并联机器人开槽薄壁柔顺关节设计与实验.pdf

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1、20l4年5月农业机械学报第45卷第5期doi：10．6041／j．issn．1000—1298．2014．05．044并联机器人开槽薄壁柔顺关节设计与实验余跃庆马兰崔忠炜李渊(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100124)摘要：针对传统柔顺关节运动范围小、易产生轴向漂移的不足，依据3RRR并联机器人运动范围，以关节的移动范围及所需刚度作为条件，对关节的几何尺寸进行了设计计算，并用ANSYS软件进行强度分析，设计了一种新型开槽式薄壁柔顺关节。利用扭转作为主要变形方式时，该柔顺关节具有扭转角度可达到36。及轴线相对固

2、定不易漂移的优点。根据关节设计尺寸选择65Mn为材料进行了加工，在三自由度并联机器人实验平台上进行了片簧式与开槽式两种柔顺关节的实验对比，实验结果表明设计的开槽式薄壁柔顺关节能够完成轨迹跟踪任务，且最大相对误差为6．05％，对比片簧式柔顺关节具有一定优越性。关键词：柔顺关节运动副并联机器人中图分类号：TH112；TP242文献标识码：A文章编号：1000—1298(2014)05-0284-07如：Bona等¨提出了一种交叉式柔性铰链，通过两引言薄壁杆的弯曲变形来实现转动，可实现大角度变形柔顺机构是一种利用机构中构件(杆件和铰

3、链的转动。但是这些柔顺关节转角非常有限，并且由或关节)自身的柔性变形来完成运动、力和能量的于转动中心与回转副轴线不在一条直线上，因此转传递和转换的新型机构，在结构上简化甚至没有运动时具有轴线漂移的问题。鉴于当前柔顺关节存在动副。与传统的刚性机构相比，它的优越性主要表的转动范围小、轴心漂移大等问题，设计新型柔顺铰现在两方面：降低成本(减少零件数目，减少装配时链并将其应用于普通机器人上是十分必要的。间，简化制造过程)和提高性能(提高精度，增加可本文设计并制作出一种开槽薄壁柔顺关节，用靠性，减少磨损，减轻重量，减少维护)⋯。在微型来

4、替换三自由度并联机器人上的传统转动副。根据机器人中较为流行的柔性机构抛弃了传统意义上的替换关节的运动范围及受力情况，对柔顺关节的几刚性运动副，文献[2—5]将柔性铰链用于微操作并何尺寸进行设计计算，并选择65Mn弹簧钢作为材联机构中，解决了运动副带来的间隙、误差及加工问料，设计加工制作出实物。题，提高了定位精度。文献[6—10]针对微机械中1开槽薄壁柔顺关节设计柔性构件的静力学、运动学分析与设计进行了深入研究，为进一步提高柔性并联机器人的精度提供了1．1应用条件与要求有效方法。可是大多数研究中关于微型操作结构关本文设计的柔顺关

5、节用来替换三自由度并联机节最大弯曲角度很小，更不能实现宏观的大角度转器人中R副。该并联机构如图1所示：3条支链上动。因此人们开始逐渐研究并发展能应用于普通机D处回转副被柔顺关节替换，A、B处均为刚性回转器人的柔顺关节。副。三自由度并联机器人末端轨迹为R：100mm典型的关节设计可分为两种类型：即切口型关的圆，速度为1000mm／min，由其工作空间及运动学节及交叉式柔顺铰链。其中切口式可以用于替换传计算可得出：需要替换的回转副关节夹角的初始角统回转副，而片簧式更多用于替换移动副。但平面度为73。，最小夹角为56。，关节夹角运动

6、范围为切口及球面切口有应力集中问题，限制了关节的转35．94。。其次计算具有刚性回转副的3RRR并联机动范围和使用寿命¨¨。赵山杉基于伪刚体模型器人在该速度和轨迹下，主动杆所受的驱动力矩。法进行了大变形环形柔性铰链的分析与设计；另外，因为机器的结构对称，因此只计算其中一个主动杆由片簧式的设计演变出了许多柔性回转副的构想，的输出力矩即可；根据计算得到变化最剧烈时段的收稿日期：2013—05—17修回日期：2013—08一O1国家自然科学基金资助项目(51175006)作者简介：余跃庆，教授，博士生导师，主要从事机构学及机器人学研

7、究，E-mail：yqyu@bjut．edu．ca第5期余跃庆等：并联机器人开槽薄壁柔顺关节设计与实验力矩及角度变化分别为M=4．3238×10～N·nl，=5．0789×10一rad。至此柔顺关节的设计要求基本确定。图3升榴溥壁架顺天节赏力不葸图Fig．3Loadingofopenthin—walledflexurejoint节的特点为薄壁环状，由材料力学，可计算其对型心惯性矩为图1三自由度并联机器人简图，2=y尺。(盯一譬)()Fig．1Structurediagramof3-DOFparallelrobot1．2结构参数

8、设计同理=zdA．~R3t(订十字)(2)为了保证设计出的开槽式柔顺关节具有足够的可得到轴向及非轴向的刚度强度和运动范围，以满足上面提到的设计要求，首先==计算柔顺关节在三自由度并联机构中所需要承受的=音=G一y(3j)刚度，然后根据刚度条件并结合最大扭转角度条件，==一确定