并聯(lián)機械臂的運動學與動力學研究【含CAD圖紙、SW三維】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 并聯(lián)機械臂的運動學與動力學研究 本科畢業(yè)設計（論文） 題 目 并聯(lián)機械臂的運動學與動力學研究 姓 名 專 業(yè) 學 號 指導教師 28 摘 要 并聯(lián)機械臂具有剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重負荷比小、動力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點可以作為航天上的對接器、航海上的潛艇救援對接器；工業(yè)上可以作為大件的裝配機器人、精密操作的微動器；可以在汽車總裝線上自動安裝車輪部件；另外，醫(yī)用機器人，天文望遠鏡等都利用了并聯(lián)技術。 本文并聯(lián)機械臂的研究方向： （1）并聯(lián)機械臂組成原理的研究 研究并聯(lián)機械臂自由度計算、運動副類型、支鉸類型以及運動學分析、建模與仿真等問題。 （2）并聯(lián)機械臂運動空間的研究 （3）并聯(lián)機械臂結(jié)構(gòu)設計的研究 并聯(lián)機械臂的結(jié)構(gòu)設計包括很多內(nèi)容，如機構(gòu)的總體布局、安全機構(gòu)設計。 由于本人水平有限，文中的錯誤和不足在所難免，懇請各位老師給予批評和指正。 關鍵詞：機械手；虛擬樣機；并聯(lián)機械臂 Abstract Parallel arm having rigidity, strong bearing capacity, the error is small, high precision, since heavy-duty ratio is small, dynamic performance, easy to control a series of advantages as a butt splice on the aerospace, submarine rescue the dock on navigation; industrially as a large assembly robot, the precise operation of the micro-actuator; wheel parts can be automatically installed in the car assembly line; in addition, medical robots, telescopes and so the use of parallel technology. In this paper, a parallel manipulator research: Research (1) consisting of parallel manipulators principle Parallel computing degrees of freedom manipulator, deputy campaign type, and the type of pivot kinematics analysis, modeling and simulation and other issues. Research (2) parallel manipulator motion space (3) Parallel arm structure design Parallel arm structure design, including a lot of content, such as the overall layout of the organization, security mechanism design. Due to my limited level, the text of the inevitable mistakes and shortcomings, I implore you to give teachers criticism and correction. Keywords: robot; virtual prototype; Parallel Manipulator 目 錄 1 前 言 1 1.1 課題研究背景意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 2 并聯(lián)機械手的結(jié)構(gòu)及工作原理 6 2.1 并聯(lián)運動機構(gòu)概述 6 2.2并聯(lián)的結(jié)構(gòu)及機械運動原理 7 2.3并聯(lián)機械手的總體結(jié)構(gòu) 8 2.4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 8 2.5 并聯(lián)機械臂工作空間的分析 10 2.6 臂部結(jié)構(gòu)設計的基本要求 12 3 并聯(lián)機械臂電動機的選型 14 3.1電機的分類 14 3.2選擇步進電機的計算 15 4 并聯(lián)機械臂機并聯(lián)機械臂空間分析 19 4.1并聯(lián)機械臂并聯(lián)機械臂機的運動學約束 19 4.1.1 連桿桿長約束 19 4.1.2 運動副轉(zhuǎn)角約束 19 4.1.3 連桿桿間干涉 20 4.2 確定并聯(lián)機械臂空間的基本方法 20 4.2.1 編輯草圖實體 21 4.2.2 添加幾何關系 22 4.3 各個零件的三維建模 23 總 結(jié) 26 參 考 文 獻 27 致 謝 28 1 前 言 1.1 課題研究背景意義 并聯(lián)機器人與已經(jīng)用的很好、很廣泛的串聯(lián)機器人相比往往使人感到它并不適合用作機器人，它沒有那么大的活動空間，它活動上平臺遠遠不如串聯(lián)機器人手部來得靈活。的確這種6-TPS結(jié)構(gòu)的并聯(lián)機械臂其工作空間只是一個厚度不大的蘑菇形空間，位于機構(gòu)的上方，而表示靈活度的末端件3維轉(zhuǎn)動的活動范圍一般只在60°上下，角度最大也達不到±90°?？墒呛褪澜缟先魏问挛镆粯佣际且环譃槎?，若用并聯(lián)式的優(yōu)點比串聯(lián)式的缺點，也同樣令人吃驚。