（机械制造及其自动化专业论文）教学型串—并混联装配机械手设计与开发.pdf

中文摘要本文结合职业教育教学改革需要，利用国家8 6 3 高新技术发展项目理论研究成果和国内专利，设计开发了低成本、教学型串一并混联装配机械手实验设备。文章首先提出教学实验的具体要求，并据此进行实验设备的总体方案设计，在此基础上，进行了实验设各的初步结构设计。然后采用标量法建立并联机构运动学正、逆解模型，得出机械手位移、速度标量表达式，为数控系统软件设计奠定基础。紧接着，根据可兼顾雅可比矩阵条件数全域均值和波动量间关系的全域综合性能指标，同时引入机构的传力性能、工作空间机构体积比、以及工程可行性等一系列约束条件，将尺度综合问题归结为一类有约束非线性规划问题。针对教学实验的实际需要，设计得到机构最优尺度参数。在此基础上，借助a n s y s有限元软件，分析动平台位于工作空间中典型位置时机构的刚度和固有频率。针对与并联机构运动平面正交方向机构刚度较差的情况，提出结构改进方案，并成功地应用于机械手实验装置的开发。最后，根据机构逆动力学模型，采用了奇异值分解原理确定伺服电机参数的新方法，建立了关节变量上界与单位操作变量间的映射关系，进而预估出伺服电机参数。关键词：机器人运动学分析尺度综合伺服电机a b s t r a c tt h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n to f1 0 wc o s te d u c a t i o n a 】s e r i a l p a r a l l e ls t r u c t u r e dr o b o t w h i c hi sr e f e rt ot h ew o r ko fn a t i o n a l “8 6 3 ”hj i g h - t e c hp r o j e c ta n dp a t e n tt om e e tt h en e e do ft h er e f o r m a t i o no ft h eo c c u p a t i o ne d u c a t i o n t h ef o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e nc o m p l e t e d f i r s t l yat e a c h i n ge x p e r i m e n tr e q u e s ti sp r e s e n t e d o nt h eb a s i so fw h i c ht h eo v e r a l lp r o j e e ti sd e s i g n e d s e c o n d l yt h em o d e lo f p a r a l l e lr o b o t sf o r w a r da n di n v e r s ek i n e m a t i c sh a v eb e e ns e tu pw i t ht h ea d o p t i o no fs c a l a rq u a n t i t y , w h i c hw i l ll a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fc n cs y s t e m t h et o p i co fd i m e n s i o n a ls y n t h e s i si sac l a s so fc o n s t r a i n e dn o n l i n e a rp r o g r a m m i n gp r o b l e m c o n s i d e r i n gt h er e l a t i o n s h i po fg l o b a la n dc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ei n d e xw h i c hh a sp a i da t t e n t i o nt ob o t ht h em e a nv a l u ea n dr a n g eo ft h ec o n d i t i o nn u m b e ro fj a c o b i a nm a t r i xi nt h et a s kw o r k s p a c ea n das e to fa p p r o p r i a t ec o n s t r a i n t sh a sb e e nc o n s i d e r e di nt e r m so ft h ef o r c et r a n s m i s s i o nb e h a v i o r t h ew o r k s p a c e m a c h i n ev o l u m er a t i o ，a n dt h ef e a s i b i l i t yi i lp r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o n t h es t o i ca n dd y n a m i c ss t i t t i t e s sa r ea n a l y z e dw h e nt h em