三自由度Delta并聯(lián)機器人的設計與仿真

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1、目錄 摘要 2 第1章 引言 3 1.1. 我國機器人研究現(xiàn)狀 3 1.2. 工業(yè)機器人概述： 4 1.3. 本論文研究的主要內容 4 第2章 機器人方案的設計 9 2.1. 機器人機械設計的特點 9 2.2. 與機器人有關的概念 10 2.3. 工業(yè)機器人的組成及各部分關系概述 12 2.4. 工業(yè)機器人的設計分析 13 2.5. 方案設案 13 2.6. 自由度分析 14 2.7. 機械傳動裝置的選擇 15 2.7.1. 滾珠絲杠的選擇 15 第3章 零部件設計與建模 18 3.1. Croe軟件介紹 18 3.2. 關鍵零部件建模 18 3.3. 各部

2、分的裝配關系 25 第4章 仿真分析 29 第5章 致謝 33 參考文獻 33 摘要 工業(yè)技術水平是工業(yè)用機器人現(xiàn)代化水平的重要指標，從研究和研究領域發(fā)展的結論，提高現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的要求，提高產(chǎn)業(yè)控制和控制任務的復雜性，提出了很高的要求。理論上，我國末期輸送能力和定位精確度高、小誤差、慣性誤差、反應速度快、工業(yè)工作并行、快速準確、現(xiàn)有工業(yè)工程預計會進一步增加，本文將研究并行研究、實用化并行以企業(yè)工學實用化為目標。從摩擦接口、外亂和不確定性來看，如果沒有連鎖和動力學模型化的負擔，傳統(tǒng)的控制戰(zhàn)略將難以得到基于控制有效性模型的預期。通常，與一系列平行于更復雜的運動模型相比，動態(tài)測試和控制機制

3、將更加復雜。因此，有必要研究并聯(lián)機構的動力學建模及其控制問題。 這是一個新的機器人，機器人的剛性。承載能力高。高精度。小負荷的重量。具有良好的性能和廣泛的應用，是robotów.spokojnie系列的補充。有一個固定的一部分，在特點和實驗室條件下的動力學加速度（重力加速度），.終端控制機制，原來的三角洲是最有效的機制平行安裝“電子項目機器人是機器人的控制和規(guī)劃動力學研究的基礎上，發(fā)揮著重要的作用，在“.badania kinematyk?反向動力學和由簡單到przodu.odwrotnie相對平行前進，kinematyk?相對skomplikowane.na結構分析的基礎上，建立了三角洲機

4、器人模型，機器人的機器人。stkich部分的位置，以確定在平臺和動態(tài)方程的向量之間的關系，是平臺機構的位置方程，這是在相反的位置移動到正確的解決方案，給出了方程的基礎上，三角洲機器人的位置，是解決方案的一部分，在組織機構的速度和加速度基于工業(yè)技術平行機制，工業(yè)工作認同其多樣性，于是開始使用并行機制，目前不構成有效的控制方法，取得更好的結果，參照其機構控制系統(tǒng)，優(yōu)化基本工業(yè)技術用言及了。 關鍵詞： 機器人，方案，設計，仿真, :新型 3-DOF 并聯(lián)機構 Abstract The technical level of agricultural robots is an import

5、ant symbol of a country's agricultural modernization level. With the continuous expansion of the research and application fields of agricultural robots, the requirements of modern agricultural operations are constantly improving, and the complexity of control tasks is increasing. Higher performance

6、requirements are put forward for agricultural robots and their control. Compared with the series mechanism commonly used in general robots, in theory, parallel mechanism has many advantages, such as strong bearing capacity, high positioning accuracy, small inertia of end components, no cumulative er

7、ror and fast response speed. Agricultural robots based on parallel mechanism are expected to further improve the operation of existing agricultural robots in the need of high-speed and high-precision agricultural engineering applications. Performance. This paper focuses on the research of parallel m

8、echanism, in order to lay a foundation for further realizing the practical application of parallel robot in agricultural engineering. From the point of view of control, parallel mechanism is a complex spatial multi-chain mechanism with multi-variable and multi-parameter coupling. Influenced by uncer

9、tain factors such as mechanism parameters, unmodeled dynamics, load disturbance, mechanism joints, servo friction and external disturbance, traditional control strategies are difficult to achieve the desired control effect. The control based on dynamic model can meet the high performance of parallel

10、 mechanism. The dynamic model of parallel mechanism is usually more complex than that of series mechanism. Therefore, it is necessary to study the dynamic modeling and control of parallel mechanism. Parallel robot is a new kind of human robot. It has a series of advantages, such as high stiffness,

11、 strong carrying capacity, high precision, low self-weight load ratio, good dynamic performance, and so on. It complements the series robot widely used at present, thus expanding the application field of robot. "Delta parallel robot is the most typical three-degree-of-freedom mobile parallel mechani

12、sm in space, and the overall structure of Delta mechanism." Simple! Compact, the driving parts are all distributed on the fixed platform. These characteristics make it have good kinematics and dynamics characteristics. Under the experimental conditions, the terminal control acceleration can reach 5.

