并联机械手运动学分析及仿真

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Paralel Robot Mechanism and Control System DesignWANG Dian-jun ，FENG Yu-qian ，GAO Jin-hong ，LIU Zhan-min WANG Wei(1.Mechanical Engineering Academy，Beijing Institute of Petro-Chemical Technology，Beijing 102617，China；2.Mechanicaland Electrical Engineering Academy，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China)Abstract：6-FI'S parallel manipulator WaS put fonvard，which suitable for the welding work.The robot pe矿。，7 黜 e，kinematics，workspace in-depth and system ware analyzed.The manipulator kinematics offorward and inverse solution onvelocity and acceleration were analyzed and simulated based on Matlab software，and the workspace of the moving platformWas determined and simulated.The eachjoint motion ofmanipulator were analyzed according to the simulation results，and thetheory datawere obtained.The workspace influence Was analyzed on the mainparameters.Finally the experiment ofWOX moldprocessing mode Was presented to simulate the welding torch movement.The tests results show that the flexible workspace ofthe manipulatorplatform are big which Can meet the requirements ofwelding。

Key W ords：Parallel Manipulator；Kinematics；W orkspace上 J旨在高速自动化焊接领域中，焊接系统需要对焊枪进行高精度的点位控制，以完成焊枪定位、姿态调整等操作；而高速并联机械手作为-种新型的机械手，具有刚度大、负载能力大等优点，使得高速并联机械手在 自动焊接领域中具有广泛应用前景。

根据焊接运动要求设计了6-FI3并联机械手，对该并联机构的自由度、机构性能、运动学特性、工作空间特点以及在仿真软件下对构型特点和运动学性能做了深入分析；选用 Linux操作系统，采用了IPCPMAC的开放式数控体系，构建了控制系统；最后采用腊模加工方式模拟焊枪运动进行了加工实验[1-21。

2并联机械手机械结构方案2.1方案比较Hunt基于构件数目和选择不同类型铰链基础上，提出了23种比较实用的并联结构形式 ，并指出构型的差异主要源于驱动方式和铰链配置的各种可能组合。

在此基础上 ，各国学者根据机器人所要完成的任务提出各种不同类型的机构，现有公开的并联机构有 80多种。在大量的基础上结合本课题实际内容提出以下几种方案：3 s(虎克铰-移动副-球铰)，3-TPr(虎克铰-移动副-球铰)，在工业中，三杆并联机构(Tripod)和六杆并联机构(Hexapod)应用最为广泛，Delta机构和 Trieept机构是典型的三杆并联机构，Stewart平台是典型的六杆并联机构〖虑到在进行焊接时焊接工艺的要求，综合考虑以上各个构型，决定选用6-PTS型并联机构，因为6-PTS机构可以实现三个方向的平动和沿三个轴线的转动，具有6个自由度，并且该机构的运动构件的质量小，运动灵活 。

2.2并联机械手机械结构设计图 1整体结构Fig.1 Overall Structure来稿 日期：2012-08-14基金项目：国家八六三”高技术项目(2007AA04Z255，2012AA041402)；北京市属高等学校人才强教深化计划资助项目(PHR201008355，PHR200907221)；北京市教委科技发展计划资助项 目(KM200710017005)作者简介：王殿君，(1973-)，男，辽宁凤城人，博士学位，副教授，主要研究方向：机器人技术156 王殿君等：并联机械手运动学分析及仿真 第6期机器人机械结构的设计包括包括丝杠设计、电机设计、同步带的设计等。并联机构包含由6个交流伺服电机作为动力系统，6个电机连同丝杠都与定平台固定不动，机构由六根相同的支链组成，每个支链的长度固定，支链的-端在丝杠中上下滑动，每根支链由丝杠和同步带作为传动系统，将整个机构在 UG中进行三维建模，并进行运动学分析，模型如图 1所示。

2.3并联机械手自由度的计算根据 Kutzbach Grubler公式：86(n.芎1) (1)/1式中： n构 自由度数；，广-机构总构件数；g-关节数 -所有关节自由度总数。

机构上下平台共有构件 14个，联结这8个杆件共有 18个运动副，其中包括6个球铰链，每个球铰链相对自由度为3，6个虎克铰，每个相对自由度为2，6个移动副，每个相对自由度为 1，所有运动副的相对自由度数为36。求得该机构自由度为M6x(14-18-1)366。

3并联机械手运动学分析3.1运动学分析与仿真运动学分析包括位移，速度，加速度分析。根据速度的分析和仿真过程得出动平台运动与丝杠副运动的关系，该关系的得出有利于在指定动平台运动的情况下合理估计电机和丝杠性能。加速度分析仿真过程可以为在要求较高加速度运动情况下合理放置并联机构 ，达到机构的最大效用[5-61。

