自由度并联机构的平行机设计

南通职业大学毕业设计

课题：自由度并联机构的平行机设计

系 科

专 业

班 级

姓 名 解 红 斌

指导教师 完成日期

摘要

文中从运动副分析入手，对一种运动解耦的三自由度并联机构进行了构型研究，该机构由三个正交分布的支链组成，且机构的运动副均为转动副，构成了机构动平台x 、y 、z 三个方向的平动解耦；在机构构型研究的基础上，对其进行了运动学分析，推导出了该并联机构的运动学正反解，分析了机构输入/输出的速度和加速度等，验证了该机构运动解耦的特性。这对该机构的动力学分析、控制策略、机构设计和轨迹规划等方面的研究，具有一定的理论意义。

关键词： 三自由度并联机构；构型；运动学；

南通职业大学毕业设计说明书（论文）

第一章 引言

1．1 并联机器人的出现及特点

并联机器人是一类全新的机器人，它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，与目前广泛应用的串联式机器人在应用上构成互补关系，在新的历史阶段中，并联机器人还将有更为广泛的应用。它可以作为航天上的对接器、航海上的潜艇救援对接器；工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器；可以在汽车总装线上自动安装车轮部件；另外，医用机器人，天文望远镜等都利用了并联技术。

并联机器人与已经用的很好、很广泛的串联机器人相比往往使人感到它并不适合用作机器人，它没有那么大的活动空间，它活动上平台远远不如串联机器人手部来得灵活。的确这种6-TPS 结构的并联机构其工作空间只是一个厚度不大的蘑菇形空间，位于机构的上方，而表示灵活度的末端件3维转动的活动范围一般只在60°上下，角度最大也达不到±90°。可是和世界上任何事物一样都是一分为二的，若用并联式的优点比串联式的缺点，也同样令人吃惊。首先，并联式结构其末端件上平台同时经由6根杆支承，与串联的悬臂梁相比，刚度大多了，而且结构稳定；第二，由于刚度大，并联式较串联式在相同的自重或体积下有高得多的承载能力；第三，串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大而精度低，并联式没有那样的积累和放大关系，误差小而精度高；第四，串联式机器人的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而并联式则很容易将电动机置于机座上，减小了运动负荷；第五，在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。由于机器人的在线实时计算是要计算反解的，这就对串联式十分不利，而并联式却容易实现。

由于串联、并联在结构上和性能特点上的对偶关系，串联、并联之间在应用上不是替代作用而是互补关系，且并联机器人有它的特殊应用领域。因此可以说并联机构的出现，扩大了机器人的应用范围。

1．2 并联机器人机构的定义

并联机器人机构可以严格定义为：上下平台用2个或2个以上分支相连，机构具有2个或2个以上自由度，且以并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。但从机构学的角度出发，只要是多自由度的，驱动器分配在不同的环路上的并联多环机构都可称之为并联机构。

1．3 3-RPS机构

图1-1所示的是一个3自由度的并联机构，由3支RCS 链连接一运动平台和一固定平台组成的，因为绕圆柱副轴线的转动是一局部自由度，所以圆柱副也可以用移动副来倒替，分支等效于RPS 支链，该机构的分支结构是对称的，因此，这机构称为3-RPS 平台机构，以3个移动副作为输入。（S 是指球面副，球面副允许两构之间具有3个独立的，以球心为中心的相对转动，具有3个自由度；R 是指转动副，允许两构件绕公共轴线作相对转动，描述了两构件之间的空间相对关系，具有一个自由度；P 是指移动副，允许两构件沿公共轴线作相对直线移动，具有一个自由度）。

源于军工需求，将3-RPS 并联机器人应用到火箭发射装置中可以改良传统火箭炮的平衡，射角，精确度等方面的问题。它的多自由度和便捷的数字控制方式是多年来火箭发射装置梦寐以求的。

由自由度的计算可知，该机构能够完成两个方向的回转和一个升降运动。这一系列运动都可以通过电机带动，经过三条RPS 空间运动链的运动，从而促动上平台的各种运动姿势。

回转运动：在这种3-RPS 并联机器人的机构中，下平台上的电动机带动丝杆传动。该丝杆为滑动丝杆，滑块的运动能带动其上的RSP 链随球面副摆动，从而上平台绕转动副作回转运动，即有X 与Y 两方向的回转运动。

