一种三自由度并联机器人运动轨迹精度的可靠性研究

一种三自由度并联机器人运动轨迹精度的可靠性研究六

口李兵

口张晓瑾

口谢里阳口魏玉兰

东北大学机械工程与自动化学院沈阳

１１０００４

摘要：机器人轨迹精度的可靠性是评价机构性能的重要参数。压电材料作为一种驱动器能够抑制机器人柔性连接杆的振动，在抑制振动的同时也提高了机器人运动轨迹的精度。首先介绍了一种三自由度平面并联机器人系统；其次表达了振动控制系统的工作原理和实验分析；然后分别表达了不考虑振动和考虑振动因素时机器人轨迹精度的可靠度计算方法；最后分析了无振动控制和有振动控制时机器人运动轨迹精度的可靠度。可靠度计算表明，振动控制系统能够提高机器人运动轨迹精度的可靠度。

关键词：并联机器人减振轨迹精度可靠性中图分类号：ＴＰ２４２

０３２８

文献标识码：Ａ文章编号：１０００一４９９８（２０１０）ｌＯ—Ｏ００５一０４

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｍｎｉｐｕｌａｔｏｒ

ｉｓ

ｉｍｐｏｎａｎｔ

ｐ啪ｍｅｔｅｒ

ｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅ

ｐｅｒｆｏｍａｎｃｅ

ｏｆ

ｔＩｌｅ

ｍ粕ｉｐｕｌａｔｏｒ．ＴｈｅｖｉｂｍｔｉｏｎｏｆｔＩｌｅｎｅｘｉｂｌｅｌｉｎｋＩｇｅ８ｏｆｔｈｅｍ肌ｉｐｕｌａｔｏｒｃ锄ｂｅｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄｗｈｅｎｔｈｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｔｅｒｉａｌｉｓｕ鸵ｄ

鹊ａ咖ｓｄｕｃｅｒ．

Ａｎｄｔｈｅ

ｋｉｎｅ啪ｔｉｃ

ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｍ锄ｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ

ａｔ

ｔｈｅ

ｓ舢ｅ

ｔｉｍｅ．

Ａｔｈｒｅｅ—ｄｅｇｒｅｅ—ｏｆ—

ｆ｝ｅｅｄｏｍ

ｐｌ衄盯ｐａｒａＵｅｌｒｎａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉ８

ｉｎ删ｕｃｅｄ

ｆｉｒｓｔ．Ｔｈｅｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ

ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ８ｙｓｔｅｍａ聆ｐｒｅ鸵ｍｅｄ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔ阳ｊｅｃｔｏｒｙａｃｃｕｒａｃｙｏｆ山ｅ毗ｎｊｐｕｌａｔｏｒ

ｗｉｔｈ

ｗｉｔｈｏｕｔｖｉｂｍｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｃｏｒＩｓｉｄｅ陀ｄ

ａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｌＩｅ陀ｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｋｉｎｅｍａｔｉｃｔ陋ｊｅｃｔｏｒｙ∞ｃｕｒａｃｙｏｆＩｈｅ

ｍＩｌｉｐＩｌｌａｔｏｒ

ｗｉｔｈ

ｗｉｔｈｏｕｔ、ｒｉｂｍｔｉｏｎｓｕｐｐ陀ｓｓｉｏｎ

ｉｓ锄ｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ

ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃ

ｔｍｊｅｃｔｏｒｙａｃｃｕｍｃｙｏｆｔｈｅ

眦ｎｉｐｕｌａｔｏｒ

ｂｅｉｍｐｍｖｅｄｗｉｔ｝Ｉｔｈｅｈｅｌｐｏｆｖｉｂｍｔｉｏｎｓｕｐｐｒｅｓ８ｉｏｎ．

Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：Ｐａｒ棚ｅｌＭａＩＩｉｐＩｌｌａｔｏｒＶｍｍｔｉ帅Ｓｕ坤ｒｅ辎ｉ伽ＴｒａｊｅｃｔｏｒｙＡｃ饥ｎｃｙＲｅＩｉａｂｉｌｉｔｙ

并联机器人具有刚度大、运动精度高等优点而被广泛使用在航天工业和制造业中…。为了获得更高的运动速度和加速度，轻质量连接杆的机器人被使用，但同时却造成了系统振动，影响了运动精度。

多种方法可以抑制柔性杆的振动，例如选用刚性或阻尼更大的材料【２．”。近十几年，利用智能结构抑制柔性系统的振动被越来越重视，一个智能结构包含４个要素：驱动器、传感器、控制策略和动力控制装置。压电材料能被作为智能驱动器和传感器，ＰｚＴ压电材料要求更低的驱动电压，并可使用在更大的频率范围而被广泛使用¨】。多种控制策略能实现柔性连接杆的动态振动抑制，其中应变反馈控制策略具有更宽的动态阻尼频率区域，能实现更大范围的振动抑制”】。

