一种五自由度混联机器人静柔度建模与设计方法研究

摘要

本文密切结合国家发展航空航天和高端装备制造业的重大需求，在国家自然科学基金重点项目及高等学校博士学科点专项科研基金资助下，系统研究了5自由度混联模块的拓扑结构综合、运动学性能评价、静柔度建模、轻量化设计、刚体动力学建模与伺服电机参数预估等问题。全文取得如下创造性成果：
　　在拓扑结构综合方面，以UPR-SPR和UP运动链为虚拟链，揭示了组成UPR-SPR型和UP型等效运动并联机构中4自由度和5自由度分支运动链各运动副轴线需满足的几何条件，据此综合出多种含冗余驱动或过约束的1T2R三自由度位置型并联机构新构型。
　　在由2自由度转头及面对称3-SPR并联机构组成的5自由度混联机器人运动学分析方面，建立了一般面对称3-SPR并联机构位置逆解模型，揭示出其存在解析解时链中回转副轴线的配置条件。在此基础上，建立了一种具有解耦格式的雅可比矩阵，并构造出一组取值介于[0,1]之间、无量纲、与坐标系无关的运动学性能指标。通过揭示机构无量纲尺度参数对这组指标的影响规律，构造出满足给定运动学性能、支链极限杆长比和球副转角等几何与运动学约束的尺度参数可行域。
　　在上述混联机器人静柔度建模方面，提出一种考虑构件重力场、以及构件与铰链静柔度的末端变形半解析建模方法。该方法的建模手续可概括为：（1）建立关节力与末端外载荷及运动部件重力间的映射关系；（2）构造计及运动部件自身分布重力的关节变形精确模型；（3）利用半解析法构造支链在关节空间中的静柔度矩阵。利用上述模型可快速计算出外载荷及运动部件重力引起的末端变形在工作空间中的分布规律。
　　在上述混联机器人轻量化设计方面，提出一种具有分层递阶格式的设计方法。该方法以2自由度转头与3-SPR并联机构刚度相匹配、支链驱动与约束刚度相匹配、链中铰链与支链体刚度相匹配为设计准则，以末端静刚度、制造工艺、构件及运动副尺度关联关系等为约束条件，以整机运动部件质量最轻为目标，实现了机器人系统的轻量化设计。相应设计流程的要点为：以整机低阶固有频率最高作为各子系统刚度系数匹配的依据，首先将末端静刚度分配给2自由度转头及链中各子装配体，然后以分配给后者的刚度为约束，实现它们的轻量化设计，进而实现整机的轻量化设计。所提出的轻量化设计方法可在满足静刚度约束条件下，使得整机质量最轻且具有优良的动态特性。
　　在上述混联机器人刚体动力学建模与伺服电机参数预估方面，从构造各部件的力旋量和速度旋量入手，提出一种建立3-SPR并联机构刚体动力学模型的方法。在此基础上，通过计算在给定加速度下的峰值力矩和折算到电机轴上的转动惯量全域均值，提出一种合理选择伺服电机参数的方法。
　　上述成果不但已成功地用于指导一台5自由度混联机器人的数字样机设计，而且对丰富和发展这类机器人的设计理论与方法，促进其在我国航空制造中的应用具有重要的理论和实用价值。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究状况

1.3 本文主要研究内容

第二章 1T2R位置型并联机构拓扑结构综合

2.1 引言

2.2 虚拟链与虚拟链法

2.3 UPR-SPR型等效运动并联机构的综合

2.4 UP型等效运动并联机构的综合

2.5 小结

第三章 类Exechon机器人运动学性能评价

3.1 引言

3.2 运动学分析

3.3 性能评价

3.4 小结

第四章 类Exechon机器人静柔度建模

4.1 引言

4.2 2-DOF转头静柔度建模

4.3 3-SPR并联机构静柔度建模

4.4 整机静柔度模型及重力传递特性

4.5 算例

4.6 小结

第五章 类Exechon机器人轻量化设计

5.1 引言

5.2 设计思想与流程

5.3 刚度匹配准则

5.4 2-DOF转头响应分析

5.5 3-SPR并联机构响应分析

5.6 算例

5.7 小结

第六章 类Exechon机器人刚体动力学建模与伺服电机参数预估

6.1 引言

6.2 刚体动力学建模

6.3 伺服电机参数预估

6.4 小结

第七章 全文结论

7.1 结论

7.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