四自由度高速并联机器人机构动力学分析与运动控制研究

摘要

本文密切结合电子信息、食品医药、现代物流等领域自动化生产线高速轻载搬运作业需求，在国家自然科学基金项目(项目编号51605225)资助下，研究一种采用单动平台结构、含平行四边形支链且可实现SCARA运动的新型高速并联机器人机构，并重点研究该机构的概念设计、运动学分析、动力学建模、伺服电机参数预估、轨迹规划、运动控制系统开发和样机试验等内容，全文主要取得以下成果: 在概念设计和运动学分析方面:通过在可实现三平动的支链上添加绕z轴转动的铰链，提出采用单动平台即可实现SCARA运动的新构型。与采用双平台的此类高速并联机构相比，可有效简化动平台的结构，减轻末端运动部件的质量，有利于实现高速度和高加速度的动态特性。在此基础上，利用矢量法建立了上述机构位置正逆解模型和雅可比矩阵，并完成了机构奇异位型分析，得出当动平台采用非正方形结构时可使机构避免出现奇异位型。 在动力学建模和伺服电机参数预估方面:首先建立了各构件速度和加速度模型，其次基于虚功原理建立了完备刚体动力学模型，并基于高速并联机构的特点，得出简化刚体动力学模型，在此基础上，以峰值扭矩为依据，完成了伺服电机参数预估与选型。 在轨迹规划方面:研究了不同运动规律和运动路径对末端平台运动和主动关节运动的影响，并基于时间最优和运动平稳性原则，完成了运动规律优选和运动路径规划。在此基础上，提出了可用于运动控制开发的路径插补方案。 在运动控制系统开发方面:结合样机开发，搭建了运动控制硬件和软件系统，并完成了位置正逆解、路径插补运算、电机轴使能、机构回零、插补给点、停止与复位等功能模块的设计，在此基础上，通过机电联调，实现了机构在工作空间内高速高加速运动。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题背景和研究意义

1．2国内外研究现状

1．2．1运动学与刚体动力学

1．2．2运动轨迹规划

1．2．3运动控制系统

1．3课题来源和本文研究主要内容

2概念设计与运动学分析

2．1引言

2．2概念设计

2．3位置分析

2．3．1坐标系构建

2．3．2位置逆解建模

2．3．3位置正解建模

2．4雅可比矩阵构造

2．5奇异分析

2．6小结

3刚体动力学建模与伺服电机参数预估

3．1引言

3．2速度和加速度分析

3．2．1速度分析

3．2．2加速度分析

3．3刚体动力学模型

3．4伺服电机参数预估

3．4．1电机扭矩峰值预估

3．4．2伺服电机选型

3．5小结

4轨迹规划

4．1引言

4．2运动规律选择

4．2．1运动规律选择原则

4．2．2运动规律确定

4．3运动路径规划

4．4路径插补

4．5小结

5运动控制系统开发

5．1引言

5．2运动控制系统硬件搭建

5．3运动控制系统软件开发平台

5．3．1运动控制系统开发软件

5．3．2运动控制系统开发语言

5．4运动控制软件功能模块设计

5．4．1位置正逆解功能模块

5．4．2路径插补运算模块

5．4．3电机轴使能模块

5．4．4机构回零功能模块

5．4．5插补给点功能模块

5．4．6停止与复位模块

5．5运动控制软件整体设计

5．6样机实验

5．7小结

6总结与展望

6．1总结

6．2工作展望

致谢

参考文献

附录