基于实时监测的并联机器人运动仿真系统的研究与开发

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1、第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集基于实时监测的并联机器人运动仿真系统的 研究与开发扬培林，陈晓南，汪勇( 西安交通大学机械工程学院，西安，7 1 0 0 4 9 )要：为了实时监测和仿真S t e w a r t 并联机器人的运动，采用基于位置反解的求正解的方法计算运动平台的宴时位姿，计算表明完成一次正解的平均时问小于5 0 0 凸针对轨迹规划的需要，分析计算了上平台作水平圆周平动时，位姿参数与奇异位彤的关系在以上研究的基础上，用V C 和O p e n G l 。开发了基于实时监剥的并联机器人运动仿真系统。该系统通过对并联机器人各腿长度曲监测，实时计算动平台的位姿，并将动平台的位姿用

2、三雏图形连续显示出来实现了基于实时监测的并联机器人运动仿真，为并联机器 的远程运动监测和故障诊断奠定了基础关健词：并联机嚣人，位置正解，运动仿真实时监测R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n to ft h eR e a l t i m eM o n i t o r i n gB a s e dK i n e m a t i c sS i m u l a t i o ns y s t e mf o rP a r a l l e lR o b o tY a n gP e i l i nC l a nX i a n n a nW a n gY o n g(

3、x i a l lJ i a o t o n g U n i v e r s i t y , X i m7 1 0 0 4 9 )A b s t r a c t ：I no r d e rt om o n i t o ra n ds i m u l a t et h em o t i o no fS t e w a r tp a r a l l e lr o b o t a l li n v e r s ck i n e m a t i c sb a s e dd i r e c tk i n e m a t i c sm e t h o di su s e dt od e t e r m i

4、 n et h ep o s eo f t h ep l a t f o r m b yw h i c ht h es o l u t i o nt i m ei sw i t h i n5 m j “F o rt h en e e do f t 嘲e c t o r yp l a n n i n g , t h er e l a t i o nb e t w e e ns i n g u l a rc o n f i g u r a t i o na n dp o s ep a r a m e t e r so f t h ep l a l f o r mu n d e rc i r c l

5、 et r a n s l a t i o ni sa n a l y z e d B a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ak i n e m a t i c ss i m u l a t i o ns y s t e mb a do nr e a l - t i m em o n i t o r i n gi sd e v e l o p e du s i n gV Ca n dO p e e G L w h i c hc c a l c u l a t et h ep o s eo f t h ep l a t f o r mf r o mt

6、h ed c l e c t e dl e gl e n g t h sa n dd e m o n s t r a t et h ep o s eo nc o m p u t e r T h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h es y s t e ma r eu s e f u lf o rt h er e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so f t h ep a r a l l e lr o b o t K e yw o r d s ：P a

7、r a l l e lR o b o t , D i r e c tK i n e m a t i c s ，K i n e m a t i c sS i m u l a t i o n ，R e a l - t i m eM o n i t o r i n g1 前言S t e w a r t 并联机器人由于具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高及运动性能好等一系列优点。应用日益广泛。在并联机器人的实际应用中，由于工作条件和使用环境的复杂性，对其进行远程运动监测并进行实时仿真就显得十分必要，例如在航空航天、航海及一些恶劣环境下使用的并鞋机器人，由于其运动状况不便人现场检测出现故障后，控制者对

8、机器人 出现故障原因较难作出迅速判断，对机器人出现故障时所处姿态感官认识也较差，利用实时监测仿真系统将在很大程度方便控制者对机器人故障作出迅速和正确的判断。第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集本文首先探讨了基于反解的位置正解算法，分析计算了上平台作水平圆周平动时，位姿参数与奇异位形的关系，然后针对作者自己研制的六自由度S t e w a r t并联机器人( 图1 ) ，用V i s u a lC H6 0 和O p e n G L 开发了S t e w a r t 机器人实时监测运动仿真系统。系统通过对并联机器人备腿长度的监测，利用基于反解的正解方法实时计算运动平台的位姿，实现了S t e

9、 w a r t 并联机器人的实时监测和运动仿真。2 并联机器人的位置正解及奇异位形在实时监测仿真系统中要求能实时显示平台的运动位姿，所以正解算法要求速度较快，否则就会使显示位姿滞后于实际位姿，不能准确反映出平台的实际运动。位置正解的方法很多，如迭代法、优化方法、解析法、同伦方法等I I H 4 ，但其共同缺点是求解速度低，不能满足实时监测仿真的需要。基于位置反解的正解方法简单快捷I ”，本文据此来计算动平台位姿，采用的计算流程如图2所示。大量算例表明，采用图2 的算法流程，只要迭代初值选择在并联机器人的工作空间之内，该正解算法均可以按给定精度要求收敛到设定的杆长，得到相应的位姿，而且迭代步数

