關(guān)節(jié)間隙影響下Delta并聯(lián)機(jī)械臂精度提升方法研究

摘" 要：關(guān)節(jié)間隙會(huì)影響平面機(jī)械手的精度和動(dòng)態(tài)性能，并會(huì)縮短關(guān)節(jié)部件的使用壽命。該文針對(duì)如何降低關(guān)節(jié)間隙對(duì)機(jī)械手的精度影響，進(jìn)行探討。對(duì)Delta平行五連桿機(jī)械臂進(jìn)行建模，得到存在關(guān)節(jié)間隙的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方程式，從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)軌跡計(jì)算，并規(guī)劃出誤差較小的路徑。使用機(jī)械臂校正設(shè)備，對(duì)機(jī)械臂的DH參數(shù)進(jìn)行校正。兩方面結(jié)合，有效提高Delta并聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)行精度。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)械臂;關(guān)節(jié)間隙;精度提升;路徑規(guī)劃;DH參數(shù)

中圖分類號(hào)：TH112" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0169-04

Abstract： Joint clearance can affect the accuracy and dynamic performance of planar manipulators， as well as shorten the service life of joint components. This paper discusses how to reduce the impact of joint clearance on the accuracy of manipulators. The Delta parallel five-bar mechanism was modeled， and the motion equations of the manipulator with joint clearance were obtained to perform dynamic trajectory calculations and plan low-error paths. The DH parameters of the manipulator were calibrated using a manipulator calibration device. With these two improvements combined， the operating accuracy of the Delta parallel manipulator was effectively enhanced.

Keywords： parallel manipulator; joint clearance; accuracy improvement; path planning; DH parameters.

并聯(lián)機(jī)械臂中具有旋轉(zhuǎn)功能的關(guān)節(jié)主要可分為球關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2種，本文主要探討旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。Varedi-Koulaei等[1]以幾何的方式分析連桿機(jī)構(gòu)存在關(guān)節(jié)間隙時(shí)的誤差范圍;而Meng等[2]則以存在關(guān)節(jié)間隙的曲柄滑塊為例，進(jìn)一步探討了因關(guān)節(jié)間隙而使關(guān)節(jié)內(nèi)發(fā)生磨耗的現(xiàn)象。

存在關(guān)節(jié)間隙的機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型建構(gòu)方法可以分為2種，第一種為使用旋量理論方法建模，如Li-Xin 等[3]以此探討了關(guān)節(jié)間隙對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的精度影響。而夏純等[4]則以此方法建立平面五連桿機(jī)械臂存在5個(gè)關(guān)節(jié)間隙時(shí)的動(dòng)態(tài)模型，分析了軌跡的誤差。王庚祥等[5]考慮關(guān)節(jié)間隙與桿件變形，并通過(guò)此方法建立了平面五連桿機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)模型以探討軌跡誤差。

第二種為以拉格朗日方程乘子方法與牛頓第二運(yùn)動(dòng)定理結(jié)合建模，考慮了因關(guān)節(jié)間隙產(chǎn)生的接觸力與摩擦力。山顯雷等[6]以此方法建立了存在一個(gè)關(guān)節(jié)間隙的平面兩連桿機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)模型;而張洪等[7]探討了3-RRR平面機(jī)構(gòu)存在6個(gè)關(guān)節(jié)間隙時(shí)的影響;張續(xù)沖等[8]則評(píng)估了平行五連桿機(jī)械臂存在2個(gè)關(guān)節(jié)間隙時(shí)的影響。

目前以拉格朗日方法建立平行五連桿機(jī)械臂動(dòng)態(tài)模型的相關(guān)研究中較少同時(shí)考慮負(fù)重與間隙對(duì)機(jī)械臂的精度影響，且尚未發(fā)現(xiàn)改善此影響的研究，因此本文將探索如何減少此影響來(lái)提高機(jī)械臂精度。

