基本信息
- 项目名称：
- 大范围作业解耦混联机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 该作品的机械系统由一个三自由度基本模块和一个一、二转动自由度的扩充模块组成，其中，三自由度基本模块采用一个二滑块五杆并联机构和垂直于其运动平面的一个上下移动机构构成；控制系统采用数控技术，它由触摸屏、可编程控制器(PLC)、交流伺服电机及其驱动器组成。通过安装不同的功能操作器（例：铣刀、喷枪、焊枪、磨头），可实现切削加工、喷涂、焊接、抛光等大范围平面或空间曲面操作等。
- 详细介绍：
- 本作品---大范围作业解耦混联机器人, 由机械系统和控制系统二部分组成：机械系统由一个三自由度基本模块和自由度为一、二转动自由度的扩充模块组成，其中，三自由度基本模块采用一个二滑块五杆并联机构和垂直于其运动平面的一个移动自由度构成；控制系统采用数控技术，它基于触摸屏、可编程控制器(PLC)、脉冲发生器单元（FX2N-1PG）、驱动器和交流伺服电机组成，通过安装不同的功能操作器，它能较理想地实现平面或空间作业，例：切削加工、焊接、材料切割、抛光、测量、喷涂、雕刻等。该混联机器人可模块化设计，结构简单、制造容易且成本低、控制解耦、功能可扩展。 其工作原理是：二个主交流伺服电机（SM130-150-15LFB）及其驱动器（SA3L10B）构成的交流伺服系统，通过同步带驱动二个主滑块作直线移动，使平面并联机构的平动输出连杆作平面运动；同时，固定在输出连杆上的滚珠丝杠传动装置（即Z方向单自由度直线机构）将第三个小电机的旋转运动转换成辅滑块的上下直线运动，构成三自由度的实现空间基本操作； 进一步，如在辅滑块上附加一或二个转动自由度运动，就可以构成四、五轴混联机器人，实现了功能的扩展，可实现任意空间曲面的加工与操作，并力求结构简单、制造成本低。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：设计一种大范围作业、功能可扩充的变自由度解耦混联机器人，可实现平面或空间作业。 基本思路：由机械系统和控制系统二部分组成：机械系统由一个三自由度基本模块和自由度为一、二转动自由度的扩充模块组成；控制系统采用数控技术，通过安装不同的功能操作器，它能实现平面或空间作业。 工作原理：二个主交流伺服电机通过同步带驱动二个主滑块作直线移动，使平面并联机构的平动输出连杆作平面运动；固定在输出连杆上的滚珠丝杠传动装置，将第三个电机的旋转运动转换成辅滑块的上下直线运动，构成三自由度的空间基本操作。 创新点：（1）结构创新:操作点在二平行导轨之间；平行四边形机构使保证操作器的姿态角在运动过程中始终不会变化。（2）功能创新：利用运动位置的奇异性，从而扩大了二倍工作空间。（3）应用创新：安装一、二自由度的转动自由度，就可以构成四、五轴混联机器人。机器人整体结构稳定、刚度大；工作空间大、控制解耦性好。 关键技术：（1）利用运动位置的奇异性，通过越过奇异位置，从而扩大二倍工作空间；（2）研制了基于模块式可编程控制器的交流伺服电机控制系统；（3）采用触摸屏输入执行参数，设计程序采用组态软件；进行了控制策略的设计。 技术指标：（1）工作空间为传统平面并联机器人的2倍；（2）正、逆解为解析表达式，且控制部分解耦；（3）定位精度:±0.05mm；最大工作速度：1m/s。
科学性、先进性
- 1.科学性：应用基于方位输出矩阵和自由度分配的混联机器人机型设计方法，设计了本作品的机构；该混联机器人的正、逆解为解析表达式，控制部分解耦；通过简单的冗余控制或惯性的方法,利用了奇异位置,二倍地增大了操作工作空间；基于模块式可编程控制器的交流伺服电机控制系统，可靠性好、精度高；采用触摸屏输入系统执行参数，设计程序采用组态软件。 2.先进性：设计的混联机构兼有并联机构刚度好、定位精确及串联机构工作空间大、控制解耦性好等二方面的综合性能及优点，制造成本低,操作方便；基于模块式可编程控制器的交流伺服电机控制系统，可靠性好、精度高；采用触摸屏输入系统执行参数，设计程序采用组态软件，使得设计和更改均容易，二次开发也简单，进一步提高了产品的适应性。经教育部科技查新工作站（L08）的国内外科技查新表明：“在本查新范围内，本查新项目大平面主喷采用三自由度混联结构，...,构成五轴混联解耦高速喷涂机器人…，国内外均未见相同的公开文献报道”（No:201036000L080）。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- B中试阶段
