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论文知识案例-柔索并联机器人精准收放绳装置

2021-05-08 17:55:20

  柔索并联机器人是一种使用柔索替换刚性连杆,实现末端执行装置在空间定位和变速运动的机器人。其具有工作空间大、负载大、质量轻、可模块化等特点,在近些年得到快速的发展。本文针对现有的柔索并联机器人,设计了一种精准收放绳装置,实现了柔索并联机器人在柔索收放过程中对绳长精准的测量,以保证末端执行装置的位置精度。并且围绕优化电机的最小功率损耗,建立了基本尺寸参数模型;对关键部件进行优化设计和强度校核,最后建立了摩擦力模型。

  柔索并联机器人是一种使用柔索替换刚性连杆,实现末端执行装置在空间定位和变速运动的机器人。其具有工作空间大、负载大、质量轻、可模块化等特点。该类机器人的工作原理是:利用多个收放绳装置模块控制柔索的长度,进而控制末端执行装置的位置、姿态以及速度。近年来,柔索并联机器人已尝试应用在在摄像系统、医疗救援、搬运修建等诸多领域。比如应用于摄像领域,由美国研制的Skycam,其不仅能在工作空间的所有点进行拍摄,而且移动速度快,可达13m/s。[1]

  柔索并联机器人的迅速发展,特别是大型装置,对机器人精度要求的变得越来越高。收绳放装置是柔索并联机器人的驱动单元。通过多个收放绳装置配合工作,协调控制柔索的长度,进而实现对末端执行器的控制。因此,其精度直接决定了整个柔索并联机器人的特性,对其的研究应该是机器人研究的第一步。

  基于柔索并联机器人的应用前景以及精度要求,收放绳装置的设计具有重要的实用价值和研究意义。从收放绳装置设计参数的的确定、结构方案的选择、重要零件关键尺寸的优化,到有限元仿真分析进行强度校核,再到摩檫力校核,都是当前国内外研究的热点话题。

  1.2研究概况

  收放绳装置是柔索并联机器人的驱动单元。其工作原理是:通过多个收放绳装置配合工作,协调控制柔索的长度,进而实现对末端执行器的控制。具有精度高、可模块化、快速响应等特点。因此,设计的收放绳装置必须克服柔索的弹性、滑轮包角以及摩擦等因素的影响,进而能以较好的动态性能驱动柔索,控制末端执行装置。

  传统的收放绳装置结构如图11所示,主要由力矩电机、联轴器、卷筒(减速器)、柔索和动平台组成[2]。以此设计的大型柔索并联机器人具有卷筒尺寸大以及负载惯性大等特点。但与此同时,柔索本身具有弹性,易变形,这便导致了柔索长度的误差;在卷筒收放绳长时,出绳位置的轴向移动也会带来非线性误差;除此之外,卷筒与绳之间的摩檫力和收放绳装置本身的惯性力也会带来非线性误差。

  图11传统收放绳装置结构图

  东立理工大学提出了如图12所示的具有3个自由度的四索平面机器人。在收放绳装置中增加了导线装置和以螺旋副的方式连接了卷线筒和基座,电机转动的同时使得卷筒边旋转边轴向移动。通过这个方法,减小了出绳点轴向移动带来的非线性误差。但与此同时,增添了绳与导线装置之间的摩擦力,并且螺旋副的使用降低了系统效率。[3]

  图12四索平面并联机器人及其收放绳装置设计

  就收放绳装置的导向问题,合肥工业大学提出了多功能模块化柔索导向装置如图13。该装置采用球铰式漏斗形导向管道 范替了传统的轴承滑轮,由三个拉线传感器牵引,构成一个微型并联检测装置。[4]这个装置可以对柔索进行动态导向,并且能对柔索的长度、姿态内部张力进行实时检测。但与此同时,也带来了结构复杂、体积大不易安装的问题。

  图13多功能模块化柔索导向装置三维模型

  在2019年,哈尔滨工业大学发布了如图14所示的八索并联机器人。将绕线装置固定在基座上,导线装置作为螺母副安装在丝杠上,通过调节线轮和丝杠的配比,在一个电机通过机械联动的方式驱动绕线装置转动的同时实现轴向的移动。这个装置不仅减小了出绳位置的、轴向移动带来的非线性误差,而且降低了卷筒与绳之间的摩檫力、收放绳装置本身的惯性力带来的非线性误差。但与此同时,带来了装置复杂、成本高等问题的同时也加剧绳的变形,增加了绳长度的非线性误差。[5]