升降运动：三条RPS 空间运动链的同时伸缩能促动上平台的升降运动。

图1-1 3-RPS 结构

1．4 并联机构工作空间的分析

工作空间（Workplace ）：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。

完全工作空间（Complete workplace）：动平台上执行器端点可从任何方向（位姿）到达的点的集合。

定向工作空间（Constant workplace）：动平台在固定位姿时执行器端点可以到达的点的集合。

最大工作空间（Maximal workplace ）：动平台执行器端点可到达的点的最大集合，并考虑其具体位姿。

完全工作空间和定向工作空间都是最大工作空间的子集.

另外，工作空间是并联机构的重要特性，影响它的大小和形状的因素主要有以下三个：

① 杆长的限制，杆件长度的变化是受到其结构限制的，每一杆件的长度必须小于最大杆长，大于最小杆长。

② 转动副转角的限制，各种铰链，包括球铰接和万向铰接的转角都受到结构研制的，每一铰链的转角都应小于最大转角。

③ 杆件的尺寸干涉，连接动平台和固定平台的杆件都具有几何尺寸，因此各杆件之间在运动过程中可能发生相互干涉。设杆件是直径为D 的圆柱体，两相邻杆件轴线之间的距离为Di, 则Di ＞D 。

1．5 设计简介与设计要求

本设计是在3-RPS 并联机构的内部设置一种平衡机，以使得上平台运动到任何位置时，电动推杆上的推力基本相等，给电机的控制创造条件。该平衡机的结构形式应能适应机构的工作空间。

本设计涉及到机构学、机械传动、电力拖动与控制等方面。通过设计工作的训练，可有效提高毕业生工程实践能力。

3-RPS 并联机构的运动范围为：俯仰±20°，倾侧±20°，升降300㎜，载荷1.4T 。平衡机要求能抵消总载荷的70%。

1．6 主要的研究方法和内容

首先研究电机的机械性能，对3-RPS 并联机器人进行运动学描述和受力分析；然后着重研究如何实现机器的平衡问题，进行专用平衡机总体设计，并在此基础上作详细的计算与分析。

1．了解并联机构，对已有的3-RPS 并联机器人的工作空间进行分析；

2．分析平衡力矩图，探讨平衡方案，选择平衡机的安装位置，进行平衡能力计算；

3．关键零部件的设计与计算。

南通职业大学毕业设计说明书（论文）

第二章 平衡机的概念与作用机理

在传统的火箭发射装置中，由于其所承载的重量十分沉重，所以在设计其方向机和回转机的时候需要考虑平衡承载力矩。由此，平衡机被提出，用来平衡起落部分的重量对耳轴产生的重力矩。这在传统的火箭发射装置上比较易于实现，但在新提出的3-RPS 并联机器人中，为了避免上平台越过其极限位置和RPS 连杆在伸缩时承受到太大的重力矩。需要在上下平台间设计一个平衡机，在上下平台间提供一个推力或拉力，从而提供对RPS 连杆的平衡力矩，用以平衡伸缩时对连杆的重力矩，这就需要重新考虑其平衡机的设计了。

平衡机的作用就是对起落部分提供一个力（推力或拉力），此力对铰接点之矩称为平衡力矩，它与俯仰部分的重力矩大小相近，方向相反， 以此来减小驱动RPS 连杆的电机产生的力，同时消除撞击现象。

2.1 对平衡机的要求

对平衡机的主要要求是平衡性要好。由于重力矩是随俯仰角的大小而变化的，所以平衡机提供的平衡力矩也应作相应的变化。这样才能使平衡机的平衡性能好，保证仰角时轻便，俯角时平稳。此外，对平衡机的要求还有结构要简单，重量要轻，工作可靠，拆装方便，制造容易等。

