一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法

技术领域

本发明涉及一种五自由度混联机器人。特别是涉及一种包括尺度、结构和驱动器参数的五自由度混联机器人的参数集成设计方法。

背景技术

航空/航天、新能源、高速铁路等产业的迅速发展促使对大型结构件的需求日益增长。此类零件具有外形尺寸大、几何形状复杂、精度要求高等特点，其制造、维修均面临诸多挑战。专利ZL201510401279.9所公开的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，其由具有三自由度并联机构和与之串接的二自由度转头组成，其中并联机构包括机架、三个可沿轴向伸长或缩短的主动调节装置、一个从动调节装置、一个动平台和一个多轴转动支架，具有工作空间/装备占地比大、制造和装配工艺型好、运动学简单等优点，以其为核心功能部件可搭建形式多样的单机制造单元或多机制造系统，可实现大型复杂零件高效、高精度、现场短流程加工制造。

为满足相关工程需求，保证机器人具有优良的运动学、静力学以及动力学等性能，需合理设计这种混联机器人的尺度、结构及驱动器参数。然而，现有的并/混联机器人设计方法多局限于尺度参数的设计，无法保证机器人的动力学性能，难以得到综合性能优良的机器人装备；此外，考虑到机器人性能随位形变化，若设计过程中对其全工作空间的静力学、动力学性能进行考察，会使得设计问题极为复杂且无法实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可实现尺度、结构及驱动器参数的集成优化设计，以保证机器人具有优良的运动学、静力学及动力学性能的五自由度混联机器人的参数集成设计方法。

本发明所采用的技术方案是：一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法，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。

步骤3)中所述的尺度参数优化模型为

式中，x_d,L和x_d,U分别为无量纲设计变量x_d的下界和上界，η_2L为所定义运动学性能指标η₂的下界，η₁、η₂为表征机器人中并联机构运动学性能的两个指标，即

η₁＝σ₂-σ₁，η₂＝σ₁/σ₃(2)

式中，σ₁，σ₂，σ₃为机器人中并联机构雅可比矩阵的三个奇异值，且满足σ₁≤σ₂≤σ₃。

步骤4)中所述的关键结构参数优化模型为

式中，x_s,L和x_s,U为关键结构参数设计变量x_s的下界和上界，m为运动部件质量，f_i为机器人系统的第i阶主导模态频率，w_i为f_i对应的权重，k_L为静刚度性能指标k的下界。

步骤4)中所述的关键结构参数包括：主动长度调节装置中的丝杠直径、从动长度调节装置中的伸缩管直径和转动支架壁厚。

本发明的一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法，可实现尺度、结构及驱动器参数的集成优化设计，以保证机器人具有优良的运动学、静力学及动力学性能。本发明的优点在于：

(1)突破了现有仅对尺度参数进行设计而无法保证机器人动力学性能的设计方法的局限性。

(2)采用了基于分层递阶的设计思想，借助机器人机构学知识和CAD-CAE集成技术，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优化设计，有效地避免了设计参数与各项性能间相互耦合的问题。

(3)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。

附图说明

图1是五自由度混联机器人的结构示意图之一；

图2是五自由度混联机器人的结构示意图之二；

图3是本发明五自由度混联机器人的参数集成设计方法的流程图；

图4是五自由度混联机器人的尺度参数示意图；

图5是五自由度混联机器人从动长度调节装置的结构设计参数示意图；

图6是五自由度混联机器人主动长度调节装置的结构设计参数示意图；

图7是五自由度混联机器人多轴转动支架的结构设计参数示意图。

图中

1：从动长度调节装置2：第一主动长度调节装置

3：第二主动长度调节装置4：第三主动长度调节装置，

5：动平台6：二自由度转头

11：第一固定轴座 12：转动支架

13：伸缩管 14：导轨

21：第二固定轴座 22：虎克铰外圈

23：第一伺服电机 33：第二伺服电机

43：第三伺服电机 24：第一球铰

34：第二球铰 44：第三球铰，

15：从动长度调节装置与转动支架连接的转动副

25：第一主动长度调节装置与第二固定轴座连接的虎克铰

35：第二主动长度调节装置与转动支架连接的转动副

45：第三主动长度调节装置与转动支架连接的转动副

26/36/46、丝杠

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法做出详细说明。

本发明的一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法中，所述的五自由度混联机器人是采用专利号为ZL201510401279.9中所公开的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人。如图1、图2所示，是由具有一个平动二个转动三自由度并联机构和与之串接的具有两个转动自由度的二自由度转头6组成，其中并联机构包括三个可沿轴向伸长或缩短的主动调节装置2/3/4、一个从动调节装置1、一个转动支架12以及机架。