絕大部分提升機(jī)械臂精度的校正方法均需辨別出機(jī)械臂中的幾何參數(shù)誤差，但部分幾何參數(shù)存在于機(jī)械臂的內(nèi)部，在測(cè)量上有困難。本文使用優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)了一種校正設(shè)備來(lái)校正DH參數(shù)。更進(jìn)一步，研究了機(jī)械臂的軌跡誤差用于評(píng)估幾何參數(shù)誤差（關(guān)節(jié)間隙）的方法，再以最佳化方法規(guī)劃出較小誤差的路徑使精度提升。

1" Delta平行五連桿機(jī)械臂模型

1.1" 理想Delta平行五連桿機(jī)械臂模型

圖1為Delta平行五連桿機(jī)械臂的理想模型，共有5個(gè)桿件與5個(gè)關(guān)節(jié)。O點(diǎn)為機(jī)械臂的系統(tǒng)原點(diǎn)，L1、L2、L3、L4、L5分別為桿件1至桿件5的桿長(zhǎng)，θ1、θ2、θ3、θ4分別為各桿件的轉(zhuǎn)角，J1、J2、J3、J4、J5分別代表機(jī)械臂的關(guān)節(jié)且均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其中J1與J5為控制端其余關(guān)節(jié)均為被動(dòng)端，在控制時(shí)會(huì)施加額外的扭矩于J1、J5，而系統(tǒng)的重力方向?yàn)?y方向，F(xiàn)為額外施加于機(jī)械臂的負(fù)重，此負(fù)重用于模擬抓取物體移動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)。

使用牛頓第二運(yùn)動(dòng)定理建立理想平行五連桿機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)此方法分別計(jì)算出各桿件于tn時(shí)刻的x方向、y方向的加速度與角加速度，再使用積分法取得各桿件于tn+1時(shí)刻的位置，此即為理想平行五連桿機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)模型。

以桿件1為例：假設(shè)桿件1為均質(zhì)材料，圖2為桿件1的力分析圖，F(xiàn)1x與F1y為桿件1于J1關(guān)節(jié)內(nèi)的受力量值，F(xiàn)2x與F2y為桿件1于J2關(guān)節(jié)內(nèi)的受力量值，M1為控制端施于桿件1的扭矩量值，m1g為重力，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I1，上述力與扭矩的方向均如圖2所示。

1.2" 考慮關(guān)節(jié)間隙的Delta平行五連桿模型

圖3為結(jié)合關(guān)節(jié)間隙的Delta平行五連桿模型示意圖，關(guān)節(jié)間隙存在于J2、J3、J4，而系統(tǒng)的重力方向?yàn)?y方向，F(xiàn)為額外施加于機(jī)械臂的負(fù)重，此負(fù)重施于桿件3于J3關(guān)節(jié)內(nèi)的軸心，用于仿真抓取物體移動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)。

存在于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中的關(guān)節(jié)間隙如圖4所示，此類型的關(guān)節(jié)間隙是因?yàn)檩S承內(nèi)徑大于軸徑（RBigt;RJi）所產(chǎn)生的不確定因素，而關(guān)節(jié)間隙的存在會(huì)使軸呈現(xiàn)不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包含撞擊軸承、與軸承接觸發(fā)生滾動(dòng)或滑動(dòng)、與軸承無(wú)接觸自由移動(dòng)，而這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生的時(shí)刻可由此觀察軸中心運(yùn)動(dòng)軌跡得知，圖中i為第i個(gè)關(guān)節(jié)，RBi、RJi分別為關(guān)節(jié)內(nèi)軸承與軸的半徑，ci為軸中心軌跡邊界的半徑即為關(guān)節(jié)間隙。

2" 最佳目標(biāo)路徑設(shè)計(jì)與DH參數(shù)校正

2.1" 最佳目標(biāo)路徑設(shè)計(jì)

