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摘 要随着人类海洋开发的步伐不断加快，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段得到了空前的重视和发展。作者对水下机器人进行了定义与分类。介绍了近年来国内外水下机器人的发展现状与发展趋势，重点针对智能水下机器人的主要关键技术及未来发展方向进行了分析。地球的表面积为51亿km2，而海洋的面积为36亿km2。占地球表面积71的海洋是人类赖以生存和发展的四大战略空间陆、海、空、天中继陆地之后的第二大空间，是能源、生物资源和金属资源的战略性开发基地，不但是目前最现实的，而且是最具发展潜力的空间。目前，小型的水下机器人多用螺旋桨为其动力能源，使用螺旋桨旋转产生的推力实现机器人在水下的移动，但单个螺旋桨只能使水下机器人实现前进及后退的动作，要实现转向需要多个螺旋桨进行矢量的控制。本文针对以螺旋桨为动力的水下机器人这一缺陷，通过分析目前在机器人中广泛使用的并联机构，尝试寻找、分析并论证一种并联机构，可以实现以一个螺旋桨作为推进的动力，并且可以靠此机构实现螺旋桨的角度偏移以控制其前进的方向，最后使用Solidworks三维软件进行三维的建模及装配最终形成二维的装配图及零件图。关键词: 水下机器人；矢量推进；并联机构 AbstractAs the pace of human marine development continues to accelerate, underwater robot technology has received unprecedented attention and development as the most important means for human exploration of the ocean. The author defines and classifies underwater robots. The development status and development trend of underwater robots at home and abroad in recent years are introduced. The key technologies and directions for future development of intelligent underwater robots are analyzed. The surface area of the Earth is 510 million km2, while the area of the ocean is 360 million km2. The ocean, which accounts for 71% of the Earths surface area, is the fourth most strategic space for human survival and developmentthe second largest space after the land, sea, air, and sky relay lands. It is a strategic development of energy, biological resources, and metal resources. The base is not only the most realistic at present, but also the most potential space for development.At present, small underwater robots use propellers as their power source, and use the thrust generated by the rotation of the propeller to move the robot underwater. However, a single propeller can only enable the underwater robot to perform forward and backward movements, and it is necessary to achieve multiple steering movements. The propeller controls the vector. In this paper, aiming at the disadvantage of propeller-powered underwater robots, by analyzing the parallel mechanisms currently widely used in robots, trying to find, analyze, and demonstrate a parallel mechanism, a propeller can be used as the propelling power, and This mechanism realizes the angular offset of the propeller to control the direction of its advancement. Finally, it uses Solidworks three-dimensional software to perform three-dimensional modeling and assembly to finally form