基于虚拟原型技术的并联机器人建模与控制仿真

摘要

本文采用全新的机电一体化虚拟原型仿真技术——LabVIEW与SolidWorks联合仿真技术，以平面二自由度平动并联机器人为研究对象，从并联机构的遴选与优化、虚拟原型建模、运动轨迹规划、运动控制仿真以及仿真结果分析等几个层面上对并联机器人机构及运动控制方法进行了深入研究，主要成果如下:
　　深入研究了具有二维移动并联机器人机构特征的型综合理论，对应用于高速运动场合的二自由度并联机器人可能具有的机构类型进行详尽分析，最终选取2-PaPa并联机构作为本文研究的机构类型;对该并联机构进行了机构优化设计，简化了该机构的数学模型;对该并联机构进行运动学分析，得出了适用于该并联机构的正逆解算法，并利用作图法确定了其工作空间。
　　根据上述并联机构利用SolidWorks实体建模设计了一个平面二自由度并联机器人的虚拟样机，对并联机器人的各部分组件进行了结构设计，并利用SolidWorks有限元分析工具Simulation对驱动臂进行了轻量化设计。
　　对并联机器人运动控制理论和方法进行深入研究，对比各种加速度曲线并最终选取修正正弦曲线作为本机器人的运动控制曲线;在此基础上对传统的带直角拐角的“门”形路径进行优化，改用弧线过渡，这样可以明显地提高机械手抓取工作效率并且有效的抑制机械手在高速运动中的震动。
　　对待仿真的并联机器人SolidWorks模型进行配置与优化，合理搭建LabVIEW项目并配置各种仿真参数，利用修正正弦加减速曲线运动算法、“门”形路径优化算法以及并联机构正逆解算法编制LabVIEW运动控制程序，完成对所设计虚拟样机的运动控制仿真。
　　利用SolidWorksMotion的图解功能对并联机器人虚拟样机的末端动平台进行轨迹分析、位移、速度、加速度分析，在虚拟样机平台上验证了所设计样机的正确性;对各个运动关机进行运动学分析并对驱动电机的扭矩图解进行分析，利用仿真分析结果对伺服电机以及减速器进行参数预估。
　　本文对于少自由度并联机器人方面的研究以及虚拟原型技术应用方面的研究均具有一定的参考借鉴价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．1．1 并联机构简介

1．1．2 并联机构及并联机器人的应用发展

1．1．3 少自由度并联机器人的应用发展

1．1．4 二自由度并联机构

1．2 虚拟原形技术

1．2．1 虚拟原型技术的发展历史、研究现状及发展前景

1．2．2 虚拟原型设计的优越性

1．2．3 机电一体化虚拟原型设计

1．3 LabVIEW和SolidWorks运动控制仿真

1．4 本文主要研究内容

2 并联机器人机构设计

2．1 GF集理论

2．2 并联机构类型确定

2．3 并联机构运动学分析

2．3．1 并联机构简化

2．3．2 并联机构运动学逆解

2．3．3 并联机构运动学正解

2．4 并联机构运动空间确定

2．5 本章小结

3 虚拟样机模型建立

3．1 支撑软件平台简介

3．1．1 SolidWorks软件

3．1．2 SolidWorks Simulation简介

3．1．3 有限元分析概述

3．2 并联机器人总体设计

3．3 驱动臂设计

3．3．1 驱动臂轻量化设计

3．3．2 驱动臂与减速器联结设计

3．4 其它组件的设计

3．4．1 肘架组件设计

3．4．2 连杆组件设计

3．4．3 机架设计

3．4．4 动平台设计

3．5 本章小结

4 并联机器人运动规划

4．1 机器人规划概述

4．2 加减速曲线曲线

4．2．1 3-4-5多项式曲线

4．2．2 正弦加速度曲线

4．2．3 修正正弦加速度曲线

4．2．4 比较各种曲线

4．3 路径优化

4．3．1 弧线过渡阶段规划

4．3．2 弧线过渡阶段优化设计

4．4 本章小结

5 虚拟样机联合仿真

5．1 支撑软件平台

5．1．1 SolidWorks Motion插件

5．1．2 LabVIEW软件

5．1．3 NI SoftMotion模块

5．1．4 NI SoftMotion for SolidWbrks

5．2 仿真平台搭建方法

5．2．1 软件要求

5．2．2 联合仿真操作步骤

5．3 SolidWorks仿真设置

5．3．1 设置零部件的材料及质量属性

5．3．2 轻化子装配体及零部件

5．3．3 开启Motion运动仿真功能

5．3．4 打开／创建SolidWorks运动算例

5．3．5 添加零部件及子装配体至“刚性组”

5．3．6 添加“马达”运动算例单元

5．3．7 添加“引力”运动算例单元

5．4 LabVIEW仿真设置

5．4．1 向LabVIEW项目中导入SolidWorks装配体

5．4．2 添加SoftMotion运动轴

5．4．3 添加SoftMotion坐标空间

5．4．4 编制／修改LabVIEW控制仿真程序

5．4．5 部署装配体、运动轴、以及左边空间

5．4．6 运动控制仿真

5．5 本章小结

6 获取仿真结果及分析

6．1 运动学仿真结果及分析

6．1．1 末端轨迹仿真结果

6．1．2 末端运动学仿真结果

6．1．3 关节运动学仿真结果

6．2 动力学仿真结果

6．3 驱动电机扭矩分析

6．4 驱动电机选型

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 全文结论

7．2 今后的研究方向

参考文献

9 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