o v i n gp l a t ei sa r b i t r a r i l ys e ti nd i f f e r e n tp o s i t i o n si nt h ew o r k i n gs p a c eb ym e a n so ft h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ea n s y s s i n c et h es t i f f n e s si nt h ed k e c f i o np e r p e n d i c u l a rt ot h ew o r k i n gp l a n ei sr a t h e rl o w e rt h a nt h eo t h e rt w oo r t h o g o n a ld i r e c t i o n s ，s o m em e t h o d sa r cp r e s e n t e dt oi m p r o v et h es t i f f n e s s t h e s em e t h o d sh a v e b e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ed e v e l o p m e n to f t h er o b o t f i n a l l yw i t ht h ea i do f t h ed y n a m i cm o d e lo ft h er o b o t ，a na p p r o a c ht oe s t i m a t et h es e r v em o t o rp a r a m e t e r si sa d o p t e du s i n gt h es i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n t b e h n l q u e t h er e l a t i o nf o rt h em a p p i n gf u n c t i o nb e t w e e nt h em a x i m u mv a l u eo f j o i n tv a r i a b l e sa n dt h eu n i to p e r a t i o nv a r i a b l e sh a sb e e nf o u n d e du p a n dt h es e r v em o t o rp a r a m e t e r sa r ee s t i m a t e d k e yw o r d s ：t e a c h i n ge x p e r i m e n t ，r o b o t ，k i n e m a t i ca n a l y s i s ，s e r v om o t o r独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得：鑫生盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：维莫签字日期：卯，年f 月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤洼蠡堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：效奠导师签名：骞f 至签字日期：p 咛，年f 月p 日签字日期：z 一5 年，月易r天津大学硕士学位论文第章绪论1 1 课题背景及意义第一章绪论高新技术产业的快速发展，对社会职业的种类和职业活动的内容产生了极大的影响，导致产业结构和职业结构的不断更新和变化，使传统的机械工业增加了新的内涵，传统的产品制造手段逐渐被新技术所取代。机械行业从依靠资源的利用、能源的消耗、资本的占有、设备的更新等硬件手段转为以机械技术、计算机技术、电气技术、信息和传感技术、人工智能相互融合的一种综合矬系统技术。由此可见，机电技术是在信息论、控制论和系统论基础上建立起来的应用技术。职业学校作为培养技术应用型人才的基地，必须以市场为导向，对现有的机电专业进行整改，我校为适应新技术的发展，考虑到机电专业教学改革的现实需求，提出设计开发与标志专业教学相适应机电技术应用实验及其装置。当前世界范围的新技术革命以信息化、知识化、分敖化为特征。具体到自动化制造领域，则是生产过程由阿u 性自动化发展为柔性自动化。机器人以其通用性强的优势，适应了新技术革命的需要。目前，机器人已经在轻工、医疗、军事、航空等行业得到广泛应用。机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，工程应用日益广泛的领域。目前，机器人已经广泛运用于各行各业的各个领域及社会的各角落，其中工业机器人在现代化工业国家正在得到越来越广泛的应用，各种工业机器人的商品样机不断进入市场这也同时形成了对机器人技术人员的大量需求，要求有更多掌握机器人技术的人员，能够正确操作和使用机器人。在这种情况下，模拟工业机器人系统来开发教学机器人实验系统就成为需要重视的领域，它作为机器人技术、计算机技术及机电一体化技术教育的教学工具，对人才培养和离新技术的推广应用有着重要的意义【jj 。