经过分析得出当刀尖点的运动规律为： tXt；y6xt；z455；根据此运动规律求得各个丝杠副的滑动速度规律，如图2所示。

图2丝杠副的速度规律Fig.2 Lead Screw Speed Law分析刀尖的运动规律为：x2t，ytlOsin(t)，z-455时，丝杠副的加速度规律，如图 3所示。所有杆是在同-个坐标系下显示的 6根支链的加速度规律。

图3丝杠副的加速度规律Fig.3 Lead Screw Acceleration Law3.2工作空间影响因素的分析设给定参考点c是动平台执行器的端点，工作空间是该端点在空间可以达到的所有点的集合。并联机器人工作空间的研究- 直以来备受关注，工作空间分析是设计并联机器人操作器的首要环节。机器人的工作空间是机器人操作器的工作区域，它是衡量机器人性能的重要指标。并联机器人的-个最大的弱点是空间小，因而研究并联机构的工作空间是非常重要的。并联机器人的工作空间小应该说这是-个相对的概念，同样的机构尺寸，串联机构比并联机构的空间大。

本机构中，影响工作空间的大型形状的主要因素有三个：丝杠副可滑动的距离。丝杠副可滑动距离是受到丝杠长度的限制的，每-个丝杠副的滑动距离必须满足条件： <-L ；转动副转角的限制。各种铰链，包括球铰链和虎克铰的转角都是受到机构的限制的，每-铰链的转角必须满足 0i ；杆件的尺寸干涉。连接动平台和定平台的各个杆件都具有-定的几何尺寸，因此杆件在运动过程中可能发生相互干涉。设杆件是直径为D的DD圆柱体，两相邻杆件轴线之间的距离必须满足。通过理论分析与Matlab的仿真，得出了各种因素对工作空间的影响程度。

. - 4O -20 0 20 40- . 40 -.20 0 20 40图4丝杠副滑动距离为50ram时机构的工作空间Fig.4 Work Space Machine when Lead ScrewSliding Distance is 50mmNo.6June.201 3 机械设计与制造 157- 100 0 10o 200图5丝杠副滑动距离为 270mm时机构的工作空间Fig.5 Work Space Machine when Lead ScrewSliding Distance is 270ram丝杠副的滑动距离对机构工作空间的影响程度，丝杠副滑动距离为50mm时机构的工作空间，如图4所示。而丝杠副滑动距离为 270mm时机构的工作空间，如图 5所示。

4控制系统设计根据并联机构多轴实时运动的特点，选择Linux系统下IPCPMAC的控制系统。本系统的控制中心在工业控制机(IPC)平台上，采用PMAC多轴运动控制器和双端口存储器(DPRAM)结构，PMAC主要完成并联机器人各轴的运动，控制面板开关量的控制，对反馈的信息数据实时扫描更新；工控机则主要实现系统的管理功能。而PMAC卡与IPC之间采用PCI总线通讯和DPRAM通讯两种方式。工控机与PMAC之间主要通过 PCI总线通讯，而PMAC卡与电机之间主要通过 DPRAM进行通讯。为了实现 PMAC多轴运动控制的功能，需在 PMAC卡上扩展相应的 I/O板 、伺服驱动单元 、伺服电机等，最终形成-个完整的数控系统17-81，如图6所示。

图 6运动控制系统总体结构Fig.6 Motion Control Systems Arehitecture机器人在运行过程中，有可能出现运动程序设计的缺陷或其他原因导致关节超出了运动空间，这种情况是很危险的，有可能造成电机的飞车或损坏。因此必须在各关节上安装开关和报警处理。PMAC为每个通道设计了正限位 uM、负限位LIN-、和报警信号FAULT用于故障保护。这些输人都作为数字信号和模拟信号的光电隔离，当正限位LIM、负限位 LIN-、和报警信号FAULT与模拟地相连时，PMAC认为是正常工作状态。但当他们与模拟地断开之后，PMAC认为到了限位或出现错误而停止 DAC输出，停止电机。

5结论(1)通过机构运动学分析，得出该机构末端执行器在实现要求动作时，运动平稳、无位置突变，并且速度、加速度曲线也都比较平缓，无突变现象，反映了该并联机构无冲击现象传递运动性能良好。

(2)根据机构工作空间分析，得出该机构的工作空间受杆长最大伸缩量、虎克铰转角范围的限制；工作空间是连续的，无空洞和空腔。基于空间搜索法在Matlab下对不同坐标值下的工作亨间截面进行了仿真，验证了上述的结论。

(3)进行腊模加工方式模拟焊枪运动实验，结果表明，该机械手运动平台灵活空间较大，可以满足焊接需求。