并联机器人开槽薄壁柔顺关节设计与试验-农业机械学报.PDFVIP

２０１４年 ５月 农 业 机 械 学 报 第 ４５卷 第 ５期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．０５．０４４ 并联机器人开槽薄壁柔顺关节设计与实验 余跃庆　马　兰　崔忠炜　李　渊 （北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 １００１２４） 摘要：针对传统柔顺关节运动范围小、易产生轴向漂移的不足，依据 ３ＲＲＲ并联机器人运动范围，以关节的移动范 围及所需刚度作为条件，对关节的几何尺寸进行了设计计算，并用 ＡＮＳＹＳ软件进行强度分析，设计了一种新型开 槽式薄壁柔顺关节。利用扭转作为主要变形方式时，该柔顺关节具有扭转角度可达到 ３６°及轴线相对固定不易漂 移的优点。根据关节设计尺寸选择６５Ｍｎ为材料进行了加工，在三自由度并联机器人实验平台上进行了片簧式与 开槽式两种柔顺关节的实验对比，实验结果表明设计的开槽式薄壁柔顺关节能够完成轨迹跟踪任务，且最大相对 误差为６０５％，对比片簧式柔顺关节具有一定优越性。 关键词：柔顺关节　运动副　并联机器人 中图分类号：ＴＨ１１２；ＴＰ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１４）０５０２８４０７ ［１３］ 如：Ｂｏｎａ等 提出了一种交叉式柔性铰链，通过两 　　引言 薄壁杆的弯曲变形来实现转动，可实现大角度变形 柔顺机构是一种利用机构中构件（杆件和铰链 的转动。但是这些柔顺关节转角非常有限，并且由 或关节）自身的柔性变形来完成运动、力和能量的 于转动中心与回转副轴线不在一条直线上，因此转 传递和转换的新型机构，在结构上简化甚至没有运 动时具有轴线漂移的问题。鉴于当前柔顺关节存在 动副。与传统的刚性机构相比，它的优越性主要表 的转动范围小、轴心漂移大等问题，设计新型柔顺铰 现在两方面：降低成本（减少零件数目，减少装配时 链并将其应用于普通机器人上是十分必要的。 间，简化制造过程）和提高性能（提高精度，增加可 本文设计并制作出一种开槽薄壁柔顺关节，用 ［１］ 靠性，减少磨损，减轻重量，减少维护） 。在微型 来替换三自由度并联机器人上的传统转动副。根据 机器人中较为流行的柔性机构抛弃了传统意义上的 替换关节的运动范围及受力情况，对柔顺关节的几 刚性运动副，文献［２－５］将柔性铰链用于微操作并 何尺寸进行设计计算，并选择 ６５Ｍｎ弹簧钢作为材 联机构中，解决了运动副带来的间隙、误差及加工问 料，设计加工制作出实物。 题，提高了定位精度。文献［６－１０］针对微机械中 １　开槽薄壁柔顺关节设计 柔性构件的静力学、运动学分析与设计进行了深入 研究，为进一步提高柔性并联机器人的精度提供了 １１　应用条件与要求 有效方法。可是大多数研究中关于微型操作结构关 本文设计的柔顺关节用来替换三自由度并联机 节最大弯曲角度很小，更不能实现宏观的大角度转 器人中Ｒ副。该并联机构如图 １所示：３条支链上 动。因此人们开始逐渐研究并发展能应用于普通机 Ｄ处回转副被柔顺关节替换，Ａ、Ｂ处均为刚性回转 器人的柔顺关节。 副。三自由度并联机器人末端轨迹为 Ｒ＝１００ｍｍ 典型的关节设计可分为两种类型：即切口型关 的圆，速度为１０００ｍｍ／ｍｉｎ，由其工作空间及运动学 节及交叉式柔顺铰链。其