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动态优化的一种新型高速，高精度的三自由度机械手彭兰（兰朋），鲁南立，孙立宁，丁倾永（机械电子工程学院，哈尔滨理工学院，哈尔滨 150001，中国）（Robotics In stitute 。Harbin In stitute of Tech no logy， Harbi n 150001 ， P。R。Chi na）摘要介绍了一种动态优化三自由度高速、高精度相结合，直接驱动臂平面并联机构和线 性驱动器，它可以提高其刚度进行了动力学分析软件 ADAM仿真模拟环境中，进行仿真 模拟实验设计调查是由参数分析工具完成处理的，分析了设计变量的近似的敏感性， 包括影响参数的每道光束截面和相对位置的线性驱动器上的性能在适当的方式下，模型可以获得一个轻量级动态优化和小变形的参数。 一个平面并联机构不同截面是用来改 进机械手的结果发生明显的改进后的系统动力学仿真分析和另一个未精制一个几乎是 几乎相等但刚度的改进的质量大大降低，说明这种方法更为有效的。关键词：机械手、ADAMS、优化、动力学仿真10简介并联结构机械手（PKM是一个很有前途的机器操作和装配的电子装置，因为他们有一些明显的优势，例如：串行机械手的高负荷承载能力，良好的动态性能和精确定位的 优点等.一种新型复合3 DO臂的优点和串行机械手，也是并联机构为研究对象，三自由度并联机器人是少自由度并联机器人的重要类型。三自由度并联机器人由于结构简单，控制相对 容易，价格便宜等优点，具有很好的应用前景。但由于它们比六自由度并联机器人更复杂的运动特 性，增加了这类机构型综合的难度，因此对三自由度并联机器人进行型综合具有理论意义和实际价 值。本文利用螺旋理论对三自由度并联机器人进行型综合，以总结某些规律，进一步丰富型综合理 论，并为新机型的选型提供理论依据，以下对其进行阐述。如图-1所示机械手组成的平面并联机构（PPM包括平行四边形结构和线性驱动器安 装在PPM两直接驱动电机c整合交流电高分辨率编码器的一部分作为驱动平面并联机械 装置.线型致动器驱动的声音线圈发动机.这被认为是理想的驱动短行程的一部分.作为 一个非换直接驱动类，音圈电机可以提供高位置敏感和完美的力量与中风的角色，高精 密线性编码作为回馈部分保证在垂直方向可重复性。另一方面，该产品具有较高的刚度比串行机械手，因为它的特点和低封闭环惯性转 矩。同时，该系统可以克服了柔性耦合力学弹性、齿轮、轴承、被撕咬支持，连接轴和 其他零件，包括古典驱动设备，因此该机械手是更容易得到动力学性能好、精度高。mtchjiiism图-1 3自由度的混合结构的机械手当长度的各个环节的平面并联机时，构决定于运动学分析和综合4-7，机械优化设计的首要任务，应加大僵硬、降低质量关于几个参数模型这是它重要和必要的影响， 研究了各参数对模型表现以进一步优化。本文就开展设计研究工具，通过参数分析亚当 斯，又要适当的方式来获得一个轻量级的优化和小变形系统。1仿真模型ADAMS（Automatic Dyn amic An alysis Of Mecha nical System）自动机械系统动力学分析是一个完美的软件，对机械系统动力学模拟可处理机制包括有刚性和灵活的部分， 仿真模型可以创造出机械手的亚当斯环境如图-2。OXY是全球性的参考帧，并OXY局部坐标系，两个直流驱动电机、交流和 02M O1A表示，与线性驱动器CH被视为刚性转子 转动惯量电机传动的120kg/cm2。大众的线性驱动器是1.5kg，连接AB德、03F和LJ被 视为柔性体立柱、横梁GK通用公司和公里，形成一个三角形，也被当作柔性传动长度 的链接是决定提前运动学设计为 AB =QF = 7cm DE=IJ=7cm GK=7cm GM=11.66cm,= 8.338cm。