13、09 - (gravity acceleration). "A lot of practice has proved that Delta mechanism is one of the most successful parallel mechanisms designed so far." At present, Delta parallel robot has been widely used in cosmetics packaging and pharmaceuticals! The assembly of electronic products "Robot kinematics

14、is the basis of robot dynamics! Robot control and planning, which plays an important role in robot research" Kinematics research includes forward kinematics and reverse kinematics. For parallel robot, its reverse kinematics is relatively simple and forward kinematics is complex. "This paper studies

15、the kinematics of Delta robot with three degrees of freedom". The structure of Delta robot is analyzed, the kinematics model is established, and the spatial position and posture of each component are determined. Based on the vector relationship between the moving platform and the static platform and

16、 the constraint equation of the mechanism, the kinematics equation of the mechanism is established, the inverse position solution formula is deduced, and the numerical solution of the forward position solution is given. On the basis of the inverse position solution equation, the working space of Del

17、ta robot is analyzed. The Jacobian matrix of the mechanism is derived, and the velocity and acceleration are solved. The application of agricultural robots based on parallel mechanisms in agricultural engineering has just started. Due to the diversity of parallel mechanisms, there is no recognized

18、 effective control method. Considering that sliding mode control does not require precise mathematical model of the controlled object, is insensitive to external disturbances and parameter changes of the system, and is easy to implement, this paper studies and explores a variety of sliding mode cont

19、rol methods for a new type of 3-DOF driven redundant parallel mechanism, in order to find a control scheme with better comprehensive performance, so as to lay a foundation for the practical application of the mechanism in agricultural engineering. Basics. Key words: robot, scheme, design, simula

20、tion,: new 3-DOF parallel mechanism 第1章 引言 。 在過去的20年里，由于各個領域的不同目的，機器人在各種領域都得到了飛速的發(fā)展，在我們國家，使用機器人的發(fā)達國家，因此與機器人的不同目的，有些差異，尤其是研究和設計的機器人應用的擴展產(chǎn)業(yè)用機器人、機器人具有實用意義。 文獻主要包括以下研究。 (1) 第一，設定分析機構的特征、活動和自由度的原則。第二，基于限制的機制參數(shù)，用于建立與機構、代理商其工作的速度的模型；白矩陣最后分析為不必要的平行并在空間內的異點。 (2) 對于并聯(lián)機構，對于基于并行控制戰(zhàn)略的機構，即使不考慮運動模型和非線性關節(jié)機制

21、，也常常難以確保其控制機制迅速的操作，基于精度檢查之間的集中關系的動力學、模型的動態(tài)穩(wěn)定性測試；并行控制用于實施的機構控制：結構和機構由分支鏈接關閉，分支鏈接難以建立精確模型的動力學和更復雜的結構，并且必須根據(jù)控制方法有效性控制模型建立盡可能精確的控制方法。有。首先，根據(jù)新標準的動態(tài)學建立記憶機制和工作崗位的方法，關于基于新標準的動力學模型機制的不必要的試驗實機以外的控制模式的動態(tài)管理·實施研究，對相當于約束的軸的整體的力量帶來優(yōu)化。在實時、機構等中，在實時、機構等中，為了確立控制模型的動態(tài)的機構。通過模擬主要組件、模擬和解析，提出了基于通過創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡模型和補償模型的動態(tài)補償模型的簡單方法，

22、最后驗證模型的pd模擬控制系統(tǒng)是精度誤差簡化補償?shù)挠行浴? (3) 考慮到基于動力學計算負擔和運動模型、重量、高速實時控制系統(tǒng)建立的條件，并且考慮到免除的影響，分支鏈和其他機構可免除獨立執(zhí)行測試和控制測試；t可通過動態(tài)控制來設置。計了。使用分支的碳鏈，使用分支的碳鏈，設計用于估計不確定性和外亂的大的系統(tǒng)，給與那個位置關聯(lián)的控制系統(tǒng)的有效性帶來壞影響。在控制鏈動力學的調查中，釋放出的控制鏈考慮到動力學的高速平行，從而導致極端內部生命干擾的結果，甚至造成損害，甚至引起重大變形。 (4) 基于上述控制，使用動態(tài)控制方式的冗余單元的欠缺，考慮到分支之間的相互作用的欠缺，由于所有的單元都是冗余的，

23、因此沒有冗余性，進一步改進使處理速度和實時在一定程度上增加的精度控制系統(tǒng)基于簡化控制誤差和同步法的動態(tài)模式試驗模型的建立，顯示了由于控制誤差的基礎和動態(tài)的增加而設計的精度。各部門，用于準確地通過前列諾夫改善并行性的機構之間的同步、其穩(wěn)定性的方法。 (5) 上述基于同步耦合誤差的動力學滑模控制方法，可進一步提高并聯(lián)機構的運動控 制精度，但其快速性和實時性有所降低。為尋求一種綜合性能較優(yōu)的控制方案，本文提出 一種解耦非奇異終端滑?？刂品椒?，即：針對所建立并聯(lián)機構動力學模型，提取出各支路 間的耦合作用力和重力項，將整體系統(tǒng)解耦為三個基于笛卡爾空間的完全獨立的線性子?；谏鲜鰪秃险`差法的動力學，并

24、行控制可提高業(yè)務控制的精度，并行控制可迅速且實時地削減。為了導出重力和全系統(tǒng)協(xié)調的模型和從生產(chǎn)到支付的分離模型，在與各分支平行地、基于長笛獨立的三個空間中，分別控制線性系統(tǒng)和子系統(tǒng)，改善控制系統(tǒng)。迅速且實時。適當?shù)?，以快速和實時方式完善每個項目的控制子系統(tǒng)和機制控制系統(tǒng)。同時，考慮到上述免除，通過引進神經(jīng)網(wǎng)絡，在連接線和重力補償?shù)慕稽c上，提高免除系統(tǒng)的效率，采用了分支力學的分支鏈缺乏系統(tǒng)的油動力學，控制系統(tǒng)為了改善收斂的控制，終端控制算法并不能從終端的研究和設計的角度出發(fā)，在有限的時間內，它們不能從生產(chǎn)量中分離出來（方法，終端管理模擬，比大學Doctorate Controller IIII）

