【12】?第37卷?第7期?
2015-07(上)
面向冗余驱动的自适应柔性连接机构优化设计
Optimal design for adaptive flexible connection mechanism of redundant drive
杨国军1,2，杨桂林2，王福明1
YANG Guo-jun 1,2, YANG Gui-lin 2, WANG Fu-ming 1
（1.中北大学 机械与动力工程学院，太原 030000；2.中科院宁波工业技术研究院，宁波 315201）摘 要：为了使X-Y-Z直角坐标机器人实现高速高精度运动，在X方向除了采用直线电机驱动外，还采用了对称设计的冗余驱动方案。但冗余驱动会造成运动控制上的困难，进而影响系统的运动平稳性。为了消除冗余驱动带来的问题，从机构学原理出发，利用连杆机构，将一个冗余双驱动的刚性结构变成了一个有确定运动的非冗余二自由度五杆机构。将五杆机构的非驱动关节设计为柔性关节，并通过正交优化算法给出柔性关节的最优设计尺寸。有限元分仿真结果表明采用柔性关节不仅顺利的消除了冗余驱动，还提升了整个机器人的运动性能。
关键词：冗余驱动；柔性机构；正交优化
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2015)07(上)-0012-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(上).04
收稿日期：2015-03-10
作者简介：杨国军（1986 -），男，山西人，硕士，研究方向为机器人和精密驱动。0 引言
作为一种结构简单，成本低廉的自动化机器人解决方案，X-Y-Z 直角坐标机器人[1]
被广泛应用于点胶、码垛、分拣、包装、装配等工业生产领域。传统X-Y-Z 直角坐标机器人直线运动单元的实现多数通过一台伺服电机并配有滚珠丝杠、同步带或者齿轮齿条来实现[2]。比如德国百格拉公司生产的用于汽车涂胶、注液和装配车轮的直角坐标机器人[3]。还有广泛应用于卧式数控车床上下料的直角坐标机器人[4]。但是由于有传动装置，导致无法达到很高的运动速度和精度。
我们研发的X-Y-Z 直角坐标机器人在X 方向采用了直驱技术（X 方向采用两个直线电机同时驱动的对称设计），不仅在很大程度上提高了运动的速度和精度，还减少了机械传动零件，减少了磨损，提高了设备寿命，如图1
所示。
图1 X-Y-Z 直角坐标机器人
但是由于X 方向的直线电机和Y 方向的横梁之间是
刚性连接，如图2所示。采取这样的连接方式会形成冗余驱动。当X 方向两个电机不同步时会产生诸如一前一
后等运动干涉，从而影响运动的平稳性。
横
梁刚性连接直线电机
图2 刚性连接
为了能够进一步提升该X-Y-Z 直角坐标机器人的运行速度，使运动更加平稳，我们采用柔性关节将刚性连接的冗余驱动转变为具有确定性运动的柔顺驱动。
1 连杆机构型综合
根据运动的性质和自由度，该X-Y-Z 直角坐标机器人在X 方向有两个直线电机驱动，只有一个自由度。所以我们考虑增加一个自由度来消除冗余驱动。由于五杆运动链是构成两个自由度的机构运动链中最简单的运动链，从最基本的全为转动副（RRRRR ）的五杆机构到全为移动副（PPPPP ）的五杆机构之间，通过排列替换R 和P 接头进行拓扑分析，可以得到很多种不同类型的
五杆机构[5,6]。
该直角坐标机器人X 方向的两个直线电机（沿X 方