工业机器人知识讲座 第三讲 工业机器人操作机（上）

一、操作机的构成及运动自由度 操作机是指机器人的机械主体结构。从机构学上分析,它是由关节串联起来的连杆组成的。所谓关节就是两个互相联接的刚体,一个相对于另一个转动或移动的组件,即转动关节和移动关节。机器人操作机由机座、腰关节、肩关节、大臂、小臂、肘关节和腕关节几部分构成,见图1。     

交叉簧片柔性虎克铰在静平衡仪中的应用及性能测试

通过对广义交叉簧片柔性铰链转角公式的分析,揭示了铰链刚度和仪器灵敏度之间的关系。为了避免垂直载荷的变化对铰链转动刚度的影响,设计具有恒定转动刚度的交叉簧片柔性虎克铰,并以柔性虎克铰为转动支撑单元搭建针对万向节装置不平衡力矩测量的两自由度柔性静平衡仪。通过对沿特定方向特定量不平衡力矩的测量,在0～7 000 g有效载荷范围内对仪器分别沿x轴和y轴不平衡力矩测量的同步灵敏度进行测试。结果表明,所搭建的柔性静平衡仪各轴的灵敏度约为1.1 g·mm,灵敏度基本不受仪器有效载荷变化的影响,而且仪器各轴同步测量的灵敏度基本一致。所设计具有恒定转动刚度的交叉簧片柔性虎克铰的转动性能及承载性能优良。     

基于球面并联机器人空间定位技术的动力学控制研究

鉴于球面3自由度并联机器人上角锥具有3个纯转动自由度,其运动本质等效于3自由度转动陀螺.将该机器人构型用于刚体空间定位的执行机构,推导得到主动关节驱动力矩表达式,选取机器人3个欧拉角为广义坐标,采用拉格朗日法建立机器人运动微分方程.通过实例将球面3自由度并联机器人用作跟踪空间目标定位平台的执行机构,应用MATLAB软件...     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

三通道登机桥的运动分析及动力学计算

考虑登机桥外通道和中通道的运动约束关系,研究三通道登机桥系统7个旋转运动副和3个平移运动副,建立运动学模型.研究登机桥立柱升降运动、驱动轮电机与接机口的三个平移自由度之间的关系.接机口控制电机转动实现调整接机口姿态.建立登机桥多体系统动力学控制方程,对于接机口给定的位置运动规律,计算出升降立柱液压油缸的驱动力,以及两个行走轮驱动力矩.推导得到登机桥驱动轮的抱闸力矩计算公式.对个别重要的间歇较大的转动副进行切向力、法向力计算,计算间隙滑动移动副的接触力.针对某型号登机桥进行实际计算,得到地面提供的垂直于通道的摩擦力、立柱液压缸升力、接机口移动距离以及驱动力矩变化规律等.     

3-UPU-SPS并联机构及关节的分析

提出了一种新型三平移一转动4自由度空间并联机构,分析了机构运动输出特性,并计算了机构的自由度和耦合度,给出了该并联机构的正、反解,并讨论了该机构的工作空间.提出用无间隙的柔性关节,避免了因普通运动副间隙而造成的运动失真;利用ANSYS软件对新型柔性转动副进行有限元分析,表明所设计的柔性转动副在一定载荷和运动范围内是允许的.     

新型圆柱面3自由度并联机构的动力学逆解

针对一种新型圆柱面 3自由度并联机构应用牛顿 欧拉法进行了动力学逆解分析。该机构具有 2个移动自由度和一个转动自由度 ,首先推导出该机构的运动学逆解 ,建立了支链和动平台的力和力矩平衡方程 ,根据不同类型支链的运动学约束条件消除了部分铰链约束力和力矩 ,从而推导出驱动力矩模型 ,最后给出了该机构动力学逆解的数值仿真实例。该模型可用于改进该机构的结构组件设计和控制算法。     

SSD—1型搬运机器人控制器的设计

１ＳＳＤ－１型搬运机器人简介ＳＳＤ－１型机器人是一种水平关节式机器人,具有大、小两个臂,有腰、肘两个回转关节,这两个关节是由步进电机加谐波减速器驱动。小臂末端安装了一种双支点单自由度手爪,手爪具有上下移动和夹紧松开两个开关量运动,由气缸直接驱动。该机...     

