新型线驱动超冗余自由度机器人的设计及分析

第 4期 2 O l 3年 4月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g n Ma nu f a c t u r e 53 新型线驱动超 冗余 自由度机 器人 的设计及分析 高芳 赵强 李瑰贤 1 哈尔滨工业大学 机电工程学院 黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 0 1 2 东 北林业大学 交通学院 黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 4 0 摘要 超冗余自由度机器人采用远程线驱动方式与电机置于关节处 内 的直接驱动方式相比具有成本低 体积小等优 点 提 出一种新的远程线驱动结构方案 其特点是拮抗线对末端连接点位于关节 虎克铰 转轴 的延长线上 拮抗 线对 的 伸缩量近似相等 基于此特点 提 出了采用单个电机驱动的设计方案 这样可使所需电机数减半 降低机器人成本 详细 给出了结构方案 线绳伸缩量公式 并通过多组结构参数进行了验证设计方案的可行性 关键词 超冗余 自由度机器 人 线驱动 拮抗线对 运动分析 中图分类号 T H1 6 T P 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 4 0 0 5 3 0 3 De s i g n a n d An a l y s i s o f Ne w St r i n g Dr i v e n Hy p e r Re d u n d a n t DOF Ro b o t G AO F a n g Z H A O Q i a n g L I G u i x i a n 1 M e c h t r o n i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o l Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y H e i l o n g j i a n g H a r b i n 1 5 0 0 0 1 C h i n a 2 T r a ffic S c h o o l N o r t h e a s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y He i l o n g j i a n g Ha r b i n 1 5 0 0 4 0 C h i n a Ab s t r a c t T h e r e m o t e s t r i n g d r i v e n t y p e o ft h e h y p e r r e d u n d a n t D O F r o b o t h a s t h e a d v ant a g e s ofl o w c o s t and s m a l l v o l u m e c o m p a r e d w i t h t h e d i r e c t d r i v e n t y p e w i t h m o t o r s p l a c e d n e ar o r i n s e r t e d i n t h e j o i n t s I t p u t s f o r w a r d a n e w r e m o t e s t r t n g d r i v e n h y p e r r e d u n d a n t D O F r o b o t s t r u c t u r e s c h e m e w h i c h h as t h e u n i q u e f e a t u r e t h a t t h e ant a g o n i s t i c s t r i n g p r e n d c o n n e c t i o n p o i n t s are a l l l o c a t e d i n t h e e x t e n s i o n l i n e of t h e r o t at i n g j o i n t H o o k e j o i n t o x i s S o t h e s t r e t c h i n g a n d c o n t r a c t i n g d i s p l a c e m e n t s of t h e t w o a n t ago n i s t i c s t r i n g s a r e a p p r o x i m ate l y e q u a 1 T h e r e f o r e t h e s e t w o s t r i n g s c a n b e c o n n e c t e d at t h e i r d r i v e n e n d s a n d d r i v e n b y s i n g l e mo t o r S o t h e n u m b e r of d r i v i n g mo t o r s c a n b e r e d u c e d b y 5 0 w h i c h c m r e d u c e t h e r o b o t c o s t h p r e s e n t e d i n d e t l t h e s t r u c t u r e s c h e m e and t h e e q u ati o n of s t r i n g s t r e t c h i n g and c o n t r a c t i n g d i s p l a c e me n