三自由度Delta并联机器人的设计与仿真机械制造专业

设计(论文)题目： 三自由度Delta并联机器人的设计与仿真 目录摘要2第1章 引言31.1. 我国机器人研究现状31.2. 工业机器人概述：41.3. 本论文研究的主要内容4第2章 机器人方案的设计92.1. 机器人机械设计的特点92.2. 与机器人有关的概念102.3. 工业机器人的组成及各部分关系概述122.4. 工业机器人的设计分析132.5. 方案设案132.6. 自由度分析142.7. 机械传动装置的选择152.7.1. 滚珠丝杠的选择15第3章 零部件设计与建模183.1. Croe软件介绍183.2. 关键零部件建模183.3. 各部分的装配关系25第4章 仿真分析29第5章 致谢33参考文献33三自由度Delta并联机器人的设计与仿真摘要工业技术水平是工业用机器人现代化水平的重要指标，从研究和研究领域发展的结论，提高现代产业的要求，提高产业控制和控制任务的复杂性，提出了很高的要求。理论上，我国末期输送能力和定位精确度高、小误差、惯性误差、反应速度快、工业工作并行、快速准确、现有工业工程预计会进一步增加，本文将研究并行研究、实用化并行以企业工学实用化为目标。从摩擦接口、外乱和不确定性来看，如果没有连锁和动力学模型化的负担，传统的控制战略将难以得到基于控制有效性模型的预期。通常，与一系列平行于更复杂的运动模型相比，动态测试和控制机制将更加复杂。因此，有必要研究并联机构的动力学建模及其控制问题。这是一个新的机器人，机器人的刚性。承载能力高。高精度。小负荷的重量。具有良好的性能和广泛的应用，是robotw.spokojnie系列的补充。有一个固定的一部分，在特点和实验室条件下的动力学加速度（重力加速度），.终端控制机制，原来的三角洲是最有效的机制平行安装“电子项目机器人是机器人的控制和规划动力学研究的基础上，发挥着重要的作用，在“.badania kinematyk反向动力学和由简单到przodu.odwrotnie相对平行前进，kinematyk相对skomplikowane.na结构分析的基础上，建立了三角洲机器人模型，机器人的机器人。stkich部分的位置，以确定在平台和动态方程的向量之间的关系，是平台机构的位置方程，这是在相反的位置移动到正确的解决方案，给出了方程的基础上，三角洲机器人的位置，是解决方案的一部分，在组织机构的速度和加速度基于工业技术平行机制，工业工作认同其多样性，于是开始使用并行机制，目前不构成有效的控制方法，取得更好的结果，参照其机构控制系统，优化基本工业技术用言及了。关键词： 机器人，方案，设计，仿真, :新型 3-DOF 并联机构AbstractThe technical level of agricultural robots is an important symbol of a countrys 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 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 error 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 mechanism, 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 uncertain 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 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, 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 mechanism 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 5.09 - (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 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 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 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 Delta 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 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 control 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, simulation,: new 3-DOF parallel mechanism第1章 引言。