（机械电子工程专业论文）智能并联微执行器系统的性能研究.pdf

黼整 捅斐 本文是基于国家自然科学基金课题“智能微执行器系统的研制”( 资助项 目编号6 9 8 8 5 0 0 1 ) ，研究日益升温的并联微动机构特别是智能并联微操作器的 开发和应用。随着机电系统日益集成化和零件持续微小化，对智能微执行器系 统的精度要求越来越高。由于传统串联机构形式存在着运动链长、刚性差、误 差累积等缺陷，且操作精度有限，不能适应m e m s 技术发展的需要。而并联机 构具有运动链封闭、刚性好、无关节误差累积、运动精度高，且运动学逆解求 解简单等优点，因此非常适合于用作微操作执行器机构，广泛应用于自动化技 术、机械制造工程、医疗技术等领域，具有广阔的发展前景。因此，对其运动 性能进行测试和分析研究具有重要的理论和现实意义。 本论文以3 p t t 型的三自由度并联微执行器系统为基础，对智能并联微 执行器进行了运动学研究、工作空间研究和灵活度研究，分析了微执行器结构 误差对位姿的影响，提出了误差补偿的实用方法。本文利用a n s y s 工具对智 能并联微执行器驱动机构的柔性铰链进行了分析与仿真，为并联微操作机器人 整体性能测试及分析，即微执行器的位置空间、运动学、误差补偿提供了基础。 最后论文对3 一p t t 微执行器的控制策略进行了研究，简要介绍了3 一p t t 智能并 联微执行器控制系统的组成和利用v c 语言离线编程对执行器的自动运行控 制，进行智能微执行器末端指针在几何轨迹方面的自动运行，包括抬笔、落笔、 行走过程，分析笔尖与载体接触时的刚度特点并采取相应措施，使其在书写字 母文字方面达到了较好的效果。 关键词：智能微执行器，并联机构，压电陶瓷，柔性铰链 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s tr a c t t h e d e v e l o p m e n t o fi n t e l l l g e n tm l c r o m a n i p u l a t o r i s b e c o m i n g i n c r e a s i n g l yt i n ya n di n t e g r a t i n g ，a n da c c o r d i n g l yt h em i c r o m a n i p u l a t o r s f o ra s s e m b li n gt h o s ec o m p o n e n t sa r er e q u i r e dt oh a v eh i g h e rr e s 0 1 u t i o n a n dp r e c i s i o n 、c o n v e n t i o n a ls e r i a lm i c r o m a n i p u l a t o r st h a th a v el o n go p e n k i n e m a t i c s c h a i n sar en o ts u i t a b l ef o r p r e c js em a n i p u l a t i o n i n m i c r o s c o p i cs c a l eb e c a u s eo f t h e i rd e f i c i e n c i e so f1 0 ws t i f f n e s sa n d a r t i c u l a t i o ne r r o ra c c u m u l a t i o n o nt h ec o n t r a r y ， i n p a r a l l e la c t u a t e d m i c r o m a n i p u l a t o r sh a v e t h ea d v a n t a g e so fm o r e r i g i d i t ya n da c c u r a c y ， h i g h e rl o a dc a p a c i t y ，a n ds i m p l ei n v e r s ek i n e m a t i c s ， t h e r e f o r et h e yc a n b eu s e dt or e p l a c ec o n v e n t i o n a ls e r i a lo n e st om e e tt h er i s i n gn e e df o r h i g h e rp r e c i s i o n ，t h e y a r ew i d e l yu s e di na u t o m a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ， m e c h a n i c se n g i n e e r i n g ，m e d i c i n ef i e l da n ds oo n s ot h ep e r f o r m a n c et e s t a n dr e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tp a r a l l e lm i