其它维度，这个数字是 OiA = 0 2M =7cm CB=CD=HJ 2.5cm EF=EG=JK= 3cm虽然总平面并联机构的运动都是在水平、垂直和水平刚度必须在竖向刚度特征通常 低于水平僵硬，因为它的角色在垂直悬臂梁的截面尺寸计算每一束平面并联机构和相对 位置的线性驱动器是两个非常僵硬的影响因素的系统。运动支链可分为三类：主动链（由驱动器赋予确定独立运动的支链。一般是单驱动器控制一个自由度的运动），从动链（不带驱动器、被迫作确定运动的支链。又分为以 下两种：约束链：独立限制机构自由度的从动链。冗余链：重复限制机构自由度的从动 链）复合链（有单驱动器、但限制一个以上的机构自由度的支链，实际是主动链与约束 链的组合）-并联机构是由这几种支链用不同形式组合起来的。动链中的约束链除了可 以提高机构刚度和作为测量链外，其更主要的作用是用来约束动平台的某一个或几个自 由度，以使其实现预期的运动。图-2仿真模型2仿真模拟结果在本节中，平均位移的末端是用来描述动态刚度，这是在不同的配置在不同的线性 驱动器向前，从最初的位置的目的地，一般的竖向位移的机械手是作为目标来研究竖向 刚度，平均差别的横坐标、纵坐标点之间有一个刚性数学模型，模型，作为目标来研究 水平刚度。并联机器人的构型设计即型综合是并联机器人设计的首要环节，其目的是在给定所 需自由度和运动要求条件下，寻求并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局等的各种可 能组合。国内的许多学者正致力于这方面的研究， 其中比较有代表性的有如下几种方法: 黄真为代表的约束综合法；杨廷力等人的结构综合法；代表的李代数综合法。以上各 种方法自成体系，各有特点，都缺乏理论的完备性。本文提出添加约束法，是从限制自 由度的角度出发，增加约束，去除不需要的自由度，因每条主动链只有一个驱动装置， 让其控制一个自由度，其余自由度通过纯约束链去除，这样可以使主、从动运动链的作 用分离，运动解耦，有利于控制。具有三自由度的并联机床，当采用条主动支链作为驱 动时，机构就需要约束另三个自由度，通过选择无驱动装置的从动链来完成，则整个机 构成为有确定运动的三自由度的并联机构。 黄真等提出的约束综合法对完全对称的少自 由度并联机器人机构进行了型综合，完全对称的支链结构相同，都属于复合链，每条支链除都有一 个单驱动器，控制一个自由度外，还应约束一个以上自由度才能使机构的六个自由度全部受控，使 机构有确定的运动。2.1截面效应扭转变形位移的连结将会引起的，所以，扭转常数的横截面，重力是研究装系统来 研究，采取扭转刚度的垂直切片Ixx不变的各个环节和梁作为设计变量的变化，从0.1 x105mrm 与 3.5 x 10 5urn石如&Cl WI4-C.W1*0.X1B打ms垃脚TCOCH?乜眇BOD fiiS1 S28 /jfi34Torsional conatanUi (tOmm4):/ffl -3不断的效果在垂直变形扭转图-3显示了平均位移与截面扭转常数末端的各个环节和梁，根据它的变化速率的环 节，是最大的，AB是链接，LJ依次分别GI梁和KM有在竖向刚度性能。其他的仿真结果表 明，水平位移之间的差异进行比较，结果表明该模型体育智力H和刚性模型变化小就改变了恒定不变的时候扭加载惯性力的线性驱动器，但是水平位移的变化，这意味着在这 种模拟竖向变形的生产水平位移系统机械手。注意端面线性驱动器的主要原因是水平变形、线性驱动器机器人是由两个节点 C和H .所以，我们计算了不同的Z-coordinate摄 氏度之间，如图所示，在图4-扭转常数的影响差别的链接德。其次是最有效的通用和 连接梁，连接O3F梁GK有效果。因此，应采取AE和连接区段大扭常数的免疫力，竖向刚度较大并行扭转不变的链接德也使较少的均匀性，降低线性驱动器不可以降低水平变形。Mint OjF2ink ABJlink DE4Link U5bum 0K6bewnGM7 bam KM图-4在不影响扭不变如图-5、6所展示的影响是区域惯性转矩的设计变量是区域刚度和惯性转矩的各个环 节和梁lz，图显示增加lw卡尔减少的速度高于垂直位移的不断增加Ixx扭转。