首先，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)其末端件上平臺同時經(jīng)由6根桿支承，與串聯(lián)的懸臂梁相比，剛度大多了，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；第二，由于剛度大，并聯(lián)式較串聯(lián)式在相同的自重或體積下有高得多的承載能力；第三，串聯(lián)式末端件上的誤差是各個關節(jié)誤差的積累和放大，因而誤差大而精度低，并聯(lián)式?jīng)]有那樣的積累和放大關系，誤差小而精度高；第四，串聯(lián)式機器人的驅(qū)動電動機及傳動系統(tǒng)大都放在運動著的大小臂上，增加了系統(tǒng)的慣性，惡化了動力性能，而并聯(lián)式則很容易將電動機置于機座上，減小了運動負荷；第五，在位置求解上，串聯(lián)機構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機械臂正解困難反解卻非常容易。由于機器人的在線實時計算是要計算反解的，這就對串聯(lián)式十分不利，而并聯(lián)式卻容易實現(xiàn)。 并聯(lián)機械臂實質(zhì)上是機器人技術與機構(gòu)結(jié)構(gòu)技術結(jié)合的產(chǎn)物，與實現(xiàn)等同功能的傳統(tǒng)五坐標數(shù)控機構(gòu)相比，并聯(lián)機械臂具有如下優(yōu)點： 剛度重量比大：因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，且在準靜態(tài)情況下，傳動構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力。 響應速度快：運動部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動態(tài)品質(zhì)，允許動平臺獲得很高的進給速度和加速度，因而特別適于各種高速數(shù)控作業(yè)。 環(huán)境適應性強：便于可重組和模塊化設計，且可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。在動平臺上安裝刀具可進行多坐標銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。裝備機械手腕、高能束源或CCD攝像機等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與并聯(lián)機械臂等作業(yè)。 技術附加值高：并聯(lián)機械臂具有“硬件”簡單，“軟件”復雜的特點，是一種技術附加值很高的機電一體化產(chǎn)品，因此可望獲得高額的經(jīng)濟回報。 目前，國際學術界和工程界對研究與開發(fā)并聯(lián)機械臂非常重視，并于90年代中期相繼推出結(jié)構(gòu)形式各異的產(chǎn)品化樣機。1994年在芝加哥國際機構(gòu)博覽會上，美國Ingersoll銑床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機構(gòu)與加工中心，引起轟動。此后，英國Geodetic公司，俄羅斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本豐田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麥Braunschweig公司，德國亞琛工業(yè)大學、漢諾威大學和斯圖加特大學等單位也研制出不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控銑床、激光加工和水射流機構(gòu)、并聯(lián)機械臂機和加工中心。與之相呼應，由美國Sandia國家實驗室和國家標準局倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協(xié)會，并在國際互聯(lián)網(wǎng)上設立站點。近年來，與并聯(lián)機械臂和并聯(lián)機器人操作機有關的學術會議層出不窮，例如第47～49屆CIRP年會、1998～1999年CIRA大會、ASME第25屆機構(gòu)學雙年會、第10屆TMM世界大會均有大量文章涉及這一領域。由美國國家科學基金會動議，1998年在意大利米蘭召開了第一屆國際并聯(lián)運動學機器專題研討會，并決定第二屆研討會于2000年在美國密執(zhí)安大學舉行。1994～1999年期間，在歷次大型國際機構(gòu)博覽會上均有這類新型機構(gòu)參展，并認為可望成為21世紀高速輕型數(shù)控加工的主力裝備。 我國已將并聯(lián)機械臂的研究與開發(fā)列入國家“九五”攻關計劃和863高技術發(fā)展計劃，相關基礎理論研究連續(xù)得到國家自然科學基金和國家攀登計劃的資助。部分高校還將并聯(lián)機械臂的研發(fā)納入教育部211工程重點建設項目，并得到地方政府部門的支持且吸引了機構(gòu)骨干企業(yè)的參與。在國家自然科學基金委員會的支持下，中國大陸地區(qū)從事這方面研究的骨干力量，于1999年6月在清華大學召開了我國第一屆并聯(lián)機器人與并聯(lián)機械臂設計理論與關鍵技術研討會，對并聯(lián)機械臂的發(fā)展現(xiàn)狀、未來趨勢以及亟待解決的問題進行了研討。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 并聯(lián)機械臂具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機械結(jié)構(gòu)簡單、標準化程度高和模塊化程度高等優(yōu)點,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、電子等領域得到了成功的應用。 (1)串聯(lián)結(jié)構(gòu)中的橫梁部件很容易受到彎曲扭矩的作用而產(chǎn)生扭曲變形，從而產(chǎn)生動態(tài)誤差； (2)由于采用串聯(lián)的方法，因而整個運動誤差是每個坐標軸運動誤差的累加；(3)由于運動部件質(zhì)量較重，從而使的運動慣性增大，運動速度收到限制，因而直接影響了并聯(lián)機械臂效率； (4)不滿足并聯(lián)機械臂的基本原理——阿貝原理； (5)由于受X，Y，Z相互垂直導軌的約束，測頭的空間位姿不夠靈活。 