c r o m a n i p u l a t o ri sv e r yi m p o r t a n t a n ds i g n i f i c a n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h e3 一f r e e d o mt y p ei n t e l l i g e n tp a r a l l e l m i c r o m a n i p u l a t o r ， t h ep o s i t i o na n dd i r e c t i o no ft h em e c h a n i s ma c t u a t o r isd e f i n e d t h ew o r k s p a c ei sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h e m o t i o n a st h em i c r o s c o p eo ft h i sm e c h a n i s m ，w ep u tf o r w a r dap r a c t i c a l m e t b o do ft h es t r u c t u r ee r r o ra n a l y s i s a n d c o m p u t i n g i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，b o t hs i n 9 1 ea n dc o m p l e xd r i v e r m a g n i f i e ra saw h o l eb o d y i sc e s t e da n ds t u d i e db yt h et o o lo fa n s y sf o rt h ed e e pa n a l y s i s o f k i n e m i c s ，w o r k s p a c e ， e r r o ra n a l y s i sa n dc o m p e n s a t i o n a n dt h em e t h o do f h e li x m e c h a n i s mi si n d u c e dt os t u d yt h em o d e la c c u r a t e l y a tl a s t t h e a u t 。m a t i c a l l yw r i t i n go ft h ea c t u a t o ri sp u t i n t ou s e di nt h ep r o s p e c t o fm i c r om o v i n g k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tm i c r o m a n i p u l a t o r ， p a r a l l e lm e c h a n i s m ， f l e x i b l ej o i n t ：p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s 第1 章绪论 1 1 概述 智能微操作技术，作为二十世纪的关键技术之一受到国内外科研机构的 重视。由于微技术的研究领域覆盖从医疗技术到环境工程人类生活的各个方面。 微操作技术的发展水平关系到国家在国际竞争中的实力”。它在自动化技术、 机械制造工程、医疗技术和分析技术等领域得到的应用，将会对国民经济产生 巨大的影响【。2 0 世纪8 0 年代以来，并联机器人机构由于结构简洁、动态性能 好和承载能力高以及广泛的应用前景而成为国际上备受关注的研究热点之一。 它可广泛地应用于飞行模拟器、力与力矩传感器、精细操作平台和并联机床等 领域其应用几乎涉及现代尖端技术的各个领域，如机器人、数控加工中心、 运载工具模拟器、六维微调机构、空间位姿测量机、六维力矩测量器等。发达 国家近年来均投巨资开发其应用，因而成为近年来国际机构学界的一个研究热 点。近几年，随着并联机床研究的不断升温，由于三自由度并联机构具有结构 简单、容易控制的优点，因而越来越受到研究者的重视。 1 2 并联微机器人的特征 根据g o s s e l i n 的定义：并联机器人是由动、定平台和连接两平台的若干封 闭的运动链组成的机械装置；它的每个运动链由两个以上的杆件组成并由一个 驱动器驱动。由于每个运动支链承受的载荷较小而且杆件均为2 力杆，整体结 构刚度提高，允许的载荷与输出力随之提高。由于各运动支链相互并联，一条 运动支链中某一构件的制造尺寸误差可以得到补偿。由于并联机器人的驱动部 分可以安置在定平台上，运动部分的质量得以减少，被操作对象的质量与机器 人质量之比提高，动力学性能得到改善。由于驱动部分安置在定平台上，实现 了能量供应部分及信号传递部分与工作空间的隔离，减少了干扰，提高了安全 性。与传统的串联机器人相比，并联机器人在结构材料方面所投入的成本要少 得多【1 4 】。 