人工關節(jié)仿生試驗機液壓加載系統(tǒng)的設計,人工關節(jié)仿生試驗機液壓加載系統(tǒng)的設計,人工關節(jié),仿生,試驗,實驗,液壓,加載,系統(tǒng),設計 動態(tài)優(yōu)化的一種新型高速，高精度的三自由度機械手① 彭蘭（蘭朋）②，魯南立，孫立寧，丁傾永 (機械電子工程學院，哈爾濱理工學院，哈爾濱 150001，中國) ( Robotics Institute。Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，P。R。China) 摘要 介紹了一種動態(tài)優(yōu)化三自由度高速、高精度相結合，直接驅動臂平面并聯(lián)機構和線性驅動器，它可以提高其剛度進行了動力學分析軟件ADAMS仿真模擬環(huán)境中，進行仿真模擬實驗.設計調查是由參數(shù)分析工具完成處理的，分析了設計變量的近似的敏感性，包括影響參數(shù)的每道光束截面和相對位置的線性驅動器上的性能.在適當?shù)姆绞较?，模型可以獲得一個輕量級動態(tài)優(yōu)化和小變形的參數(shù)。一個平面并聯(lián)機構不同截面是用來改進機械手的.結果發(fā)生明顯的改進后的系統(tǒng)動力學仿真分析和另一個未精制一個幾乎是幾乎相等.但剛度的改進的質量大大降低，說明這種方法更為有效的。 關鍵詞: 機械手、 ADAMS、 優(yōu)化、 動力學仿真 0 簡介 并聯(lián)結構機械手（PKM）是一個很有前途的機器操作和裝配的電子裝置，因為他們有一些明顯的優(yōu)勢，例如：串行機械手的高負荷承載能力，良好的動態(tài)性能和精確定位的優(yōu)點等. 一種新型復合3一DOF臂的優(yōu)點和串行機械手，也是并聯(lián)機構為研究對象，三自由度并聯(lián)機器人是少自由度并聯(lián)機器人的重要類型。三自由度并聯(lián)機器人由于結構簡單，控制相對容易，價格便宜等優(yōu)點，具有很好的應用前景。但由于它們比六自由度并聯(lián)機器人更復雜的運動特性，增加了這類機構型綜合的難度，因此對三自由度并聯(lián)機器人進行型綜合具有理論意義和實際價值。本文利用螺旋理論對三自由度并聯(lián)機器人進行型綜合，以總結某些規(guī)律，進一步豐富型綜合理論，并為新機型的選型提供理論依據(jù)，以下對其進行闡述。 如圖-1所示 機械手組成的平面并聯(lián)機構(PPM)包括平行四邊形結構和線性驅動器安裝在PPM.兩直接驅動電機c整合交流電高分辨率編碼器的一部分作為驅動平面并聯(lián)機械裝置.線型致動器驅動的聲音線圈發(fā)動機.這被認為是理想的驅動短行程的一部分.作為一個非換直接驅動類，音圈電機可以提供高位置敏感和完美的力量與中風的角色，高精密線性編碼作為回饋部分保證在垂直方向可重復性。 另一方面，該產品具有較高的剛度比串行機械手，因為它的特點和低封閉環(huán)慣性轉矩。同時，該系統(tǒng)可以克服了柔性耦合力學彈性、齒輪、軸承、被撕咬支持，連接軸和其他零件，包括古典驅動設備，因此該機械手是更容易得到動力學性能好、精度高。 圖-1 3自由度的混合結構的機械手 當長度的各個環(huán)節(jié)的平面并聯(lián)機時，構決定于運動學分析和綜合[4-7]，機械優(yōu)化設計的首要任務，應加大僵硬、降低質量.關于幾個參數(shù)模型.這是它重要和必要的影響，研究了各參數(shù)對模型表現(xiàn)以進一步優(yōu)化。本文就開展設計研究工具，通過參數(shù)分析亞當斯，又要適當?shù)姆绞絹慝@得一個輕量級的優(yōu)化和小變形系統(tǒng)。 1 仿真模型 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis 0f Mechanical System)自動機械系統(tǒng)動力學分析是一個完美的軟件，對機械系統(tǒng)動力學模擬可處理機制包括有剛性和靈活的部分，仿真模型可以創(chuàng)造出機械手的亞當斯環(huán)境 如圖-2。OXYz是全球性的參考幀，并OXYz局部坐標系，兩個直流驅動電機、交流和02M O1A表示，與線性驅動器CH被視為剛性轉子轉動慣量電機傳動的120kg/cm2。