可控机构式机器人动态性能研究

A kind of industrial robot is invented based on the idea of multi degree of freedom controllable mechanism, which has the motor and the reducer arranged on the machine frame, instead at the joint of the robot. The problems such as large inertia, large vibration and long residual vibration time can be avoided by this robot. However some abnormal vibration of the robot is still difficult to explain. In this project, it is the first time to study the mechanism of the complex hybrid structure, which has many complicated arrangements of the clearance, and the hybrid mechanism in this structure is driven by 6 servo motors. The dynamic characteristics of the system are studied linking to different excitation,and the coupling vibration characteristics of the complex system are studied connected to the action of multiple excitations.The mechanism of nonlinear coupled vibration can find out the reason of abnormal vibration, discover the inherent relationship between various parameters and abnormal vibration, propose a new design method of robot mechanism system, and establish the dynamic performance design theory of this kind of robot. The motor and reducer that arranged on the machine frame can effectively overcome the shortcomings such as:excessive weight and size in domestic motor and reducer, so It is convenient to install the clutch to realize the direct demonstration and improve the usability of the robot.

根据多自由度可控机构的思想发明了一类工业机器人，其电机及减速器安装在机架上，避免了在机器人关节处随关节运动导致转动惯量大、易引起振动大、残余振动时间长等问题。但这种新型可控机构式机器人有时会出现异常振动，且现行理论难以解释。本项目对此展开研究，首次以6个运行状态不断变化的伺服电机驱动下的含诸多运动副间隙的复杂串并联的机构系统为研究对象，既研究各参数激励、外激励等单独作用下，系统的动态特性，更深入研究在各个激励同时共同作用下，该复杂系统的耦合振动特性。该系统在各种不同物理量的共同激励下的非线性耦合振动的机理，发现异常振动的原因，获取这类复杂机构系统电磁参数、结构参数等与异常振动之间的内在关系，提出避免异常振动的机器人机构系统设计方法，建立该类新型机器人的动态性能设计理论。由于电机、减速器安装在机架，也有利克服国产电机、减速器质量和体积大的困难，并方便加装离合器实现直接示教，提高机器人易用性。

长期以来，通过减轻杆件质量来改善机器人机构动态性能的研究一直延绵不断，如机构杆件截面尺寸优化、采用强重比大的层合板复合材料杆件、采用三维编织复合材料杆件，等等。但以往的研究都是通过减轻机器人机构运动杆件的质量，来改善机构动态性能。然而，安装在串联机器人关节处的驱动电机及其减速器具有很大的质量，其随着机构运动而做复杂的空间运动，对机器人的动态性能性能影响很大。本项目受20世纪90年代提出的可控机构的启发，可控机构不仅能够实现运动轨迹的变化，而且电机可以都安装在机架上，从而动力学性能优越。本项目将可控机构进一步引申为多个数控电机驱动的数控连杆机构作为机器人机构，不仅其运动链末端运动能够跟串联机器人一样在较大空间完成预期运动，而且电机及减速器都可以在机架上，使动力学性能大为改善。而相对并联机器人来说，其运动空间大是明显的优点。项目提出并研制了多款具有不同特点的数控连杆式机器人机构，并以其为研究对象分析了这类新型机器人机构的动态性能。. 提出了一种能够反映运动副间隙影响的有限元单元，应用该运动副间隙单元建立弹性连杆机构有限元分析方程，使含运动副间隙的机构学研究扩展到弹性连杆机构动力学范围。提出并研制了几个可控机构式机器人样机，其中一个项目称其为宿主-寄生机构的机器人机构颇具特色，可具有全域恒静平衡特点，项目还分析了其自由度特点和支链特点，建立了其自由度计算方法和支链分布的符号表达方法。以所研制的机器人机构为对象，建立了其弹性动力学模型，研究了在自激惯性力等影响下的非线性动力学性能，获得了主共振、组合共振时的近似解析解、产生共振的条件等，还通过相图、庞加莱映射图和最大李雅普诺夫指数等对所研究的一种机器人机构的弹性振动响应出现的混沌现象进行了分析。项目还研究获得了宿主-寄生机器人机构残余振动响应的抑制途径和条件。. 本项目对可控机构式机器人机构的动态性能进行较广泛的研究，获得了较多规律性认识，为这类新型机构的工程应用打下了较好的理论基础。