目前许多院校己开设了机器人学方面的有关课程，也有许多单位和学校都自行研发了不同功能不同型号的教学型机器人，但是这些机器人相对价格偏高，功能、类型陈旧，控制系统开放性差，且大部分都是串联机构组成的。随着机器人技术的发展，并联机器人作为一项新兴技术正在各个领域发挥着越来越重要的作用，并联机构已在多足步行机、多指灵巧手、多机器人协同工作系统、飞行模拟器、空间站对接、射电望远镜、外科手术及微操作等方面都取得显著进展。注意天津大学硕士学位论文第一章绪论到并联发展的新动向，串一并混联构型更有助于全面向学生传授机器人技术。由串一并混联机构开发的教学型机器人的应用实例，迄今为止，在国内很少见到。为了满足机器人学方面的有关课程教学示范和实验教学的需求，我校决定与天津大学合作，利用天津大学完成的国家8 6 3 高新技术研究发展计划项目的理论成果和专利( 专利号：c n1 3 5 5 0 8 7 a ) ，开发具有国际先进水平、能够模拟实际生产功能的“教学型串一并混联装配机械手”实验系统及相应实验课程。在实际工程中常存在这样一些场合：需要在一平面内完成高速运动，而在与之正交方向做长( 短) 距步进或缓迸运动。如食品包装、分拣等，在这种情况下。采用由二自由度平动并联机构与纵向单自由度进给机构组成的混联构型显然比纯并联机构更为适宜。为此，天津大学黄田教授利用平行四边形的性质，提出了一种称之为d i a m o n d 的全铰接二平动自由度平面并联机构【2 3 】【4 】，如图1 1 所示，该机构包括机架、动平台和两个结构相同的支链，各支链含两个平行四边形。安动平台末端执行器图l d i a m o n d 并联机构装在机架上的伺服电机分别带动主动臂转动，进而可实现动平台的二自由度平动。由于该机构全部采用转动副，制造成本低；伺服电机安装在机架上，可将从动杆制成轻杆，运动质量小，易于实现高速运动。该机构可用于开发对轻小物料中、短距高速抓取操作的高速、轻型、低成本并联机械手。本文根据我校教学需要，将d i a m o n d 机构与一单自由度进给机构串接，构成三平动自由度混联机构，开发“轻型、低成本教学型串一并混联装配机械手”教学实验系统，完成该混联机械手的设计与开发。该设备集成了当代多项高新技术，能够展示现代工业机器人的一般特征，能够较好地演示现代工业机器人的典型应天津大学硕士学位论文第一章绪论用，能够在一定程度上满足机器人理论研究的需要，结构简单，操作、维护方便，采用开放式数控系统，便于二次开发，满足教学要求，同时制造成本不高。既能丰富我校机器人教学内容和设备，使机器人这门课程更加生动，又能增加我校机器人方面的技术储备，为进步提高我校机器人技术水平打下良好的基础。开发“教学型串一并混联装配机械手”目的是，再现工业机器人的作业过程，演示串联、并联、混联机器人的工作原理及结构特点、控制方法，熟悉编程过程，使学生了解当代新技术。在这个平台上可以完成机器人相关课程的实验和一些机电一体化方面课程的实验。利用它可以完成机构运动学分析、机器人轨迹控制、机器人语言编程，机械手运动过程仿真。利用一台实验设备，完成串联、并联、混联机器人教学，填补职业院校机器人相关学科教学实验的空白。1 2 工业机器人发展与应用机器人是人类在2 0 世纪的重要工业技术发明。它作为人类的新型生产工具已得到广泛的应用，并显示出极大的优越性。工业机器人 5 】是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就。随着科学技术的不断发展，工业机器人已成为柔性制造系统( f m s ) 、自动化工厂( f a ) 、计算机集成制造系统( c i m s )的重要组成部分。工业机器人的主要应用行业是机械、电子、塑胶、汽车及其零部件等各主要产业领域，全球的装机总量已经超过了8 0 万台。并且向食品、医疗、服务、教育、娱乐等非工业领域扩展。广泛应用工业机器人，不仅可提高产品的质量与数量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，对促进我国制造业的崛起，有着十分重要的意义。1 2 1 国外发展状况自1 9 6 2 年美国推出世界上第一台u n i m a t e 型和v e r s a t r a 型工业机器人以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。2 0 0 0 年全世界工业机器人的总数达到8 2 万台，比1 9 9 6 年增加2 4 。并正在以每年5 6 万台的速度增长。其中，日本拥有4 2 万台，占全世界机器人总数的5 0 左右，继续保持“机器人王国”地位。除日本外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快。例如，美国1 9 7 0 年至1 9 8 0 年间的机器人台数增加2 0倍以上。尽管美国拥有的机器人在数量上不如日本，但其技术水平较高，占有一定的优势。到1 9 9 8 年，美国拥有8 万多台机器人，德国为7 万多台；而日本、韩国和新加坡的机器人密度( 即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量) 屠天津大学硕士学位论文第一章绪论世界第l 至3 位，包揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰、南斯拉夫以及北美的加拿大等，机器人制造业及应用机器人的情况都有很大发展。