在过去的20年里，由于各个领域的不同目的，机器人在各种领域都得到了飞速的发展，在我们国家，使用机器人的发达国家，因此与机器人的不同目的，有些差异，尤其是研究和设计的机器人应用的扩展产业用机器人、机器人具有实用意义。 文献主要包括以下研究。(1) 第一，设定分析机构的特征、活动和自由度的原则。第二，基于限制的机制参数，用于建立与机构、代理商其工作的速度的模型；白矩阵最后分析为不必要的平行并在空间内的异点。 (2) 对于并联机构，对于基于并行控制战略的机构，即使不考虑运动模型和非线性关节机制，也常常难以确保其控制机制迅速的操作，基于精度检查之间的集中关系的动力学、模型的动态稳定性测试；并行控制用于实施的机构控制：结构和机构由分支链接关闭，分支链接难以建立精确模型的动力学和更复杂的结构，并且必须根据控制方法有效性控制模型建立尽可能精确的控制方法。有。首先，根据新标准的动态学建立记忆机制和工作岗位的方法，关于基于新标准的动力学模型机制的不必要的试验实机以外的控制模式的动态管理实施研究，对相当于约束的轴的整体的力量带来优化。在实时、机构等中，在实时、机构等中，为了确立控制模型的动态的机构。通过模拟主要组件、模拟和解析，提出了基于通过创建神经网络模型和补偿模型的动态补偿模型的简单方法，最后验证模型的pd模拟控制系统是精度误差简化补偿的有效性。 (3) 考虑到基于动力学计算负担和运动模型、重量、高速实时控制系统建立的条件，并且考虑到免除的影响，分支链和其他机构可免除独立执行测试和控制测试；t可通过动态控制来设置。计了。使用分支的碳链，使用分支的碳链，设计用于估计不确定性和外乱的大的系统，给与那个位置关联的控制系统的有效性带来坏影响。在控制链动力学的调查中，释放出的控制链考虑到动力学的高速平行，从而导致极端内部生命干扰的结果，甚至造成损害，甚至引起重大变形。(4) 基于上述控制，使用动态控制方式的冗余单元的欠缺，考虑到分支之间的相互作用的欠缺，由于所有的单元都是冗余的，因此没有冗余性，进一步改进使处理速度和实时在一定程度上增加的精度控制系统基于简化控制误差和同步法的动态模式试验模型的建立，显示了由于控制误差的基础和动态的增加而设计的精度。各部门，用于准确地通过前列诺夫改善并行性的机构之间的同步、其稳定性的方法。 (5) 上述基于同步耦合误差的动力学滑模控制方法，可进一步提高并联机构的运动控 制精度，但其快速性和实时性有所降低。为寻求一种综合性能较优的控制方案，本文提出 一种解耦非奇异终端滑模控制方法，即：针对所建立并联机构动力学模型，提取出各支路 间的耦合作用力和重力项，将整体系统解耦为三个基于笛卡尔空间的完全独立的线性子。基于上述复合误差法的动力学，并行控制可提高业务控制的精度，并行控制可迅速且实时地削减。为了导出重力和全系统协调的模型和从生产到支付的分离模型，在与各分支平行地、基于长笛独立的三个空间中，分别控制线性系统和子系统，改善控制系统。迅速且实时。适当地，以快速和实时方式完善每个项目的控制子系统和机制控制系统。同时，考虑到上述免除，通过引进神经网络，在连接线和重力补偿的交点上，提高免除系统的效率，采用了分支力学的分支链缺乏系统的油动力学，控制系统为了改善收敛的控制，终端控制算法并不能从终端的研究和设计的角度出发，在有限的时间内，它们不能从生产量中分离出来（方法，终端管理模拟，比大学Doctorate Controller IIII）更好基于动态控制，基于业务控制采用的冗余分支不存在，检查同步和故障分离的动态学的方法不是终端。实验结果验证表 明：与冗余支链采用动力学控制、非冗余支链采用运动学控制的控制方法和基于同步耦合 误差的动力学滑模控制器相比，所提出解耦非奇异终端滑模控制器具有较优的综合性能。 本文的研究工作为工业并联机器人的控制理论研究及并联机构在工业工程中的实际 应用奠定了基础。1.1. 我国机器人研究现状程序设计是基于自动控制来执行操作或移动机械装置的工作。最新科研、力学成果，是现代技术开发领域最为活跃的国家机器人研发、生产、应用，吸引了更多的关注。