two-dimensional assembly drawings and parts drawings.Keywords: Underwater Robot; Vector Propulsion; Parallel Mechanism目 录摘 要- 1 -Abstract- 2 -目 录- 3 -1绪论- 5 -1.1 课题研究的目的和意义- 5 -1.2水下机器人的现状- 5 -1.3发展趋势- 7 -1.3.1整体设计的标准化和模块化- 7 -1.3.2高度智能化- 7 -1.3.3高效率、高精度的导航定位- 8 -1.3.4高效率与高密度能源- 8 -1.3.5多个体协作- 8 -1.4课题设计内容- 9 -2并联机构介绍分析及选择- 10 -2.1 并联机构的特点- 10 -2.2并联机构的应用- 11 -2.1.1模拟运动- 11 -2.2.2对接动作装置- 12 -2.2.3 承载运动- 13 -2.2.4 并联机床- 14 -2.2.5 测量机装置- 16 -2.2.6微动机构与微型机构- 16 -2.2.7其他应用领域- 17 -2.3并联机构设计原则- 19 -2.4并联机构的构型- 20 -2.4.1运动副类型- 20 -2.4.2运动支链类型- 22 -3 机构的确定及分析- 24 -3.1机构的确定- 24 -3.2两自由度球面并联机构的构型分析- 24 -3.2.1结构与坐标系变换- 24 -3.2.2自由度计算- 26 -3.3机构计算- 27 -4三维建模及装配- 29 -4.1底板的三维建模- 29 -4.2导向轮的三维建模- 30 -4.3 整体装配- 30 -总结- 31 -致谢- 32 -参考文献- 33 -1绪论1.1 课题研究的目的和意义随着人类海洋开发的步伐不断加快，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段得到了空前的重视和发展。作者对水下机器人进行了定义与分类。介绍了近年来国内外水下机器人的发展现状与发展趋势，重点针对智能水下机器人的主要关键技术及未来发展方向进行了分析。地球的表面积为51亿km2，而海洋的面积为36亿km2。占地球表面积71的海洋是人类赖以生存和发展的四大战略空间陆、海、空、天中继陆地之后的第二大空间，是能源、生物资源和金属资源的战略性开发基地，不但是目前最现实的，而且是最具发展潜力的空间。作为蓝色国土的海洋密切关系到人类的生存和发展，进入21世纪后，人类更加强烈的感受到陆地资源日趋紧张的压力，这是人类面临的最现实的问题。海洋即将成为人类可持续发展的重要基地，是人类未来的希望。水下机器人从20世纪后半叶诞生起，就伴随着人类认识海洋、开发海洋和保护海洋的进程不断发展。专为在普通潜水技术较难到达的区域和深度执行各种任务而生的水下机器人，将使海洋开发进人一个全新的时代，在人类争相向海洋进军的21世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段必将得到空前的重视和发展。所以针对水下机器人的动力及变向机构进行研究将提高水下机器人对海洋探索的能力，将提供给未人类继续对海洋的开发更多的可能性。1.2水下机器人的现状智能水下机器人(AuV)是无人水下机器人(UUV)的一种。无人水下航行器技术无论在军事上、还是民用方面都已不是新事物，其研制始于20世纪50年代，早期民用方面主要用于水文调查、海上石油与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞试验丢失的海底武器(如鱼雷)，后来在水雷战中作为灭雷具得到了较大的发展。20世纪80年代末，随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术的突飞猛进，自主式水下航行器得到了大力发展。由于AUV摆脱了系缆的牵绊，在水下作战和作业方面更加灵活，该技术日益受到发达国家军事海洋技术部门的重视。 在过去的十几年中，水下技术较发达的国家像美国、日本、俄罗斯、英国、法国、德国、加拿大、瑞典、意大利、挪威、冰岛、葡萄牙、丹麦、韩国、澳大利亚等建造了数百个智能水下机器人，虽然大部分为试验用，但随着技术的进步和需求的不断增强，用于海洋开发和军事作战的智能水下机器人不断问世。由于智能水下机器人具有在军事领域大大提升作战效率的优越性，各国都十分重视军事用途智能水下机器人的研发，著名的研究机构有：美国麻省理工学院MIT Sea GrantS AUV实验室、美国海军研究生院(Naval Postgraduate Sch001)智能水下运载器研究中心、美国伍慈侯海洋学院(Woods Hole oceanographic Institute)、美国佛罗里达大西洋大学高级海洋系统实验室(Advanced Marine Systems Laboratory)、美国缅因州大学海洋系统工程实验室(Marine Systems Underwater Systems Institute)、美国夏威夷大学自动化系统实验室(Autonomous Systems Laboratory)、日本东京大学机器人应用实验室(Underwater Robotics Application Laboratory(URA)、英国海事技术中心(Marine Technology Center)等。美国海军研究生院AUV ARIES，主要用于研究智能控制、规划与导航、目标探测与识别等技术。美国麻省理工学院的水下机器人Odyssey II，它长215 m，直径为059 m，用于两个特殊的科学使命：在海冰下标图，以理解北冰洋下的海冰机制；检测中部大洋山脊处的火山喷发。