25、更好基于動態(tài)控制，基于業(yè)務控制采用的冗余分支不存在，檢查同步和故障分離的動態(tài)學的方法不是終端。實驗結果驗證表 明：與冗余支鏈采用動力學控制、非冗余支鏈采用運動學控制的控制方法和基于同步耦合 誤差的動力學滑?？刂破飨啾?，所提出解耦非奇異終端滑?？刂破骶哂休^優(yōu)的綜合性能。 本文的研究工作為工業(yè)并聯(lián)機器人的控制理論研究及并聯(lián)機構在工業(yè)工程中的實際 應用奠定了基礎。 1.1. 我國機器人研究現(xiàn)狀 程序設計是基于自動控制來執(zhí)行操作或移動機械裝置的工作。最新科研、力學成果，是現(xiàn)代技術開發(fā)領域最為活躍的國家機器人研發(fā)、生產(chǎn)、應用，吸引了更多的關注。從1980年代初開始。機器人領域的研究和應用的年代，各種

26、用途的機器人在各個領域廣泛獲得應用。我國是從 20 世紀80 年代開始涉足機器人領域的研究和應用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關計劃。1987 年，我國的“863”計劃將機器人方面的研究列入其中。目前，我國從事機器人的應用開發(fā)的主要是高校和有關科研院所。最初我國在機器人技術方面的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術，隨后，我國在機器人技術及其應用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學研制的兩足步行機器人，北京自動化研究所1993 年研制的噴涂機器人，1995 年完成的高壓水切割機器人，國家開放實驗和研究單位沈陽自動化研究所研制的有纜深潛300m 機器人，無纜深潛機器人，遙

27、控移動作業(yè)機器人，2000 年國防科技大學研制的兩足類人機器人，北京航空航天大學研制的三指靈巧手，華南理工大學研制的點焊、弧焊機器人，以及各種機器人裝配系統(tǒng)等。我國目前擁有機器人 4000 臺左右，主要在工業(yè)發(fā)達地區(qū)應用，而全世界應用機器人數(shù)量為83 萬臺，其中主要集中在美國 那個從80年代初期開始在中國。中國的研究計劃，占據(jù)了中國的機器人863的研究計劃。首要目標是跟隨國際先進機器人工程，并在中國工作、技術、應用方面取得了巨大的成功。由Radio、汽車研究所開發(fā)的國立研究實驗單位，沈陽的工作開幕深藏電纜潛艇機器人無電纜、300、機器人、移動機器人、2000國防部。航空宇宙大學機器人保留著雙

28、手的屏蔽空間，機器人有自動化的收藏系統(tǒng)等。目前，機器人主要應用于工業(yè)地區(qū)、工作領域、以及世界各地，在美國、日本等工業(yè)國家中，主要工作和工作都不好。發(fā)達國家還是有差距的。到目前為止，一般產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)業(yè)、國家防衛(wèi)、日常生活等多個領域都創(chuàng)建了[ 1 ]。相對的交通和空間可以分為鏈接、表面和空間的機制之間的鏈接。您可以將該連接分割為開放網(wǎng)絡的機構和關閉電路。運動。鏈子和情侶的封閉部分的數(shù)量是不一樣的。機器人的研究機制，是機器人的研究機制。機器人是60年代開始系統(tǒng)的研究的主要目標之一。這個研究在機器人領域的機構組織上被非常傳統(tǒng)地決定。當您想要擴展應用程序時，是“機器人空間”將嘗試在新配置中提示新的應用程序。

29、 在發(fā)展中國家，關于發(fā)達國家的工作和研究在中國，還有一些落差。到目前為止，一般產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)業(yè)、國家防衛(wèi)、日常生活等多個領域都創(chuàng)建了[ 1 ]。相對的交通和空間可以分為鏈接、表面和空間的機制之間的鏈接。您可以將該連接分割為開放網(wǎng)絡的機構和關閉電路。運動。鏈子和情侶的封閉部分的數(shù)量是不一樣的。機器人的研究機制，是機器人的研究機制。機器人是60年代開始系統(tǒng)的研究的主要目標之一。這個研究在機器人領域的機構組織上被非常傳統(tǒng)地決定。當您想要擴展應用程序時，是“機器人空間”將嘗試在新配置中提示新的應用程序。 1.2. 工業(yè)機器人概述： 產(chǎn)業(yè)界廣泛應用于產(chǎn)業(yè)用機器人工廠。在環(huán)境中的工業(yè)用機器人工廠，一般指

30、代替材料，進行自動化，或者零部件的一部分，或者零部件的一部分搬運，加工，組裝，機器人。JSCU可編程、多功能機器操作自由。機器人操作、機械、設備或其他操作對象功能的空間內，可以保存各種任務的材料、零件和工具，并且通常定義為4-6自由度的運動手臂?？臻g2～3自由度決定效果的位置和效果空間的2～3自由度。與世界上最具發(fā)展中國家產(chǎn)業(yè)機器人相比，我國的研究更注重對四位產(chǎn)業(yè)政策和工作模式的研究，與帶動產(chǎn)業(yè)機械國家一起推出動態(tài)建模的新機制國家發(fā)展迅速，第一所中國研究所是工業(yè)機器人之一，是開發(fā)單位、蔬菜、預防接種水果、技術領域[ 23 ]（南京大學，此后在上海、Jiaotong大學進行研究-大學森林研究所、