圖1.1 普通笛卡爾式串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖 從整個發(fā)展進程不難看出，并聯(lián)機械臂技術是為滿足日益進步的制造技術的需求而不斷向前發(fā)展的，是為先進制造技術而服務的。近幾年，隨著精益生產(chǎn)、敏捷制造、虛擬制造、并行工程和逆向工程等各種先進制造思想和理論的不斷提出，對并聯(lián)機械臂機的并聯(lián)機械臂精度、并聯(lián)機械臂效率及靈活性等相應的技術指標又提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的具有笛卡兒坐標系結(jié)構(gòu)的三并聯(lián)機械臂機因其自身結(jié)構(gòu)的限制已很難達到這一要求，于是，各種非笛卡兒式并聯(lián)機械臂技術應運而生并迅速發(fā)展起來[13]。 圖1.2 幾種非笛卡爾串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機械臂機結(jié)構(gòu)示意圖 當今國際市場需求快速變化的特點和21世紀更加個性化的市場趨勢，促進了快速設計和制造技術的發(fā)展。并聯(lián)并聯(lián)機械臂機是近30年發(fā)展起來的一種高效率的新型精密并聯(lián)機械臂儀器，克服了傳統(tǒng)串聯(lián)并聯(lián)機械臂機結(jié)構(gòu)布局的固有缺陷，有效地降低重量和提高對生產(chǎn)環(huán)境的適應性，滿足了快速多變的市場需求。與常用的串聯(lián)并聯(lián)機械臂機相比，它的優(yōu)點是: (1)并聯(lián)中的可動平臺同時經(jīng)由3根可沿各自軸向伸縮的連桿支撐，從而使整個系統(tǒng)的剛度較串聯(lián)機構(gòu)相比有較大程度的提高； (2)各并聯(lián)桿件只承受沿軸向的線性調(diào)節(jié)力的作用,因而其運動誤差小，不易變形； (3)并聯(lián)機械臂中,各桿件間不存在誤差累積和放大關系，容易實現(xiàn)高精度并聯(lián)機械臂； (4)并聯(lián)運動機構(gòu)中運動部件的慣性質(zhì)量小，剛度大，因而有望實現(xiàn)高速、高效率并聯(lián)機械臂； (5)可以將并聯(lián)機械臂點放置在測長裝置的延長線上，從而減小阿貝誤差對并聯(lián)機械臂結(jié)果的影響； (6)并聯(lián)并聯(lián)機械臂機測頭的空間位姿靈活，可從任何角度進入工作表面，因而對表面形狀復雜,孔隙方位多的零件并聯(lián)機械臂比較方便； (7)并聯(lián)機械臂結(jié)果不易受空氣波動、溫度變化等因素的影響； (8)不需要復雜的跟蹤機構(gòu)、控制裝置等； (9)并聯(lián)機械臂具有“硬件”簡單，“軟件”復雜的特點，是一種技術附加值很高的機電一體化產(chǎn)品,因而渴望獲得高額的經(jīng)濟回報。 由此可以看出，并聯(lián)機械臂恰好能夠?qū)Υ?lián)機構(gòu)的應用局限進行恰當?shù)难a充，這無疑為新一代并聯(lián)機械臂機的開發(fā)與研制帶來了希望，從而為拓寬并聯(lián)機械臂機的應用領域，促進產(chǎn)品的多樣化，提高產(chǎn)品的市場競爭力奠定了堅實的理論基礎。 近年來，以并聯(lián)機械臂學為理論依據(jù)的智能機器人技術及計算機數(shù)控加工技術的研究引起了各國學者的極大興趣，現(xiàn)已成為新的研究熱點，并認為是21世界極具發(fā)展前景的先進技術[14-15]。由于并聯(lián)運動機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛性大、運動速度高、誤差不疊加等獨特特性，因而若將其應用于并聯(lián)機械臂機中，將有可能使并聯(lián)機械臂機的并聯(lián)機械臂精度及并聯(lián)機械臂效率等綜合性能得到很大程度的改善。由此可以看出，并聯(lián)運動機構(gòu)理論及應用研究的興起也為新型并聯(lián)機械臂機的開發(fā)提供了機遇，所以，開展并聯(lián)運動機構(gòu)的研究工作是非常必要的。 2 并聯(lián)機械手的結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1 并聯(lián)運動機構(gòu)概述 從并聯(lián)機械臂的結(jié)構(gòu)特點不難看出，并聯(lián)機械臂并聯(lián)機械臂機屬于一種新型非笛卡兒式并聯(lián)機械臂系統(tǒng)。傳統(tǒng)的笛卡兒式并聯(lián)機械臂系統(tǒng)對空間位置坐標的并聯(lián)機械臂是直接通過三個相互垂直的長度基準來實現(xiàn)的，也就是說，這種并聯(lián)機械臂機的并聯(lián)機械臂模型是直接建立在直角坐標系基礎之上的，因而該并聯(lián)機械臂機具有并聯(lián)機械臂建模容易，并聯(lián)機械臂結(jié)果直觀、數(shù)據(jù)處理簡單、符合大多數(shù)工件并聯(lián)機械臂的需要等優(yōu)點。而對于由并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)所組成的并聯(lián)并聯(lián)機械臂機來說，其測頭處的空間位置坐標是有若干個并聯(lián)調(diào)節(jié)器的長度基準和連接上下平臺的球形副（或轉(zhuǎn)動副）的角度基準來表述的，由于這些變量參數(shù)之間的關系是非線性，所以與普通直角型并聯(lián)機械臂機相比并聯(lián)機械臂并聯(lián)機械臂機的并聯(lián)機械臂建模問題就變得十分復雜。 并聯(lián)運動機構(gòu)是指上、下平臺用2個或2個以上分支相連，機構(gòu)具有2個或2個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的空間閉環(huán)運動機構(gòu)。