  图14空间柔索并联机器人

  另外,位于德国的斯图加特弗劳恩霍夫制造与自动化研究所在绳驱机器人方面取得了一些成果,其约在2007年、2013年和2015年分别设计了IPAnema、Planar IPAnema2>IPAnem3三 范机器人,均可实现空间多个自由度的运动,同时可控空间也逐步增大,整体设计如图15所示。[6]

  图15三 范机器人整体设计

  在这三 范的驱动单元设计中,都设计了滚珠丝杠副作为排线机构。工作流程为:力矩电机通过减速器带动卷筒完成绕线工作,在卷筒转轴增加换向齿轮驱动双丝杠的转动,双驱丝杠将转动转换为直线移动,完成排线工作,具体工作原理如下图16所示。

  图16 IPAnema驱动单元设计

  本节首先阐述了柔索并联机器人的特点和收放绳装置的作用。然后根据对大型化条件的探讨,根据精度要求,引出了对各种收放绳装置的分析比较。由传统的收放绳装置,到增加了导线装置,再到增加了导向装置的收放绳装置。这些装置都是在特定使用条件设计的。虽然对性能指标的侧重有所不同,比如精度要求、结构的简单性、信息检测性,但是对同一指标精度,又是在不断改善的。更重要的是要在大型工作空间中,以简单的装置精准测量收放绳长以保证末端的位置精度。可以预见的是,国内外学者会设计出精度更大的收放绳装置,柔索并联机器人的大型化毕竟进入一个长足的发展期。

  1.3论文工作主要工作与结构安排

  本文设计了一种柔索并联机器人精准收放绳装置,并且实现了对该机器人的Creo结构分析和摩檫力校核。在本文中各章节的详细内容如下:

  第一章:绪论。介绍了该课题的研究背景及意义,以及柔索并联机器人精准收放绳装置的研究现状。

  第二章:柔索并联机器人精准收放绳装置的设计。包括对现有结构优缺点的分析、收放绳装置的设计方案以及对收放绳装置的结构分析。

  第三章:柔索并联机器人精准收放绳装置的基本尺寸优化。对精准收放绳装置电机选型和进行动力学建模,并利用Creo的结构分析对关键部件进行强度校核,以及对轴进行优化设计。

  第四章:摩檫力建模。对柔索与轮系间摩檫力进行建模。

  第五章:经济性和环保性分析。在对机器人进行经济性及环保性分析,并整篇文章进行系统性总结,并对研究成果进行展望。

  2柔索并联机器人精准收放绳装置的设计

  2.1现有柔索并联机器人的分析

  现有柔索并联机器人是平面柔索并联机器人。平面柔索并联机器人的柔索数目为个,自由度数为2个。因此,平面柔索并联机器人需要个驱动单元来驱动柔索对末端执行装置进行2个方向进行平移控制。对精准收放绳装置进行设计,必须要先熟悉其结构,本小节通过对现有平面柔索并联机器人的结构与原理进行简要分析,然后根据其优势和弱势,得到精准收放绳装置的设计方案。

  2.1.1现有平面柔索并联机器人的结构与原理

  现有柔索并联机器人的柔索数目为4个,用四个收放绳装置1提供拉力驱动柔索2对末端执行装置3进行位置和速度控制。如下图2-1.

  图21现有结构总三维模型图

  其中,收放绳装置由绕线装置、排线装置和导向装置组成。舵机4提供动力驱动丝杠12转动,绕线轮11在长光滑螺杆9的支撑下,通过螺旋副进行平动,进而卷展柔索,带动末端执行装置3移动。[7]

  图22收放绳装置模型图

  2.1.2现有柔索并联机器人的优缺点

  优点:

  (1)绕线轮出绳点固定,避免因绕线不均而导致的机械误差。当左转化法兰转动时,可带动长螺杆、绕线轮、右转化法兰转动,且当绕线轮转动时,沿长螺杆轴向平动,保证了绕线不重叠。

  (2)结构简单,具有高度的模块化和可重构性。收放绳装置可以分为绕线机构、排线机构和导向机构,可以很方便对各组成部分进行模块化,方便拆分装配。

  缺点:

