偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

1自由度串聯(lián)機(jī)器人隨著傳統(tǒng)制造業(yè)結(jié)構(gòu)從技術(shù)難度的提高到自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)科學(xué)的先進(jìn)水平，工業(yè)機(jī)器人在汽車制造、機(jī)械工程、焊接、上下材料、研磨、研磨、研磨、噴漆等方面得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際工廠生產(chǎn)應(yīng)用中,多數(shù)機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境不需要六個(gè)自由度,如電子、食品和醫(yī)藥等工業(yè)產(chǎn)品高速拾取及分揀過(guò)程。因此具有少自由度的并聯(lián)機(jī)器人逐漸受到工業(yè)與研究所的重視由此可見(jiàn),目前對(duì)于四自由度并聯(lián)機(jī)器人的研究取得一些成果,但是主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能優(yōu)化等方面,并未解決機(jī)器人成本較高的問(wèn)題。傳統(tǒng)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量和機(jī)器人自由度數(shù)量相等。為了解決這一問(wèn)題,以五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)新型偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人,分析其結(jié)構(gòu)特征與工作原理,并建立動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,最后搭建硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證此偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的可行性,能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。2偽四粒度聯(lián)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)2.1旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的組合偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人由旋轉(zhuǎn)軸、靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、主動(dòng)臂、從動(dòng)臂、輔助運(yùn)動(dòng)臂和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,如圖1所示。旋轉(zhuǎn)軸由驅(qū)動(dòng)電機(jī)與彎頭減速機(jī)組成,固定于靜平臺(tái)上。兩根主動(dòng)臂與從動(dòng)臂組成二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),固定于動(dòng)平臺(tái)上。當(dāng)兩主動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)角度相同時(shí),旋轉(zhuǎn)軸與末端機(jī)構(gòu)在同一直線上。偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人共有三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸,其中兩輸出軸驅(qū)動(dòng)兩根主動(dòng)臂旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),而旋轉(zhuǎn)軸可以驅(qū)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在三維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),運(yùn)動(dòng)速度快,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由于比傳統(tǒng)四軸機(jī)器人少了一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其相關(guān)部件,所以大大減少了制造成本,同時(shí)由于其運(yùn)動(dòng)方式較為特殊,在需要經(jīng)?；氐焦潭c(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的情況下可以廣泛應(yīng)用,提高執(zhí)行效率。2.2輔助短桿和長(zhǎng)桿為了保證末端機(jī)構(gòu)始終豎直向下,在機(jī)器人一側(cè)引入輔助臂,輔助臂由輔助短桿、輔助長(zhǎng)桿和L型連接件組成。輔助短桿一端固定于動(dòng)平臺(tái)上,另一端固定于L型連接件上,使其與主動(dòng)臂、L型連接件和動(dòng)平臺(tái)組成平行四邊形。輔助長(zhǎng)桿兩端分別固定在兩個(gè)L型連接件上,使其與從動(dòng)臂和L型連接件組成平行四邊形。使用兩個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)可以使末端機(jī)構(gòu)始終豎直向下,如圖2所示。2.3前四自由度旋轉(zhuǎn)偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人以三個(gè)驅(qū)動(dòng)自由度實(shí)現(xiàn)四個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵在于兩主動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)角度相同時(shí),旋轉(zhuǎn)軸與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在同一豎直直線上。機(jī)器人首先將物體抓取到旋轉(zhuǎn)軸正下方,旋轉(zhuǎn)至所需角度,然后放下,再次旋轉(zhuǎn)至目的方向,最后重新抓取物體放置到目的位置,即可完成XYZ和繞Z軸旋轉(zhuǎn)四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。四自由度運(yùn)動(dòng)過(guò)程,如圖3所示。(1)物體放置在PA處,將主動(dòng)臂和從動(dòng)臂所在平面旋轉(zhuǎn)至與PA、PB、PC、PD平行,將物體由PA經(jīng)過(guò)PB、PC運(yùn)送至PD處;(2)將物體旋轉(zhuǎn)一定的角度,該角度即為物體所需旋轉(zhuǎn)角度;(3)將物體放置于PF點(diǎn),調(diào)整主動(dòng)臂與從動(dòng)臂所在平面與PE、PG、PH、PI平行,其中PI為目的位置,然后再將物體提升至PE處;(4)將物體由PE經(jīng)過(guò)PG、PH、運(yùn)送至PI處,完成四個(gè)自由度的搬運(yùn)工作。3運(yùn)動(dòng)分析3.1輔助坐標(biāo)系以主動(dòng)臂和從動(dòng)臂形成的五桿平面建立KZ輔助坐標(biāo)系,如圖4所示。左側(cè)為KZ平面輔助坐標(biāo)系,右側(cè)為XY平面坐標(biāo)系,Z軸垂直紙面向外。XYZ坐標(biāo)系遵守右手定則。桿長(zhǎng)為l3.2運(yùn)動(dòng)理論的正解分析由圖4,已知l由上式解得:通過(guò)分析幾何結(jié)構(gòu),由先驗(yàn)知識(shí)可確定真解。再將φ3.3運(yùn)動(dòng)理論的逆解分析已知l解算得:取其中較大者。同理可求得θ4實(shí)驗(yàn)與分析4.1驅(qū)動(dòng)軸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖5所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用三臺(tái)安川伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)軸,其中一臺(tái)安裝在靜平臺(tái)上作為旋轉(zhuǎn)軸,另外兩臺(tái)安裝在動(dòng)平臺(tái)上驅(qū)動(dòng)主動(dòng)臂,末端安裝吸盤(pán)以進(jìn)行抓取測(cè)試。4.2運(yùn)行誤差設(shè)置機(jī)器人臂長(zhǎng):l逆解輸出角度與正解輸入角度之差,如表8所示。即偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)行誤差。由圖可知,該偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人的整體運(yùn)行精度較高,但也存在部分采樣點(diǎn)誤差較大的情況(根據(jù)輸入數(shù)據(jù)分析,可能由于角度θ表1中執(zhí)行一次只進(jìn)行一次正解運(yùn)算和一次逆解運(yùn)算,執(zhí)行速度在每秒9000次左右,表明該偽四自由度機(jī)器人穩(wěn)定性高,實(shí)時(shí)性好。5偽四自由度串聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證從機(jī)器人成本與工作空間角度考慮,設(shè)計(jì)出一種新型偽四自由度并聯(lián)機(jī)器人。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,以五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)三自由度的平移與一個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn),且驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)量小于其真實(shí)的運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)量。分析其結(jié)構(gòu)特征與工作原理,并建