面向高速拾放操作的大工作空间并联机器人研究

摘要

自动化生产线上需要大量应用到高速拾放操作。目前,应用于此类操作的经典机器人有串联机器人SCARA,并联机器人Delta、Par4等。由于具有高速、高加速的特点,并联机器人的应用已占据市场的主导地位。但是,传统并联机器人工作空间受限的缺点是不能被忽视的。将并联机器人驱动同轴布置的方法,可以使得机器人工作空间遍布基座周围,增大工作空间。这对完成大跨度的拾放操作提供了保证。本文提出了一款新型的拥有驱动同轴式结构的平面并联机器人。它的目标应用领域是自动化生产线上的高速拾放操作。
　　本文对这款新型并联机器人进行了研究,并提出了一种针对高速拾放操作的优化设计方法。首先介绍了这款新型并联机器人的构型方法,并运用微分流形的方法证明了它是一款三自由度的平面运动并联机器人。在建立数学模型之后,利用闭环方程对机器人的正反向运动学进行了求解。通过对机器人的反向运动学分析,获得了工作空间的准确数学表达式。接着,利用速度矢量方程获得了包含几何特征的运动学雅可比矩阵,进而完成了奇异性的分析。然后,通过对动能方程的变形提取出了机器人的质量矩阵,以估算机器人的加速度。研究高速拾放操作可以发现,速度和加速度是保证操作顺利进行的关键因素。高速度能够保证拾放过程的快速进行,高加速度可以缩短机器人在加减速过程中所消耗的时间。本文在最后提出了以速度和加速度为约束条件的优化设计方法。在运动学优化上，通过速度的要求获得了机器人各杆件的长度尺寸。动力学优化建立在对加速度的约束上，最终获得了机器人各杆件的截面尺寸。通过这种优化设计方法所获得的机器人,能够保证高速拾放操作的顺利进行。这种优化设计方法可以应用于其它面向高速释放操作的机器人。

目录

面向高速拾放操作的大工作空间并联机器人研究

A Large Workspace Parallel Manipulator for High-Speed Pick-and-Place Applications

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 并联机构的发展

1.2 机器人在高速拾放操作中的应用

1.3 研究的目的和意义

1.4 大工作空间并联机器人的研究现状和分析

1.5 并联机器人的优化设计方法回顾

1.6 论文结构

第2章 机器人构型描述和自由度分析

2.1 机器人构型描述

2.2 机器人自由度分析

2.2.1 单条运动支链分析

2.2.2 机构整体分析

2.3 本章小结

第3章 运动学分析

3.1 机器人数学模型

3.2 反向运动学

3.3 正向运动学

3.4 工作空间分析

3.4.1 灵巧工作空间

3.4.2 可达工作空间

3.5 奇异性分析

3.5.1 末端奇异

3.5.2 驱动奇异

3.5.3 联合奇异

3.6 本章小结

第4章 质量矩阵及其计算

4.1 预备知识

4.1.1 机器人质量阵计算方法

4.1.2 刚体杆件的质量矩阵计算

4.2 V3机器人质量矩阵计算

4.3 本章小结

第5章 优化设计

5.1 优化算法介绍

5.2 优化设计的实施

5.2.1 优化操作范围的思考

5.2.2 机器人灵巧性的思考

5.2.3 运动学优化问题

5.2.4 动力学优化问题

5.2.5 目标函数的处理方式

5.3 运动学优化设计

5.3.1 同类型杆件等长假设优化设计

5.3.2 一般化优化设计

5.4 动力学优化设计

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

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