技术转让方式
- 技术转让或技术入股，具体面议。
作品可展示的形式
- □实物、产品 □现场演示 □图片 □录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.技术特点和优势:（1）工作空间为传统二滑块平面并联机器人的2倍，其长度取决于导轨的长度，因此，工作空间大；（2）正、逆解为解析表达式，且控制部分解耦；（3）基于模块式可编程控制器的交流伺服电机控制系统可靠性好、精度高；（4）采用触摸屏输入执行参数，设计程序采用组态软件，使得设计和更改都较容易，二次开发也简单；（5）综合性能：与串联机器人比，它结构稳定、刚度大；与并联机器人比，它工作空间大、控制容易;结构简单、成本低、维修方便。 2.适应范围及其推广前景：（1）可以用于平面或空间大范围的切割、喷涂、雕刻、抛光等操作；（2）本作品主机构已用于浙江龙游镭迪涂装设备有限公司委托导师团队承接的科研项目“五轴解耦高速混联喷涂机器人的研制”上，并已为企业使用，用户证明“该喷涂机器人特别适合用于喷涂长方形家用电器、汽车、仪器仪表外壳等金属件、塑料件的喷涂，具有喷涂速度快、喷涂质量均匀、喷涂效率高、涂料消耗少、环境污染小等优点”（见“用户应用证明”）。
同类课题研究水平概述
- （1）人们熟知的并联机器人机构的类型有平面二自由度、平面三自由度、纯移动三自由度和六自由度并联机构，其中对三自由度和六自由度并联机构的研究较多，对平面二自由度并联机构的研究相对较少。 二滑块平面并联机构是在五杆机构的基础上演变而来，典型的是基于5R（全回转副）、4R1P（4个回转副一个移动副）的五杆机构、具有2个移动副的三杆机构，且2个移动副导轨垂直的实例——打印机，已经得到了广泛的应用。除了上述的5R，4R1P及其变换的五杆机构外，还有根据机构学的基本理论和“三角形稳定性”原理提出的RPRPR（3个回转副2个移动副）五杆机构。 （2） 国内对二自由度平面并联机构中5R构型的理论研究已经相当成熟，李佳、廖汉元等人对其曲柄存在条件进行了研究，也有专家在其尺度综合、运动学、动力学分析方面进行了深入研究，在此基础上，孔建益提出了“受控原动件”的概念，即一个原动件做匀速运动，而控制另一个原动件，使其做补偿运动，田汉民等又提出了“混合驱动”的概念。为了满足输出不是一个点，而是一个刚体二维平动的需要，高峰等提出了一种倒梯形RPRPR机构，王海东对该机构的工作空间进行了分析，刘辛军分析了其运动学、奇异性，范顺成等对其精度进行分析并将其设计为模块化并联机床，王冰等对其进行了尺度综合。何卫锋、刘吉安等提出了一种两轴驱动并联机构，针对两轴驱动并联机构的运动特征，分析得到了该机构满足直线、圆、椭圆、一般曲线时，两轴驱动的运动规律。高铁红等人又提出了一种平行导轨二自由度平面并联机构，并对其进行了位置分析，得到了速度雅可比矩阵，对其工作空间进行了分析，现在此机构已在齐齐哈尔二机床厂的并联机床上使用。 （3）国外对二滑块平面并联机器人的研究比国内早得多，而且不仅局限于理论研究，大多数研究成果都应用于实际生产。Heisel和Maier等人将轻质元件做成桁架结构应用于二滑块平面并联机器人的结构图，这种机器人设计用于木料的切削加工。通过二滑块在直线导轨上的移动实现末端执行器的各种轨迹运动，采用轻质元件大大减轻了机器人本身的重量，将导轨设计在侧面，大大减小了倾翻力矩，不足的是二滑块在一个导轨上，无法实现奇异位置的变换，工作空间受到限制。
