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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 大范圍作業(yè)解耦混聯(lián)機(jī)器人
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 該作品的機(jī)械系統(tǒng)由一個(gè)三自由度基本模塊和一個(gè)一、二轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的擴(kuò)充模塊組成，其中，三自由度基本模塊采用一個(gè)二滑塊五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)和垂直于其運(yùn)動(dòng)平面的一個(gè)上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成；控制系統(tǒng)采用數(shù)控技術(shù)，它由觸摸屏、可編程控制器(PLC)、交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器組成。通過(guò)安裝不同的功能操作器（例：銑刀、噴槍、焊槍、磨頭），可實(shí)現(xiàn)切削加工、噴涂、焊接、拋光等大范圍平面或空間曲面操作等。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品---大范圍作業(yè)解耦混聯(lián)機(jī)器人, 由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)二部分組成：機(jī)械系統(tǒng)由一個(gè)三自由度基本模塊和自由度為一、二轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的擴(kuò)充模塊組成，其中，三自由度基本模塊采用一個(gè)二滑塊五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)和垂直于其運(yùn)動(dòng)平面的一個(gè)移動(dòng)自由度構(gòu)成；控制系統(tǒng)采用數(shù)控技術(shù)，它基于觸摸屏、可編程控制器(PLC)、脈沖發(fā)生器單元（FX2N-1PG）、驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)組成，通過(guò)安裝不同的功能操作器，它能較理想地實(shí)現(xiàn)平面或空間作業(yè)，例：切削加工、焊接、材料切割、拋光、測(cè)量、噴涂、雕刻等。該混聯(lián)機(jī)器人可模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易且成本低、控制解耦、功能可擴(kuò)展。 其工作原理是：二個(gè)主交流伺服電機(jī)（SM130-150-15LFB）及其驅(qū)動(dòng)器（SA3L10B）構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)，通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)二個(gè)主滑塊作直線移動(dòng)，使平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的平動(dòng)輸出連桿作平面運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，固定在輸出連桿上的滾珠絲杠傳動(dòng)裝置（即Z方向單自由度直線機(jī)構(gòu)）將第三個(gè)小電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成輔滑塊的上下直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成三自由度的實(shí)現(xiàn)空間基本操作； 進(jìn)一步，如在輔滑塊上附加一或二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)，就可以構(gòu)成四、五軸混聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了功能的擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)任意空間曲面的加工與操作，并力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的：設(shè)計(jì)一種大范圍作業(yè)、功能可擴(kuò)充的變自由度解耦混聯(lián)機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)平面或空間作業(yè)。 基本思路：由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)二部分組成：機(jī)械系統(tǒng)由一個(gè)三自由度基本模塊和自由度為一、二轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的擴(kuò)充模塊組成；控制系統(tǒng)采用數(shù)控技術(shù)，通過(guò)安裝不同的功能操作器，它能實(shí)現(xiàn)平面或空間作業(yè)。 工作原理：二個(gè)主交流伺服電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)二個(gè)主滑塊作直線移動(dòng)，使平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的平動(dòng)輸出連桿作平面運(yùn)動(dòng)；固定在輸出連桿上的滾珠絲杠傳動(dòng)裝置，將第三個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成輔滑塊的上下直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成三自由度的空間基本操作。 創(chuàng)新點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新:操作點(diǎn)在二平行導(dǎo)軌之間；平行四邊形機(jī)構(gòu)使保證操作器的姿態(tài)角在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終不會(huì)變化。（2）功能創(chuàng)新：利用運(yùn)動(dòng)位置的奇異性，從而擴(kuò)大了二倍工作空間。（3）應(yīng)用創(chuàng)新：安裝一、二自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，就可以構(gòu)成四、五軸混聯(lián)機(jī)器人。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛度大；工作空間大、控制解耦性好。 關(guān)鍵技術(shù)：（1）利用運(yùn)動(dòng)位置的奇異性，通過(guò)越過(guò)奇異位置，從而擴(kuò)大二倍工作空間；（2）研制了基于模塊式可編程控制器的交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)；（3）采用觸摸屏輸入執(zhí)行參數(shù)，設(shè)計(jì)程序采用組態(tài)軟件；進(jìn)行了控制策略的設(shè)計(jì)。 技術(shù)指標(biāo)：（1）工作空間為傳統(tǒng)平面并聯(lián)機(jī)器人的2倍；（2）正、逆解為解析表達(dá)式，且控制部分解耦；（3）定位精度:±0.05mm；最大工作速度：1m/s。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.科學(xué)性：應(yīng)用基于方位輸出矩陣和自由度分配的混聯(lián)機(jī)器人機(jī)型設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了本作品的機(jī)構(gòu)；該混聯(lián)機(jī)器人的正、逆解為解析表達(dá)式，控制部分解耦；通過(guò)簡(jiǎn)單的冗余控制或慣性的方法,利用了奇異位置,二倍地增大了操作工作空間；基于模塊式可編程控制器的交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，可靠性好、精度高；采用觸摸屏輸入系統(tǒng)執(zhí)行參數(shù)，設(shè)計(jì)程序采用組態(tài)軟件。 2.