CATIA被动铰为球铰的二自由度并联平移机器人机构运动分析与结构设计(2)

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3.3 运动学尺寸设计 15

3.4 理论工作空间 19

3.5 本章小结 19

4 三维结构设计与运动仿真 20

4.1 引言 20

4.2 结构设计 20

4.3 运动仿真 22

4.4 本章小结 25

结论 26

致谢 27

参考文献 28

1 绪论

1.1 并联机器人机构概述

作为现代工业大规模生产必不可少的生产资料，各类机器人活跃在生产建设的各个领域。与人类手工生产相比，机器人效率高精度高，生产效益更是优于人工，既可以完成复杂困难的动作，还可以把人从大量重复性劳动中解放出来。传统意义的机器人，是一般在基座和末端执行机构之间只有单条运动链的串联机器人。这种串联结构在执行多自由度的运动时，需要通过各个关节的运动层层累积到最终的执行机构，以达到在工作空间中执行各种规定动作的要求。一般来说，串联机器人的结构不是很复杂，可以实现的工作空间范围比较广，在求解运动学时正向求解比反解要简单。但是串联机器人也有其突出的问题，由于每一个动作都是通过关节一层层传递到末端的，使得关节误差不可避免的逐层累积到末端从而影响了末端执行机构的精度。另外，串联机器人的刚度也不是很好，不能够承担大的负载。为了消除串联机器人的这些缺陷，人们发展出了并联机器人。所谓并联机器人，是指在其基座和末端执行机构之间至少有两条运动链。一般也将并联机器人叫做并联机构，本文将不再特地区分并联机器人和并联机构这两个概念。与串联机器人相比，并联机器人的运动惯性较小，整体结构刚度大，能够承担比较大的载荷，速度响应快，结构紧凑等优点。虽然并联机器人的工作空间不如串联机器人的大，也没有串联机器人灵活，但是并联机器人可以弥补串联机器人在刚度和精度等方面的缺陷，使得机器人可以应用于更多的领域[1]。

并联机器人方面的研究历史十分悠久，早在上世纪四十年代提出了一种汽车喷漆领域内的并联机器人大大改善了汽车喷漆的效率[2]。Gough[3]在1962年设计了一种可以检测轮胎的六自由度的并联机器人，如图1.1所示，也极大地促进了生产。斯图尔特在1966年，深入研究了Gough的轮胎检测机器人，并将它进一步发展为可以模拟飞行姿态的机器人，后来人们便将其称之为斯图尔特机构[4]，如图1.2所示。1970年左右，工程师亨特在研究了斯图尔特机构的精度和刚度问题后，发现了斯图尔特机构精度高刚性好的优势，于是在并联机器人领域加以推广；与此同时，研究人员H.Mac Callion发现斯图尔特机构在工业大规模生产方向的广阔前景，并运用到了工业自动化生产上[5]。

经过多年来的发展，并联机器人在许多领域发挥着重要作用，理论研究也日益完善，并且不断有新构型被提出来。

轮胎检测装置

图1.1 轮胎检测装置图1.2 斯图尔特机构

1.2 二自由度并联机器人发展历史及研究现状

并联机器人可以串联机器人的结构缺点，正是由于这个原因并联机器人的受重视程度越来越高，许多研究人员都在研究并联机构，但是并联机器人因为其固有的多运动支链的原因，使得并联机器人的构造相对串联机器人更为复杂，给并联机器人的研究设计工作带来许多困难。多个运动支链共同作用于末端执行机构，使得并联机构在协调位置姿态控制方面难度大增，对并联机器人的推广运用带来了困难，也限制了其性能优势的发挥。并联机器人按照自由度可划分为：二自由度并联机器人、三自由度并联机器人、四自由度并联机器人、五自由度并联机器人和六自由度并联机器人，自由度不足六个的并联机器人被称为少自由度并联机器人[6]。六自由度并联机器人的工作空间小，往往需要很大的机构去实现很小的工作空间；运动学分析尤其是位置正解很困难，机构难以控制。正是由于这些问题，使得少自由度并联机器人的优势越来越突出。与六自由度并联机构相比，少自由度并联机构的构造简单，成本低廉，控制算法简单，机构运动学和动力学理论更加完善，运动解耦容易，应用前景十分广泛。