北京工业大学工学硕士学位论文 表并联机器人与串联机器入的主要差别 性能指标串联并联 ： 作空问结构空间之比 犬( + )小( 一) 工作空间内的机动性好( + )有限( ) 对构件尺寸误差的敏感性误差累积( 一)误差补偿( + ) 目标质量运动部件质量之比 小( 一)大( + ) 可承受的反作用力 小( 一)大( + ) 惯性力 大( 一)小( + ) 结构刚度不好( ) 好( + ) 动态特性不好( ) 好( + ) 控制技术难度 小( + ) 大( ) 执行末端的方向范围 大( + ) 小( 一) 注解：+ 所希望的，不希望的 并联机器人在有定特殊要求的场合可以发挥其它机器人设备不可替代的 作用。例如，在被限制的小空间里要求很高的定位精度和运动速度，同时又要 求较大的操作力。由于其高精度和高分辨率，并联机器人适合于生物工程、显 微外科和微装配等微动操作。而串联机器人，由于其柔性和动作灵活性好，因 而很适合执行焊接、喷漆等任务。 1 3 并联微操作机器人国内外研究现状 1 、3 1 国外研究现状 并联机器人概念从1 9 7 8 澳大利皿著名机构学教授h 吼t 提出到现在已有二 十多年的时间了，但早期的研究主要涉及到虚拟轴加工机床，很少有文献涉及 微操作、微装配并联机器人机构，直到8 0 年代末9 0 年代初，并联机构用作微 操作机器人的优越性才日益得到重视。 美国国家基金会于1 9 8 8 年投入l o o 万美元支持8 所大学研究微电子机械系 统，主要从事显微外科手术、微细作业方法、微制动器、微传感器、扫描隧道 显微镜以及原子力显微镜的研究与探索。日本非常重视微操作机器人系统研究， ：疆 嚣 制定了为期十年投资2 5 亿美元的“微机器人技术研究开发计划”。东京大学、 名古屋大学从十几年前就开始研究压电元件驱动的各种无间隙驱动机构及其控 制问题。目前，这些大学也在研究微小物体操作的作业特征和用于微细操作的 操作器，以及适于微细作业的遥控作业系统。 瑞士、瑞典、加拿大等国家目前也在积极开展微操作机器人系统的研究工 作。瑞士联邦技术研究所( e t h z ) 从1 9 9 4 年制定了研制用于操作微小物体的 微操作机器人计划。其目标是研制至少具有5 个自由度的微操作机器人系统。 借助立体s e m 在1 c m 3 的工作空间内，以高于1 0 m 的位移分辨率操作微小尺 寸的物体；该机器人带有装备集成传感器的微操作手，适用于真空和清洁空间。 目前已经研制出压电晶体驱动的3 自由度平面机器人样机。 如图l ，1 所示是瑞士皇家工学院m a g n a n i 【3 0 】等研制的具有绕x 、y 轴转动 和沿z 轴方向移动3 个运动自由度的3 一p r s 压电驱动并联微操作机器人，机构 图1 1 m a 鲷a i l i 3 0 】等研制的3 自由度并联机器人 共有3 条运动支链，每一条支链都是由移动副柔性转副一柔性球副构成。为了满 足无间隙、无摩擦、无滞后传动的要求，所有的运动副均采用柔性铰链。该并 联微操作机器人成功的技术关键在于柔性铰链材料的选取和特殊几何形状的设 计。在材料选取方面，作者提出，制造柔性铰链的材料应该允许大的弹性变形 而不发生塑性破坏，其弹性极限。与弹性模量e 之比o e 要尽可能大。关于柔 北京工业大学工学硕士学位沦文 性铰链的几何形状，作者提出，在铰链的弯曲变形方向应该充分的柔顺( 低刚 度) ，在与之垂直的方向应有足够的刚度。二者之比称之为柔顺率，即柔性铰链 的几何形状应保证尽可能大的柔顺率。由于柔性铰链是由电火花线切割工艺直 接在同一块材料上加工出来，使得该微操作机器人的结构误差很小。该微操作 机器人由高分辨率的压电晶体驱动。它的工作空间指标为：可绕x 、y 轴旋转 2 5 。，沿z 轴方向移动5 m m 。 图l 一2 所示是e r i cp e m e t t e 【3 l 】等研制的用于光纤对接操作的微操作机器人， 该机构也由3 条运动支链构成，但每一支链都是平面副一球副一柔性转副( h s r ) 的结构形式，其中平面副由具有两个移动自由度的压电元件构成，球副则由插 图1 26 d o f 光纤对接机器人 入锥形小孔的针的运动来代替( 可能会引起替代误差) 。该微操作机器人有6 个 独立的自由度。它的工作空间为4 c m 3 。其驱动方式是分别由三个可以沿y 、z 向移动的压电直线驱动器驱动的。由三个驱动器的平面位置决定执行端的空间 位置。该微操作机器人性能指标为：运动分辨率o 1um ，可绕y 、z 轴旋转 25 。，沿x 轴方向移动5 m m ，而理论上来说，在绕x 轴，沿y 、z 方向的运 动范围无限大。实际上其运动范围将受到压电直线驱动器的运动范围的限制。 图1 3 是德国布伦瑞克工业大学( t ub r a u n s c h w e i g ) 【3 2 】研制的具有两个 a ) 直线驱动式 b ) 回转驱动式 图1 3 德国布伦瑞克工业大学研制的平面三自由度并联微机器人 移动自由度和一个转动自由度的平面并联机器人，其中a ) 采用微型直线电机驱 动，重复定位精度o 1um 。b ) 采用回转电机驱动。这种机器人的特点是结构 简单，运动精确度高，运动范围较大。如果工作头本身再增加一个垂直运动自 由度，运动范围变成立体空间，适于在微电子集成制造工程中用作微执行器。 日本东京大学t o m o m a s as a t o 等人研制的纳米机器人系统由微操作机器人、 扫描电子显微镜( s e m ) 和操作工具组成。