【正文】 ....................................................................................................... 28 .................................................................................................................. 28 小結(jié) ........................................................................................................ 30 第 5 章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 ..................... 31 有關(guān)內(nèi)容介紹 ......................................................................................... 31 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 OpenGL 介紹 .............................................................................................................. 31 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡介 ................................................................................................. 33 編程軟件 C++Builder 簡介 ........................................................................................ 34 .............................................................. 34 需求分析 ..................................................................................................................... 34 總體設(shè)計(jì)過程及思想 ................................................................................................. 34 每一模塊的功能及實(shí)現(xiàn) ............................................................................................. 35 ........................................................................... 37 的工作場景設(shè)置 ........................................................................................... 37 并聯(lián)機(jī)構(gòu)三維模型的建立 ......................................................................................... 39 模型的渲染 ................................................................................................................. 40 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)現(xiàn) ................................................................................................. 40 ................................................................................................ 41 ................................................................................................ 41 結(jié) 論 ........................................... 42 致 謝 ........................................... 43 參考文獻(xiàn) ......................................... 44 附 錄 ........................................... 45 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 第 1 章 緒論 概述 人類的歷史就是不斷認(rèn)識(shí)世界和改造世界的歷史，是生產(chǎn)力發(fā)展的歷史。在生產(chǎn)力發(fā)展過程中，生產(chǎn)工具的發(fā)展起了重要的作用。從瓦持發(fā)明蒸汽機(jī)以后、開始了產(chǎn)業(yè)革命，由于蒸汽機(jī)把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榫薮蟮臋C(jī)械能，從而代替了人力。從機(jī)械的角度看，蒸汽 機(jī)是應(yīng)用了一個(gè)滑塊曲柄機(jī)構(gòu)，將往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，僅僅這一種變化的運(yùn)動(dòng)模式．就給生產(chǎn)力以巨大的推動(dòng)。 很早以來，人類就幻想能有一種擬人的機(jī)械，能實(shí)現(xiàn)如人的手、腳一樣的靈活自由的運(yùn)動(dòng)，能代替人從事各種非固定變化的復(fù)雜的勞動(dòng)。早在 15 世紀(jì)霍美羅斯著的《伊利亞》一書中，就出現(xiàn)了“機(jī)器人”。后失 16世紀(jì)的《黃金少女》、 18 世紀(jì)的《青銅巨人塔羅斯》都描寫了機(jī)器人。在中國，三國時(shí)期的諸葛亮就發(fā)明了“木牛流馬”，已能行走爬山，用來運(yùn)送糧草支援戰(zhàn)爭。這種能在崎嶇山路上行走、能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的機(jī)械，決非常規(guī)的只能執(zhí)行一種 固定的運(yùn)動(dòng)校式的機(jī)械所能勝任的，而是今天所說的步行機(jī)器人。 