由于并聯(lián)運動機構(gòu)具有剛度重量比大，運行速度高、末端執(zhí)行器位姿靈活、誤差不疊加、結(jié)構(gòu)簡單、易于模塊化設計等優(yōu)點 ，因而在許多領域都已得到廣泛的應用。例如：德國漢諾威、斯圖加特大學及不倫瑞克大學等已先后將并聯(lián)運動機構(gòu)應用于激光加工、機構(gòu)、普通裝配及醫(yī)學等領域中。國內(nèi)一些知名大學，如清華大學、天津大學、東北大學、燕山大學和哈爾濱工業(yè)大學等等，也正在開展并聯(lián)機械臂方面的研究工作。 實際上，并聯(lián)機械臂并聯(lián)機械臂機的并聯(lián)機械臂建模問題就是并聯(lián)機械臂的正運動求解問題。所謂正運動求解，就是在已知并聯(lián)機械臂中各運動副的位置參數(shù)及各并聯(lián)調(diào)節(jié)器桿長變化量的情況下，來計算末端執(zhí)行器（如測頭）出的空間位置坐標。由空間機構(gòu)學理論可知并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)的位置反解比較容易，但其位置正解卻相當復雜，到目前為止，也只能給出其數(shù)值解，且明顯存在多解現(xiàn)象。 我們通過對并聯(lián)機械臂并聯(lián)機械臂機的布局結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，即將連接上下活動平臺的運動副以等邊三角形的方式進行排列，從而使個運動副之間的相互關系簡潔化，然后充分利用機構(gòu)的運動約束和集合約束關系，建立由對應機構(gòu)組成的并聯(lián)并聯(lián)機械臂機的并聯(lián)機械臂模型。 2.2并聯(lián)的結(jié)構(gòu)及機械運動原理 本文所研究的并聯(lián)機械臂的結(jié)構(gòu)見圖2-1[16]。由圖2.2.1可以看出，該主要由上下1個平臺和連桿組成。 從機構(gòu)的連接方式不難看出，中間連桿的運動是相互關聯(lián)和制約的，而不是相互分立的，因此，這種機構(gòu)屬于并聯(lián)運動機構(gòu)。并聯(lián)機械臂的工作原理十分簡單，它是通過移動副的調(diào)節(jié)器來控制移動副的伸縮，使連桿長度發(fā)生變化，從而使測頭移動至測點位置，然后再由安裝在移動副內(nèi)的長度并聯(lián)機械臂裝置測出桿長的變化量，并以此為依據(jù)，計算出測點處的空間坐標。 平面兩自由度并聯(lián)機械臂如圖所示。電動機1和2 固定在地面上。 —表示電機1的角位置。 —表示電機2的角位置。 —表示桿OP的長度。 —表示桿CP的長度. L—表示OC的長度. 圖2.1 并聯(lián)機械臂結(jié)構(gòu)簡圖 2.3并聯(lián)機械手的總體結(jié)構(gòu) 并聯(lián)機械手的組成及各部分關系概述： 它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 (1) 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是并聯(lián)機械手完成關節(jié)工件，實現(xiàn)各種運動所必需 的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。 (a) 末端執(zhí)行器：機械手為了進行作業(yè)而配置的操作機構(gòu)，直接噴漆工件。 (b) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器的工作方位。 (c) 臂部：聯(lián)接機座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足機械手的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機座。 (d) 機身：機械手的基礎部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。 (2) 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的有 機械傳動、機電傳動、氣壓傳動和電傳動。 (3) 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 (4) 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設定進行比較，以保證運動符合要求。 實踐證明，并聯(lián)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用機械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途[4-8]。 2.4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 并聯(lián)機械臂并聯(lián)機械臂機的控制與并聯(lián)機械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示： 由圖可以看出來，該并聯(lián)機械臂并聯(lián)機械臂機的控制與并聯(lián)機械臂系統(tǒng)主要由三個基本單元組成，它們是：PC處理器單元，伺服電機控制單元和并聯(lián)機械臂數(shù)據(jù)采集與存儲單元。PC處理單元主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、幾何尺寸計算和三維形體的重建等，同時還負責向其他兩個單元發(fā)送控制指令，以便協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。伺服電機控制單元則主要是依據(jù)PC計算機所發(fā)送的控制指令對三個伺服電機的運行狀態(tài)進行控制，從而確保他們按實際要求正常運轉(zhuǎn)。并聯(lián)機械臂數(shù)據(jù)采集與存儲單元主要用于完成對三個線性刻度尺（例如光柵尺、激光干涉儀等）輸出的脈沖信號進行記數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果存儲到對應的三個存儲器中，以便于PC計算機進行讀取。 