面向自动化装配的少自由度并联机器人研究

摘要

自由度数量少，运动灵活轻便的少自由度并联机器人结构简单，模块化程度高，在电子产品装配、焊接、分拣、喷涂等领域得到了广泛的应用。
　　本文设计了一种新型少自由度并联机器人SCARA_Tau，该机器人结合了 SCARA和Delta的优势，包含三个平动自由度，驱动同轴布置，具有类似圆环体的大工作空间。论文对该机器人的运动学、动力学、结构设计与优化进行了研究，为SCARA_Tau的工程应用及优化设计提供了理论依据，主要工作如下：
　　基于螺旋理论建立了机构的分支运动螺旋系，根据修正的自由度计算公式求解出机构的自由度。利用坐标变换建立了 SCARA_Tau机器人的逆运动学模型，并与软件仿真结果进行了对比分析，验证了运动学模型的正确性。采用数据点循环遍历的方式，求取了机构的工作空间。求解了机构的雅克比矩阵，并根据雅克比矩阵行列式分析了机构的奇异位形。对机器人动平台绕z轴的伴随运动进行分析，并提出抵消伴随运动的解决方案。
　　基于虚功原理，建立了 SCARA_Tau机器人逆动力学模型。为满足机器人控制过程中的实时性要求，将中间连杆质量分配到驱动臂和动平台，得到了机构的简化动力学模型，将模型计算结果与RecurDyn软件仿真结果对比，验证了逆动力学模型的正确性。
　　筛选出影响机器人工作空间和运动灵巧性的关键结构参数，以工作空间和运动灵巧性为目标函数，利用遗传算法对机构关键结构参数进行了优化，提升了机构性能。
　　根据优化结果，设计了一种SCARA_Tau样机结构，对样机立柱内部的驱动系统进行了设计，采用了便于加工和装配的三段式立柱结构。在此基础上，对机器人样机关键结构进行了有限元分析以校核设计的安全性。

目录

声明

注释表

第一章绪论

1 .1课题研究背景

1.2课题研究目的与意义

1.3课题研究内容及论文结构

第二章SCARA_Tau机器人运动学研究

2 .1引言

2.2 SCARA—Tau机器人构型描述

2.3 SCARA_Tau机器人自由度分析

2.4 SCARA—Tau机器人逆运动学建模

2.5 SCARA—Tau机器人工作空间

2.6 SCARA—Tau机器人雅克比矩阵求解

2.7 SCARA—Tau机器人奇异性分析

2.8 SCARA—Tau机器人伴随运动求解

2 .9本章小结

第 三 章SCARA—T a u机器人动力学建模

3 .1引言

3 .2虚功原理简介

3.3 SCARA—Tau机器人完整动力学建模

3.4 SCARA—Tau机器人简化动力学建模

3 .5动力学虚拟样机仿真

3 .6本章小结

第 四 章SCARA—T a u机器人结构参数优化

4 .1引言

4.2 SCARA—Tau机器人关键结构参数

4.3 SCARA—Tau机器人结构参数优化

4 .4本章小结

第 五 章SCARA—T a u机器人结构设计

5 .1引言

5.2 SCARA—Tau机器人总体结构与传动方案

5.3 SCARA—Tau机器人驱动系统选型及设计

5 .4立柱驱动结构设计

5 .5等效球铰结构设计

5.6 SCARA—Tau机器人有限元分析

5 .7本章小结

第六章总结与展望

6 .1总结

6 .2展望

参考文献

致谢