新型高刚度二自由度并联机器人的分析与设计(3)
第一章介绍并联机器人的发展与应用，重点介绍二自由度平移并联机器人的发展现状。
第二章对二自由度平移并联机器人进行运动学分析，包括位置正反解、速度、加速度以及工作空间分析，并建立工作空间与设计尺寸之间的关系。
第三章根据课题要求的工作空间，对机构的结构参数进行设计和验算。
第四章并对各零部件进行设计和选型，最终设计出合理的装配结构。
第五章对结构进行分析并画出结构的重要视图。
2 二自由度平移并联机器人的运动分析
2.1 引言
机构的运动学是研究机构运动的几何关系，也是分析机构其它性能的基础。二自由度平移并联机器人作为一种典型的少自由度并联机构，已在医药、电子、食品等轻工业领域中得到了广泛的应用，运动学分析则是其得以应用的前提。因此对二自由度平移并联机器人的运动学进行深入研究，不仅有利于在工业中的进一步应用，而且对开发新的少自由度并联机构也有着重要意义。本节针对二自由度平移并联机器人，主要分析了运动学正反解、速度、加速度、为该机构的工作空间分析奠定了基础。
2.2 二自由度平移并联机器人的结构描述
这是一种二自由度平移运动并联机构。该并联机器人机构的固定平台与作两自由度平移运动的运动平台通过两条运动支链连接，形成封闭结构；每条运动支链包括运动滑块以及连接该运动滑块和运动平台的三个子约束支链组成，每个子约束支链分别由虎克铰和连杆串联而成，并且都并联在运动滑块和运动平台之间，然后再与运动滑块串联成一条运动支链。该二自由度平移运动并联机构采用虎克铰的运动约束来实现，形成空间约束，抵抗各个方向的载荷能力都强，而采用平行四边形机构的约束来保证动平台具有二自由度平移运动的机构形成的约束相互平行，抵抗多个方向的载荷能力不强，如垂直于运动平面的方向，因此在同等条件下该机构具有更高的刚度。该机构连杆两端为虎克铰，使得连杆在外部载荷作用下不再受弯矩作用，改善了机构的受力状况。当通过连杆长度增加来增大其工作空间时，不需要加大连杆的几何结构尺寸来保证其刚度，减少其几何质量，进一步减小其惯性载荷，这样机构的性能可以进一步提升。如图2-1所示。
图2-1 二自由度平移并联机器人机构
1-动平台 2-虎克铰3-连杆 4-滑块5-滚珠丝杠
6-导轨7-基座
2.3 二自由度平移并联机器人的位置分析
二自由度平移并联机器人机构如图2-1所示，该机构通过两条复合支链连接动平台和基座构成，其中每条复合支链由三个子约束支链组成，子约束支链又由连杆、虎克铰连杆串接而成，且所有连杆的长度都相等。基座上设置两个共线的滚珠丝杠副，运动滑块靠滚珠丝杠副驱动。若将虎克铰看成两个转动副的组合，则设置在每个滑块上的三个转动副的轴线相互平行，且都垂直于滑块的运动方向；另外，设置在动平台上的优尔个转动副轴线也相互平行，每个连杆两端的转动副轴线也平行。与滑块相连的三个虎克铰中心点的连线形成等腰三角形，与其对应的动平台上的虎克铰中心点的连线也形成等腰三角形，这两个等腰三角形底边相等，但腰不等。
将该二自由度平移并联机器人等效成平面机构，如图2-2所示。
图2-2 等效平面机构简图
如图2-2所示建立参考坐标系O-xyz，原点O固定在基座中心，x轴平行于滑块的运动方向，y轴指向机构所在一侧。动平台中心点记为 ，即为整个机构的位置输出点。由于复合支链在运动平面内的投影成四边形结构，并且动平台只做平移运动，因此同一复合支链中的三根连杆的运动情况相同，于是可以将每条复合支链简化为连杆 ( =1,2)。其中动平台上点 和 之间的距离记为2r，称为动平台的有效长度；连杆 ( =1,2)的长度记为L，称为连杆在运动平面内的投影长度；滑块的运动参数记为 和 ，分别表示移动副的运动范围的最大值和最小值。所有尺寸参数都大于0，因此为了能实现机构的正常装配，必须满足以下装配约束条件
上一篇：高温部件喷雾冷却试验研究