t w h i c h i s v a l i d a t e d b y s e l e c t i n g d if f e r e n t l i n k p a r a m e t e r s Ke y W o r d s Hy p e r Re d u n d a n t DOFRo b o t S t r i n gDr i v e nTy p e An t a g o n i s t i cS t r i n g s Pa i r M o t i o nAn a l y s i s 1引言 超冗余 自由度机器人是为解决传统串联机器人灵活性较差 的问题而提出的 它通过大量地增加冗余关节数量使关节空间维 数远大于任务空间维数 冗余关节的引人使机器人在实现期望的 末端位姿的同时 具有更高的灵活性 这种机器人特别适合用 作 1 非结构环境下的灵活操作器 大量的冗余关节可使机器人 灵活变形以适应非结构化的狭小空间环境 并具备超强的避障能 力 这可使它适宜用作特种机器人 例如超冗余 自由度机器人可 以作为地震灾后穿过碎石瓦砾来寻救幸存者的救生机器人 核反 应堆检查机器人等 2 抓取非规则物体的机械手 即采用全臂 包卷方式来抓取较大尺寸以及不规则的物体 因此可以把超冗余 自由度机器人安装在自主型机器人车辆或移动机器人上 作为排 爆机器人以及交通运输等领域的服务机器人 目 前研究的超冗余A由度机器人多采用电机直接驱动 即直 接把电机放在转动关节处或者内置在关节中直接驱动转动关节 转动 这种方式需要体积小 重量轻的微小型电机 其优点是定位 精度高 但是制造成本较高 而且电机驱动的关节一般都是单 自 由度转动关节 实现多自由度关节的驱动很困难 通常会使关节 结构变得更复杂 采用远程线驱动方式是解决上述问题的一个有 效途径 但是远程驱动方案一般要求机器人每一个连杆都需要两 对拮抗线 而每一对拮抗线中每根线又需要一个电机单独驱动 当机器人连杆较多 冗余 自由度较多 时需要较多的线绳和驱动 电机 而且都集中在机器人首端 这是驱动装置布置困难且运动 规划困难 9 1 提出一种新型超冗余自由度机器人的结构方案 其特 点是每对拮抗线的伸缩量近似相等 因此实现采用单个电机驱动 一 对拈抗线 具体分析拮抗线对的伸缩量 并给出不同结构参数 下拮抗线对伸缩之差值说明此方案的可行l生 2结构设计 线驱动超冗余机器人的结构方案 如图 1 所示 图中 1 3 5 7 8 为连杆 其中 1 为末端连杆 8为首端连杆 3 5 7为中间连 杆 2为虎克铰 9为驱动装置 整个机器人由 5 个连杆串联而成 连杆之间采用胡克铰连接 每个连杆由电机驱动绞盘带动线绳远 程驱动 能够相对于其前一级连杆作绕X Y两轴的独立转动 连 杆数目可根据需要增加 整个机器人具有远多于 6个的超冗余自 来稿 日期 2 0 1 2 0 6 1 5 基金项 目 黑龙江省 自然科学 基金项 目资助 E 2 0 1 0 1 3 作者简介 高芳 1 9 7 3 一 女 助理研究员 在站博士后 主要研究方向 计算机仿真 群体智能算法及多目 标优化问题研究 赵强 1 9 7 1 一 男 教授 博士生导师 主要研究方向 机器人技术 车辆动力学与控制 No 4 A p r 2 0 1 3 机 械 设 计 与制 造 5 5 末端连接起来 缠绕在独立的步进电机所驱动的滑轮上 两个拮 抗线从滑轮的两侧引出 当步进电机带动滑轮正转时 一侧的拮 抗线收缩 同时另一侧的拮抗线伸长 带动所驱动的连杆正方向 转动 当步进电机带动滑轮反转时 一侧的拮抗线伸长 同时另一 侧的拈抗线收缩 带动所驱动的连杆反方向转动 3拮抗线对伸缩量分析 下面说明拈抗线对的伸长量和收缩量近似相等的关系 如 图6所示 图 6中F G为上一级连杆 E F为相邻的下一级连杆 F 为连接连杆 F G和 E F的胡克铰的中心点 D和 C为连杆 F G上 的两个环耳 A和 曰为连杆 E F上对应的管孔 AD和 B C为一对 拮抗线 用于驱动连杆 F G相对连杆 E F转动 在初始位置时 D 和 B C长度相等且都为初始长度 因此 D C处于水平方向 然后拉 动 B C线收缩 A D线伸长 带动连杆 F G绕通过 F点的胡克铰中 的一根轴 垂直纸面方向 转过 0角到达 F C 位置 图 6拮抗线绳 伸缩示意图 Fi g 6 Di a g r a m o f An t a g o n i s t i c S t r i n g s S t r e t c h i n g a nd Re t r a c t i o n 设机构尺寸为 l D c l l A B l d I D F I I c F I A E J J 日 E l I A D I l 肼 I I B C I 则A D线绳的伸长量为 r i A t I A D I A D I a r 1 一 c o s 0 4 h d s i n 0 2 一 h J B C线绳的收缩量为 z l B c l I c J 一 V 1 c o s 0 4 h d s i n O 2 2 伸长量和收缩量的差为 A A 一 A 2 具体表达式为 r V 1 c o s 0 4 h d s i n 0 2 r i 一 1 c o s 0 4 h d s i n 0 2 一 2 h 3 根据公式 3 可以计算出在不同方案下连杆转角 0 1 0 3 0 4 5 时 拮抗线对的伸长量和收缩量的差值 如表 1 表 3所示 各表都给出了不同方案下 d和 h 取不同尺寸值 的 值 表中各 数值的单位均为c m 表 1 9 1 0 时拮抗线对的伸缩量之差 Ta b 1 S t r e t c h i n g a n d Re t r a c t i o n Di ff e r e n c e o f An t a g o n i s t i c St r i n g s u n d e r 