柔索驱动混联机器人的结构设计与研究.pdf
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1、第 卷 第期 年月合 肥 工 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)J OUR NA LO FHE F E IUN I V E R S I T YO FT E C HN O L O G Y(NA TUR A LS C I E N C E)V o l N o J u l 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()作者简介:王姝舒(),女,安徽岳西人,合肥工业大学助理工程师D O I:/j i s s n 柔索驱动混联机器人的结构设计与研究王姝舒,许的兵(合肥工业大学 工程素质教育中心,安徽 宣城 ;安徽合力股份有限公司 工业车辆研究院,安徽 合肥 )摘要:文章针对传统串联机器
2、人转动惯量大、刚度小等问题提出并设计了一款柔索驱动混联机器人.利用共轴球面并联机构通过走线设计将驱动单元安装在基座实现柔索驱动,模块化设计实现串、并联机器人的构型;然后根据机械结构和运动特性,利用S D H法和矢量法对混联机器人进行运动学建模并分析验证;仿真实验采用B样条曲线进行轨迹规划,研究机器人关节柔顺性.实验结果表明,柔索驱动混联机器人具有较小的转动惯量、较好的柔顺性和较大的刚度.关键词:混联机器人;柔索驱动;运动学;轨迹规划中图分类号:T P 文献标志码:A文章编号:()S t r u c t u r ed e s i g na n dr e s e a r c ho f f l e
3、x i b l e c a b l e d r i v e nh y b r i dr o b o tWANGS h u s h u,XUD e b i n g(E n g i n e e r i n gQ u a l i t yE d u c a t i o nC e n t e r,H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,X u a n c h e n g ,C h i n a;I n s t i t u t eo f I n d u s t r i a lV e h i c l e s,A n h u iH e l iC o,
4、L t d,H e f e i ,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i sp a p e r,a f l e x i b l e c a b l e d r i v e nh y b r i d r o b o t i sp r o p o s e da n dd e s i g n e d t os o l v e t h ep r o b l e m so f l a r g em o m e n to f i n e r t i aa n ds m a l ls t i f f n e s so ft r a d i t i o n a ls e r i
5、 e sr o b o t s F i r s t l y,t h ec o a x i a ls p h e r i c a lp a r a l l e lm e c h a n i s mi sd e s i g n e db y i n s t a l l i n g t h ed r i v i n gu n i t o n t h eb a s e t o r e a l i z e t h e f l e x i b l ec a b l ed r i v e,a n d t h e c o n f i g u r a t i o no f t h e s e r i e s p
6、 a r a l l e l r o b o t i s r e a l i z e db ym o d u l a rd e s i g n T h e n,a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n dm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c s,t h ek i n e m a t i cm o d e l i n go f t h eh y b r i dr o b o t i s c a r r i e do u t b yu s i n gS D H m e
7、t h o da n dv e c t o rm e t h o d F i n a l l y,B s p l i n e c u r v e i su s e d f o r t r a j e c t o r yp l a n n i n g t o s t u d y t h e f l e x i b i l i t yo f r o b o t j o i n t s E x p e r i m e n t s s h o wt h a t t h e f l e x i b l e c a b l e d r i v e nh y b r i dr o b o th a ss m
8、 a l l e rm o m e n to f i n e r t i a,b e t t e r f l e x i b i l i t ya n d l a r g e rs t i f f n e s s K e yw o r d s:h y b r i dr o b o t;f l e x i b l ec a b l e d r i v e n;k i n e m a t i c s;t r a j e c t o r yp l a n n i n g引言随着机器人技术的快速发展,机器人被广泛地应用于工业、服务业、家庭等领域.应用于这些领域的刚性机器人一般将电机安装在关节处直接驱动