从1980年代初开始。机器人领域的研究和应用的年代，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993 年研制的喷涂机器人，1995 年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜300m 机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000 年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华南理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。我国目前拥有机器人 4000 台左右，主要在工业发达地区应用，而全世界应用机器人数量为83 万台，其中主要集中在美国那个从80年代初期开始在中国。中国的研究计划，占据了中国的机器人863的研究计划。首要目标是跟随国际先进机器人工程，并在中国工作、技术、应用方面取得了巨大的成功。由Radio、汽车研究所开发的国立研究实验单位，沈阳的工作开幕深藏电缆潜艇机器人无电缆、300、机器人、移动机器人、2000国防部。航空宇宙大学机器人保留着双手的屏蔽空间，机器人有自动化的收藏系统等。目前，机器人主要应用于工业地区、工作领域、以及世界各地，在美国、日本等工业国家中，主要工作和工作都不好。发达国家还是有差距的。到目前为止，一般产业、产业、国家防卫、日常生活等多个领域都创建了 1 。相对的交通和空间可以分为链接、表面和空间的机制之间的链接。您可以将该连接分割为开放网络的机构和关闭电路。运动。链子和情侣的封闭部分的数量是不一样的。机器人的研究机制，是机器人的研究机制。机器人是60年代开始系统的研究的主要目标之一。这个研究在机器人领域的机构组织上被非常传统地决定。当您想要扩展应用程序时，是“机器人空间”将尝试在新配置中提示新的应用程序。在发展中国家，关于发达国家的工作和研究在中国，还有一些落差。到目前为止，一般产业、产业、国家防卫、日常生活等多个领域都创建了 1 。相对的交通和空间可以分为链接、表面和空间的机制之间的链接。您可以将该连接分割为开放网络的机构和关闭电路。运动。链子和情侣的封闭部分的数量是不一样的。机器人的研究机制，是机器人的研究机制。机器人是60年代开始系统的研究的主要目标之一。这个研究在机器人领域的机构组织上被非常传统地决定。当您想要扩展应用程序时，是“机器人空间”将尝试在新配置中提示新的应用程序。1.2. 工业机器人概述：产业界广泛应用于产业用机器人工厂。在环境中的工业用机器人工厂，一般指代替材料，进行自动化，或者零部件的一部分，或者零部件的一部分搬运，加工，组装，机器人。JSCU可编程、多功能机器操作自由。机器人操作、机械、设备或其他操作对象功能的空间内，可以保存各种任务的材料、零件和工具，并且通常定义为4-6自由度的运动手臂。空间23自由度决定效果的位置和效果空间的23自由度。与世界上最具发展中国家产业机器人相比，我国的研究更注重对四位产业政策和工作模式的研究，与带动产业机械国家一起推出动态建模的新机制国家发展迅速，第一所中国研究所是工业机器人之一，是开发单位、蔬菜、预防接种水果、技术领域 23 （南京大学，此后在上海、Jiaotong大学进行研究-大学森林研究所、研究所、研究所这是因为，该研究机构正在开发机器人战争 25 、受精、机器人预防接种、岗位作业、水果、蔬菜 26 28 28 的农产品、农产品分类、或者机器人材料分类、机器人材料移植等。从哪个分析的结果得到的结果。更成熟的产业机器人不能用GANIA . Robot系列的机器人和机器人分类，从理论上来说，强有力的运输能力，与国家末期平行、定位精度、小精度、小精度、小精度交通等障碍惯性。另外，由于产业用机器人的机构（10）并行化的反应速度，要求产业用工程机器人迅速准确地改善现有应用。产业基础工程专业 。1.3. 本论文研究的主要内容作者系统学习了机器人技术的知识，工作内容多参照国内外尤其是现在的情况、产业机器人。这个基础和项目的作者，在前提下，主要需要工作来解决以下任务。(1) 进行机器人本体结构的方案创成、分析和设计1.1 空间单闭链机构研究概况在机构学中，一般使用符号来表示运动副种类。运动副符号R、C、P、S、H分别表示旋转副、圆筒副、移动副、球面副、螺旋副。空间单个封闭机构通常由诸如RSR之类的运动子符号的一列来表示。