一种三平动高速并联机械手设计方法研究

摘要

本文针对轻工、食品、医药等行业急需高速抓取机械手的需求，密切结合国家“863”计划专题课题，以开发高速并联机械手为目标，系统研究了一种三平动自由度并联机构的设计问题，包括尺度综合、伺服电机参数选配及静动特性分析，预将相应理论研究成果用于指导建造出一台具有我国自主知识产权的瓶装饮料高速自动包装成套装备。论文取得以下成果：
　　 □针对高速包装并联机械手的需求，提出一种具有三平动自由度的类Delta并联机械手。该机械手采用一种新型的可预紧虎克铰链，不仅可有效地扩大转角范围，且有助于减小铰链间隙。
　　 □针对满足并联机械手所需的高速、高精度、高承载性等要求，在所建立简化体动力学模型的基础上，提出一种基于支链动力学性能的评价指标，该评价指标可完整的揭示出机构产生奇异位形的条件。通过施加工程约束、速度约束和精度约束等条件，将动力尺度综合问题转化为求解一类有约束的非线性规划问题。通过仿真结果表明，在工作空间等同条件下，所综合出的机构运动学和刚体动力学性能均优于现有的Delta机器人。
　　 □鉴于简化动力学模型在高速情况下会产生较大峰值误差，利用虚功原理建立该并联机构的精确刚体动力学模型。在给定末端执行器运动规律条件下，提出一种通过实现分段虚拟运动的伺服电机参数预估方法。该方法可有效预估出为产生末端参考点单位加速度所需的主动关节驱动力上界，并利用典型轨迹仿真验证了该方法的有效性。
　　 □在建立该机械手三维CAD模型的基础上，利用商用软件建立了该机械手的整机有限元模型。利用该模型可快速预估出机械手在处于不同位形时的动、静态特性。同时利用DesignXplorer模块，在给定机构尺度参数条件下，分析从动臂截面参数对机构一阶频率的影响。
　　 □上述研究成果已应用于三平动高速并联机械手的样机开发。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的研究意义

1.2国内外研究状况

1.2.1尺度综合

1.2.2动力学及伺服参数预估

1.2.3动静态特性预估技术

1.3本文主要研究内容

第二章运动学分析与尺度综合

2.1引言

2.2机构简介

2.3运动学分析

2.3.1位置逆解模型

2.3.2速度模型

2.3.3加速度模型

2.3.4刚体逆动力学模型

2.4尺度综合

2.4.1 工作空间与设计变量

2.4.2动力学性能评价指标

2.4.3精度与刚度映射分析

2.4.4约束条件

2.4.5优化过程及优化结果

2.5本章小结

第三章刚体逆动力学分析及伺服电机参数预估

3.1引言

3.2刚体动力学模型

3.2.1简化刚体动力学模型

3.2.2精确的刚体动力学模型

3.3伺服电机参数预估

3.3.1主动关节角速度和转矩

3.3.2电机转子惯量

3.3.3参数计算及伺服电机选取

3.4伺服电机参数校核

3.5本章小结

第四章动静态特性预估

4.1引言

4.2静刚度分析

4.2.1前处理

4.2.2后处理

4.2.3结论

4.3模态分析

4.3.1前处理

4.3.2后处理

4.3.3结论

4.4从动臂截面参数分析

4.5本章小节

附图

第五章全文结论

5.1结论

5.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