可用于精度在l n m l u m 的纳米操作， 例如把一个微小零件以2 0 蛳的精度装配到微型功能器件中去，或者以5 0 n m 的 精度调整一个零件的位置等。日本东京工业大学的诎a w a 吲研制的微动手基 本的结构与传统的s t e w a n 平台近似。有6 个自由度，分别由6 个压电晶体驱动 器驱动，执行末端的工作空间为1 3 0 1 3 0 1 8pm 。位置分辨率可以达到o 1 umo 图1 4 所示是以色列工业大学1 3 ”研制的6 自由度并联微操作机器人。该并 联微操作机器人通过三根固定长度的杆把三个具有2 自由度的平面电机的运动 转变成工作盘的6 自由度运动。与具有六根长度可改变的杆的普通结构的并联 机器人相比，结构简化了，工作空间大大增加。但该微操作机器人三根杆细长， 在工作空间大大增加的同时，机器人的刚度会降低，动态操作时会引起振动。 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 5 所示是德国p i 公司研制的m _ 8 5 0 型6 自由度s t e w a n 平台微操作 机器人，这是世界上第 一个商业化的6 自由度 并联微操作机器人产 品。为使该机器人有较 大的工作空间，驱动采 用大行程、高分辨率的 直流伺服电机，机器人 的性能指标为：沿x 、 图1 4 以色列工业大学研制的6 自由度并联微动机器人 y 轴的运动分辨率为l um ，运动范围为 5 0 m m 。沿z 轴的运动分辨率为0 5 “m ，运动范围为5 0 m l 。沿x 、 y 、z 轴的转动分辨率为o 0 0 0 3 。， 绕x 、y 轴的转角范围为1 5 。， 绕z 轴的转角范围为3 0 。由 于已经商业化，该机器人具有非 常友好的基于w i n d o w s 操作系统 的人机交互界面。目前，该机器 人已被用于半导体制造、激光偏 振腔微调和超精密加工等工程领 图1 - 5 德国p i 公司的六自由度并联微机器人 域。根据以上分析，该机器人各 方面性能均属优越，但价格昂贵。 从技术水平来看，目前研制 的微操作机器人系统，大部分还只是进行纳米操作的初步尝试。为了完成更复 杂的操作，还需要许多改进，例如：要完成微型装配等复杂操作任务，机器人 的左右手还需要更多的自由度，特别是高精度的旋转自由度。 1 3 2 国内研究现状 我国一些高等院校和研究所从8 0 年代中期就开始对微操作、精密定位技术 进行跟踪性研究，国家 “8 6 3 ”计划也把微驱动 器，微型、微操作机器人 的开发列入计划中。在并 联微执行器、微操作机器 人的研究方面，清华大学 、北京航空航天大学、 哈尔滨工业大学、北京理 工大学等单位已取得了 定成果。 北京航空航天大学机 器人研究所宗光华教授等 研制成功的6 自由度微操 作机器人( 图】6 ) 由上 a ) 空间：3 r p s 并联机构 b ) 平面3 硒汰并联机构 c ) 串并联机构 图1 66 一d o f 并联机构( 北航机器人研究所) ( 3 p r s 并联机构) 和下 ( 3 p r s 并联机构) 两级串联 而成。这种6 自由度微操 作机器人综合了平面3 自由度微操作机器人和空间3 自由度微操作机器人的优 点。平面3 自由度微操作机器人的特点是只能在平面内运动，其结构简单，运 动精度高，很适合在微电子集成制造工程中用作微执行器。空间3 自由度微操 作机器人可以突破只能在平面内运动的限制，运动精度高，适合在微装配过程 中用作微执行器。二者结合，扩大了工作空间，增加了自由度，同时扩大了应 用范围。其工作空间为4 0 4 0 2 4 u m ，运动分辨率为0 2 u m 。 哈尔滨工业大学蔡鹤皋院士领导的机器人研究所研制出六自由度超精密驱 动器( p f m r ) ( 图l 一7 ) ，其工作空间为l o x1 0 1 0 um ，分辨率为o 0 1 “m 。还 研制出电致伸缩大行程连动机构，运动范围1 0 u n ，最大步距5 0 m ，最小步距 北京工业大学工学硕士学位论文 oo l m ，该系统与p u m a 5 6 2 机器人组成宏微操作系统，实现了精密液压阀的装 配作业。 图卜7 六自由度超精密微执行器 1 4 本论文主要研究内容 本论文主要研究内容包括以下三个方面 1 ) 本文提出一种新型3 自由度并联机构，该并联机构的操作空间为3 0 0 微米，分辨率为o 1 微米。论文研究了其位置正反解、速度雅可比矩阵、 工作空间以及灵巧性性能指标，以及基于工作空间和灵巧性性能指标基础 上的机构尺度综合问题； 2 ) 采用空间模型理论讨论了3 自由度驱动并联机器人机构基于工作空 间的尺寸参数设计，通过对尺寸参数的无量纲化，建立了其梯形状空间模 型，并详细讨论工作空间分类和面积计算，绘制相应的工作空间面积图谱， 并得出了工作空间面积与杆件尺寸参数之间的关系， 3 ) 对3 一p t t 三自由度并联机构进行了运动学分析、工作空间分析和误 差分析以及灵活度分析。在此基础上研制出了并联微执行器样机。分析了 并联机构的结构参数误差对机器人在其工作空间内的位姿精度的影响。对 现有的误差消除方法进行了分析和讨论。对3 p t t 并联微执行器进行了性 能测试，作为检验微执行器性能的一个实验，在此基础上用压电晶体驱动 微执行器的末端指针，在计算机的控制下，在平面载玻片上自动写出微型 字迹。 