这不仅反映了便利，还反映了空间机构的主要特点。第一符号表示连接机架和输入杆的运动副，最后是连接输出部件(被动部件)的运动副27。在空间机构的研究中，提出了各种空间单闭链机构和超张紧机构5,27-33，并提出了连杆机构的理论依据，为连杆机构的实际应用提供了一种替代方案。如表1-1所示，张毅（5）合成了一种简单地相对于自由空间1闭合链的机制。因此，根据自由度对运动的子类别进行分类，从这个表中可以看出，由于同一机构中闭合约束的数量相同，运动的子类别越高，配置机构所需的成员数量越少，成员数量越多，并且运动子是一种特殊的运动子，通过满足条件，可以构造出具有不同约束数的机构5。主要采用空间单封闭机构。1。广泛应用于轻工机械（如缝纫机、纺纱机、鞋等）2。三。一些飞机和汽车，主要用于飞机机翼操作，车轮缩放和车辆传动，转向机构。4。5。其他机器和仪器。 1.1.1 空间三杆机构及其应用空间三杆机构是最简单的单链空间机构。如图1-1所示，为典型的空间三杆CSS和CCS机构34，图1-1a为空间三杆CSS机构，两个球面沉降之间存在局部自由度。图1-1b是一个空间三杆CCS机构，可在需要球形轨道时使用。1.1.2 空间四杆机构及其应用常见的空间四杆机构有4R35、RCSR36、RSSP37、RCCC38-45、RCCR44, 46-53、RSCR54、RRSS55-58、RSSR38, 59-66、RSCP54, 67、RRSC34, 67, 68、RCCP44, 69、RPSC28,70、CSSP54、CSSP54、RSSP37, 71, 72。图1-2所示为其中的四种，其中图1-2a为球面4R机构，图1-2b为RCCC机构，图1-2c为RSSR机构，图1-2d为RSSP机构。空间4根杆机构的应用比较广泛。RCCR和RSSR是双曲轴机构，在球面4 R机构满足特殊的几何条件时是通用耦合机构，在RCC满足特殊的几何条件时可视为通用耦合机构，RSP是曲轴块机构，PSSP是双滑动器机构，RSPC、RRSC、RSCC是曲轴转移机构。下面列举一些四个杆机构的典型应用例子。(1) 空间四杆RSCS 机构如图1-4所示，将空间RSCS机构用作为一种飞机起落架收放机构。当杆2和杆3在液压油作用下伸缩时，杆1绕斜轴摆动，从而达到收放机轮的目的。这里，杆2和杆3各有一个可绕自身轴线转动的局部自由度5。并联机器人相对于现在广泛使用的直列机器人，有着刚性强、精度高、自负荷小、速度高的优点，但是正如同样结构大小，并列机器人的工作空间小、杆的空间干涉、特异位置等问题结构设计理论的分析很复杂。并联机构的动力学特性是具有高非线性和强耦合的特征，使其控制更加复杂。总体来说，并列机器人和串联机器人形成了互补的关系，扩大了整个机器人的应用领域。并列机器人的机构多种多样，Claavel提出了Delta这个三维移动机构。三角洲机构是最典型的空间，是三自由度移动的并行机构，大部分空间三自由度并行机构是由三角洲机构派生的。三角机器人是拥有3个平动自由度的高速并列机器人，是商业应用最成功的并列机器人之一。目前，并行机器人已应用于飞机对接、外科手术、数控加工等多个领域。食品制药领域一般都是在流水线生产，但个别产品的包装部分还需要人工操作。由于环境复杂、产品特殊，传统机构不能满足灵活高效的要求，并行机制能在这些地方充分发挥其优势。本文主要研究和分析包装层机器人的机构设计。由于结构中有空间平行四边形存在，限制了机构的三个转动自由度，仅仅留下三个平动自由度。于是设计了如下的并联机器人，如图机构的特点如下：（1）并联机器人采用四臂对称结构，每个臂为串并混联分支。（2）四个伺服电机和减速器安装在上平台上,主要的质量和惯性集中在上部，末端执行器由八杆相连，惯性小，速度快，效率高。（3）上平台为箱式结构，在箱体的内部可以安放驱动电路、控制电路等。（4）末端执行器由八杆球铰联接，安装电控吸盘，用于抓取物体。（5）球铰由弹簧拉紧。（6）上平台为齿轮齿条机构，实现机器人整体移动。目的是扩大并联机器人工作范围，也可根据情况不使用。此机构在运动过程中，末端执行器只有平动自由度，没有转动自由度。第2章 机器人方案的设计2.4. 机器人机械设计的特点2.5. 从一系列的机器和机械的建设来看，机器人与设计有许多不同。除位置坐标、效果变量、关节力矩和关节力矩（关节）的关系之外，字段与分析机构无关。各关节动态解析，轴承、速度、加速度、扭矩，基本都是双手开放结构，关节设计与其他关节相关的关节设计，对各肩负重力的影响，以及在快速变化位置上的负荷惯性关系。