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1、動(dòng)態(tài)優(yōu)化的一種新型高速，高精度的三自由度機(jī)械手 彭蘭（蘭朋）②，魯南立，孫立寧，丁傾永 （機(jī)械電子工程學(xué)院，哈爾濱理工學(xué)院，哈爾濱 150001，中國(guó)） （Robotics In stitute 。Harbin In stitute of Tech no logy ， Harbi n 150001 ， P。R。 Chi na） 摘要 介紹了一種動(dòng)態(tài)優(yōu)化三自由度高速、高精度相結(jié)合，直接驅(qū)動(dòng)臂平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)和線 性驅(qū)動(dòng)器，它可以提高其剛度進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析軟件 ADAM仿真模擬環(huán)境中，進(jìn)行仿真 模擬實(shí)驗(yàn)?設(shè)計(jì)調(diào)查是由參數(shù)分析工具完成處理的，分析了設(shè)計(jì)變量的近似的敏感性， 包括影響參數(shù)的每道

2、光束截面和相對(duì)位置的線性驅(qū)動(dòng)器上的性能 ?在適當(dāng)?shù)姆绞较拢? 型可以獲得一個(gè)輕量級(jí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化和小變形的參數(shù)。 一個(gè)平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同截面是用來(lái)改 進(jìn)機(jī)械手的?結(jié)果發(fā)生明顯的改進(jìn)后的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析和另一個(gè)未精制一個(gè)幾乎是 幾乎相等?但剛度的改進(jìn)的質(zhì)量大大降低，說(shuō)明這種方法更為有效的。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手、ADAMS、 優(yōu)化、動(dòng)力學(xué)仿真 1 0簡(jiǎn)介 并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)械手（PKM是一個(gè)很有前途的機(jī)器操作和裝配的電子裝置， 因?yàn)樗麄冇? 一些明顯的優(yōu)勢(shì)，例如：串行機(jī)械手的高負(fù)荷承載能力，良好的動(dòng)態(tài)性能和精確定位的 優(yōu)點(diǎn)等.一種新型復(fù)合3 — DO臂的優(yōu)點(diǎn)和串行機(jī)械手，也是并聯(lián)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象， 三

3、自 由度并聯(lián)機(jī)器人是少自由度并聯(lián)機(jī)器人的重要類型。三自由度并聯(lián)機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制相對(duì) 容易，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。但由于它們比六自由度并聯(lián)機(jī)器人更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特 性，增加了這類機(jī)構(gòu)型綜合的難度，因此對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行型綜合具有理論意義和實(shí)際價(jià) 值。本文利用螺旋理論對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行型綜合，以總結(jié)某些規(guī)律，進(jìn)一步豐富型綜合理 論，并為新機(jī)型的選型提供理論依據(jù)， 以下對(duì)其進(jìn)行闡述。 如圖-1所示機(jī)械手組成的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)（PPM包括平行四邊形結(jié)構(gòu)和線性驅(qū)動(dòng)器安 裝在PPM兩直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)c整合交流電高分辨率編碼器的一部分作為驅(qū)動(dòng)平面并聯(lián)機(jī)械 裝置.線型致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的聲音

4、線圈發(fā)動(dòng)機(jī).這被認(rèn)為是理想的驅(qū)動(dòng)短行程的一部分.作為 一個(gè)非換直接驅(qū)動(dòng)類，音圈電機(jī)可以提供高位置敏感和完美的力量與中風(fēng)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(fù)性。 另一方面，該產(chǎn)品具有較高的剛度比串行機(jī)械手，因?yàn)樗奶攸c(diǎn)和低封閉環(huán)慣性轉(zhuǎn) 矩。同時(shí)，該系統(tǒng)可以克服了柔性耦合力學(xué)彈性、齒輪、軸承、被撕咬支持，連接軸和 其他零件，包括古典驅(qū)動(dòng)設(shè)備，因此該機(jī)械手是更容易得到動(dòng)力學(xué)性能好、精度高。 mtchjiiism 圖-1 3自由度的混合結(jié)構(gòu)的機(jī)械手 當(dāng)長(zhǎng)度的各個(gè)環(huán)節(jié)的平面并聯(lián)機(jī)時(shí)，構(gòu)決定于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和綜合 [4-7]，機(jī)械優(yōu)化設(shè) 計(jì)的首要任務(wù)，應(yīng)加大僵硬、降低質(zhì)量