31、研究所、研究所這是因為，該研究機構正在開發(fā)機器人戰(zhàn)爭[ 25 ]、受精、機器人預防接種、崗位作業(yè)、水果、蔬菜[ 26 ][ 28 ][ 28 ]的農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品分類、或者機器人材料分類、機器人材料移植等。從哪個分析的結果得到的結果。更成熟的產(chǎn)業(yè)機器人不能用GANIA . Robot系列的機器人和機器人分類，從理論上來說，強有力的運輸能力，與國家末期平行、定位精度、小精度、小精度、小精度交通等障礙慣性。另外，由于產(chǎn)業(yè)用機器人的機構（10）并行化的反應速度，要求產(chǎn)業(yè)用工程機器人迅速準確地改善現(xiàn)有應用。產(chǎn)業(yè)基礎工程專業(yè) 。 1.3. 本論文研究的主要內容 作者系統(tǒng)學習了機器人技術的知識，工作內

32、容多參照國內外尤其是現(xiàn)在的情況、產(chǎn)業(yè)機器人。這個基礎和項目的作者，在前提下，主要需要工作來解決以下任務。 (1) 進行機器人本體結構的方案創(chuàng)成、分析和設計 1.1 空間單閉鏈機構研究概況 在機構學中，一般使用符號來表示運動副種類。運動副符號R、C、P、S、H分別表示旋轉副、圓筒副、移動副、球面副、螺旋副。空間單個封閉機構通常由諸如RSR之類的運動子符號的一列來表示。這不僅反映了便利，還反映了空間機構的主要特點。第一符號表示連接機架和輸入桿的運動副，最后是連接輸出部件(被動部件)的運動副[27]。 在空間機構的研究中，提出了各種空間單閉鏈機構和超張緊機構[5,27-33]，并提出了連桿機

33、構的理論依據(jù)，為連桿機構的實際應用提供了一種替代方案。如表1-1所示，張毅（5）合成了一種簡單地相對于自由空間1閉合鏈的機制。因此，根據(jù)自由度對運動的子類別進行分類，從這個表中可以看出，由于同一機構中閉合約束的數(shù)量相同，運動的子類別越高，配置機構所需的成員數(shù)量越少，成員數(shù)量越多，并且運動子是一種特殊的運動子，通過滿足條件，可以構造出具有不同約束數(shù)的機構[5]。主要采用空間單封閉機構。1。廣泛應用于輕工機械（如縫紉機、紡紗機、鞋等）2。三。一些飛機和汽車，主要用于飛機機翼操作，車輪縮放和車輛傳動，轉向機構。4。5。其他機器和儀器。 1.1.1 空間三桿機構及其應用 空間三桿機構是最簡單的單

34、鏈空間機構。如圖1-1所示，為典型的空間三桿CSS和CCS機構34，圖1-1a為空間三桿CSS機構，兩個球面沉降之間存在局部自由度。圖1-1b是一個空間三桿CCS機構，可在需要球形軌道時使用。 1.1.2 空間四桿機構及其應用 常見的空間四桿機構有4R[35]、RCSR[36]、RSSP[37]、RCCC[38-45]、RCCR[44, 46-53]、RSCR[54]、RRSS[55-58]、RSSR[38, 59-66]、RSCP[54, 67]、RRSC[34, 67, 68]、RCCP[44, 69]、RPSC[28,70]、CSSP[54]、CSSP[54]、RSSP[37, 71

35、, 72]。圖1-2所示為其中的四種，其中圖1-2a為球面4R機構，圖1-2b為RCCC機構，圖1-2c為RSSR機構，圖1-2d為RSSP機構。 空間4根桿機構的應用比較廣泛。RCCR和RSSR是雙曲軸機構，在球面4 R機構滿足特殊的幾何條件時是通用耦合機構，在RCC滿足特殊的幾何條件時可視為通用耦合機構，RSP是曲軸塊機構，PSSP是雙滑動器機構，RSPC、RRSC、RSCC是曲軸轉移機構。下面列舉一些四個桿機構的典型應用例子。 (1) 空間四桿RSCS 機構 如圖1-4所示，將空間RSCS機構用作為一種飛機起落架收放機構。當桿2和桿3在液壓油作用下伸縮時，桿1繞斜軸擺動，從而達

36、到收放機輪的目的。這里，桿2和桿3各有一個可繞自身軸線轉動的局部自由度[5]。 并聯(lián)機器人相對于現(xiàn)在廣泛使用的直列機器人，有著剛性強、精度高、自負荷小、速度高的優(yōu)點，但是正如同樣結構大小，并列機器人的工作空間小、桿的空間干涉、特異位置等問題結構設計理論的分析很復雜。并聯(lián)機構的動力學特性是具有高非線性和強耦合的特征，使其控制更加復雜?？傮w來說，并列機器人和串聯(lián)機器人形成了互補的關系，擴大了整個機器人的應用領域。并列機器人的機構多種多樣，Claavel提出了Delta這個三維移動機構。三角洲機構是最典型的空間，是三自由度移動的并行機構，大部分空間三自由度并行機構是由三角洲機構派生的。三角

37、機器人是擁有3個平動自由度的高速并列機器人，是商業(yè)應用最成功的并列機器人之一。目前，并行機器人已應用于飛機對接、外科手術、數(shù)控加工等多個領域。食品制藥領域一般都是在流水線生產(chǎn)，但個別產(chǎn)品的包裝部分還需要人工操作。由于環(huán)境復雜、產(chǎn)品特殊，傳統(tǒng)機構不能滿足靈活高效的要求，并行機制能在這些地方充分發(fā)揮其優(yōu)勢。本文主要研究和分析包裝層機器人的機構設計。由于結構中有空間平行四邊形存在，限制了機構的三個轉動自由度，僅僅留下三個平動自由度。于是設計了如下的并聯(lián)機器人，如圖 機構的特點如下： （1）并聯(lián)機器人采用四臂對稱結構，每個臂為串并混聯(lián)分支。 （2）四個伺服電機和減速器安裝在上平臺上,主要的質