  (1)定位精度低。收放绳的过程中,由于收放绳长不能够精确测量,导致产生柔索长度误差,进而导致末端执行器的定位精度低。

  (2)结构不紧凑。虽然收放绳装置结构简单、可模块化,但是各功能分散在不同的组成部分上,结构不够紧凑。

  2.2柔索并联机器人精准收放绳装置的设计

  柔索并联机器人收放绳装置的主要任务是调节柔索的收放绳长度,由绕线装置、导向装置和排线装置组成。其中绕线装置通过控制绕线轮的转动角度控制柔索的卷展进而调节收放绳长短;导向装置通过柔索自身拉力的牵扯控制万向导线轮的转动方向,避免了柔索在收放过程中不脱线以及减少了柔索的磨损;而排线装置通过丝杠带动绕线轮的平动来保证出绳点的固定,避免缠绕。[8]精准收放绳在此基础上,为柔索并联机器人增加了测量装置,柔索通过摩檫力带动线轮的运动,从而通过编码器精准的测量收放绳长,从而精准的控制收放绳的长度。

  2.2.1柔索并联机器人精准收放绳装置的设计方案

  为了使柔索并联机器人配备可以精准测量收放绳长的装置。那么就需要建立一个测试系统。首先需要确定测量的对象,然后根据测量原理选择相应的传感器类型,最后根据测量原理来设计相应的装置结构。

  首先确定测量对象。柔索并联机器人收放绳的过程中,由舵机带动绕线轮转动,进而带动柔索的收放。在此过程中,运动的构件有舵机、绕线轮、柔索,故而测量对象的选择也就是在三中选一。柔索并联机器人的定位精度主要由两部分组成,即机构部件的原始误差和柔索传动误差。其中,机构部件的原始误差主要包括万向线轮出绳点相对于基座位置的偏差和柔索的弹性变形误差。柔索传动误差主要指实际运动中柔索的收放长度误差。由于在机构部件和柔索在选用、制造和组装完成后,便无法改变,所以定位精度主要由实际运动中柔索的收放长度误差来决定。故而,为了更好的提高精度,测量对象应直接定为柔索。

  然后确定传感器类型。由于柔索是平动的、运动轨迹曲折,所以难以选择相应的传感器来直接测量收放的绳长。为了方便测量收放绳的长度,本文通过摩檫力化平动为转动,进而通过测量转动的角度来测量收放的绳长。因为编码器是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器,具有灵敏度高且结构简单、价格便宜的优点,故而选用编码器作为传感器。

  最终将精准收放绳装置定为如图23所示的模型:

  图23柔索并联机器人精准收放绳装置

  该机构由下列构件构成:

  1.双头螺杆。2.调节螺母。3.弹簧。4.压板。5.承载螺母。6.盖套。7.编码器。8.柔索9.定滑轮。10.线轮。11.轴。12.万向线轮。13.挂载台

  在机构中主要构件的作用如下所示:

  1.双头螺杆:通过螺纹连接固定在挂载台12上,与调节螺母2和承载螺母5连接。

  2.调节螺母:转动调节螺母,从而压缩弹簧3,通过压板4和盖套6增加定滑轮9对柔索8的压力,达到增加摩檫力的目的。

  3.弹簧:既能通过被压缩传递压力,又能避免摩擦力过大从而导致柔索8在收放过程中卡住。

  4.压板:增加弹簧3和盖套6之间的接触面积,从而使受力均匀。

  5.承载螺母:既能调节盖套6初始位置,又能承载弹簧3的压力和盖套6的重力。

  6.盖套:固定定滑轮9和万向线轮12,调节螺母2压缩弹簧3后通过盖套6上定滑轮9向柔索3传递压力。

  7.编码器:记录线轮10转过的角度,从而计算出收放绳的长度。

  8.柔索:柔索并联机器人的传动元件。

  9.定滑轮:变滑动摩擦为滚动摩擦,降低不必要的摩擦阻力。

  10.线轮:柔索3通过与线轮10之间的摩擦力带动线轮10转动,进而通过编码器7测出绳长。

  11.轴:与轴承相连固定线轮10的位置;连接编码器7和线轮10,使两者同步转动,进而测出绳长。

  12.万向线轮:实现柔索的多方向传动,并且减轻柔索8的摩擦磨损。

  13.挂载台:挂载双头螺柱、调节螺母、弹簧、承载螺母和盖套。

  带有精准收放绳装置的如图图24所示:

  图24带有精准收放绳装置的柔索收放层静平台

  对结构设计的要求为:工作空间为1m×1m×0.2m,末端执行器的重量为9.8N,柔索的运动精度为0.2mm。

  带有精准收放绳装置的柔索并联机器人整体模型如图图25所示:

  图25带有精准收放绳装置的柔索并联机器人

  1.精准收放绳装置:控制柔索的收放长度,由绕线装置、排线装置、导向装置、测量装置组成。

  2.柔索:尽量采用不易变形的材质制成的绳索,一般有钢丝绳和包塑钢丝绳可供选择。其中包塑钢丝绳可以防止绳芯过早断裂、既保持内层绳芯润滑又把腐蚀物隔离。

  3.工作平台:通过柔索的牵引进行运动,可以在平台上装各种应用装置。可以根据

  末端执行器的大小改变工作平台的尺寸。

  2.2.2柔索并联机器人精准收放绳装置的结构分析

  无论是采用模糊滑模控制器对末端的轨迹跟踪控制[9],还是力位混合控制[10]、张力优化算法[1],对柔索并联机器人末端进行运动控制时,都需要根据柔索长度进行坐标变换逆解得到末端执行器的位置。因此,准确的柔索长度时保证位置精度的关键。

  较常见的测量收放绳长的装置是使用丝杠螺母在轴上的移动绕线,电机的旋转轴和丝杠的选装轴通过齿轮配合,丝杠螺距的大小和柔索直径相等,根据丝杠和电机旋转轴之间的传动关系,丝杠螺母移动一个螺距,柔索被绕在电机旋转轴上一定圈数。[4]

  本文通过引入静摩擦力,构建了全新的测试系统。钢丝绳通过摩檫力带动线轮连接的编码器直接测量收放绳的长度,简单直接有效。该装置的优点如下:

  1.定位误差小。钢丝绳直接带动线轮连接的编码器,通过编码器输出的角度结算收放绳长度,避免了间接测量时带来的中间误差。

  2.结构紧凑。排线装置,导向装置,测量装置三位一体,集中在精准收放绳装置上,简单有效,占地面积小。

  3.应用场合广。无论调节承载螺母初始状态位置还是直接通过调节螺母增减压力,都可以方便快捷的调整摩檫力的大小。可以应用于不同重量的末端执行器。既不会摩檫力太小导致打滑,也不会摩檫力过大导致卡死。

  3柔索并联机器人精准收放绳装置的基本尺寸优化

  3.1电机选型与建模

  3.1.1电机选型

  精准收放绳装置的主要任务是控制柔索的收放。舵机通过带动丝杠转动使绕线轮既平动又转动,绕线轮卷展柔索,柔索通过摩擦力带动线轮转动,进而带动编码器转动。

  根据工程设计,平面柔索并联装置选用的是选择Panasonic公司生产的模块化交流驱动的伺服电机MDMF402L1C5型号电机。

  表2-3 MDMF402L1C5型电机性能参数

  类型参数

  额定功率(kW)

  额定转矩()4

  19.1

  额定转速(RPM)

  转矩常数()

  阻尼系数()

  最大转速(RPM)2000

  0.1

  0.34

  2500

  转子惯量()46.9

  3.1.2精准收放绳装置动力学建模

  平面柔索并联机器人是一个机电产品,其数学模型也应该包括机械和电气两个部分。

  (1)机械传动的动态力矩平衡方程

  其中,为电机转子的转动惯量,为绕线轮的转动惯量,为电机及负载折算到电机轴上的等效摩擦系数,为电机轴的角位移,为电机的电磁力矩,,为线轮的转动惯量,为编码器的转动惯量,为线轮的角位移。

  (2)电气的方程

  其中为转矩常数,为阻尼系数。

  (3)精准收放绳装置的动力学方程

  其中,为绕线轮和线轮之间的减速比,为包含静摩擦力和弹性振动等未建模动态干扰。[11]

