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文献综述
摘要
目前有关并联机器人精度方面的研究工作还比较薄弱,为采取有效措施提高并联机构的精度,通过对3-RRR并联机器人机构的分析,针对传统D-H参数法的局限性,采用微分理论,建立了该并联机器人机构的精度模型,通过计算机仿真,针对单条支链多个结构参数误差,比较全面的分析了结构参数对输出位姿误差以及位姿变化对机器人机构精度的影响。分析结果为:机构中所有结构误差随着X轴正向增大而单调增大;运动支链在关节转角处的误差单调上升的比其他结构快。为该机器人机构实际误差补偿与控制提供了理论依据。
关键词
3-RRR 并联机器人
精度
一、发展趋势
由于20世纪70年代机电一体化技术的不断发展和广泛应用，使传统意义上的机器和机构的概念已有很大的发展。“现代机械”概念的形成成为机构学发展的一个新的里程碑，可以毫不夸张地说，现代机构学正在逐步形成。机构学中不断新内容、新方法、新理论正有待于我们去研究。现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，逐步深入。将机构扩大为驱动元件与机构的集合将会大大有利于机构的创新和机构运动控制的研究和应用。对驱动元件进行可编程控制即可实现复杂多变的输出运动，使原来“刚性化”的输出发展成“柔性化”输出，从而使机构有了质的变化，有利于设计现代机械。现代机构已经在实际中得到应用，但对它的类型综合、运动学、动力学的研究才刚刚起步，有待深入。可以预期，现代机构学将会深入研究和广泛应用。机械系统的动力特性及动态稳定性将提高，现代机械向高速、高精度、高可控方向发展，通过机械系统的动力学建模及解法的研究、动力分析和综合的研究，它将大大提高现代机械的设计水平的工作性能。
二、并联机器人构型设计准则
1、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，还应该遵循下面几项准则：
（1）机构的运动链要尽可能的短。完成同样的动作要求，应该优先选用机构构件数和运动副数少的机构，以简化其结构从而减轻重量、降低成本、减少由于零件的制造误差而形成的运动链的积累误差，运动链短有利于提高机构的刚度，减少振动。
（2）在运动副的选择上，优先选用低副。低副机构的运动元素加工方便，容易保证配合的精度以及有较高的承载能力。
（3）适当选用原动机，使机构有好的动力学性能。
2、并联机器人的尺度设计原则
以往，我们在设计阶段为了确定机器人操作手机构的尺寸和确定机器人操作手在工作空间内部的位置和姿态时多数是靠经验和直觉。现在，为了开发出高精度、高速度和高效率的并联机器人，我们在机构的综合设计时要考虑到它的工作空间的体积和形状、奇异位形、输出的各向同性等条件。但是，在全局最优的机构尺度综合设计中，顾全到上述的所有条件是十分困难的。国内外的学者提出了许多机构综合的标准，以便在满足指定的设计指标下，机构的性能达到最优。由于并联机器人与串联机器人相比，工作空间小。因此为实现作业要求，在设计时要先确定能够满足性能指标的工作空间是至关重要的。
另外，在并联机构的设计过程中必须要考虑避免构型奇异。与串联机器人不同的是，并联机器人不仅有运动学奇异，还有由构型所导致的构型奇异。即奇异区域通常都扩张到整个工作空间或一些显著的子空间，而且是实际操作中最常用的区域。O.M给出了判定并联机构发生构型奇异的条件：（1）如果动平台和定平台是相似的正多边形，并且每一对相应的顶点通过一条连杆相连，则雅戈比矩阵在工作空间内的大部分区域都是奇异的。（2）如果动平台和定平台是相似的非正多边形，并且每一对相应的顶点通过一条连杆相连，则雅戈比矩阵在工作空间内的大部分区域都是奇异的。这种设计上的奇异的存在，将使并联机器人由于无法平衡施加在动平台上的负载而不能工作。在构型奇异附近的区域，即使没有发生构型奇异，也有可能出现雅戈比矩阵条件数很大的情况，同样会导致运动和力的传递性能变的很差，我们称这种区域为病态条件区域。因此，进行并联机构尺度综合设计时必须考虑在满足工作空间要求、运动可传递性的要求以及负载能力要求的情况下，要避开构型奇异点及奇异点附近的病态区域。
三、并联机构的设计方法
