新型超冗余度机器人关节设计.pdf

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1、机械设计与制造第6期148MachineryDesign&Manufacture2010年6月．文章编号：1001—3997(2010)06—0148—02新型超冗余度机器人关节设计木陈礼顺李立张红亮(西南交通大学机械工程学院，成都610031)Designofanewtypeofjointforthehyper—redundantrobotCHENLi-shun，LILi，ZHANGHong-liang(SchoolofMechanicalEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu61003

2、1，China)【摘要】提出一种应用于超冗余度机器人的新型二自由度关节设计方案。新型关节巧妙地将齿轮65传动引入到十字轴万向关节中，克服了传统万向关节传动的缺陷，具有结构解耦、驱动力矩大、运动平稳92等优点。优化设计结果表明：新型关节能有效驱动5个关节模块组成的10自由度的超冗余度机器人，具i有良好应用前景。6关键词：超冗余度机器人；万向关节；遗传算法；优化设计97【Abstract】Anewtypeofjointdesignforthehyper—redundantrobotispresented．Thegeartransmis一6V』、si

3、onwasintroducedelab。ratelyc。robinewiththeMniver~alj。intinthisnewjoint．Theointer-5V9comesshortcomingsofunivesaljointtransimission．hhasthecharateristicsofstructuraldecoupingwith9advantagesoflargedrivertorqueandsmoothlymoving．Theoptimazitiondesignresultshowsthatthis{typeofjoint

4、candrivealO—DOFhyper—redundancyrobotcomposedoffivejointmodules．The白，e，ithas口66brightprospectinengineeringapplictions．92Keywords：Hyper-redundantrobot；Universaljoint；Geneticalgorithm；Optimazitiondesign中图分类号：TH16，TP24文献标识码：A支架旋转，关节产生侧摆运动；当2#电机带动2#小齿轮旋转，继1引言而驱动十字轴式齿轮及2#支架旋转，关节产生

5、俯仰运动；两个电超冗余度机器人是一类具有大量自由度的串联型机构，它的机同时驱动时，关节产生复合运动。可见，新型关节的主要特点是环境适应性良好，可以在高度受限的空间中可靠工作，在救援、军引入了十字轴式齿轮，在保持传统万向关节【6I7～，如图3所示。空事侦查、特殊环境探测等方面具有广阔应用前景。超冗余度机器间运动灵活性的同时，由于采用齿轮传动替代传统万向关节中的人一般由多个相同的关节模块串联而成，因而关节的设计与超冗铰链传动，能有效克服传统万向关节存在的传动速比不均匀、传余度机器人的整体J生能密切相关。动精度低等缺点。通常关节的设计目标是输出力矩大

6、、工作空间大、体积小、质量轻，结构简单且运动解耦，易于控制。至今为止，国内外研究者提出过多种关节设计方案。日本NEC公司[睃计的二自由度球形万向关节、美国卡耐基一梅隆大学【213}设计的三自由度锥齿轮关节，结构紧凑、输出力矩大，应用于超冗余度机器人，可实现多种空间运动；但关节结构复杂、精度要求高、控制难度大。国内，朱兴龙设计了液压驱动的三自由度伺服关节，应申舜等l5l设计了一种人工肌肉驱动的万向铰链关节，这两类关节具有结构简单、承载能图1新型关节结构示意1．1#支架2．1#电机3．1小齿轮4『卜字轴式齿轮力高、关节结构解耦从而便于控制等优点，但

7、相对体积较大，一般5．2#小齿轮6．2#电机7．2#支架应用于工业机器人，难以适用于超冗余度机器人。本文在分析各类关节特点的基础上，巧妙地将齿轮传动引入到十字轴万向关节中，设计了一种电机驱动的二自由度新型关节。这种关节能克服了通常万向关节转速不均、精度低等缺陷，具有结构简单紧凑、驱动力矩大、运动平稳、结构解耦等优点。2结构和原理如图1所示，新型关节结构示意。如图2所示，工作原理。如图2关节运动简图下：当1#电机带动1#小齿轮旋转，继而驱动十字轴式齿轮及2#超冗余度机器人的动力学方程组是高度耦合非线性的，关节-k来稿日期：2009—08—15★基

8、金项目：四川省应用基础研究项目(2008JY0063)第6期陈礼顺等：新型超冗余度机器人关节设计149若能实现运动学解耦，则其动力学方程和控制系统设计