大眾的線性驅動器是1.5kg，連接AB、德、03F和LJ被視為柔性體立柱、橫梁GK，通用公司和公里，形成一個三角形，也被當作柔性傳動長度的鏈接是決定提前運動學設計為AB =O3F = 7cm，DE=IJ=7cm，GK= 7cm，GM =11.66cm， = 8.338cm。其它維度，這個數(shù)字是01A = 02M =7cm，CB=CD=HJ 2.5cm。EF=EG=JK= 3cm。 雖然總平面并聯(lián)機構的運動都是在水平、垂直和水平剛度必須在豎向剛度特征通常低于水平僵硬，因為它的角色在垂直懸臂梁的截面尺寸計算每一束平面并聯(lián)機構和相對位置的線性驅動器是兩個非常僵硬的影響因素的系統(tǒng)。 運動支鏈可分為三類："主動鏈（由驅動器賦予確定獨立運動的支鏈。一般是單驅動器控制一個自由度的運動），從動鏈（不帶驅動器、被迫作確定運動的支鏈。又分為以下兩種：約束鏈：獨立限制機構自由度的從動鏈。冗余鏈：重復限制機構自由度的從動鏈）復合鏈（有單驅動器、但限制一個以上的機構自由度的支鏈，實際是主動鏈與約束鏈的組合）-并聯(lián)機構是由這幾種支鏈用不同形式組合起來的。動鏈中的約束鏈除了可以提高機構剛度和作為測量鏈外，其更主要的作用是用來約束動平臺的某一個或幾個自由度，以使其實現(xiàn)預期的運動。 圖-2 仿真模型 2 仿真模擬結果 在本節(jié)中，平均位移的末端是用來描述動態(tài)剛度，這是在不同的配置在不同的線性驅動器向前，從最初的位置的目的地，一般的豎向位移的機械手是作為目標來研究豎向剛度，平均差別的橫坐標、縱坐標點之間有一個剛性數(shù)學模型，模型，作為目標來研究水平剛度。 并聯(lián)機器人的構型設計即型綜合是并聯(lián)機器人設計的首要環(huán)節(jié)，其目的是在給定所需自由度和運動要求條件下，尋求并聯(lián)機構桿副配置、驅動方式和總體布局等的各種可能組合。國內的許多學者正致力于這方面的研究，其中比較有代表性的有如下幾種方法："黃真為代表的約束綜合法；楊廷力等人的結構綜合法；代表的李代數(shù)綜合法。以上各種方法自成體系，各有特點，都缺乏理論的完備性。本文提出添加約束法，是從限制自由度的角度出發(fā)，增加約束，去除不需要的自由度，因每條主動鏈只有一個驅動裝置，讓其控制一個自由度，其余自由度通過純約束鏈去除，這樣可以使主、從動運動鏈的作用分離，運動解耦，有利于控制。具有三自由度的并聯(lián)機床，當采用條主動支鏈作為驅動時，機構就需要約束另三個自由度，通過選擇無驅動裝置的從動鏈來完成，則整個機構成為有確定運動的三自由度的并聯(lián)機構。黃真等提出的約束綜合法對完全對稱的少自由度并聯(lián)機器人機構進行了型綜合，完全對稱的支鏈結構相同，都屬于復合鏈，每條支鏈除都有一個單驅動器，控制一個自由度外，還應約束一個以上自由度才能使機構的六個自由度全部受控，使機構有確定的運動。 2.1 截面效應 扭轉變形位移的連結將會引起的，所以，扭轉常數(shù)的橫截面，重力是研究裝系統(tǒng)來研究，采取扭轉剛度的垂直切片lxx不變的各個環(huán)節(jié)和梁作為設計變量的變化，從 0.1 x 105mm4 與 3.5 x 105 mm4。 圖-3 不斷的效果在垂直變形扭轉 圖-3顯示了平均位移與截面扭轉常數(shù)末端的各個環(huán)節(jié)和梁，根據(jù)它的變化速率的環(huán)節(jié)，是最大的，AB是鏈接，LJ依次分別GK梁和KM有在豎向剛度性能。其他的仿真結果表明，水平位移之間的差異進行比較，結果表明該模型體育智力H和剛性模型變化小就改變了恒定不變的時候扭加載慣性力的線性驅動器，但是水平位移的變化，這意味著在這種模擬豎向變形的生產水平位移系統(tǒng)機械手。注意端面線性驅動器的主要原因是水平變形、線性驅動器機器人是由兩個節(jié)點C和H . 所以，我們計算了不同的Z-coordinate攝氏度之間，如圖所示，在圖4 -扭轉常數(shù)的影響差別的鏈接德。其次是最有效的通用和連接梁，連接O3F，梁GK有效果。 因此，應采取AB和連接區(qū)段大扭常數(shù)的免疫力，豎向剛度較大并行扭轉不變的鏈接德也使較少的均勻性，降低線性驅動器不可以降低水平變形。 