38、量和慣性集中在上部，末端執(zhí)行器由八桿相連，慣性小，速度快，效率高。 （3）上平臺為箱式結構，在箱體的內部可以安放驅動電路、控制電路等。 （4）末端執(zhí)行器由八桿球鉸聯(lián)接，安裝電控吸盤，用于抓取物體。 （5）球鉸由彈簧拉緊。 （6）上平臺為齒輪齒條機構，實現(xiàn)機器人整體移動。目的是擴大并聯(lián)機器人工作范圍，也可根據(jù)情況不使用。 此機構在運動過程中，末端執(zhí)行器只有平動自由度，沒有轉動自由度。 第2章 機器人方案的設計 2.4. 機器人機械設計的特點 2.5. 從一系列的機器和機械的建設來看，機器人與設計有許多不同。除位置坐標、效果變量、關節(jié)力矩和關節(jié)力矩（關節(jié)）的關系之外，字段與分析

39、機構無關。各關節(jié)動態(tài)解析，軸承、速度、加速度、扭矩，基本都是雙手開放結構，關節(jié)設計與其他關節(jié)相關的關節(jié)設計，對各肩負重力的影響，以及在快速變化位置上的負荷慣性關系。從一點來看，由于動態(tài)變化的分析提供了很強的動態(tài)系統(tǒng)，非常復雜，即使有一些單純化，為了解析，鏈條的開口部是串聯(lián)的，因此僅用于解析。國家機關負責機械懸架、變形、剛性、損傷機器人的精度積累。因此，設計要特別注意準確性和剛性。另外，機器人的機械技術是典型的，設計一般需要考慮轉向、控制的一般問題，機器的建設，不同結構要求更高。與機器人有關的概念。 以下是本文中涉及到的一些與機器人技術有關的概念。 1一般自由度：工業(yè)用機器人，在許多關節(jié)空間

40、，通常都有一對旋轉機制。作為替換關節(jié)，按順序進行關節(jié)的旋轉。自由度數(shù)。 2 機器人的分類 機器人分類方法有多種。 (1) 按機器人的控制方法的不同，可分為點位控制型（PTP），連續(xù)軌跡控制型（CP）： （a）點位控制型（Point to Point Control ）：機器人受控運動方式為自一個點位目標向另一個點位目標移動，只在目標點上完成操作。例如機器人在進行點焊時的軌跡控制。 （b）連續(xù)軌跡控制型（Continuous Path Control ）：機器人各關節(jié)同時做受控運動，使機器人末端執(zhí)行器按預期軌跡和速度運動，為此各關節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅動機的角位移和角速度信號，如機器人進

41、行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。 （a）直角坐標型：在最初的3個關節(jié)中，機器人與關節(jié)、數(shù)控機床的控制程序一樣，垂直于運動、關節(jié)移動。 （b）圓柱坐標型：在第三關節(jié)中，機器人從垂直方向臂、P、Q、R、R、Z的位置與坐標Q(R、Q、R、R、R、Z)以共同的一個旋轉和兩個關節(jié)的一個旋轉移動。 （c）球坐標型：具有兩個轉動關節(jié)和一個移動關節(jié)。以q,f, y 為坐標，位置函數(shù)為P = f (q ,f, y)，該型機器人的優(yōu)點是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 （d）關節(jié)坐標型：有垂直關節(jié)型和水平關節(jié)型（SCARA 型）機器.人。前三個關節(jié)都是回轉關節(jié)，特點是動作靈活，工作空間大、占地

42、面積小，缺點是剛度和精度較差。 (3) 按驅動方式分類： 空倉式（A）、（B）、油倉式（C）、90年代。在XX時代，電力波動、自動化、自動化和自動化是最重要的。 (4) 按用途分類： 可分為搬運機器人、噴涂機器人、焊接機器人、裝配機器人、切削加工機器人和特種用途機器人等。 2.6. 工業(yè)機器人的組成及各部分關系概述 圖2-1 工業(yè)機器人的組成圖 它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機

43、身等。 （1） 手部：又稱手爪或抓取機構，它直接抓取工件或夾具。 （2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調整或改變手部的工作方位。 （3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負荷，并把它傳遞到預定的位置。 （4） 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。 B、 驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。 C、 控制系統(tǒng)：通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 D、 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構的運動情況

44、，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定進行比較，以保證運動符合要求。 圖2-2 各部分關系圖 2.7. 工業(yè)機器人的設計分析 2.2.1 設計要求 綜合運用所學知識,搜集有關資料獨立完成三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人操作機和驅動單元的設計工作。 原始數(shù)據(jù)：自動線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設計工業(yè)機器人將一零件從A帶送到B帶。 零件尺寸：內孔 ￠100，壁厚 10，高 100。 零件材料：45鋼。 2.2.2 總體方案擬定 在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計

45、就是在這一思維下展開的。根據(jù)設計內容和需求確定圓柱坐標型工業(yè)機器人，利用步進電機驅動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉運動；利用另一臺步進電機驅動滾珠絲杠旋轉，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動；考慮到本設計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用內撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅動夾緊。 2.8. 方案設案 設計一種直線型Delta并聯(lián)機器人，動平臺與靜平臺之間通過三條支鏈連接。通過安裝在固定框架上的三個直流電機結合滾珠絲杠副產(chǎn)生的直線運動，使動平臺具有一個平動自由度和兩個轉動自由度。每個電機安裝有編碼器用于檢測其轉角，通過機構

