[发明专利]一种五自由度混联机器人的参数集成设计方法

说明书

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。

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；