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并联构型装备的设计理论及其应用技术研究


并联构型装备的设计理论及其应用技术研究
高峰
河北工业大学

摘要:并联机器人采用了一种“知识密集”型并联机构,国际上公认并联机构的设计是较困难的热点问题。本文论述了
国内外有关并联机器人研究的现状,讨论了并联机器人设计理论和创新方法以及在六维力传感器、六维鼠标、六自由度 并联微操作机器人、五轴并联机床等方面的应用。本文对并联机器

人研究有重要的理论与实际意义。 关键词:并联机器人并联机构并联机床并联微操作机器人

1引言 并联机器人具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度等特性,在大型模拟如飞机、汽车、地震等 训练仿真装备、机器人、并联数控机床、微操作工作台、多维力与力矩传感器等领域得到了成功的应用。 并联构型装备采用了一种“知识密集”型并联机构,其性能分析和设计是一项复杂而极富有挑战性的问
题。

虽然国内外学者非常关注研究联构型装备的性能分析和机构设计的理论及其应用,但目前存在的 主要问题是:缺乏并联机器人的机构类型,尤其是缺乏四、五自由度的并联机器人的机构类型;缺乏 并联机器人的机构的设计有用的性能评价指标;缺乏并联机器人机构设计的系统有效的理论和方法。 本文综述了我们长期有关并联机器人的研究成果,主要包括并联机器人的构型理论、设计方法、 性能评价指标、并联结构六维力传感器、六维鼠标、六自由度并联微操作机器人、五轴并联机床等应 用关键技术。

2并联机器人构型理论
尽管国内外早已有多种有关平面与空间机构自由度计算的公式与方法,但是这些公式难以用于并 联机器人机构的构型设计,尤其是少于六自由度的并联机器人机构的构性研究,原因在于并联机器人 机构的类型与自由度、运动副的类型、支链的类型有关。根据并联机构的特点,我们提出并联机构的 构型原理文献【4]:“并联机构末端的运动等于组成该机构的各个分支支链运动的交集”,即 ¥=¥,I¥,I…l¥。 式中:¥一并联机构末端的运动:

¥r一支链j的运动(j_1…2..,11)。 在实际计算中,支链运动鼢(j=l…2..,n)的表达方式非常重要。为了方便起见,我们设支链末端
的运动¥沩特殊坐标,即 ¥j 2Gi(峋物吻,wag wpj岈) 式中G吁(~协崎)表示支链j输出构件的三维移动;G叶(”0 于三欧拉角(口、卢、,)的三维相对转动。 wpj”-)表示支链j输出构件对应

利用该特殊坐标,我们设计出了具有2-6自由度的运动支链。利用支链和构型理论,我们发明 出了多种2-6自由度并联机器人新机构。

3机器人的性能评价指标
尽管国内外有许多学者研究机器人的性能指标.但是仍缺乏完整系统的性能指标可供设计者应 用。文献“1研究了并联机器人的性能指标,如工作空间、奇异位形、条件数、解耦、各向同性、综合 条件数、速度极值、承载极值、刚度极值、误差极值等,导出了这些性能评价指标的表达式,并得出 了解耦、各向同性、非各向同性度等定理。这些定理和性能指标对分析和设计并联机器人、并联微动
一407一

机器人、并联结构力传感器等有重要理论和实际意义。

4并联机器人设计的空间模型理论
为了实现机器人机构设计过程的全局最优,研究机器人机构尺寸参数与性能之间的关系具有}J分 重要的地位和实用价值。机器人的机构尺寸可以在0与无穷之间变化,而且机构尺寸可以用不同的量 纲来度量,因此全面研究机器人机构实际尺寸与性能之间的关系显得很困难,如果能够抛开机器人机 构的物理尺寸,将会对我们的研究很方便。 文献[1]提出空间模型理论。该理论是机构所有尺寸参数或其无量纲化参数集合的有限卒间的图形 表示方法,它以无量纲机构尺寸参数为坐标,是处理尺寸参数与各种性能之间关系的一种有效的工具。 它把多维无限的尺寸参数变换到有限的三维空间中来,从而使人们能够在有限的二维或三维窀间中研 究尺寸与性能之间的关系。当在这种以机构尺寸为坐标的图形巾表示各种机构尺寸所对应的性能时, 我们称之为性能图谱。它是我们具体分析机构性能的参考图,是优化机构尺寸的实现手段,所以空间 模型理论是解决机器人机构设计难题的有效方法之一,它将在机器人尤其是并联机器人的计算机辅助 设计领域开辟一条新的途径。文献[卜89]系统研究并联机器人的空问模型理论,建立各种并联机器人, 如平面■自f1I度并联机器人、平面三自由度并联机器人、DELTA并联机器人、球面三自由度并联机器 人、六自由度并联机器人的字间模型和件能陶潜。