1 2 2 我国发展状况我国的机器人制造和机器人系统应用起步较晚，自2 0 世纪8 0 年代初开始从国外引进和消化吸收工业机器人技术。但真正开始系统地对工业机器人研究和开发始于1 9 8 6 年的国家高技术研究发展计划，研究的目标是跟踪世界先进水乎，发展自己的机器人产业。经过五年对工业机器人基础技术、基础元器件、几类工业机器人整机及应用工程的开发研究与攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术( 包括机械手、控制系统、驱动转动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等) 的开发，研制出喷漆、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件的主要性能指标达到8 0 年代初国外同类产品的水平，并且形成小批量生产能力。进入2 0 世纪9 0 年代，在改革开放与市场经济的推动下，确定了以特种机器人和工业机器人及其应用工程并重、以应用带动机器人目标产品开发、以应用带动关键技术和应用基础研究、以应用带动系统集成技术和关键元器件突破的发展方针，努力推动科技成果转化，使机器人技术的发展成为高技术产业化的技术源头，直接为国民经济建设主战场服务。随着国民经济快速健康发展，特别是以信息化带动工业化进程的明显加快，机器人与自动化装备的研究开发、推广应用、产品化并产业化工作开始加速开展。目前，我国在机器人的研究已有了较快的发展，机器人技术及其应用问题得到广泛的重视，许多机器人已经在生产中投入使用。相信在不久的将来，我国的机器人研究和应用必将有更快的发展。1 3 并联机器人发展状况工业机器人按结构分为串联机器人和并联机器人两类，传统的工业机器人多为串联结构，其工作空间大，适用范围广，已在焊接、汽车装配等领域得到了应用。但是一般串联机器人的各关节分别由一个电机控制，惯性大、成本高，不适合轻型快速操作。为了解决这一生产问题，并联机器人问世了。1 9 7 8 年h u n t 教授提出了并联机构模型，它作为串联式机器人强有力的补充，扩大了整个机器人的应用范围，引起机器人学理论界和工程界的广泛关注，成为机器人研究的主要研究热点之一。天津大学硕士学位论文第一壹绪论国际上著名的学者w a r l d r o n r o t h ，g o s s e l i n ，f c n t o n ，m e r l e t 等人分别对并联机器人理论进行了鞍系统的研究，使并联机器人理论有了快速的发展，并且在许多方面得到了应用。目前，并联机构已在飞行模拟器、空间站对接、射电望远镜、强力承载装置、智能手爪、外科手术、数控机床和机器人，以及微操作等方面得到深入研究和应用。在高速物流传输方面，具有代表性的当属c l a v c l 博士于1 9 8 5 年发明的d e l t a机构【6 1 1 7 8 】【9 】( 图1 - 2 ) 。由这种机构原理设计的机械手采用外转动副驱动和平行四边形支链结构，可实现末端执行器的高速3 维平动，同时还在动静平台间设置有两端带有虎克铰链的可伸缩转轴以实现末端执行器的单自由度转动，故又被称作d e l t a 一4 机构。因该机械手的驱动电机全部被安装在基座上，运动构件的质量很小，故末端执行器可实现极高的运动速度( 1 0 m s ) 和加速度( 3 0 0 m t j 。) 。它在3 0 c m 距离范围内搬运重1 0 克的物体的运动周期仅为0 1 5 秒。充分体现了并联机器人的优点。随后，c l a v e l 又将外转动副改为移动副，并提出三种d o r a 机构的变异形式口o j ，以适于对不同工作空间的要求。图1 - 2c l a v e l 发明的d e l t ad l 构1 9 8 7 年，瑞士d c m a u r e x 公司首先购买了d e l t a 机构的专利并将其产业化，先后开发了p a c k p l a c e r 、l i n e p l a c e r 、t o p - p l a c e r 和p r e s t o 等机械手系列产品【1 ”。该公司迄今已销售出5 0 0 多台产品，主要用于巧克力、饼干、面包等多种食品包装( 图1 3 ) 。受d e l t a 机构的启发，一些学者研究、发明了各具特色的d e l t a 机构变异型盼2 ”。1 9 9 9 年，国际著名机器人制造商a b b t 2 ”公司推出了i r b3 4 0 f l e x p i c k e r d e l t a机械手( 图1 4 ) ，并配置了计算机视觉系统，用于食品、医药和电子行业。据称，该机械手末端运动速度可达( 1 0 r e sj ，加速度可达r l o o m s2j ，每分钟可完成天津大学硕士学位论文第一章绪论1 5 0 次抓取操作。p i e r r o t 在d e l t a 机构基础上提出称为h e x a l z t j 2 8 1 2 9 】i 的6 自由图1 - 3d e m a u r e xd e l t a 机器人构成的饼干包装线度机械手，图( 1 - 5 ) 。其在5 0 0 m m 范围内的点点移动速度可达1 2 0 r e r a i n ，加速度可达3 5 9 ，定位精度可达1 6 a n ，可快速完成工件插装等操作。