新型6-PTS并联机器人全域性能及其优化研究

论文摘要

多年来,对6自由度并联机器人的研究多为Stewart平台,对并联微动机器人的研究较少,但并联微动机器人在不同的领域有着较广泛的应用。在前人研究的基础上,本文对一种新型的6-PTS并联微动机器人进行了运动学和动力学分析,为这种并联机器人工作性能的提升和实际应用提供了理论依据。本文基于6-PTS并联机器人的结构和布局特点,求解了机器人的运动学和动力学方程,综合分析了工作空间的影响因素,并基于运动学逆解方程,借助MATLAB软件绘制出定姿态工作空间图谱。根据速度雅可比矩阵、力雅可比矩阵和刚度矩阵,给出运动学、静力学灵巧度评价指标和运动学全域性能、静力学全域性能、刚度全域性评价指标,编制MATLAB程序,绘制出相应的性能图谱。确定了全域性能较优的情况下,机器人结构参数的取值范围。以这些结构参数为设计变量,以工作空间体积和运动学灵巧度指标为目标函数,应用MATLAB遗传算法工具箱进行了结构参数优化,通过验证,确定得到了工作性能更好、工作空间更大的新机构。最后,论文应用ADAMS软件对6-PTS并联机器人进行了运动学和动力学仿真,给出了仿真实例,通过机构运动学和动力学输出曲线,不仅可以实时评价机器人工作性能,而且进一步证明了机器人建模的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 并联机器人及其应用
• 1.2.1 并联机器人概述
• 1.2.2 并联机器人的应用
• 1.3 并联机器人工作空间、全域性能指标、优化设计的研究现状
• 1.4 选题的意义
• 1.5 论文的主要研究内容
• 2 6-PTS并联机器人运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 6-PTS并联机器人的运动学方程
• 2.2.1 结构分析
• 2.2.2 位置反解
• 2.2.3 位置正解
• 2.3 6-PTS并联机器人工作空间分析
• 2.3.1 约束条件分析
• 2.3.2 工作空间的搜索方法
• 2.3.3 工作空间的确定
• 2.4 本章小结
• 3 6-PTS并联机器人动力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 建立动力学模型
• 3.2.1 驱动杆和定长杆的牛顿—欧拉方程
• 3.2.2 末端运动平台的牛顿—欧拉方程
• 3.2.3 机构的牛顿—欧拉方程
• 3.3 本章小结
• 4 6-PTS并联机器人全域性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 运动学性能分析
• 4.2.1 速度雅可比矩阵的求解
• 4.2.2 速度灵巧度和全域线/角速度性能评价指标
• 4.2.3 速度灵巧度指标的分布
• 4.2.4 线/角速度全域性能指标的分布
• 4.3 静力学性能分析
• 4.3.1 力雅可比矩阵的求解
• 4.3.2 力灵巧度、全域力/力矩承载能力评价指标
• 4.3.3 力灵巧度的分布
• 4.3.4 力/力矩全域性能分布
• 4.4 静刚度分析
• 4.4.1 刚度矩阵的求解
• 4.4.2 全域性刚度指标及其分布
• 4.5 本章小结
• 5 6-PTS并联机器人的尺寸优化
• 5.1 引言
• 5.2 机构参数优化
• 5.2.1 遗传算法概述
• 5.2.2 设计变量的确定
• 5.2.3 约束条件的确定
• 5.2.4 目标函数的确定
• 5.2.5 优化结果
• 5.3 优化结果的验证
• 5.3.1 工作空间比较
• 5.3.2 灵巧度比较
• 5.4 本章小结
• 6 6-PTS并联机器人的运动学和动力学仿真
• 6.1 引言
• 6.2 运动学仿真
• 6.2.1 运动学逆解仿真
• 6.2.2 运动学正解仿真
• 6.3 动力学仿真
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录