从一点来看，由于动态变化的分析提供了很强的动态系统，非常复杂，即使有一些单纯化，为了解析，链条的开口部是串联的，因此仅用于解析。国家机关负责机械悬架、变形、刚性、损伤机器人的精度积累。因此，设计要特别注意准确性和刚性。另外，机器人的机械技术是典型的，设计一般需要考虑转向、控制的一般问题，机器的建设，不同结构要求更高。与机器人有关的概念。以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。1一般自由度：工业用机器人，在许多关节空间，通常都有一对旋转机制。作为替换关节，按顺序进行关节的旋转。自由度数。2 机器人的分类机器人分类方法有多种。(1) 按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP），连续轨迹控制型（CP）：（a）点位控制型（Point to Point Control ）：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。（b）连续轨迹控制型（Continuous Path Control ）：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。（a）直角坐标型：在最初的3个关节中，机器人与关节、数控机床的控制程序一样，垂直于运动、关节移动。（b）圆柱坐标型：在第三关节中，机器人从垂直方向臂、P、Q、R、R、Z的位置与坐标Q(R、Q、R、R、R、Z)以共同的一个旋转和两个关节的一个旋转移动。（c）球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以q,f, y 为坐标，位置函数为P = f (q ,f, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。（d）关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型（SCARA 型）机器.人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。(3) 按驱动方式分类：空仓式（A）、（B）、油仓式（C）、90年代。在XX时代，电力波动、自动化、自动化和自动化是最重要的。(4) 按用途分类：可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。2.6. 工业机器人的组成及各部分关系概述 图2-1 工业机器人的组成图 它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。A、 执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。（1） 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。（2） 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。（3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。（4） 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。B、 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。C、 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。D、 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。图2-2 各部分关系图2.7. 工业机器人的设计分析2.2.1 设计要求综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。零件尺寸：内孔 100，壁厚 10，高 100。零件材料：45钢。2.2.2 总体方案拟定 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。2.8. 方案设案设计一种直线型Delta并联机器人，动平台与静平台之间通过三条支链连接。通过安装在固定框架上的三个直流电机结合滚珠丝杠副产生的直线运动，使动平台具有一个平动自由度和两个转动自由度。