建立起各桿件的運(yùn)動(dòng)方程后，聯(lián)合考慮，可以得到存在關(guān)節(jié)間隙的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方程式，從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)軌跡計(jì)算。通過(guò)軌跡誤差曲線與關(guān)節(jié)間隙之間的關(guān)系式推估關(guān)節(jié)間隙值，規(guī)劃出誤差較小的路徑，以提升機(jī)械臂精度，其流程為：給定目標(biāo)路徑→通過(guò)受力分析計(jì)算理想模型運(yùn)行于目標(biāo)路徑時(shí)所需輸入的扭矩→將理想扭矩輸入非理想模型計(jì)算非理想軌蹤與目標(biāo)路徑的誤差→取得軌跡誤差曲線的特征→建立關(guān)節(jié)間隙與軌跡誤差曲線的關(guān)系式→通過(guò)優(yōu)化方法沒(méi)計(jì)最佳目標(biāo)路徑。其參數(shù)可采用Matlab編程進(jìn)行動(dòng)態(tài)迭代計(jì)算，流程如圖5所示。

2.2" DH參數(shù)校正

學(xué)界對(duì)于提高機(jī)械臂的精度，進(jìn)行了廣泛的研究，其中校正DH參數(shù)的方法被證明是簡(jiǎn)單、有效的[9]。為此設(shè)計(jì)了一種機(jī)械臂校正設(shè)備，使用相機(jī)系統(tǒng)取得校正點(diǎn)的坐標(biāo)，讀取各關(guān)節(jié)電機(jī)的編碼器取得各軸的轉(zhuǎn)角。

校正設(shè)備上配有的校正板上有33個(gè)校正點(diǎn)分別組成圓形與直線2種形式如圖6所示。傾斜機(jī)構(gòu)為增加校正桌自由度的設(shè)計(jì)如圖7所示，其目的在于探索不同校正空間下精度校正的結(jié)果。

并用優(yōu)化的方法迭代DH參數(shù)來(lái)降低不確定因素的影響，找出滿足精度要求的DH參數(shù)以提高機(jī)械手精度，其流程如圖8所示。

3" 結(jié)果討論

以J2、J3、J4各關(guān)節(jié)間隙最大值均為0.6 mm的機(jī)械臂為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中J2關(guān)節(jié)以前文介紹的方法進(jìn)行了DH參數(shù)校正與J3、J4兩個(gè)關(guān)節(jié)形成對(duì)照。圖9為機(jī)械手末端執(zhí)行器的實(shí)際軌跡與理想軌跡的對(duì)比圖，x方向最大誤差為0.237 mm，y方向最大誤差為0.635 mm。圖10為各軸中心在J2、J3、J4關(guān)節(jié)內(nèi)的移動(dòng)軌跡。其中，可以觀察到機(jī)械臂剛開(kāi)始移動(dòng)時(shí)3個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)的間隙值均保持最大值。當(dāng)手臂運(yùn)行至減速路徑時(shí)，J3、J4關(guān)節(jié)內(nèi)的軸脫離與軸承接觸并發(fā)生沖擊，導(dǎo)致間隙大小發(fā)生了改變。

4" 結(jié)論

本文研究針對(duì)Delta平行五連桿機(jī)械手存在關(guān)節(jié)間隙時(shí)對(duì)其準(zhǔn)確度的影響。研究中建立了考慮手臂負(fù)重和自身質(zhì)量影響的非理想機(jī)械手臂動(dòng)態(tài)模型，利用該模型探討不同大小間隙對(duì)機(jī)械手臂在不同運(yùn)動(dòng)路徑下的誤差，并建立了軌跡誤差與關(guān)節(jié)間隙之間的關(guān)系式。通過(guò)獲取機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡誤差并量化其特征，即可通過(guò)該關(guān)系式推估出間隙大小，并通過(guò)最優(yōu)化方法規(guī)劃出誤差較小的目標(biāo)路徑，有效提高了Delta并聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)行精度。

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