2-DOF高速高精度平面并联机器人研究

论文摘要

随着机器人应用领域不断拓展,对其行程、速度、加速度和精度提出了更高的要求。然而,机器人因受其构件的惯性及弹性变形、各关节的摩擦力以及传动间隙的影响,其精度和响应频率是有限的,如何进行有效的机器人结构设计,提高系统的响应速度与定位精度,实现高速（高加速）、高精度作业,是研制此类机器人要解决的关键问题。本文针对芯片封装等领域对高速高精度作业的实际需求,提出一种新型2-DOF高速高精度平面并联机器人:采用高性能直线音圈电机,直接驱动含有平行四边形支链的并联杆机构实现末端平台的2-DOF平动。该方案降低了机械传动误差,减小了运动部件的质量,提高了系统的刚度,易于实现高速、高加速和高精度的运动。在运动学方面,首先通过机器人的基本构型建立运动学等式与速度等式;然后基于雅可比矩阵进行了运动灵巧度分析与奇异位形分析,得到了机器人的最佳机构构型;最后分析确定出机器人的灵巧工作空间,得到了正方形工作空间的最佳位置与配置方式。在动力学方面,建立机器人的拉格朗日动力学方程,基于动力学方程分析了机器人的速度特性、加速度特性以及动态可操作性;并结合运动灵巧度与动态可操作性构造了高速度高精度机器人的综合性能评价指标,据此对机器人进行尺度参数优化综合。在精度分析方面,分离了位置误差与姿态误差,简化了机器人精度分析的复杂性;然后建立了误差灵敏度评价函数,对影响机器人位姿误差的几何误差源进行了灵敏度分析;最后采用蒙特卡罗法对不可补偿的姿态误差进行了精度综合研究。最后,应用虚拟样机技术对机器人进行三维建模、装配、静动态干涉检查以及运动学性能仿真分析,仿真分析结果表明,优化后的机器人具有很高的运动性能,实现了文章开始提出的性能指标。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 并联机器人及其应用
• 1.1.1 并联机器人产生和特点
• 1.1.2 并联机器人机构的应用
• 1.2 高速高精度并联机器人综述
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 平面并联机器人的运动学分析
• 2.1 平面并联机器人的总体设计
• 2.1.1 概念设计
• 2.1.2 驱动方式设计
• 2.1.3 综合方案
• 2.2 平面并联机器人的构型优化设计
• 2.2.1 运动灵巧度分析
• 2.2.2 奇异位形分析
• 2.2.3 构型优化设计
• 2.3 平面并联机器人运动学建模
• 2.3.1 位置模型
• 2.3.2 速度模型
• 2.3.3 加速度模型
• 2.4 平面并联机器人的工作空间综合
• 2.4.1 运动性能分析
• 2.4.2 工作空间综合
• 2.5 本章小结
• 第三章 平面并联机器人的动态性能分析与尺度参数优化
• 3.1 平面并联机器人动力学建模
• 3.2 平面并联机器人动态特性分析
• 3.2.1 速度特性分析
• 3.2.2 加速度特性分析
• 3.2.3 动态可操作性分析
• 3.3 平面并联机器人的尺度参数优化设计
• 3.3.1 机器人的性能评价指标
• 3.3.2 机器人的尺度参数优化设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 平面并联机器人的精度分析与综合以及运动学标定问题
• 4.1 误差建模
• 4.1.1 结构参数误差
• 4.1.2 误差映射矩阵
• 4.2 误差灵敏度分析
• 4.2.1 位置误差的灵敏度分析
• 4.2.2 姿态误差的灵敏度分析
• 4.3 精度综合
• 4.3.1 蒙特卡罗方法概述
• 4.3.2 基于蒙特卡罗法的精度综合
• 4.4 平面并联机器人的运动学标定与误差补偿方法研究
• 4.4.1 并联机器人运动学标定技术综述
• 4.4.2 运动学标定与误差补偿
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于虚拟样机技术的运动仿真
• 5.1 2-DOF 平面并联机器人的机构组成
• 5.2 机器人的参数化实体建模
• 5.2.1 SolidWorks 设计环境
• 5.2.2 实体建模
• 5.2.3 静态干涉检查
• 5.3 运动仿真
• 5.3.1 COSMOSMotion 简介
• 5.3.2 典型工作情况选择及末端工作台速度规划
• 5.3.3 动力学仿真与分析
• 5.3.4 机构运动干涉检查
• 5.4 本章小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 致谢