图1 - 4i r b3 4 0f l e x p i c k e r 机械手图1 - 5h e x a 六自由度机械手我国近两年从事这方面研究的高校与科研单位有中科院沈阳自动化研究所、北京航空航天大学、燕山大学、哈尔滨工业大学、清华大学及天津大学等。燕山大学，哈尔宾工业大学等先后研制了多台样机 3 0 】天津大学和清华大学联合研制了用于机械加工的并联机器人，即虚轴机床【3 l 】1 3 2 】【3 3 】。许多国际上重要的机器人杂志和学术组织先后推出了并联机器人的专集并召开了专题讨论会。这标志着对并联机器人理论技术的研究正呈迅猛发展的态势。天津大学硕士学位论文第一章绪论与串机器人操作机相比，并联机构因采用闭环结构，故具有刚度大、精度高、承载能力强、自重负荷比小、响应快等优点因此并联构型的操作机，被认为是能够适应2 1 世纪灵活多变生产环境的新代高速、商柔性、高经济性的技术装备之一。应当指出，多自由度并联机构也存在一些不足之处，主要表现在以下几方面。( 1 ) 动平台在运动过程中，其转动与平动彼此耦合，不仅给运动控制带来困难，而且造成在一定姿态下所能达到的空问范围相对较小。( 2 ) 并联机器人操作机的末端执行件远不如串联式手部来得灵活。( 3 ) 机械没计复杂。由此可见，串联构型与并联构型优缺点互补，但因应用场合不同，机器人操作机所需运动性能不同，故串联机器人与并联机器人在应用上并非彼此替代，而是互相补充的关系，它们有各自的应用领域。目前许多学者正致力于将这两种机构结合起来，组成串并混联机构。此结构集串联与并联两种构型之优点于一身。不仅刚度大、精度高，响应快，而且工作空间大。最突出的一个特点是组合形式灵活，有很强的可重组性，这极大降低了制造系统的成本，进而促进并联机器人进入实用化的普及阶段。所以混联机构是今后机器人领域的发展方向。1 4 教学机器人发展状况随着科技的进步，工业机器人在自动化生产中的应用来越广泛，为培养机器人方面的人才，我国各大中专院校纷纷开设了机器人方面的课程，“机器人技术”已成为机械类及工业自动化类专业的主干专业课程。但目前工业机器人实用样结构复杂，机价格昂贵，难以在教学中普及，许多学生学完了机器人课程却连机器人是什么样子都不知道。于是，一种模拟工业机器人系统面向教学研究的教学机器人诞生了。教学机器人是专门为大中专院校、职业技术学校的机器人教学实验目的设计的机器人。它是在工业机器人功能要求的基础上，针对教学目的进行专门设计，强化了人机交流功能和可视性。这种机器人可以通过工业标准的i s a 、p c i 接口与p c 、工控机通讯，共同组成复杂的加工装配控制系统，也可以自成体系，通过控制器或示教盒接受指令，独立完成各种动作的编程和调试运行，精确定位到三维( 或二维) 空间上的某一点进行作业。在在机器人运动学、动力学研究、机械原理、机械设计直观教学、机电设备控制原理和控制方法研究、模拟工厂实际设备运行等方面有着广泛应用【3 4 】f 3 6 】。天津大学顼士学位论文第一章绪论近年来，国内许多高校都自行开发了不同型号的教学型机器人，并己投入使用。如北京科技大学机械工程学院研制的工业机器人教学实验工作站；华北电力大学机械系研制的教学工业机器人位置伺服控制系统；苏州大学工学院开发的关节式教学机器人的p c 机控制系统；东北大学研发的可重组教学机器人以及西安交通大学、南京工业大学、天津理工学院、燕山大学、北京工业大学、北京科技大学、北京交通大学等开发不同功能和结构的教学机器人。除此以外，许多科研单位、企业与高校联合开发教学机器人3 7 】f 3 8 】f 3 9 】。图1 - 6 为哈尔滨工业大学博实公司研发的六自由度教学机器人，图1 7 为上鑫科教实业公司与上海交通大学机器人研究所针对大专院校器人课程教学实图1 - 6 六自由度教学机器人图l 7e r o b o t s e l验的特点合作研制的一种普及型机器人。它采用了5 个自由度的垂直关节型设计，步进电机驱动，上位计算机示教编程，同时，设计者结合了多年在工业机器人研究，开发及应用经验，使其在编程操作上相似于工业机器人的风格，在二次开发上，比一般的工业机器人更具开放性。图1 - 8 为北京理工大学机器人研究中尉】8 七自由度“犀牛”机器人图1 - 96 自由度机器人天津大学硕士学位论文第一章绪论心开发的串联七自由度教学机器人。图1 - 9 为北京机械工业自动化研究所自行研制开发的6 自由度串联教学机器人。该研究所在工业机器人与智能机器人基础上，结合工科院校专业教学重点，自行研制开发与代理国外各种教学机器人。通过模拟自动化生产工艺流程，使学习者达到熟悉机器人自动化生产及控制过程，从而全面提高专业设计水平生产实践能力。图1 1 0 为固高科技有限公司为满足普通高等院校和职业高等院校机电一体化、制造自动化和自动控制等专业进行工业机器人应用、培训和相关机电及控制类基础课程教学的实验需要，而设计开发的拥有两自由度平面机械手( r r ) 、四自由度直角坐标机械手( p p p r ) 和s c a r a机器人( r r p r ) 。图1 1 1 是该公司为进行冗余并联机器人研究而专门设计开发的b p 机械手s c a r a 机械手直角坐标机械手图1 1 0 固高公司设计开发的机械手新型实验研究系统。目前武汉理工大学、浙江大学、国防科技大学等高校都购买了此款并联机器人用于教学与科研。