一种新型并联手腕的构型综合、分析及其与Delta混联的理论和实验研究

摘要

本文密切结合国家电子制造和轻工生产的巨大需求，针对智能手机外壳的曲面打磨和印刷电路板的定姿态装配需要，设计了一种新型三自由度并联手腕，将其串接于四自由度Delta并联机构末端，形成一种新型混联机器人。重点研究了新型并联手腕的构型综合、自由度、运动学性能、动力学性能等，最后对该混联机器人的整体运动学、轨迹规划、样机研制和实验测试等方面进行了系统的研究。全文主要工作如下: (1)通过构型演变法，设计了一种新型3-RSR(R为旋转副，S为球关节)并联手腕机构。该机构具有2旋转1平移三个自由度，且在运动过程中，始终存在一个对称面，动平台和基座（也称定平台）关于此平面对称，动平台可以绕对称面内的任意直线发生一定范围的连续转动，也可以沿两平台中心连线方向进行一定范围的平移。联合G-K公式和螺旋理论分析了机构的自由度，从几何角度证明了机构的对称性，验证了构型设计的正确性。 (2)利用新型并联手腕机构特殊的几何性质，建立了其等效运动学模型，讨论了机构末端（即动平台）在球关节极限摆角约束下的运动奇异;利用三维切片法分析了手腕末端在实际工作空间内等高度和定偏转角条件下的旋转性能和平移性能。通过定义并联手腕力传递的局部条件系数，绘制了并联手腕在可达工作空间内沿z轴方向不同截面的力传递性能图谱。 (3)提出了一种基于Riemann对称空间理论的瞬时速度求解方法。采用Lagrange方程法建立了腕部机构的动力学模型，并通过Mathematica计算与ADAMS仿真，验证了动力学模型的正确性和有效性;利用广义惯性椭球法确定了手腕机构动力学性能较优的工作空间。 (4)针对含2级RUPUR传动支链的混联机器人进行了运动学分析，通过对其中一支RUPUR传动支链杆长进行约束，得到了混联机器人位置解析方程的唯一解。采用蒙特卡洛法绘制了混联机器人的可达工作空间;以运动学为约束条件，采用五次多项式插值法，对混联机器人分别进行了关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划和运动仿真。 (5)研制了含2级RUPUR传动支链的混联机器人样机，并成功应用于PCB的定姿态装配和曲面打磨的运动模拟。通过实验验证了混联机器人运动学理论的正确性和轨迹规划的可行性。

目录

摘要

第一章绪论

1．1课题来源

1．2研究背景及意义

1．3并／混联机器人研究现状

1．3．1并／混联机器人概况

1．3．2构型综合研究现状

1．3．3运动学研究现状

1．3．4动力学研究现状

1．3．5轨迹规划研究现状

1．3．6两转一移并联机构研究现状

1．4本文的主要研究内容及章节安排

第二章新型并联手腕机构构型综合与自由度分析

2．1引言

2．2具有大偏转角的两转一移并联手腕构型综合

2．2．1基于构型演变法的并联手腕综合

2．2．2基于法向接触力和电机能量损耗的新机构构型优选

2．2．3并联手腕的几何对称性证明

2．3并联手腕的自由度计算与分析

2．3．1自由度计算

2．3．2基于旋量理论的自由度分析

2．4两种不同拓扑构型的混联机器人

2．5本章小结

第三章并联手腕机构的运动学分析

3．1引言

3．2位置分析

3．2．1姿态描述方法

3．2．2位置正解

3．2．3位置逆解

3．3奇异性分析

3．4工作空间分析

3．4．1可达工作空间

3．4．2旋转性能分析

3．4．3平移性能分析

3．5力传递性能分析

3．5．1雅克比矩阵

3．5．2力传递性能指标

3．5．3算例分析

3．6速度分析

3．6．1 Riemann对称空间理论

3．6．2瞬时速度分析

3．6．3计算与仿真

3．7本章小结

第四章并联手腕机构的动力学建模及性能分析

4．1引言

4．2并联手腕的动力学建模

4．2．1动力学建模

4．2．2计算与仿真

4．2．3误差分析

4．3动力学性能分析

4．3．1关节空间动力学方程

4．3．2操作空间动力学方程

4．3．3加速度性能分析

4．4本章小结

第五章混联机器人的运动学分析及轨迹规划

5．1引言

5．2混联机器人的位置分析

5．2．1位置正解

5．2．2位置逆解

5．3工作空间分析

5．4混联机器人的轨迹规划

5．4．1关节空间轨迹规划

5．4．2笛卡尔空间轨迹规划

5．4．3算例仿真

5．5本章小结

第六章混联机器人系统开发与实验研究

6．1引言

6．2实验平台及控制系统架构

6．3实验方案设计与实现

6．3．1 PCB定姿态装配实验

6．3．2曲面打磨运动模拟实验

6．4实验结果分析

6．5本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的学术成果

声明

致谢