圖2.2 控制與并聯(lián)機械臂系統(tǒng)框圖 上述控制與并聯(lián)機械臂系統(tǒng)的工作原理可簡述如下： 當操作人員通過計算機鍵盤（或其他鍵控開關）向計算機發(fā)出控制命令后，PC處理器則通過I/O控制器接口向三個交流伺服電機分別發(fā)出相應的運行控制指令。當三個伺服電機接受到正確的指令信息后，即驅(qū)動各自的滾珠絲杠進行旋轉(zhuǎn)，從而帶動相應的移動副按實際要求進行伸縮，使測頭向目標點移動；同時，隨著移動副的伸縮，與之相連的線性長度記錄儀（如光柵尺等）開始輸出計數(shù)脈沖，并由三個32位的計數(shù)器分別進行計數(shù)。若測頭移動過程中，連桿或運動副出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，則驅(qū)動系統(tǒng)將立即向計算機反饋信息，以便通知計算機及時調(diào)整三個伺服電機的運行狀態(tài)，及時修正測頭的運行軌跡，從而確保測頭安全、柔性地到達并聯(lián)機械臂點位置。 當測頭與被測目標點接觸的一剎那，測頭的微動開關將產(chǎn)生一觸發(fā)脈沖，并將其反饋給PC計算機作為采樣觸發(fā)信號。PC計算機接收到該采樣指令后，則向32位計數(shù)器發(fā)出讀數(shù)指令，隨后便將計數(shù)器中的三個脈沖計數(shù)值讀入處理器，經(jīng)相應處理軟件計算后，得到該并聯(lián)機械臂點處的實際空間坐標值，從而完成一次坐標采樣過程。 2.5 并聯(lián)機械臂工作空間的分析 工作空間（Workplace）：設給定參考點C是動平臺執(zhí)行器的端點，工作空間是該端點在空間可以達到的所有點的集合。 完全工作空間（Complete workplace）：動平臺上執(zhí)行器端點可從任何方向（位姿）到達的點的集合。 定向工作空間（Constant workplace）：動平臺在固定位姿時執(zhí)行器端點可以到達的點的集合。 最大工作空間（Maximal workplace）：動平臺執(zhí)行器端點可到達的點的最大集合，并考慮其具體位姿。 完全工作空間和定向工作空間都是最大工作空間的子集. 另外，工作空間是并聯(lián)機械臂的重要特性，影響它的大小和形狀的因素主要有以下三個： ① 桿長的限制，桿件長度的變化是受到其結(jié)構(gòu)限制的，每一桿件的長度必須小于最大桿長，大于最小桿長。 ② 轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)角的限制，各種鉸鏈，包括球鉸接和萬向鉸接的轉(zhuǎn)角都受到結(jié)構(gòu)研制的，每一鉸鏈的轉(zhuǎn)角都應小于最大轉(zhuǎn)角。 ③ 桿件的尺寸干涉，連接動平臺和固定平臺的桿件都具有幾何尺寸，因此各桿件之間在運動過程中可能發(fā)生相互干涉。設桿件是直徑為D的圓柱體，兩相鄰桿件軸線之間的距離為Di,則Di＞D。 并聯(lián)機器人構(gòu)型設計原則 1、在進行機構(gòu)形式設計時，除了要滿足規(guī)定的運動形式、運動規(guī)律或運動軌跡外，還應該遵循下面幾項準則: （l）機構(gòu)的運動鏈要盡可能的短。完成同樣的動作要求，應該優(yōu)先選用機構(gòu)構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)少的機構(gòu)，以簡化其結(jié)構(gòu)從而減輕重量、降低成本、減少由于零件的制造誤差而形成的運動鏈的累積誤差，運動鏈短有利于提高機構(gòu)的剛度，減少振動。 （2）在運動副的選擇上，優(yōu)先選用低副。低副機構(gòu)的運動元素加工方便，容易保證配合的精度以及有較高的承載能力。 （3）適當選擇原動機，使機構(gòu)有好的動力學性能。 2、并聯(lián)機器人的尺度設計原則 以往，我們在設計階段為了確定機器人操作手機構(gòu)的尺寸和確定機器人操作手在工作空間內(nèi)部的位置和姿態(tài)時多數(shù)是靠經(jīng)驗和直覺?，F(xiàn)在，為了開發(fā)出高精度、高速度和高效率的并聯(lián)機器人，我們在機構(gòu)的綜合設計時要考慮到它的工作空間的體積和形狀、奇異位形、輸出的各向同性等條件。但是，在全局最優(yōu)的機構(gòu)尺度綜合設計中，顧全到上述的所有條件是十分困難的。國內(nèi)外的學者提出了許多機構(gòu)綜合的標準，以便在滿足指定的設計指標下，機構(gòu)的性能達到最優(yōu)。由于并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人相比，工作空間小。因此為實現(xiàn)作業(yè)要求，在設計時要先確定能夠滿足性能指標的工作空間是至關重要的。 另外，在并聯(lián)機構(gòu)的設計過程中必須要考慮要避免構(gòu)型奇異。與串聯(lián)機器人不同的是，并聯(lián)機器人不僅有運動學奇異，還有由構(gòu)型所導致的構(gòu)型奇異。即奇異區(qū)域通常都擴張到整個工作空間或一些顯著的子空間，而且是實際操作中最常用的區(qū)域。0.M給出了判定并聯(lián)機構(gòu)發(fā)生構(gòu)型奇異的條件: （l）如果動平臺和定平臺是相似的正多邊形，則整個工作空間內(nèi)雅戈比矩陣都是奇異的; （2）如果動平臺和定平臺是相似的非正多邊形，并且每一對相應的頂點通過一條連桿相連，則雅戈比矩陣在工作空間內(nèi)的大部分區(qū)域都是奇異的。 這種設計上的奇異的存在，將使并聯(lián)機器人由于無法平衡施加在動平臺上的負載而不能工作。在構(gòu)型奇異附近的區(qū)域，即使沒有發(fā)生構(gòu)型奇異，也有可能出現(xiàn)雅戈比矩陣條件數(shù)很大的情況，同樣會導致運動和力的傳遞性能變的很差，我們稱這種區(qū)域為病態(tài)條件區(qū)域。因此，進行并聯(lián)機構(gòu)尺度綜合設計時必須考慮在滿足工作空間要求、運動可傳遞性的要求以及負載能力要求的情況下，要避開構(gòu)型奇異點及奇異點附近的病態(tài)區(qū)域 2.6 臂部結(jié)構(gòu)設計的基本要求 臂部部件是并聯(lián)機械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動它們做空間運動。