每个电机安装有编码器用于检测其转角，通过机构运动学建模可计算出动平台的位姿信息，并用于实现对机器人的控制。设计要求：1.外形尺寸600x600x800；2.竖直方向平移范围：100mm，水平方向转动范围：15；3.动平台最大承载5kg；2.9. 自由度分析在自由度的分析中，一般涉及闲置自由度、冗余自由度、过约束、公共约束等问题。对较复杂的并联机构自由度分析，一般用螺旋理论进行分析。delta 型并联器人，在运动过程中，四个支臂始终保持空间平行四边形。根据螺旋理论分析末端执行器运动，可知螺旋系约束了绕三个轴的转动，说明此机构只有三个方向的平动自由度，没有转动自由度。机器人方案图机器人结构图2.10. 机械传动装置的选择2.10.1. 滚珠丝杠的选择估算：等效载荷 Fm = 1000 N , 丝杆有效行程420 mm , 等效转速 nm = 1500 r/min , 要求使用寿命Lh = 15000 h 左右，工作温度低于100，可靠度95%，精度为3级精度。A、 计算载荷Fc = 查 上册，表15-21得= 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1 Fc = = 1.11.01.6111000 = 1771 N = = = 19559 NB、 选择滚珠丝杆副的型号主要尺寸为：按= 19559N，查机电一体化设计基础表2-9，选用汉江机床厂C1型滚珠丝杠，系列代号为FYC1-4008-2.5。= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滚珠直径d0=3.969mm 滚道半径 R= 偏心距 e=丝杠内径 27 mm , =24000 N , =1880 N螺旋导程角 = arctan = arctan = 338螺杆不长，无需验算稳定性。 C、刚度验算按最不利情况考虑，即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： = + 式中 T1 = tan( +) = 1000tan(+) = 1321 Nmm磨擦系数f = 0.025, 当量磨擦角 = ，剪切弹性模量 G=8.33 N/mm2所以：= + = 0.0387 m 其中，危险截面= 35.76，E = 2.06每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形 = = 6.6 /m ()p = 15/m因为滚球丝杆精度要求为3级精度，由表15-8查得()p = 15/m所以其刚度满足要求。D、计算效率 = = = 0.960 = 96%第3章 零部件设计与建模3.11. Croe软件介绍creo2.0/proe5.0是美国PTC公司开发的三维建模软件Pro/Engineer的两个版本，类似CAD软件，以其参数化建模著称。proe广泛应用于机械设计和工业设计，是国内主流的三维设计软件。造型设计师、建模师、机构设计师、结构设计师、模具设计师等都应该熟练掌握的一款软件。3.12. 关键零部件建模3.12.1拉格朗日动力学建模 非保守系统拉格朗日方程 由于并联机构是一个多变量、时变、多参数耦合的复杂非线性系统，为实现基于动力 学模型的并联机构高性能控制，需要构建尽可能准确的动力学模型。参考文献可知，目前 比较成熟的动力学建模方法有牛顿-欧拉法、拉格朗日法、虚功原理法、凯恩方程法等， 上述各种建模方法殊途同归，在构建机构的动力学模型时各有侧重点，难易程度也会随着 建模对象的不同而变化。其中，拉格朗日法基于系统动能和势能，采用纯粹的分析方法进 行动力学建模，采用广义坐标描述非自由质点系的运动，得到一组独立运动方程，而这组 运动方程表现为系统的动能和广义力的变化关系，方程数目较少。与其它动力学建模方法 相比较，该方法具有系统性强、建模过程规范、动力学方程中不出现理想约束力、表达式 相对简单紧凑等优点，因此被广泛应用于并联机构建模研究。针对所研究的并联机构，采 新型 3-DOF 驱动冗余并联机构动力学建模及其滑模控制研究 40 用 Lagrange 法建立其基于工作空间的动力学模型。 该驱动冗余三自由度并联机构平台，采用的是清华大学的发明专利技术汪劲松，谢福贵，一种多轴联动混联装置，。该驱 动冗余并联机构的动平台通过三个支链与定平台相连，如图 6 所示，其中前两个 分支（或称为第一、二分支）是相同的，采用的是 PRU 或者 PR(RR)运动链，这 两个分支位于同一个平面内，后面的分支或者称为第三分支采用的是 PPRR 运动 链，这个分支所在的平面与前两个分支所在的平面是相互垂直的。