美国的ABE最大潜深6 000 m，最大速度2节(编者注：1节=1海里时=1852 kmh)，巡航速度1节，考察距离30 km，考察时间50 h，能够在没有支持母船的情况下，较长时间地执行海底科学考察任务，它是对载人潜水器和无人遥控潜水器的补充，以构成科学的深海考察综合体系，为载人潜水器提供考察目的地的详细信息。日本研制的R2D4水下机器人长44 m，宽108 m，高081m，重1 506 kg，最大潜深4 000 m，主要用于深海及热带海区矿藏的探察。能自主地收集数据，可用于探测喷涌热水的海底火山、沉船、海底矿产资源和生物等。REMuS(remote environmental monitoring units，远距离环境监测装置)是美Hydroid公司的系列水下机器人。REMUS6000工作深度为256 000 m，是一个高度模块化的系统，代表了自主式水下探测器的最高水平。中国智能水下机器人技术的研究开始于20世纪80年代中期，主要研究机构包括中国科学院沈阳自动化研究所和哈尔滨工程大学等。中国科学院沈阳自动化研究所蒋新松院士领导设计了“海人一号”遥控式水下机器人试验样机。之后“863”计划的自动化领域开展了潜深1 000 m的“探索者号”智能水下机器人的论证与研究工作，做出了非常有意义的探索性研究。哈尔滨工程大学的智水系列智能水下机器人已经突破智能决策与控制等多个技术难关，各项技术标准都在向工程可应用级别靠拢。哈尔滨工程大学“智水一4”智能水下机器人在真实海洋环境下实现了自主识别水下目标和绘制目标图、自主规划安全航行路线和模拟自主清除目标等多项功能。目前通过各科研机构和大专院校的同期研制工作，智能水下机器人已经服役并正在形成系列，特别是中国科学院沈阳自动化研究所与俄罗斯合作的6 000 m潜深的CR一01和CR一02系列预编程控制的水下机器人，已经完成了太平洋深海的考察工作，达到了实用水平。由于在工业设计、制造工艺、综合控制、目标探测、导航地位和通讯等领域中国同水下技术发达的国家相比还有一定差距，致使我们的水下机器人在实际应用中还有较大限制。相关领域从国外购买或租赁的水下机器人不但价格高，配套服务难，而且很多产品并不是专门开发的，并不适合中国海域的使用。所以随着海洋开发和军事用途需求的不断增长，开发更具有实用价值的智能水下机器人势在必行。1.3发展趋势1.3.1整体设计的标准化和模块化为了提升智能水下机器人的性能、使用的方便性和通用性，降低研制风险，节约研制费用，缩短研制周期，保障批量生产，智能水下机器人整体设计的标准化与模块化是未来的发展方向。在智能水下机器人研发过程中依据有关机械、电气、软件的标准接口与数据格式的要求，分模块进行总体布局和结构优化的设计和建造。智能水下机器人采用标准化和模块化设计，使其各个系统都有章可依、有法可循，每个系统都能够结合各协作系统的特性进行专门设计，不但可以加强各个系统的融合程度，提升机器人的整体性能，而且通过模块化的组合还能轻松实现任务的扩展和可重构。1.3.2高度智能化由于智能水下机器人工作环境的复杂性和未知性，需要不断改进和完善现有的智能体系结构，提升对未来的预测能力，加强系统的自主学习能力，使智能系统更具有前瞻性。目前针对如何提升水下机器人的智能水平，已经对智能体系结构、环境感知与任务规划等领域展开一系列的研究。新一代的智能水下机器人将采用多种探测与识别方式相结合的模式来提升环境感知和目标识别能力，以更加智能的信息处理方式进行运动控制与规划决策。它的智能系统拥有更高的学习能力，能够与外界环境产生交互作用，最大限度的适应外界环境，帮助其高效完成越来越倚重于它的各种任务，届时智能水下机器人将成为名副其实的海洋智能机器人。1.3.3高效率、高精度的导航定位虽然传统导航方式随着仪器精度和算法优化，精度能够提高，但由于其基本原理决定的误差积累仍然无法消除，所以在任务过程中需要适时修正以保证精度。全球定位系统虽然能够提供精确的坐标数据，但会暴露目标，并容易遭到数据封锁，不十分适合智能水下机器人的使用。所以需要开发适于水下应用的非传统导航方式，例如：地形轮廓跟随导航、海底地形匹配导航、重力磁力匹配导航和其他地球物理学导航技术。其中海底地形匹配导航在拥有完善的并能及时更新的电子海图的情况下，是非常理想的高效率、高精度水下导航方式，美国海军已经在其潜艇和潜器的导航中积极应用。未来水下导航将结合传统方式和非传统方式，发展可靠性高、集成度高并具有综合补偿和校正功能的综合智能导航系统。1.3.4高效率与高密度能源 为了满足日益增长的民用与军方的任务需求，智能水下机器人对续航力的要求也来越高，在优化机器人各系统能耗的前提下，仍需要提升机器人所携带的能源总量。目前所使用的电池无论体积和重量都占智能水下机器人体积和重量的很大部分，能量密度较低，严重限制了各方面性能的提升。所以，急需开发高效率、高密度能源，在整个动力能源系统保持合理的体积和质量的情况下，使水下机器人能够达到设计速度和满足多自由度机动的任务要求。1.3.5多个体协作随着智能水下机器人应用的增多，除了单一智能水下机器人执行任务外，会需要多个智能水下机器人协同作业，共同完成更加复杂的任务。智能水下机器人通过大范围的水下通讯网络，完成数据融合和群体行为控制，实现多机器人磋商、协同决策和管理，进行群体协同作业。多机器人协作技术在军事上和海洋科学研究方面潜在的用途很大，美国在其无人水下机器人总体规划(UUV Master Plan)中规划由多艘智能水下机器人协同作战，执行对潜艇的侦查、追踪与猎杀，美国已经着手研究多个智能水下机器人协同控制技术，其多个相关研究院所联合提出多水下机器人协作海洋数据采集网络的概念，并进行了大量研究，为实现多机器人协同作业打基础。1.4课题设计内容目前，小型的水下机器人多用螺旋桨为其动力能源，使用螺旋桨旋转产生的推力实现机器人在水下的移动，但单个螺旋桨只能使水下机器人实现前进及后退的动作，要实现转向需要多个螺旋桨进行矢量的控制。