2.2 平衡机的分类

平衡机按平衡力的方向来分，可以分为推式和拉式两种。对于推式平衡机，平衡机对俯仰部分的推力作用在铰接点的前方。对于拉式平衡机，当其拉力作用在铰接点前方时称为上拉式，当其拉力作用在铰接点后方时称为下拉式。推式平衡机结构简单，布置容易，但配置位置较暴露，易受损伤，一般用在最大仰角小于60°的装置上。下拉式平衡机配置较隐蔽，结构紧凑，但不易布置，一般用于仰角大于60°的装置上。 平衡机按弹性元件种类分，有弹簧式和气压式。弹簧式平衡机又分为圆柱螺旋弹簧式和扭力式。螺旋弹簧按其截面不同又有圆截面和矩形截面两种。扭力式又扭筒-扭杆式和叠板扭杆式之分。气压式平衡机是利用气体来作为弹性元件的，平衡机内充有数十个气压的空气或氮气，用液体密封，其液量须保证在任何俯仰角时液体都能盖

住紧塞具。有的为了防止液体流入内筒，在内筒上部焊有细管，这样可以充分利用内筒空间，减小平衡机体积。平衡机外筒上的注气器，不应被其它机构遮蔽，并应保证在任何状态时注气孔均在液面之下。气压式平衡机与弹簧式平衡机相比，结构可以做得非常紧凑，体积小，重量轻，气压的调整也很简单。为了防止气体的泄漏，通常是利用液体来密封，而液体又靠紧塞装置来密封。所以紧塞装置的摩擦力的大小对平衡机影响较大，而且气压式平衡机对加工精度要求较高。

2.3 一种特别的平衡机

考虑到平衡机是安装到并联机器人上，所以合理的选择其最佳位置是极其重要的。对其性能而言，平衡机起到的辅助作用十分大，但若安装不当，就不会产生理想的效果，相反，还会引起不必要的许多问题。有一种新型的3-RPS 并联机器人，它所采用的平衡装置别具一格，安装位置非常独特（如图1-2）。

图1-2 3-RPS 机构及其平衡机

它采用交叉式立体平衡机，对并联机构的运动性能带来了很大的改善。其中，它加强了机构的升降、俯仰这两方向上自由度的运动，能准确、快捷地提供机构所需的平衡力矩，但是在倾侧的时候，它不能和其他两方向上一样提供合适的平衡力矩。本课题将继续研究该种平衡机的具体设计方案。

第三章 机电传动系统

机电传动系统里，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的机械特性尽量相配合。特性配合好的一个起码要求就是系统要能稳定运行。

机电传动系统的稳定运行包含两重含义:一是系统应能以一定速度匀速运转，二是系统受某种外部干扰(如电压波动、负载转矩波动等) 而使运行速度稍有变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。

由分析可知，机电传动系统稳定运行的必要充分条件是：

⑴电动机和生产机械的机械特性曲线n=f(TM ) 和n= f(TL ) 有交点（即拖动系统的

平衡点）；

再由公

式d ≥1知

，d 1≥14106，6. 4≈

68m 0m

d 2≥≈7.1mm 。 6.1.2 计算簧圈直径

弹簧圈内径D 11=D1-d 1=C1d 1-d 1=（6-1）﹡6.4=32mm，D 12=D2-d 2=C2d 2-d 2=（8-1）﹡

7.1=49.7mm。弹簧圈外径D 21=D1+d1=C1d 1+d1=（6+1）﹡6.4=44.8， D22=D2+d2=C2d 2+d2=（8+1）﹡7.1=63.9mm。

6.1.3 计算弹簧圈数

选取K 1ˊ=9N/mm，K 2ˊ=11N/mm，则n 1=Gd 180000⨯6.4=8C 13K 1' 8⨯63⨯9，33（梳状六根）n 2=Gd 280000⨯7.1。 =13（梳状五根）8C 23K 2' 8⨯83⨯11