所述的第一主动长度调节装置2一端通过由两个转动副组成的虎克铰25与安装在所述机架上的两个固定轴座21连接；另一端通过由三个转动副组成的球铰24与动平台5连接；所述的第二主动长度调节装置3、第三主动长度调节装置4一端通过转动副35、45与所述的转动支架12连接；另一端通过由三个转动副组成的球铰34、44与所述的动平台5连接；所述的转动支架12通过转动副与安装在所述机架上的两个固定轴座11连接。所述的二自由度转头6与动平台5串接。连接转动支架12与第二主动长度调节装置3、第三主动长度调节装置4的转轴轴线，以及连接转动支架12与从动长度调节装置1的转轴轴线彼此平行，且与连接机架的转轴轴线正交。在伺服电机驱动下，所述的三个主动长度调节装置2、3、4可以伸长和缩短，使得所述动平台5可绕固定轴座11的轴线转动，可绕连接转动支架12与从动长度调节装置1的转轴的轴线转动，及可沿从动长度调节装置1的轴线移动，进而形成一个平动和两个转动自由度。

本发明的一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法，是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，如图3所示，包括如下步骤：

1)根据作业或加工等需求，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；

如图4所示，定义从动长度调节装置1的伸长量为其行程一半，且三条主动长度调节装置2/3/4的伸长量相等时，二自由度转头6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、在参考位形时主动长度调节装置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。根据各设计参数之间的关系，独立设计变量仅为动平台6半径a、在参考位形时主动长度调节装置2/3/4与从动长度调节装置1轴线的夹角θ_x和θ_y、主动长度调节装置2/3/4的行程q，用q对a进行归一，则λ_a＝a/q，独立设计参数仅为λ_a、θ_x和θ_y。

所述的尺度参数优化模型，是以运动学性能为约束条件，以可达工作空间体积最大为目标，构造出的模型，即

式中，x_d,L和x_d,U分别为无量纲设计变量x_d的下界和上界，η_2L为所定义运动学性能指标η₂的下界，η₁、η₂为表征机器人中并联机构运动学性能的两个指标，即基于机器人机构学相关知识，三自由度并联机构在参考位形下的运动学性能可表示为

η₁＝σ₂-σ₁，η₂＝σ₁/σ₃(2)

式中，σ₁，σ₂，σ₃为机器人中并联机构雅可比矩阵的三个奇异值，且满足σ₁≤σ₂≤σ₃。

合理设定尺度参数的范围以及运动学性能约束，由Matlab优化工具包中的fmincon函数对式(2)求解可得到最优无量纲尺度参数。根据工作空间需求，合理设置主动长度调节装置2/3/4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；

如图1、图2、图4所示，机器人中并联机构的关键部件包括三个主动长度调节装置2/3/4、一个从动调节装置1以及转动支架12，结构设计参数繁多。为此，将主动长度调节装置2/3/4、从动长度调节装置1和转动支架12做成模块化部件，对于每个部件提炼出关键结构参数，如图5、图6、图7所示，主动长度调节装置2/3/4中丝杠26/36/46的直径d_s，从动长度调节装置1中伸缩管13的直径d_e，导轨14的宽度d_g以及转动支架12的壁厚d_b等。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，进而形成若干种可供选择的部件设计方案。

合理设定结构参数的设计空间，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，所述的关键结构参数包括：主动长度调节装置中的丝杠直径、从动长度调节装置中的伸缩管直径和转动支架壁厚；

所述的关键结构参数优化模型为

式中，x_s,L和x_s,U为关键结构参数设计变量x_s的下界和上界，m为运动部件质量，f_i为机器人系统的第i阶主导模态频率，w_i为f_i对应的权重，k_L为静刚度性能指标k的下界。

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(图1、图2中的23/33/43)的参数(峰值/额定扭矩、功率、转速等)，并根据负载惯量匹配原则，校核伺服电机的转子惯量。

与现有并/混联机器人设计方法相比，本发明的一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法，突破了现有仅对尺度参数进行设计而无法保证机器人动力学性能的设计方法的局限性；采用了基于分层递阶的设计思想，借助机器人机构学知识和CAD-CAE集成技术，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优化设计，有效地避免了设计参数与各项性能间相互耦合的问题；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。

以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步详细说明，但不能认为本发明的设计方法并不仅限于此，本发明所属技术领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出若干简单推演和替换，这些均属于本发明的保护范围之内。