本文针对以螺旋桨为动力的水下机器人这一缺陷，通过分析目前在机器人中广泛使用的并联机构，尝试寻找、分析并论证一种并联机构，可以实现以一个螺旋桨作为推进的动力，并且可以靠此机构实现螺旋桨的角度偏移以控制其前进的方向，最后使用Solidworks三维软件进行三维的建模及装配最终形成二维的装配图及零件图。2并联机构介绍分析及选择2.1 并联机构的特点并联机构是一种闭环机构,其动平台或称末端执行器通过至少2个独立的运动链与机架相联接,必备的要素如下:末端执行器必须具有运动自由度;这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接;每个分支或运动链由惟一的移动副或转动副驱动。与传统的串联机构相比，并联机构的零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、伸缩杆件、滑块构件、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成。这些通用组件可由专门厂家生产，因而其制造和库存备件成本比相同功能的传统机构低得多，容易组装和模块化。除了在结构上的优点，并联机构在实际应用中更是有串联机构不可比拟的优势。其主要优点如下：（1）刚度质量比大。因采用并联闭环杆系,杆系理论上只承受拉、压载荷,是典型的二力杆,并且多杆受力，使得传动机构具有很高的承载强度。（2）动态性能优越。运动部件质量轻，惯性低,可有效改善伺服控制器的动态性能,使动平台获得很高的进给速度与加速度,适于高速数控作业。（3）运动精度高。这是与传统串联机构相比而言的,传统串联机构的加工误差是各个关节的误差积累,而并联机构各个关节的误差可以相互抵消、相互弥补，因此，并联机构是未来机床的发展方向。（4）多功能灵活性强。可构成形式多样的布局和自由度组合,在动平台上安装刀具进行多坐标铣、磨、钻、特种曲面加工等，也可安装夹具进行复杂的空间装配，适应性强，是柔性化的理想机构。（5）使用寿命长。由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。并联机构作为一种新型机构，也有其自身的不足，由于结构的原因，它的运动空间较小，而串并联机构则弥补了并联机构的不足，它既有质量轻，刚度大，精度高的特点，又增大了机构的工作空间，因此具有很好的应用前景，尤其是少自由度串并联机构，适应能力强，且易于控制，是当前应用研究中的一个新热点。2.2并联机构的应用并联机构由于其本身特点,一般多用在需要高刚度、高精度和高速度而无需很大空间的场合。主要应用有以下几个方面：（1）模拟运动飞行员三维空间训练模拟器驾驶模拟器工程模拟器,如船用摇摆台等检测产品在模拟的反复冲击、振动下的运行可靠性娱乐运动模拟台。（2）对接动作宇宙飞船的空间对接汽车装配线上的车轮安装医院中的假肢接骨。（3）承载运动大扭矩螺栓紧固短距离重物搬运。（4）金属切削加工 可应用于各类铣床、磨床钻床或点焊机、切割机。（5）可用于测量机，用来作为其它机构的误差补偿器。（6）用于微动机构或微型机构 并联平台的应用领域正在被科研工作者不断拓宽。（7）并联机构还可用作机器人的关节，爬行机构，食品、医药包装和移载机械手等。2.1.1模拟运动1飞行员三维空间训练模拟器驾驶模拟器训练用飞行模拟器具有节能、经济、安全、不受场地和气候条件限制等优点。目前已成为各类飞行员训练必备工具。Stewart在1965年首次提出把六自由度并联机构作为飞行模拟器，开此应用的先河。目前，国际上有大约67家公司生产基于并联机构的各种运动模拟器。并联平台机构在军事方面也得到了应用，将平台装于坦克或军舰上，用它来模拟仿真路面谱和海面谱，以使目标的瞄准设计过程中不受这些因素的干扰，达到准确击中目标的目的。图2-1是Frasca公司生产的波音737-400型客机的六自由度飞行模拟器；图2-2是CAE公司生产的飞行模拟器。 图2-1 波音737-400飞行模拟器 图2-2 CAE飞行模拟器2检测产品在模拟的反复冲击、振动下的运行可靠性 Gough在1948年提出用一种关节连接的机器来检测轮胎。轮胎检测是将轮胎安装在试验台轮毂上，施加载荷并让其高速旋转，通过测定轮胎旋转时所受的径向、侧向和纵向滚动阻力的变化值。并联机构的灵活性和高刚度具有很大的优势。目前，stewart平台仍广泛用于轮胎均匀性检测和动平衡实验。3娱乐运动模拟台运动仿真能给人以动感刺激而逐步进入娱乐业。运动的并联平台配以视景、音响以及触觉等。如美国和日本的“星球航行”、“宇宙航行”等娱乐设施均采用并联机构平台。2.2.2对接动作装置1宇宙飞船的空间对接飞船的对接可以达到补给物品、人员交流等目的。要求上下平台中间都有通孔，以作为结合后的通道，这样上平台就成为对接机构的对接环，它由6个直线式驱动器驱功，其上的导向片可帮助两飞船的对正，对接器还有吸收能量和减振的作用;对接机构可完成主动抓取、对正拉紧、柔性结合、最后锁住卡紧等工作。航海上也有类似的应用，如潜艇救援中也用并联机构作为两者的对接器。图2-3 航天器对接口2 汽车装配线上的车轮安装并联机器人可以在汽车总装线上安装车轮，将并联机器人横向安装于能绕垂直轴线回转的转台上，它从侧面抓住从传送链送来的车轮。转过来以与总装线同步的速度将车轮装到车体上，再将所有螺栓一次拧紧。并联机器人还可以倒装在具有xy两方向受控的天车上用作大件装配，可以用在汽车总装线上吊装汽车发动机。2.2.3 承载运动 使用并联机构做承载装置，运动平稳，在大型搬运机械中有很大的优势。图2-4 移动重载装置模型1海上钻井平台海上钻井平台主要有自升式和半潜式钻井平台。