二并联四自由度机器人工作空间及刚度分析

论文摘要

近年来,对并联机器人的研究已成为现代机器人学研究领域的一个新的热点。并联机器人是一种全新的机器人,它以刚度大,承载能力强,误差小,精度高,自重负荷比小、动力性能好等一系列优点与串联机器人应用上形成互补关系,扩大了机器人的应用领域。许多国外的科研机构正在进行少于六杆的并联机构的研究工作,如二并联机器人和三并联机器人,并取得了显著的进展。本文对一种新型二并联四自由度机器人的工作空间、刚度及静力进行了系统的研究。本文对机构的运动学、工作空间、刚度特性、奇异性及静力学进行了详细的分析。通过闭环矢量方程以及坐标变换求解出机构的约束方程组,在通过解析法求出机构约束方程组中的中间变量,让中间变量由已知的变量来表示,从而可以得到机构的运动学正解以及逆解。在对机构的工作空间进行分析时,给出求解工作空间的最简便方法：边界数值搜索法,在分析了影响工作空间的约束前提下,通过边界数值搜索的方法对二并联四自由度机器人的工作空间进行了仿真,然后绘制了结构参数对工作空间的影响。在对机构的刚度进行分析时,首先推导出了并联机器人的守恒刚度矩阵,给出并联机器人刚度矩阵的一般公式,然后根据公式推导出了该二并联四自由度机器人的刚度矩阵,接着根据刚度矩阵仿真出刚度映射曲线图。通过对机构雅可比矩阵的分析,得到该机构在工作空间内无奇异形位和不定形位,具有良好的可操作性和灵巧性。在机构静力学分析中,利用虚位移原理建立了机构的静力学逆解,并利用相关软件进行了仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 并联机器人的提出、特点及应用
• 1.2 并联机器人研究中有待解决的问题
• 1.3 并联机器人工作空间及刚度研究现状
• 1.3.1 并联机器人工作空间研究现状
• 1.3.2 国内对并联机器人刚度的研究现状
• 1.3.3 国外对并联机器人刚度的研究现状
• 1.4 课题研究的意义及主要内容
• 第2章 二并联四自由度机器人机构简介和运动学分析
• 2.1 二并联四自由度机器人的机构简述
• 2.2 二并联四自由度机器人运动学分析
• 2.2.1 机构的运动学方程的建立
• 2.2.2 运动学正解
• 2.2.3 运动学逆解
• 2.3 本章小结
• 第3章 二并联四自由度机器人工作空间分析
• 3.1 工作空间的定义
• 3.2 影响并联机器人工作空间的因素
• 3.3 并联机器人工作空间的求解方法
• 3.4 并联机器人工作空间的边界数值搜索法
• 3.5 机构工作空间的仿真
• 3.5.1 求解工作空间的流程图
• 3.5.2 机构工作空间的仿真
• 3.6 工作空间的衡量方法
• 3.7 机构尺寸对机构工作空间的影响
• 3.7.1 姿态角φ=0时结构参数对工作空间的影响
• 3.7.2 姿态角φ=π/6时结构参数对工作空间的影响
• 3.7.3 姿态角为φ=0～π/2时结构参数对工作空间的影响
• 3.8 优化问题的数学模型
• 3.8.1 设计变量
• 3.8.2 目标函数
• 3.8.3 约束条件
• 3.8.4 基于遗传算法的并联机器人结构参数优化
• 3.9 本章小结
• 第4章 二并联四自由度机器人刚度分析
• 4.1 引言
• 4.2 二并联四自由度机器人刚度矩阵
• 4.2.1 并联机构的守恒转换刚度矩阵
• 4.2.2 机构的雅克比矩阵
• 4.2.3 机构的刚度矩阵
• 4.3 二并联四自由度机器人的刚度映射与特性分析
• 4.3.1 方法与步骤
• 4.3.2 二并联四自由度机器人的刚度映射
• 4.3.3 机构的刚度特性
• 4.4 本章小结
• 第5章 二并联四自由度机器人奇异性及静力学分析
• 5.1 机构奇异分析
• 5.2 机构静力分析
• 5.3 机构静力仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