柔性关节及3-DOF微动平面并联机器人设计与分析

论文摘要

柔性铰链和并联机器人由于自身所具有的明显特性,在微操作领域正被广泛地得到应用。三自由度（3-DOF）平面并联机器人是并联机器人家族中的重要组成部分,由于结构简单、控制方便和制造成本低廉等原因,在微操作领域有着重要的应用前景和开发价值。本文主要以柔性关节和3-DOF平面并联机器人为对象,研究其在微动机器人中的设计和分析,对开发新型微操作并联机器人系统具有重要的意义。本文所开展的主要研究工作如下:首先,文章讨论了3-DOF平面并联机器人的类型分析,建立了基于正解运动学模型的分类。与传统分类方法比较,具有方法简单实用,类型特性鲜明。并介绍了各类型的运动学正、反解模型的推导及求解过程。然后,针对微操作机器人中的关键技术-微动柔性关节设计问题,提出了两种新型的微动柔性关节,即余弦曲线轮廓和双曲余弦曲线轮廓微动柔性关节。应用Castigliano’s Displacement Theorem（卡氏位移定理）,即应变能理论推导出它们的柔度系数矩阵中各元素的解析表达式。并通过有限元分析手段,对其各种工作载荷作用下的应力、变形规律进行研究,将它们与最常用的微动关节-半圆弧微动柔性关节进行比较,得出在不同性质载荷作用下各自的柔性性能,验证其有效性。在此基础上,考虑非功能方向上的变形影响,提出了微动关节的变形叠加过程,推导出了微动关节运动传递过程中的坐标变换矩阵。同时,以（?）RR型3-DOF平面并联微操作机器人为例,介绍了微动机器人的运动学和动力学建模及其求解问题。分别通过微分运动简化法、闭环运动链矢量法推导出系统简化的线性运动学和动力学模型;采用伪刚体法、变形叠加法结合系统运动学方程和静力平衡方程,建立其动态-静力模型即动-静态模型,介绍了详细的求解过程和结果,说明了其运动精度差异。最后,针对设计制作出的3-DOF平面并联微操作机器人,通过采用简化线性方法、有限元分析方法和实验测定手段建立线性化运动学模型,分别得到了3-DOF平面并联微操作机器人的运动Jacobian矩阵。在此基础上,求出三个对应的输出平台工作空间,通过分析和比较,验证本研究的有效性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 并联机器人
• 1.2 少自由度并联机器人和3-DOF并联机器人
• 1.2.1 少自由度并联机器人
• 1.2.2 3-DOF平面并联机器人
• 1.3 微操作技术与微动并联机器人
• 1.3.1 微操作技术
• 1.3.2 柔性铰链研究
• 1.3.3 微动并联机器人研究
• 1.3.4 微动并联机器人应用开发现状
• 1.4 课题的提出及目的
• 1.5 课题研究内容及论文结构
• 2 一般3-DOF平面并联机器人运动学与类型分析
• 2.1 引言
• 2.2 3-DOF平面并联机器人类型分析的Merlet方法
• 2.3 基于运动学模型的3-DOF平面并联机器人类型分析
• 2.3.1 3-DOF平面并联机器人的类型分析
• 2.3.2 3-DOF平面并联机器人的运动学模型
• 2.4 类型一的3-DOF平面并联机器人运动学求解
• 2.4.1 运动学正解模型
• 2.4.2 运动学反解模型
• 2.5 类型二的3-DOF平面并联机器人运动学求解
• 2.5.1 类型二3-DOF平面并联机器人
• 2.5.2 运动学正解模型
• 2.5.3 运动学反解模型
• 2.5.4 计算实例
• 2.6 本章小结
• 3 微动机器人柔性关节的解析运动学分析
• 3.1 引言
• 3.2 几种典型的微动柔性关节及柔性运动链
• 3.3 两种新型曲线轮廓柔性关节
• 3.4 柔性关节的解析运动学分析方法
• 3.5 利用卡氏第二位移原理对柔性关节柔度建模
• 3.6 不同轮廓曲线的微动关节柔度表达式推导
• 3.6.1 两对称半园弧曲线作为柔性关节轮廓时的柔度计算
• 3.6.2 两对称余弦曲线作为柔性关节轮廓时的柔度计算
• 3.6.3 两对称双曲余弦曲线作为柔性关节轮廓时的柔度计算
• 3.7 三种不同轮廓曲线微动关节柔性与几何尺寸之间关系比较
• 3.8 变形叠加法求解柔性关节的坐标变换矩阵
• 3.9 本章小结
• 4 微动机器人柔性关节的有限元分析模型
• 4.1 引言
• 4.2 第一种受载情况下的变形分析
• 4.3 第二种受载情况下的变形分析
• 4.4 第三种受载情况下的变形分析
• 4.5 第四种受载情况下的变形分析
• 4.6 本章小结
• 5 微操作3-DOF平面并联机器人运动学、动力学解析建模
• 5.1 引言
• 5.2 伪刚体法对3-DOF平面并联机器人动力学建模
• 5.2.1 反解动力学
• 5.2.2 正解动力学
• 5.3 整体弹性关节平面并联机器人运动学-静力平衡方程
• 5.4 利用变形叠加法对微动机器人的力学平衡方程的推导
• 5.5 微动机器人的运动学方程的推导
• 5.6 3-DOF平面并联微动机器人的运动学-力学方程的求解
• 5.7 微动并联机器人的简化建模方法1-微分运动法
• 5.7.1 微动机器人的通用运动学建模
• 5.7.2 3-DOF微动机器人的动力学建模
• 5.7.3 计算实例
• 5.8 微动并联机器人的简化建模方法2-环路矢量法
• 5.8.1 闭环运动链与运动学建模
• 5.8.2 简化的动力学建模
• 5.9 本章小结
• 6 微操作3-DOF平面并联机器人运动学有限元模型与实验模型
• 6.1 引言
• 6.2 微动机器人有限元建模与实验测试建模
• 6.2.1 有限元建模
• 6.2.2 实验测试建模
• 6.3 解析Jacobian、有限元Jacobian与实验Jacobian矩阵的比较
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 作者简历
• 学位论文数据集