基于逆滾動(dòng)螺旋的機(jī)器人關(guān)節(jié)的研究.pdf

1、機(jī)器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)屬于機(jī)器人的基礎(chǔ)部件，是整個(gè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)、重量、尺寸、精度等對(duì)機(jī)器人有直接影響。本文是國(guó)家863計(jì)劃?rùn)C(jī)器人技術(shù)主題基礎(chǔ)部件及系統(tǒng)專題資助項(xiàng)目“一種多螺旋式新型通用關(guān)節(jié)的研究”（課題編號(hào)：2002AA423140）研究?jī)?nèi)容的組成部分。本文創(chuàng)造性的提出了基于逆滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并申請(qǐng)發(fā)明專利“機(jī)器人液螺縱關(guān)節(jié)”，它具有尺寸小，精度高，可承受較大負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)逆螺旋關(guān)節(jié)的特點(diǎn)，在結(jié)

2、構(gòu)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)，加工，有限元計(jì)算分析，運(yùn)動(dòng)原理，滾珠接觸分析，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，基于PID控制的仿真，基于自適應(yīng)模糊控制的仿真，實(shí)驗(yàn)研究等方面進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。本文研究的主要工作和成果可概括如下： 1．本文按模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化思想將關(guān)節(jié)分為縱關(guān)節(jié)和橫關(guān)節(jié)，相應(yīng)地將關(guān)節(jié)模塊分為橫關(guān)節(jié)模塊，縱關(guān)節(jié)模塊和連桿模塊；本文提出了逆滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)理論，并對(duì)逆滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，提出標(biāo)準(zhǔn)化的了單螺旋機(jī)構(gòu)，雙螺旋機(jī)構(gòu)，電驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)等數(shù)

3、種螺旋關(guān)節(jié)； 2．對(duì)逆滾動(dòng)螺旋關(guān)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析；對(duì)滾動(dòng)螺旋副，止推副進(jìn)行了滾動(dòng)接觸分析；計(jì)算表明關(guān)節(jié)主要零部件完全能承受設(shè)計(jì)載荷，滾珠與螺旋套、螺旋軸、花鍵套等不會(huì)發(fā)生過(guò)大的塑性變形而導(dǎo)致失效；對(duì)關(guān)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有限元數(shù)值分析，求解其約束模態(tài)； 3．針對(duì)大升角、小尺寸的內(nèi)螺旋槽加工的難點(diǎn)，提出了逼近加工內(nèi)螺旋槽的方法；利用UG、IDEAS軟件進(jìn)行了刀具設(shè)計(jì)、加工仿真，仿真表明逼近

4、法加工在精度要求的范圍內(nèi)是可行的；在多坐標(biāo)改造后的數(shù)控銑床進(jìn)行粗加工后，使用高速風(fēng)動(dòng)磨頭、CBN砂輪和金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工，加工精度符合要求； 4．建立了液壓驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)伺服控制數(shù)學(xué)模型；基于MATLAB軟件的simulink軟件包進(jìn)行了控制系統(tǒng)分析，進(jìn)行了液螺關(guān)節(jié)控制方法研究；對(duì)液螺關(guān)節(jié)PID控制進(jìn)行了仿真，由于伺服控制系統(tǒng)屬于I型系統(tǒng)，不存在穩(wěn)態(tài)誤差，PID控制主要目的是提高穩(wěn)定性，響應(yīng)速度和減小瞬態(tài)誤差，本文根據(jù)選取的P

5、ID參數(shù)進(jìn)行仿真，其正弦響應(yīng)和方波響應(yīng)具有良好的位置跟蹤精度； 5．利用模糊控制理論進(jìn)行了液螺關(guān)節(jié)模糊控制特性研究，對(duì)簡(jiǎn)單模糊控制和自適應(yīng)模糊PID控制性能進(jìn)行了simulink仿真研究；由于液壓系統(tǒng)特性參數(shù)常常發(fā)生變動(dòng)，簡(jiǎn)單模糊控制不能很好適應(yīng)這種變動(dòng)，而自適應(yīng)PID模糊控制則能適應(yīng)這種變化，仿真表明，自適應(yīng)模糊PID控制具有良好的控制性能。 6．探索了變頻液壓位置控制技術(shù)，建立了變頻位置控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；進(jìn)行了基

6、于位置反饋的控制仿真； 本文在以下幾個(gè)方面取得了創(chuàng)新性成果： 1.提出了基于逆滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)的機(jī)器人關(guān)節(jié)；申請(qǐng)了發(fā)明專利：機(jī)器人液螺縱關(guān)節(jié)（公開(kāi)號(hào)：CN1436639）；設(shè)計(jì)了模塊化的液壓螺旋關(guān)節(jié)，電動(dòng)螺旋關(guān)節(jié)；并進(jìn)行了動(dòng)、靜態(tài)分析，接觸分析； 2.提出了基于復(fù)合逆螺旋機(jī)構(gòu)的機(jī)器人關(guān)節(jié)；復(fù)合逆螺旋機(jī)構(gòu)包括：并行逆螺旋機(jī)構(gòu)，串行逆螺旋機(jī)構(gòu)，串行雙逆螺旋機(jī)構(gòu)和并行雙逆螺旋機(jī)構(gòu)；該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是尺寸小，重量輕，輸出力矩大；

7、同時(shí)可以使用標(biāo)準(zhǔn)化的電驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)方式； 3.針對(duì)大升角、小尺寸的內(nèi)螺旋槽加工的難點(diǎn)，提出了在精度要求范圍內(nèi)使用逼近法加工內(nèi)螺旋槽；使用高速風(fēng)動(dòng)磨頭進(jìn)行磨削加工的方法；本文使用了20萬(wàn)轉(zhuǎn)的風(fēng)動(dòng)磨頭與CBN砂輪進(jìn)行加工，能夠滿足精度要求； 4. 在模塊化關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上，提出了由縱關(guān)節(jié)、橫關(guān)節(jié)和連桿組成的4自由度模塊化的寫字機(jī)器人，并獲國(guó)家實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL200320114568.3）；將逆滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)