图1 1 2 为哈尔滨科利达智能控制技术有限公司开发的k l n 4 0 0 四自由度( s c a r a 型) 教学机器人和k l d - - 6 0 0 六自由度关节式教学机器人。除教学和培y l l # fk l 汕0 0 还可用于弧焊作业、细小零件的搬运和电子元件的装配等作业。图1 一l l 并联机器人四自由度教学机器六自由度教学机器人图1 - 1 2 教学机器人中国要发展机器人事业，提高机器人研制能力和应用水平，需要一大批懂得多学科知识的专门人才，特别是要不断学习与应用最新科研成果。目前，还没有天津大学硕士学位论文第一章绪论用于教学的串一并混联教学机器人，因此，北京仪器仪表工业学校与天津大学合作，开发混联教学机器人实验装置及控制系统。利用此机器人，使学生更直观地了解串联机构、并联机构及混联机构的结构、特点、工作原理、运动规律、功能、机器人语言编程及运动仿真，即可用于教学又可用于科研，它作为机器人技术、计算机技术及机电一体化技术教育的教学工具，对人才培养和高新技术的推广应用有着重要的意义。1 5 本文主要研究内容本文利用获得国家专利的全铰接并联机构d i a m o n d 机构，开发轻型、低成本“教学型串并混联装配机械手”教学实验装置。论文主要内容如下：第一章阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域研究概况，并提出主要研究内容。第二章提出机械手相应的教学实验方案，进行“教学型串并混联装配机械手”总体方案设计及结构设计。第三章完成并联机构的运动学分析，采用标量法建立机构的位置正解、逆解模型，进行机械手的奇异位形分析。第四章研究全参数尺度综合方法，实现了并联机构尺度的最优综合。在此基础上，利用a n s y s 有限元软件，进行机构优化设计。第五章利用机构动力学逆解模型，预估伺服电机参数，为教学型串并混联装配机械手的伺服电机选取和控制系统设计提供必要的参数。第六章给出全文结论和今后工作展望。本文主要研究内容天津大学硕士学位论文第二章总体方案设计2 1 机构选择第二章总体方案设计在设计机器人机构时，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。本文所开发的机器人应能演示并联、串联、混联的运动特性，因此，决定设计串一并混联机构。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，因此本机械手采用少自由度混联机构。为提高机构刚度，采用伺服电机驱动，若驱动器质量较大时，将其安装在定平台上，以使得所设计的机构有较好的动态性能。此外，其它因素如运动学分析的难易程度、加工复杂程度和制造成本等也是在机构选型时必须加以慎重考虑的【柏】。本实验装置主要用于教学，采用少自由度串并混联机构，体现了当今机器人的发展方向，而且混联机构刚度大、精度高，响应快，工作空间大，有很强的可重组性，极大降低了制造系统的成本。为此选用d i a m o n d 并联机构与一丝杠串接起来，作为实验装置的机构部分。如图2 - 1 所示。图2 l 基于d i a m o n d 机构的二自由度混联机械手天津大学硕士学位论文第二章总体方案设计2 2d i a m o n d 机构简介如图2 - 2 ( a ) 所示，d i a m o n d 机构由两条运动支链和动平台组成，各支链包含两个平行四边形结构，分别由机架、主动臂、连架从动臂、支架；内从动臂、外从动臂、支架、动平台组成。各运动构件之间采用纯转动铰链连接。主动臂带动从动臂运动，从而实现动平台的2 自由度平动。从图2 2 ( b ) 中可看出，去除任一条支链中的连架从动臂和外从动臂后都不会影响机构自由度。引入消极约束目的是；1 使机构的静动态力学特性具有对称性；2 有效地减小或消除铰链间隙；3 避免因其中一组平行四边形接近奇异位置所引起的奇异位形，从而有利于保证机构的刚度和精度特性。动平台末端执行器( a )支图2 - 2 二平动自由度并联机械手设计方案2 3 总体方案设计根据教学实验需要，希望有串联、并联和混联运动，所设计开发的实验系统具备以下功能：利用机械手完成谚1 5 轴与孔的装配，装配形式有：按行装配，按列装配及随机装配。1 机械手沿x 轴移动、沿y 轴移动、沿z 轴移动及任意位置移动。2 机械手单臂转动。3 。利用工控机屏幕进行机械手的动态演示：天滓大学硕士学位论文第二章总体方案设计4 利用机器人语言编程操作机械手；5 机械手运动轨迹可改变。根据以上要求，设计装配机械手教学实验系统方案如图2 3 所示。该方案采用混联构型，主要由串一并混联机械手、轴、托盘( 左侧为储料区，右侧为装配区) 、电器柜、气动回路、工控机构成。轴以阵列形式摆放在正方形的托盘左侧储料区内，右边装配区为待装入轴的孔，托盘固定在工作台上。采用基于d i a m o n d机构的三自由度混联机械手完成孔轴装配操作。按行装配方式，即机械手将每行轴按顺序逐个装入对应孔中，一行装完后，由纵向进给装置将该d i a m o n d 机构整体前移一个行距，装下一行轴。此种装配方式，实现了d i a m o n d 机构两自由度平动。按列装配方式，即机械手将每列轴按顺序逐个装入对应孔中，一列装完后，纵向进给装置与d i a m o n d 机构三轴联动，将机械手移至下一个列，装下一列轴。此种装配方式，实现了机械手三自由度平动( 三轴联动) 。