自升式钻井平台由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，约占移动式钻井装置总数的12。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。半潜式钻井平台 ，上部为工作甲板，下部为两个下船体，用支撑立柱连接。工作时下船体潜入水中，甲板处于水上安全高度，水线面积小，波浪影响小，稳定性好、自持力强、工作水深大，新发展的动力定位技术用于半潜式平台后，工作水深可达9001200米 。半潜式与自升式钻井平台相比，优点是工作水深大，移动灵活；缺点是投资大，维持费用高，需有一套复杂的水下器具，有效使用率低于自升式钻井平台。通常海上石油钻井平台分自升式钻井平台、半潜式钻井平台和钻井船。自升式钻井平台通过桩腿直接插入海底泥床，平台顺着桩腿升起离开海面，通常适合于较浅的水深，如120米以下。半潜式钻井平台和钻井船都是浮于海平面，通过锚链或动力定位，可以作业至最大3000米的水深。钻井平台要求承载系统刚度高，控制灵敏，并联机构具有巨大的优势。 图2-5 海上钻井平台模型 图2-6 美国石油公司的海上钻井平台2.2.4 并联机床虚拟轴车床是并联机构在工程应用领域最成功的范例,与传统数控机床相比较,它具有传动链短、结构简单、制造方便、刚性好、重量轻、速度快、切削效率高、精度高、成本低等优点,容易实现六轴联动,因而能加工复杂的三维曲面。1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Giddings&Lewis公司和英国Geodetic公司首次展出了称为VARIAX和Hexapods的虚拟轴机床，如图2-7所示，被认为是二十世纪以来机床结构的最大变革与创新。此后欧洲各国和日本也竞相研制。1997年在德国汉诺威国际机床博览会(EMO97)和1999年巴黎国际机床博览会(EMO99)上，又推出了多种并联机床样机。图2-8是瑞典Neos Robotics公司生产的Tricept 600型并联机床，用于汽车装配自动线，可以完成加工、装配、焊接等工序。图2-9是德国Mikromat公司生产的Hexa 6X型高速立式加工中心。图2-10是瑞士联邦技术学院研制的HexaGlide并联机床，可以加工长工件。 图2-7 VARIAX并联机床 图2-8 Tricpet 600并联机床 图2-9是德国Mikromat并联机床 图2-10 HexaGlide并联机床我国第一台虚拟轴机床原型样机VAMTIY已由清华大学和天津大学联合开发。目前，我国清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、东北大学、中科院沈阳自动化所、燕山大学等均对虚拟轴机床进行了研究并取得了一些成果。天津大学在他们开发的3HSS型并联机床的基础上对其进行了建模与仿真。东北大学于1998年研制了五轴联动三杆并联机床DSX5-70，该机床严格说来应属并串联机构，是在一个三自由度移动平台上串联一个两自由度的串联机构而成。天津大学和天津第一机床总厂合作于1999年研制了三坐标并联机床商品化样机LINAPOD(图1-8)，哈尔滨工业大学也研制了一台六自由度并联机床样机(图2-11)。燕山大学也做了一定的基础性研究。研究虚拟轴机床中并联空间机构的类型、运动学和动力学、工作空间分析与综合问题17，将有利于提高和完善虚拟轴机床的工作性能。从而进一步推进并联机构在工程实际中的应用。最近，燕山大学自主研制了一台五自由度并联机床(图2-12)。 图2-10 LINAPOD并联机床 图2-11 哈工大并联机床图2-12 燕山大学的SPIDER-I2.2.5 测量机装置1六维力和力矩传感器国内外有许多学者把并联机构的思想引用到了六维力传感器的力敏感元件结构设计上来,如Kerr, Nguyen和Ferraresi以及国内北京大学的陈滨、华中科技大学的熊有伦、燕山大学的高峰等。2.2.6微动机构与微型机构微动器或称作微动机构，己经成为并联机器人另一个重要应用方面，利用并联机构做为微动机构充分发挥了并联机构的特点，工作空间不大;做运动精细，无摩擦和滞后作用，机构紧凑、重量轻、刚性好;在三维空间的微小移动精度可以达到亚微米甚至是纳米的分辨率，目前主要用于微电子、微型光学、精密机械工程、生物和遗传工程、材料科学以及医学工程等要求精细操作与加工的任务领域，其应用前景广阔。1962年ElliS建议采用并联机构的压电陶瓷微操作手，加拿大McGi11大学80年代末研制的用于细胞操作的遥控式微机器人系统是微动机构研究中有代表性的研究成果。Stoughton设计了一种由两个并联机构组成的微操作手，Lee和Arjunna研究了具有三个自由度的并联微操作手，日本机械技术研究所研制了用于细胞操作的微动双指并联机构;医学工程方面T.Dohi等研制出了用于脑外科手术的微操作机器人，Northwestern大学W.Garec等人研制了用于眼球手术的六自由度机械手，为治疗视网膜静脉闭塞，要将抗凝剂直接注射到视网膜脉管血凝处，要用纤细的玻璃管从皮下注射针孔中间穿过，然后伸到视网膜的脉管处，这就可以应用并联机构进行操作了。关于微动机构，我国的专家学者也做了大量的工作。杨宜民教授等研制出仿生型直线驱动器，哈尔滨工业大学研制出了压电陶瓷驱动的六自由度并联微动机器人，其重复精度可达到20纳米，北京航空航天大学机器人所在自然科学基金资助下提出了用于微动操作的又两个3-DOF并联机构串联而成“串并联”机构以及PP一R一S型并联机构微动机器人等，燕山大学1994年研制了以柔性铰链代替球副的并联式六自由度机器人误差补偿器，将其安装于机器人手腕处可以补偿手臂的误差;陈恳、李嘉等研究分析了6-PSS型六自由度并联微操作手的运动学和工作空间。