圖-4 在不影響扭不變 如圖-5、6所展示的影響是區(qū)域慣性轉矩的設計變量是區(qū)域剛度和慣性轉矩的各個環(huán)節(jié)和梁lz，圖顯示增加lw卡爾減少的速度高于垂直位移的不斷增加Ixx扭轉。這個Yxx AB、梁的鏈接，鏈接O3F是Iyy三個主要因素決定了豎向剛度。 圖-6 所示 鏈接的AB、梁公里，連接03F也是其中的三個主要因素決定的均勻性線性傳動裝置、不同的分析結果表明，Izz效果好，具有至少兩個垂直和水平剛度，這意味著這種結構，具有足夠的水平，降低Izz剛度的鏈接和增加Iyy AB、梁的鏈接，鏈接O3F公里的好方法，優(yōu)化系統(tǒng)。 圖-5 瞬間的慣性效應對垂直位移 圖-6 轉動慣量不平衡的影響 2.2影響的線性驅動器的相對位置 線性執(zhí)行器的慣性是主要載荷之一，在機械手的運動，不同的相對應的垂直位置產生不同的變形，圖7顯示了絕對平均的最終效應垂直位移時驅動馬達以恒定的加速度旋轉，我們可以看到，過低或過高的相對位置會造成比格變形，最好的位置是一對Z = 24毫米的地方大概是從中間環(huán)節(jié)連接O3F到 AB. 圖-7 影響線性驅動器的相對位置 3 分析改進的機械手 根據(jù)上述模擬結果，所有改進的機械手的設計，時間如下：鏈接截面AB，DE，lJ 與30mm的基礎和高度，10毫米的厚度;鏈接O3F和矩形空心梁與30mm的基礎和高度工型鋼，l0mm法蘭和6mm網(wǎng);梁競，通用汽車與8mm的堅實基礎和30mm高的矩形。 圖-8 梯形運動姿態(tài) 圖-9中回應的是機械手，相比之下，圖-10中提高初始的反應，在其中所有的鏈接和機械手的矩形截面梁的堅實基礎，用30毫米，高度的差異是曲線，C和H的曲線積分，二是垂直位移的末端，改進系統(tǒng)中最大位移0.7Um最初的0.12Um相比，爭論的振動激勵后仍停留在O.06Um±0.15% s±O.05Um相比的初始變形改善系統(tǒng)的初始小于前者具有較少的慣性，因為在相同的步伐不斷加快，保持振動瓣膜差不多一樣，它對這整個系統(tǒng)中來說，仍然改善系統(tǒng)的剛度，幾乎相當于初始制度，針對大規(guī)模的平面并聯(lián)機構在該系統(tǒng)相比下降了30%，這樣的初始優(yōu)化是有效的。 圖-9 、 圖-10 動態(tài)響應 4 結論 本文設計了一種新型三自由度機械手變量的敏感性進行了研究在ADAMS環(huán)境中，可以得出以下結論： 1） 機器人具有較大的水平剛度，最終水平位移，效應主要是由機械手垂直變形造成的，因此，更重要的是增加的幅度比剛度豎向剛度。 2） 參數(shù)Ixx，Iyy并鏈接'截面剛度Izz有不同的效應，Iyy已經對垂直剛度的影響最大，Ixx在第二位的是，Ixx具有在垂直剛度的影響最小，他們都較少對水平比垂直剛度剛度。 3） 橫截面的不同環(huán)節(jié)都有不同的影響，連線豎向剛度AB和德應該使用區(qū)扭轉常數(shù)和慣性力矩大，如變形、長方形、橫梁KM，，線 03F應該使用區(qū)段形梁等重大時刻轉動慣量、橫梁GK，和GM 可以使用盡可能的一小部分，從而降低了質量。 4） 最佳的線性驅動器的相對位置可以減少變形，最好的位置是垂直的平行結構。 5） 改進的機械手的動態(tài)分析表明該優(yōu)化設計方法研究的基礎上的效率。 參考文獻 [ l ] Dasgupta B，Mmthyunjayab T S。 The Stewart platform manipulator：a review。Mechat~m and Machine Theory，200o。35 (1)：15—40 [ 2 ] Xi F，Zhang D，Xu Z，et al。A comparative study on tripod u ts for machine Lo0ls。Intemational Journal of Machine TooLs&Manufacture，2003，43(7)：721—730 [ 3 ] Zhang D，Gosselin C M。Kinetostatic analysis and optimization of the Tricept machine tool 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