随机装配方式，即机械手可将轴装到任意一个空孔上，实现了三轴联动。依照图2 3 所示布局，综合考虑轴的外形尺寸、托盘，以及便于操作和学生观察等园素，制定机械手的工作空间为宽x 高x 长= 5 5 0 1 5 0 4 5 0 r n r n ，并将其固定在机架上，为使机架具有一定的刚度，本设计选材料为方钢焊接而成。底图2 - 3 装配机械手外观图下四角位置有四个减振垫铁，用以减小机械手工作时产生的震动与噪音。电路板、开关电源、电源线及控制线均布置在电器柜内。工控机放在电器柜有开关电源一侧，便于出现意外情况进行控制。2 4 结构设计图2 一l 为利用d i a m o n d 机构 发的3 自由度混联机械手三维实体造型。由图天津大学硕士学位论文j 第二章总体方案设计可见，该机械手的结构是基于以下工程实际考虑，与图2 - 2 有所不同：1 每条支链中采用两根平行布置的内从动臂，以通过增大抗弯截面模量来增强垂直于机构运动平面的刚度。2 在连架从动臂和外从动臂两端，以及内从动臂与动平台连接端采用小倾角球铰链替代转动铰链，以减少因部件制造误差引起的装配误差。装配完毕后，可通过在两根平行布置的内从动臂间设置加强筋使它们形成一个整体，以有效地增强垂直于机构运动平面的刚度。3 在与机构运动平面垂直的方向串接一进给机构，构成3 自由度混联机械手。该进给机构为图中所示的伺服电机+ 滚珠丝杠传动。1 机构基本参数为了能清楚地观察机构运动，根据实验室的空间及参加实验的学生人数、实验要求的机构运动精度等要求，确定机构的基本参数工作空间宽度：5 5 0 r a m 。工作空间高度：1 5 0 r a m 。工作空间中心高度：1 5 0 m m 。工作空间长度：4 5 0 r a m 。机械手自由度：3 。x 向定位精度：o 1 m m 。x 向重复定位定位精度：o t m m 。y 向定位精度：0 1 m m 。y 向重复定位定位精度：o 1 m m 。z 向定位精度：0 1 m m 。z 向重复定位精度：0 1 m m 。2 机构结构设计根据上述实验要求，采用经验类比法进行零件设计。1 ) 作为传动的主要杆件，主动臂较粗，为减小转动惯量的影响，将主动臂设计成中空结构外径( j 3 6 m m ，内径q k 2 4 m m 。由于要与电机相连，将主动臂的接头设计成法兰盘。2 ) 内、外从动臂和连架从动臂采用q 6 8 m m 冷拔钢，以保证机构的刚度。两端部分分别采用m 8 x 1 2 5 左旋和m 8 x 1 2 5 右旋。3 ) d i a m o n d 机构安装并固定在静平台上，电机也同时固定在静平台上。结构如图2 - 1 。4 ) 动平台将两边对称的从动臂连在一起，动平台的长1 1 4 r a m ，宽1 0 0 r a m ，天津太瀑硬= b 学位论文，篇= 章总体方案设计高3 8 r a m 中间的矩形孔安装气动手爪。5 ) 根据轴的形状和尺寸配备带有v 形槽的气动手爪：6 ) 纵向进给机构采用伺服电机带动滚珠丝杠驱动。丝杠的支撑方式为一端固定，一端简支。在丝杠两侧安置两个光杠用于卸荷和导向，考虑到要减轻质量，将光杠设计成中空型，其外径为妒4 0 m m ，内径为2 8 m m 。7 ) 为减轻重量，各运动部件均采用铝合金材料制成。8 ) 为了把整个机构装入机架中，且便于学生观察、实验，将机架设计成：长1 1 7 3 m m ，宽1 1 0 0 m m ，高1 8 5 0 r a m 。2 5 小结本章结合教学实验要求，对三自由度混联机械手进行总体设计，完成了如下工作1 针对教学实验的需求，给出基于d i a m o n d 机构的三自由度混联机械手实验设备的总体方案及相关实验方案。2 完成了实验设备的初步结构设计。天津大学硕士学位论文第三章并联机构运动学分析第三章并联机构运动学分析并联机构运动学分析就是求解机构输入与输出之间的位置关系，也是机构速度分析、加速度分析、动力分析、误差分析的基础。本文开发的实验装置虽为串一并混联机构，但并联机构是关键，所以要进行运动学分析。机构运动学分析一般分为正运动学问题和逆运动学问题。正运动学问题是已知机构主动件的位置，求解机构输出件的位置和姿态；若已知输出件的位置和姿态，求解机构输入件的位置则为机构的逆运动学问题。用解析法进行运动学分析，以往都是采用矢量式建立模型和推导，但控制系统编程输入的参数一般为标量，为便于机械手数控系统编程，本文采用标量法建立机构运动学模型。3 1 位置逆解模型在控制机械手运动时，需要将给定的动平台位嚣和速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现动平台的期望运动，为此需要建立并联机构的位置逆解模型f 4 1 1 4 2 1 。位置逆解分析涉及已知机构尺度参数和动平台位置，确定主动臂转角q - 、q z ，其目的之一是为机构的伺服控制系统提供输入参数，同时，位置逆解分析也是速度、加速度逆解分析的基础。由于图2 1 中主动臂与连架从动臂平行且等长，内、外从动臂平行且等长，d ( z ，)图3 - 1 机构运动简图一1 6 天潦去学须士学位黻第重誊! 并联机构运动学分柝故在运动学分析时可将原系统简化为如图3 1 所示的2 自由度5 杆铰接机构。在0 一砂坐标系中，b i 点的坐标为( p + c o s o t l ，s i n 0 1 1 ) ，0 的坐标为( x , y ) ，b 2 点的坐标为( 一p + ，。