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關節(jié)，則臂部自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部設計基本要求: （1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工 字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，并聯(lián)機械手常采用無縫鋼管作為導向桿，用工字鋼（如圖4.1和4.2所示）或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。 （2)臂部運動速度要高，慣性要小 在一般情況下，手臂的要求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。 為減少轉(zhuǎn)動慣量，應采取以下措施: (a) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強度材料; (b) 減少手臂運動件的輪廓尺寸 (c) 減少回轉(zhuǎn)半徑 (d) 驅(qū)動系統(tǒng)中設有緩沖裝置 (3)手臂動作應靈活。 為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。 (4)位置精度要高。 一般來說，直角和圓柱坐標系并聯(lián)機械手位置精度高;關節(jié)式并聯(lián)機械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設定位裝置和檢測機構(gòu)，能較好的控制位置精度。 本文采用鋁合金材料設計成薄壁件，一方面保證機械臂的剛度，另一方面可減小機械臂的重量，減小基座關節(jié)電機的載荷，并且提高了機械臂的動態(tài)響應。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設計。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見表4.1所示： 鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 ＜200×200 200×200~500×500 ＞500×500 5~8 10~12 15~20 3~5 4~10 10~15 4~6 8~12 12~20 3~5 6~8 — 3~3.5 4~6 — 3~5 6~8 — 表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm） 以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設計的特點，在特種鑄造方法中，應根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點進行相應的鑄件結(jié)構(gòu)設計。本文機械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。 3 并聯(lián)機械臂電動機的選型 3.1電機的分類 1．按工作電源分類根據(jù)電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。 2．按結(jié)構(gòu)及工作原理分類電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為異步電動機和同步電動機。 同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同電動機。 異步電動機可分為感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機又分為三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機。交流換向器電動機又分為單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。 直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。電磁直流電動機又分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。永磁直流電動機又分為稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。 3．按起動與運行方式分類電動機按起動與運行方式可分為電容起動式電動機、電容盍式電動機、電容起動運轉(zhuǎn)式電動機和分相式電動機。 4．按用途分類電動機按用途可分為驅(qū)動用電動機和控制用電動機。 驅(qū)動用電動機又分為電動工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工具）用電動機、家電（包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調(diào)器、錄音機、錄像機、影碟機、吸塵器、照相機、電吹風、電動剃須刀等）用電動機及其它通用小型機械設備（包括各種小型、小型機械、醫(yī)療器械、電子儀器等）用電動機。 控制用電動機又分為電動機和伺服電動機等。 5．按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分類電動機按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為籠型感應電動機（舊標準稱為鼠籠型異步電動機）和繞線轉(zhuǎn)子感應電動機（舊標準稱為繞線型異步電動機）。 6．按運轉(zhuǎn)速度分類電動機按運轉(zhuǎn)速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調(diào)速電動機。 低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。 調(diào)速電動機除可分為有級恒速電動機、無級恒速電動機、有級變速電動機和無極變速電動機外，還可分為電磁調(diào)速電動機、直流調(diào)速電動機、PWM變頻調(diào)速電動機和開關磁阻調(diào)速電動機。 