基于序单开链单元的并联机器人运动分析模式方法研究

论文摘要

作者将序单开链法推广应用于并联机器人机构运动学分析之中,提出一种具有效率较高、方便统一建模、可实现运动学方程自动生成与求解、通用性较强等诸多优点的基于序单开链的运动分析模式方法。本文主要研究内容如下:一、分析了导致并联机器人运动分析复杂的原因,比较、归纳了目前各种运动分析方法的特点。二、对构成并联机器人机构的常见单开链单元进行了合理的分类,并为它们建立了运动分析(包括位置、速度、加速度)模型,为方便实现并联机器人机构运动学方程自动生成与求解奠定坚实的基础。三、重点研究了具有标志性意义的典型单开链单元(即5R和6R单开链单元)运动分析问题,取得如下创新性成果:①针对经典方法只能求唯一解的缺陷,提出了任意5R串联机器人逆运动学分析求解的通用方法(不仅适合唯一解,而且可以解决多解问题,具有普遍意义);②得到了任意5R串联机器人机构逆解数目的正确判定方法;③结合实例提出了适合一般6R串联机器人逆运动学分析(或一般7R单回路机构正运动学分析)的高效方法。四、以耦合度为1的4自由度并联机器人机构为研究实例,详细介绍了利用模式方法进行空间并联机器人机构运动分析的一般思路和具体步骤,并且给出了研究实例的运动分析结果,通过实例说明该模式方法的有效性;另外,归纳总结了应用该模式方法时应注意的技巧,以便简化运算过程,提高计算效率。五、研究了耦合度大于1的复杂并联机器人机构运动分析问题,取得如下创新性成果:提出了可以较迅速得到其运动学方程组所有实数解的一种新算法,即“网格”细分法,并给出了提高该算法搜索效率的具体方法,从而基本解决了关于应用序单开链模式方法进行耦合度大于1的复杂机构运动学分析时,如何利用搜索法求解运动方程组,这一长期未解决的问题。本文研究内容是对复杂机构尤其是并联机器人机构运动学的深化,研究成果对提高复杂机构的运动学和动力学分析效率、实现其实时控制以及促进机器人理论与技术的成熟都具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.1.1 并联机器人特点与应用
• 1.1.2 课题产生背景及原因
• 1.1.3 课题来源
• 1.2 并联机器人机构运动学研究现状与发展趋势
• 1.2.1 并联机器人机构运动学分析
• 1.2.2 并联机器人机构运动学方程的特点
• 1.2.3 复杂机构结构分解
• 1.2.4 并联机器人机构运动分析主要建模方法及其特点
• 1.2.5 机器人机构运动学方程的基本求解方法
• 1.3 本论文主要研究内容
• 第2章 基于序单开链单元的模式方法
• 2.1 基本概念
• 2.1.1 单开链约束度
• 2.1.2 机构耦合度
• 2.2 序单开链法的基本思想
• 2.2.1 位置分析
• 2.2.2 速度分析
• 2.2.3 加速度分析
• 2.3 基于序单开链（?）模式方法
• 2.3.1 序单（?）链法的特点
• 2.3.2 基于（?）方法的一般步骤
• 本章小结
• 第3章 常见单开链单元的运动学建模
• 3.1 单构件运动分析
• 3.1.1 由转动副组成的单构件运动分析
• 3.1.2 由移动副组成的单构件运动分析
• 3.1.3 由圆柱副组成的单构件运动分析
• 3.1.4 由球副组成的单构件运动分析
• 3.2 约束度等于零的单开链运动学建模
• 1//R₂//R₃)运动分析'>3.2.1 单开链SOC{-R₁//R₂//R₃)运动分析
• 1-C₂-)运动分析'>3.2.2 单开链SOC{-R//C₁-C₂-)运动分析
• 3.2.3 单开链SOC{-R-S-U-}运动分析
• 1-S₂-)运动分析'>3.2.4 单开链SOC{-P-S₁-S₂-)运动分析
• 1//R₂-R₃//R₄//R₅-)运动分析'>3.2.5 单开链SOC{-R₁//R₂-R₃//R₄//R₅-)运动分析
• 3.3 约束度大于零的单开链运动学建模
• 1//R₂//R₃//R₄-)运动分析'>3.3.1 单开链SOC{-R₁//R₂//R₃//R₄-)运动分析
• 1//C₁-C₂//R₂-}运动分析'>3.3.2 单开链SOC{-R₁//C₁-C₂//R₂-}运动分析
• 3.3.3 单开链SOC{-R-P-S-U-}运动分析
• 1-S₂-R-)运动分析'>3.3.4 单开链SOC{-P-S₁-S₂-R-)运动分析
• 0//R₁//R₂-R₃//R₄//R₅-)运动分析'>3.3.5 单开链SOC{R₀//R₁//R₂-R₃//R₄//R₅-)运动分析
• 1-S₂-S₃-R-)运动分析'>3.3.6 单开链SOC{-S₁-S₂-S₃-R-)运动分析
• 3.4 约束度小于零的单开链运动学建模
• 1//R₂-)运动相容性条件'>3.4.1 单开链SOC{-R₁//R₂-)运动相容性条件
• 3.4.2 单开链SOC{-S-U-}运动相容性条件
• 1//R₂-R₃//R₄-)运动相容性条件'>3.4.3 单开链SOC{-R₁//R₂-R₃//R₄-)运动相容性条件
• 本章小结
• 第4章 5R和6R单开链单元的运动学建模
• 4.1 主项解耦消元法
• 4.2 5R串联机器人机构运动学分析
• 4.2.1 一般5R串联机器人机构正运动学分析
• 4.2.2 5R串联机器人机构逆运动学分析
• 4.3 一般6R串联机器人机构运动学分析
• 4.3.1 一般6R串联机器人机构正运动学分析
• 4.3.2 一般6R串联机器人机构逆运动学分析
• 4.4 一般7R单回路机构正运动学分析
• 本章小结
• 第5章 耦合度等于1的并联机器人机构运动分析
• 5.1 概述
• 5.2 机构简介与坐标系建立
• 5.3 机构结构分解
• 5.4 机构运动学分析
• 5.4.1 位置分析
• 5.4.2 速度和加速度分析
• 5.5 实例分析
• 5.5.1 位置正解数值实例分析
• 5.5.2 速度和加速度数值实例分析
• 5.6 应用序单开链模式方法的技巧
• 本章小结
• 第6章 耦合度大于1的复杂并联机器人机构运动分析
• 6.1 概述
• 6.2 新算法的提出
• 6.2.1 新算法的基本思想
• 6.2.2 新算法的数值实例分析
• 6.3 机构简介与坐标系建立
• 6.4 机构结构分解
• 6.5 机构运动学分析
• 6.5.1 位置分析
• 6.5.2 速度和加速度分析
• 6.6 实例分析
• 6.6.1 位置正解数值实例分析
• 6.6.2 速度和加速度数值实例分析
• 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 需进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果