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一种新型并联微动机器人运动学分析

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  • 发布时间:2014-12-06
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微动机器人作为微操作系统的重要组成部分,在光纤对接、精密机械工程、生物工程等领域具有广阔的应用前景。随着微纳米技术的快速发展,人们对具有纳米级定位精度的多自由度微动机器人提出了更高的要求。以压电陶瓷为驱动器的并联柔性铰链机器人被广泛用于位操作领域h J。设计微动机器人结构时,静刚度是-个非常重要的设计准则,它所受的外载大小直接决定了终端变形的大小,对终端定位精度有相当大的影响,在-定终端变位范围内,使静刚度可控还可获得可控的终端输出力。但是以前对于微动并联机器人的研究很多都是针对于平面三自由度并联微动机器人或者是六自由度并联微动机器人进行研究3 J,对于空间三 自由度并联微动机器人或者其它少 自由度空间并联机器人的研究还比较少。针对这种情况,本文设计了-种新型并联微动机器人,并对其结构进行了分析,给了这种新型并联微动机器人的拓扑机构,分析了该并联微动机器人的输入个数以及输入关节的位置。利用螺旋理论分别计算了这种并联微动机器人的各分支得反螺旋的表达形式,得到这种并联微动机器人运动螺旋以及各分支反螺旋,从而计算出该并联微动机器人的自由度。利用矢量的方法对于这种并联微动基金项目:北华航天工业学院博士基金(KY2009-04-B);廊坊市科技局科技支撑计划项 目(201001 1024);河北侍育厅项目(Z2012204)收稿 日期:2012-12-03作者简介:韩书葵(1976-),女,博士,副教授;天津武清人,主要研究方向:并联机器人。

机器人的运动学进行了分析,给出了这种机器人的雅可比矩阵的计算公式,得到了机器人奇异位形的位置,这些为机器人的控制方案的设计奠定了基矗1 机器人结构如图 l所示为微动并联机器人的结构示意图,该并联微动机器人的动平台和经平台是通过三个分支相互连接,其三个分支组成闭环回路,压电陶瓷位于四个转动副组成的复合铰链中间,主要用来驱动由转动副组成的复合铰链,通过复合铰链的变形来带动与其相互连接的启动柔性杆件进行变形,从而达到驱动整个并联微动机构的目的。

图 1 微动机器 人结构少自由度并联微动机器人的拓扑机构如图 2所示。通过图2可以看出,此微动并联机器人的每个分支时由两个复合运动铰链组成,其中有四个转动副组成了-个复合铰链,其相当于-个转动副,而其余的四个万向铰链组成-个复合铰链,其运动主要2013年2月 北华航天工业学院学报 第23卷包括两个移动副和-个转动副。

图 2 微动机器人的拓扑结构2 微动机器人机构自由度计算自由度是并联机器人在空间能够运动蹬能力,并联微动机器人能够实现确定运动,输入的驱动和机构的自由度数目必须相等,计算该并联微动机器人的自由度至关重要。为了计算并联微动机器人各分支的螺旋,建立如图3所示的坐标系,在该坐标系下对于并联微动机器人的自由度进行分析。

为:图 3 微动机器人坐标系利用螺旋理论得到第-个分支螺旋表达形式$l0,1,0,Z1,0,0$21,0,0,0,Y2,0$30,1,0,Z3,0,0$ 1,0,0,Y4,0,0$50,0,1,Y5,0,0$60,0,l,Y6,0,0$,0,0,1,Y ,0,0$80,0,1,Y ,0,0$90,1,0,Z9,0,0$1o:1,0,0,0,Y1o,0$l11,0,0,0,Y 0$l20,1,0,Zl2,0,0则第-个分支的反螺旋为:$ 0,0,0,0,0,1同理可以得到第 2分支反螺旋为:$10,0,0,0,1,0第 3分支的反螺旋为:$ 0,0,0,l,0,0机器人各分支的反螺旋组成矩阵的最大线性无关组是3,所以此机构的自由度是3,其沿 、Y,z轴线方向的转动被约束,则机器人可以实现沿 ,Y,移动≌间并联机构通常每个分支有-个输入,那么在各分支上选取的-组输入是否能使上平台产生确定的输出就是并联机构输人合理性的判别问题。

根据给出的基于螺旋系线性相关性的空问并联机构输入选认理性判别方法来判别确定机器人的驱动每个分支应该有-个驱动。

3 微动机器人运动学分析不失-般性,对于并联微动机器人的-个分支进行分析,取参考坐标系建立坐标原点建立在固定平台的中心处, 轴沿平台平面法线方向并指向运动平台如图4所示。

D图 4 动静平 台之 间关 系设△曰 [A0。 △ 40,。] 为并联微动机器人输入的微小量,则并联机器人输出的微小量为 AX [AxAyAz] 。利用矢量合成的方法对其进行运动学分析。通过图4可以得到少自由度并联机器人的运动学矢量形式为:Pr 2a b c d (1)对于(1)式求导:V(o×r 2∞l1 X a w 2×b (u 3 X c (, 4×d(2)式中 [ ]为平台中心 P的位移速度矢量,- 2 -

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