先進(jìn)性：設(shè)計(jì)的混聯(lián)機(jī)構(gòu)兼有并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度好、定位精確及串聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間大、控制解耦性好等二方面的綜合性能及優(yōu)點(diǎn)，制造成本低,操作方便；基于模塊式可編程控制器的交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，可靠性好、精度高；采用觸摸屏輸入系統(tǒng)執(zhí)行參數(shù)，設(shè)計(jì)程序采用組態(tài)軟件，使得設(shè)計(jì)和更改均容易，二次開發(fā)也簡(jiǎn)單，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的適應(yīng)性。經(jīng)教育部科技查新工作站（L08）的國(guó)內(nèi)外科技查新表明：“在本查新范圍內(nèi)，本查新項(xiàng)目大平面主噴采用三自由度混聯(lián)結(jié)構(gòu)，...,構(gòu)成五軸混聯(lián)解耦高速噴涂機(jī)器人…，國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)相同的公開文獻(xiàn)報(bào)道”（No:201036000L080）。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- B中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓或技術(shù)入股，具體面議。
作品可展示的形式
- □實(shí)物、產(chǎn)品 □現(xiàn)場(chǎng)演示 □圖片 □錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1.技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):（1）工作空間為傳統(tǒng)二滑塊平面并聯(lián)機(jī)器人的2倍，其長(zhǎng)度取決于導(dǎo)軌的長(zhǎng)度，因此，工作空間大；（2）正、逆解為解析表達(dá)式，且控制部分解耦；（3）基于模塊式可編程控制器的交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)可靠性好、精度高；（4）采用觸摸屏輸入執(zhí)行參數(shù)，設(shè)計(jì)程序采用組態(tài)軟件，使得設(shè)計(jì)和更改都較容易，二次開發(fā)也簡(jiǎn)單；（5）綜合性能：與串聯(lián)機(jī)器人比，它結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛度大；與并聯(lián)機(jī)器人比，它工作空間大、控制容易;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維修方便。 2.適應(yīng)范圍及其推廣前景：（1）可以用于平面或空間大范圍的切割、噴涂、雕刻、拋光等操作；（2）本作品主機(jī)構(gòu)已用于浙江龍游鐳迪涂裝設(shè)備有限公司委托導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)承接的科研項(xiàng)目“五軸解耦高速混聯(lián)噴涂機(jī)器人的研制”上，并已為企業(yè)使用，用戶證明“該噴涂機(jī)器人特別適合用于噴涂長(zhǎng)方形家用電器、汽車、儀器儀表外殼等金屬件、塑料件的噴涂，具有噴涂速度快、噴涂質(zhì)量均勻、噴涂效率高、涂料消耗少、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)”（見(jiàn)“用戶應(yīng)用證明”）。
同類課題研究水平概述
- （1）人們熟知的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的類型有平面二自由度、平面三自由度、純移動(dòng)三自由度和六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其中對(duì)三自由度和六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究較多，對(duì)平面二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究相對(duì)較少。 二滑塊平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)是在五桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)，典型的是基于5R（全回轉(zhuǎn)副）、4R1P（4個(gè)回轉(zhuǎn)副一個(gè)移動(dòng)副）的五桿機(jī)構(gòu)、具有2個(gè)移動(dòng)副的三桿機(jī)構(gòu)，且2個(gè)移動(dòng)副導(dǎo)軌垂直的實(shí)例——打印機(jī)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。除了上述的5R，4R1P及其變換的五桿機(jī)構(gòu)外，還有根據(jù)機(jī)構(gòu)學(xué)的基本理論和“三角形穩(wěn)定性”原理提出的RPRPR（3個(gè)回轉(zhuǎn)副2個(gè)移動(dòng)副）五桿機(jī)構(gòu)。 （2） 國(guó)內(nèi)對(duì)二自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)中5R構(gòu)型的理論研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，李佳、廖漢元等人對(duì)其曲柄存在條件進(jìn)行了研究，也有專家在其尺度綜合、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析方面進(jìn)行了深入研究，在此基礎(chǔ)上，孔建益提出了“受控原動(dòng)件”的概念，即一個(gè)原動(dòng)件做勻速運(yùn)動(dòng)，而控制另一個(gè)原動(dòng)件，使其做補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，田漢民等又提出了“混合驅(qū)動(dòng)”的概念。為了滿足輸出不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)剛體二維平動(dòng)的需要，高峰等提出了一種倒梯形RPRPR機(jī)構(gòu)，王海東對(duì)該機(jī)構(gòu)的工作空間進(jìn)行了分析，劉辛軍分析了其運(yùn)動(dòng)學(xué)、奇異性，范順成等對(duì)其精度進(jìn)行分析并將其設(shè)計(jì)為模塊化并聯(lián)機(jī)床，王冰等對(duì)其進(jìn)行了尺度綜合。何衛(wèi)鋒、劉吉安等提出了一種兩軸驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，針對(duì)兩軸驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征，分析得到了該機(jī)構(gòu)滿足直線、圓、橢圓、一般曲線時(shí)，兩軸驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。高鐵紅等人又提出了一種平行導(dǎo)軌二自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了位置分析，得到了速度雅可比矩陣，對(duì)其工作空間進(jìn)行了分析，現(xiàn)在此機(jī)構(gòu)已在齊齊哈爾二機(jī)床廠的并聯(lián)機(jī)床上使用。 （3）國(guó)外對(duì)二滑塊平面并聯(lián)機(jī)器人的研究比國(guó)內(nèi)早得多，而且不僅局限于理論研究，大多數(shù)研究成果都應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。Heisel和Maier等人將輕質(zhì)元件做成桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于二滑塊平面并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖，這種機(jī)器人設(shè)計(jì)用于木料的切削加工。通過(guò)二滑塊在直線導(dǎo)軌上的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的各種軌跡運(yùn)動(dòng)，采用輕質(zhì)元件大大減輕了機(jī)器人本身的重量，將導(dǎo)軌設(shè)計(jì)在側(cè)面，大大減小了傾翻力矩，不足的是二滑塊在一個(gè)導(dǎo)軌上，無(wú)法實(shí)現(xiàn)奇異位置的變換，工作空間受到限制。