这个Yxx AB 梁的链接，链接O3F是Iyy三个主要因素决定了竖向刚度。图-6所示 链接的AB梁公里，连接03F也是其中的三个主要因素决定的均匀性线性 传动装置、不同的分析结果表明，Izz效果好，具有至少两个垂直和水平刚度，这意味 着这种结构，具有足够的水平，降低Izz刚度的链接和增加Iyy AB梁的链接，链接O3F 公里的好方法，优化系统。QAE19IP1.52 02SMonkenuvfincnu (I(Awn图-5瞬间的惯性效应对垂直位移fl 0M omentB of mcrtia (1 (Jr mm*)I UnkOjF I泌DK 5beamGK7bcajii ICM2Jink AB 4_ ink U &beam GM图-6转动惯量不平衡的影响2.2影响的线性驱动器的相对位置线性执行器的惯性是主要载荷之一，在机械手的运动，不同的相对应的垂直位置产 生不同的变形，图7显示了绝对平均的最终效应垂直位移时驱动马达以恒定的加速度旋 转，我们可以看到，过低或过高的相对位置会造成比格变形，最好的位置是一对Z = 24毫米的地方大概是从中间环节连接 03F到AB.宀 【j Euuuoa-!ap7#图-7影响线性驱动器的相对位置#3分析改进的机械手根据上述模拟结果，所有改进的机械手的设计，时间如下：链接截面AB DE IJ与30mm的基础和高度，10毫米的厚度；链接03F和矩形空心梁与 30mm的基础和高度工型钢，I0mm法兰 和6mm网;梁竞，通用汽车与8mm的坚实基础和30mm高的矩形。图-8 梯形运动姿态图-9中回应的是机械手， 相比之下，图-10中提高初始的反应， 在其中所有的链接和机械手的矩 形截面梁的坚实基础，用 30毫米，高度的差异是曲线，C和H的曲线积分，二是垂直位移的末端，改进系统中最大位移 0.7Um最初的0.12Um相比，争论的振动激励后仍停留在O.06Um 0.15% sO.05Um相比的初始变形改善系统的初始小于前者具有较少的惯性，因为在相同的步伐不断加快， 保持振动瓣膜差不多一样，它对这整个系统中来说，仍然改善系统的刚度，几乎相当于初始制度， 针对大规模的平面并联机构在该系统相比下降了30%，这样的初始优化是有效的。81.9 IhiiAmits jv.pansfi七E旦 一(arm)Fig. W DyrwmK导 rmpu】代图-9、 图-10动态响应94 结论本文设计了一种新型三自由度机械手变量的敏感性进行了研究在ADAMS环境中,可以得出以下结论：1）机器人具有较大的水平刚度，最终水平位移，效应主要是由机械手垂直变形造成的， 因此，更重要的是增加的幅度比刚度竖向刚度。2）参数Ixx，lyy并链接截面刚度Izz有不同的效应，lyy已经对垂直刚度的影响最大， Ixx在第二位的是，Ixx具有在垂直刚度的影响最小，他们都较少对水平比垂直刚度刚度。3） 横截面的不同环节都有不同的影响，连线竖向刚度 AB和德应该使用区扭转常数和 惯性力矩大，如变形、长方形、横梁 KM ,，线03F应该使用区段形梁等重大时刻转动 惯量、横梁GK，和GM可以使用尽可能的一小部分，从而降低了质量。4）最佳的线性驱动器的相对位置可以减少变形，最好的位置是垂直的平行结构。5）改进的机械手的动态分析表明该优化设计方法研究的基础上的效率。10参考文献 I Dasgupta B, MmthyunjayabT S。The Stewart platform manipulator : a review Mechatmand Machine Theory , 200o。35 (1): 15402 Xi F , Zhang D, Xu Z , et al。A comparative study on tripod u ts for machine LoOIs lntemationalJournal of Machine TooLs&Manufacture , 2003, 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