一種克服萬向節(jié)轉(zhuǎn)角限制的Delta機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種克服萬向節(jié)轉(zhuǎn)角限制的Delta機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法，屬于Delta機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計領(lǐng)域。萬向節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍通常是一個90°的錐角空間，相較于球鉸鏈的轉(zhuǎn)角范圍有一定的差距，因此為了能讓采用萬向節(jié)的Delta機器人具有較好的工作空間，需要通過計算來優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。本發(fā)明專利技術(shù)能夠克服萬向節(jié)對Delta機器人工作空間的影響，使其能夠擁有更大的工作空間。本發(fā)明專利技術(shù)的計算過程包括以下步驟：明確Delta機器人的已知參數(shù)及待設(shè)計參數(shù)；建立直角坐標(biāo)系；在坐標(biāo)系內(nèi)確定主動臂和從動臂的四種特殊運動位姿；根據(jù)期望工作空間設(shè)計能夠給克服萬向節(jié)轉(zhuǎn)角限制的Delta機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種設(shè)計Delta機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，該Delta機器人采用萬向節(jié)作為主動臂與從動臂之間以及從動臂與動平臺之間的鉸接件。
技術(shù)介紹
隨著中國工業(yè)化進程的不斷推進，工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)得到了快速的發(fā)展。工業(yè)機器人作為裝備制造業(yè)的重要功能部件，在車間自動化物流生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。Delta機器人是目前商業(yè)應(yīng)用最成功的并聯(lián)機器人之一，具有速度快、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、負(fù)載能力大、控制方便等優(yōu)點，在食品、藥品、醫(yī)療等生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。Delta機器人的臂關(guān)節(jié)鉸接通常采用球鉸鏈鉸接，區(qū)別于傳統(tǒng)的球鉸鏈，這種球鉸鏈采用分離式結(jié)構(gòu)，球窩部分與球銷部分接觸面不大于半球面。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得球銷的偏轉(zhuǎn)角度可以接近±90°，相比于傳統(tǒng)的球鉸鏈，轉(zhuǎn)角范圍大大提升。但是使用這種鉸接方式存在很大的缺陷，即隨著從動臂擺角的增大，機器人的負(fù)重能力及動力學(xué)性能將會大幅下降。如果在這種情況下仍需要提高機器人的負(fù)載能力，則只能通過增加彈簧的勁度系數(shù)來增加球窩與球銷接觸力，但是這樣會使得摩擦力也隨之增大，將增加系統(tǒng)的內(nèi)部損耗。采用萬向節(jié)來代替球鉸鏈進行臂關(guān)節(jié)鉸接可以很好的解決上述問題，是目前比較理想的解決方案。首先，萬向節(jié)自身連接為一個整體，不需外力對其運動進行約束；其次，萬向節(jié)承載能力受限于本身零件的強度，而非上述球鉸鏈設(shè)計中的彈簧拉力；最后，萬向節(jié)采用軸承結(jié)構(gòu)，相比球鉸鏈的面接觸能降低摩擦力產(chǎn)生的內(nèi)部損耗。但是采用萬向節(jié)的Delta機器人的工作空間會受到萬向節(jié)工作空間的限制，由于萬向節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍較小，為一個90°的錐角空間，使得Delta機器人的運動范圍受限，工作空間也相對變得較小。