s 鼠：，。s i n o 。2 ) ，则从动臂乞的长度为：1 2 = 4 ( e + 1 1 c o s o l l - x ) 2 + r s i n 0 1 l y j 2其中r p + c o s 0 1 l x ，2 = r s i n o t l y j 2 = 2s i n 2 已i 一互以s i n 0 1 l + _ y 2式( 3 1 ) 展开后得：( 3 一i )2 + p 2 + 工2 + c o s 0 t l ( 2 e l a 一2 x 1 1 ) 一2 e x 一2 “s i n 0 1 l + y 2 一f 2 2 = 0( 3 - 2 )设：4 = - 2 l l y则式( 3 - 2 ) 可写成解出同理，可解出3 2 位置正解模型b 1 = _ 2 厶似一p jc i = 工2 + y 2 + e 2 + 2 一，2 2 2 e x4j 胁q l + 置c o s o l l + q = 0( 3 3 )忙2 口枷。兰当箬垡( 3 4 )“c 1 一旦、蜘z n 生孕p s ，机构的位置正解是已知两主动臂转角日。、岛：，求解点0 的坐标。机构中的长度为：= 扛再瓦萧f 可i 五丽万( 3 - 6 )由于厶与t 长度相等，将式( 3 1 ) 和( 3 5 ) 取平方后相减，得：天津灾学硬出尊岱酝定第耍霉并联机构运动学分析( p + 1 1 c o s o l l 一j ) 2 十( s i n # 1 l - y ) 2 = ( 口+ ，lc o s r l 2 一力2 + “js i n o l 2 - y ) 2( 3 - 7 )展开后南( 2 e + l , ( c o s 0 1 】一c o s o l 2 ) ) x + l j ( s i n o j l 一s i n o , 2 ) y 一幽( c o s q l + c o s o l 2 ) = o ( 3 8 )式中设：则式( 3 8 ) 为：c = ( 2 e + 1 1 ( c o s o l l c o s 0 1 2 ) )d = l i ( s i n 0 1 1 s i a 0 1 2 )e = e l l ( c o s o i i + c o s o j 2 )e + c xy 。一了代入式( 3 8 ) 后，得到关于x 的一元二次方程式中：由此解出：凡2 + 2 g l x + 日l = 0心号q = z 侈一佃s ”i 。c s i n 0 1 。)嘎= 等+ f 1 2 嗡( 吾s 血q i + e g o s q ，)一g l 一0 g ：一f h lz = 一f之后，即可由式( 3 _ 8 ) 确定点的y 坐标。18( 3 9 )覆津来爨黜学位论苠潇e 筠氟：并联机构运动学分析3 3 速度逆解模型对式( 3 4 ) 、( 3 5 ) 求导，得( x g c o s o l l ) v ，+ ( y 一，ls i n 0 1 1 ) v y吐 = 一l , y c o s 0 1 l o a ) s i n 0 1 1 r 3 1 0 )( x + a 一c o s 0 1 2 ) v ，+ ( y z ls i n b 2 ) v ，& j = 。一2“y c o s q 2 一o + a ) s i n o l 2 】f 3 1 1 )3 4 奇异位形分析奇异位形是机构固有性质，它对机构的工作性能有很大影响。机构的奇异位形可通过机构的j o b i a r l 矩阵行列式等于0 求出【4 3 】。因此，需用矢量法进行分析。由文献 “1 得v = 0 1 f q 计t + z 2 0 2 j q m( 3 - 1 2 )式中，v 为点0 的速度，鼋，和幺i 为支链i 中主动臂和从动臂的角速度q 为反对称单位阵，q = j ；二1 lh 。表示支连i 中主动臂单位矢量，嵋表示支连i 中从动臂单位矢量，将上式两端前乘，j ，由于坩j 立i ，。= 0 ，有写成矩阵形式为式中，为速度雅可比，爿：h 。w 2 】r 昭去口1 = 西= b 。1 a v( 3 1 3 )( 3 - 1 4 )琵津隶骥蕊出掌位论囊第蠢枣并联机构运动学分析矗：一瓯10威= 他。反：) t同理，将式( 3 1 2 ) 两端同前乘h j ，得二材；l p气2 一。1 2 w j q u , ，f = 1 ，2( 3 1 5 )由式( 3 1 4 ) 和图3 - 2 可见：1 当m w ，则d e t ( 一) = 0 ，出现第一类奇异位形，此时机构出现一个不可控自由度；2 当某一支链或两支链同时出现毗u 。时，则d 酣( 鳓= 0 ，机构出现第二类奇异位形，此时机构沿某一方向刚化。显然，这两类奇异位形与机构的尺度参数有关。3 5 小结图3 - 2 机构奇异位形本章针对教学实验装置中的并联机构，进行运动学分析，完成如下工作。1 采用标量法进行机构运动学分析，建立d i a m o n d 机构的运动学模型，方便数控系统编程。2 结合教学实验要求，对d i a m o n d 并联机构的奇异位形进行分析。1jo 跳嵋天津太考硕士喾位论文第蹲章并联机构晨度综合第四章并联机构尺度综合尺度综合是并联操作机运动学设计的核心内容与理论基础。其任务是以实现预先给定的工作空间并确保操作机在工作空间内趋于各向同性，操作性能最优为目标，确定机构尺度参数。同时需要兼顾考虑操作机结构可实现性、末