10、一般不超过5 步，完成一次正解的平均时间小于5 0 0 “s 。根据轨迹规划的需要，本文对上平台作水平圆周平动时的奇异位形作了分析计算。上平台作水平圆周平动的圆心坐标为( O ，0 ，7 5 0 ) ，上平台中心位置坐标满足X P = r c o s ( O ) 、Y p = ，+ s i n ( O ) z p = 7 5 0 。a ) 取上平台作水平圆周平动的运动半径，= 3 0 0 ，姿态角= 口= o ，姿态转角y 变化时的d e t ( G ) 曲线如图3所示。图IS t e w a r t 并联机器人图2 正解算法流程b ) 取三组不同的上平台姿态角参数，分析初始姿态角和旋转半径，

11、的变化对奇异点的影响。计算结果分别如图4 、图5 和图6 所示。以上三图中所示1 2 条曲线从上往下分别代表半径r 由4 5 0 按- 4 0 等差递减到I O 的d e t ( G )变化情况。从图5 和图6 两组曲线可以看出。口0 或卢0 时，曲线呈类正弦曲线，且上平台在给定的姿态下，随，增大d e t ( G ) 波动也变大，d e t ( G ) 的最大值与晟小值均出现在最大r第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集二。此外，在不同的姿态初值下，图6 中出现了奇异点，而图5 却没有，这说明奇异点的出现是由上平台的姿态所决定的，在运动、r 径一定的条件下，完全可以通过控制上平台的姿态避免

12、轨迹中奇异点的出现。以上结论对此类轨迹规划具有重要参考意义。_ 1 一d m 呤 曲钱圈蓝转车径r 不变，壹m 旷= 晴：寰j：F 1 5 _ j 一c + “jf - * _ 4 5 。：f 7 r二，时图3 变Y 角时d e t ( G ) 曲线图图4 口= 卢= 0 ，Y = 口9 ，r 改变圈5 口= ，r 18 卢= , r t l 2 ，= n 9 ，r 改变图6 口= 卢= x 6 ，y = x 1 9 ，改变四一竺一1 一型。回国；_ 圈早斟囤目二二回1 = 刖? 图审：I高甜圃卧凰啬豳? I 圈网闶一目r 砸圈囹豳L ! _图7 实时监测仿图8 软件系统7 4第二届全国先进制

13、造装备与机器人技术论文集界面见图9 图1 2 ，图1 3 为r = 5 0 0 r a m ，a 1 2 1 5 。r2 2 0 0 r a m ，a 1 2 3 0 。时的仿真结果。图9 人机交互模块4 结论图1 I 位置正反解模块由于并联机器人二= 作条件和使用环境的复杂性，研究开发基于实时监测的运动仿真系统对实现并联机器人的远程运动监测和故障诊断具有十分重要的意义。本文对六自由度S t e w a r t 并联机器人的实时监测仿真作了研究，用V C 和O p e n G L 开发了基于实时监测的并联机器人运动仿真系统，系统通过对并联机器人各腿长度的监测，采用基于反解的正解方法实时计算 运

14、动平台的位姿，正解的平均时间小于5 0 0 芦，满足了实时监测仿真的要求。( 下转第7 9 页)7 5图1 0 儿何造型模块图1 2 轨迹规划模块图1 3 仿真结果第二届全国先进制造装各与机器人技术论文集3 3 机械腕末端绕六轴自转 当四轴、五轴不转，六轴转动时，其系统传动为一定轴轮系，如图4 所示。其定轴轮系由齿轮I l 一1 2 13 1 4 一I5 一1 6 一1 7 1 8 组成。传动比计算公式如F ：由( 5 ) 式得。m2 嚣2 瓮篡( 5 )胛坩= 卫兰楚三坚! 芝席，J( 6 )1 2 I | 6 1 8由上述对小臂及腕部转动系统的分析可见，当给定各个齿轮的齿数及各个输入轴的转

15、速，即可计算出小臂及腕部转动系统各电机在任意姿态的转速和传动比。从而对机械转速的输入和输出有清晰的判断和掌握。4 结论本文在对A B B I R B 2 4 0 0 l O 型工业机器人传动系统分析的基础上，推导了小臂及腕部传动 系统传动比的计算公式。分析了机械腕在任意位姿时各类复杂轮系的传动和变化情况，对指导L ：程生产实践有一定的理论依据和参考价值。参考文献： 11 A B BA u t o m a t i o nT e c h n o l o g yP r o d u c t sA B B ( s h a n g h a i ) E n g i n e e r i n g C o I 。

16、t d1 2 I 秦荣荣、崔可维主编，机槭原理，北京：高等教育出版社2 0 0 6 3作者简介：秦荣荣( 1 9 5 7 ) ，女，上海人，吉林大学南岭校区机械科学与工程学院教授，硕士。从事机械擐理教学工作，主要研究方向为帆构分析与综合。( t 接第7 5 页)参考文献：【1 】I n n o c e n t iC ，P a r e n t i - C a s t e l l iVF o r w a r dK i n e m a t i co ft h eG e n e r a l6 - 6F u l l yP a r a l l e lM e c h a n i s mI J lJ o u r n a lo f M e c h a n i c a lD e s i g n T r a n s a c t i o n s o f t h e A S M E ，t 9 9 3 ，1 1 5 4 ) ：9 3 2 - 9