因此，為了克服萬向節(jié)轉(zhuǎn)角范圍較小對采用萬向節(jié)的Delta機器人的影響，使其具有一個比較理想的工作空間，需要對Delta機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，針對采用萬向節(jié)作為主動臂與從動臂之間以及從動臂與動平臺之間鉸接件的Delta機器人，該機器人的工作空間因萬向節(jié)轉(zhuǎn)角范圍較小而受限，提出一種克服萬向節(jié)轉(zhuǎn)角限制的Delta機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法，該方法可以根據(jù)Delta機器人的期望工作空間參數(shù)和部分預(yù)先確定的參數(shù)設(shè)計出Delta機器人的主動臂長度、從動臂長度、萬向節(jié)在動平臺上的安裝傾角，同時還可以求出從動臂最大擺角和動平臺中心在基坐標(biāo)系下的z軸坐標(biāo)最小值。通過該方法對使用萬向節(jié)的Delta機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，使設(shè)計出的Delta機器人能夠克服萬向節(jié)轉(zhuǎn)角較小對Delta機器人工作空間的限制，使得Delta機器人的工作空間能夠滿足期望的工作空間。本專利技術(shù)的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：包括以下步驟：步驟一：根據(jù)Delta機器人的期望工作空間參數(shù)和部分預(yù)先確定的參數(shù)明確已知參數(shù)及待設(shè)計參數(shù)，已知參數(shù)包括：ρorder：期望工作空間的半徑；h：期望工作空間的高度；re：主動臂等效鉸接點距固定平臺中心距離；δ：兩臂鉸接點到y(tǒng)軸的最短距離；αmin：從動臂最小傾角；βmax：從動臂徑向角最大值；待設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：l：從動臂長度；L：主動臂長度；αm：萬向節(jié)在動平臺上的安裝傾角；z0：動平臺中心在基坐標(biāo)系下的z軸坐標(biāo)最小值；γmax：從動臂最大擺角；步驟二：建立直角坐標(biāo)系：以其中一組主動臂和從動臂為對象，在從動臂無擺動狀態(tài)時兩臂軸線所確定的平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的y軸為過主動臂在固定平臺上的等效鉸接點A的垂線，方向垂直向上，坐標(biāo)系原點O為動平臺中心在y軸上所能運動到的最高點，O′為固定平臺中心點；步驟三：在坐標(biāo)系內(nèi)確定主動臂和從動臂的四種特殊運動位姿：位姿(1)：動平臺中心運動到B:{-(ρorder+re),0本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種克服萬向節(jié)轉(zhuǎn)角限制的Delta機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一：根據(jù)Delta機器人的期望工作空間參數(shù)和部分預(yù)先確定的參數(shù)明確已知參數(shù)及待設(shè)計參數(shù)，已知參數(shù)包括：ρorder：期望工作空間的半徑；h：期望工作空間的高度；re：主動臂等效鉸接點距固定平臺中心距離；δ：兩臂鉸接點到y(tǒng)軸的最短距離；αmin：從動臂最小傾角；βmax：從動臂徑向角最大值；待設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：l：從動臂長度；L：主動臂長度；αm：萬向節(jié)在動平臺上的安裝傾角；z0：動平臺中心在基坐標(biāo)系下的z軸坐標(biāo)最小值；γmax：從動臂最大擺角；步驟二：建立直角坐標(biāo)系：以其中一組主動臂和從動臂為對象，在從動臂無擺動狀態(tài)時兩臂軸線所確定的平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的y軸為過主動臂在固定平臺上的等效鉸接點A的垂線，方向垂直向上，坐標(biāo)系原點O為動平臺中心在y軸上所能運動到的最高點，O′為固定平臺中心點；步驟三：在坐標(biāo)系內(nèi)確定主動臂和從動臂的四種特殊運動位姿：位姿(1)：動平臺中心運動到B:{?(ρorder+re),0}，此時兩臂鉸接點位于D1，且有∠D1BO＝αmin；位姿(2)：動平臺中心運動到C:{?