[发明专利]一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法

摘要

一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法：以工作空间中点为参考点，以运动学性能为约束条件，以工作空间体积最大为目标，确定机构的尺度参数；以静刚度性能为约束，以弹性动力学性能为优化目标，确定部件的关键结构参数；以沿典型轨迹运动时的驱动关节等效转动惯量，转速和转矩为依据，确定伺服电机的参数。本发明采用分层递阶的思想，综合考虑了机器人的运动学、静力学及动力学性能，可实现尺度、结构及驱动器参数的集成设计。由于机器人在任意位形的运动学、静力学和动力学性能主要取决于机构的运动/力传递率有关，因此在工作空间中心设计出参数可保证机器人的全域性能，进而可极大地节省设计工作量。

主权项

一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法，其特征在于，围绕五自由度混联机器人中的并联机构，以工作空间的中点所对应的位形为参考位形，综合考虑运动学、静力学及动力学性能，实现尺度、结构及驱动器参数的集成设计，包括如下步骤：1)根据作业或加工需求，选择末端执行器；2)根据末端执行器的尺度，完成二自由度转头的设计，并确定二自由度转头与动平台的接口尺寸；3)定义从动长度调节装置伸长量为自身行程的一半，且在三条主动长度调节装置伸长量相等时，二自由度转头的两转轴轴线交点为机器人的工作空间中点，即参考位形；以动平台半径、在参考位形处主动长度调节装置轴线与从动长度调节装置轴线的夹角以及主动长度调节装置的行程为独立的设计参数，并按主动长度调节装置的行程对设计参数进行归一，得到一组无量纲设计变量；以机器人位于参考位形处雅可比矩阵的两个最小奇异值相等为等式约束，以最小奇异值与最大奇异值之比大于等于给定值为不等式约束，以无量纲可达工作空间体积最大为目标，建立尺度参数优化模型，得到无量纲尺度参数；根据需求给定主动长度调节装置的行程，进而确定机构的全部尺度参数；4)将主动长度调节装置、从动长度调节装置和转动支架做成模块化部件，对于每个部件提炼出关键结构参数，各部件中的零件和标准件按照现行国家标准、与其他零件的关联关系以及等刚度准则进行设计和选用，进而形成若干种供选择的部件设计方案；采用实体造型和有限元分析软件，建立参数化的各部件实体模型和有限元模型，并经组集形成机构的CAD和CAE模型；采用正交试验设计方法，计算机器人运动部件质量、末端刚度和模态频率关于关键结构参数的响应面；以动平台参考点的静刚度为约束，以主导模态频率最高及运动部件质量最轻为目标，建立关键结构参数优化模型，确定关键结构参数；5)根据步骤3)和步骤4)所确定的尺度参数和关键结构参数，计算机器人在工作空间中的运动学、静力学和弹性动力学性能，若计算结果满足作业或加工的要求，转入步骤6)；否则，返回步骤3)，在执行步骤3)时修改其中的给定值，在执行步骤4)修改其中的静刚度；6)给定机器人典型末端负载、典型运行路径和运动规律，采用刚体动力学仿真软件计算驱动关节的等效转动惯量，转矩、功率及转速随位形的变化的规律，按恶劣工况确定伺服电机的参数，并根据负载惯量匹配原则，校核伺服电机的转子惯量。