6.2 验算平衡力

1．上平台加载1.4t, 从中间位置上升150㎜。 F 1' =6K 1' △X 1=6⨯9⨯116.6=6296.4N

F 2' =F 1' =5K 2' △X 2⇒6296.4=5⨯11△X 2⇒△X 2114.5mm 2⨯6296.4Sin 52.10=9936.8N

实际抵消9936.8⨯100%1400071%

2．上平台加载1.4t, 从中间位置下降150㎜。 F 1" =6K 1' △X 1‘=6⨯9⨯241.9=13062.6N

" ' F 2" =F 1=5K 2△X 2⇒△X 2=‘‘13062.6=237.5mm 5⨯11

13062.6⨯2Sin (900-49.80) =16862.7N

实际抵消16862.7⨯100%120% 140003．平衡机上平台处于中间位置加载1.4t ，右端上仰20°。

F 1''' =6K 1' △X 1‘’=6⨯9⨯206.6=11156.4N

F 2''' =5K 2' △X 2‘’=5⨯11⨯249.3=13711.5N

F 1''' Sin 400+F 2''' Sin 60019045.7N

实际抵消19045.7⨯100%136% 140004．平衡机上平台处于中间位置加载1.4t ，右端向上倾侧20°。

‘’ F =K 1' △X 1‘=9⨯556.8=5011.2N

6FCos 100=6⨯5011.2⨯Cos 100=29610.4N

实际抵消

29610.4⨯100%14000211.5%

结 论

本次的毕业设计历时3个月左右。在这一段时间里，作者所做的具体工作如下： 1

2 对并联机器人机构进行了解和学习，对前人所研究的成果有所了解； 对已有的3-RPS 并联机器人进行分析，并据此找到一种特别的带平衡装置

的3-RPS 并联机器人结构；

3

4

5 对此种并联机器人进行自由度计算，结构分析； 对此种并联机器人装置的升降、回转运动进行分析计算，确定具体尺寸； 研究此种并联机构的平衡机，探讨其选择、计算方案、安装位置，得出具

体的尺寸数值；

6 选择合适的弹簧，验证平衡曲线。

当然，作者在本次毕业设计中所研究，所探讨的都是一些很浅显得问题，存在很多错误和不足，希望在以后的学习中能得到更深刻的理解。

致 谢

在论文完成之际，我要对关心、支持和鼓励我的老师、同学、朋友和亲人表示最诚挚的感谢。

首先，衷心感谢我的指导老师侯海云，本文是在侯老师的悉心指导和关怀下完成的。侯老师渊博的知识，严谨的治学态度和忘我的工作精神对我产生了深刻的影响。 其次，我还要感谢邹建荣，石剑峰，顾蓉蓉，许丽娇等老师在论文书写的过程中给予我的支持和帮助。

最后，感谢支持我的父母，他们吃苦耐劳的品质是我取之不竭的精神动力。特别是我的家人多年来给予我的关心和帮助，是他们的支持才能让我顺利的走完大学之路。

参 考 文 献

1. 邓星钟，周祖德，邓坚. 机电传动控制. 华中理工大学出版社；

2. 黄真，孔令富，方跃法. 并联机器人机构学理论及控制. 北京：机械工业出版社，1997；

3. 吴秉贤，严世泽，龚龙兴. 火箭发射装置机构分析. 国防工业出版社，1988.7；

4. 贺北斗，林永明，曹听荣. 火箭发射装置设计. 国防工业出版社，1988.7；

5. 华东工程学院102教研室. 《火箭发射装置设计》，1978；

6. 范元勋. 机械设计基础；

7. 华为实. 一种3-RPS 并联机构的分析与设计，2000.09；

8. 王靖军，贺信鹏. 火炮概论；

9. 黄真， 李秦川. 少自由度并联机器人的综合原理，2003.09；

10. 吴宗泽. 机械结构设计. 机械工业出版社，1988；

11. 方子良. 机械制造基础. 上海交通大学出版社；

12. 高峰，王立平，刘辛军. 并联机器人机构新机构的探讨，2001.12；

13. 华恭，伊玲益. 炮架设计，1982.10；

14. 张曙，U.Heisel. 并联运动机床. 北京：机械工业出版社，2003.4；

15. 西北工业大学机械原理及机械零件教研组编. 机械设计. 人民教育出版社，1979.1

16. 张英会，罗圣国，郭荣生等. 弹簧. 机械工业出版社。