三个分支中的 P 运动副是驱动的，不能看出该并联机构的动平台有三个主动输出，即两个移动 和一个转动，由于其驱动运动副有四个，而输出自由度只有三个，因此，该机构 是驱动冗余并联机构。 该机构具有以下优点： 1、 第三分支有两个驱动关节（或称驱动运动副）； 2、 每个分支只有四个运动自由度，三自由度并联机构分支运动副数达到 最少化，大大减少了由于运动副误差累积导致并联机构动平台精度降 低的可能性，因此该机构的动平台精度较高； 3、 由于参与动平台转动自由度输出的运动副全部是单自由度运动副，这 极大地提高了该并联机构转动自由度的转动范围，使该机构动平台转 动更加灵活，扩大了该并联机构的应用范围。根据拉格朗日方程有 d L L dt - = & q q (3.1) 式中，L=TU 为拉格朗日函数；T 和 U 分别为系统动能和势能；q 为广义坐标；为非保 守广义力。 为了便于平台的移动，模型化了覆盖该组织原点的坐标系的动态中心，包括机关210名成员的对应计算在内的各个子系统的运动性，而不是机关的其他要素的设计质量的摩擦力。考虑到潜在性，将准确平行的模型代理、移动平台平行、软木和三个指导系统分开的机构免除的机构实施的研究时效法，以职场为基础的方法、动力学和最小两个标准等价机构使用的测试方法不限于职场。推动力的测定，优化力的一般动 平台的位姿描述采用前面所述的形式，即 T q= y,z, 3.3 动力学模型简化与分析 上述方法直接推导出的并联机构完整动力学方程是动平台位姿的复杂非线性耦合函 数， 将上述动力学模型直接用于并联机构控制存在计算量大、实时性差等问题91,212，因此需要 在保证建模精度的前提下，对动力学模型进行合理简化。3.3.1 模型简化方案 查阅文献可知，关于对设施文档的访问，并行程序的简化从设计阶段考虑的简单的组织方法的机制最初的设计分成以下的类型。考虑到帐户控制、简化设计、模型动态的开发和实施，系统的动态继续是动态的，从而减轻计算负担。第二种方法是基于同一模型的想法进行二次比较，一些研究人员相信平台与领导平行比较。每个树枝、重力和惯性力都与动力学的重要性联系在一起，使计算资源丰富，从而不影响实时控制运动能源模型，使运动能量非移动平台的个别部分机制的主要构成要素对精度有很大的影响。各自的运动能量是忽略 各构件的转动动能，机构动平台和驱动滑块的动能可分别表示为：分析式(3.30)-(3.32)所示机构各部件动能表达式，提出如下动力学简化方案：将三个连 杆质量的二分之一转入与之相连的滑块，而剩余二分之一的质量则转入机构动平台，由于 机构动平台动和驱动滑块的运动较为单一，因此采用上述方法，机构动力学模型可得到有 效简化。机构连杆简化示意图如图 3.1 所示。3.3.2 简化模型误差补偿 根据式(3.12)所示各连杆质心的线速度可计算出连杆总动能为而在简化过程中，每个支链的实际动能见式(3.32)，由此可见，机构支链总动能简化误差为 3 1 3 1 1 1 2 4 li l i m zz m y = - + & & ，上述动能误差直接决定了动力学模型的建模精度，进而影响系统的 控制精度，因此必须对模型简化所带来的误差进行相应补偿。由于RBF神经网络学习速度 快、网络结构自适应确定、输出与初始权值无关，且具有全局最优和最佳逼近性能，在函 数逼近，时间序列预测，系统建模和控制中得到了广泛应用218，故采用RBF神经网络在线 新型 3-DOF 驱动冗余并联机构动力学建模及其滑模控制研究 50 补偿动力学模型简化误差，在满足系统实时性的同时，最大限度的提高机构的建模精度和 系统的控制精度。由动力学模型可知，系统驱动力与机构动平台位姿、速度和加速度有关，取并联机构 位姿量、位姿的一阶导数和位姿的二阶导数为输入，驱动力补偿量为输出，故所设计RBF 神经网络输入层结点数为9，输出层结点数均为4，其结构如图3.2所示。其中神经网络输入 矢量表示为 ( ) T T = = , , , , , , , , , , y z y z y z & & Q q q q & & b b b & & ，输出矢量表示为 T 1 2 3 4 D = D D D D F f f f f , , , ， 隐含层采用髙斯指数型函数，3.4.3 机构主要构件引入的驱动力 为分析机构各主要组成部分对总体驱动力的影响，基于上述机构参数进行平面圆周运 动，在一个运动周期内，各主要部件所引入的驱动力如图 3.5 所示。