基于并联机构的平面3自由度微动工作台的研究

论文摘要

本文结合一种宏观平面3-RRR并联机器人的研制，建立了全柔性微动工作台的模型。设计该柔性机构时，通过采用免装配、无间隙和无摩擦的柔性铰链代替实际的转动副以及压电陶瓷驱动，实现了工作台x向和y向的微米级位移以及在x—y平面内的微小转动。本文对微动工作台的机构设计、运动学、静力学和动力学问题进行了全面的研究。首先根据课题要求设计微动工作台的结构参数；然后通过工作台的运动约束条件进行了位姿反解、正解，利用常雅克比矩阵法建立了运动学模型，并结合闭合回路理论与坐标转换原理得到了一种线性的运动正解模型，侧面验证了常雅克比矩阵求解的正确性；并在Matlab软件中仿真出微动工作台的理论工作空间。论文随后对微动工作台的静力学和柔性铰链的刚度进行了分析，得到了在静止状态下输入力／力矩与输出力／力矩之间的关系和输出力与驱动位移之间的关系；并通过拉格朗日动力学方程建立了微动工作台总力矩与输入的加速度、速度之间的模型；然后通过有限元分析软件Ansys 10.0对微动工作台的进行静态分析，验证其结构设计满足许用应力的要求。最后，通过设定的实验方案对微动工作台的平面3个自由度的运动进行测量，并和常雅克比矩阵法及有限元分析法得到的结果做比较，得到实验数据和常雅克比矩阵法求解结果比较接近。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微机器人
• 1.1.1 微机器人的发展和展望
• 1.1.2 微动机器人的应用
• 1.2 并联微动机器人
• 1.2.1 并联微动机器人的特点
• 1.2.2 并联微动机器人的研究状况
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 1.3.1 课题来源与研究目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 第二章 并联微动工作台的机构设计及柔性铰链的计算
• 2.1 并联微动工作台刚体机构的设计
• 2.1.1 并联微动工作台的结构简介
• 2.1.2 并联平面3RRR微动工作台的机构参数设计
• 2.2 柔性铰链的设计计算
• 2.2.1 柔性铰链的简介
• 2.2.2 柔性铰链的设计计算
• 第三章 运动学性能分析
• 3.1 位姿分析
• 3.1.1 伪刚体模型
• 3.1.2 位姿逆解
• 3.1.3 位姿正解
• 3.2 雅克比矩阵
• 3.2.1 雅克比矩阵简介
• 3.2.2 雅克比矩阵的求解与奇异位形条件
• 3.3 闭合回路位姿正解法与运动空间分析
• 3.3.1 闭合回路理论
• 3.3.2 运动空间分析
• 第四章 静力学和动力学的模型建立及精度指标
• 4.1 静力学分析和刚度分析
• 4.1.1 静力学分析
• 4.1.2 刚度分析
• 4.1.3 机构输出力与驱动伸长量的关系
• 4.2 动力学模型的建立
• 4.2.1 拉格朗日动力学方程
• 4.2.2 动力学模型的建立
• 第五章 仿真及实验分析
• 5.1 微动工作台的有限元分析
• 5.1.1 有限元方法概述
• 5.1.2 ANSYS有限元分析软件简介
• 5.1.3 有限元分析及对比
• 5.2 实验装置及方法
• 5.2.1 实验装置介绍
• 5.2.2 实验方法简介
• 5.3 实验数据分析
• 5.3.1 雅克比矩阵的实验值
• 5.3.2 微动工作台运动实验数据分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 附录一 并联微动工作台各构件图纸
• 附录二 并联微动工作台照片
• 附录三 实验数据
• 攻读硕士学位期间发表的论文