平面三自由度微动并联机器人分析与优化设计

摘要

制造领域中所采用的尺度正由微米迈向纳米，随着加工制造精度的不断提高，一方面要完成高精度的细微操作，另一方面要尽量扩大微操作的可达工作范围，目前多数实际应用工程要求定位范围达到100μm以上。近年来很多学者将研究目标扩展到具有更大工作空间、更高的终端精度、更好的灵活性能、更高的频率响应以及更低的制造成本等特点的新型微操作机器人领域。
　　本文通过对柔性运动副与传统运动副的对比介绍，得出柔性运动副可实现高精度运动，因此可作为微操作机器人的运动关节，以实现微操作的高精度。接着对柔性运动副的类型进行设计，研究柔性运动副的选材及加工工艺。然后对三自由度微动并联机器人进行构型研究。通过对3-RRR和3-PRR两种并联机器人的末端运动特征分析，其他类型如3-PPR并联机器人均可以通过此构型方法推理得到。通过对可以实现平面三自由度的3-RRR、3-PRR结构的两种并联机器人进行构型研究，为微操作机器人结构设计奠定了基础。
　　采用矢量方程法建立了3-PPR及3-PRR型并联机器人机构运动学方程，确定输入与输出参数的运动关系，从微操作机器人设计及加工方面考虑，选择3-PRR结构作为微操作并联机器人的主体结构。最后通过柔度分析方法建立平行板式柔性移动副和柔性转动副的刚度矩阵，采用有限元分析方法对平行板式柔性移动副及柔性转动副的关键参数进行了优化设计，确定影响其精度的关键参数的尺寸，通过这些关键参数对3-PRR型微动并联机构的结构进行设计，最终确定其主体结构，并通过有限元方法对其结构性能进行仿真研究，在性能研究基础上确定压电陶瓷驱动器的选择依据。

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第一章 绪 论

1.1 串联机器人和并联机器人

1.2 微动机器人的研发意义与现状

1.3 微动机器人研究的关键技术

1.4 本课题主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 柔性运动副设计方法与驱动器选择

2.1 柔性运动副概述

2.2 柔性运动副类型设计

2.3 柔性运动副材质选择

2.4 柔性运动副加工方法

2.5 驱动器的选择

2.6 小结

第三章 三自由度微动并联机器人构型设计

3.1 三自由度微动并联机器人结构简述

3.2 3-RRR三自由度微动并联机器人机构分析

3.3 3-PRR三自由度微动并联机器人机构分析

3.3 本章小结

第四章 三自由度微动并联机器人运动学分析

4.1 引言

4.2 3-PPR机器人运动学模型

4.3 3-PRR机器人运动学模型

4.4 本章小结

第五章 3-PRR并联微动机器人结构参数设计及性能分析

5.1 平行板柔性移动副参数设计

5.2 柔性转动副参数设计

5.3 并联微动机器人尺寸的确定

5.4 仿真实例

5.5 小结

结论

致谢

参考文献

在学期间取得的研究成果