以上研究和应用表明，微动机构是一个有发展前景的方向，目前世界各国正竟相对微动机构开展研究工作。图2-13是德国PI公司研制的Nonapod六自由度微动并联机器人。图2-14是燕山大学的误差补偿器。 图2-13 Nonapod微动并联机器人 图2-14六自由度并联误差补偿器2.2.7其他应用领域(1)步行器的腿:由于少自由度的并联机器人机构高刚度和动态性能好等特性,可以用做步行器或爬壁机器人的腿。如日本Hirose& Yoneda实验室研制的PV-II和TITAN系列四足步行器以及NINJA-I、NINJA-II系列爬壁机器人等（如图2-15图）。 图2-15 灵巧手和爬壁机器人(2)工业机器人:并联机构在这方面应用最多的是Delta并联机构与Tricept并联机构,主要用于食品与药品的包装与机械自动生产线上。如瑞士洛桑工学院提出的Delta并联机器人,已广泛应用于食品、药品和电子产品的包装生产线上。(3)医用机器人:德国柏林洪堡大学医学院手术机器人实验室采用Delta机器人成功进行了脑部手术。并联机构在医学、生物学上也有广泛的应用。针对并联机构工作空间小但是精度高的特点而开发出来的微动机构或微型机构，可以用于眼科手术中。在生物工程上，并联机构可用来在微细外科手术中进行细胞操作。并联机器人还可以用作人的假肢的驱动器，帮助残疾人部分地恢复活动能力。(4)天文望远镜:如德国波鸿鲁尔大学的天文研究所与卡尔蔡司光学公司(CarlZiessGmbH)合作,于1999年建造了一台反射镜直径为1.5m和质量达5t的大型天文望远镜。（5）管道机器人（如图2-16）：由Stewart平台的经典机构演化而来。机器人通过上、下平台上的支撑脚交替地支撑管壁,而实现机器人的上、下平台交替地作为动、静平台,再通过驱动杆的驱动,从而完成机器人向前蠕动前进。图2-16管道并联机器人结构图 图2-16管道并联机器 人通过弯道的仿真2.3并联机构设计原则在进行机构形式设计时，除了要满足规定的运动形式、运动规律或运动轨迹外，还应该遵循下面几项准则:（l）机构的运动链要尽可能的短。完成同样的动作要求，应该优先选用机构构件数和运动副数少的机构，以简化其结构从而减轻重量、降低成本、减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差，运动链短有利于提高机构的刚度，减少振动。（2）在运动副的选择上，优先选用低副。低副机构的运动元素加工方便，容易保证配合的精度以及有较高的承载能力。（3）适当选择原动机，使机构有好的动力学性能。以往，我们在设计阶段为了确定机器人操作手机构的尺寸和确定机器人操作手在工作空间内部的位置和姿态时多数是靠经验和直觉。现在，为了开发出高精度、高速度和高效率的并联机器人，我们在机构的综合设计时要考虑到它的工作空间的体积和形状、奇异位形、输出的各向同性等条件。但是，在全局最优的机构尺度综合设计中，顾全到上述的所有条件是十分困难的。国内外的学者提出了许多机构综合的标准，以便在满足指定的设计指标下，机构的性能达到最优。由于并联机器人与串联机器人相比，工作空间小。因此为实现作业要求，在设计时要先确定能够满足性能指标的工作空间是至关重要的。另外，在并联机构的设计过程中必须要考虑要避免构型奇异。与串联机器人不同的是，并联机器人不仅有运动学奇异，还有由构型所导致的构型奇异。即奇异区域通常都扩张到整个工作空间或一些显著的子空间，而且是实际操作中最常用的区域。0.M给出了判定并联机构发生构型奇异的条件:（l）如果动平台和定平台是相似的正多边形，则整个工作空间内雅戈比矩阵都是奇异的;（2）如果动平台和定平台是相似的非正多边形，并且每一对相应的顶点通过一条连杆相连，则雅戈比矩阵在工作空间内的大部分区域都是奇异的。这种设计上的奇异的存在，将使并联机器人由于无法平衡施加在动平台上的负载而不能工作。在构型奇异附近的区域，即使没有发生构型奇异，也有可能出现雅戈比矩阵条件数很大的情况，同样会导致运动和力的传递性能变的很差，我们称这种区域为病态条件区域。因此，进行并联机构尺度综合设计时必须考虑在满足工作空间要求、运动可传递性的要求以及负载能力要求的情况下，要避开构型奇异点及奇异点附近的病态区域。2.4并联机构的构型并联机构可定义为动平台（moving platform）和定平台（fixed base）至少透过两个或两个以上独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上的自由度，且以驱动器分布在不同杆系上的机构。 而并联机构是由运动副和构件按一定的方式连接而成的死循环机构，一般熟知的并联机构类型有平面2自由度、平面3自由度、球面3自由度、纯移动3自由度与六自由度并联机构。2.4.1运动副类型组成并联机构的运动副可分为简单运动副和复合运动副两大类，如表1所示。常见的简单运动副包括：转动副R（revolute pair）、移动副P（prismatic pair）、螺旋副H（helix pair）、圆柱副C（cylinder pair）、球面副S（spherical pair）与球销副S（ball-and-spigot pair）。表1 并联机构的运动副类型类型代号图例简图符号自由度数相对运动名称移动转动简单运动副转动副R101移动副P110螺旋副H11（0）1（0）圆柱副C211球面副S303球销副S202为了设计出具有已知运动特性的支链，表2为一些复合运动副，包括：万向铰U （universal joint）、纯平动万向铰U （pure-translation universal joint）、转-平动万向铰 U和U （translation and rotation universal joint）、平面移动万向铰U 和 U、复合球副S ，上述运动副可实现一、二维转动、移动，是组成并联少自由度机器人机构非常有用的运动副。