4 ) 对柔性铰链的设计方法进行了研究，对在本实验条件下柔性铰链的结 构参数的合理取值范围及微位移放大机构的合理放大倍数进行了探讨。用 有限元法和a n s i s 软件对柔性铰链的受力状态和机械变形进行了计算和模 拟。 1 5 小结 总的来说，目前国内对并联微操作机器人的研究虽然起步较晚，但发展速 度很快，已经取得令人瞩目的成果。特别是以哈尔滨工业大学、北京航空航天大 学、清华大学等高等院校为代表的研究机构每年都有论文在e e 、r o b o t i c sa 1 1 d a u t o m a c i o n 等重要的国际会议发表。从研究的重点来看，主要集中在机构结构 设计、运动学分析和动力学分析，而对于控制理论、控制系统及人机交互等方 面的研究还处在实验阶段。 第2 章并联微执行器机构设计 2 1引言 在过去的几十年，由于高柔性的特性，机器人在工业中得到了很大的发 展，但是，大多传统机器人的机械结构并不能适应一些特定的应用，因此，从 2 0 世纪7 0 年代末，另外一种概念不同的机械结构一并联机器人( p a 旧恻 m a n i p u i a t o r s ) ，开始引起了研究者们的重视，并在工业应用中越来越受青睐。 并联机器人是一种闭环机械系统( c i o s e d l o o pm e c h a n i s m s ) ，它由一动平台、 定平台和联接两平台的多个支链或分支或运动链( l e g s ，k i n e m a t i cc h a i n s ) 组 成，支链数一般与动平台的自由度数相同，这样每个支链可以由一个驱动器驱 动，并且所有驱动器可以安放在或接近定平台的地方，因此并联机器人往往被 称为“平台机器人”( p i a 怕r mm a n i p u l a t o r s ) ，由于外载荷可以由所有驱动器 共同承受，并联机器人具有高的承载能力，这种机器人般在精度、刚度和速 度等方面具有优势，它们可以应用于飞行模拟器、微细操作、轻工业中。特别 是近几年，并联机构在微操作器中的应用被称为机构行业的革命。 g o u g h 在1 9 4 7 年首先建立了具有闭环结构的机构设计基本原理，这种机 构司以控制动平台的位置和姿态，从而实现轮胎的检测，并在1 9 6 2 年完成了 这种装置的样机设计( 图2 1 ) 。在该结构中，运动件是一六边形平台，平台 的各个顶点通过球铰链与可伸缩杆件相连接，杆件的另一端通过虎克铰与定平 台连接，动平台的位置和姿态通过6 个直线电机改变杆件的长度来实现。 s t e w a r t 在1 9 6 5 年设计了另一平台机器人机构，用来做为飞行模拟器。如图 2 2 所示，该机构的上平台是一三角平台，其各顶点通过球铰链与连杆相连 接，其机架也呈三角布置。，h u n t 在1 9 7 8 年系统地分析了并联机器人的运动 链结构，提出了多种可用于并联机器人的机构类型，如著名的3 - r p s 机构就是 其中一种。从此，并联机器人开始成为研究的热点。现在，所有由动平台、定 平台和联接两平台的运动链组成的并联机构均称为s t e w a r t 平台机构。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 1g o u a h 机构 图2 2s l e w a n 机构 2 2 并联机器人机构分类 从空间运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构，更详细地可 分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和 空间混合运动机构。如前所述，空间一个刚体至多具有6 个自由度，因此根据 并联机构的定义，目前的并联机构多具有2 、3 、4 、5 和6 个自由度。根据有 关文献，可以实现的并联机构( 包括非完全并联机构) 有8 7 种( m e r 帆 2 0 0 1 ) ，其中3 、6 自由度的各占4 0 ，4 自由度的占6 ，5 自由度的占3 5 ， 2 自由度的并联机构占1 0 5 。 不同的微操作任务对操作自由度、工作空间、灵巧度、分辨率、控制精 度都有不同的要求，人们总希望所选择的机构具有较大的工作空间，操作灵 巧，分辨率高，然而这些要求往往相互矛盾，工作空间的增大可能导致分辨率 的降低“，反之亦然。因而微操作机器人机构学模型的设计必须从各方面加 以综合考虑。如前所述，并联机构由于运动链封闭、剐性高、无关节误差累积 等一系列优点比串联机构更适合用作微操作器。但并联机构本身只是一个总体 的概念，具体来说，其形式多种多样，不同的运动链数目和运动副组合构成性 能各异的机构，选择怎样的机构学模型，对最终微执行器系统的精度、工作空 第2 章并联微执行器机构殴汁 间等性能有着重要的影响“。此外，微操作所要求的操作精度通常在微米纳 米数量级，常规形式的运动副不可避免地存在着配合间隙，这一间隙对于工作 于宏观世界中的机器人机构来说可能影响不大，但对于工作于微观世界的微操 作机器人来说，则可能导致机构运动精度降低，工作空间大大减小甚至完全丧 失“，因而如何设计适合于微操作机器人机构的非常规运动副也是并联机器人 机构设计的一个重要内容。 