一种三转动自由度球面并联机器人的优化设计

摘要

并联机器人相对于串联机器人来说,其承载能力与自身重量比高,具有较好的位置精度,较高的刚度和较低的惯性负荷等优点,但也有结构复杂和工作空间小等缺点。具有三个转动自由度的球面并联机器人在很长一段时间内受到了广泛的研究,人们提出并设计了许多球面并联机器人的机构应用于一些特定的任务中进行工作,而且大部分应用场合中都要求球面并联机器人具有较好的综合性能。
　　本文着重研究一种含中央约束支链为球副的并联机构3SPU-1S,由中央约束支链的球副直接限制机构为三转动自由度的球面并联机构,这样直接避开了传统三支链对称的球面并联机器人由于制造安装误差等引起的缺点。同时,中央约束支链承担着机构大部分的负载,还可以增加机构的整体刚度。本文给出了机构的CAD模型,通过对3SPU-1S球面并联机器人的运动学进行分析,确定了机构几何约束的判别条件,根据螺旋理论求得机构的雅克比矩阵,对机构的奇异位形的物理意义进行分析,通过应用MATLAB软件编程,在圆柱坐标系下,对机构的可达工作空间和奇异点进行仿真。
　　对于动力学问题的分析,由于典型的牛顿欧拉方法在运算过程中需要考虑中间力和力矩的影响,较为繁琐,效率低下,因此采用凯恩方法建立了并联机器人的逆动力学模型,选取动平台角速度的三个分量作为广义速度,详细地推导出并联机器人的逆动力学方程,并应用MATLAB软件进行动力学仿真分析,验证了动力学模型的正确性和合理性。
　　此外,本文最终目的是为了获得具有良好综合性能的球面并联机器人,而并联机器人的设计过程常常需要考虑的性能有:刚度,灵活度,工作空间范围等,针对并联机器人的各自性能,提出各自的性能评价指标,并且提出了综合性能指标的概念,通过MATLAB软件编译算法进行优化,找出该机构获得最佳综合性能的几何参数,这对三转动自由度球面并联机器人的优化设计具有重要的意义。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外相关领域的研究现状及分析概况

1.3 并联机构的理论研究

1.4 本文的主要研究内容

第2章 运动学分析

2.1 引言

2.2机器人机构位置逆解计算及仿真分析

2.3机器人机构雅克比矩阵的建立

2.4 本章小结

第3章 工作空间及奇异位形研究

3.1 引言

3.2 工作空间分析

3.3 奇异位形分析

3.4 本章小结

第4章 并联机构的逆动力学研究

4.1 引言

4.2 凯恩方法

4.3 逆动力学分析

4.4动力学方程

4.5 逆动力学仿真分析

4.6 本章小结

第5章 机构性能指标分析与优化设计

5.1 引言

5.2 机构性能指标分析

5.3 优化设计

5.4 优化仿真结果

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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