0 1 0 表 2 0 3 0 时拮抗线对的伸缩量之差 Ta b 2 S t r e t c h i n g an d Re t r a c t i o n Di ff e r en c e o f An t ag o n i s t i c S t r i n g s u n d e r 0 3 0 表 3 0 4 5 时拮抗线对的伸缩量之差 Ta b 3 St r e t c h i n g a n d Re t r a c t io n Diff e r e n c e o f An t a g o n is t ic St r i n g s u n d e r 0 4 5 由表中 1 一 3 数据可知 在 d 取 4 8 1 0 1 2 c m h 取 1 5 2 0 3 0 c m的情况下 所有拮抗线对的伸缩量的差值最大为 ma x A 0 2 2 c m 可见差值很小 并且最大值 0 2 2 c m出现 h 1 5 c m d 1 2 c m 0 4 5 时 这组参数较大 实际中采用参数要小于此参数 在 可认为伸缩量近似相等 因此可把拮抗线对的下端连接起来 缠 绕在同一滑轮上 上述差值可以由绳的弹性 自动补偿 因此采斤 J 单个步进电机驱动此滑轮就能实现连杆的单轴转动 4结论 提出了一种新型的线驱动超冗余 自由度机器人的结构方 案 由于其具有拮抗线对的端点位于虎克铰转轴延长线上的结构 特征 拈抗线对的伸缩量近似相等 通过对单级连杆的几何分析 可以得出即使在 4 5 较大转角情况下且拈抗线端点距离为 1 2 c m 时 伸缩量差值才达到 2 2 m m 所以采用单电机驱动拈抗线对的 方案是可行的 可以大大减少电机的数量 降低机器人的成本 参考文献 l 1 J N i n g K e J u n Wo r g o t t e r Ho r e n t i n A N o v e l C o n c e p t f o r B u i l d i n g a Hy p e r R e d u n d a n t C h a i n R o b 0 t J I E E E T r a n s a c t i o n s 0 n R 0 b 0 t i c s 2 0 0 9 2 5 6 1 2 3 7 1 2 4 2 陈礼顺 空间超冗余度机器人机构设计及运动规划研究 D 戚 都 西 南交通大学 2 0 0 9 C h e n L i s h u n O n d e s i g n a n d m o t i o n p l a n n i n g o f s p a t i a l h y p e r r e d u n d a n t r o b o t Dj C h e n g d o S o u t h e a s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y 2 0 0 9 3 C h i r i k j a n G S B u r k i c k J W K i n e m a t i e a l l y O p t i m al H y p e r r e d u n d a n t Ma n i p u l a t o r C O n fi g u r a t i o n s C I E E E C o n f e r e n c e o n R o b o t i c s a n d Au t o ma t i u n I EEE Na g o y a s h i J a p a n 1 9 9 5 7 9 4 78 0 4 Wo l f A B r o w n H B C asc i o l a R e t a 1 A M o b i l e H y p e r R e d u n d a n t M e c h a n i s m f o r S e a r c h a n d R e s c u e T a s k c P r o c e e d i n g o f I E E F i S J I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e nc e o n I n t e l l i g e n t Ro b o t s S y s t Ta i p e i Ta i w a n I E E E 2 0 0 3 3 2 8 8 9 2 8 9 5 1 5 J J i a Q i n g x u a n Z h a n Qi a n g S u n H a n X U e t a 1 I mp l e me n t a t i o n a n d K i n e ma t i c C o n t r o l o f aH y p e r r e d u n d a n t Mo b i l eMa n i p u l a t o r S y s t e m J C h i n e s e J o u r n a l 0 f Ae mn a u t i c s 2 0 0 6 1 9 1 8 3 8 8 6 L i C R a h n C D D e s i g n o f C o n t i n u o u s B a c k b o n e C a b l e D r i v e n R o b o t s l J j A S MEJ o u rna l o f Me c h a n i c alD e s i g n 2 0 0 2 1 2 4 6 2 6 5 2 7 l 7 陈礼顺 李立 张红亮 新型超冗余度机器人关节设计 J J 机械设计与制 造 2 0 1 0 6 1 4 8 1 5 0 C h e n L i s h u n L i L i Z h a n g Ho n g l i a n g D e s i