一种三自由度快速并联机器人的结构设计及系统仿真研究

摘要

随着科学技术的进步，作为科学技术显著标志的机器人技术也得到了迅猛发展，并被广泛的应用于人们的生产生活当中，并联机器人是机器人研究的重要分支，自诞生之日起就以其自身特有的优势受到广大研究者的青睐，已成为研究热点之一。本文以三自由度并联机器人为例，在完成运动学特性理论分析的基础上，应用联合仿真技术对其进行了有限元分析、运动学和动力学特性仿真研究，并对其结构参数进行了优化。
　　首先，本文对三自由度并联机器人进行了运动学分析。通过解析法求得并联机器人的运动学正解和逆解方程、速度逆解方程以及速度雅可比矩阵，并讨论了并联机器人的工作空间和可能的奇异位形。
　　其次，本文完成了对并联机器人静动态特性的有限元分析。主要是基于联合仿真技术，利用 SolidWorks软件和 ANSYS软件之间的无缝链接技术，选取三个典型位姿对并联机器人进行了静刚度分析与模态分析。通过静刚度分析，发现当动平台偏离中心位置靠近工作空间边界时，变形较大，刚度较小，变形主要集中在动平台与从动臂的链接处和静平台的中心位置；通过模态分析，主要研究了并联机器人的前六阶振型，发现振型主要集中在静平台中心位置、从动臂及从动臂与动平台链接处。为提高机构整体性能，提出对静平台中心位置作进一步固定处理，提高从动臂与动平台之间的链接刚度，选取合适的从动臂尺寸和材料等办法，增强静平台和从动臂抵抗振动与变形的能力。
　　再次，本文借助ADAMS软件研究分析了并联机器人的运动学和动力学特性，并将运动学逆解理论计算结果与仿真数据进行了比较，三个滑块位置、速度和加速度的理论和仿真曲线走势完全相同，曲线基本重合，验证了运动学方程和建立的ADAMS模型的正确性；通过动力学仿真，得出当动平台以期望规律运动时，需要三个滑块输入的驱动力的变化规律。
　　最后，本文在完成并联机器人有限元分析、运动学和动力学分析的基础上，对其结构尺寸进行了优化。主要是借助 ADAMS软件建立并联机器人的参数化模型，将滑块输入驱动力、从动臂运动速度和受力最小作为目标函数，在单目标设计研究的前提下，采取构造评价函数的办法，最终得出机构结构尺寸的最优解。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 并联机器人概述

1.3 本文研究的主要内容

第二章 并联机器人的机构分析

2.1 机构简介

2.2 并联机器人自由度分析

2.3 并联机器人运动学分析

2.4 并联机器人工作空间分析

2.5 并联机器人奇异性分析

2.6 本章小结

第三章 并联机器人的建模及有限元分析

3.1 并联机器人三维模型的建立

3.2 并联机器人的有限元分析

3.3 本章小结

第四章 并联机器人运动学及动力学仿真

4.1 仿真软件简介

4.2 并联机器人建模

4.3 并联机器人运动学仿真分析

4.4 并联机器人动力学仿真分析

4.5 本章小结

第五章 并联机器人结构优化设计

5.1 ADAMS参数化建模与优化设计方法

5.2 并联机器人参数化模型的建立

5.3 并联机器人单目标设计研究

5.4 并联机器人多目标优化设计

5.5 优化设计结果验证

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献