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Stewart衍生型并联机器人的拓扑构型及结构模型

仇鑫 尤晶晶 徐帅 叶鹏达 王林康 符周舟

仇鑫, 尤晶晶, 徐帅, 叶鹏达, 王林康, 符周舟. Stewart衍生型并联机器人的拓扑构型及结构模型[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(5): 678-689. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200104
引用本文: 仇鑫, 尤晶晶, 徐帅, 叶鹏达, 王林康, 符周舟. Stewart衍生型并联机器人的拓扑构型及结构模型[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(5): 678-689. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200104
QIU Xin, YOU Jingjing, XU Shuai, YE Pengda, WANG Linkang, FU Zhouzhou. Topological Configuration and Structural Model of Stewart Derivative Parallel Robot[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(5): 678-689. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200104
Citation: QIU Xin, YOU Jingjing, XU Shuai, YE Pengda, WANG Linkang, FU Zhouzhou. Topological Configuration and Structural Model of Stewart Derivative Parallel Robot[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(5): 678-689. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200104

Stewart衍生型并联机器人的拓扑构型及结构模型

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200104
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 51405237

国家留学基金项目 201908320035

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目 201910298087Y

详细信息
    作者简介:

    仇鑫(1996-), 硕士研究生, 研究方向为并联机器人、六维加速度传感器, qiuxin961220@qq.com

    通讯作者:

    尤晶晶, 副教授, 硕士生导师, 博士, youjingjing251010@126.com

  • 中图分类号: TH112

Topological Configuration and Structural Model of Stewart Derivative Parallel Robot

  • 摘要: 针对传统Stewart并联机器人耦合度较高导致运动学求解困难的问题,给出一种衍生拓扑构型,并详细设计了其结构模型。基于方位特征集理论,以单开链为支路单元,对机构的拓扑构型进行了剖析,计算了自由度和耦合度,结果分别为6和1;推导并验证了正向、反向运动学解析方程;为满足运动要求,发明了一种复合铰链以及一种可以转换主、从运动的移动副;加工制造了机器人的实物样机,并校核了重要零部件的强度,同时还得出实物样机可承受的最大静态载荷约为12 000 N。上述方案及结论为六自由度并联机器人的结构优化、动力学控制奠定了理论基础。
  • 图  1  Stewart衍生型并联机器人的结构简图

    图  2  Stewart衍生型并联机器人的等效拓扑构型

    图  3  位姿求解原理图

    图  4  正向运动学算法流程图

    图  5  Stewart衍生型并联机器人的虚拟样机

    图  6  Stewart衍生型并联机器人的结构模型

    图  7  Stewart衍生型并联机器人的实物样机

    图  8  二重复合虎克铰结构示意图

    图  9  二重复合虎克铰链实物样机

    图  10  中心柱应力应变图

    图  11  移动副结构示意图

    图  12  移动副实物样机

    图  13  驱动副极限位置图

    图  14  从动副一般位置图

    图  15  导杆应力应变图

    图  16  上副板实物样机

    图  17  上副板应力应变图

    图  18  外载荷与主要零部件最大等效应力关系

    图  19  外载荷与主要零部件最大变形量关系

    表  1  正向运动学模型验证

    坐标计算值与理论值之差/mm 初始状态 任意状态
    δxM 0 2.66×10-15
    δyM 0 1.44×10-15
    δzM 0 4.44×10-16
    δxS1 0 3.11×10-15
    δyS1 0 3.55×10-15
    δzS1 0 7.11×10-15
    δxS2 0 5.33×10-15
    δyS2 0 3.55×10-15
    δzS2 0 5.33×10-15
    δxS3 0 1.78×10-15
    δyS3 0 7.99×10-15
    δzS3 0 1.78×10-15
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    表  2  反向运动学模型验证

    杆长计算值与理论值之差/mm 初始状态 任意状态
    δl1 0 0
    δl2 0 0
    δl3 0 0
    δl4 0 0
    δl5 0 3.55×10-15
    δl6 0 0
    δl7 0 0
    δl8 0 3.55×10-15
    δl9 0 0
    δl10 0 0
    δl11 0 3.55×10-15
    δl12 0 3.55×10-15
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    表  3  黄铜H68材料属性

    密度ρ/(kg·m-3) 弹性模量E/GPa 泊松比μ 强度极限σb/MPa
    8 850 110 0.35 370
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    表  4  45钢材料属性

    密度ρ/(kg·m-3) 弹性模量E/GPa 泊松比μ 强度极限σb/MPa
    7 850 210 0.3 355
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    表  5  零部件在12 000 N下最大等效应力和最大变形量

    零部件 零件材料 许用应力/MPa 最大等效应力/MPa 最大变形量/mm
    动平台 2A11铝合金 304.17 207.59 0.006 115
    静平台 45钢 295.83 286.33 0.075 158
    移动副 45钢 295.83 265.61 0.042 718
    一般球铰链 黄铜H68 308.33 270.17 0.014 490
    二重复合 45钢 295.83 278.46 0.037 282
    虎克铰链 黄铜H68 308.33 278.46 0.037 282
    Stewart衍生型并联机器人(简化模型) 2A11铝合金 304.17 295.05 0.092 164
    45钢 295.83 295.05 0.092 164
    黄铜H68 308.33 295.05 0.092 164
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  • 收稿日期:  2019-12-05
  • 刊出日期:  2021-05-01

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