基于工作空间的球面5R并联机器人机构设计-机械工程学报.PDF

第 43 卷第 2 期 机 械 工 程 学 报 Vol.43 No.2 2007 年 2 月 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Feb. 2007 基于工作空间的球面5R 并联机器人机构设计* 张立杰 牛跃伟 李永泉 黄 真 (燕山大学机械工程学院 秦皇岛 066004) 摘要：研究球面 2 自由度2R 串联机器人的可达工作空间，并对之进行分类。在此基础上研究球面2 自由度5R 并 联机器人的理论工作空间形成原理，根据理论工作空间的形成条件建立该并联机器人的设计空间，设计空间内包 含球面 2 自由度 5R 并联机器人机构的所有尺寸型。在设计空间内寻找理论工作空间形状发生变化的机构临界尺 寸条件，这些条件将设计空间划分为不同的子区域，不同子区域所对应的球面 2 自由度 5R 并联机器人尺寸型机 构具有不同形状的工作空间，从而在全部设计空间内对该机器人理论工作空间的形状进行详细分类。探讨该并联 机器人机构的工作空间面积性能指标与杆件尺寸之间的关系，并在设计空间里绘制相应的工作空间面积性能图谱。 工作空间形状和面积大小是进行机器人机构设计的重要参考依据。 关键词：2 自由度 球面机构 工作空间 设计空间 性能图谱 中图分类号：TH112.1 作空间形状、面积与设计空间之间的对应关系，并 * 0 前言 在设计空间内绘制了理论工作空间面积性能图谱， 为基于工作空间设计该机器人提供重要参考依据。 球面机构是各转动轴线相交于一点的空间机 构。由于球面机构的制造简单经济，而且球面机构 1 球面 5R 并联机器人模型 结构紧凑，特别适用于空间受限制的地方，因而它 在工业上得到了较广泛的应用，如广泛使用的万向 球面 2 自由度5R 并联机器人如图 1 所示，该 节就是最典型的球面四杆机构，大多数实用机器人 并联机构的动平台是一个广义参考点 P ，通过两个 的手腕就是一个球面3 杆开链机构(即球面3 自由度 串联 3R 运动链分支 PB A 、PB A 与固定平台弧 1 1 2 2 串联机器人)[1]，以及作为球面上点的定位设备的球 A A 相联接，形成球面 5R 机构。该机构所有运动 1 2 面 5R 并联机构[2] 。 链的转动副轴线皆汇交中心 O 点，该点称为并联机 近几年，球面 5R 并联机构作为机器人的机构 器人的转动中心。参考点P 具有以中心 O 点为球心 得到了关注[2-5] 。文献[3]分析了球面 5R 并联机器人 的沿球面移动的 2 自由度，因此称之为球面运动并 机构的位置解，文献[4]讨论了球面 5R 并联机构的 联机器人。 转动原则，文献[2]解释了机构的奇异形位条件并对 工作空间进行了简单描述，文献[5]研究了球面 5R 并联机构的设计空间、工作空间分类数学条件和奇 异形位。文献[5]得到的设计空间立体图是一个不规 则体，不能直观表示出形成的数学条件，同时对理 论工作空间分类的 14 类数学条件不够准确，没有给 出 14 种工作空间形状，没有建立设计空间(即杆件 尺寸)与工作空间形状之间的对应关系。 机器人的工作空间是机器人最重要的性能指 标，因为工作空间决定了机器人能够到达的范围。