4-RPUR柔性微动并联机器人的性能分析与研究

论文摘要

在过去的十年中,微动机器人得到了飞速的发展,微动机器人运动精细,可达亚微米甚至纳米级的定位精度,在MEMS制造、光学调整、光纤作业、激光制导、生物医疗、IC制造等领域得到了广泛的应用。随着纳米技术的进一步发展,具有精确定位精度的少自由度微动机器人是进行微操作的主要定位工具,具有重要的研究价值。本文基于四自由度4-RPUR并联机构设计一种微动机器人,该微动机器人采用压电陶瓷为驱动元件和柔性铰链的结构形式,具有控制简单方便、结构紧凑、刚度大等优点。因此本文将对机构的动力学、静力学、精度及误差进行分析,为机构的设计提供参考。作为研究4-RPUR微动并联机器人的基础,针对微动机器人的运动特点,采用微分的方法进行运动学分析,并建立了反映输入、输出位移、速度、加速度关系的特征矩阵。为其精度分析奠定基础。微动机构的微小运动是通过驱动力使材料变形及其变形强耦合实现的。基于材料力学理论,推导出微动机器人支链柔性铰链变形的刚度矩阵表达式,并通过对摄动微位移的求解,得出柔性铰链的微变形和摄动微位移之间的关系,最后采用虚功原理建立微动并联机器人的刚度模型,由柔性铰链的刚度矩阵开始递推计算出4-RPUR并联微动机构的刚度矩阵。基于位置反解分析,并考虑到各种误差源,对4-RPUR微动并联机器人的广义几何误差进行了分析,并对其误差作了误差补偿分析,对微动机构的设计和制造有一定的指导意义。刚柔耦合是多体系统最常见的力学模型,探讨其建模规律是多体系统动力学研究的重要内容。将ANSYS中生成的柔性铰链结构模态中性文件,导入ADAMS软件中作为柔性体,建立4-RPUR机器人机构的刚柔藕合模型,从而实现4-RPUR微动并联机器人在微小运动过程中的动态仿真,得到其运动学规律曲线,在施加一定载荷的情况下,对机构进行动力学仿真,得到其动力学规律曲线,为深入了解4-RPUR微动并联机器人的动态特性提供了有效的分析手段,为其结构设计提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 并联机器人概述
• 1.2 少自由度并联机器人研究现状
• 1.3 微动机器人的研究现状及展望
• 1.3.1 微动机器人的研究现状
• 1.3.2 柔性铰链的研究现状
• 1.3.3 微动并联机器人的应用
• 1.3.4 微动并联机器人的研究展望
• 1.4 选题意义及本文研究的主要内容
• 第二章 4-RPUR微动并联机器人的运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 微动机器人运动学基础
• 2.3 微动机器人的特征矩阵
• 2.4 4-RPUR 微动并联机器人的运动学逆解
• 2.4.1 微动并联机器人的位置反解
• 2.4.2 微动并联机器人的齐次变换及雅可比矩阵
• 2.4.3 微动并联机器人的速度、加速度分析
• 2.4.4 数值算例
• 2.5 小结
• 第三章 静力学及微动机器人的静刚度分析
• 3.1 引言
• 3.2 柔性铰链力学及其刚度模型
• 3.2.1 柔性移动副
• 3.2.2 柔性转动副
• 3.2.3 柔性万向铰
• 3.3 微动并联机器人摄动微位移分析
• 3.4 微动机器人静刚度模型的建立
• 3.5 有限元实例
• 3.6 小结
• 第四章 微动并联机器人的精度及误差分析
• 4.1 引言
• 4.2 微动并联机器人的误差源
• 4.2.1 制造装配误差
• 4.2.2 驱动和控制误差
• 4.2.3 运动学模型误差
• 4.2.4 环境及其它随机误差
• 4.3 微动并联机器人的误差模型
• 4.4 微动并联机器人的误差补偿
• 4.4.1 机构参数识别
• 4.4.2 工作空间误差补偿法
• 4.4.3 关节空间补偿
• 4.5 小结
• 第五章 微动机器人虚拟样机建模与运动仿真
• 5.1 引言
• 5.2 有限元理论建立柔性体
• 5.2.1 生成MNF 格式文件
• 5.2.2 柔性体替换刚性体
• 5.2.3 柔性铰链与刚性杆件的连接
• 5.2.4 柔性移动副和柔性万向铰的连接
• 5.3 刚柔耦合微动并联机器人机构运动学仿真
• 5.3.1 运动学逆解仿真
• 5.3.2 运动学正解仿真
• 5.4 刚柔耦合微动并联机器人机构动力学仿真
• 5.5 总结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作回顾
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文
• 致谢