应用影响系数法求解了弹性铰平面并联3-RRR机器人的一阶、二阶影响系数,借助虚功原理建立了包含主、被动铰链弹性变形,杆件及其平台自重的连续刚度映射模型。与以往刚度模型区别在于,该连续刚度模型考虑了机构刚度变化的动态过程,从而使并联机器人刚度非线性映射还原。文中还结合刚度矩阵瑞利商定义了连续刚度判定指标,绘制了刚度性能空间图,进一步探讨了该机构的方向刚度特性,为平面并联弹性铰机器人机构刚度的分析提供了一种新颖通用的方法。
刚度是并联机构重要性能指标,为了评价并联机构刚度,提出了一种刚度评价方法。基于3-RRR机构的逆运动学模型,推导出其雅可比矩阵。在力雅可比矩阵的基础上,给出了刚度评价指标,该指标不仅适用于3-RRR并联机构,而且可以应用于其它并联机构。将提出的刚度指标应用于3-RRR并联机构,数值仿真结果表明3-RRR机构在工作空间中具有对称的刚性。
平面柔性并联机构具有柔性机构和少自由度并联机构两者的优点,是当前研究的热点之一。提出并验证一种简单、有效的平面柔性3-RRR并联机构自标定方法。从误差建模出发,利用矢量链法推导出标定参数辨识方程。借助静平台上的标准定位圆孔,通过仪器对拉线式编码器(线尺)进行标定,进而利用线尺在线地测量、记录机构运行中的实际位姿,结合数控系统中的理论轨迹,辨识出系统模型误差。根据辨识结果对控制模型进行补偿,使平面柔性3-RRR运动平台轨迹误差得到了明显的减小,有效提高了机构的精度,完成了利用线尺进行机构自标定方法的研究。由于测量工具和建模方法通用性强,且具有在线实际位姿测量能力,该试验研究为平面柔性少自由度并联机构的自标定提供了一种切实可行的解决途径,同时为全闭环控制提供了可行的测量方法。
导出了3-RRR平面并联机构基于守恒协调转换刚度矩阵机构刚度结构位形部分的解析表达式和外力作用影响部分的不完全解析表达式.给出了求机构刚度映射的一般方法,求出了不同参数下3-RRR平面并联机构的刚度映射曲线,并对机构的刚度特性进行了分析和讨论.研究发现,3-RRR平面并联机构的刚度是机构构型的函数,并与驱动力和关节刚度成比例;动平台中心趋于工作空间边界刚度增大,在工作空间的边界附近形成一个刚度较强的环状区域,而在工作空间的内部形成一个刚度较弱的区域.基于螺旋理论分析了一种3-RRR并联机构的自由度和构型.通过分析动平台和各分支机构的约束螺旋系,构造3-RRR串联分支,运用修正Crübler-Kutabath公式计算出其自由度满足3个转动自由度.基于虚拟样机技术建立3-RRR并联机构虚拟仿真模型,进行正向运动学仿真和工作空间分析,从而找到该机构存在的缺陷,为少自由度并联机构运动学和动力学分析提供保证。
分析了平面3-RRR三自由度并联机构中存在的过约束及其有害影响,详细讨论了在保证3-RRR并联机构平面运动特性的情况下无过约束自调结构的设计问题,得出了几种新的平面三自由度并联机构运动副配置方案,深入分析了2-RCS-RRR结构的自调特性。
四、并联机构研究中存在的问题
目前，国内外关于并联机构的研究主要集中于机构学、运动学、动力学和控制策略等方面。其中并联机构的机构学与运动学主要集中在机构的运动学问题、奇异位形、工作空间和灵巧度分析等方面。并联机构机构学与运动学的研究在并联机构的研究中占有重要的基础地位，是实现并联机器人、并联机床等控制和应用的基础。动力学分析及控制策略的研究主要是对并联机构进行动力学分析和建模，并且研究利用各种可能的控制算法，对并联机器人、并联机床等实施控制，从而达到期望的控制效果。从大量的关于并联机构的研究文献可以看出，近十余年来，关于并联机器人各方面的研究工作都取得了很大的进展。但是，还有大量的工作需要进一步研究和开展，主要有以下几个方面：（1）进一步研究并联机器人机构的型数综合，寻求结构更加合理、适合不同用途的并联机构，使并联机构的运动学和动力学模型变得简单，同时考虑深入研究多种约束条件的并联机构优化设计方法。（2）加强位置正解的研究，使位置正解更加简单。寻找简化精度补偿、工作空间和奇异位形的方法。（3）加强并联机构的动力学研究。（4）进一步加强串并联机器人的研究，充分利用串联和并联机构的优点，实现功能强、特性好、类型广的新型机器人。（5）加强少自由度并联机构的研究，特别是动力学、精度标定、系控制、机构结构的优化设计等问题，是目前和今后少自由度并联机器人机构研究和发展的方向。
参考文献
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