一种新颖柔性关节三平移并联机构的设计与仿真

介绍了一种空间新型少自由度三平移并联机构,该新型三平移并联机构是以-P-R-R-R-R-为支路结构。提出一种利用轴线相互垂直的转动副代替传统意义上的万向节的思想,即新颖柔性转动副。利用Pro/E对机构进行建模,通过MECHANISM/Pro模块导入ADAMS/View模块中进行仿真。分别在机构的3个移动支链上施加运动,通过计算机模拟,得到动平台的运动轨迹和角速度随时间变化的关系,表明该柔性机构在一定运动范围及频率下,引用无间隙的柔性关节,避免了因普通运动副间隙而造成的运动失真。     

运用RGRR-Ⅰ构造5RP混联机器人手臂的构型研究

传统的串联结构的关节式机器人手臂存在在刚度低的缺点。并联双自由度转动机构RGRR-Ⅰ刚度高,且有着工作空间/机构尺寸比大、活动构件少、制造容易等一系列优点。基于关节式机器人手臂的工作要求,运用并联双自由度转动机构RGRR-Ⅰ构造出实现绕XYZ三个直线运动坐标移动,两个运动轴坐标回转的混联五轴联动机器人手臂,并分析其工作机理,建立起有关模型。该研究也为其他混联机器人手臂的设计研究提供了借鉴。     

一种分级同步重力卸载试验台

卫星天线驱动机构由两个正交的旋转关节组成,为了在发射前测试其性能,提出了一种分级同步重力卸载方法,并根据该卸载方法搭建了气浮试验台。该试验台能够对天线驱动机构的两个正交关节进行重力卸载,同时提供两个关节的转动自由度。试验台采用两层结构的形式,用气浮垫和气浮主轴组合实现重力卸载,提供了驱动机构所需的两个关节的转动自由度。带载测试能够真实反映驱动机构的性能,椐此设计了基于频率和转动惯量约束的模拟负载,并安装在所设计的气浮试验台上。两层结构的形式解决了两轴转动惯量的耦合问题,同时能够达到给定的频率要求。对气浮试验台进行了测试,证明了分级同步重力卸载方法的有效性。     

基于逆动力学的柔性机械臂力学特性研究

为了对柔性机械臂力学特性问题进行深入研究,通过运用机械臂低振动逆动力学和时变模态展开方法,建立单连杆柔性机械臂的动力学模型,将机械臂自激弹性振动模型引入计算模型中,提出最优输入力矩与扰动最优力矩计算方法,并针对关节处不同工作状态进行动力学响应分析,最后根据计算数据建立相关模型进行数值验证。研究结果表明,柔性机械臂在建模过程中包含非线性项,消除模型线性化误差,给定机械臂结构和运动要求时,可首先算出最优输入力矩,从而对机械臂实现开环控制;通过采用扰动模型,了解柔性作用,算法的收敛性和速度较普通模型有显著提高,结果具有良好的鲁棒性;当关节转动固定后,机械臂端点作谐振动,若振动频率接近机械臂固有频率时,扰动响应发散,反之则为稳态振动;当关节移动固定后,匀速转动,转速小于临界转速时,扰动响应衰减或稳定,反之则发散。     

滚动接触柔性连续体机器人的设计与运动能力分析

针对航空原位检修领域对机器人在复杂、狭小空间的作业需求,基于滚动接触原理设计了一种新型的柔性连续体机器人,解决了连续体机器人轴向刚度需求与运动柔顺性之间的矛盾。对连续体机器人单元柔性关节和整体系统进行了详细分析,根据机器人的冗余自由度特点设计了主动运动与被动运动两种运动策略。对机器人单元关节的力学仿真结果表明,该柔性关节转动刚度适宜,轴向刚度较大。机器人长600 mm,最大弯曲角度大于360°,最小弯曲半径40 mm;实验结果表明该机器人运动柔顺,具备良好的环境自适应能力。     

基于网络多关节测量机通讯接口研究

网络制造要求测量系统和设备具有高度柔性，可以实现系统级的数据通讯与信息集成。传统笛卡尔坐标机不可移动的安装使其在网络制造中的使用受到限制。多关节测量机具有体积小、可便携的特点，成为网络制造中潜在的主要测量设备。这里提出可便携基于网络多关节测量机的新概念，通过研究基于CORBA(Common Object Request Broker Architecture)的DMIS(Dimensional Measurement Interface Standard)接口，并把DMIS接口与传统的多关节测量机系统相结合，形成基于网络多关节测量机系统，为在网络制造模式下坐标机的集成和通讯问题进行了初步研究和探索。     

