交叉型平面二自由度并联机械手关键技术及样机建造

摘要

二自由度并联机器人广泛应用于高速、高精度的场合,对机器人构件性能和控制系统性能的要求也越来越高。提高二自由度并联机器人速度和精度要求使用轻型、高强度以及低惯量的构件,但与此同时会增加成本和设计、控制的难度。如何有效改善并联机器人结构设计,以实现高速、高精度的操作,是此类机器人样机开发亟需解决的问题。
　　 本文提出了一种新型交叉型平面二自由度并联机构,与现有二自由度并联机构相比,具有工作空间与机构尺寸比较大、结构简单、性能良好,制造成本低,易于控制等优点,本文主要工作和研究成果如下:
　　 (1)建立了交叉型平面二自由度并联机构运动学模型,推导出雅可比矩阵,分析了奇异性;在定义了导轨长度、动平台长度以及工作空间与机架尺寸比等性能指标基础上,分析了这些指标与交叉构型和非交叉构型并联机构的关系,并得到了相应的性能图谱;基于空间模型理论得到了优质尺度域,并选择一种运动性能较好的并联机构。
　　 (2)运用拉格朗日法,建立了交叉型平面二自由度并联的逆动力学模型,并分析了动力学性能;利用S型速度曲线,优化了滑块的运动轨迹,该轨迹能使动平台运动平稳、冲击、振动小;预估计出作用滑块上的最大外力和等效质量,并选择了合适的伺服电机。
　　 (3)分析了不同位型下的振型特性,得到了前两阶振型为移动,第三阶振型为扭动的结论,该结论为并联机械手的样机设计提供理论参考
　　 (4)为实现运动学分析的可视化,应用并联机器人运动学分析理论,设计一款基于Labview+SolidWorks的运动学仿真平台。
　　 (5)基于上述的研究成果,建造出一台交叉型平面二自由度并联机械手样机。
　　 (6)进行了交叉型平面二自由度并联机械手样机矩形轨迹试验本文研究工作对开发高速、轻型、高性能平面并联机构具有重要指导意义。