基于运动基与G_F集的机器人机构构型分析

论文摘要

机器人机构构型理论的研究具有十分重要的理论和实际意义,是目前国际学术界和工业界广泛关注的热点和前沿。机器人机构的构型理论首先要建立在对其末端运动特征和末端运动约束特征的准确描述上,而在这方面的研究还不完善。本文从机构携带的运动信息出发,从一个新的角度研究了机器人的构型问题。(1)从机器人机构的末端输出运动特征角度,概括了机器人机构的4种基本运动形式,主要包括移动基、转动基、左螺旋基和右螺旋基,它们是构成机器人机构末端运动特征的最小要素。在此基础上,把机器人机构末端执行器所具有的一些特定的运动特征定义为运动单元,提出包括移动单元、转动单元、螺旋单元等在内的18种运动单元,它们是构成机器人机构末端运动特征的最小功能单位。上述概念是本文研究工作的基本前提。(2)基于运动学的基本原理,给出运动单元的加法运算,用于表示运动单元之间的合成。建立移动单元与移动单元、移动单元与转动单元、转动单元与转动单元的加法运算法则。基于集合论的思想,给出运动单元的求交运算,表示运动单元之间公共要素的求解。建立移动单元与移动单元、转动单元与转动单元的求交运算法则。运动单元的加法和运动单元的求交两种运算法则的建立是本文研究工作的重要理论基础。(3)提出G_F集的概念,用于表示机器人末端执行器所具有的运动特征,从G_F集的角度研究机器人机构的分类问题。建立运动单元和运动关节之间的对应关系,给出设计机器人支链和求解已知支链的末端运动特征和G_F集表达式的方法。(4)提出基于运动基和G_F集的串联机器人构型理论、并联机器人构型理论,系统研究机器人构型分析与综合问题。给出求解已知构型的串、并联机器人机构的末端运动特征和设计具有确定的末端运动特征的机器人机构的具体方法和步骤。通过将该理论与工业实践相结合,解决并联组合式大型锻压机的构型设计,解决用于复杂工件的多工位灵巧焊接变位机的构型设计等实际问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 机器人机构的应用
• 1.1.1 运动模拟器
• 1.1.2 并联机床
• 1.1.3 微动机器人机构
• 1.1.4 传感器
• 1.1.5 并联机器人机构的其它应用
• 1.2 机器人机构构型理论概述
• 1.2.1 基于自由度计算的列举综合理论
• 1.2.2 基于螺旋理论的综合理论
• 1.2.3 李群综合理论
• 1.2.4 运动综合理论
• 1.2.5 机器人机构的构型理论
• 1.3 机器人构型理论的意义和本文的内容、特点
• 第2章 机器人运动单元与末端运动特征
• 2.1 引言
• 2.2 机器人机构的运动基
• 2.3 机器人机构的运动单元
• 2.3.1 机器人机构末端的运动自由度
• 2.3.2 移动单元
• 2.3.3 转动单元
• 2.3.4 螺旋单元
• 2.3.5 两种特殊单元
• 2.4 机器人机构的末端运动特征
• 2.5 本章小结
• 第3章 机器人机构运动单元求和运算
• 3.1 引言
• 3.2 机器人运动单元求和运算基础
• 3.3 机器人移动单元加法运算
• 3.4 机器人转动单元加法运算
• a 的加法运算'>3.4.1 一自由度转动单元T^a的加法运算
• （// a） ∈P 的加法运算'>3.4.2 一自由度转动单元T^{（// a） ∈P}的加法运算
• //a 的加法运算'>3.4.3 一自由度转动单元T^//a的加法运算
• a ,b 的加法运算'>3.4.4 二自由度转动单元U^{a ,b}的加法运算
• ∈P 的加法运算'>3.4.5 二自由度转动单元U^∈P的加法运算
• ⊥a 的加法运算'>3.4.6 二自由度转动单元U^⊥a的加法运算
• 3.4.7 三自由度转动单元的加法运算
• 3.5 机器人移动单元和转动单元的加法运算
• a 和转动单元的加法运算'>3.5.1 线性域移动单元L^a和转动单元的加法运算
• a 和转动单元的加法运算'>3.5.2 平面域移动单元E^a和转动单元的加法运算
• 3.5.3 完整移动单元C 和转动单元的加法运算
• 3.6 两种特殊运动单元的加法运算
• 3.6.1 完整运动单元的加法运算法则
• 3.6.2 空运动单元的加法运算法则
• 3.7 本章小结
• 第4章 机器人机构运动单元求交运算
• 4.1 引言
• 4.2 机器人运动单元求交运算基础
• 4.2.1 元素与集合
• 4.2.2 运动单元的运算符号
• 4.2.3 集合运算基础
• 4.3 机器人移动单元的求交运算
• 4.4 机器人转动单元的求交运算
• a 的求交运算'>4.4.1 一自由度转动单元T^a的求交运算
• （// a ）∈P 的求交运算'>4.4.2 一自由度转动单元T^{（// a ）∈P}的求交运算
• //a 的求交运算'>4.4.3 一自由度转动单元T^//a的求交运算
• a ,b 的求交运算'>4.4.4 二自由度转动单元U^{a ,b}的求交运算
• ∈P 的求交运算'>4.4.5 二自由度转动单元U^∈P的求交运算
• ⊥a 的求交运算'>4.4.6 二自由度转动单元U^⊥a的求交运算
• 4.4.7 三自由度转动单元的求交运算
• 4.5 两种特殊运动单元的求交运算
• 4.6 本章小结
• F集及其运算与机器人末端运动特征分类'>第5章 G_F集及其运算与机器人末端运动特征分类
• 5.1 引言
• F 集的定义'>5.2 G_F集的定义
• F 集和运动单元的机器人机构运算法则'>5.3 基于G_F集和运动单元的机器人机构运算法则
• 5.4 机器人末端运动特征的分类研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 机器人机构运动链分析与设计
• 6.1 引言
• 6.2 携带运动单元的机器人机构运动副
• 6.2.1 只含有移动或转动特征的运动副
• 6.2.2 同时含有移动或转动特征的运动副
• 6.3 机器人运动支链的末端运动特征
• *U 支链末端运动特征分析'>6.3.1 PU^*U 支链末端运动特征分析
• 6.3.2 RPS 运动链末端运动特征分析
• 6.3.3 一类具有平面副运动特征的运动链分析
• 6.3.4 具有不同自由度数的运动链设计
• 6.4 本章小结
• 第7章 机器人机构分析与综合
• 7.1 引言
• F 集和运动单元的机器人机构构型理论'>7.2 基于G_F集和运动单元的机器人机构构型理论
• 7.2.1 串联机器人机构构型理论
• 7.2.2 并联机器人机构构型理论
• 7.3 并联机器人构型分析
• 7.3.1 并联机器人构型分析的一般步骤
• 7.3.2 二自由度并联机器人构型分析
• 7.3.3 三自由度并联机器人构型分析
• 7.3.4 四自由度并联机器人构型分析
• 7.3.5 五自由度并联机器人构型分析
• 7.4 机器人机构的构型综合
• 7.4.1 机器人机构构型综合的一般步骤
• 7.4.2 机器人机构构型综合实例
• 7.5 应用实例
• 7.5.1 机器人机构运动特征仿真系统
• 7.5.2 大型锻压机设计
• 7.5.3 灵巧焊接变位机设计
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介