5、?關(guān)于幾個(gè)參數(shù)模型?這是它重要和必要的影響， 研究了各參數(shù)對(duì)模型表現(xiàn)以進(jìn)一步優(yōu)化。本文就開(kāi)展設(shè)計(jì)研究工具，通過(guò)參數(shù)分析亞當(dāng) 斯，又要適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)獲得一個(gè)輕量級(jí)的優(yōu)化和小變形系統(tǒng)。 1仿真模型 ADAMS（Automatic Dyn amic An alysis Of Mecha nical System） 自動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 分析是一個(gè)完美的軟件，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬可處理機(jī)制包括有剛性和靈活的部分， 仿真模型可以創(chuàng)造出機(jī)械手的亞當(dāng)斯環(huán)境 如圖-2。OXY是全球性的參考幀，并OXY局 部坐標(biāo)系，兩個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、交流和 02M O1A表示，與線性驅(qū)動(dòng)器CH被視為剛性轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)傳

6、動(dòng)的120kg/cm2。大眾的線性驅(qū)動(dòng)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(gè)三角形，也被當(dāng)作柔性傳動(dòng)長(zhǎng)度 的鏈接是決定提前運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)為 AB =QF = 7cm DE=IJ=7cm GK=7cm GM=11.66cm,= 8.338cm。其它維度，這個(gè)數(shù)字是 OiA = 0 2M =7cm CB=CD=HJ 2.5cm EF=EG=JK= 3cm 雖然總平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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?yàn)樗慕巧诖怪睉冶哿旱慕孛娉叽缬?jì)算每一束平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)和相對(duì) 位置的線性驅(qū)動(dòng)器是兩個(gè)非常僵硬的影響因素的

7、系統(tǒng)。 運(yùn)動(dòng)支鏈可分為三類："主動(dòng)鏈（由驅(qū)動(dòng)器賦予確定獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的支鏈。 一般是單驅(qū)動(dòng) 器控制一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)），從動(dòng)鏈（不帶驅(qū)動(dòng)器、被迫作確定運(yùn)動(dòng)的支鏈。又分為以 下兩種：約束鏈：獨(dú)立限制機(jī)構(gòu)自由度的從動(dòng)鏈。冗余鏈：重復(fù)限制機(jī)構(gòu)自由度的從動(dòng) 鏈）復(fù)合鏈（有單驅(qū)動(dòng)器、但限制一個(gè)以上的機(jī)構(gòu)自由度的支鏈，實(shí)際是主動(dòng)鏈與約束 鏈的組合）-并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由這幾種支鏈用不同形式組合起來(lái)的。動(dòng)鏈中的約束鏈除了可 以提高機(jī)構(gòu)剛度和作為測(cè)量鏈外，其更主要的作用是用來(lái)約束動(dòng)平臺(tái)的某一個(gè)或幾個(gè)自 由度，以使其實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。 圖-2 仿真模型 2仿真模擬結(jié)果 在本節(jié)中，平均位移的末端是用來(lái)描述動(dòng)態(tài)剛度