l920年捷克作家查培克所著的《萬能機(jī)器人》一書中一個(gè)強(qiáng)壯的機(jī)器人名隊(duì) Robot，幫人干了許多體力勞動(dòng)?，F(xiàn)在 Robot 一詞的英文含義就是“機(jī)器人”。 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展這種夢想最終成為了現(xiàn)實(shí)。目前廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人的主體大都是一個(gè)似人手臂的機(jī)電系統(tǒng)，這類機(jī)器人屬于串聯(lián)機(jī)器人的范疇。如果要移動(dòng)一個(gè)很重的箱子，人們習(xí)慣用兩個(gè)手臂同時(shí)工作，這種幾個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈并行工作的概念應(yīng)用到機(jī)器人上就產(chǎn)生了另一類機(jī)器人 — 并聯(lián)機(jī)器人。并聯(lián)機(jī)器人的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包含了一個(gè)或幾個(gè)閉環(huán) ，它由有一個(gè)或幾個(gè)閉環(huán)組成的關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)相互關(guān)聯(lián)的機(jī)器人。與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人的主要特點(diǎn)為 : (1)驅(qū)動(dòng)裝置可以安放在或接近機(jī)架的位置 。 (2)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分重量輕、速度高、動(dòng)態(tài)性能好 。 (3)沒有累積誤差，其精度較高 。 (4)并聯(lián)機(jī)器人往往采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其各向同性好 。 (5)并聯(lián)機(jī)器人的工作空間較小 。 (6)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解簡單，正解復(fù)雜 。 并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)、發(fā)展過程、現(xiàn)狀 并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人相比具有一些獨(dú)特的性能，如剛度高、承載能 力高、速度高、驅(qū)動(dòng)電機(jī)在機(jī)架上而使活動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量輕，它早已引起了國際上長期的關(guān)注，并給北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 予了大量的研究。由于沒有關(guān)節(jié)誤差的累積，并聯(lián)機(jī)器人往往被認(rèn)為是高精度的機(jī)器人，因此并聯(lián)機(jī)器人一般在高精度高剛度的領(lǐng)域應(yīng)用。歐洲同步加速器輻射研究所研制的一臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人，它能夠在邊長 4分米的立方體工作空間內(nèi)以 l mm 的精度放置 500 kg 的載荷。在一些需要高精度、高剛度或者高速度而無須很大工作空間的應(yīng)用領(lǐng)域，并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)越來越受到人們的青睞。 飛行模擬器 :把并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)應(yīng)用為飛行模擬器，是并聯(lián)機(jī)器人較早的應(yīng)用。在并 聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域， StewartGough 平臺(tái)機(jī)構(gòu)”幾乎就是“飛行模擬器”的代名詞。國際上有很多公司研制并聯(lián)機(jī)構(gòu)的飛行模擬器，如 Frasca 國際公司研制的 MBB B0105 型綜合飛行訓(xùn)練裝置，就是采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主體。德國跨國公司 DaimlerBenz 公司制造的 DaimlerBenz 超大型 66 六自由度 Stewart 型多媒體全真動(dòng)態(tài)駕駛模擬器，在多媒體全真駕駛模擬器方面主導(dǎo)了世界領(lǐng)先水平的潮流。 圖 11 著名的 Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu) 圖 12 基于 Stewart平臺(tái)的飛行模擬器 圖 13多媒體全真動(dòng)態(tài)駕駛模擬器 虛擬軸數(shù)控并聯(lián)機(jī)床 :虛擬軸六自由度數(shù)控機(jī)床是并聯(lián)機(jī)器人在制造業(yè)中的一個(gè)重要應(yīng)用。與傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床相比，并聯(lián)式加工中心結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)鏈短，剛度大，質(zhì)量輕，切削效率高，成本低，特別是很容易實(shí)現(xiàn)六軸聯(lián)動(dòng)，因而能加工復(fù)雜的三維曲面。Giddlingsamp。Lewis 公司在 1994 年美國芝加哥 IMTS39。 94 博覽會(huì)上推出的 VARIAX 虛擬軸機(jī)床，引起廣泛的關(guān)注，被稱為“ 21 世紀(jì)的機(jī)床”，它在國內(nèi)外已 經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。德國北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 6 Mikromat公司的 6X型并聯(lián)機(jī)床是德國 Fraunhofer 機(jī)床和成形技術(shù)研究所為模具高速加工而開發(fā)的，該機(jī)床工作臺(tái)尺寸為 630 x 630mm, X, Y, Z 行程均為 630 mm，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度范圍為 300，主軸最高速度為 lOm/s2。瑞士技術(shù)院機(jī)床與制造技術(shù)院和機(jī)器人院聯(lián)手研制出了名為工 WF 的 Hexaglide 虛擬軸機(jī)床。國內(nèi)外還有很多公司和院校在研究虛擬軸數(shù)控機(jī)床，如日本的本田公司基于銑削加工線的六條腿機(jī)床， Hexel 公司、英國的 Geodetic 公司、意大利的 COMAU 機(jī)床公司 和瑞典的 NEOS 機(jī)器人公司以及國內(nèi)的清華大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾賓工業(yè)大學(xué)和沈陽自動(dòng)化所、東北大學(xué)等等。