5并联机构的发明
利用上述j{:联机器人构型理论,我们创新出r几十种并联机构,如发明出了多种三、四、五、六 轴ji:联机床以及,}:联机器人的新机构;多种靠机械结构实现的三、四、五、六自…度运动结构解耦并 联微动机器人;用Stewart机构设计的六维力与力矩传感器和可实现计算机与人的交互感知的用于虚拟 现实技术的六维鼠标,如文献[80一101]所示。

6并联构型装备的开发与应用
在新产品研制与开发方面,利用上述并联机器人构型原理、空间模型理论和性能评价指标,我们 发明和研制出了“并联结构微型六维力与力矩传感器”、“计算机虚拟现实技术的六维鼠标”、“六自由 度结构解耦并联微操作机器人”、“五轴卧式并联虚拟轴机床”,如图1-2所示。

图1六自由度结构解耦并联微操作机器人

图2五轴卧式井联虚拟轴机床

7结束语
本文综述了我们艮期有关并联机器人的研究成果,主要包括并联机器人的构型理论、设计方法、 性能评价指标、发明和研制的并联结构六维力传感器、六维鼠标、六自由度并联微操作机器人、五轴
并联机床。

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Design Theory and Appficafion Technique of Parallel

Machines

Gao Feng Hebei Univemity of Technolog y,Tianjin 3001 30

Abstract:Parallel machines parallel mechanisms is
the


use

knowledge-intensive parallel mechanisms.It is well

known that

the design of

very

difficult

and challenge issue for engineers.In this paper,the recent

lmarch

on

field of parallel machines is pre∞nmd.which includes the design theory and application in 6-axis

fome/torque sensor,6-axis Inouse.6-DOF parallel micro-manipulator,5-axis parallel machine tool and etc. Key words:parallel robot;parallel mechanism;parallel maclline tool;parallel micro-manipulator

--413

并联构型装备的设计理论及其应用技术研究
作者: 作者单位: 高峰 河北工业大学

引用本文格式:高峰 并联构型装备的设计理论及其应用技术研究[会议论文]


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毕业论文资料(机床设计)
同时并联机床在较多方面的理论研究和应用技术研究尚不...认 为并联机床这种新型的加工装备与传统机床相比,在...硬件结构简单,刚度/ 重量比大,制造成本相对较低;...
天津大学下属的研究所
1 制造装备与系统研究所方向一:并联构型装备 (...设计理论与关键技术 在并联机构的拓扑结构创新设计,...抓取操作,目前已出售4台,并在电池制造企业得到应用...
机构学国家自然科学基金项目一览
设计原理与应用研究 宗光华 北航 60 基于全柔顺并联...分析的变胞机构构型与尺度综合方法研究 张武翔 北航 ...柔顺机构理论及其在精密制造装备的应用研究 张宪民 ...
2011年度高等学校科学研究优秀成果奖公告
应用技术方面的研究成果;专利奖为专利技术实施后取得了显著效益的科学技术成果...合机制与调控方法 并联构型装备的设计理论与 方法 面向流域系统的风险分析与 ...
并联机床的设计理论与关键技术
并联机床的设计理论与关键技术详解并联机床的设计理论与关键技术 1 概述 为了提高...业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统, 其中在机床结构技术上的 ...
结构性能抗震设计理论及应用方法
2011 2011 年 3 月 结构性能抗震设计理论及应用方法刘 琳 l' 刘震 2, 3 ...土木工程技术研究 与开发中心, 辽宁 大连 116622) 摘要:基千性能的抗震设计已...
结构可靠性理论与应用的国内外研究现状
结构可靠性理论与应用的国内外研究 现状摘要:自 20 世纪 20 年代以来,工程结构可靠性理论和应用研究已取得了重大进展。许多国家开始 研究结构设计规范中的应用...
并联机器人构型设计需遵守的规矩原则
并联机器人构型设计需遵守的规矩原则 没有无规矩不成方圆,并联机器人构型设计也是一样,在进行机构形式设计时,除了要 满足规定的运动形式、运动规律或运动轨迹外,还...
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