[發明專利]一種克服萬向節轉角限制的Delta機器人結構參數設計方法

有效

• 申請號: 201610052523.X
• 申請日: 2016-01-26
• 公開（公告）號: CN105653820B
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發明（設計）人: 馮祖仁;陳濤;梁愷;楊青
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

1.一種克服萬向節轉角限制的Delta機器人結構參數設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：根據Delta機器人的期望工作空間參數和部分預先確定的參數明確已知參數及待涉及參數，已知參數包括：

ρ_order：期望工作空間的半徑；

h：期望工作空間的高度；

r_e：主動臂等效鉸接點距靜平臺中心距離；

δ：兩臂鉸接點到y軸的最短距離；

α_min：從動臂最小傾角；

β_max：從動臂徑向角最大值；

待設計結構參數包括：

l：從動臂長度；

L：主動臂長度；

α_m：萬向節在動平臺上的安裝傾角；

z₀：動平臺中心在基坐標系下的z軸坐標最小值；

γ_max：從動臂最大擺角；

步驟二：建立直角坐標系：以其中一組主動臂和從動臂為對象，在從動臂無擺動狀態時兩臂軸線所確定的平面內建立直角坐標系，坐標系的y軸為過主動臂在靜平臺上的等效鉸接點A的垂線，方向垂直向上，坐標系原點O為動平臺中心在y軸上所能運動到的最高點，O′為靜平臺中心點；

步驟三：在坐標系內確定主動臂和從動臂的四種特殊運動位姿：

位姿1：動平臺中心運動到B:{-(ρ_order+r_e),0}，此時兩臂鉸接點位于D₁，且有∠D₁BO＝α_min；

位姿2：動平臺中心運動到C:{-(ρ_order+r_e),-h}，此時兩臂鉸接點位于D₂，且有D₂到y軸距離為δ；

位姿3：動平臺中心運動到坐標原點O，此時兩臂鉸接點位于D₃，且有兩臂夾角最?。?/p>

位姿4：動平臺中心運動到B’:{(ρ_order-r_e),0}，此時兩臂鉸接點位于D₄，從動臂傾角最大；

步驟四：根據期望工作空間設計能夠克服萬向節轉角限制的Delta機器人結構參數，詳細求解過程如下：

Step1輸入參數δ、α_min、r_e、ρ_order、h、β_max值，計算從動臂取值區間[l_min,l_max]，其中：l_max＝l_min+h；

Step2對迭代變量賦初值

Step3根據l計算D₁、D₂坐標，并剔除所有y₂>y₁的點；

根據B點坐標，從動臂長度及從動臂的最小傾角α_min可以求出D₁點坐標為：{x₁,y₁}＝{lcosα_min-ρ_order-r_e,lsinα_min}

根據C點坐標和從動臂長度可以求出D₂點坐標為：

由于D₂點為兩臂鉸接點運動過程中的最低點，故應該剔除不滿足此條件的情況，執行策略如下：

如果y₂>y₁，則令l_max＝l，返回Step2；

Step4計算等效鉸接點縱坐標及主動臂長度，并進行數據預處理；

根據D₁、D₂在以A點為圓心的同一個圓上，可以計算出A點縱坐標及此時對應的主動臂長度L，計算公式如下：

根據以上結果做如下預處理：

如果L+y_a≤l，則令l_min＝l，返回Step2；

如果L+l≤y_a，則令l_max＝l，返回Step2；

Step5計算兩臂的最小夾角，并判斷是否滿足萬向節轉角限制；

根據兩臂運動到位姿3時的主動臂和從動臂最小夾角求得對應的最小夾角計算公式為：

萬向節一端的鉸接座垂直安裝在主動臂上，另一端連接從動臂，由于其轉角限制使得從兩臂夾角范圍受限，因此需要對所求最小夾角作如下處理：

如果則令l_max＝l，返回Step2；

如果則令l_min＝l，返回Step2；

如果則停止迭代，當前的L、l即為符合期望工作空間的主動臂和從動臂長度值，y_a即為所求z₀值；

Step6根據迭代結果計算從動臂擺角γ的最大值

Step7計算從動臂最大傾角α_max，然后求得萬向節在動平臺上的安裝傾角α_m；

當兩臂運動到位姿4時從動臂的傾角最大，此時先求出等效鉸接點到動平臺中心的距離η，然后求得從動臂的最大傾角α_max，最后根據最大傾角和最小傾角求得萬向節在動平臺上的安裝傾角α_m，計算過程如下：

根據上述計算結果設計使用萬向節的Delta機器人，除已知參數外，主動臂長度取為L，從動臂長度取為l，萬向節在動平臺上的安裝傾角取α_m，動平臺中心在基坐標系下的z軸坐標最小值取為z₀，從動臂的最大擺角設為γ_max，得到的Delta機器人即可克服萬向節的轉角限制，滿足期望工作空間。