3-3UPS1S并联机器人运动学分析与仿真

论文摘要

并联机器人具有结构简单、造价低、承载能力强、精度高和易于控制等特点,是国内外高新技术研究的重要组成部分。近几年来,少自由度并联机器人成为新的研究热点,在工业生产及其它领域有着广阔的应用前景。并联机器人的运动学分析在机器人研究中占有重要的地位,包括正运动学和逆运动学。正运动学的解具有多解性,往往比较复杂,而逆运动学的解是唯一的,相对比较简单,并联机器人正运动学求解简单化、精确化是研究者关注的重要内容。实现并联机器人运动学仿真的可视化也是机器人研究的一项很重要的内容,它涉及机器人机构学、运动学、零件建模、仿真的三维实现和运动控制,是一项综合性的有创新意义和实用价值的研究课题。针对少自由度并联机器人的运动学及其仿真,研究内容包括以下四个部分:1、提出了一种空间三转动自由度的3-3UPS1S并联机器人机构。该机构具有驱动简单和便于控制等优点,可作为腕关节和肩关节,也可应用于并联机床。2、提出了一种基于逆运动学的正运动学求解方法。通过矢量法建立该并联机器人的正、逆运动学的数学模型,以给定的动平台的转动角度为牛顿迭代法求解的初值进行正运动学角度求解,以给定的动平台的转动角度为正运动学速度和加速度求解时的角度值进行求解。将求得的正运动学的角度、速度和加速度与给定的动平台的相应运动参数进行比较,仿真结果表明采用该方法求得的正运动学解的精度满足要求。从而实现该并联机器人机构正运动学求解简单化、精确化。3、在Pro/E软件中建立该并联机器人机构的三维虚拟样机模型,利用Pro/E和ADAMS之间的接口程序Mechpro 2005将其导入ADAMS软件中,实现接近于物理样机模型的虚拟样机模型的运动学仿真的可视化,同时也避免运动学仿真过程中大量的数学计算和计算机语言编程。4、通过对该并联机器人在MATLAB和ADAMS不同软件下仿真结果的比较,一方面验证了模型和计算机语言编程的正确性,另一方面也验证了基于Pro/E和ADAMS的建模和仿真的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 并联机器人的提出及特点
• 1.2 并联机器人的应用
• 1.3 国内外并联机器人的研究现状
• 1.3.1 结构理论
• 1.3.2 运动学分析
• 1.3.3 动力学分析
• 1.3.4 机构性能分析
• 1.3.5 仿真和控制策略分析
• 1.3.6 尺度综合分析
• 1.4 并联机器人的发展方向
• 1.5 本文所做的工作
• 1.6 本章小结
• 第二章 相关基础知识
• 2.1 机器人位置与姿态的描述
• 2.1.1 坐标变换
• 2.1.2 齐次坐标变换
• 2.2 机器人雅可比矩阵
• 2.2.1 雅可比矩阵的定义
• 2.2.2 雅可比矩阵的求法
• 2.2.3 雅可比矩阵的逆
• 2.3 矢量运算
• 2.3.1 矢量点积
• 2.3.2 矢量叉积
• 2.3.3 矢量混合积
• 2.4 刚体绕定点运动
• 2.4.1 运动方程
• 2.4.2 欧拉定理
• 2.4.3 瞬时转动轴、角速度、角加速度
• 2.4.4 定点运动刚体上点的速度和加速度
• 2.5 本章小结
• 第三章 3-3UPS1S 并联机器人机构的特点及其自由度
• 3.1 机器人机构的组成元素
• 3.2 机器人机构的自由度
• 3.3 3-3UPS1S 并联机器人机构的结构特点及自由度
• 3.4 本章小结
• 第四章 3-3UPS1S 并联机器人的运动学分析
• 4.1 3-3UPS1S 并联机器人的坐标系的建立
• 4.2 3-3UPS1S 并联机器人的位姿分析
• 4.2.1 位姿逆解
• 4.2.2 位姿正解
• 4.3 3-3UPS1S 并联机器人的速度分析
• 4.3.1 速度逆解
• 4.3.2 速度正解
• 4.4 3-3UPS1S 并联机器人的加速度分析
• 4.4.1 加速度逆解
• 4.4.2 加速度正解
• 4.5 基于MATLAB 的运动学仿真
• 4.5.1 逆运动学仿真
• 4.5.2 正运动学仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于PRO/E 和ADAMS 的3-3UPS1S 并联机器人运动学仿真
• 5.1 基于PRO/E 的3-3UPS1S 并联机器人机构模型
• 5.1.1 Pro/E 软件简介
• 5.1.2 3-3UPS1S 并联机器人机构模型
• 5.2 PRO/E 和ADAMS 之间数据的传输
• 5.2.1 接口模块Mechanism/Pro
• 5.2.2 3-3UPS1S 并联机器人机构的数据传输
• 5.3 基于ADAMS 的3-3UPS1S 并联机器人运动学仿真
• 5.3.1 ADAMS 软件简介
• 5.3.2 3-3UPS1S 并联机器人运动学仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于MATLAB 和ADAMS 的3-3UPS1S 并联机器人运动学仿真结果比较
• 6.1 运动学位姿逆解仿真结果比较
• 6.2 运动学速度逆解仿真结果比较
• 6.3 运动学加速度逆解仿真结果比较
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文