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基于Delta机构的冗余驱动三维平动并联机构研究
基于Delta机构的冗余驱动三维平动并联机构研究
摘要
本文介绍了一种基于Delta机构的冗余驱动三维平动并联机构。该机构采用冗余驱动，实现了机构从完全平动到带剖面偏移的三维运动。论文对该机构进行了建模分析，探讨了冗余驱动与平面六杆机构的等效性，详细介绍了机构运动学和静力学分析。仿真结果表明，该机构在三维平动方面有较好的性能表现，可实现多样化的运动轨迹和工作空间。
关键词：Delta机构；冗余驱动；三维平动并联机构；运动学分析；静力学分析
1.引言
随着工业自动化和机器人技术的不断发展，对高精度、高速度和高可靠性的机器人设备的需求也越来越高。在机器人领域中，平动并联机构一直是研究的重点。传统的平动并联机构一般只能实现平移运动，不能实现三维空间内的全方位运动。因此，研究新型的平动并联机构，满足机器人在三维空间中的运动要求，对于提高机器人的使用范围和效率具有重要意义。
Delta机构是一种用于平移机构中的三杆并联机构。该机构通过三个并联杆件的联动，在平面内实现自由度为三的运动。由于其结构紧凑，精度高、速度快、负载能力强等优点，Delta机构被广泛运用于机器人领域中。但是Delta机构本身只能实现平面内的运动，不能满足三维空间内的运动要求。为了解决这一问题，本文提出了一种基于Delta机构的冗余驱动三维平动并联机构。
2.机构结构
该机构由底座、运动平台和六个驱动器组成，其中运动平台安装在底座上，通过六个驱动器的控制，实现在三维空间中的平移运动。在底座上，通过三个球头连接臂来连接运动平台和底座。连接臂可以分为两部分：直线连接臂和旋转连接臂。直线连接臂和球头之间的距离为L1和L3，旋转连接臂和球头之间的距离为L2和L4。六个驱动器分别控制三个直线连接臂和三个旋转连接臂的运动。
3.机构运动学分析
机构的运动学分析是确定机构运动表达式和工作空间的重要手段。在该机构中，机构从完全平动到带剖面偏移的三维运动均可通过对六个驱动器的控制实现。
Delta机构可以看作是一个自由度为三的空间机构，在平面内各轴方向的运动可通过对Delta机构中的关键参数进行控制实现。将Delta机构中的关键参数应用到本文提出的机构中，可得到运动平台在三维空间中的坐标位置表示式。设运动平台在X、Y、Z轴方向的偏移分别为x、y、z，利用三角函数关系可得到六个驱动器的角度变化关系，从而实现机构在三维空间中的平移运动。
4.机构静力学分析
在机器人操作中，经常需要对物体施加各向同性或各向异性的力和力矩，因此机器人具有一定的负载能力是必要的。在本文机构中，负载能力主要来自连接杆件和底座的刚度，以及各个连接点之间的刚度。
在机器人运动时，如果负载过大，将会导致机构发生过载，甚至严重损伤机构。因此，需要对机构进行静力学分析。通过静力学分析，可以计算机构中各个连接点受力状态，从而确定机构在不同负载条件下的应力状态和变形情况。
5.仿真结果与分析
本文利用SolidWorks和ADAMS软件对机构进行了仿真计算和分析。通过对六个驱动器的控制，可以实现机构在三维空间中的不同运动，包括直线平移、圆弧运动、任意曲线轨迹运动等。在机构带负载运动时，仿真结果表明机构受力合理、变形较小，可满足工业高端机器人运动要求。
6.结论
本文通过对基于Delta机构的冗余驱动三维平动并联机构进行建模分析和仿真计算，探讨了机构的运动学性能和静力学性能；仿真结果表明该机构在三维平动方面有较好的性能表现，可实现多样化的运动轨迹和工作空间。因此，该机构在工业自动化领域具有广泛的应用前景。