8、，這是在不同的配置在不同的線性 驅(qū)動(dòng)器向前，從最初的位置的目的地，一般的豎向位移的機(jī)械手是作為目標(biāo)來(lái)研究豎向 剛度，平均差別的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)點(diǎn)之間有一個(gè)剛性數(shù)學(xué)模型，模型，作為目標(biāo)來(lái)研究 水平剛度。 并聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)即型綜合是并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，其目的是在給定所 需自由度和運(yùn)動(dòng)要求條件下，尋求并聯(lián)機(jī)構(gòu)桿副配置、驅(qū)動(dòng)方式和總體布局等的各種可 能組合。國(guó)內(nèi)的許多學(xué)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(jié)構(gòu)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(diǎn)，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

9、度出發(fā)，增加約束，去除不需要的自由度，因每條主動(dòng)鏈只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置， 讓其控制一個(gè)自由度，其余自由度通過(guò)純約束鏈去除，這樣可以使主、從動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈的作 用分離，運(yùn)動(dòng)解耦，有利于控制。具有三自由度的并聯(lián)機(jī)床，當(dāng)采用條主動(dòng)支鏈作為驅(qū) 動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)就需要約束另三個(gè)自由度，通過(guò)選擇無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置的從動(dòng)鏈來(lái)完成，則整個(gè)機(jī) 構(gòu)成為有確定運(yùn)動(dòng)的三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。 黃真等提出的約束綜合法對(duì)完全對(duì)稱的少自 由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了型綜合，完全對(duì)稱的支鏈結(jié)構(gòu)相同，都屬于復(fù)合鏈，每條支鏈除都有一 個(gè)單驅(qū)動(dòng)器，控制一個(gè)自由度外，還應(yīng)約束一個(gè)以上自由度才能使機(jī)構(gòu)的六個(gè)自由度全部受控，使 機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。 2.1截面效應(yīng)

10、扭轉(zhuǎn)變形位移的連結(jié)將會(huì)引起的，所以，扭轉(zhuǎn)常數(shù)的橫截面，重力是研究裝系統(tǒng)來(lái) 研究，采取扭轉(zhuǎn)剛度的垂直切片Ixx不變的各個(gè)環(huán)節(jié)和梁作為設(shè)計(jì)變量的變化， 從0.1 x 105mrm 與 3.5 x 10 5 urn 石如& Cl WI4 -C.W1* 0.X1B 打ms 垃腳T ■COCH? 乜眇B(yǎng) OD fii S 1 S 28 /jfi 34 Torsional conatanUi (tO^mm4) :/ffl -3不斷的效果在垂直變形扭轉(zhuǎn) 圖-3顯示了平均位移與截面扭轉(zhuǎn)常數(shù)末端的各個(gè)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GI梁

11、和KM有在豎向剛度性能。其他的仿真結(jié)果表 明，水平位移之間的差異進(jìn)行比較，結(jié)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(shí)候扭加載慣性力的線性驅(qū)動(dòng)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(chǎn)水平位移系統(tǒng)機(jī)械手。 注意端面線性驅(qū)動(dòng)器的主要原因是水平變 形、線性驅(qū)動(dòng)器機(jī)器人是由兩個(gè)節(jié)點(diǎn) C和H .所以，我們計(jì)算了不同的Z-coordinate攝 氏度之間，如圖所示，在圖4-扭轉(zhuǎn)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(yīng)采取AE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(zhuǎn)不變的鏈接德也使較少 的均勻性，降低線性驅(qū)

12、動(dòng)器不可以降低水平變形。 Mint OjF 2—ink AB J—link DE 4—Link U 5—bum 0K 6—bewnGM 7 bam KM 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(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)變量是區(qū)域剛度和慣性轉(zhuǎn)矩的各個(gè)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(zhuǎn)。這個(gè)Yxx AB 梁的鏈接，鏈接O3F是Iyy三個(gè)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(gè)主要因素決定的均勻性線性 傳動(dòng)裝置、不同的分析結(jié)果表明，Izz效果好，具有至少兩個(gè)垂直和水平剛度，這意味 著這種結(jié)構(gòu)