  3.2关键部件强度校核

  在精准收放绳装置的结构设计过程中,为了在满足结构的强度要求下,使用最小的材料来节约成本,使用Creo的结构分析模块分别对线轮和轴进行零件的优化设计。通过建立静态分析、敏感度设计研究和优化设计研究来达到多个设计约束下的目标要求。

  3.2.1轴的设计和校核

  (1)模型预处理

  模型预处理包括建立实体模型、进行零件装配、定义模型材料物性、预设载荷和约束。

  轴零件在Creo Parametric创建并简化,然后进入Creo Simulate定义并分配材料。轴的材料为40cr、密度为7.85、各向同性、泊松比0.3、杨氏模量2.1e+5、抗拉强度810Mpa、屈服强度785Mpa。在轴颈两段添加销约束,在轴环处添加平移约束。然后添加加速度以及对应的额定装载定义载荷。

  (2)优化设计计算

  1)轴的静态分析

  静态分析用于从不随时间变化的载荷中分析变形、应力或应变。标准的线性静态分析将载荷应用于未变形的结构并分析所产生的位移和应力。与整个结构相比,位移必须始终非常小,才能使类型保持有效状态。

  图31轴的应力、位移图

  从图3-1可以看出,轴的应力最大处在轴环两侧,最大值为53MPa。轴的最大位移在颈两侧,最大值为0.001mm。

  2)轴的敏感度分析

  全局敏感度研究,该研究使能够为一个或多个不同的参考分析定义设计变量,并研究其在步骤或间隔中对某个特定变量域的影响。对于每个变量值,系统将在Creo Parametric中重新生成模型,并有选择地进行网格重划和分析。仅提供测量输出。因此,必须使用后处理器来研究测量与参数更改。执行附加标准设计研究来获取特别关注的参数值的完全输出。始终只在所关注的域中改变一个参数,以便能够了解其影响。

  图32轴颈尺寸与应力、位移的关系图

  图33轴长尺寸与应力、位移的关系图

  图34轴环尺寸与应力、位移的关系图

  从图3-1、图3-2、图3-3可以很明显的看出来,应力、位移都对轴颈、轴环、轴长的变化敏感。其中轴颈对应力应变的变化最为敏感。这为之后的优化设计提供了可行性。

  3)轴的优化设计

  优化设计的目标是为了最小化轴整体的质量,设计约束

  1)整体位移变化小于0.01mm

  2)整体应力变化小于400

  图35优化设计后轴的应力、位移图

  从图3-5可以很明显的看出,经过优化设计后,此时应力为99Mpa,位移是0.0016mm,但是轴的质量由减少到原来的一半。符合优化目标,也符合强度要求。

  3.2.2线轮的设计和校核

  (1)模型预处理

  线轮零件在Creo Parametric创建并简化,然后进入Creo Simulate定义并分配材料。轴的材料为40cr、密度为7.85、各向同性、泊松比0.3、杨氏模量2.1e+5、抗拉强度810Mpa、屈服强度785Mpa。在轴颈两段添加销约束,在轴环处添加平移约束。然后添加加速度以及对应的额定装载定义载荷。

  (3)线轮强度校核

  线轮是精准收放绳装置的重要传动部件,在柔索收放过程中一直受到柔索的摩擦和牵引。

  对线轮进行静态分析:

  图36线轮的应力、位移图

  从图36中可以看出:线轮的最大应力发生在带轮键槽处上,约为15MPA;弦论的最大形变发生在带轮边缘,约为0.02mm。符合PA6的强度要求。我们根据线轮的工作特性,计算轴承的当量动、静载荷以及校核使用寿命,选取深沟球轴承。

  4摩檫力模型

  在大尺度工作空间内,使用钢丝绳牵引末端运动,因此对钢丝绳的抗弯强度和摩擦力进行分析。

  钢丝绳是将力学性能和几何尺寸符合要求的钢丝按照一定的规则捻制在一起的螺旋状钢丝束。钢丝绳由绳芯、绳股和钢丝构成,先用多层钢丝捻成股,再以绳芯为中心,由一定数量股捻绕成螺旋状的绳。如图3-1所示。钢丝是构成钢丝绳的最基本单元,绳股是一层或多层钢丝绕股芯呈螺旋状缠制而成,股芯可以使用钢丝,也可以使用纤维。绳芯材料可以分为金属芯,有机芯,石棉芯和纤维芯等。