本章将讨论机构选型的一些指导性原则和非常规柔性铰链运动副的设 计，并在此基础上提出两级3 一p t t 串并联微操作机器人机构设计方案。 2 3 机构选型 2 3 1 常见的并联机构模型 如图2 3 所示是一些常见的并联机构模型，2 3 ( a ) 是著名的s t e w a r t 机构【43 1 ，运动平台和固定平台都是六边形，并以6 个移动副作输入，最先应用 于6 自由度的飞行模拟器。若将s t e w a r t 机构的上平台或下平台的球面副都以 复合球铰代替，则可以演变成如图( b ) 和( c ) 所示运动平台或运动平台和固 定平台都是三角形的6 s p s 机构，与s t e w a r t 平台机构相比，它们的突出优点 是具有较大的工作空间，且杆件间不易发生干涉碰撞现象，运动学分析也要简 单许多。s t e w a r t 平台机构的另一种演变形式如图中( d ) 所示，6 条运动支链 分成内外两组，动定平台上的铰链点也相应地分布在不同半径的两个同心圆 上，这种机构也能有效地减少杆件之间的干涉，同时使得机构具有更高的刚度 和更大的工作空间f 4 j 。 ( a ) s l e w a 机构 ( b ) 6 - s p s 单三角机构 ( c ) 6 一s p s 双三角机构( d ) 6 s p s 双层机构 图2 3 常见6 自由度并联机构模型 - 1 4 - ( a ) 3 - r p s 机构( b ) 3 - r r r 球面机构 算 ( c ) 中心驱动的双共面机构 d ) 3 r p s 立方体机构 图2 43 自由度并联机构 由于实际应用中往往并不需要完全的6 个自由度，因而自由度少于6 的 并联机构也正受到越来越多的关注，其中，研究得最多的是具有3 个自由度的 并联机器人机构。图2 4 ( a ) 所示是具有两个转动自由度和一个移动自由度的 3 一r p s 机构，与6 自由度的s t e w a r t 平台机构相比，其秆件之间发生碰撞干涉 的可能性大大降低，相反工作空间则能大为增加【4 】。图2 4 ( b ) 是一个3 r r r 球面机构，( c ) 是一个中心驱动的3 一r r r 双共面机构，它们只具有3 个转动自由度，动平台上所有点都始终在某个球面上运动，因而很适合用作 机器人的腕关节、肩关节或雷达跟踪系统等只需要转动自由度的场合。图2 4 ( d ) 则是一个3 r p s 立方体机构，它的特点是具有3 个方向的平动自由度， 特别适于用作3 维微动工作台。 根据不同应用场合的需要，并联机构还有其他很多种演变形式，如四角 平台机构、五角平台机构。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 2 一般并联机构选型原则 在设计并联机器人机构时，如何选择机构模型并没有一个统一的标准， 需要根据特定的应用场合来定。具体来说，选择的机构模型合理与否需要从以 下几个方面加以考虑 1 ) 自由度的数目和形式 一般来说机构的自由度数越多，操作时的灵活性就越好，但机构自由度 的增加一方面会使机构变得复杂，另一方面则必然要增加制造成本，因而机构 的自由度以能满足操作需要为宜。此外，机构选型必须考虑的一个很重要的因 素是自由度的形式，机构所具有的自由度形式必须与操作所需的自由度形式相 符。例如，设计用于卫星天线的空间方位跟踪系统时，就不能选用图2 - 2 ( d ) 所 示的只具有3 个移动自由度的立方体机构，而应该考虑2 1 4 ( b ) 、( c ) 所示的具有 3 个转动自由度的球面机构。 2 ) 工作空间的方向 当机器人的操作主要沿某一个方向进行时，所选择的机构模型也应该相应 地在该方向上有较大的工作范围。如图2 5 所示，当操作主要沿x 方向进行 时，( b ) 所示的机构模型就明显比要( a ) 好，因为理论上来说，( b ) 所示 ( a )( b ) 图2 5 运动方向不同的同类机构 机构在x 方向上的运动范围可以达到无限大。 3 ) 驱动方式。不同的驱动方式对机构选型也有着重要的影响，一般来说，当 驱动器质量较大时，应尽可能考虑将驱动器安装在定平台上，以使得所设计的 机器人机构有较好的动态性能。 图2 6 柔性铰链结构 图2 6 是几种常见的非常规柔性铰链，( a ) 、( b ) 是单自由度的柔性转 副，它允许两构件作相对转动；( c ) 为单自由度的柔性移动副，它允许两构 件作沿轴线的相对移动；( d ) 、( e ) 、( f ) 是3 中不同形式的柔性虎克 铰，其中( d ) 由互成9 0 。的两个单轴柔性转副组成，由于这种柔性虎克铰两 转轴不交叉，两轴问存在定的空间距离，因而不是严格意义上的虎克铰， ( e ) 具有相互交叉的转轴，但其不够紧凑，往往使得机构体积变大，( f ) 形 式的柔性虎克铰不仅具有相互交叉的转轴，而且结构合理，具有加工后自然形 成的限位功能，不会因为转动角度过大使得柔性铰链被破坏，因而是一种较为 理想的柔性虎克铰形式。( g ) 是具有3 个转动自由度的柔性球副。 一帚吖hu湫 霜一翮岢一 北京工业大学工学硕士学位论文 2 4 智能3 一p t t 并联微执行器机构 2 41 引言 根据上述机构选型的指导性原则，我们选择图2 7 ( a ) 所示的3 一p t t 并 联机构作为微操作机器人的机构模型，为简化机构加工和运动学分析，如图2 7 ( b ) 所示，将3 条运动链设计成绕z 轴互成1 2 0 。