第7期 2016年7月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2016)07005204
DOI:10.13462/j.cnki, mmtamt.2016.07.015
3DOF-PAM并联机器人设计与动力学建模
薛帮灿，郝丽娜，杨、辉
（东北大学机械工程与自动化学院，沈阳
110819）
No.7 Jul.2016
摘要：该设计依据气动肌肉特性和并联机器人理论，结合仿生学的设计方法，开发了一个3自由度气动肌肉并联机器人机构。基于气动肌肉的变刚度特性，将其简化为变刚度弹簧，并通过考虑其在机构运动过程中的质心变化特性，结合拉格期日动力学方法对3DOF-PAM并联机器人进行动力学建模，运用MATLAB 软件对建立的动力学模型进行仿真分析研究，分析3DOF-PAM并联机器人在不同负载下运动过程中的动
力学特性，为气动肌肉驱动的并联机器人的高精度轨迹控制建立理论基础。关键词：气动肌肉；并联机器人；结构设计；动力学建模
中图分类号：TH166;TG506
文献标识码：A
DesignandDynamicModelingof3DOF-PAMParallelRobot
XUE Bang-can,HAO Li-na,YANG Hui
(School of Mechanical Engineering &Automation,Northeastem University,Shenyang 110819,China)
Abstract: According to the pneumatic muscle characteristics and parallel robot theory,combined with bion-ics design method,a 3DOF-PAM parallel robot was designed. Based on the change of stiffness of pneumatic muscle, it is simplified as a variable stiffness spring,and the change of centroid of PAM during motion of mechanism is considered. Dynamics model of 3DOF-PAM parallel robot was established by using the La-grange dynamics method. MATLAB software was employed to conduct simulation experiments of the dy-namics model, and dynamics characteristic of 3DOF-PAM parallel robot was studied in the movement process of different load. The foundation of the high precision trajectory control of parallel robot driven by PAM was established.
Key words: pneumatic muscle;parallel robot;architectural design;dynamics modeling
0引言
由于气动肌肉具有高功率密度比、良好的柔顺性及安全性、以及轻质、灵活等优点，故其在高功率密度比的驱动装置的设计开发中得到了广泛应用。例如美国华盛顿天主教大学研究了拮抗的气动肌肉手臂结构[],纳什维尔大学研制了6自由度的机械臂[23]，日本Bridgestone公司研制了5自由度的柔顺机械臂[4] 等，但是对于采用气动肌肉并联驱动方式的机器人机构的研究相对较少。目前国外，新西兰奥克兰大学研制了一种四根气动肌肉驱动的三自由度柔性并联机器人用于脚踝康复3)，韩国釜山东义大学研制了3DOF-PAM并联外骨骼式康复机器人[6]。国内，华中科技大学研究由3根PAM组成的非对称并联机器人平台[7]，北京理工大学研究了3DOF-PAM球面并联机器人[9]
目前在建立PAM机械臂精准动力学模型方面，国内外均进行了一定的研究，例如文献[1]利用能量守恒和虚功原理建立气动肌肉静态模型，结合拉格朗目动力学方法建立气动肌肉手臂的动力学模型；文献
[7]利用气动肌肉静态模型与牛顿-欧拉方法建立并联机器人动力学模型。由此可知，目前针对气动肌肉驱动的机器人装置的动力学建模，大多是从能量守恒原理或变截面气缸的角度来建立PAM静力学模型，并结合装置机构特点建立整个系统的动力学模型。
本文基于气动肌肉的变刚度特性，将其简化为变刚度弹簧，并通过考虑其在机构运动过程中的质心变化特性，根据拉格朗日方程建立3DOF-PAM并联机器人的动力学模型，并对其动力学特性进行仿真分析，从
而为仿生肘关节的变刚度控制莫定理论基础。 13DOF-PAM并联机器人结构设计
根据身高168mm中国成年男子上臂尺寸以及并联机器人理论，设计基于气动肌肉驱动的并联机器人机构。其采用3自由度并联机构，由固定平台、运动平台、支撑杆、虎克铰、连接小轴及气动肌肉等组成，其中固定平台安有3个虎克铰、运动平台安有4个虎克铰，每个虎克铰通过连接小轴与对应平台相连；3根气动肌肉的两端分别通过虎克铰与固定平台及运动平台相
收稿日期：2015-08-13；修回日期：2015-09-10
·基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划)（2015AA042302）；装备预先研究项目(62501040412)；辽宁重大装备制造协同创新中心资助
作者简介：薛帮灿（1990一），男，河南周口人，东北大学硕士研究生，研究方向为气动肌肉仿人机械肾的研究；通讯作者：郝丽娜（1968一），女，辽宁
庄河人，东北大学教投，博士生导师，研究方向是机器人系统与智能控制，（E-mail)haolina@me.neu.edu.en。
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