46、運動學建模可計算出動平臺的位姿信息，并用于實現(xiàn)對機器人的控制。 設計要求： ?1.外形尺寸600x600x800； ?2.豎直方向平移范圍：±100mm，水平方向轉動范圍：±15°； ?3.動平臺最大承載5kg； 2.9. 自由度分析 在自由度的分析中，一般涉及閑置自由度、冗余自由度、過約束、公共約束等問題。對較復雜的并聯(lián)機構自由度分析，一般用螺旋理論進行分析。delta 型并聯(lián)器人，在運動過程中，四個支臂始終保持空間平行四邊形。根據(jù)螺旋理論分析末端執(zhí)行器運動，可知螺旋系約束了繞三個軸的轉動，說明此機構只有三個方向的平動自由度，沒有轉動自由度。 機器人方案圖

47、機器人結構圖 2.10. 機械傳動裝置的選擇 2.10.1. 滾珠絲杠的選擇 估算：等效載荷 Fm = 1000 N , 絲桿有效行程420 mm , 等效轉速 nm = 1500 r/min , 要求使用壽命Lh = 15000 h 左右，工作溫度低于100℃，可靠度95%，精度為3級精度。 A、 計算載荷 Fc = 查<機電液設計手冊> 上冊，表15-21得 = 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1 Fc = = 1.11.01.6111000

48、 = 1771 N = = = 19559 N B、 選擇滾珠絲桿副的型號 主要尺寸為： 按= 19559N，查《機電一體化設計基礎》表2-9，選用漢江機床廠C1型滾珠絲杠，系列代號為FYC1-4008-2.5。 = 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滾珠直徑d0=3.969mm 滾道半徑 R= 偏心距 e== 絲杠

49、內徑 ≤27 mm , =24000 N , =1880 N 螺旋導程角 γ = arctan = arctan = 3o38′ 螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。 C、剛度驗算 按最不利情況考慮，即在螺距(導程)內受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為： = + 式中 T1 = ··tan( γ+) = 1000tan(+) = 1321 N·mm

50、 磨擦系數(shù)f = 0.025, 當量磨擦角 = ， 剪切彈性模量 G=8.33 N/mm2 所以：= + = 0.0387 μm 其中，危險截面= 35.76，E = 2.06 每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形 = = 6.6 /m < ()p = 15/m 因為滾球絲桿精度要求為3級精度，由表15-8查得 ()p = 15/m 所以其剛度滿足要求。 D、計算效率 η= = = 0.960 = 96% 第3章 零部件設計與建模 3.11. Croe軟件介紹 creo2.0/proe5.0是美國

51、PTC公司開發(fā)的三維建模軟件Pro/Engineer的兩個版本，類似CAD軟件，以其參數(shù)化建模著稱。proe廣泛應用于機械設計和工業(yè)設計，是國內主流的三維設計軟件。 造型設計師、建模師、機構設計師、結構設計師、模具設計師等都應該熟練掌握的一款軟件。 3.12. 關鍵零部件建模 3.12.1拉格朗日動力學建模 非保守系統(tǒng)拉格朗日方程 由于并聯(lián)機構是一個多變量、時變、多參數(shù)耦合的復雜非線性系統(tǒng)，為實現(xiàn)基于動力 學模型的并聯(lián)機構高性能控制，需要構建盡可能準確的動力學模型。參考文獻可知，目前 比較成熟的動力學建模方法有牛頓-歐拉法、拉格朗日法、虛功原理法、凱恩方程法等， 上述各種

52、建模方法殊途同歸，在構建機構的動力學模型時各有側重點，難易程度也會隨著 建模對象的不同而變化。其中，拉格朗日法基于系統(tǒng)動能和勢能，采用純粹的分析方法進 行動力學建模，采用廣義坐標描述非自由質點系的運動，得到一組獨立運動方程，而這組 運動方程表現(xiàn)為系統(tǒng)的動能和廣義力的變化關系，方程數(shù)目較少。與其它動力學建模方法 相比較，該方法具有系統(tǒng)性強、建模過程規(guī)范、動力學方程中不出現(xiàn)理想約束力、表達式 相對簡單緊湊等優(yōu)點，因此被廣泛應用于并聯(lián)機構建模研究。針對所研究的并聯(lián)機構，采 新型 3-DOF 驅動冗余并聯(lián)機構動力學建模及其滑?？刂蒲芯?40 用 Lagrange 法建立其基于工作空間的動力學模型。

53、 該驅動冗余三自由度并聯(lián)機構平臺，采用的是清華大學的發(fā)明專利技術汪勁松，謝福貴，一種多軸聯(lián)動混聯(lián)裝置，。該驅 動冗余并聯(lián)機構的動平臺通過三個支鏈與定平臺相連，如圖 6 所示，其中前兩個 分支（或稱為第一、二分支）是相同的，采用的是 PRU 或者 PR(RR)運動鏈，這 兩個分支位于同一個平面內，后面的分支或者稱為第三分支采用的是 PPRR 運動 鏈，這個分支所在的平面與前兩個分支所在的平面是相互垂直的。三個分支中的 P 運動副是驅動的，不能看出該并聯(lián)機構的動平臺有三個主動輸出，即兩個移動 和一個轉動，由于其驅動運動副有四個，而輸出自由度只有三個，因此，該機構 是驅動冗余并聯(lián)機構。 該機構具有以

