6-SPS并联机器人工作空间研究及其优化设计

摘要

6-SPS并联机器人基于Stewart平台原理,具有串联式机构无法比拟的特点,因此,它的应用日益广泛,应用的领域也在不断地扩展,对其进行全面而系统的研究并推向实际应用,具有很重要的理论意义和实用价值.该文通过对6-SPS并联机器人结构参数和工作原理的分析,建立了其运动学模型和动力学模型,在此基础上对其工作空间进行了研究,并对其结构参数进行了优化.机器人的运动学分析,是求解机器人的输入与输出构件之间的位置、速度和加速度之间的关系.该文给出6-SPS并联机器人位置、速度和加速度的运动学反解方程,并给出位置正解方程的两种数值解法.工作空间是评价并联机构工作能力的重要指标,工作空间分析是并联机构设计的重要基础,工作空间的大小决定了并联机构的活动空间.并联机构工作空间分析不如串联机构那么容易.以铰点共面的6-SPS Stewart平台为例进行了工作空间分析.在此研究的基础上,进一步探讨了其工作空间的定义,工作空间的约束条件,以及工作空间的图形化显示.Stewart平台的结构参数直接影响6-SPS并联机器人的成本.该文以成本最低为目标对其结构参数进行优化,得出了优化结果,取得了一定的经济效果.

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致谢

第一章绪论

1.1并联机器人的发展及研究状况

1.1.1并联机器人的机构形式及特点

1.1.2并联机器人的研究发展状况

1.1.3并联机器人的发展应用前景展望

1.2六自由度并联机器人结构简介

1.3并联机器人工作空间综述

1.3.1机器人工作空间的概念

1.3.2工作空间研究在并联机器人中的应用概述

1.4选题意义和本文的主要研究内容

第二章数学基础

2.1刚体的C-空间

2.2刚体位置和姿态的描述

2.2.1位置描述

2.2.2方位描述

2.2.3位姿描述

2.3旋转群的参数化

2.3.1旋转运动的指数坐标

2.3.2欧拉角和RPY角

2.3.3四元数

2.4坐标变换

2.4.1平移坐标变换

2.4.2旋转坐标变换

2.4.3齐次坐标变换

2.5刚体运动的指数坐标

第三章6-SPS并联机器人数学模型

3.1结构及工作原理

3.2运动学模型

3.2.1运动学反解

3.2.2位置正解

3.3动力学模型

第四章6-SPS并联机器人工作空间分析

4.1 6-SPS平台结构参数与初始位姿

4.2 6-SPS平台工作空间约束条件

4.2.1杆长约束条件

4.2.2球铰及虎克铰许用转角限制

4.2.3连杆之间的干涉限制

4.3 工作空间定义

4.4 工作空间

4.4.1 Gosselin几何法

4.4.2反解搜索法求解位置空间和姿态空间

4.4.3小结

第五章6-SPS并联机器人结构参数的优化设计

5.1优化问题的数学模型

5.1.1设计变量的选取

5.1.2目标函数的建立

5.1.3约束条件

5.2速度、受力及行程的求解

5.2.1速度分析

5.2.2受力分析

5.2.3行程分析

5.3计算实例与优化结果分析

第六章结束语

6.1论文研究的主要工作

6.2未来研究方向与展望

参考文献