驱动约束下Delta机器人结构参数优化及轨迹规划方法研究

摘要

Delta机器人是一类具有高速、高精度、高负载能力的少自由度并联机器人，常用于食品、药品及电子元器件的高速抓放操作。本文以自主研发的Delta机器人为研究对象，结合国家“863”项目“经济型搬运机器人开发及产业化应用研究”项目，围绕“如何在不提高机器人驱动部件性能需求的前提下提高机器人的性能”这一关键问题，开展驱动约束下 Delta机器人结构参数优化及轨迹规划方法研究。
　　本文首先建立了Delta机器人的正、逆运动学模型，分析了其工作空间以及奇异性。结合自主设计的机器人结构特点，提出了两端集中质量物理模型，在此基础上建立了该机器人的动力学模型，高速抓放轨迹操作仿真结果表明，与基于均质杆物理模型的动力学模型相比，该模型不仅大大降低了计算量，并且具有更高的计算精度，为后续的结构参数优化奠定了基础。其次，提出一种基于综合性能指标的Delta机器人结构参数优化设计方法。该方法以工作空间作为尺度约束，以关节空间与操作空间的全域位置精度映射特性以及操作性能作为运动性能约束，以并联机器人的单轴最大驱动功率与工作空间利用率构成的耦合函数作为综合性能指标，以各杆件尺寸、动静平台半径差作为为优化参数。仿真结果表明，该方法优化结果工作空间、运动学、动力学性能最优的同时还降低了对驱动部件性能需求。再次，提出了一种基于超椭圆曲线的Delta机器人抓放轨迹规划方法，并针对过渡段超椭圆曲线以单轴最大角加速度为优化目标，以超椭圆曲线阶次以及直线平移段距离为优化变量，进行了优化，得到了最优的椭圆过渡轨迹。与分段插补轨迹进行仿真对比，结果表明，最优的椭圆过渡轨迹能够显著降低机器人的残余振动。最后，搭建了Delta机器人样机及实验系统，针对机器人的结构参数优化方法及轨迹规划方法进行了实验研究。实验结果表明，优化后的结构在驱动功率降低一倍的情况下，仍然具有与国外机器人相同的运动性能以及更高的重复定位精度，验证了结构参数优化方法的有效性；最优的椭圆过渡轨迹在具有更高的运行速度以及运动精度的同时还能显著降低机器人的残余振动，验证了轨迹规划方法的有效性。

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第1章 绪 论

1.1课题研究的背景及来源

1.2 Delta机器人的研究现状

1.3主要研究内容

第2章 Delta机器人运动学与动力学分析

2.1引言

2.2 Delta机器人结构及特性要求

2.3 Delta机器人运动学分析

2.4 Delta机器人动力学建模

2.5本章小结

第3章 基于综合性能指标的Delta机器人结构参数优化设计方法

3.1引言

3.2综合性能指标

3.3优化参数

3.4约束条件

3.5优化算例

3.6本章小结

第4章 基于超椭圆曲线的Delta机器人抓放轨迹规划方法

4.1引言

4.2典型运动规律

4.3分段插补运动轨迹

4.4基于超椭圆曲线的Delta机器人轨迹规划方法

4.5本章小结

第5章 Delta机器人系统实验研究

5.1引言

5.2机器人系统搭建

5.3结构参数优化方法验证实验

5.4轨迹性能测试实验

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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