3.2選擇步進電機的計算 機構(gòu)工作時，需要克服摩擦阻力矩、工件負載阻力矩和啟動時的慣性力矩。 根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式[15]： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） 式中： —偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）； —摩擦阻力矩（N·m）； —負載阻力矩（N·m）； —啟動時慣性阻力矩（N·m）； —工件負載對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）； —對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）； —偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）； —質(zhì)量（kg）； —負載質(zhì)量（kg）； —啟動時間（s）； —部分材料密度（kg/m3）； —末端的線速度（m/s）。 根據(jù)已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。 將數(shù)據(jù)代入計算得： kg r/s kg·m2 kg·m2 N·m N·m N·m 因為傳動是通過減速器實現(xiàn)的，所以查取手冊[15]得： 彈性聯(lián)軸器傳動效率； 滾動軸承傳動效率（一對）； 減速器傳動效率； 計算得傳動的裝置的總效率。 電機在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩 N·m （3.9） 根據(jù)計算得出的所需力矩，結(jié)合北京和利時電機技術有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進電機的技術數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖3.3和圖3.4所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號的步進電機。 圖3.1 90BYG步進電機技術數(shù)據(jù) 圖3.2 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進電機矩頻特性曲線 4 并聯(lián)機械臂機并聯(lián)機械臂空間分析 并聯(lián)機械臂機的并聯(lián)機械臂空間，實質(zhì)上就是測頭的工作空間。該空間是指在滿足機構(gòu)的運動約束和幾何約束的條件下，并聯(lián)機械臂機測頭所能達到的空間點的所有點集。這些點集可構(gòu)成一個體積，該體積的邊界曲面就是測頭工作空間的邊界。 4.1并聯(lián)機械臂并聯(lián)機械臂機的運動學約束 基本上，并聯(lián)的物理約束有三個，他們是：連桿桿長約束，運動副轉(zhuǎn)角約束和連桿桿間干涉。不同于通過限制轉(zhuǎn)動副來限制有效自由度，本節(jié)討論的運動學約束主要是限制運動范圍。 4.1.1 連桿桿長約束 連桿在運動過程中，其桿長必須滿足條件： (i=1,2,3) 在上式中l(wèi)min和lmax分別表示連桿的最小桿長和最大桿長。 4.1.2 運動副轉(zhuǎn)角約束 同樣，在并聯(lián)工作過程中，必須滿足條件： 0αiαmax (i=1,2,3) 在上式中αmax代表球面副的最大圓錐擺角，αi為基座平面的法向量m與第i條連桿桿長向量li之間的夾角(圖4.1)?？梢员硎境桑? =cos 圖4.1 運動副轉(zhuǎn)角約束 上式中， l==(b-p) (i=1,2,3), m==(p-p)(p-p). 4.1.3 連桿桿間干涉 由于3個并聯(lián)連桿與基座之間的連接關節(jié)為轉(zhuǎn)動副，三個連桿只能在各自的約束平面內(nèi)運動，因而不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 4.2 確定并聯(lián)機械臂空間的基本方法 為了描述并聯(lián)機械臂機測頭的工作空間，可取若干個適當?shù)钠叫衅矫孀鳛楣ぷ骺臻g的剖面。這些平面與工作空間的交即是工作空間在這些剖面上的邊界曲線。若取一系列這樣的剖面，就可得到一系列的邊界曲線。這些邊界曲線的集合就可構(gòu)成一個完整的工作空間邊界 例如，取一平行于XOBY的平面X1ZjY1作為工作空間的剖面(如圖4.2所示)，該平面距坐標原點OB的距離Zj(Zmin Zmax)。然后，在該平面上取一極角φi，作一極線ρ那么極線ρ與邊界曲線的交點ρi即為測頭在該極線上所能達到的最遠點。因此，只要能在此極線上找到ρi，即可算出該邊界點在坐標系OB-XYZ中的空間坐標，即(ρicosφi，ρi sinφi，Z)。 圖4.2 量空間剖面選取及邊界曲線的確定 由此可以看出，通過上述方法處理后，即可將工作空間邊界點的計算問題轉(zhuǎn)化為對ρi的一維搜索問題。當求得一個邊界點后，令極線的極角增加Δφ，再按上述方法搜索出另一個邊界點。當極角φi由0°開始增加到360°時，就可得到該剖面上完整的邊界曲線。作完一個剖面后，增加Zj，再重復同樣方法，直到Zj由Zmin變化到Zmax為止，這樣就可求出并聯(lián)機械臂的整個工作空間邊界。 平面兩自由度并聯(lián)機械臂如圖所示。電動機1和2 固定在地面上。 —表示電機1的角位置。 —表示電機2的角位置。 —表示桿OP的長度。 —表示桿CP的長度. L—表示OC的長度. 4.2.1 編輯草圖實體 一般通過 “繪制草圖實體”，我們只能得到一些相對簡單的草圖形狀，如果需要繪制復雜的草圖，這時就需要通過“草圖編輯工具”，比如剪裁實體、鏡向?qū)嶓w、等距實體、轉(zhuǎn)換實體引用、線性草圖陣列和圓周草圖陣列等工具來修改我們那個大概的草圖。 當然了，你也可以覺得自己牛，不用這些工具，直接用“繪制草圖實體”里的那些工具來繪制復雜的草圖，但是效率肯定就低多了?！熬庉嫴輬D實體”這個過程之所以存在，就是為了提高您繪圖的效率。“編輯草圖實體”最常用的八種工具如下所示： 【剪裁實體】（★★★★★）：這個工具的使用頻率是很高的，當你點擊該工具時，屏幕左側(cè)的“選項”里有五個選項，最常用的是“剪裁到最近端”選項。