布置。所有6 个虎克铰 ( t ) 都采用图2 6 ( f ) 所示形式的柔性虎克铰，p 为主动移动副，并以高位 移分辨率的压电晶体作为驱动器。由机构自由度分析可知，每一运动支链具有 5 个自由度，也即每一支链对动平台的约束为1 ，因而动平台的自由度为3 ， 该机构具有3 个独立的自由度。选用3 一p t t 构型的并联机构的理由如下 1 ) 该微操作机器人以微型器件的组装为应用目标，通常一个组装任务需要两 个甚至多个微操作机器人共同协调来完成，这就没有必要要求每个机器人 都具有6 个完全的自由度，因而选用3 自由度的并联机构模型。 2 ) 移动副与定平台相连，使得驱动器可直接安装在定平台上。此外，由于采 用图2 6 ( f ) 所示形式的柔性虎克铰，每一p t t 运动支链很容易实现一体 式结构，整条支链上的3 个运动副可直接在同一块材料上加工出来，这就 在很大程度上避免了运动副连接所带来的装配误差，对于要求具有微米，纳 米级操作精度的微操作机器人来说，这一点具有非常重要的意义。 3 ) 微操作机器人的末端执行器通常为具有一定长度的操作针，对于只具有移 动自由度的并联机构来说，由于采用压电晶体驱动，针尖的移动范围很微 小，无法满足操作对工作空间的要求，在这种情况下就必须使机构具有转 动自由度，依靠细长操作针的摆动来实现较大范围的操作。3 一p t t 并联机 构具有绕x 、y 轴的旋转自由度和沿z 轴的移动自由度，很好地满足了这 一要求。 1 8 - 第2 童并联微执行器机构设计 图2 73 _ p t t 机构 2 4 23 一p t t 并联微执行器方案设计 本课题研究的微操作机器人主要以微型器件的组装为应用目标，为使研制的 微机器人能实现微小物体的精确抓取、移动、姿势调整和释放等基本操作，我 们初步设计了两种微操作方案，第一种方案如图2 8 ( a ) 所示，系统中的微执 行器由两个完全相同的3 一p 丌并联微动机器人组成，分别构成左、右微操作 指，工作时两操作指相互协调，共同完成对微小物体的抓取、移动、姿势调整 和释放等操作。通过分析可以发现，这种操作方案至少存在着两个缺陷【1 5 - 1 8 1 。 首先，微操作的有效工作空间很小，如图2 8 ( b ) 所示，微操作的有效工作空 间是左右两操作指各自工作空间的交集，显然，有效工作空间不可能大于两操 作指各自的工作空间；其次，左右两操作指的协调控制比较困难，特别是在移 动微小物体的过程中，需要始终保持两操作指末端距离一致，但由于机构不可 避免地存在着各种误差，使得这一点很难实现，从而往往导致操作失败。 针对第一种微操作方案的不足之处，我们提出了第二种微操作方案。如图 2 9 ( a ) 所示，系统中的微执行器仍然是两个3 一p t t 并联微动机构，但在该方 案中两个3 - p t t 并联微动机构不再相互独立，而是串联在一起，构成两级3 - p t t 串并联微动机构，可以注意到，中间平台既是第一级3 一p t t 微动机构的 动平台，同时也是第二级3 _ p t t 微动机构的“定”平台，且让两级之间绕z 轴呈一定角度布置。整个串并联机构仍然有两个微操作指，其中一个操作指被 固定在中间平台上，另一个则连接于上平台。工作时，先驱动第一级微动机 构，并同时带着第二二级微动机构朝目标运动，此过程中第二级相对于第一级静 北京工业大学工学硕上学位论文 i 上；到达目标后，立即停止驱动第一级，同时驱动第二级，依靠连接于上平台 的微操作指与连接于中间平台的微操作指之间的相对运动，完成目标的精确抓 取、姿势调整等操作；随后停止驱动第二级，同时重新驱动第一级，完成目标 的移动操作；最后，停止驱动第一级，同时重新驱动第二级完成目标的姿势调 整或释放操作。从上述微操作过程可以看出，第一级微动机构用来实现微小物 体相对大范围内的移动，完成的是主要的动作，而第二级微动机构用来实现微 ( a ) 示意图 图2 8 方案l 结构 ( b ) 有效工作空间 小物体的精确抓取、位姿调整等更为精细的操作，完成的各种复杂的从动作， 因此，我们把连接于中间平台的微操作指称为主操作指，而将连接于上平台的 微操作指称为从操作指，以区别于第一种方案的左右操作指。 显微镜 ( a ) 示意图 图2 9 方案2 结构 2 0 一 从操作指 ( b ) 有效工作空问 第2 章并联微执行 机构设计 图2 1 03 一p t t 智能并联微型执行器整体框架图 第二种方案的优点恰好与第一种方案的两个缺点相反。首先，微操作的有效 工作空间相对较大，如图2 9 ( b ) 所示，此时微操作的有效工作空间就是主操 作指的工作空间：其次，由于移动微小物体时主操作指带着从操作指共同运 动，主从操作指尖的相对距离始终保持不变，使得两指之间的协调操作很容易 就能实现；此外，由于主操作指用来完成相对较大范围的移动，因而可以在第 一级3 _ p t t 机构中使用驱动行程较大的压电晶体，以增大微操作的有效工作空 间，而从操作指主要用来完成小范围内的精细操作，因而可以在第二级3 一p t t 机构中使用驱动行程较小，但位移分辨率更高的压电晶体。 