表2 并联机构的运动副类型类型代号图例简图符号自由度数相对运动名称移动转动复合运动副虎克铰（万向铰）U202纯平动万向铰U220转-平动万向铰U211U211平面移动万向铰U220U220复合球副S330332.4.2运动支链类型由于并联机构是由多条支链将上下平台连接而成的，因此研究机构运动支链的类型是探讨并联机构类型设计的关键问题之一。为了设计出具有已知运动自由度的并联机构，必须明确知道各种运动副支链的运动特性，及支链可实现的运动和被约束的运动，以便确定设计的并联机构自由度。图2-17、图2-18为26自由度的并联机构简单支链和复合支链。图2-17 并联机构的简单支链类型图2-18 并联机器人机构的复合支链类型3 机构的确定及分析3.1机构的确定水下机器人在航行过程中， 需要进行不同方向的导向操纵运动，比如俯仰、 偏航和横滚等。绝大多数的水下机器人通过安装多个螺旋桨推进器来进行多维导向操纵，这样会增加机器人的航行阻力，降低水下定位能力。螺旋桨矢量推进器除了能提供前进推进力外，还能根据机器人导向操纵任务需求产生其他多维方向上的推进力， 大大提高了水下机器人的灵活性和敏捷性。然而，目前的矢量推进并联机构仅局限于 Stewart 6 自由度并联机构，其工作空间小、 结构和控制较复杂， 很难应用于工程实际。而基于少自由度并联机构的矢量推进机构具有结构简单、 控制方便的特点，为矢量推进方式提供了新的设计理念。球面并联机构作为一种少自由度并联机构，已经广泛应用于医疗设备、航空航天以及工业机器人的定位及转向装置。球面并联机构能够灵活的实现空间多维转动， 将其应用于水下机器人的矢量推进机构具有极大的可行性。现阶段对球面并联机构的 研究主要包括构型综合、运动学和动力学等。球面并联机构存在结构复杂、难以加工，或者解耦性差、难以控制的缺点，所以很难应用于工程实际中。另外，在这些球面并联机构的动力学建模中，很少考虑实际应用中的外部载荷变化情况，也就很难与实际工程结合。本文根据水下机器人矢量推进的运动特性，提出一种结构简单、 解耦性好的 2 自由度球面并联机构。利用螺旋理论分析机构的运动学正逆解，基于旋量形式的牛顿-欧拉方程建立机构的动力学模型，并给出相应的数值算例。3.2两自由度球面并联机构的构型分析3.2.1结构与坐标系变换提出的用于矢量推进的球面2自由度并联机构如图3-1所示，该机构为2-PC 2-PCU型并联机构，包含4条分支运动链，其中分支 1(PC )和分支2(PCU) 为驱动分支，分支3和4分别为与分支1、2对称的过约束被动分支。4个分支依次间隔90布置于同一球面。每个分支均包含一个弧形伸缩杆形式的移动副P，其运动实际上为绕圆弧中心的一维转动位移子群，其实质为转动副e。图中虚线部分为螺旋桨推进器， 其主轴并不为球面机构提供驱动力和力矩，但会作为球面机构的外部负载。图 3-1矢量推进球面并联机构如图3- 2 所示为该球面并联机构的结构简图及坐标系变换，固定坐标系 A 建立在球心OA处，与定平台固联的 4 个转动副1、2、3和4分别位于x 轴和 y 轴，另外将分支 2 及分支 4 中的运动副+U等效为图中的两球副S1和S2，连同4个曲线副P共同位于球面上。运动坐标系 B固联于最上方的连杆中心点 OB 处。机构初始位置如图3-2中虚线所示，各分支均与水平面 xA OA yA 垂直，此时运动坐标系和固定坐标系的坐标轴相互平行。图3-2 坐标系及坐标变换假设该球面并联机构的球半径为，驱动关节1从初始位置绕xA轴逆时针转过的角度为，在驱动关节2转过角度的驱动下，位于分支1的运动副 P1( 等效于图中的转动副e1)从初始位置转过的角度为( 注意 ) 。则动坐标系 B可以看做固定坐标系 A先沿z 轴平移，然后绕 xA轴转过，最后绕向量f 逆时针转动，坐标系的变换过程如图3-2所示。由图3-2可知，向量f实际上为yA轴绕 xA轴转过角度后形成，即 f = ( 0，cos，sin)，则利用通用旋转变换矩阵可得动坐标系 B 相对于固定坐标系 A 的描述包括平移坐标变换和旋转坐标变换， 总体的齐次变换矩阵 A BT为则对于坐标系 B 中的任意点到坐标系 A 中的总体转换为3.2.2自由度计算该矢量推进球面并联机构中存在过约束以及运动副的变异结构形式，利用基于约束螺旋的自由度求解原理，可以先将显而易见的过约束(如固联于定平台的两组共轴转动副) 去掉后，对剩余部分进行自由度分析，其中运动副P1等效为球心处沿 x 轴的 转动副，运动副P2等效为球心处沿y轴的转动副，运动副+ U等效为连接动平台的一球副S，令其坐标为( a，b，c) ，即共点不共面的3个转动副，机构的运动副对应的螺旋如图3-3所示。图3- 3 运动副螺旋根据图 3-3 可以写出所有运动副对应的螺旋系为可以找到唯一一个与以上所有螺旋系相逆的反螺旋$ r: ( a b c; 0 0 0)该反螺旋与以上螺旋系中所有螺旋的互易积均为 0。螺旋系的反螺旋的数目就是公共约束数目，因此，机构有一个公共约束， = 1，机构的阶数 d =61 = 5，冗余约束和局部自由度均为 0，代入修正的Kutzbach-Grbler公式式中n包括机架的构件数目g运动副数目d机构的阶数fi第 i 个运动副的自由度v冗余约束数目局部自由度数经过进一步验证，机构在连续运动过程中，自由度不会因为位移变化而变化，因此，该机构为 2 自由度球面并联机构。3.3机构计算以定平台坐标系 OAxAyAzA 为参考系，设该球面并联机构的球面半径为 = 100 mm，角位移、的最大绝对值为 30，将动平台中心点的运动定义为平行于 xAOAyA平面内的圆周运动，取动平台的运动轨迹为半径 r = 30 mm 的圆， 运动平面位置为 zA = 95. 