只要在你想刪除的一段線條上單擊即可。 【鏡向?qū)嶓w】（★★★★）：該工具可以沿中心線鏡像草圖實體。生成的鏡像實體與原實體之間系統(tǒng)已經(jīng)自動添加了“對稱”的幾何關系。如果改變原實體，則其鏡像實體也將隨之改變。使用【鏡向?qū)嶓w】時，必須用【中心線】工具繪制一條中心線作為對稱軸。 【繪制圓角】（★★★★）和【繪制倒角】（★★★）：這兩個工具的使用就不需要我廢話了吧。 【轉(zhuǎn)換實體引用】（★★★）：它可以將其它草圖中的線條或?qū)嶓w邊線轉(zhuǎn)換成當前草圖上的實線。轉(zhuǎn)換過來的實線不需要添加幾何關系，也不需要標注尺寸，其形狀會隨被轉(zhuǎn)換的實體元素的改變而改變。 【等距實體】（★★★）：它可以在距草圖實體相等距離的位置上生成一個與草圖實體相同形狀的草圖。在生成等距實體時，系統(tǒng)會自動在每個原始實體和相對應的等距實體之間建立幾何關系，如果原始實體改變，則等距實體生成的曲線會隨之改變。 【線性草圖陣列】（★★★）：它可以大批量的以線性方式繪制某一草圖實體。需要設置兩個相互垂直方向上相鄰兩個實體之間的距離、兩個相互垂直方向上實體的個數(shù)和你所要陣列的草圖實體。 【圓周草圖陣列】（★★★）：它是大批量的以圓周方式繪制某一草圖實體。需要你設置這個圓周的圓心、需要陣列草圖實體的個數(shù)和你所要陣列的草圖實體。 4.2.2 添加幾何關系 使用幾何關系可以很容易地控制圖形相互間的關聯(lián)性，是當前參數(shù)化的CAD軟件一個非常重要的功能。添加幾何關系的步驟如下： （1） 首先單擊【添加幾何關系】按鈕。 （2） 在【所選實體】列表框中，從繪圖區(qū)選取要添加幾何關系的幾何元素。 （3） 在【添加幾何關系】選項組中選取需要添加的幾何關系類型，系統(tǒng)會根據(jù)選取的幾何元素自動判別可供添加的幾何關系?！粳F(xiàn)有幾何關系】列表框用于顯示所選草圖實體現(xiàn)存的幾何關系。 常見的一些幾何關系如表3-1所示： 表3-1 各種幾何關系的使用方法 幾何關系 要選擇的實體 所產(chǎn)生的效果 水平或豎直 一條或多條直線，兩個或多個點 直線會變成水平或豎直，點會在水平或豎直方向上對齊 共線 兩條或多條直線 實體位于同一條直線上 全等 兩個或多個圓弧 實體的圓心相同和半徑相等 垂直 兩條直線 兩條直線互相垂直 平行 兩條或多條直線 直線保持平行 相切 圓弧、橢圓和樣條曲線，直線和圓弧，直線和曲面 兩個實體保持相切 同心 兩個或多個圓弧，一個點和一個圓弧 實體的圓心相同 中點 一個點和一條直線 使點位于直線段的中點 交叉 一個點和兩條直線 使點位于兩直線的交點 重合 一個點和一條直線、圓弧或橢圓 使點位于直線、圓弧或橢圓上 相等 兩條或多條直線，兩個或多個圓弧 使直線段長度或圓弧半徑相等 對稱 一條中心線和兩個點、直線、圓弧和橢圓 實體會保持與中心線等距離，并位于與中心線垂直的一條直線上 固定 任何實體 實體的大小和位置固定 穿透 一個草圖點和一個基準軸、邊線、直線或樣條曲線 草圖點與基準軸、邊線或曲線在草圖基準面上穿透的位置重合 一般草圖并不是每個幾何關系都需要我們自己去添加，否則一個很復雜的草圖，如果里面每條直線都需要添加“豎直”或者“水平”的幾何關系，這個工作量都是非常巨大的。因此Solidworks很人性化地幫我們自動添加了大部分草圖實體之間的幾何關系。 4.3 各個零件的三維建模 電機 滑塊 滑動桿 連接塊 總裝配圖 總 結(jié) 本文著重介紹了虛擬環(huán)境下并聯(lián)并聯(lián)機械臂機的運動建模和仿真。首先說明一下本文研究內(nèi)容所涉及到的學術背景，并闡述了“虛擬樣機”等名詞的內(nèi)涵；接下來詳細討論了并聯(lián)并聯(lián)機械臂機虛擬樣機的幾何模型. 參 考 文 獻 [1] John A. Bosch. Coordinate Measuring Machines and Systems. New York: Marcel Dekker Inc. 1995,1-38 [2] 張國雄.三并聯(lián)機械臂機[M].天津：天津大學出版社，1999. [3] 張國雄.三并聯(lián)機械臂機的發(fā)展趨勢[J].中國機械工程，2000，11(1-2): 222-226. [4] 葉東，黃慶成，車仁生.多關節(jié)并聯(lián)機械臂機的誤差模型[J].光學精密工程，1999， [8] 中村哲夫.三并聯(lián)機械臂機并聯(lián)機械臂誤差的評價方法[J].國外計量. 1994,2: 8-13. [9] 林璨.三并聯(lián)機械臂機的精度檢定與位置誤差補償[J].現(xiàn)代計量測試. 1995,2: 21-24. [10] Oiwa Takaaki. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1998,64(12):1791 [11] Oiwa Takaaki, et al. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1999,65(2):288 [12] K. Takamasu and M. Hiraki. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1997,63(12):1676 [13] 劉得軍，車仁生，羅小川.并聯(lián)機械臂機新發(fā)展——并聯(lián)運動機構(gòu)并聯(lián)機械臂機[J].光學精密工程，2000，8(5):497-498. [14] Huang T，et al. Closed form solution of hexapod-based virtual axis machine tools[J]. ASME J. of Mechanical Design，1999，121: 26-31. [15] 汪勁松，黃田.并聯(lián)機械臂——機構(gòu)行業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)[J].中國機械工程, 1999，10(10): 1103-1107. 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