2 5 小结 本章讨论了机构选型的指导性原则，介绍了常见形式的非常规柔性铰链运 动副，并在此基础上研究了将3 ：p t t 并联机构用作微操作机器人机构的优越 性，最后提出了基于3 一p t t 并联微动机构的微操作执行器方案，分析结果表明 该方案具有有效工作空间大、易实现协调操作等突出优点。 第3 章 3 一p 丁f 微执行器的工作空间研究 第3 章3 一p t t 微执行器的工作空间研究 3 1 引言 微执行器工作空间分析的目的是根据并联机构尺度参数和关节变量的运动 范围确定机构位姿作业空间的大小和形状，定量地评价末端执行器实现位姿的 能力，进而为作业任务的规划提供依据。工作空间的分析可借助于数值法和解 析法。其中，数值法主要有网格法、优化法和蒙特卡罗方法。网格法是在给定 动平台姿态条件下，通过离散关节空间，由位置正解模型逐点求解动平台位置。 类似地，蒙特卡罗法通过随机离散关节空问求解动平台位置，而后由统计规律 确定位置空间的边界。优化法则依据空间边界必为约束起作用边界的性质，通 过位置逆解搜索边界点集。上述方法亦适用于并联机构的姿态空间分析。数值 法具有适用性强的特点，但运算效率一般较低。相关的研究主要工作有c l e a r y ”“， m e r l e t 1 ，a g r a w a l 1 和y a n g 1 等。 在解析法研究方面，g o s s e l i n 发展了由j o 蛳1 提出的几何法，借助于线性 规划中超松弛变量的概念，根据给定姿态且主动关节变量达到极限时，动平台 参考点在假想单开链中的运动轨迹为一球面的几何性质，将求解位置空间边界 归结为1 2 张球面片求交问题。在进一步考虑被动铰链及支链干涉影响的基础上， m e r l e t ”7 1 也进行了类似的工作。最近，黄田和汪劲松“将并联机构拆解为若干假 想有源开式运动链，并利用单参数曲面族包络理论，将工作空间边界求解归结 为若干变心球面族的包络面求交问题。姿态空间分析的解析法则研究的较少， m e r e l t 【6 9 】曾提出一种求解s t e w a n 平台姿态空间的几何方法，但分析过程较为繁 复。针对并联机床五坐标加工作业的特点，黄田和汪劲松”提出最小可达章动 角的概念，并将单开链抽象为一类机架瞬时固定的双自由度空间零族四杆机构， 进而利用约束起作用时两相邻构件相对速度( 角速度) 在约束边界法向( 切向) 投影为零的性质，给出了机床姿态空间的解析求解方法。与数值法相比解析法 具有较高的精度和计算效率，但在作业空间分析过程中如何有效快速检验支链 间的干涉还有待于进一步研究。 北京工业大学工学硕士学位论文 本章对并联微执行器的工作空间进行分析。机器人的工作空间又分为可达 一1 二作空间和灵活工作空间。可达工作空间是操作器r l 某一参考点可以到达的所 有点的集合，这种工作空间不考虑操作器的操作姿态；灵活工作空间是指操作 器上某一参考点可以从任何方向到达的点的集合，灵活工作空间是可达工作空 间的一部分，又被称为一级子空间【7 “。机器人工作空间分析是衡量机器人性能 的一个重要指标，特别是对于以工作空间优化为目的的并联机构来说更是如此。 通过工作空间的分析，可以研究各个机构参数如何影响工作空间的大小及形状， 并在此基础上指导机构结构参数的最优化设计。 并联机构的工作空间分析在很大程度上依赖于机构位置解的结果。对于比 较简单的机构，如平面并联机构来说，可以用解析方法最终以曲面方程的形式 来描述其工作空间的边界1 2 3 】，而对一般形式的s t e w a n 空间并联机构来说，还没 有较满意的分析方法，目前最为常用的方法是数值搜索算法。f i c h t 盯研究6 自 由度并联机器人定姿态工作空间采用的方法是，固定6 个位姿参数中的3 个姿 势参数和一个位置参数，变化其它两个位置参数，这种方法的不足之处是只能 找出机构在某一姿态下的工作空间的截面形状。g o s s e l i n 则用圆弧相交法来确定 6 自由度并联机器人机构在姿态固定时的工作空间，并给出了工作空间形状的3 维图形表示，因为这种方法以搜索工作空间边界为目的，所以g o s s e l i n 圆弧相 交法的搜索效率要比f i c h t e r 方法高得多，并且使用g o s s e l i n 圆弧相交法还可以 直接计算出工作空间体积的大小。m a s o r y 等同时考虑到并联机器人机构各关节 转角约束、各连杆长度的约束和机构各杆件的运动干涉来确定工作空间，并通 过数值积分的方法计算出工作空间的体积大小。 以下内容主要讨论3 一p t t 并联微执行器机构的工作空间分析方法，同时借 助m a t l a b 数学工具软件的数据三维显示和图形表达功能，给出三维工作空间仿 真图。 3 2 并联微执行器工作空间的影响因素 32 1驱动杆最大伸长量的限制 第3 章 3 一p t t 微执行器的工作空间研究 图3 1 所示的3 一p t t 空间并联机构，其动、定平台分别是半径为r d 和r b 的圆盘，动平台通过虎克铰与各连杆相连，定平台与移动副相连，移动副另一 端通过虎克铰与各连杆相连。在动平台上建立动坐标系o p x p y p z ，( 记为 p ) ， 在定平台上建立定坐标系o b x b y b z b ( 记为 b ) ，其中动、定坐标系的原点0 。、 e z ” r ：y ” m = 一l 4 ，o ，1 ：l 4 ，一1 7 3 2 8 ，1