39 mm，初始位置位于坐标系 xAyAzA的坐标( 30，0，95. 39) 处。动平台的运动轨迹为利用 Matlab 对上述轨迹方程进行数值模拟可以得到 2 个驱动关节的角位移、 角速度、 角加速度曲线分别如图3-4 a、 6b、 6c 所示。另外，机构的工作空间为球面的子集， 其在底面的投影为一矩形， 如图3-4d所示。图3-4运动学数值模拟( a) 角度 ( b) 角速度 ( c) 角加速度 ( d) 工作空间对于动力学参数， 各杆的重力及惯性张量可由测量模块读取， 假设螺旋桨的最大进速为4 节( 1 节 = 1. 852 km /h) ， 螺旋桨转速 300 r /min， 螺旋桨叶直径 D = 250 mm， 由螺旋桨特征数据可以得到进速比 J0 = 0. 262 0， 由线性插值可得扭转系数Km = 0. 057 62。经计算得螺旋桨的水阻扭转力矩为Mp = 0. 057 62 1 000 0. 255 ( 300 /60) 2 =1. 406 7 Nm利用 Matlab 对该机构的动力学进行数值模拟，机构空载和负载情况下驱动关节所需转矩的变化曲线分别如图3-5a、7b所示。由图3-5可知，机构空载时，两驱动关节的输入转矩呈三角函数变化趋势，最大转矩约为410-3 Nm，在有水阻负载时，两驱动关节输入转矩的变化周期将会随负载变化，其最大转矩约为1. 41 Nm。 由数值模拟可知，将该球面机构用于矢量推进任务时，空载输入转矩占总输入转矩的比例较小。4三维建模及装配仿真设计是利用UG或Solidworks完成仿真造型，并作出运动仿真和爆炸图。我采用的是利用Solidworks进行仿真设计，SolidWorks与proe是两款被广泛应用的三维设计软件，在功能上大同小异但又各有千秋，下面简单地归纳一下SolidWorks与PROE的十处不同的地方。1.SolidWorks侧重于机械结构设计；PROE侧重模具与曲面设计。2.SolidWorks支持中文；PROE暂不支持中文文件夹和中文输入。3.SolidWorks有很完善的帮助系统，在使用中遇到问题时可以在帮助系统中搜索答案；PROE技巧性的东西很多，但却没有帮助系统，所以学习周期较长。4.SolidWorks父子关系与关联特征不太严格，绘制草图时不需要基准；PROE父子关系与关联特征则比较严格，绘制草图必需要有基准；5.SolidWorks草图中相交轮廓与开放草图轮廓都能拉伸成实体；PROE暂时不能实现；6.SolidWorks可以直接对面和实体进行旋转和移动的操作，PROE暂时不能实现。7.SolidWorks系统选项界面简单直观；PROE则相对繁琐，是PROE学习的一大难点，也是该软件的一大弱点。8.SolidWorks以上色方式处理螺纹，简单形象；PROE则必须完全画出，螺纹特征复杂占用较多内存，大型装配体中螺纹多会影响系统运行速度。9.SolidWorks可以在装配中直接复制零件；PROE则需要重新调入。10. SolidWorks提供了丰富的右键功能，通常情况下设计所需的大部分命令点击右键即可找到；PROE的右键功能则比较简单，影响设计效率的提升。4.1底板的三维建模按照底板尺寸设计出一个基圆，利用拉伸命令设计出阶台，阶台的作用是限制轴承的位置。选择基圆在草绘界面下按照数据画出渐开线，接着利用拉伸命令做出一个齿，可以利用轴阵列做出初体，最后从侧面选择一个基准面，按照咽喉母圆半径，画出圆，旋转剪切。底板建模如图4-1。4.2导向轮的三维建模使用基体旋转命令可以建立一个基础的模型，通过在所需平面建立草图建立其他的特征。最后使用倒角等命令完善这个三维的数模，最后得到导向轮的建模如图4-2所示。 图4-1底板建模 图4-2导向轮建模4.3 整体装配在对所有零件进行建模完成之后，将进行装配的过程。首先新建一个装配体的零件，使用插入零件功能将所需要装配的零件一个一个插入。在每个零件插入后，考虑其装配关系使用软件中的配合命令，将其进行装配，有些如齿轮之间有机械配合的需要添加机械配合确保其齿比及运动的形式。插入时需要注意先插入较大的基体零件，便于生成装配关系。部装装配如图4-3，总装配图建模如图4-4. 图4-3部装装配 图4-4总装配图建模总结四年的大学生活即将过去，毕业设计成为我在学生生涯中的最后一次作业。我非常珍惜这次机会，因为它不单纯是一次设计，更是作为我们学完全部基础和专业课程后的综合能力的检测。毕业设计充分体现了理论与实践相结合，使我加深了对理论知识的理解，加强了综合知识的运用能力，强化了生产实习的感性认识。在毕业指导老师的精心和耐心的指导下，我圆满地完成了毕业设计。转眼间毕业设计已接近尾声，回顾整个设计过程，我受益匪浅。此次毕业设计的课题有较强的生产实践性，它与本专业的许多课程有关联，所涉及的广泛内容包括：机械制图、机械设计、机械制造工程原理、公差与配合等。在这次毕业设计中，困难的出现与解决困难始终伴随着我。在制定方案和画图过程中遇到了种种问题，在自己的努力和指导老师的帮助下都得到了解决。在这次设计中，有时为了查找一种最佳的零件，能够不厌其烦的反复查找相关资料，直到满意为止，提高了独立思考问题的能力，也培养了自己严谨认真的作风。同时也使我对基本知识的综合运用能力以及正确处理所发生的问题的能力得到了不小的提高，这几年所学知识也得到了应用，当然在设计的过程中也深深的体会到自己所学知识的不足，希望经过此番锤炼得到进一步提高。这次毕业设计是在紧张、愉快的气氛中完成的，虽然辛苦但是收获丰富。它让我见识到了机械领域的博大精深，也督促我以后在工作岗位上要更加努力地学习和钻研专业知识。希望我所交的答卷能让老师们满意。致谢毕业设计很快就结束了，在指导教师娄天祥的亲切关怀和耐心指导下，我圆满地完成了以螺旋桨并联矢量转向机构设计为课题的毕业设计。