2-PPa移动并联机构运动学设计

论文摘要

本文主要研究2-PPa移动并联机器人在水平与竖直两种装配构型下的运动学优化设计,主要工作和研究成果可概括为如下几个方面:根据导轨的放置,将2-PPa移动并联机器人分为两种:竖直构型和水平构型。为了解决杆件干涉问题,加入一个滑块角度,减少干涉对工作空间的影响。根据各自的结构简图,定义机构参数,建立动平台和固定平台的坐标系,构造出各自的位置正解,逆解。并根据正逆解方程,给出驱动关节到动平台输出的速度映射矩阵,即雅克比矩阵。借助位置逆解和雅克比矩阵,计算工作空间中各个位形雅克比矩阵的行列式,得到奇异位形的求解方法。通过对雅克比矩阵表达式的分析,给出两种2-PPa移动并联机器人发生奇异位形时需要满足的位形和结构特征。根据工作空间与两种2-PPa移动并联机器人尺度参数的关系,研究极限夹角与各自尺度参数的关系函数。从运动学和静力学的角度出发,构造出两种并联机器人从驱动关节到动平台输出的速度、承载力、条件数、刚度映射模型,定义速度、承载力、条件数和刚度等各项性能指标,并结合（机构/所需工作空间）面积比,避免杆件材料的浪费.最终整合上述性能指标,构造一个综合性能指标。给出所需工作空间范围,和杆件的装配参数,结合杆件的干涉角度,绘制各种关于极限夹角的全域性能图谱,利用性能图谱进行结构参数的优化设计。利用Matlab的GUI工具将两种方式的2-PPa移动并联机器人的相关信息,各种全域性能图谱的算法整合到一个应用模块中,为设计者提供方便。并根据优化结果,通过SolidWorks建模软件与ADAMS分析软件,建立虚拟样机,在虚拟样机中,对动平台进行位移,速度以及加速度的运动学分析。根据虚拟样机的分析结果,建造实体样机,搭建了基于NI公司PCI-7340运动控制卡和Haydon步进电机的运动控制系统,指定预定轨迹,完成实验目的。本文的研究工作对2-PPa移动并联机器人的开发有重要指导意义

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 目前国内外研究现状
• 1.2.1 国内外并联机器人的研究现状
• 1.2.2 2 自由度并联机器人的国内外研究发展状况
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 2-PPa移动并联机器人的运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 2-PPa 移动并联机器人（竖直）机构简介
• 2.3 2-PPa 移动并联机器人（水平）机构简介
• 2.4 运动学分析
• 2.4.1 2-PPa 移动并联机器人（竖直）运动学分析
• 2.4.1.1 位置逆解
• 2.4.1.2 位置正解
• 2.4.1.3 雅克比矩阵
• 2.4.1.4 奇异位形
• 2.4.2 2-PPa 移动并联机器人（水平）运动学分析
• 2.4.2.1 位置逆解
• 2.4.2.2 位置正解
• 2.4.2.3 雅克比矩阵
• 2.4.2.4 奇异位形
• 2.4.3 本章小结
• 第三章 2-PPa移动并联机器人的尺度综合
• 3.1 引言
• 3.2 2-PPa 移动并联机器人（竖直）工作空间与尺度参数关系
• 3.3 2-PPa 移动并联机器人（竖直）基于工作空间的优化
• 3.5 2-PPa 移动并联机器人（水平）工作空间与尺度参数关系
• 3.6 2-PPa 移动并联机器人（水平）基于工作空间的优化
• 3.7 运动学性能评价指标
• 3.7.1 速度性能指标
• 3.7.2 承载力性能指标
• 3.7.3 全域条件数性能指标
• 3.7.4 刚度性能指标
• 3.8 约束条件
• 3.8.1 （竖直）约束条件
• 3.8.2 （水平）约束条件
• 3.9 全域综合性能分析
• 3.10 确定机器人尺寸
• 3.10.1 2-PPa 移动并联机器人（竖直）
• 3.10.2 2-PPa 移动并联机器人（水平）
• 3.11 两种装配方式并联机器人的横向对比
• 3.12 两种装配方式并联机器人的纵向对比
• 3.13 2-PPa 平面移动并联机器人计算机辅助设计软件模块
• 3.14 本章小节
• 第四章 2-PPa移动并联机器人虚拟样机运动仿真
• 4.1 引言
• 4.2 软件简介
• 4.3 虚拟样机模型
• 4.3.1 2-PPa 平面移动并联机器人（竖直）虚拟样机模型
• 4.3.2 2-PPa 平面移动并联机器人（水平）虚拟样机模型
• 4.4 ADAMS 虚拟样机
• 4.4.1 2-PPa 平面移动并联机器人（竖直）虚拟样机
• 4.4.2 2-PPa 平面移动并联机器人（水平）虚拟样机
• 4.5 本章小结
• 第五章 样机设计
• 5.1 引言
• 5.2 控制系统概述
• 5.3 硬件组成
• 5.3.1 运动控制卡和数据数据采集卡
• 5.3.2 驱动器与步进电机
• 5.3.3 硬件连接
• 5.5 软件设计
• 5.6 样机参数
• 5.7 样机实验
• 5.7.1 2-PPa 平面移动并联机器人（竖直）样机实验
• 5.7.2 2-PPa 平面移动并联机器人（水平）样机实验
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文