机器人在运动过程中产生的振动会影响其运动轨迹的精度№１。振动越强，运动轨迹精度越差，若振动幅度超过规定值就认为机器人动态性能失效，即意味着机器人不能按照预定的轨迹运动。当使用ＰｚＴ振动控制系统后，能明显抑制机器人的振动，提高运动轨迹精度。机器人运动轨迹精度可靠性研究的主要任务是评价机器人运动可靠度及其机构动态精度，对机器人的

★国家８６３高技术研究发展计划项目（编号：２００７ＡＡ０４２４２８）科技部重大专项资助项目（编号：２００９ｚｘ０４０１３）收稿日期：２０１０年４月

器

机械制造４８卷第５５４期

运动精度作出合理的可靠性预计。因此，机器人运动轨迹精度的可靠性研究具有重要的意义。

１机器人模型

如图１，这种三自由度（３一ＤＯＦ）并联机器人由３个对称布置的连接杆以封闭形式组成，每一组连接杆机构都由一个直线位移约束和两个转动约束组成ｎ１。机器人使用了比较轻的连接杆，能够获得更快的运动速度和加速度，但系统却产生了振动，而且使运动轨迹的精度降低。

机器人的系统坐标系，如图２所示，其中标出了连

２０ｌＯ／ｌＯ

囤

万方数据

万方数据

万方数据

万方数据

一种三自由度并联机器人运动轨迹精度的可靠性研究

作者：李兵， 张晓瑾， 谢里阳， 魏玉兰

作者单位：东北大学,机械工程与自动化学院,沈阳,110004

刊名：

机械制造

英文刊名：MACHINERY

年，卷(期)：2010,48(10)

1.刘唯信机械可靠性设计 1996

2.Shi Z;Li F Reliability-based Analysis and Synthesis of Mechanical Error for Path Generating Linkages 1997(02)

3.徐卫良;邓家贤;吴慈生确定连杆机构运动误差的矩阵法 1986(03)

4.X Zhang Vibration Control of Elastodynamic Response of a 3-PRR Flexible Parallel Manipulator Using PZT Transducers 2008

5.H Sumali;K Meissner;H H Cudney A Piezoelectric Array for Sensing Vibration Modal Coordinates 2001

6.B Li;X Zhang Vibration Suppression of a 3-PRR Flexible Parallel Manipulator Using Input Shaping 2009

7.L C Wu;F C Sun Optimal Trajectory Planning of Flexible Space Robot for Vibration Reducing 2003

8.G Song;S P Schmidt Active Vibration Suppression of a Flexible Structure Using Smart Material and Modular Control Patch 2000

9.A Preumont Vibration Control of Active Structures.An Introduction 2002

10.X M Zhang;Y W Shen;H.Z.Liu Optimal Design of Flexible Mechanisms with Frequency Constraints 1995

11.A Ghazavi;F Gardanine;N G Chalhout Dynamic Analysis of a Composite Material Flexible Robot Arm 1993

12.D L Lei;Q Yang Reliable Sensitivity Analysis of Kinematics for a New Parallel Manipulator 2009

1.张德虎.胡天链.刘兴岩.ZHANG De-hu.HU Tian-lian.LIU Xing-yan手动机器人设计与可靠性分析[期刊论文]-装备制造技术2005(1)

2.崔世钢.龚进峰.彭商贤.王俊松基于混合智能算法的三自由度移动机器人的路径规划[期刊论文]-制造业自动化2004,26(2)

3.袁媛.王之栎.祝明.宗光华大型不规则曲面加工机器人系统控制设计[期刊论文]-北京航空航天大学学报2004,30(4)

4.苏永涛.仉俊峰.仉立军.Su Yongtao.Zhang Junfeng.Zhang Lijun动态检测与容错机器人[期刊论文]-东北林业大学学报2007,35(6)

5.李廷春.李琳.张铁.Li Tingchun.Li Lin.Zhang Tie基于可靠性分析的机器人系统故障维修系统[期刊论文]-现代制造工程2006(12)

6.周瑾.刘勇.林吉凯.徐龙祥磁流变阻尼器与磁悬浮系统并联隔振研究[期刊论文]-武汉理工大学学报（信息与管理工程版）2010,32(2)

7.李振波.陈佳品毫米级微型装配机器人虚拟绕组定位精度控制方法研究[期刊论文]-高技术通讯2004,14(12)