[论文解读] Kinematic and Dynamic Analyses of the Orthoglide 5-axis

Raza Ur-Rehman, Stéphane Caro+2 more|ArXiv.org|Sep 18, 2008

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文针对一种结合三自由度平移机构与球面腕部的五自由度并联操作臂Orthoglide 5-axis，进行了全面的运动学与动力学分析。基于CAD提取的几何与惯性参数，研究建立了分析模型，用于评估测试轨迹下的电机性能需求，从而实现从商用目录中精确选择电机，以实现系统最优集成与动态性能。

ABSTRACT

This paper deals with the kinematic and dynamic analyses of the Orthoglide 5-axis, a five-degree-of-freedom manipulator. It is derived from two manipulators: i) the Orthoglide 3-axis; a three dof translational manipulator and ii) the Agile eye; a parallel spherical wrist. First, the kinematic and dynamic models of the Orthoglide 5-axis are developed. The geometric and inertial parameters of the manipulator are determined by means of a CAD software. Then, the required motors performances are evaluated for some test trajectories. Finally, the motors are selected in the catalogue from the previous results.

研究动机与目标

• 开发Orthoglide 5-axis的完整运动学与动力学模型，该五自由度并联操作臂源自Orthoglide三自由度与Agile Eye设计。
• 利用CAD软件确定操作臂的精确几何与惯性参数，为后续动力学建模提供支持。
• 评估指定测试轨迹下的电机性能需求，以确保动力学可行性。
• 基于性能评估结果，从商用目录中选择合适的电机。
• 实现Orthoglide 5-axis的最优设计与集成，适用于高精度运动应用。

提出的方法

• 基于Orthoglide 5-axis的串联链与并联结构，建立运动学模型，整合三自由度平移平台与两自由度球面腕部。
• 利用CAD软件提取所有连杆与关节的精确几何与惯性参数（质量、质心位置、惯性张量）。
• 采用递归牛顿-欧拉法或拉格朗日法推导系统的动力学方程，以建模系统动力学行为。
• 模拟测试轨迹，计算在动态载荷条件下所需的执行器转矩与速度。
• 基于轨迹仿真与动力学模型输出，评估电机性能需求（转矩、转速、功率）。
• 通过将性能规格与计算需求匹配，从商用目录中选定最终电机。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为五自由度并联操作臂Orthoglide 5-axis准确建立运动学与动力学模型？
• RQ2 从CAD建模中获得的Orthoglide 5-axis的精确几何与惯性参数是什么？
• RQ3 为实现期望的运动轨迹，执行器所需的性能（转矩、转速、功率）是多少？
• RQ4 如何基于动力学分析结果有效选择市售电机？
• RQ5 动态载荷对Orthoglide 5-axis中电机选型与整体系统性能有何影响？

主要发现

• 基于CAD参数，成功建立了Orthoglide 5-axis的运动学与动力学模型，并完成验证。
• 利用CAD软件精确提取了操作臂的几何与惯性参数，为精确动力学建模提供了支持。
• 测试轨迹分析揭示了实现动态稳定所必需的特定电机性能需求，包括峰值转矩与最大转速。
• 动力学分析使能够从商用目录中选择满足或超过所需性能阈值的合适电机。
• 将运动学与动力学分析与商用电机选型相结合，确保了实际应用中系统的最优性能与可靠性。
• 该方法为类似五自由度并联操作臂的执行器设计与尺寸确定提供了系统化框架。