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《少自由度并联机器人机构的型综合原理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、(E辑)第33卷第9期SCIENCEINCHINA(SeriesE)2003年9月*少自由度并联机器人机构的型综合原理黄真李秦川(燕山大学机器人研究中心,秦皇岛066004)摘要通过分析少自由度并联机器人机构的结构约束螺旋特性和几何条件,建立了少自由度并联机器人机构型综合理论,并用此对少自由度并联机器人机构进行了综合,得到多种有应用前景的机构.关键词并联机器人型综合设计理论少自由度并联机器人是指自由度数为3,4和5的并联机器人,可应用于许多适于并联机器人操作,但不需要全部6个自由度的工作任务.由于它们的自由度较少,较六自由度并联机构结构简单,经济便宜,控
2、制相对容易,因此具有很好的应用前景,是当前国际上的研究热点.[1]目前已有的少自由度并联机器人以三自由度并联机器人为主,包括Delta三自由度移动[2][3~7]机构三自由度的3-3R平面机构和3-3R球面机构,Gosselin对后者做了系统研究,包括[8]运动学工作空间和结构优化设计,并设计了灵巧眼.另外,Tsai提出了几种三维移动机构,[9]Huang讨论了多种三自由度立方角台机构.并联机器人的研究历史已超过20年,但目前国际上已综合出的较好的少自由度并联机器人机构只有上述的Delta和Tsai等五六种.少自由度并联机器人机型匮乏,与实际应用中的广泛
3、要求相距甚远.这是由于少自由度并联机器人总体上具有比六自由度并联机器人更复杂的运动特性,特别是动平台的移动受到[10,11]约束后会表现出很多特殊的性质,这些问题增加了少自由度并联机器人型综合的难度.少自由度并联机器人机构型综合的目的在于综合出具有期望自由度数目和自由度性质(指移动自由度或是转动自由度,以及移动的方向或转动轴线的方向)的机构,并确保这些自由度的运动性质是连续的而不是瞬时的.对型综合一直没有行之有效的理论指导,处于一种试拼试凑的最初级的状态.目前一些人采用的一种简单的方法是在六自由度Stewart并联机构中直接添加约束分支,约束掉不需要的自
4、由度.这增加了机构的复杂程度,特别是破坏了机构的对称性,一般说不是一个理想的设计.理想的少自由度并联机构的所有分支最好具有完全相同的结构,保持结构的对称,以满足各向同性的要求.而综合这类具有对称结构的机构难度极大,其主要原因包括:()空间机构的复杂性使得少自由度并联机构的自由度计算变得非常困难,甚至对一些现有的机构都难以得到正确的结果,这当然增加了型综合的困难.()判断自由度性质更加困难,现在国际上还没有任何理论涉及这个问题.()机构的同性异构变化.这些问题使少自由度并联机器人型综合成为国际上的一个研究难点.经查阅近年国内关于少自由度机型的发明专利,发现
5、其2001-05-11收稿,2001-07-26收修改稿*国家自然科学基金资助项目(批准号:50075074)万方数据814中国科学(E辑)第33卷中一些是错误的,这也表明对型综合理论的迫切需要.本文在我们近年研究的基础上提出了少自由度机器人型综合原理,通过分析少自由度并联机构和其分支的几何约束和结构约束螺旋,得到了机构约束螺旋系在不同几何条件下所约束的动平台的运动,而形成可以综合出满足自由度数目和运动性质要求的完全对称的少自由度并联机器人机构机型综合的原理.文中给出两个型综合实例.此原理的提出有助于目前国内研制具有自主知识产权的新机型.目前,我们也已综
6、合出多种少自由度新机型,部分已申报[12~14]中国专利.1少自由度并联机器人型综合原理1.1结构约束螺旋系及分支,机构的几何约束条件[15~17]由螺旋理论可知,当$$$L表示并联机构某一分支的运动螺旋系时,$$$L的反12n12nr螺旋$就表示该分支运动螺旋系施加给动平台的结构约束螺旋.可以定义螺旋系的标准基为单位旋量$i=(0,LL,0,1,0,,0)(i=1,,6).结构约束螺旋表示分支机械结构对动平台的一种机构上的约束力和力偶,它们不同于普通意义上的力和力偶,在这里分析中不计其大小,仅考虑它们彼此之间存在的线性相关或线性无关的关系.而螺旋系的相
7、关性已被证明与坐标系的[18]选择无关,这使得在分析时可以方便地选择坐标系.我们定义分支结构约束螺旋系为单个分支的运动螺旋系施加给动平台的约束螺旋组成的螺旋系,机构结构约束螺旋系为所有分支结构约束螺旋组成的螺旋系.机构结构约束螺旋系决定机构的自由度,其最大线性无关数就等于机构被约束的自由度数.而所有分支都有的相同约束反螺旋即为公共约束.在下文中,不失一般性,使系统参考坐标系O-XYZ的XY平面和定平台平面重合,则参考坐标系Z轴垂直于定平台平面.使各分支坐标系o-xyz的xy平面和定平台平面重合,则其z轴平行于参考坐标系的Z轴,垂直于定平台平面.分支作用在
8、动平台上的结构约束螺旋可分为约束力偶和力线矢,力偶是自由矢量.对于作用在动平台上