54、下優(yōu)點： 1、 第三分支有兩個驅動關節(jié)（或稱驅動運動副）； 2、 每個分支只有四個運動自由度，三自由度并聯(lián)機構分支運動副數(shù)達到 最少化，大大減少了由于運動副誤差累積導致并聯(lián)機構動平臺精度降 低的可能性，因此該機構的動平臺精度較高； 3、 由于參與動平臺轉動自由度輸出的運動副全部是單自由度運動副，這 極大地提高了該并聯(lián)機構轉動自由度的轉動范圍，使該機構動平臺轉 動更加靈活，擴大了該并聯(lián)機構的應用范圍。 根據(jù)拉格朗日方程有 d L L dt ? ? - = ? ? ? ? ? ÷ è ?& τ q q (3.1) 式中，L=T?U 為拉格朗日函數(shù)；T 和 U 分別為系統(tǒng)動能和勢能；q 為廣義

55、坐標；τ為非保 守廣義力。 為了便于平臺的移動，模型化了覆蓋該組織原點的坐標系的動態(tài)中心，包括機關210名成員的對應計算在內的各個子系統(tǒng)的運動性，而不是機關的其他要素的設計質量的摩擦力。考慮到潛在性，將準確平行的模型代理、移動平臺平行、軟木和三個指導系統(tǒng)分開的機構免除的機構實施的研究時效法，以職場為基礎的方法、動力學和最小兩個標準等價機構使用的測試方法不限于職場。推動力的測定，優(yōu)化力的一般動 平臺的位姿描述采用前面所述的形式，即 T q= y,z, [ ] 3.3 動力學模型簡化與分析 上述方法直接推導出的并聯(lián)機構完整動力學方程是動平臺位姿的復雜非線性耦合函 數(shù)， 將上述動力學模

56、型直接用于并聯(lián)機構控制存在計算量大、實時性差等問題[91,212]，因此需要 在保證建模精度的前提下，對動力學模型進行合理簡化。 3.3.1 模型簡化方案 查閱文獻可知，關于對設施文檔的訪問，并行程序的簡化從設計階段考慮的簡單的組織方法的機制最初的設計分成以下的類型?？紤]到帳戶控制、簡化設計、模型動態(tài)的開發(fā)和實施，系統(tǒng)的動態(tài)繼續(xù)是動態(tài)的，從而減輕計算負擔。第二種方法是基于同一模型的想法進行二次比較，一些研究人員相信平臺與領導平行比較。每個樹枝、重力和慣性力都與動力學的重要性聯(lián)系在一起，使計算資源豐富，從而不影響實時控制運動能源模型，使運動能量非移動平臺的個別部分機制的主要構成要素對精

57、度有很大的影響。各自的運動能量是忽略 各構件的轉動動能，機構動平臺和驅動滑塊的動能可分別表示為： 分析式(3.30)-(3.32)所示機構各部件動能表達式，提出如下動力學簡化方案：將三個連 桿質量的二分之一轉入與之相連的滑塊，而剩余二分之一的質量則轉入機構動平臺，由于 機構動平臺動和驅動滑塊的運動較為單一，因此采用上述方法，機構動力學模型可得到有 效簡化。機構連桿簡化示意圖如圖 3.1 所示。 3.3.2 簡化模型誤差補償 根據(jù)式(3.12)所示各連桿質心的線速度可計算出連桿總動能為 而在簡化過程中，每個支鏈的實際動能見式(3.32)，由此可見，機構支鏈總動能簡化誤差為 3

58、1 3 1 1 1 2 4 li l i m zz m y = - + ? && & ，上述動能誤差直接決定了動力學模型的建模精度，進而影響系統(tǒng)的 控制精度，因此必須對模型簡化所帶來的誤差進行相應補償。由于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡學習速度 快、網(wǎng)絡結構自適應確定、輸出與初始權值無關，且具有全局最優(yōu)和最佳逼近性能，在函 數(shù)逼近，時間序列預測，系統(tǒng)建模和控制中得到了廣泛應用[218]，故采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡在線 新型 3-DOF 驅動冗余并聯(lián)機構動力學建模及其滑?？刂蒲芯?50 補償動力學模型簡化誤差，在滿足系統(tǒng)實時性的同時，最大限度的提高機構的建模精度和 系統(tǒng)的控制精度。 由動力學模型可知，系統(tǒng)驅動力與機

59、構動平臺位姿、速度和加速度有關，取并聯(lián)機構 位姿量、位姿的一階導數(shù)和位姿的二階導數(shù)為輸入，驅動力補償量為輸出，故所設計RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡輸入層結點數(shù)為9，輸出層結點數(shù)均為4，其結構如圖3.2所示。其中神經(jīng)網(wǎng)絡輸入 矢量表示為 ( ) T T = = , , , , , , , , , , é ù y z y z y z ? ? & && Q q q q & && b b b & && ，輸出矢量表示為 [ ] T 1 2 3 4 D = D D D D F f f f f , , , ， 隱含層采用髙斯指數(shù)型函數(shù)， 3.4.3 機構主要構件引入的驅動力 為分析機構各主要組成部分對總

60、體驅動力的影響，基于上述機構參數(shù)進行平面圓周運 動，在一個運動周期內，各主要部件所引入的驅動力如圖 3.5 所示。 分析圖 3.5(a)-(c)可知，圓周運動過程中(β=0)，連桿 1、2，滑塊 1、2 及動平臺在 Z 軸方向的驅動力由 f1和 f2承擔，其軸向驅動力 f3幾乎為 0(最大 2×10-13N)，由于冗余驅動的 存在，其在 Y 方向的驅動力由 f1、f2和 f4共同承擔；由圖 3.5(d)和(e)可知，對于連桿 3 和滑 塊 3，由于 Y 方向的速度和加速度較小，故各驅動力較小(最大 2N)；圖 3.5(f)中，由于冗余 滑塊只有 Y 方向而無 Z 軸方向運動，且其

