并联柔索驱动机器人精度分析及变刚度特性研究

摘要

并联柔索机器人(Parallel Wire Manipulator，PWM)是20世纪80年代出现的一种新型机器人，它以柔索代替传统并联机器人的连杆作为传动元件，使得操作臂的重量大大降低，可以大大提高机器人的工作效率。与串联机器人相比，并联柔索机器人具有较高的刚度、精度和负载能力，结构紧凑；与传统并联机器人相比，并联柔索机器人的工作空间比较大。根据柔索张紧条件的不同，可将并联柔索机器人分为两类：并联柔索悬吊机器人(Parallel wire SuspendedRobot，PWSR)和并联柔索驱动机器人(Parallell Wire Driven Robot，PWDR)。其中PWDR是一种闭链冗余驱动机构，具有更好的刚度性能，可以实现高速作业，因此具有更广阔的应用空间。 PWDR以柔索作为操作臂的传动元件，虽然降低了机构重量，但是重量的降低通常会引起系统柔性的增加，柔索的弹性不仅会影响操作臂的作业精度，还会降低系统的响应频率，甚至会导致系统不稳定。虽然柔性的增加会给操作臂的运动控制带来困难，但是它同时也为系统带来了柔顺性，利用这种柔顺性可以实现系统的变刚度控制。可见，如何提高PWDR的精度和利用机器人的变刚度特性是值得研究的问题。 本文主要以4索3自由度并联柔索驱动机器人为对象，进行了精度和变刚度的研究，主要工作如下： 首先，介绍了并联柔索机器人的分类、特点、研究现状和成果，描述了本文所研究的并联柔索机器人的运动模型，包括各空间表达之间位置正逆解和速度的关系，并对其进行了数值仿真。 其次，对误差分类，并在位置正逆解模型的基础上，利用微分原理和误差等效作用原理，建立它们的误差模型，然后又综合考虑所有误差，得到精度综合的最终结果。对各误差模型进行了数值仿真，并在机器人样机上做了位置控制实验，比较了未加误差模型和加入误差模型的实验结果。 再次，对机器人变刚度特性进行了理论分析，得到机器人的刚度模型，并对其变刚度的特性进行了数值仿真及实验。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1并联柔索机器人的研究背景

1.2并联柔索机器人的研究现状

1.2.1并联柔索悬吊机器人(PWSR)研究成果

1.2.2并联柔索驱动机器人(PWDR)研究成果

1.3并联机器人的精度和刚度研究概述

1.3.1并联机器人的精度研究

1.3.2并联机器人的刚度研究

1.4科学价值和应用前景

1.5本文的研究内容

第2章Tricept型操作臂运动学模型

2.1 Tricept型操作臂的机构描述

2.2 Tricept型操作臂的运动学模型

2.2.1位置正逆解

2.2.2速度分析

2.3数值仿真

2.3.1位置仿真

2.3.2速度仿真

2.4本章小结

第3章Tricept型操作臂精度分析

3.1概述

3.2关节空间误差

3.2.1误差分析

3.2.2数值仿真

3.3柔索误差

3.3.1误差分析

3.3.2数值仿真

3.4装配误差

3.4.1误差分析

3.4.2数值仿真

3.5精度综合分析

3.5.1精度综合算法分析

3.5.2精度综合算法仿真

3.6本章小结

第4章三自由度PWDR变刚度特性分析

4.1概述

4.2三自由度PWDR变刚度特性

4.2.1变刚度特性的理论分析

4.2.2变刚度特性仿真

4.3本章小结

第5章三自由度PWDR位置控制、精度和刚度试验

5.1样机的机械结构参数

5.1.1样机的设计指标

5.1.2样机的机构模型

5.1.3样机的设计参数

5.2样机的控制系统

5.3位置控制实验

5.3.1位置控制实验程序设计思路

5.3.2实验结果

5.4精度实验

5.4.1 Z方向的运动

5.4.2 X方向的运动

5.4.3 Y方向的运动

5.5刚度特性的实验研究

5.5.1分支刚度对整机刚度影响的试验

5.5.2张紧柔索张紧力变化对整机刚度影响的试验

5.6本章小结

第6章结论与展望

参考文献

致谢