13、，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)。 QA E19 IP 1.5 2 0 2S Monkenuvfincnu (I(Awn〕 圖-5 瞬間的慣性效應(yīng)對(duì)垂直位移 fl 0 M omentB of mcrtia (1 (Jr mm*) I UnkOjF I泌DK 5—beamGK 7—'bcajii ICM 2—Jink AB 4_ ink U &—beam GM 圖-6 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不平衡的影響 2.2影響的線性驅(qū)動(dòng)器的相對(duì)位置 線性執(zhí)行器的慣性是主要載荷之一，在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，不同的相對(duì)應(yīng)的垂直位置

14、產(chǎn) 生不同的變形，圖7顯示了絕對(duì)平均的最終效應(yīng)垂直位移時(shí)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以恒定的加速度旋 轉(zhuǎn)，我們可以看到，過(guò)低或過(guò)高的相對(duì)位置會(huì)造成比格變形，最好的位置是一對(duì) Z = 24 毫米的地方大概是從中間環(huán)節(jié)連接 03F到AB. 宀 【j Euuuo￡a-!ap 7 # 圖-7 影響線性驅(qū)動(dòng)器的相對(duì)位置 # 3分析改進(jìn)的機(jī)械手 根據(jù)上述模擬結(jié)果，所有改進(jìn)的機(jī)械手的設(shè)計(jì)，時(shí)間如下：鏈接截面 AB DE IJ與30mm 的基礎(chǔ)和高度，10毫米的厚度；鏈接03F和矩形空心梁與 30mm的基礎(chǔ)和高度工型鋼，I0mm法蘭 和6mm網(wǎng);梁競(jìng)，通用汽車與8mm的堅(jiān)實(shí)基

15、礎(chǔ)和30mm高的矩形。 圖-8 梯形運(yùn)動(dòng)姿態(tài) 圖-9中回應(yīng)的是機(jī)械手， 相比之下，圖-10中提高初始的反應(yīng)， 在其中所有的鏈接和機(jī)械手的矩 形截面梁的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，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(jìn)系統(tǒng)中最大位移 0.7Um最初的0.12Um相比，爭(zhēng)論的振動(dòng)激勵(lì)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?yàn)樵谙嗤牟椒ゲ粩嗉涌欤?保持振動(dòng)瓣膜差不多一樣，它對(duì)這整個(gè)系統(tǒng)中來(lái)說(shuō)，仍然改善系統(tǒng)的剛度，幾乎相當(dāng)于初始制度， 針對(duì)大規(guī)模的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)在該系統(tǒng)相比下降了 30%，這樣的

16、初始優(yōu)化是有效的。 8 >1^.9 IhiiAmits jv.pansfi 七E旦 一 (arm) Fig. W DyrwmK?導(dǎo) rmpu】代 圖-9、 圖-10 動(dòng)態(tài)響應(yīng) 9 4 結(jié)論 本文設(shè)計(jì)了一種新型三自由度機(jī)械手變量的敏感性進(jìn)行了研究在 ADAMS環(huán)境中, 可以得出以下結(jié)論： 1） 機(jī)器人具有較大的水平剛度，最終水平位移，效應(yīng)主要是由機(jī)械手垂直變形造成的， 因此，更

17、重要的是增加的幅度比剛度豎向剛度。 2） 參數(shù)Ixx，lyy并鏈接'截面剛度Izz有不同的效應(yīng)，lyy已經(jīng)對(duì)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(duì)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(yīng)該使用區(qū)扭轉(zhuǎn)常數(shù)和 慣性力矩大，如變形、長(zhǎng)方形、橫梁 KM ,，線03F應(yīng)該使用區(qū)段形梁等重大時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng) 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(zhì)量。 4） 最佳的線性驅(qū)動(dòng)器的相對(duì)位置可以減少變形，最好的位置是垂直的平行結(jié)構(gòu)。 5） 改進(jìn)的機(jī)械手的動(dòng)態(tài)分析表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究的基礎(chǔ)上的效率。

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