一种新型3-RPSR并联机械手的设计与研究

摘要

并联机械手相对串联机械手，在一些工作空间相对有限，而对精度和刚度以及速度要求较高的领域优势明显，本课题针对目前串联小型机械手的灵活性、以及稳定性不足的地方，在国内外学者以及本课题组研究的基础上，设计了一款工业机器人领域，基于3-RPSR并联机构的新型机械手，并深入研究。
　　首先，本文对新型3-RPSR并联机械手系统进行结构分析，自由度分析及数目计算；建立位置正解约束方程，采用封闭矢量环法快捷简便的求解位置反解；采用数值计算法与编程工具Matlab对机构的位置正、反解的正确性进行了三维仿真验证。
　　第二，本文研究了新型3-RPSR并联机械手的运动性能，包括奇异性、工作空间、灵巧度；研究得到当并联机械手位姿参数出现奇异位形时，相互满足的关系式；采用数值搜索法在 SimMechanics模块下，求解并联机械手的工作空间；以雅可比矩阵条件数的倒数作为评价指标，分析灵巧度在工作空间的分布及结构参数。
　　第三，对并联机械手建模，在ADAMS虚拟样机中，对其运动学及动力学进行关键性能仿真分析；通过规划反解的特定轨迹输出Spline曲线函数，逆向添加到驱动电机中，仿真输出动平台中心末端的正反解位移、速度、加速度、角度、角速度、角加速度变化曲线；然后对动力学进行仿真，得到其末端动平台执行器有、无载荷的功率变化曲线，获得机械手的瞬时特性。结论表明该机械手可以实现高速、高加速度的运动性能。
　　第四，针对3-RPSR并联机械手，进行ADAMS/Simulink的联合程序控制仿真分析。以并联机械手的动平台执行器作为控制对象，位置反解作为反向输入，PID为控制器，输出其仿真结果，并通过与Adams理论仿真值的拟合对比，得到基于PID控制的控制系统的结果误差较小，证实了并联机械手控制系统的可操作性好。

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1 绪论

1.1课题研究背景

1.2并联机械手的研究现状

1.3 本文选题创新点及主要研究内容

1.4 本章小结

2新型并联机械手的结构设计及运动学分析

2.1并联机械手简介及自由度计算

2.2并联机械手位姿描述及坐标变换

2.3并联机械手坐标系建立

2.4 并联机械手的运动学分析

2.5并联机械手加速度和速度模型

2.6本章小结

3 新型3-RPSR并联机械手的运动性能研究

3.1 机构奇异性分析

3.2 并联机械手工作空间研究

3.3 机构灵巧度分析

3.4本章小结

4 新型3-RPSR并联机械手的虚拟样机仿真

4.1 引言

4.2 ADAMS软件创建并联机械手的虚拟样机

4.3 基于欧拉角的运动学仿真分析

4.4 基于多刚体系统拉格朗日方程动力学仿真分析

4.5 本章小结

5 新型3-RPSR并联机械手的控制系统仿真

5.1 引言

5.2 机械手控制方法

5.3 基于PID控制的控制系统仿真模型的建立

5.4基于PID控制的控制系统仿真结果分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