(ρorder+re),?h}，此時兩臂鉸接點位于D2，且有D2到y(tǒng)軸距離為δ；位姿(3)：動平臺中心運動到坐標(biāo)原點O，此時兩臂鉸接點位于D3，且有兩臂夾角最小；位姿(4)：動平臺中心運動到B′:{(ρorder?re),0}，此時兩臂鉸接點位于D4，從動臂傾角最大；步驟四：根據(jù)期望工作空間設(shè)計能夠克服萬向節(jié)轉(zhuǎn)角限制的Delta機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，詳細(xì)求解過程如下：Step1輸入?yún)?shù)δ、αmin、re、ρorder、h、βmax值，計算從動臂取值區(qū)間[lmin,lmax]，其中：lmin=ρorder+re+δcosαmin,lmax=lmin+h;]]>Step2對迭代變量賦初值Step3根據(jù)l計算D1、D2坐標(biāo)，并剔除所有y2>y1的點；根據(jù)B點坐標(biāo)，從動臂長度及從動臂的最小傾角αmin可以求出D1點坐標(biāo)為：{x1,y1}＝{l?cosαmin?ρorder?re,lsinαmin}根據(jù)C點坐標(biāo)和從動臂長度可以求出D2點坐標(biāo)為：{x2,y2}={δ,l2-(ρorder+re+δ)2-h}]]>由于D2點為兩臂鉸接點運動過程中的最低點，故應(yīng)該剔除不滿足此條件的情況，執(zhí)行策略如下：如果y2>y1，則令lmax＝l，返回Step2；Step4計算等效鉸接點縱坐標(biāo)及主動臂長度，并進行數(shù)據(jù)預(yù)處理；根據(jù)D1、D2在以A點為圓心的同一個圓上，可以計算出A點縱坐標(biāo)及此時對應(yīng)的主動臂長度L，計算公式如下：ya=x12+y12-x22-y222(y2-y1),L=δ2+(ya-y2)2]]>根據(jù)以上結(jié)果做如下預(yù)處理：如果L+ya≤l，則令lmin＝l，返回Step2；如果L+l≤ya，則令lmax＝l，返回Step2；Step5計算兩臂的最小夾角，并判斷是否滿足萬向節(jié)轉(zhuǎn)角限制；根據(jù)兩臂運動到位姿(3)時的主動臂和從動臂有最小夾角求得對應(yīng)的最小夾角計算公式為：萬向節(jié)一端的鉸接座垂直安裝在主動臂上，另一端連接從動臂，由于其轉(zhuǎn)角限制使得從兩臂夾角范圍受限，因此需要對所求最小夾角作如下處理：如果則令lmax＝l，返回Step2；如果則令lmin＝l，返回Step2；如果則停止迭代，當(dāng)前的L、l即為符合期望工作空間的主動臂和從動臂長度值，ya即為所求z0值；Step6根據(jù)迭代結(jié)果計算從動臂擺角γ的最大值Step7計算從動臂最大傾角αmax，然后求得萬向節(jié)在動平臺上的安裝傾角αm；當(dāng)兩臂運動到位姿(4)時從動臂的傾角最大，此時先求出等效鉸接點到動平臺中心的距離η，然后求得從動臂的最大傾角αmax，最后根據(jù)最大傾角和最小傾角求得萬向節(jié)在動平臺上的安裝傾角αm，計算過程如下：η=z02+(re-ρorder)2]]>αmax=max{π2,cos-1re-ρorderη-cos-1η2+l2-L22lη}]]>αm=αmax+αmin2;]]>根據(jù)上述計算結(jié)果設(shè)計使用萬向節(jié)的Delta機器人，除已知參數(shù)外，主動臂長度取為L，從動臂長度取為l，萬向節(jié)在動平臺上的安裝傾角取αm，動平臺中心在基坐標(biāo)系下的z軸坐標(biāo)最小值取為z0，從動臂的最大擺角設(shè)為γmax，得到的Delta機器人即可克服萬向節(jié)的轉(zhuǎn)角限制，滿足期望工作空間。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種克服萬向節(jié)轉(zhuǎn)角限制的Delta機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法，其特征在于，
包括以下步驟：
步驟一：根據(jù)Delta機器人的期望工作空間參數(shù)和部分預(yù)先確定的參數(shù)明確已
知參數(shù)及待設(shè)計參數(shù)，已知參數(shù)包括：
ρorder：期望工作空間的半徑；
h：期望工作空間的高度；
re：主動臂等效鉸接點距固定平臺中心距離；
δ：兩臂鉸接點到y(tǒng)軸的最短距離；
αmin：從動臂最小傾角；
βmax：從動臂徑向角最大值；
待設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：
l：從動臂長度；
L：主動臂長度；
αm...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馮祖仁，陳濤，梁愷，楊青，
申請(專利權(quán))人：西安交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61