分析图 3.5(a)-(c)可知，圆周运动过程中(=0)，连杆 1、2，滑块 1、2 及动平台在 Z 轴方向的驱动力由 f1和 f2承担，其轴向驱动力 f3几乎为 0(最大 210-13N)，由于冗余驱动的 存在，其在 Y 方向的驱动力由 f1、f2和 f4共同承担；由图 3.5(d)和(e)可知，对于连杆 3 和滑 块 3，由于 Y 方向的速度和加速度较小，故各驱动力较小(最大 2N)；图 3.5(f)中，由于冗余 滑块只有 Y 方向而无 Z 轴方向运动，且其重力项跟机构架的支撑力相抵消，故其引入的驱 动力 f3为 0，而 Y 方向的驱动力由 f1、f2和 f4共同承担。由于冗余驱动滑块质量较大(70kg)， 在不考虑重力项的情况下，冗余驱动滑块所引入的驱动力 f4亦随之增大。3.4.4 动力学模型验证 为进一步验证所构建的基于RBF神经网络误差补偿的简化动力学模型的准确性及简化 补偿方法的有效性。引入式(3.36)所示 PD 控制器构建闭环控制系统对其进行仿真验证。故并联机构控制系统渐进稳定。针对上述并联机构 PD 仿真控制系统，PD 控制器参数选为 Kp=diag8000, 3800, 650， Kd=diag1500, 1500, 600，选择式(3.35)所示运动轨迹，仿真周期设为 20s。利用 MATLAB 中的“tic”和“toc”指令测试动力学模型计算时间，同时得到三种模型下各关节轴向驱动 力变化曲线，如图 3.6 所示。55 图 3.6(a)-(d)为圆周运动时并联机构各轴向驱动力变化情况，图中实际模型为式(3.23) 所示机构完整动力学模型，带补偿简化模型为式(3.34)所示基于 RBF 神经网络补偿的简化 模型。分析图 3.6 可知，基于 RBF 神经网络误差补偿的简化模型的驱动力与完整动力学模 型的驱动力基本一致，最大误差不超过 10N。此外，通过对仿真数据的分析可知，本文所设计的基于 RBF 神经网络误差补偿的简化 动力学方程的解算时间为 180ms，较完整动力学方程的 260ms 的解算时间而言，时间缩短 了 30%，因此该简化模型具有较高的计算效率，能更好的满足并联机构实时控制要求。 基于 RBF 神经网络误差补偿的简化动力学模型较简化动力学模型有较高的精度，适合 于计算力矩控制、增广 PD 控制、自适应控制、鲁棒控制等依赖于被控对象精确模型的控 制方法的设计133,134,136。下面介绍了一些关键部件的三维几何体和二维结构尺寸图。机器人大臂机器人大臂端机器人固定端电机固定座电机固定座动盘座 带轮3.13. 各部分的装配关系在个关节出使用球约束使得他们之间有相对运动。关节之间创建万向约束皮带轮之间参与销钉连接总装配图第4章 仿真分析首先进入到仿真界面中：对电动机轴添加伺服电机，产生动力。设置位置做为电动机的变化量选择运行分析创建测量项目参考文献1 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.北京:高等教育出版社,1999.2廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量第四版M.北京:中国计量出版社,2000.3陈锦昌,刘就女,刘林.计算机工程制图M.广州:华南理工大学出版社,1999.4冯辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计M.北京:机械工业出版社,2004.5周伯英.工业机器人设计M.北京:机械工业出版社,1995.6濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,1995.7龚振帮.机器人机械设计M.北京:电子工业出版社,1995.8 何立民.单片机高级教程:应用与设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2000.9吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版社,2002.10郑堤,唐可洪.机电一体化设计基础M.北京:机械工业出版社,1997.11张铁,谢存禧.机器人学M.广州:华南理工大学出版社,2001.12哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.北京:高等教育出版社,1997.13余达太,马香峰.工业机器人应用工程M.北京:冶金工业出版社,2001.