虛擬軸數(shù)控機(jī)床的可能應(yīng)用前景還有 :以螞蟻啃骨頭方式對(duì)大型構(gòu)件進(jìn)行加土或最后精整，靈活布置進(jìn)行測量或裝配和對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或精修等等。 微動(dòng)機(jī)器人 :在精密機(jī)械領(lǐng)域，如精密加工、醫(yī)學(xué)和微電子機(jī)械等等，對(duì)多自由度精微運(yùn)動(dòng)的要求越來越多，這促使了機(jī)器人另一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域 — 微動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。微型組織、微型機(jī)械、微電子和微型光學(xué)領(lǐng)域促進(jìn)了微系統(tǒng)、集成光學(xué)元件的發(fā)展，這些微小的高科技產(chǎn)品要求機(jī)器人能夠以很高的精度 (如 典型的 fore)來操作并且裝配微小元件。同時(shí)這些微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)必須是高精度機(jī)構(gòu)，不僅要無摩擦和無滯后作用，而且需要結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、剛度好。 1962 年， Ellis 就建議采用并聯(lián)而不是串聯(lián)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微動(dòng)機(jī)器人，之后，為了適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，如生物工程學(xué)和微外科等，許多并聯(lián)結(jié)構(gòu)的微動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)相繼誕生。 Stoughton 介紹了由兩個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成的微型機(jī)器人，每個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)由 6 個(gè)壓電式元件組成 。Hudgens 和 Tesar 提出了一種并聯(lián)的 Stewart 平臺(tái)微型機(jī)器人 。Lee 采用一個(gè)移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu) 來作為微動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu) 。哈爾濱工業(yè)大學(xué)用六自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)研制成了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)六自由度并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人 。燕山大學(xué)研制了并聯(lián)式六自由度誤差補(bǔ)償器 。北航提出了一種由一個(gè)平面 3RRR 和一個(gè)空間并聯(lián) 3RPS機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成的微動(dòng)操作的機(jī)器人和 Delta 型微動(dòng)機(jī)器人。瑞士 EPFL 研制了并聯(lián)六自由度微動(dòng)機(jī)器人，該微動(dòng)機(jī)器人由 2 自由度或多自由度的球面微電機(jī)通過壓電式微傳送器驅(qū)動(dòng)，用于在集成光纖底片上定位一單模光纖。 圖 14 燕山大學(xué)高峰教授研制的臥式并聯(lián)機(jī)床 （在機(jī)構(gòu)構(gòu)型上具有我國自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，清華、天大及哈工大的 機(jī)床都是采用國外已有的構(gòu)型） 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 六維力和力矩傳感器 :由于智能化機(jī)器人的“觸覺”和“力覺”可以借助于力傳感器來實(shí)現(xiàn)，因此自七十年代以來，機(jī)器人關(guān)節(jié) (主要是腕關(guān)節(jié) )用的六維力與力矩傳感器成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。在六維力傳感器研究中，力敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是力傳感器的關(guān)鍵核心問題，因?yàn)榱γ舾性慕Y(jié)構(gòu)決定力傳感器的性能優(yōu)劣。國內(nèi)外有許多學(xué)者把并聯(lián)機(jī)構(gòu)的思想引用到六維力傳感器的力敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來，如 Kerr, Nguyen 和 Ferraresi以及國內(nèi)北大的陳濱、華中理工大學(xué)熊有倫 [ts,t6]分別研究了 Stewart 平臺(tái)結(jié)構(gòu)六維力傳感器的設(shè)計(jì)。燕山大學(xué)首次提出用彈性鉸鏈來替代球面副，使 Stewart 平臺(tái)機(jī)構(gòu)可設(shè)計(jì)成小尺寸，從而可使 Stewart 平臺(tái)機(jī)構(gòu)適用于機(jī)器人手腕和手指上的六維力傳感器該設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了力傳感器力敏感元件的一體化，即力敏感元件是非組裝結(jié)構(gòu)，從而提高了力傳感器的靈敏度和精度。 步行器的腿 :在實(shí)際應(yīng)用中，很多場合并不是需要實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度剛體的運(yùn)動(dòng)，如爬壁機(jī)器人的步行執(zhí)行機(jī)構(gòu)，僅僅需要兩個(gè)或三個(gè)自由度。由于少自由度的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)高剛度和動(dòng)態(tài)性能好等特性，可以被用做步行器或爬壁機(jī)器人的腿。如日本Hiroseamp。Yoneda 實(shí)驗(yàn)室于 1979 年研制的 PVI I 四足步行器，就是采用平面兩自由度五桿機(jī)構(gòu)作為腿的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，之后在八十年代該實(shí)驗(yàn)室研制的 T 工 TAN 系列四足步行器也都采用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)。該實(shí)驗(yàn)室在 1