9、关节转动,导致存在转动惯量大的缺点,为了解决这个问题,人们将关注点转移到柔索驱动方式.从 世纪 年代日本学者在国际机器人与自动化会上提出使用柔索驱动方式的并联机器人F A L C ON 之后,柔索驱动的机器人得到了广泛关注与发展 .文献 研制了一款绳驱动混联机器人,该团队在机器人控制策略、张力分析、结构设计、动力学分析等方面开展了诸多研究;实验证明该款混联机器人的各项性能效果良好,但由于结构和走线方式比较复杂等缺点,使其应用范围受到限制.文献 研制了一款新型的四自由度并联机器人,对并联机器人的运动学采用螺旋理论分析,该研究成果对于推动并联机器人应用具有重要意义.文献 利用球面解析理论分析机构空
10、间位形,得到机构多个转动关节的位置矢量,分析了球面并联机构动力学的性能指标.文献 研制了一款根据球面并联机构设计的数控回转台,该回转台设计可以实现较高精度的运转.针对串联机器人存在刚度小、转动惯量大的问题,本文提出将共轴球面并联机构用做机械臂的腕部部位,并将共轴球面并联机构与串联机器人组合成串、并混联的结构形式和采用柔索驱动的方式,使柔索驱动混联机器人具有转动惯量小、工作空间大、累积误差较小、刚度较大的优点.针对球面并联机构结构设计和运动学复杂问题,提出共轴球面并联机构的柔索驱动设计方案和基于多支链几何约束的运动学数值解法.混联机器人结构设计本文柔索驱动混联机器人本体组成包括腰部关节、大臂、小
11、臂、末端共轴球面并联机构、张紧器、驱动机构、导向滑轮等.其中:串联机器人作为混联机器人的一部分具有十分重要的作用,本文串联机器人决定整个混联机器人的有效工作空间;共轴球面并联机构为混联机器人的腕部关节,可以实现混联机器人末端姿态的改变.串联结构设计本文串联机器人具有三自由度,采用模块化设计方案.串联机器人通过柔索驱动的方式,将电机和滚珠丝杠等传动机构安装在基座,以此来降低机器人的转动惯量和提高机器人人机交互安全性.串联机器人驱动方式为:电机与滚珠丝杠传动机构的输入轴相连,通过在腰部关节、大臂、小臂侧板位置设计并安装滑轮对绳索进行导向.由于绳索是柔性介质,只能承受单向力,为了实现单电机带动串联机
12、器人单个关节的正反转动,采用类似于带传动的闭环绳驱动方案.同时为了防止绳索在传动过程中出现松动现象,采用S型安装和在闭环绳索中采用鱼眼螺钉的张紧装置.具体的三自由度串联机器人三维模型设计如图所示,其中关节走线示意图如图所示,关节和关节走线方案与关节类似.图三自由度串联机器人图串联机器人关节走线 共轴球面并联机构结构设计球面并联机构是一种特殊的并联机构,可以作为串联机器人的腕关节.本文混联机器人的球面并联机构是共轴球面并联机构,即条支链近端杆的转动副中心轴线共线,由静平台、动平台和条均匀分布支链共同组成,具体设计结构如图所示.图共轴球面并联机构共轴球面并联机构采用的柔索驱动方式如图所示.安装在基
13、座的电机与滚珠丝杠驱动机构的输入轴相连,通过关节、关节、关节内部走线设计和滑轮导向作用,带动共轴球面并联机构的齿轮轴转动,进而齿轮轴与共轴球面并联机构近端杆发生内齿轮啮合驱动.图共轴球面并联机构在关节、关节、关节走线示意图合肥工业大学学报(自然科学版)第 卷由于绳索具有单向受力的特性,为实现单电机带动共轴球面并联机构单个关节正反转动,采取类似于带传动的闭环绳驱动的布线方案,该方案具有各根绳索之间相互独立、传动稳定的优点.因为绳索是柔性介质,只能单向受力,所以共轴球面并联机构采用S型闭环走线,并且在闭环绳索中间安装鱼眼螺钉进行张紧,通过螺钉的旋转维持绳索的张紧.整体设计本文柔索驱动混联机器人由串
14、联机器人和共轴球面并联机构共同组成,其组成方案有种,即上串下并形式和上并下串形式.上串下并方案是指将共轴球面并联机构作为基座,串联机器人连接在共轴球面并联机构之上形成混联机器人.本文采用的是上并下串的组成方案,该方案是将共轴球面并联机构作为腕部连接在串联机器人上形成混联机器人,这种组成方案具有结构稳定性好、工作空间大以及串联累积误差可以得到共轴球面并联机构的补偿等优点.混联机器人采用增材制造实现机器人的轻量化,具体实物效果图如图所示.机器人各个关节均采用模块化设计,使零部件实际装卸和绳索的安装、更换更加简单方便.图混联机器人实物图运动学分析 串联机器人运动学分析运动学建模是分析混联机器人工作空
15、间、奇异性的前提,对于混联机器人的研究十分重要.因为本文串联机器人关节末端与共轴球面并联机构输入端安装是重合的,所以本文柔索驱动混联机器人的运动学建模采取分开分析的方法.串联机器人采用S D H法进行运动学分析.首先,根据转动关节连杆S D H坐标系建立规则建立串联机器人坐标系,具体如图所示.图中:Z轴位于转动关节轴线上;X轴为Z轴的公垂线;Y轴由X轴与Z轴确定.图串联机器人S D H坐标系简图根据S D H法得到串联机器人连杆参数,见表所列.表中:表示关节角;表示连杆扭转角;d表示连杆偏距;a表示连杆长度,根据本文串联机器人结构设计参数,a、a分别为 、mm.表串联机器人连杆参数连杆编号ad
16、/aa由S D H法可知相邻连杆坐标系之间的齐次变换矩阵表达式为:i iTc o sis i nic o sis i nis i niaic o sis i nic o sic o sic o sis i niais i nis i nic o sidi()因此D O F串联机器人的末端姿态T根据式()可得:Tcc cs sc(acac)sc ss cs(acac)s c asas()其中:cc o s;c c o s();ss i n;第期王姝舒,等:柔索驱动混联机器人的结构设计与研究s s i n;s s i n().其他三角函数缩写类似表示.对于串联机器人逆运动学的求解存在多解形式,实际
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- 驱动 联机 结构设计 研究
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