如圖-5、6所展示的影響是區(qū)域慣性轉(zhuǎn)矩的設(shè)計變量是區(qū)域剛度和慣性轉(zhuǎn)矩的各個環(huán) 節(jié)和梁lz，圖顯示增加lw卡爾減少的速度高于垂直位移的不斷增加Ixx扭轉(zhuǎn)。這個Yxx AB 梁的鏈接，鏈接O3F是Iyy三個主要因素決定了豎向剛度。 圖-6所示 鏈接的AB梁公里，連接03F也是其中的三個主要因素決定的均勻性線性 傳動裝置、不同的分析結(jié)果表明，Izz效果好，具有至少兩個垂直和水平剛度，這意味 著這種結(jié)構(gòu)

13、，具有足夠的水平，降低Izz剛度的鏈接和增加Iyy AB梁的鏈接，鏈接O3F 公里的好方法，優(yōu)化系統(tǒng)。 QA E19 IP 1.5 2 0 2S Monkenuvfincnu (I(Awn〕 圖-5 瞬間的慣性效應(yīng)對垂直位移 fl 0 M omentB of mcrtia (1 (Jr mm*) I UnkOjF I泌DK 5—beamGK 7—'bcajii ICM 2—Jink AB 4_ ink U &—beam GM 圖-6 轉(zhuǎn)動慣量不平衡的影響 2.2影響的線性驅(qū)動器的相對位置 線性執(zhí)行器的慣性是主要載荷之一，在機械手的運動，不同的相對應(yīng)的垂直位置

14、產(chǎn) 生不同的變形，圖7顯示了絕對平均的最終效應(yīng)垂直位移時驅(qū)動馬達以恒定的加速度旋 轉(zhuǎn)，我們可以看到，過低或過高的相對位置會造成比格變形，最好的位置是一對 Z = 24 毫米的地方大概是從中間環(huán)節(jié)連接 03F到AB. 宀 【j Euuuo￡a-!ap 7 # 圖-7 影響線性驅(qū)動器的相對位置 # 3分析改進的機械手 根據(jù)上述模擬結(jié)果，所有改進的機械手的設(shè)計，時間如下：鏈接截面 AB DE IJ與30mm 的基礎(chǔ)和高度，10毫米的厚度；鏈接03F和矩形空心梁與 30mm的基礎(chǔ)和高度工型鋼，I0mm法蘭 和6mm網(wǎng);梁競，通用汽車與8mm的堅實基

15、礎(chǔ)和30mm高的矩形。 圖-8 梯形運動姿態(tài) 圖-9中回應(yīng)的是機械手， 相比之下，圖-10中提高初始的反應(yīng)， 在其中所有的鏈接和機械手的矩 形截面梁的堅實基礎(chǔ)，用 30毫米，高度的差異是曲線， C和H的曲線積分，二是垂直位移的末端， 改進系統(tǒng)中最大位移 0.7Um最初的0.12Um相比，爭論的振動激勵后仍停留在 O.06Um ± 0.15% s± O.05Um相比的初始變形改善系統(tǒng)的初始小于前者具有較少的慣性，因為在相同的步伐不斷加快， 保持振動瓣膜差不多一樣，它對這整個系統(tǒng)中來說，仍然改善系統(tǒng)的剛度，幾乎相當于初始制度， 針對大規(guī)模的平面并聯(lián)機構(gòu)在該系統(tǒng)相比下降了 30%，這樣的

16、初始優(yōu)化是有效的。 8 >1^.9 IhiiAmits jv.pansfi 七E旦 一 (arm) Fig. W DyrwmK?導 rmpu】代 圖-9、 圖-10 動態(tài)響應(yīng) 9 4 結(jié)論 本文設(shè)計了一種新型三自由度機械手變量的敏感性進行了研究在 ADAMS環(huán)境中, 可以得出以下結(jié)論： 1） 機器人具有較大的水平剛度，最終水平位移，效應(yīng)主要是由機械手垂直變形造成的， 因此，更

17、重要的是增加的幅度比剛度豎向剛度。 2） 參數(shù)Ixx，lyy并鏈接'截面剛度Izz有不同的效應(yīng)，lyy已經(jīng)對垂直剛度的影響最大， Ixx在第二位的是，Ixx具有在垂直剛度的影響最小，他們都較少對水平比垂直剛度剛度。 3） 橫截面的不同環(huán)節(jié)都有不同的影響，連線豎向剛度 AB和德應(yīng)該使用區(qū)扭轉(zhuǎn)常數(shù)和 慣性力矩大，如變形、長方形、橫梁 KM ,，線03F應(yīng)該使用區(qū)段形梁等重大時刻轉(zhuǎn)動 慣量、橫梁GK，和GM可以使用盡可能的一小部分，從而降低了質(zhì)量。 4） 最佳的線性驅(qū)動器的相對位置可以減少變形，最好的位置是垂直的平行結(jié)構(gòu)。 5） 改進的機械手的動態(tài)分析表明該優(yōu)化設(shè)計方法研究的基礎(chǔ)上的效率。

18、 10 參考文獻 [ I ] Dasgupta B, Mmthyunjayab T S。The Stewart platform manipulator : a review °Mechat~m and Machine Theory , 200o。35 (1): 15—40 [ 2 ] Xi F , Zhang D, Xu Z , et al。A comparative study on tripod u ts for machine LoOIs °lntemational Journal of Machine TooLs&Manufacture , 2003, 43(7): 7

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