夹具上的预定位设施

图1所示为箱形工件的铣、钻顶面夹具,双点划线表示工件轮廓,工件以底面和底面上两个圆柱孔为定位基准。夹具用平面、圆柱销和菱形销定位。平面对底面限制x、y转动、z移动三个自由度。短圆柱销对圆孔限制x、y移动两个自由度。短菱形销对另外一个圆孔限制剩下最后一个z转动自由度,它是一个完全定位夹具。     

制孔执行器的安装方式对机器人性能的影响

机器人和多功能末端执行器组成的柔性钻削系统近些年在航空工业得到了越来越广泛的应用,执行器和机器人的安装方式有同轴式、悬挂式和侧面式.利用软件Matlab对机器人和工件进行仿真建模,并计算执行器在不同安装方式下的机器人可达度、可操作度、关节使用度和关节被动力矩.基于计算结果,结合评价指标,分析制孔末端执行器的安装方式对机器人的可达性、可操作性、关节使用度及制孔位置精度的影响,结果表明同轴式安装消除了压紧力对机器人第5轴的被动力矩,有利于提高加工孔的位置精度;悬挂式安装使机器人的可达性好;侧面式安装使机器人的可操作性好,增加了机器人的运动灵活性和减少了关节使用度.     

变自由度4-~xP~xR~xR~xR~yR_N并联机构

提出一种变自由度4-xPxRxRxRyRN并联机构,该机构中与动平台4边相连的4个转动副两两相对且轴线重合(记为u轴和v轴).运用螺旋理论对机构的自由度进行分析和驱动副选取.初始位形下,4-xPxRxRxRyRN并联机构的动平台平行于定平台,此时动平台具有3个连续的移动自由度和两个瞬时转动自由度,其转轴可为平行于定平台的任何两条直线.动平台仅可绕u轴或v轴从初始位形下发生连续转动,此时动平台具有3个连续的移动自由度和1个连续转动自由度,转轴为u轴或v轴,且这两个转动自由度互斥,即如动平台先绕u轴发生连续转动后,就不能绕v轴发生连续转动,必须待动平台再次平行于定平台时才能切换,反之亦然.为实现自由度切换的完全可控,4-xPxRxRxRyRN并联机构需采用5个驱动器进行冗余驱动.     

一种新型六自由度通用型手控器

提出了一种新型的六自由度通用异构式手控器。由平行四连杆机构组成的两级三自由度平台构成了这种新型手控器的3个平动自由度,它的 8 个二自由度关节是由十字形轴构成的万向机构,每个关节的运动范围可达±60°。由两个 U形构件组成手腕的两个转动自由度,它们的运动范围与人的手腕运动范围相适应,在这个机构的工作空间内没有奇点,具有平动和转动解耦的特性,最后一个自由度是手控器手指关节的运动。采用直流力矩电机作驱动装置以产生力觉反馈。     

3自由度折弯模具关键尺寸精密检测机械臂设计

折弯模具刀口夹角、对称度及其中心到安装面中心距离的精密检测是确保折弯模具互换性的关键。根据数控折弯模具关键尺寸的特点,采用一个3自由度串联机械臂对其进行检测。该机械臂包括1个水平方向的移动自由度、1个垂直方向的移动自由度和置于机械臂末端测头的转动自由度。所设计的3自由度折弯模具关键尺寸精密检测机械臂具有高精度性、良好的稳定性和快速响应性。     

一种面向航天需求的仿生柔性机械臂的设计

针对航天器舱内环境的障避实际需求,基于自然界象鼻的内部肌肉结构分布特点,设计一种多冗余自由度仿生柔性机械臂。该机械臂由8个柔性关节组成,每个柔性关节具有3个自由度,相比传统机械臂,具有结构紧凑、刚度较高、运动灵活、操作空间广泛等特点。针对所提出的单个柔性关节与多个关节组成的仿生柔性机械臂进行运动学建模分析。利用制作的仿生柔性机械臂,进行航天避障任务试验,验证了该机械臂结构的可行性。