61、重力項跟機構架的支撐力相抵消，故其引入的驅 動力 f3為 0，而 Y 方向的驅動力由 f1、f2和 f4共同承擔。由于冗余驅動滑塊質量較大(70kg)， 在不考慮重力項的情況下，冗余驅動滑塊所引入的驅動力 f4亦隨之增大。 3.4.4 動力學模型驗證 為進一步驗證所構建的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡誤差補償?shù)暮喕瘎恿W模型的準確性及簡化 補償方法的有效性。引入式(3.36)所示 PD 控制器構建閉環(huán)控制系統(tǒng)對其進行仿真驗證。 故并聯(lián)機構控制系統(tǒng)漸進穩(wěn)定。 針對上述并聯(lián)機構 PD 仿真控制系統(tǒng)，PD 控制器參數(shù)選為 Kp=diag[8000, 3800, 650]， Kd=diag[

62、1500, 1500, 600]，選擇式(3.35)所示運動軌跡，仿真周期設為 20s。利用 MATLAB 中的“tic”和“toc”指令測試動力學模型計算時間，同時得到三種模型下各關節(jié)軸向驅動 力變化曲線，如圖 3.6 所示。55 圖 3.6(a)-(d)為圓周運動時并聯(lián)機構各軸向驅動力變化情況，圖中實際模型為式(3.23) 所示機構完整動力學模型，帶補償簡化模型為式(3.34)所示基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡補償?shù)暮喕?模型。分析圖 3.6 可知，基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡誤差補償?shù)暮喕Ｐ偷尿寗恿εc完整動力學模 型的驅動力基本一致，最大誤差不超過 10N。 此外，通過對仿真數(shù)據(jù)的分析可知，本

63、文所設計的基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡誤差補償?shù)暮喕?動力學方程的解算時間為 180ms，較完整動力學方程的 260ms 的解算時間而言，時間縮短 了 30%，因此該簡化模型具有較高的計算效率，能更好的滿足并聯(lián)機構實時控制要求。 基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡誤差補償?shù)暮喕瘎恿W模型較簡化動力學模型有較高的精度，適合 于計算力矩控制、增廣 PD 控制、自適應控制、魯棒控制等依賴于被控對象精確模型的控 制方法的設計[133,134,136]。 下面介紹了一些關鍵部件的三維幾何體和二維結構尺寸圖。 機器人大臂 機器人大臂端 機器人固定端 電機固定座 電機固定座 動盤

64、座 帶輪 3.13. 各部分的裝配關系 在個關節(jié)出使用球約束使得他們之間有相對運動。 關節(jié)之間創(chuàng)建萬向約束 皮帶輪之間參與銷釘連接 總裝配圖 第4章 仿真分析 首先進入到仿真界面中： 對電動機軸添加伺服電機，產(chǎn)生動力。 設置位置做為電動機的變化量 選擇運行分析 創(chuàng)建測量項目  第5章 致謝 經(jīng)過一段時間的努力，我的畢業(yè)設計終于完成了。在沒有畢業(yè)設計的情況下，畢業(yè)設計只是對過去幾年學習到的知識的簡單總結，但這一次，畢業(yè)設計發(fā)現(xiàn)自己有點在過去幾年的學習中還有不足。畢業(yè)設計不僅是對前面學習知識的考核，也是對個人專業(yè)能

65、力的提高。通過這次畢業(yè)設計，我了解到我原來的知識仍然缺乏。我給你下了太多的定義，讓你無法學習，而我總是想著你將要做的事情，任何事情-不確定的東西都是好的，有點過高。通過本次畢業(yè)設計，我明白學習是一個長期積累的過程，在今后的工作中，應該不斷學習生活，努力提高其知識和綜合素質。畢業(yè)設計也使我們的同學越來越多，同學們互相幫助，沒有相互理解的人在一起，傾聽不同的觀點來更好地理解知識，所以非常感謝你幫助我的同學。我的客戶評論太多了。一般來說，它是很難知道它是否是，這是很難從它開始。最后，有一種解脫的感覺。此外，還得出一個結論，即必須應用知識才能實現(xiàn)其價值！有些人認為，當它定義為真時，它有兩樣東西需要學習

66、，所以我認為它是正確的，它確定了真正使用它的時間。我非常感激教授給我的教導，感謝他對我時時刻刻的幫助，在做這畢業(yè)論文時，我去實驗室做了很多的實驗操作，也去了圖書館查閱了大量的資料，在這個過程中我學到了很多的知識，專業(yè)技能。這個設計中我明白有很多事情是我自己獨立設計完成的，這樣的話，我的個人能力和專業(yè)素養(yǎng)有了很大提高。這樣對我將來的工作還有生活有很大的幫助。反正，完成了這個畢業(yè)設計讓我受益匪淺。 畢業(yè)設計可以說是最結合實際的一次實踐，其中除了鞏固已學的專業(yè)知識外，還增強了我方方面面的能力。 我的人生答案只有一個，我會再次踏上我的旅途。四年的老師，是朋友，是辛苦的，也是收藏的完美的袋子，在工作中，心靈不能平靜，對普通人表示敬意，他是我的老師。我不是最好的學生，你是最尊敬的老師。 在課題研究和論文撰寫完成之際，回首大學幾年時光，感慨萬分！有課題研究 階段的艱辛，也有收獲成果時的喜悅，幾年的學習和科研的磨礪不僅讓我在學術研究、專 業(yè)技能上有較大提升，而且為人處事的能力也得到了極大的提高，這段艱辛并快樂著的學 習經(jīng)歷是我生命中最寶貴的財富。 感謝清華大學劉辛軍教授，謝福貴博士提供的并聯(lián)