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1、绳牵引平面并联机器人设计与分析,答辩人: 程小勇 导 师: 吴洪涛 教授 专 业: 机械工程及自动化,内容提纲,1,2,3,4,研究背景 机构设计与分析 机构的建模 总结与展望,研究背景,1.1并联机器人发展现状 国内外学术界和工程界对研究和开发并联机床都非常重视。 我国已在国家“九五”科技攻关计划和“863”高技术发展计划中对并联机床的研究与开发予以支持。,研究背景,1.2 绳驱动机器人 绳驱动机器人是一种特殊的并联机器人由Stewart Platform 发展而来。,优点：大工作空间 、低惯性 、简单的结构 、重调整和可移动性 、完全分离的传动,研究背景,几种不同的驱动机器人 BETA 机
2、器人 DISH 机器人 DELTA 机器人,研究背景,下图是要研究的DeltaBot的2D形式 ：,特点：并非采用绞盘做驱动器, 而是用摇臂作为改变绳长的方法, 虽然缩小了工作空间,但是使得机器人运动速度得以保证.,研究背景,1.3总结: 机器人(机械臂)作为新兴的学科，近几十年有着很快的发展。从最初的多关节多自由度的串连机器人，到Stewart Platform， 到柔性连接的绳驱动机器人，机器人的应用领域不断扩大，性能也逐渐增强。 目前，国内外关于并联机器人的研究主要集中于机构学、运动学、动力学和控制策略研究等几个领域。其中并联机器人的机构学与运动分析主要研究并联机器人的运动学问题奇异位形
3、、工作空间和灵巧度分析等方面。,机构设计与分析, 2.1并联机构的运动学分析,正向运动学,逆向运动学,-已知输入操作臂的变量，求解运动平台对应这些输入的位置,-已知的运动平台位置参变量，求解对应这些输出的操作臂变量,机构设计与分析,坐标系的建立,机构设计与分析,正向运动学,机构设计与分析,逆向运动学,对于这个机器人来说，就是已知1 , 2 ，求解平台的坐标（x,y）,机构设计与分析, 2.1工作空间,并联机器人相对于串连机器人有着很多的优势，但是对于工作空间，并联机器人要远远小于串连机器人,最大工作空间的分析,限制条件下随机参数的工作空间,工作空间优化设计,机构设计与分析,最大工作空间的分析,
4、对于每一条腿的最大工作空间就是以AC+PC 为半径，以A 点为圆心的一个圆， 而对于整个机器人来说，最大工作空间就是两个圆的相交部分,机构设计与分析,限制条件下随机参数的工作空间,机构设计与分析,工作空间优化设计,蒙特卡罗方法 :,对于两自由度机器人来说，蒙特卡罗最优化方法的应用过程如下: 1.随机抽取 a，b，L，l 设定为初值 2.在以 AC+PC 为半径相交区域随机抽取1000 个点(X，Y，Z) 3.将每个点代入逆向运动学方程中检验，保证可以求得实数解 4.如果满足就认定这个点是工作空间中的一个点。 5.记录 2-4 过程中属于工作空间点的个数 再进行步骤 1， 随机设定参数的值，进行
5、 2-4 的分析， 上述过程进行足够多的次数， 选择工作空间点最多的一组做为最终的最优化参数, 可以应用 MATLAB 进行编程计算。,因为并联机器人的弊端就是工作空间相对较小，所以最优化参数使得工作 空间最大化就是非常重要的问题。,机构设计与分析, 2.2数值实例,基本参数如下： a=300 b=340 l=420 L=1000,现假设移动平台的 P 点坐标的运动轨迹为: （50，-350）（100，-400）（50，-450）（0，-500）(-50,-550) (-100,-600),机构设计与分析,三次样条插值（简称Spline插值）,机构设计与分析, 2.3绳的张紧性以及支架力的分析
6、,外力容量,对于一个绳驱动机器人来说，使其保持刚性的临界外部负载(力和转矩),因为绳是柔性物体，所以要保证机器人在运动过程中的刚性就必须使绳处处张紧,张紧性： 一个绳驱动控制器可以被称作张紧在一个给定的姿态当且仅当 任意的外部负载存在一个有限的支架力和一组有限的绳张力来 使控制器刚性。,机构设计与分析,外力及支架力和绳中力的示意图,平衡方程为:,机构设计与分析,力容量以及外力圆的示意图,力容量就是移动平台可以提供的一组使得所有绳都处于张紧状态的的集合。即:,最终计算：,得到：,其中 n是面的指向外部的法向向量， 是使得圆与三角形第i 个边相切的支架力,机构设计与分析, 2.4机器人动力学分析,
7、目的,在给定的轨迹下，通过控制输入转矩来使得移动平台按照需要的加速度移动,首先，设计机器人部件的时候需要用到动力学分析，因为如果没有动力学模型，很难知道转矩的大小，因此就很难选择电机，设计主轴等，选择轴承等。 其次，动力学模型是实现控制的最基本的理论。知道了动力特性才能设计控制方案。,机构设计与分析,牛顿-欧拉方程,f = mVc,能量守恒定律的应用,令,为机器人的输出力(只有移动自由度)。令,为相应的关节输入转矩。,输出力的虚位移,为输入转矩的虚角位移。,机构的建模,本设计利用Solidworks建模，绘制零件三维图。Solidworks是美国Solidworks公司基于Windows平台开发的全参数化三维实体造型软件，具有强大的零件设计、钣金设计、管理设计、绘制二维工程图、支持异地协同工作等功能，可以实现由三维实体造型向二维工程图的转化，能够使零件设计、装配设计和工程图保持全时间的相关和同步。,三维建模：,机构的建模,仿真图：,总结与展望, 4.1 总结 在对机器人的运动学求解中，得到了运动学正反解的解析解 机器人的动力学问题 研究了机器人的弊端-工作空间问题 最优化参数设计、对机器人的运动学做了数值实例分析,总结与展望, 4.2展望 动力学模型进行仿真分析 奇异性分析 控制系统设计 试验样机的实验与制造,Thank you ！,
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